宝钢分公司4_连铸机结晶器振动技术应用

宝 钢 技 术2008年第1期 宝钢分公司4 # 连铸机结晶器振动技术应用 郭 勇,王克勇,刘 涌 (宝钢分公司 炼钢厂,上海 200941) 摘要:宝钢分公司4#连铸机结晶器振动装置采用滚动元件导向,避免了在弹簧中常见的疲劳失效,使导 向系统工作寿命极大增加;该振动装置采用双液压缸直接驱动,不仅便于维护,而且产生波形较多,可随时调 整波形和振幅。通过对该结晶器振动装置进行介绍,以及对双缸液压同步振动在该结晶器中应用进行分析, 认为该振动系统具有结构简单、 运行灵活、 精确等优点,有力保证了4#连铸机稳定生产。 关键词:连铸机;滚动元件;液压振动;非对称正弦波 中图分类号: TF777 文献标识码:B 文章编号: 1008 - 0716 (2008) 01 - 0024 - 04 Application ofM ould O scillator Technology for Baosteel Branchs No. 4 Continuous Caster Guo Yong, W ang Keyong, L iu Yong ( Steelmaking Plant, Baosteel Branch, Shangha i200941, China) Abstract:Some rolling elements are used for orientation of the mould oscillator ofBaosteelBranchsNo. 4 con2 tinuous caster, which can avoid the common fatigure failure of the spring and greatly increase the orientation systems service life.The oscillator is driven directly by double hydraulic cylinders, which not only makes the maintenance easier, but also producesmore waves . The mould oscillatorswave form and amplitude can be adjusted at any time. W ith an introduction to the mould oscillator and analysis of applications of the double hydraulic cylinders synchro2 nous vibration in the mould, the oscillating system was thought to have many advantages, such as a simple structure, flexible, accurate operation, etc. , which will ensure No. 4 continuous casters stable production. Key words: continuous caster; rolling element; hydraulic oscillation; sinusoidal asymmetric waveform 0 引言 在连铸生产过程中,结晶器的振动可防止铸 坯在凝固过程中与铜板发生黏结而出现黏挂拉裂 或拉漏事故,而且通过保护渣在结晶器壁的渗透, 可改善其润滑状况,减少拉坯时摩擦阻力和黏结 可能性 1 。研究表明 ,对结晶器采用低振幅、 高 频率振动,能减少铸坯上振痕深度,有效防止横向 裂纹产生 2。因此 ,不断优化结晶器振动形式具 有十分重要的意义。 1 连铸机结晶器振动现状 宝钢分公司炼钢厂现有6台板坯连铸机,其 中1 # , 5 #和 6 #连铸机结晶器振动装置的结构型式 均为机械偏心轮驱动方式,其振幅改变只能在机 郭 勇 硕士 1978年生 2005年毕业于华中科技大学 现从事设备管理工作 电话 26643480 E2mail yongguo1978126. com 械维修时通过更换4个偏心轴来实现,仅能实现 正弦波振动,不能有效提高连铸坯表面质量, 3 #连 铸机结晶器采用短杆式液压振动,每根振动连杆 都由高精度的减磨轴承支撑,能够对结晶器实现 非正弦振动,有效提高了连铸坯表面质量 3 ,但 其振动机构较为复杂;在新投产的4 #连铸机中 , 对结晶器采用双缸液压直接振动,具有结构简单、 振动灵活的优点,可轻易形成正弦及非正弦波形, 生产使用效果较好。 