（机械电子工程专业论文）板坯连铸机结晶器振动系统的研究.pdf

at h e s i si nm e c h a n i c a le l e c t r o n i c se n g i n e e r i n g r e s e a r c ho f o s c i l l a t i o ns y s t e mo ns l a b c o n t i n u o u s c a s t i n gm o l d v e h i c l e b yj i a n gm i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rh a nq i n g k a i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 kor卜p k 艮l ljl冀， 啸_，i；，_lj_ 一、 i i ， 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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作了明确的说明并表示谢 意。 学位做作者摊：翱 e l 期：脚7 、 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ：作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 上 半年口一年口一年半口两年口 裟躲蓐嘎 签字日期： 咖g ，7 歹 导师签名： 签字日期： 确伽 啪8 7 ， f - 尊 ，3 矗j 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho fo s c i l l a t i o ns y s t e mo nsl a b c o n t i n u o u s c a s t i n gm o l d a b s t r a c t i t p l a y sak e yp a r t i nc o n t i n u o u sc a s t i n gt oc o n t r o lm o l do s c i l l a t i o na st h e g i v e n w a v e f o r m t h et r a d i t i o n a lo s c i l l a t i o nw a v e f o r ma r er e c t a n g l e 、t r a p e z o i da n ds i n ew a v ee t c w i t l lt h ed e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r ya n dt h ea d v a n c e m e n to ft e c h n i q u ew i t hh i g h e f f i c i e n c yc o n t i n u o u sc a s t i n g , i tc a nn o tm e e tt h ed e m a n do ft h et h r o u g h p u ta n dt e c h n o l o g y t h ed e v i c eo fh y d r a u l i cp r e s s u r es e i v od r i v e d ，i tn o to n l yi m p l e m e n t st h en o n - s i n ew a v e o s c i l l a t i o na n di m p r o v i n gt h e q u a l i t yo fc o n t i n u o u sc a s t i n gs t r a n d , b u ta l s op r o m o t e st h e p r o d u c t i o nc o u r s e t h e r e f o r e ，i ti sw i d e l yu s e di ni r o na n ds t e e li n d u s t r yi nm a n yc o u n t r i e s h o w e v e r , f o rt h es t e e lc o m p a n i e si nc h i n a , i ti san e wt e c h n o l o g yi nm o l do s c i l l a t i o ns y s t e m 1 1 1 eh o tr o l l i n ga n ds t r i ps t e e lp