（控制理论与控制工程专业论文）连铸结晶器振动与控制研究.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 连铸技术的发展在于连铸结晶器振动技术的发展。结晶器振动规律的发展从最 初静止不动发展到矩形振动规律和梯形振动规律，再到目前广泛使用的正弦振动规 律，已经有了长足的进步。但目前广泛使用的正弦振动规律特性仅取决于振幅和振动 频率两个参数，独立变量少，波形调节能力小，而负滑动时间随着振动频率的减小及 振幅的增大而增大，过高的振动频率和过大的振幅会降低系统的稳定性，增大铸坯与 结晶器之间的摩擦。 本文根据连铸工艺及铸坯表面质量的要求，对结晶器振动规律进行了研究。首先， 介绍了结晶器振动的作用及振动规律的演变，简单分析了各种振动规律的特点。其次， 借助m a t l a b 软件分析了正弦、非正弦及三角形振动规律，通过工艺参数的比较，分 析了各种振动规律的特点。最后，通过与正弦函数的比较，重点分析了由德马克公司 给出的连续非正弦函数描述的振动规律的特点，得出了非正弦振动优于正弦振动的结 论，其优点在于：在正滑动时间里，结晶器向上的振动速度v 。与拉坯速度v 。之差减 小，可减小结晶器施加给铸坯向上作用的摩擦力，即可减小坯壳中的拉应力，减少拉 裂；正滑动时间较长，可增加保护渣的消耗量，有利于结晶器润滑，而且在负滑动时 间里v ，与v 。之差较大，因此作用在坯壳上的压力增大，有利于铸坯脱模；负滑动时 间短，有利于减轻铸坯表面振痕深度。这些结论将对生产实践具有一定的指导意义。 本论文给出了结晶器液压振动控制系统的总体设计方案，应用e d a 技术设计了 基于f p g a 的结晶器振动波形发生器，采用q u a r t u s l i 软件开发环境，利用v h d l 硬 件描述语言进行程序的编译和仿真。通过对f p g a 的配置，产生正弦波，三角波，非 正弦波三种波形。通过控制模块，实现振动波形频率和幅值的调节。最后通过示波器 验证了设计结果的正确性。 关键词：连铸；结晶器；非正弦振动规律；m a t l a b , q u a r t u s i l ；f p g a 内蒙古科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fc o n t i n u o u sc a s t i n gt e c h n o l o g yl i e so nt h ed e v e l o p m e n to f c o n t i n u o u sc a s t i n gm o u l do s c i l l a t i o nt e c h n o l o g y t h ed e v e l o p m e n to fm o u l do s c i l l a t i o n r e g u l a t i o n f r o mi m m o b i l i t yt o r e c t a n g l e o s c i l l a t i o nr e g u l a t i o n ，e c h e l o no s c i l l a t i o n r e g u l a t i o na n ds i n u s o i d a lo s c i l l a t i o nr e g u l a t i o nw h i c hi su s e dw i d e l ya tp r e s e n t ，a l r e a d yh a s q u i t eg r e a tp r o g r e s s ，b u tt h ec h a r a c t e ro fs i n u s o i d a lo s c i l l a t i o nr e g u l a t i o nd e p e n d e n to n l y o ni t ss w i n ga n df f e q u e n c y ，i th a sal i t t l ea u t o c e p h a l yv a r i a b l e ，t h ea b i l i t yo fw a v ea d j u s t i n g i ss m a l l ，a n dt h en e g a t i v eg l i d i n gt i m ew i l li n c r e a s ef l o w i n gt h ed e c r e a s e do s c i l l a t i o n 仃e q u e n c ya n di n c r e a s e ds w i n g ，t h ee x o r b i t a n to s c i l l a t i o na n ds w i n gw i l li n c r e a s es t a b i l i t y o ft h es y s t e m ，a n di n c r e a s et h ef r i c t i o nb e t w e e nt h ec a s t i n gb i l l e ta n dt h em