2 4 #连铸机结晶器振动装置 2. 1 基本组成 结晶器振动装置主要由4部分组成:结晶器 支撑台、 运动部件、 滚动元件和振动液压缸,其结 构如图1所示。 由图1可知,结晶器支撑台是一个重型装置, 安装在结晶器支撑台架上。运动部件安装在结晶 器支撑台的上部,二者通过液压缸及滚动元件的 42 郭 勇等 宝钢分公司4 #连铸机结晶器振动技术应用 图1 结晶器振动装置示意图 Fig . 1 Sketch map of the mould oscillator 导向装置直接相连,它为结晶器提供安装面,也为 工业循环水提供接口。滚动元件用于导向运动部 件,通过导向,可使结晶器只作垂直运动,该元件 是由DanieliDavy Distington研发的专利产品,是 结晶器无弹簧导向的进一步演变。振动液压缸安 装在结晶器支撑架内部,为获得快速动态响应,每 个缸都装有一套伺服阀。 2. 2 装置特点 相对宝钢分公司炼钢厂其他几台连铸机而 言, 4 #连铸机结晶器振动装置具有一些特点 ,主要 表现如下: (1)该振动装置采用双液压缸直接驱动,没 有谐振弹簧,具有结构简单,零件较少,便于维护, 产生波形较多(可生成对称和非对称正弦及自定 义波等 ) , 可随时调整波形和振幅,对液压缸的同 步运动要求较高。 (2)由于滚动元件避免了在弹簧中常见的疲 劳失效,故其在导向运动部件运动时,几乎消除了 系统中任何磨损,使导向系统工作寿命大大增加。 3 液压振动在4 #连铸机结晶器中应用 3. 1 振动理念 结晶器液压振动是通过一套高精度的液压伺 服系统来实现的,其机械部分包括两个独立伺服 阀控制的液压缸,通过液压缸运动来控制结晶器 在预设的频率、 行程和波形下振动。 3. 2 振动数学模型 把结晶器液压振动看作只有惯性负载的位置 控制系统,由于整个系统频宽远低于伺服放大器 和位置传感器转折频率,当把伺服阀当作一个二 阶振荡环节时,可建立其传递函数为: Csv= Q I = Ksv s 2 2 v + 2v v s+1 (1) 式中,Q为伺服阀空载流量,m 3 /s;I为伺服 阀输入电流增量, A;Ksv为伺服阀静态流量增量, m 3 /sA;s为拉普拉斯系数;v为伺服阀固有频率, Hz;v为伺服阀阻尼比。 当把振动液压缸和负载视为一个积分与二阶 环节的组合时,可建立相应传递函数为: Ch= Vh Qh = 1 A s s 2 2 hl + 2hl hl +1 (2) 式中, Vh为液压缸振动速度,m /s;Qh为液压 缸、 负载系统流量, m 3 /s;A为液压缸有效作用面 积,m 2 ;hl为液压缸、 负载系统固有频率, HZ;hl为 液压缸、 负载系统综合阻尼比,取值为0. 10. 2。 同样,通过液压油特性参数(如密度 、 运动 黏度 、 压缩系数等 ) , 伺服阀特性参数(如Ksv、 压力流量系数Kp)及油缸特性参数(如缸体内径、 活塞杆直径、 油缸有效体积等 ) , 可得出相应液压 固有频率,最终确定系统各部分振动数学模 型 4。 3. 3 液压缸同步振动控制 4 #连铸机结晶器振动通过两液压缸同步运动 实现,这是为避免结晶器在振动过程中由于两个 液压缸不平衡移动而引起结晶器水平偏斜,此功 能是通过控制两个液压缸独立调节回路设定点来 实现的。首先通过控制系统设定两个液压缸的同 一参考设定点,把此数值传入控制阀,从而控制液 压缸的运动;当液压缸运动时,位置传感器会反馈 液压缸的当前位置给同步器,当两液压缸不作同 步运动时,通过调整偏差,把相应数值传给控制 阀,直至液压缸的同步精度在0. 1 mm以内。其 具体流程图如图2所示。 图2 液压缸振动同步控制流程图 Fig . 2 Synchronous control flow chart of the hydraulic cylinders oscillating 3. 