l a n to fa n g a n gi n t r o d u c e dt h et e c h n o l o g yo ft h e m o d e lh y d r a u l i cs e r v eo s c i l l a t i o no fm e d i a - t h i nc c mo fv a ii n2 0 0 4 d u et ot h i s t e c h n o l o g i cp a t e n tb e l o n g st ov a ia n da l lo ft h ec h o i c eo fp r o c e s sp a r a m e t e r s ，t h ec o n t r o l t e c h n o l o g yo fh y d r a u l i cs e r v eo s c i l l a t i o na n de t c b e l o n gt op a t e n t s f o rm a s t e r i n gt h i s t e c h n o l o g yd i r e c t i n gp r o d u c t i o na n da p p l y i n gi tt ot h es u p e rl o w e rc c mi nh o tr o l l i n ga n d s t r i ps t e e lp l a n t w eh a da n a l y z e da n ds t u d i e dt h et e c h n o l o g yi nt h e o r y i th a de s t a b l i s h e d s t a b l et h e o r yf o u n d a t i o na n dp r a c t i c ee x p e r i e n c e t h er e s e a r c h e sh a v et h e o r e t i c a la n dr e a l i s t i c s i g n i f i c a n c et oa c c e l e r a t i n gp r o d u c t i o nd o m e s t i c i z a t i o na n di m p r o v i n gn a t i o n a ll u b r i c a t i n g t e c h n i q u e t h i sp a p e ru s et h en e w e s tm a t hs o f t w a r em a t l a bt oc o m p i l ep r o g r a ma n dt od r a w t e c h n o l o g yp a r a m e t e r s c u l n e s a c c o r d i n g t ot h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e no s c i l l a t i o nb a s i s p a r a m e t e r s ，s u c ha sa m p l i t u d e ，f r e q u e n c y , w a v ev a r i e sr a t i o ，a n do s c i l l a t i o nt e c h n o l o g y p a r a m e t e r s 1 1 1 ep a p e ra n a l y z e st h ee f f e c to fc a s t e rs l a bq u a l i t yb e c a u s eo fv a r i e so fs l a bm o v e v e l o c i t ya n do s c i l l a t i o nb a s i sp a r a m e t e r s t h i sp a p e re s t a b l i s hs e v e r a lk i n d so f i n p h a s ec o n t r o lm o d ew h i c hc a nb eu s e di np r o d u c t s p o ta c c o r d i n gt ot h er a n g eo fo s c i l l a t i o nt e c h n o l o g yp a r a m e t e r sa n ds p o tr e q u i r e m e n t s ，t h a ti s s l a bm o v ev e l o c i t y - - - o s c i l