o u l d t h ep a p e rs t u d i e st h em o u l do s c i l l a t i o nr e g u l a t i o n sa c c o r d i n gt oc o n t i n u o u sc a s t i n g t e c h n i q u e s f i r s to fa l l ，i ti n t r o d u c e st h ee f f e c to fm o u l do s c i l l a t i o n ，e v o l v e m e n to ft h e o s c i l l a t i o nr e g u l a t i o n s ，a n a l y z e ss i m p l yt h ec h a r a c t e ro fk i n d so fo s c i l l a t i o nr e g u l a t i o n s e c o n d ，i ta n a l y z e st h es i n u s o i d a l ，n o n s i n u s o i d a l ，a n dt r i a n g l eo s c i l l a t i o nr e g u l a t i o nb y m a t l a bs o f t ，i ta n a l y z e st h ec h a r a c t e ro fk i n d so fo s c i l l a t i o nr e g u l a t i o nb yt h ec o m p a r i s o n o ft e c h n i q u e sp a r a m e t e r , f i n a l l yt h o u g ht h ec o m p a r i s o nw i t ht h es i n u s o i d a lf u n c t i o n ， m a i n l ya n a l y z e st h ec h a r a c t e ro fc o n t i n u u mn o n s i n u s o i d a lf u n c t i o nw h i c hi sm a d eb y d e m a e c k e rc o m p a n y , c o n c l u d et h a tt h en o n s i n u s o i d a lo s c i l l a t i o nr e g u l a t i o ni sb e t t e rt h a n t h es i n u s o i d a lo s c i l l a t i o nr e g u l a t i o n ，i t sa d v a n t a g e sa sf o l l o w s ，i nt h ep o s i t i v eg l i d i n gt i m e ， t h ed i f f e r e n c eb e t w e e no s c i l l a t i o ns p e e do fm o u l dv ma n dp u l l i n gs p e e dv ci sd e c r e a s e d ，i t c a nd e c r e a s ec a s t i n gb i l l e t s f r i c t i o nw h i c hi sb r o u g h tb ym o u l d ，a n dd e c r e a s ep u l l i n gs t r e s s ， s ot h a td e c r e a s er i p p i n g ；t h el o n g e rp o s i t i v eg l i d i n gt i m e ，t h em o r ec o n s u m p t i o no fp r o t e c t s e d i m e n t s ，s ot h a ti tl u b r i c a t e st h em o u l db e c o m ec o n v e n i e n t l y ；a n di nt h en e g a t i v eg l i d i n g t i m e ，t h ed i f f e r e n c eb e t w e e no s c i l l a t i o ns p e e do fm o u l dv ma n dp u l l i n gs p e e dv ci si n c r e a s e ， s 0t h es t r e s so nt h ec a s t i n gb i l l e ti si n c r e a s e d ，a n dt h i si sp r o p i t i o u st ot h eb i l l e tp u l l i n go f f i t sc r u s t ；t h en e g a t i v eg l i d i n gt i