4 液压缸同步振动运动特性 3. 4. 1 振动波形 研究表明,在结晶器内造成坯壳黏结和振痕 52 宝 钢 技 术2008年第1期 过大的主要原因在于钢液与结晶器界面润滑不 足,以及负滑动时间过长 5 ,而这均与结晶器振 动所采用波形有关。4 #连铸机通过结晶器两侧液 压缸同步振动,具有很大灵活性,可采用不同波形 来优化振动要求,能实现的典型波形有正弦、 非对 称正弦及用户自定义波形。 (1)正弦、 非对称正弦波形。结晶器按正弦 波形振动时,其位移 时间函数为: D= l 2 sinw t(3) 式中,D为位移, mm;l为结晶器振幅, mm;w 为角速度, rad/s;t为时间, s。 结晶器按正弦波形振动时,其位移按正弦规 律变化,与铸坯间没有同步运动,但有一段负滑动 阶段,有利于坯壳愈合;通过对位移方程求导数, 得速度 时间函数为: v(t ) = lw 2 cosw t(4) 由式(4)可知,其对应速度按余弦规律变化, 过渡相对平稳,容易提高振动频率,利于脱模,消 除黏结现象。 在实际生产过程中,为了提高拉速,保证板坯 质量,一方面为增加保护渣向坯壳及结晶器壁间 渗入量,减轻铸坯表面振痕深度,需增加振动时正 滑动时间和减少负滑动时间,另一方面为对坯壳 保持适当压缩力,以利于铸坯脱模及坯壳裂纹熔 合,必须保持足够负滑动量。但由于正弦振动完 全取决于振幅及振频,波形调节能力小,难以达到 上述要求。因此,结晶器最适宜的振动方式是采 用上升时间比下降时间长的非对称正弦波形。 (2)非对称正弦波形。非对称正弦振动可看 作由正弦振动演变而来,对于其波形的非对称性, 4 #连铸机通过下式加以定义 : As= tu tt 100(5) 式中, As为非对称性, %; tu为一个振动周期 内上行程时间, s;tt为一个振动周期总时间, s。 4 #连铸机结晶器按不同波形振动时 ,其波形 最大非对称度各异,正弦波最大非对称性可达 75% ,在正常生产条件下,一般采用非对称性为 60%正弦波振动。 结晶器按非正弦波形振动时,位移 时间函 数为: D= l 2 sinwut (0 50% )波形振动时,可 实现快速向下和慢速向上运动,既可通过优化保 护渣消耗来尽量减小坯壳振痕深度,又利于铸坯 脱模及坯壳裂纹熔合。因此,在浇铸很多钢种,特 别是微合金低碳钢时,该结晶器采用这种方式 振动。 62 郭 勇等 宝钢分公司4 #连铸机结晶器振动技术应用 图4 结晶器非对称正弦振动速度波形 Fig . 4 Sinusoidal asymmetric velocitywaveform of the mould oscillating (3)用户自定义波形。4 #连铸机结晶器采用 双油缸同步振动,为结晶器按任意波形运动提供 了可能。事实上,通过向I NMO HM I操作界面输 入500个以内的参数,可生成相应参数点,由光滑 曲线连接后,最终形成用户所定义的波形,结晶器 即可按此波形振动。图5为用户自定义的一种 波形。 图5 用户自定义波形 Fig . 5 Waveform defined by users 3. 4. 2 振幅及频率 在两液压缸对结晶器实现同步振动时,可在 线对其振幅和频率加以调整,其特点是:随拉速增 大,振幅增加,振动频率相应减小。图6给出了 4 #连铸机结晶器振动时振幅和频率各自范围及相 互关系。 图6 结晶器振动时振幅和频率关系 Fig . 6 Relationship bet ween s wing and frequency of the mould oscillating 4 # 连铸机结晶器振动振幅范围为: 0 30 mm,频率范围为: 0600次/min,而在实际生 产过程中,常采用的振幅范围为210 mm,频率 范围为25400次/min。 4 结语 4 #连铸机结晶器振动采用双液压缸驱动和滚 动元件导向,是有别于宝钢分公司其他几台板坯 连铸机的最大不同点,也是对结晶器振动进行优 化的一种新尝试。实践证明,该振动系统具有结 构简单,运行灵活、 精确的优点,为4 #连铸机稳定 生产提供了必要保证。 参考文献 1 刘明延,李平,栾兴家,等.板坯连铸机M .北京:机械 工业出版社, 1990: 502 - 518. 2 张兴中,李宪奎,