l a t i o ns t o r k ec o n t r o lm o d e ，s l a bm o v ev e l o c i t y - o s c i l l a t i o nf r e q u e n c y c o n t r o lm o d ea n ds l a bm o v ev e l o c i t y - w a v ev a r i e sr a t i oc o n t r o lm o d e t h ep a p e ru s e ss e v e r a l c o n t r o lm o d et oc o m p a r ew i t ht h ep r o d u c ts p o td a t ai no r d e rt of i n dt h eb e s ti n - p h a s ec o n t r o l m o d et h a ti ss u i t a b l et os p o tu s a g e f o rc o n f i r m i n gt h ef e a s i b i l i t yo ft h es y s t e m ，w ea p p l i e dt h es y s t e mt ot h ea l t e r a t i v e 3 撑 m e d i a - t h i nc c m ，e x p e r i m e n t e do no s c i l l a t i o na c c u r a c yc u r v e ，r e s p o n d e n tc u r v ea n ds oo n c o m p a r ew i t ht h eo s c i l l a t i o nc u r v eo fo r i 酉n a l3 j | m e d i a t h i nc c mi nu n i f o r mt e s t i n g i i i ki， r尽t c o n d i t i o n ，t h r o u g ha n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ，f u r t h e r m o r e ，c o n f i r m e dw h e t h e rt h ea n a l y s i si n t h e o r ya n ds y s t e md e s i g n e df i t t op r a c t i c a lp r o d u c e m e a n w h i l e ，f o u n do u to b v i o u s l yt h e h y d r a u l i cs e r v oo s c i l l a t i o n h a sm o r ea d v a n t a g e st h a nm e c h a n i c a lo s c i l l a t i o nw h e t h e ri n a c c u r a c yo ri nq u a l i t y k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n g ；m o u l d o s c i l l a t i o n ；n o n - s i n u s o i d a l o s c i l l a t i o n ； o p t i m i z a t i o n ；n y d r a u l i cs e w v os y s t e m i v - 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明：v 摘要v a b s l ：l ? a c t ：、f 第1 章绪论1 1 1 现代连铸技术的发展与展望。l 1 2 结晶器振动技术的发展2 1 2 1 结晶器振动技术的发展的历史2 1 2 2 结晶器振动方式的演变以及其特点3 1 3 连铸坯振痕形成原理5 1 3 1“半弯月面模型5 1 3 2 “弯月面坯壳一保护渣”模型5 1 3 3 “弯月面”模型6 1 4 课题的意义及研究方法7 1 5 本论文的主要工作8 第2 章非正弦振动波形及工艺参数分析9 2 1 非正弦波形的选取。9 2 1 1 结晶器的润滑机理。9 2 1 2 结晶器中摩擦力的分布1 0 2 1 3 高速浇铸时结晶器的最佳振动波形。