m ei ss h o r t ，i ti su s e f u lf o re a s i n gt h eo s c i l l a t i o nt r a c eo f c a s t i n gb i l l e ts u r f a c e t h e s ec o n c l u s i o n sh a v es o m ec e r t a i ng u i d a n c es i g n i f i c a n c ef o r p r o d u c t i o np r a c t i c e t h ep a p e rs h o w st h ew h o l ed e s i g np r o j e c to fm o u l dh y d r a u l i cp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m ， u s e se d a t e c h n o l o g yt od e s i g nt h em o u l d o s c i l l a t i o nw a v ep r o d u c t i o nm a c h i n eb a s i n go n f p g a ，i tu s e sq u a r t u s l is o f te x p l o i t a t i o ne n v i r o n m e n t , a d o p t sv h d lh a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g et oc a r r yo u tt r a n s l a t i o na n de d i t i o no ft h ep r o g r a m t h o u g hc o n f i g u r ef o rt h e f p g at op r o d u c es i n u s o i d a lw a v e ，n o n s i n u s o i d a lw a v e ，a n dt r i a n g l ew a v et h r e ew a v e s ， a l s ob yt h ec o n t r o lm o d u l e ，a c h i e v ea d j u s t i n gf o rs w i n ga n df r e q u e n c yo ft h ew a v e s ，f i n a l l y , 内蒙古科技人学硕士学位论文 w ec a no b s e r v ec o r r e c t n e s so ft h eo u t c o m ef r o mt h eo s c i l l o g r a p h k e yw o r d ： c o n t i n u o u sc a s t i n g ；m o u l d ；n o n - s i n u s o i d a lo s c i l l a t i o nr e g u l a t i o n ； m a t l a b ；q u a r t u s l l ；f p g a 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为 获得内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确 的说明并表示了谢意。 签名：垂益日期：呈塑监旦堡旦少日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：孑磊 导师签名：垒垒盗日期：垄塑：! z 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 连铸工艺简介 连续铸钢简称连铸。它的工艺原理图【l 叫如图1 1 所示。 图1 1 连铸工艺原理示意图 精炼跨吊车将盛有炼钢炼出合格钢水的钢包( 成钢桶) 吊放到大包回转台转臂上， 回转台顶部机械手将钢包盖盖在钢包上，而后回转臂开启并旋转1 8 0 度，将钢包转到 连铸中间包和强制水冷的结晶器( 一种特殊的无底水冷铸模，在浇注之前先装上引锭 杆作为结晶器的活底) 上方，连接好长水1 ：3 ，打开钢包滑动水口，将钢水注入烘烤好 的中间包内。当中间包内的钢水达到预定高度后，开启中间包塞棒，按要求向结晶器 内注入钢水，结晶器内钢水高于一定高度后向钢液加入保护渣( 或者加润滑油) ，开 启结晶器振动装置，打开引锭杆。注入结晶器的钢水表面冷却成型，且铸坯的前部与 引锭杆在一起，引锭头由引锭杆通过拉坯矫直机的拉辊牵引，以一定的速度把形成坯 壳的铸坯拉出结晶器外。铸坯头部进入二冷区后继续向下通过顶弯辊，顶弯辊动作将 铸坯头部顶弯，使引锭杆与铸坯脱开。接着顶弯辊进一步将铸坯头部顶弯到要求的圆 内蒙古科技大学硕士学位论文 弧线上，在弯曲辊，弧形导向段的导向下，铸坯延弯曲半径进入拉矫机，将弧形铸坯 矫成直坯。矫直后的铸坯经完全凝固后由切割设备切成定尺，经运输辊道送入后续工 序。 