l l 2 2 非正弦振动波形特征1 3 2 3 构造非正弦振动波形函数的方法1 5 2 3 1 分段函数法1 6 2 3 2 整体函数法1 9 2 3 2 复合正弦曲线2 0 2 4 非正弦振动工艺参数的分析2 1 2 4 1 负滑动时间t 的确定2 1 v 东北大学硕士学位论文目录 2 4 2 负滑动率n s 的确定2 2 2 4 3 负滑动时间率n s r 的确定2 2 2 4 4 负滑动超前量n s a 的确定2 3 2 4 5 正滑动速度差a v 的确定2 3 2 4 6 正滑动时间f 。的确定。2 3 2 5 非正弦振动基本参数的确定2 4 2 5 1 修正系数口的确定2 4 2 5 2 振幅的确定| 。2 4 2 5 3 频率的确定。2 4 2 6 非正弦振动同步控制模型2 5 2 6 1 建立非正弦振动的同步控制模型的必要性2 5 2 6 2h k 同步控制模型的建立2 6 2 6 3 厂一屹同步控制模型的建立2 8 2 6 4 h 、f 一心的同步控制模型的建立3 0 第3 章中薄板连铸结晶器振动工艺参数优化3 l 3 1 多变量无约束非线形最优解3 l 3 1 1 基本数学原理3l 3 1 2 程序编制与结果分析3 2 3 2 多目标有约束非线形最优解3 3 3 2 1 基本数学原理3 3 3 1 2 程序编制与结果分析3 5 第4 章结晶器振动系统的设计、计算与仿真3 7 4 1 液压伺服振动系统工艺要求【3 0 1 3 7 4 1 4 板坯尺寸3 7 4 1 2 年产量和铸机最大拉速3 7 4 1 3 振动系统的具体要求。3 7 4 2 液压伺服系统机械设备选择3 7 4 3 液压伺服振动系统的设计计算3 9 v i 拉 j 东北大学硕士学位论文目录 4 3 1 液压振动系统基本数据3 9 4 3 2 阀控缸动力机构负载最佳匹配3 9 4 4 液压系统原理图以及主要元件的选择4 1 4 4 1 液压系统原理图j 4 1 4 4 2 液压伺服振动系统主要元件的选择4 l 4 5 液压伺服振动系统的数学模型4 l 4 5 1 电液伺服系统的方案拟定。4 l 4 5 2 伺服阀的数学模型。4 3 4 5 3 阀控非对称缸的数学模型4 3 4 6 系统中各个环节的传递函数：5 l 4 6 1 伺服阀的传递函数。：。5 l 4 6 2 液压缸的传递函数5 2 4 6 3 伺服放大器和位移传感器。5 2 4 7 系统方块图及其传递函数5 2 4 8 液压伺服振动系统的计算机仿真5 2 第5 章结晶器振动系统现场实验5 7 5 1 实测设备简介5 7 5 2 测试方法和测试过程5 9 5 3 测试结果分析。6 6 结论6 7 参考文献6 8 附录a 7 0 附录b 7 9 致谢8 5 v i i f 东北大学硕士学位论文目录 矿 1 i ，j 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 现代连铸技术的发展与展望 钢铁工业是整个工业发展的基础，钢铁生产对于国民经济各个部门都有重大意义。 随着对钢的质量要求越来越高，连铸新技术和新工艺的不断涌现，与之相适应的连铸设 备也得到了很大的发展。 连续铸钢是把液态钢用连铸机浇注冷凝、切割而直接得到铸坯的工艺【l 】。自十九世 纪中期h b e s s e m e r 提出这种连续浇注的设想以来，由于其工艺特点同传统模铸相比具 有很多明显的优越性【2 卅，因而在短短的一百多年的时间里获得了令人瞩目的发展。从 上个世纪5 0 年代连铸技术应用于钢铁工业以来，经过3 0 年的发展，到了上个世纪8 0 年代连铸技术已经进入了完全成熟的全盛时期。 新世纪以来，钢铁工业面临一系列激烈挑战，包括符合环境保护要求的排放物、节 能和改善操作者劳动条件的迫切要求，材料性能方面受到其它材料( 塑料玻璃纸张及有 色金属) 的竞争，在生产效率方面受到投资和运行成本的限制等。为了适应市场的变化 而形成了新世纪连铸技术发展的最新方向，主要包括三个方面，即近终形浇铸，高质量 钢浇铸和高效连铸。三个课题之间相互关联，在发展进程中逐渐发展为优质、高效和经 济三者兼顾的生产技术体系。 近终形浇铸【5 】( n e a rn e ts h a p ec a s t i n g ) 是当代世界钢铁技术的一次大变革，是当前具 有强竞争力的短流程钢厂采用的主要工艺，力求浇铸尽可能接近最终产品的铸坯，以便 使进一步减少中间加工工序，节省能源、减少贮存和缩短生产时间。其与传统工艺相比， 流程短，效率高，建设投资小，生产成本低，受到世界钢铁界的高度重视。 另一个课题即连铸高质量钢【6 】，主要包括铸坯的清洁性、表面质量和内部质量，保证 以满足产品对质量不断提高的要求，同时也有效地减少了成型加工过程。这是连铸技术 向高水平发展的标志。 高效连铸技术就是连铸机实现高拉速、高作业率、高连浇炉数及低拉漏率，生产高 温无表面缺陷的连铸坯技术。其中以高拉速连铸的主要技术为主导和重点，因此许多相 关技术都围绕展开，如高效结晶技术高质量保护渣技术铸坯连续矫直技术以及结晶器振 动方式研究等。而结晶器振动的完善是其中最主要的技术措施之一，实践证明结晶器振 动方式以及振动参数对于提高拉速、改善铸坯表面质量有重要影响。 近5 0 年来，在工业中有两个学科分支发展极快。其一是电子学中的计算技术( 计算 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 机) ；其二是机械学中的液压技术( 液压系统) 。当代的机器系统，很少单纯由人工操纵， 大部分是自动控制的。从生产线来看，人工操纵更不可能。加上机电一体化技术的推动， 这两门技术的发展更加相得益彰。计算机系统便于“控制信号”的产生、放大、调制、 和转换，是机器的神经系统；液压技术单位质量输出的功率大，可输出的功率大，特别 是液压伺服系统【7 】。液压伺服系通式控制领域的一个重要组成部分，它是在液压传动和 自动控制技术基础上发展起来的一门较新的科学技术，目前己经在国民经济的各个领域 得到了广泛的应用。 1 2 结晶器振动技术的发展 1 2 1 结晶器振动技术的发展的历史 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。第二次世界大战后不久，连续铸钢作为一种可行的生产过程开 始出现，结晶器振动的引入作为一个关键因素加速了它的发展。在二十世纪三十年代， 现代连铸的奠基人_ 德国的西格弗里德容汉斯( s i e g f l i e dj u n g h a n s ) 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，容汉斯和他的合作者美国的艾尔罗西( i r v i n gr o s s i ) 获得了振动结晶器专 利的使用权，并在美国的约阿勒德隆钢铁公司的一台方坯连铸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特( m a n n e s m a n n ) 公司的一台连续 铸钢试验连铸机上。容汉斯振动的结晶器在这两台连铸机上的成功应用，使其在连铸机 上迅速的得到广泛应用。这项技术解决了早期固定式结晶器坯壳粘结引起的一些钢坯的 表面质问题，以及减少了漏钢发生的几率，从而为促进连铸技术在工业上的应用提供了 基本的必要条件。从此，结晶器振动便成了连铸机的标准操作【引。 奥钢联和英国d a v y 联合投资成立了c o n r o l l 公司，c o n r o l l 的第二条生产线 于1 9 9 5 年4 月，在美国的阿姆科公司建成，在这条生产线上，采用了平行平板型结晶器， 结晶器振动形式采用液压激振式。 意大利的达捏利公司为加拿大的a l v o m v 钢铁公司提供的一条生产线也采用了液 压激振式振动系统。国外对振动装置的研究已经取得了很大的发展，而国内对结晶器液 压振动研究较少。1 9 9 2 年，北京航空航天大学和钢铁研究总院连铸中心开始研究结晶器 非正弦振动波形的生成问题，1 9 9 9 年燕山大学研制开发了一种用于方坯的连铸结晶器液 压振动装置，此外，北京科技大学，武汉科技大学等高校也做了一些相关的研究，但总 体来说，我国结晶器液压振动系统的研究尚处在起步阶段。 - 2 _ 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 2 结晶器振动方式的演变以及其特点 结晶器振动规律即结晶器振动速度随时问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看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，都对连铸坯的浇注表面质量及拉坯速度的提高产生重大的影响。 最初人们采用推一拉一停的结晶器振动模式【2 , 4 】，后来英国钢铁研究机构( r i s r a ) 采用 了安装在弹簧上的振动结晶器【6 】，随后又出现了驱动的结晶器振动机构，这样就促使了 其振动方式不断发展与变化。大致可以分为以下几个阶段如图1 i 所示： 1 同步式振动2 负滑脱振动 3 正弦波振动4 非止弦振动 1 s y n c h r o n i z a t i o no s c i l l a t i o n2 n e g a t i v es t r i po s c i l l a t i o n 3 s i n u s o i d a lo s c i l l a t i o n4 n o n 。s i n u s o i d a lo s c i l l a t i o n 图1 1 结晶器振动方式 f i g 1 1m o d eo fm o u l d o s c i l l a t i o n ( 1 ) 同步式振动( 矩形波振动) ；这种振动规律是最早出现的一种振动方式这种由凸轮 机构实现的振动曲线如图1 1 中曲线l 所示。