1 2 连铸技术的发展概况 早期的连铸技术用于铜和铝等有色金属的浇铸。后来随着工业技术的不断发展， 连铸技术逐渐用于工业大规模实现钢的连续浇铸【4 】。 亨利贝塞麦是提出连铸思想的第一人。他在1 8 5 8 年钢铁协会伦敦会议的论文模 铸不如连铸中提出了这一设想，但一直到2 0 世纪4 0 年代，连铸工艺才实现工业应 用。在这一段时间内，由于钢的高熔点和高导热率等原因，研究人员遇到了许多问题。 在连续铸钢开始出现时，晟先使用的是立式连铸机。这种连铸机有一个用弹簧固定的 结晶器，产量通常很低，且因为钢与结晶器粘结，漏钢并不少见。第二次世界大战以 后，国际上钢铁工业有了长足的进步。其中结晶器振动的实现，不仅可以提高浇铸速 度，而且使钢液的连铸生产成为可能【5 8 l 。连铸技术已为全世界各产钢国普遍采用， 不少发达国家连续铸钢的比例已经达到9 0 以上 9 j 0 1 。 连铸技术发展非常迅速，钢铁生产者已经开始寻找能够充分发挥连铸优点的技 术。德国s m s 首当其冲于1 9 8 9 年在纽柯安装了薄板坯连铸机。这台连铸机上的漏斗 形结晶器是新鲜事物，而其余部分的结构则与普通连铸机相似。这推动了薄板坯连铸 机在全球范围的工业化进程，产品厚度介于4 0 - - - 7 0 m m ，正常拉坯速度5 5m m i n i 】。 当今我国连续铸钢技术已成为现代钢铁生产的重要工艺之一，加速发展连续铸钢 技术是实现我国钢铁工业结构优化的政策，是我国钢铁工业的一项重要技术政策。经 过多年的努力，我国的钢铁工业已经进入了以发展全连铸为方向，炼钢一炉外精炼一 连铸“三位一体”组合优化，促进炼钢生产发展的重要时期【12 1 。随着连铸坯热送装及 直接轧制技术的发展，生产节奏大幅加快，要求在提高拉速的同时保证铸坯质量，对 结晶器振动控制技术提出了更高的要求。 近年来，我国连铸设备制造业快速发展，一大批新技术、新工艺、新的设计理念 注入到连铸装备的研发之中，为整个钢铁工业的发展做出了重大贡献，使连铸比不断 提升。2 0 0 2 年，中国的连铸比攀升为9 2 5 ，高于全球平均水平4 个百分点；2 0 0 3 年上半年已达到9 6 3 6 ，超过国际的8 9 7 0 平均水平的6 6 6 个百分点。这几年我国 的连铸机在设计理念和技术创新上有了长足进展，上了一个新的台阶。但是在连铸的 发展中也存在着不足。目前国产的板坯连铸机在技术、工艺等方面还不能满足国内 些大钢厂的要求，宝钢、武钢等还都是引进国外产品，我们的连铸机与国外先进国家 相比还有相当大的差距【l 川。 内蒙古科技大学硕士学位论文 连铸的发展要紧跟钢铁工业科技进步的发展方向，在科技创新上下功夫，把国产 连铸装备提升到一个新的水平，使我国的钢铁工业实现可持续发展，并使我国成为世 界的钢铁强国【1 4 6 1 。 1 3 结晶器的振动 1 结晶器 结晶器是连铸最重要的组成部分，它是一种特殊的无底水冷铸模。在它的内部有 冷却装置，其中有的是管式结晶器隔离水缝冷却，有的是喷淋水喷水冷却，目的是对 铸坯进行冷却降温。并且结晶器由振动装置带动发生振动。 2 结晶器振动技术发展的历史 最初的连铸机结晶器是静止的，在拉坯过程中坯壳极易与结晶器壁发生粘结，从 而导致拉不动或拉漏事故。因此，静止不振动的结晶器限制了连铸生产的工业化。直 到1 9 3 3 年现代连铸的奠基人德国的西格弗里德容汉斯才开发了结晶器振动装 置，并成功地应用于有色金属黄铜的连铸。 1 9 4 9 年容汉斯的合作者美国的艾尔文罗西获得了容汉斯振动结晶器专利的使用 权，并在美国约阿勒德隆钢公司w a t e r v l i e t 厂的一台方坯连铸试验机上采用了振动 结晶器。与此同时，容汉斯振动结晶器又被用于西德曼内斯曼公司胡金根厂的一台连 续铸钢试验连铸机。 容汉斯振动的结晶器在这两台连铸机上的成功应用，使其在钢连铸中迅速得到了 广泛应用。从此，结晶器振动便成了连铸机的标准操作。 结晶器形状的变化是连铸发展的重要特征，结晶器是连铸机的心脏，其设计结构 决定了拉坯速度和生产率。若想提高拉速增大产率，则需要结晶器有适宜的几何形状 来改善传热效果、降低摩擦力。 3 结晶器振动的目的及作用 结晶器振动技术是连铸技术的重要特征 1 7 】。结晶器振动的目的是在拉坯时克服 初始凝固壳( 坯壳) 与结晶器壁之间的粘结，同时获得良好的铸坯表面，增加结晶器 的润滑效果和传热效果。因而结晶器向上运动时，减少新生的坯壳与铜壁产生粘着， 以防止坯壳受到较大的应力，使铸坯表面出现裂纹；而当结晶器向下运动时，借助摩 擦，在坯壳上施加一定的压力，愈合结晶器上升时拉出的裂痕，这就要求向下运动的 速度大于拉坯速度，结晶器里的坯壳受到压缩，形成负滑脱。 4 一个良好的结晶器振动必须满足的条件 一个良好的结晶器振动必须满足以下两个条件： ( 1 ) 允许凝壳有充分的润滑。 ( 2 ) 保证铸坯表面质量，限制振痕深度裂纹的产生。 内蒙古科技大学硕士学位论文 5 结晶器的润滑 结晶器的润滑和结晶器的振动的作用是相同的，即减小结晶器和铸坯之间的摩 擦。其目的是将摩擦表面隔离开来，减少摩擦部位的接触，从而起到降低摩擦、磨损 的作用，即润滑作用【1 8 】。 1 4 课题研究的意义 连铸结晶器的振动规律即结晶器振动速度随时间的变化规律，是结晶器振动技术 中最基本的内容，因为从连铸发展的历史上，每当结晶器采用了一种新的较过去更为 合理的振动规律时，都对连铸坯的浇铸、表面质量及拉坯速度的提高产生了重大的影 响，所以我们在此有必要研究结晶器振动规律的演变，找到更加合理的结晶器振动规 律。 结晶器振动规律的发展从最初静止不动发展到矩形振动规律和梯形振动规律，再 到目前广泛使用的正弦振动规律，已经有了长足的进步，但现在广泛使用的正弦振动 规律特性仅取决于其振幅和振动频率，独立变量少，波形调节能力小，而负滑动时间 随着振动频率的减小及振幅的增大而增大，过高的振动频率和过大的振幅会降低系统 的稳定性，增大铸坯与结晶器之间的摩擦，所以本论文研究了新型的振动规律一非正 弦振动规律和三角形振动规律，这两种振动规律可以控制第三个振动参数，即修正率。 振幅，频率，修正率三个参数的调节将很好的改善正弦振动的缺点，改善铸坯质量。 因此十分有必要对非正弦振动规律和三角形振动规律加以研究，研究的结果将对生产 实践具有一定的指导意义，从而提高连铸技术的发展。 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 结晶器振动技术 结晶器振动技术是连铸技术的重要特征。结晶器振动的目的是在拉坯时克服初始 凝固壳( 坯壳) 与结晶器壁之间的粘结，同时获得良好的铸坯表面，增加结晶器的润 滑效果和传热效果。结晶器的振动技术有两种，机械振动技术和液压振动技术。 2 1 机械振动技术 传统的结晶器振动属于机械振动。一般在机械振动中，振动波形、振幅固定不变， 这样容易使连铸坯表面产生缺吲1 9 】。 1 铸坯表面缺陷及其影响因素 连铸坯表面质量的好坏决定了铸坯在热加工之前是否需要精整，也是铸坯热送和 轧制的前提条件。连铸坯表面缺陷形成的原因较为复杂，但总体来讲，主要是受结晶 器内钢液凝固所控制。不合理的结晶器振动规律对连铸坯表面质量的影响也较大，它 的表面缺陷有裂纹，气孔，夹渣等，图2 1 为铸坯表面缺陷示意图。 星 双 = 葱 槽裂纹 夹渣 图2 1 连铸坯表面缺陷图 2 振动参数对振痕深度的影响 理论研究和实践经验都证明了振动参数对振痕深度的影响最为重要，其结果见 表2 1 所示。 内蒙古科技大学硕士学位论文 表2 1 振动参数对振痕深度的影响 从表2 1 可知，减小振动幅值、提高振动频率、减小负滑动时间，可使振痕深度 减小，从而获得良好的铸坯表面【2 0 l 。 3 机械振动 ( 1 ) 机械振动装置 机械振动装置一般为非圆齿轮机构，如图所示其结构由两个相互啮合的完全相同 的椭圆齿轮及箱体所组成的偏心轴结构组成。安装时要求主动椭圆齿轮的最长啮合半 径与从动椭圆齿轮的最短啮合半径相接触【2 1 2 2 1 。 图2 2 机械振动装置原理图 ( 2 ) 机械振动的原理 机械式的振动装置由直流电动机驱动，通过万向联轴器，连接两个偏心轴，在每 个偏心轮处装有曲柄，并通过振动连杆支撑振动台，产生振动。 ( 3 ) 传统机械振动的缺点 由于传统的机械振动使用久后，振动装置会有磨损，不仅增大摩擦，而且会使控 制的精度降低。 为了克服传统的结晶器机械振动装置的缺点，液压振动技术被发明并逐渐地应用 和完善于现代连铸工艺技术中。 2 2 液压振动技术 1 液压振动技术的背景和现状 液压振动技术是近1 0 年来开发的新技术，它具有机械振动所没有的优越性，目 前已在欧美许多国家的大型板坯连铸机振动装置上得到了普遍的采用。 内蒙古科技大学硕士学位论文 在传统的液压传动中，是通过各种液压阀来控制普通油缸的运动方向、速度和位 置的。为了满足各种要求，液压先驱者们，经过近百年的不断努力，发明和生产了上 百种规格的液压元件和产品。但为了获得精确的控制，普通的液压元件已经不能满足 要求，于是依靠电子技术和传感技术，发明了伺服阀和比例阀，这两种液压元件的出 现，把液压的精确控制引入到工业领域，对工业自动化尤其是重型设备自动化起到了 极大的推动作用，促进了整个工业的技术进步。国内也有关于研制铸机电液伺服振动 装置方面的报道。 2 液压振动结构原理及特点 ( 1 ) 液压振动装置的构成 结晶器液压振动机构由振动台架( 振动框架、导向装置、缓冲装置、自动接水装 置等) 、液压动力单元( 液压站、液压管路等) 、液压控制单元( 伺服阀、伺服液压缸、 位置传感器等) 、电气控制系统( p l c 、工控机、电气柜等) 、振动控制软件等组成。 ( 2 ) 液压振动装置原理 液压振动装置原理图【2 3 丑】如图2 3 所示 图2 3 液压振动装置原理图 液压振动的动力装置为液压动力站，它作为动力源向振动液压缸提供稳定压力 和流量的油液。液压动力站的信号由主站室内的计算机通过p l c 控制。液压振动的 内蒙古科技大学硕士学位论文 核心控制装置为振动伺服阀。伺服阀灵敏度极高，液压动力站提供动力，如有波动，伺 服阀的动作就会失真，造成振动时运动的不平稳和振动波形的失真。为此，要在系统 中设置蓄能器以吸收各类波动和冲击，保证整个系统的压力稳定。正弦和非正弦曲线 振动靠振动伺服阀控制，而振动伺服阀的控制信号来自曲线生成器，主控室的计算机 通过p l c 控制曲线生成器设定振动曲线( 同时也设定振幅和频率) 。