在这种振动方式中，结晶器下降时与铸坯保 持同步运动，使拉裂的坯壳在此阶段得以愈合，其愈合时间大约占整个运动周期的7 5 ； 然后以3 倍的拉坯速度上升。由于振动减小了拉坯阻力漏钢事故明显减少，铸坯质量有 所改善。因而在连铸结晶器振动应用早期采用很广但实现运动规律的凸轮加工制造比较 麻烦，同时为了实现严格的同步运动结晶器振动机构和拉坯机构之间要进行严格的电气 联锁：此外在向下与向上振动的转折处速度变化很快，理论上的加速度等于无穷大，因 而在机构中会产生很大的冲击力，进而影响结晶器振动的平稳性，对于铸坯质量和设备 的正常运转都很不利。 - 3 - 4 3 2 l o - ， 2 3 4 3 2 l o j 乏 。 4 y 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 2 ) 负滑脱振动( 梯形波振动) ；在该振动曲线中( 如图1 1 中曲线2 所示) ，结晶器在向下 运动的过程中有一段时间其速度稍大于拉坯速度，即所谓的“负滑动运动”，从而使铸 坯在结晶器内下降过程承受一定的压力，有利于使拉裂坯壳更有效地愈合，同时也有利 于脱模。在结晶器下降和上升的转折点处，速度的变化较同步式有所缓和，使运动的平 稳性有所提高。该振动方式仍保留同步式振动愈合时间较长的特点，愈合时间约占整个 周期的6 6 7 0 。但负滑脱振动模式也需由凸轮机构来实现，与同步振动相仿，其在机 械、电气及使用效果上的弱点仍然得到保留 9 1 。 ( 3 ) 正弦振动：该振动曲线如图1 1 中曲线3 所示。选择这种振动规律的基本出发点是： 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；用偏心轮 取代凸轮。这种速度规律的主要特点如下【旧】： 1 ) 结晶器与铸坯之间没有同步运动阶段，但仍然有一小段负滑动，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，所以加速度是按余弦曲线变化的。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。 4 ) 正弦振动是用偏心机构来实现的，比采用凸轮机构优越，加工制造容易，润滑密 封方便，运动精度高，易于采用高频振动。 正弦振动规律是目前国内外应用最广泛的一种振动规律。它在方坯、板坯及薄板坯 连铸机上都有最广泛的应用。 ( 4 ) 非正弦振动；非正弦振动方式具有上升运动时间比下降运动时间长的特点【l i l ( 如图1 1 中曲线4 所示) ，即具有较长正滑动时间，结晶器振动速度圪与拉坯速度k 之间 的速度差减小( 向上最大速度与k 之差) ，增加了保护渣的消耗量，液态摩擦减小，液态 保护渣膜的润滑范围向结晶器出口扩展，从而可减小坯壳中的拉应力，负滑动时间短， 有利于减轻铸坯表面振痕深度。所以对于实现高速拉坯，非正弦式振动的效果十分理想。 综上所述：结晶器振动波形从非正弦到正弦，现在又发展到非正弦的过程。但二者 却有本质区别。首先是目的不同。早期采用的非正弦振动是基于凝壳的“撕裂一愈合 理论，其关键是要保证初始凝壳的愈合时间，这种理论有很大的局限性；而现在的非正 弦振动的目的是为了改善结晶器内的润滑效果，降低摩擦力及初始凝壳的变形，以改善 铸坯表面质量，提高拉坯速度。其次是实现方式不同。由于受当时技术条件限制，早期 的非正弦振动波形主要是由凸轮实现，波形单一，在线不能调节，因而不能真正实现振 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 动波形优化。现在广泛采用液压振动来实现非正弦波，波形的选择余地大，并且调节容 易，可以实现连铸过程振动的最佳化，以便为初始凝壳的顺利形成创造最合适的条件。 从结晶器振动的规律演变可以看出，采用非正弦振动是目前结晶器振动的最佳方式。从 控制方便，调节灵活，系统稳定来说，由液压伺服系统实现非正弦振动势在必行。 1 3 连铸坯振痕形成原理 到目前为止，关于铸坯表面的振痕形成机理，提出了好几种模型，包括“半弯月面 模型、“弯月面坯壳一保护渣 模型和“弯月面 模型。 1 3 1 “半弯月面”模型 “半弯月面”模型( 也称拉裂一愈合机理) 眭1 s a v a g e 和p r i t c h a r d 在1 9 5 4 年提出，他们认 为初生坯壳首先在结晶器壁处产生，当结晶器向上运动时，带动粘结的凝固坯壳向上一 起运动，由于和拉坯方向相反，会导致坯壳破裂，液态的钢水流进来，补充到裂缝中， 再次凝固。结果是在间隙中形成了半弯月面，在接下来的负滑脱期间，两段断裂的坯壳 粘结在一起，就形成了振痕【7 1 1 1 。