曲线生成器通过 液压缸传来的压力信号和位置反馈信号来修正振幅和频率。经过修正的振动曲线信号 转换成电信号来控制伺服阀。只要改变曲线生成器即可改变振动波形、振幅和频率。 曲线生成器输入信号的波形、振幅和频率可在线任意设定，设定好的振动曲线信号传 给伺服阀，伺服阀即可控制振动液压缸按设定参数振动。 ( 3 ) 液压振动的特点 与机械振动相比，连铸机的液压振动装置具有很多优点，其结构紧凑简单，传递 环节少，与结晶器之间调整方便，维护也方便；它采用高可靠性和高抗干扰能力的可 长期保证稳定的振动波形；可改变振动曲线，增加了连铸机可浇铸的钢种；它改善了铸 坯表面与结晶器铜壁的接触状态，提高铸坯表面质量并减少粘结漏钢【2 5 1 。 结晶器的这种液压振动技术可以在线调整振幅、振频。根据工艺条件的要求任意 改变振动波形，实现正弦或非正弦振动。这种在线任意调整振动波形、振幅和振动频 率是机械振动所实现不了的。 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 结晶器的振动规律 结晶器振动规律即结晶器振动速度随时间的变化规律，是结晶器振动技术中最基 本的内容，因为从连铸发展的历史上，每当结晶器采用了一种新的较过去更为合理的 振动规律时，都对连铸坯的浇铸、表面质量及拉坯速度的提高产生了重大的影响，所 以我们在此有必要研究结晶器振动规律的演变，找到更加合理的结晶器振动规律，从 而加快连铸技术的发展【2 8 1 。 3 1 矩形速度规律 l 矩形速度振动规律2 梯形速度振动规律 图3 1 矩形速度规律和梯形速度规律图 矩形速度规律是最早出现的一种振动方式，其速度变化规律如图3 1 中矩形曲线 1 所示，它的主要特点是：结晶器在下降时与铸坯做同步运动，然后以三倍的拉坯速 度上升。 生产实践表明，这种振动方式对铸坯的脱模是有效的，早期得到应用。但这种 振动方式存在的主要问题是：实现运动规律的凸轮加工制造比较麻烦；为了保证严格 的同步运动，振动机构和拉坯速度之间要进行严格的电气连锁；在上升和下降的转折 点处速度变化很大，加速度在理论上等于无穷大。虽然由于凸轮曲线的上升和下降段 之间有过度曲线相连使加速度达不到无穷大，但仍然是很大的。这对于铸坯的质量和 振动系统的正常运转都是不利的，因而也不便于采用高频率振动。 3 2 梯形速度规律 梯形速度规律是矩形速度规律的改进，其速度变化如图3 1 曲线2 所示，它的主 要特点是：结晶器在向下运动的过程中有较长段时间其速度稍大于拉坯速度，即所 内蒙古科技大学硕士学位论文 谓的“负滑动运动 ，从而在坯壳中产生压应力，可以使结晶器里断裂的坯壳压合， 使粘结的坯壳强迫脱模；结晶器在上升和下降的转折点处，速度变化比较缓和，有利 于提高运动的平稳性。 实践证明，此规律是一种较好的振动规律，因此沿用了多年。后来才被正弦振动 规律所代替。 3 3 正弦速度规律 墨，l i 吼 a i v | | 图3 2 正弦振动位移规律 正弦振动的基本出发点： 打破结晶器和铸坯之间要有一定的速度关系的框框，着重发挥它的脱模作用。这 种规律的特点如下： ( 1 ) 结晶器与铸坯之间没有同步运动阶段，但仍然有- d , 段负滑动，有利于拉裂坯 壳的“愈合”和脱模。 ( 2 )由于速度是按正弦曲线变化的，所以加速度是按余弦曲线变化，使结晶器振动 平稳。 ( 3 ) 由于加速度较小，可以采用较高频率振动，有利于消除坯壳的粘结，提高脱模 作用。 正弦振动规律是目前国内外应用最广泛的一种规律。它在方坯、板坯及薄板坯连 铸机上都有最广泛的应用。 3 4 三角形速度规律 图3 3 中，该曲线示出了在一个周期内结晶器的振动位移按三角形的变化，其中 包含两个不同的阶段： ( 1 ) 润滑阶段，在每次振动的上升期，都有保护渣粘附在结晶器壁上。同时初生 内蒙古科技大学硕士学位论文 凝固坯壳受到拉应力的作用。 ( 2 ) 压缩阶段，定义为负滑脱期，在此阶段保护渣渗入结晶器和初生凝固壳之间 2 9 】 o 0 c 图3 3 三角形振动的位移曲线 3 5 非正弦速度规律 传统的正弦振动特性仅取决于其振幅和振动频率，独立变量少，波形调节能力小， 而负滑动时间随着振动频率的减小及振幅的增大而增大，过高的振动频率和过大的振 幅会降低系统的稳定性，增大铸坯与结晶器之间的摩擦。因此研究非正弦振动规律来 改善正弦振动规律的缺点，具有重要意义【3 0 , 3 1j 。 非正弦振动位移规律如图3 4 所示，它是近年来出现的一种新型振动方式。 图3 4 非正弦振动的位移曲线 内蒙古科技大学硕士学位论文 4 结晶器振动规律分析 4 1 正弦振动速度规律 1 正弦振动规律 结晶器正弦振动的速度规律如图4 1 所示 0_ 耐w 厂 一 、 3 咖 7 一、m 、 t i k 1 f 一高位置开始向下运动所经历的时间； t 一结晶器向下运动速度开始大于拉坯速度所持续的时间； 1 ，。一结晶器振动最大速度； v 。一拉坯速度 图4 1 正弦振动速度规律 结晶器振动的正弦速度曲线的数学表达式为 铲羔咖( 等，) c 越- ， 式中 1 ，。一结晶器运动的速度。m m i n ： 卜振动冲程( 两倍于振幅) ，r a m ： 晦动频率，次m i n 2 正弦振动的参数 ( 1 ) 正弦振动的基本参数 由上( 式4 1 ) 可见，结晶器振动的速度完全取决于振幅( h 2 ) 和频率f ，所以振幅 和频率是决定结晶器正弦振动的运动参数或称基本参数。 ( 2 ) 正弦振动的工艺参数 当结晶器向下振动的速度v 脚大于拉坯速度v 。时，结晶器里的坯壳收到压缩，这 种情况称之为负滑动。目前描述负滑动的参数较多，对于同一振幅、频率和拉速的情 况下，这些参数给出了不同的数值。但他们当中独立的参数只有两个：负滑动率n s 内蒙古科技大学硕十学位论文 和负滑动时间t n 。 因为负滑动参数直接关系到铸坯的脱模和铸坯的质量，所以参数n s 和t n 被称为 工艺参数。 负滑动率n s 正弦振动负滑动率用下式表示： v l ， n s = ：- ：竺1 0 0 v f 式中 n s 一负滑动率，； ，。一拉坯速度，m ，m i n ： 吒一结晶器振动的平均速度，m ，m n 结晶器的平均振动速度可以按面积平均法求得， 吒= 竺c 砌v 口s i n ( 彩f ) 衍= 堡 v 肌= i 土v 口5 1 n ( 刎优= 茅 式中 ，。一结晶器振动的最大速度。 将( 式4 3 ) 带入【式4 2 ) ，得 n s = l 一堡 删。 ( 式4 2 ) ( 式4 3 ) 当，。= v 。时，结晶器中的坯壳处于拉和压的临界状态。此时的负滑动率n s = 3 6 3 4 。 此值为负滑动率的极限值，当1 ，。 1 ，口时，即n s 3 6 3 4 时，结晶器对坯壳不产 生负滑动；n s 3 6 3 4 ，即v 。 v 。时产生负滑动。 负滑动时间t n 如上图4 1 所示，结晶器从最高位置开始向下运动，当经历时间t 后，结晶器向 下运动速度开始大于拉坯速度，这种状态持续的t n 时间为负滑动时间。 速度曲线可以表示为v 朋：堕1 0 0 0cos【苄2矿(t-tr)】 当r = ，= 三( 三一r ) 时，v m 一- - - v c 由上式得： = 孑6 0c o s - m t n( 警)= 孑“矿 ( 式4 4 ) 内蒙古科技大学硕士学位论文 设：兰 v 6 0 r 2 _ c o s ( 式45 近来由于连铸设备、炼钢、以及浇铸技术水平的提高，使铸坯从结品器里顺利脱 模已不是连铸的主要矛盾了。而随着连铸坯的热装，热送和直接轧制技术的发展，对 连铸坯表面质量的要求越来越严格，振动的优化越柬越着重于减小振痕深度方面。撮 近的研究成果表明，振痕深度实际上是由负滑动时间的长短控制的，碱小负滑动时间 可以显著的减小振痕深度。但负滑动时间也不能太短，以防止坯壳与结晶器发生粘结。 国内外有关文献报道在n s 值为+ 2 0 一- 2 4 0 的范围内变化进行浇铸，结果对铸 坯脱模及表面质量没有任何不利影响。可见对于负滑动率n s 的取值范围是很宽的， 工艺参数的确定主要是确定负滑动时自j i a 2 , 3 3 。 3 正弦振动参数的确定 ( 1 ) 工艺参数的确定 负滑动时间曲线 对于式( 5 ) 取不同的z 值可以画出负滑动时间随振动频率变化的曲线，简称为负 滑动时间曲线。给出一组z 值可以画出一族负滑动时自j 曲线，如下图42 的抛物线所 不。 有关负滑动时间曲线的特点将在下面给出负滑动率等值曲线和负滑动时间比等 值曲线概念后给出。 图4 2 负精动时间曲线 内蒙古科技大学硕士学位论文 负滑动率等值曲线( 如上图4 2 的双曲线所不) ： 由n s ：兰兰：1 一一v m ，且由( 式4 3 ) 可得巧：一2 v a ，其中，。是结晶器振动的最 y cl ，f 刀 越威卧a 一删m a x 意薹一1 0 0 0 ， 所以胚：1 一生：1 一三生：1 一竺，所以 = 1 0 0 0 矿( 1 - n s ) 将式( 4 6 ) 代入( 4 5 ) 中的反余弦函数中得： ( 式4 6 ) ( 式4 7 ) 由( 式4 7 ) 看出，征n s 值给足的情况卜负滑动时i 刮t n 与频翠f 成反比双曲线夭 系。给定一组n s 值可以画出一族t n f 反比双曲线，或称为负滑动率等值曲线族， 如上图4 2 的双曲线所示。其中n s = 2 4 时负滑动时间取得最大值。 证明： 令式4 一中的i 矿兰面2 驺由式4 届得 矿= 1 0 o o 0 - 甄u - s 一) v , ，则( 式4 7 ) 得 r = 而6 。0 。h v ，x c o s _ 1 ( 工) 令c = 6 0 h ( 1 0 0 0v c ) ，有 t = c c o s - l ( 卅c x 击 。1 ( z ) + 7 三亍 令t n = 0 ， c o s - l ( 圹志= o 式中1 x 2 4 或n s r 5 时，曲线急剧上升。 第四，当n s 5 5 时，负滑动时间曲线随频率f 的增加而下降， 特别是当z 值较小时，如z 值 2 4 的区域，且对应于较低频率；另一个交点处于n s 5 时，由于负滑动时间曲线几乎是垂直上升，因此频率的微 小变化也会引起t n 的很大变化。这在实际操作中很难控制。因此，低频率不能被采 用。 当z 值较小时，如z 5 时，由于负滑动时间上升缓慢，因此所对应的较低频率可 以采用，但必须使在该频率的负滑动率n s 2 0 。