这个理论不能很好地解释振痕的形成原因，由于坯壳 表面的振痕看起来实际上是很直的，没有足够的证据表明存在着撕裂和愈合期，所以这 种模型具有明显的局限性。 1 3 2 “弯月面坯壳保护渣 模型 1 0 6 胄 0 菱二莲 - 2 0 - 2 5 o0 1 0 20 3 0 40 5 0 6 时间s 图1 2 振痕形成过程 f i g1 2t h ep r o c e s so fo s c i l l a t i o nd e f e c tp u l l u l a t i o n “弯月面坯壳保护渣模型解释振痕的形成过程如图1 2 ，当结晶器向上运行( 图 中a ) 并运行到最高位置( 图中b ) 时，包围液态保护渣的空间增大，液态保护渣对坯壳 前端的压力使前端向外张开。由于不同高度处坯壳厚度不同，因此最上部顶端的坯壳向 - 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 外张的程度大，下面位置处的坯壳向外张的程度小。在结晶器向下运动时( 图中c 、d ) ， 包围液态保护渣的空间减小，液态保护渣对坯壳前端的压力增强，坯壳被向里挤压，上 部顶端坯壳向罩弯曲程度大，稍下面处的坯壳向里弯曲的程度小。 钩状振痕凹弧振痕 图1 3 振痕类型 f i g1 3t h et y p eo f o s c i l l a t i o nd e f e c t 当结晶器仍在向下运行，但向下运行的速度己低于拉速，即离开负滑脱区时( 图中 e ) ，液态保护渣对坯壳前端的压力再次减弱，在坯壳内钢液压力下，坯壳先端又向外张 开，开始生成一个新的振痕，通常情况下形成的振痕是“凹弧( d e p r e s s i o i 卜- t y p e ) ”型振 痕，如果在弯月面处的钢水漫过初生的坯壳，就会形成“指甲( h o o k - _ t y p e ) ”型振痕， 如图1 3 。 由上述振痕的形成机理可知：结晶器每振动一次生成一个振痕，振痕之间的间隔距 离d 可用下面的公式计算：d = v f 。 1 3 3 “弯月面 模型 “弯月面 模型认为弯月面和振痕有着密切的联系，尤其是“指甲 状振痕的形 状揭示肯定是液态钢水漫过初生坯壳形成的，初生坯壳的形状和弯月面又极为相似，这 就充分证明弯月面对振痕的形成有着重要的影响。它解释振痕的形成过程如下： 】可】d ft t 】 ab 图1 4 弯月面坯壳生长情况 f i g1 4t h ep r o c e s so fl i q u i d 翻l m c ep u l l u l a t i o n 在负滑脱期间之前，初生坯壳向下运动，相对于铸坯，结晶器向上运动，在结晶器 和初生坯壳之间负压力，导致坯壳向结晶器弯曲，同时，初生坯壳向下运动并且沿着弯 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 月面的表面不断生长，得到的坯壳形状就和弯月面具有相同的形状，这时会有一个生长 的长度，用l 表示，如图1 4 ，随后，负滑脱阶段开始，在结晶器和初生坯壳之间产生正 压力，钢水的静压力和保护渣作用的效果使坯壳向钢液弯曲，随着铸坯的向下运动，坯 壳越来越厚，也很难再发生变形，这个阶段结束后，坯壳沿着弯月面的生长长度l 达到 最大在此后，由于坯壳厚度的不断增加，即使在正滑脱期间，坯壳也不会发生很大的变 形。在下一个周期，又会形成一个新的振痕。通常，每个周期会形成一个“凹弧 型振 痕，如果有钢水漫过，就会形成“指甲 型振痕。在采用浸入式水口和保护浇注后，形 成“指甲 型振痕的几率很低。 从上面的模型可以得到两个结论： ( 1 ) 随着弯月面和结晶器壁之间夹角的增加，振痕深度降低。 ( 2 ) 初生坯壳的长度l 减小，振痕深度也会降低。 另外，当结晶器内钢液弯月面的波动产生小弯月面现象时，一个振痕的表面有时也 会有许多细小的振动波纹。 1 4 课题的意义及研究方法 中薄板坯连铸从上个世纪九十年代开始发展并且进入市场，其市场份额逐年上升， 至s j l 9 9 6 年已经达n 2 2 。中薄板坯连铸连轧还具有投资小、拉坯速度快等优点，中薄板 坯连铸连轧技术将成为未来板型生产的发展趋势。从国外引进的中薄板坯连铸连轧的成 套设备的结晶器振动基本上都采用液压伺服振动方式，而国内拥有自主知识产权的结晶 器振动方式还是采用的四连杆机械振动方式。这对于提高拉坯速度，改善铸坯的表面质 量不利。因此研究和开发薄板坯连铸结晶器液压振动技术，对于提高我国设备的技术含 量，提高我国钢铁工业的国际竞争力具有重要意义。 中薄板坯连铸结晶器液压振动技术进入中国还是近几年的事情，虽然国家先后相继 引进了德国西马克，奥钢联等薄板坯连铸生产线，但是他们的结晶器液压振动技术均属 专利，因此国内未能真正掌握此项技术，对于中薄板坯连铸结晶器液压振动系统的研究 已迫在眉睫【1 2 , 1 3 】。 