这便于在实际操作中进行控制及获 得必要的负滑动运动以保证脱模，又避免采用较高的频率，使结晶器的振动装置处于 良好的运动状态及受力状态。 振幅和频率应满足保护渣消耗量的要求 对于采用浸入式水口保护渣浇铸的连铸机，保护渣对结晶器和铸坯之间的润滑效 果主要体现于保护渣的消耗量，影响保护渣消耗量的浇铸条件有振幅、频率、保护渣 粘度、拉坯速度、浇铸温度及钢种等。 由于浇铸温度是由钢种决定的，故不予以考虑。其他的诸多因素对保护渣的影响 反映在下面的方程式中。 内蒙古科技大学硕士学位论文 q = 0 7 4 ( 六) 2 卜叭7 q - - 0 4 0 ( 万1 ) 6 0 坩5 + o 2 2 ( 式4 1 1 ) ( 式4 1 2 ) 式中 q 一保护渣消耗量，k g m 2 ； r 一保护渣在1 3 0 0 时的粘度，p a s a 一振幅，m m ； f 一频率，l r a i n ； 1 ，一拉坯速度，m r a i n 由( 式4 1 1 ) 、( 式4 1 2 ) 可以看出，随着浇铸速度、振幅、及保护渣粘度的增加， 保护渣的消耗量减少：振幅a 和频率f 分别以o 3 和1 次幂变化，所以f 对于q 的影 响大于a 对于q 的影响。由此可见高频率、小振幅使保护渣的消耗量下降，不过这 可以通过适当降低保护渣粘度来提高保护渣的消耗量。 另外据有关文献报道，振幅和频率应该满足保护渣消耗量的需求，采用高频小振 幅会使保护渣的消耗量下降，当结晶器的振动频率低于2 0 0 次m i n 时，保护渣的消耗 量在o 3 k g m 2 左右，是保证铸坯表面质量，避免在板坯浇铸时出现纵裂的较好数值。 4 2 三角形振动速度规律 正弦振动特性由两个参数决定，即由振幅和频率来决定。但仅由这两个自由度是 不够的【3 7 , 3 8 】。三角形振动不仅可以由振幅和频率来决定，它还可以控制第三个参数， 即修正率。三角形波形的位移曲线为三角形，速度曲线为矩形。 参看图3 3 三角形的位移曲线，它的位移曲线向上达到最大值时和非正弦振动的 位移曲线具有相同的特征，与正弦振动的位移曲线向上达到最大值时相比在时间上有 个滞后。其速度曲线和非正弦振动的速度曲线也一样，向上运动的时间长而速度低； 向下运动的时间短而速度快。 1 三角形振动规律 三角形振动的速度曲线如下图4 3 所示 内蒙古科技大学硕士学位论文 图4 3 三角形振动的速度曲线 参看上图3 3 ，设其相对于正弦振动的时间滞后为t m ，滞后程度由波形修正系数 q 表示。 口：导1 0 0 ( ) 1 | 4 、j 且由上图3 3 可知： 。t tn m 2 百一号 将( 式4 1 4 ) 代入( 式4 1 3 ) 得 口= 1 2 夕 1 一口 7 j 2 可 设= 角形振动的衍移方棵为! s = r o t v l f + b v i t + c ( 旧等) ( 等鲻丁- t x ) ( 丁一f j v f t ) ( 式4 1 3 ) ( 式4 1 4 ) ( 式4 1 5 ) ( 式4 1 6 ) 由上图3 3 可以看出，由a ( t n 2 ，一h 2 ) 、b ( t 2 ，o ) 、c ( t - t ，h 2 ) 、d ( t , 0 ) 四点坐标。 内蒙古科技大学硕十学位论文 且f r = 1 ，及( 式4 1 6 ) 可以求得三角形振动的位移方程为： 2 历 一二二一t 1 一口 2 h h l + 口1 + 口 历h 1 一口l 一口 ( 。f 可1 - - o ! ) c 号号， c 号娜多， 对上式求导，可得三角形的速度方程： 一竺1 - a ( o t 1 矿- a 竺 ( 生f 地) 一 i s f s i 1 + 口 、4 f2 f 7 一兰 学鲻；， ( 式4 1 7 ) ( 式4 1 8 ) 由上( 式4 1 7 ) 和( 式4 1 8 ) 可见三角形振动和非正弦振动一样，其位移和速度仅是 h 、f 、和q 的函数。 2 三角形振动的参数及其确定 三角形振动的参数同正弦和非正弦振动参数一样可分为两类，即基本参数和工艺 参数。选择振动参数的原则是应减小铸坯表面振痕深度及有利于结晶器和坯壳之间的 润滑，这便要求获得较小的负滑动时间和较长的正滑动时间等。 ( 1 ) 工艺参数 由上述的三角形的位移曲线和( 式4 1 8 ) 可得三角形振动工艺参数的表达式如下： 负滑动时间 ， ：娶 ( 式1 9 ) 41 ，2 百 l 瓦 上j 由( 式4 1 9 ) 可以作出负滑动时间与频率的关系曲线，分别取q 为4 0 和2 0 时的 图像为下图4 4 所示。 内蒙古科技大学硕+ 学位论文 图44 三角形振动的负滑动时问曲线随的变化 从上图4 4 可以看出，三角形振动的负滑动时问曲线与正弦振动和非正弦振动的 负滑动时间曲线不同。三角形振动的负滑动时问和振动频率成双曲线关系。该曲线不 存在临界频率f o ，t n 是f 的减函数，也是a 的减函数。当f 2 0 0 次m i n 时，上述关系 最为明显。 正滑动时间 铲卜铲等 ( 式42 0 由( 式42 0 ) 可以作出正滑动时间与频率的关系曲线分别取a 为4 0 和2 0 时的 图像为下图4 5 所示。 图