鞍钢新铁公司第二炼钢厂现有连铸机4 台其中有两台方坯连铸机和两台板坯连铸 机。两台板坯连铸机分别是3 # 板超低头连铸机和4 j | l 中薄板坯连铸机，分别于1 9 9 9 年1 2 月 和2 0 0 4 年1 2 月建成投产。 4 j f j 板坯连铸机主要采用结晶器液面自动控制，中包快换水口，结晶器振动采用液压 伺服控制，二冷水自动控制等先进技术，因此生产力高质量铸坯。特别是结晶器振动采 - 7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 用奥钢联技术液压伺服控制，大大改善了铸坯表面质量，故障率低，稳定性好，在线可 调振动参数，实现正弦与非正弦振动。但由于引进奥钢联技术，关键技术不给提供，资 料短缺，对于开发4 # 板液压伺服控制技术，使之国产化，指导生产实际的课题应运而生。 3 # 超低头连铸机，没有4 # 板坯连铸机的先进技术，生产铸坯质量差，公司决定丌发 4 # 机的先进技术，移植n 3 # 超低头连铸机上。3 # 机结晶器振动采用机械四连杆偏心机构， 只能实现正弦振动。 本课题的目标是将4 # 板坯液压伺服控制结晶器振动技术转化至l j 3 # 机上，力争开发出 符合我国连铸生产实际的液压伺服振动系统，力争不仅要做到理论上可行，还要在实践 中好用。即通过各种媒体和渠道获取、查阅大量资料及文献，在归纳、吸收基础上力争 创新，了解应用现场实际情况，使研究更具方向性。使设计更加合理化，并在此基础上 针对实际工况做出系统设计，并以仿真分析论证其可行性。 1 5 本论文的主要工作 ( 1 ) 对连铸机结晶器非正弦振动进行介绍，对振动波形的构造，工艺参数的选择以及匹 配控制模型进行系统的研究。为实现非正弦振动的结晶器系统的设计打下坚实的理 论基础。 一 ( 2 ) 应用m a t l a b 的优化工具箱，以连铸结晶器振动工艺参数为目标函数，以现场提 供的技术要求为约束函数，采用多变量无约束非线形最优化和多目标有约束非线性 最优化两种方法分别对振动基本参数进行优化，寻找不同厚度板坯连铸时，结晶器 振动的振幅、振动频率以及拉坯速度的最优值。 ( 3 ) 用优化的方法找到基本参数的最优值( 也可以称为较适用的基本参数的数值) ，基于 这些基本参数的数值，并且结合“v a i 中薄板坯连铸机 的生产实际，选择出符合 生产工艺要求的主要振动参数。根据这些振动参数，设计出3 撑机液压伺服系统。 ， ( 4 ) 针对所设计的液压系统，拟定控制方案，用传递函数的方法建立系统各个环节的数 学模型。利用m a t l a b 软件进行计算机仿真，以此判断系统动、静态性能是否符 一 合使用要求，验证设计系统的可行性。 ( 5 ) 对设计出的系统进行现场的测试，判断振动系统是否满足生产要求。 8 东北大学硕士学位论文第2 章非正弦振动波形及工艺参数分析 第2 章非正弦振动波形及工艺参数分析 新世纪连铸的发展从提高生产率和节能的目的出发，一直在进行连铸高速化( 浇注、 拉坯等方面) 的努力。然而，高速浇注却降低了结晶器和铸坯间的润滑性能，使铸坯经 常产生粘结性拉漏。因此改善结晶器和铸坯间的润滑措施将成为实现连铸高速化的条 件。作为改善润滑的措施有两个，一是开发高速连铸用保护渣：二是开发出有利于润滑 的结晶器振动波形。 随着人们对于结晶器振动机理的认识，非正弦波形被认为是一种最佳的振动方式。 上世纪8 0 年代同本首先应用了这种振动方式，目前已有法国索拉克佛洛朗同厂，瑞士康 卡斯特公司，德国曼内斯曼德马克公司，意大利阿维迪公司相继开发或引进了这种新型 的振动方式并收到了满意的效果。可见随着对于非正弦振动的深入研究，这种振动方式 将逐步占据连铸生产过程，成为高速高效连铸的最关键技术之一【1 3 】。 2 1 非正弦波形的选取 2 1 1 结晶器的润滑机理 结晶器的振动有利于铸坯的脱模，可以提高拉坯速度，实现更高的效率，同样由于 脱模过程中凝壳与结晶器壁之间的摩擦，而产生振痕，带来产品质量的不良效果。为了 更好地利用振动的优点，得到合理的振动波形，我们首先分析结晶器的润滑机理。 基于目前国内钢铁厂家多数采用保护渣作为润滑介质，我们重点看一下保护渣润滑 时候结晶器壁和坯壳之间的情况。如图2 1 所示：在结晶器壁和坯壳之间有一层保护渣 薄层，并且在坯壳前面的为液态，在结晶器前面的为固态。结晶器中摩擦力产生的机理 有两种。 当结晶器相对于坯壳的运动是在液体保护渣薄层内进行而产生的摩擦力称为“液体 摩擦力五 ，用下式来表示其大小： 以= 7 7 ( 一屹) 吮 ( 2 1 ) 式中：叱一结晶器的速度，m m i n 咋一拉坯速度，m m i n ，7 一液态保护膜的黏度，p a s d ，一液态保护膜的厚度，m 当结晶器壁和固态保护渣之间产生相对运动时，