（冶金工程专业论文）连铸结晶器振动工艺控制模型的优化.pdf

摘要 摘要 唐山贝钢总厂炼钢厂转炉扩容( 出钢量出2 4 吨扩容到2 9 吨) 并新上3 0 吨l f 钢包精炼炉，开发优质钢，包括：碳结钢、石油套管钢等，如果仍然采用l # 连铸 机( 现在的全板簧的机械正弦振动) 生产，钢坯的表面质量就很难达到用户的要 求，拉速也很难得到提高。为此，对1 撑r 7 m 连铸机进行优钢适应性改造，将原来 的机械振动改造为数字电动缸伺服的非正弦振动。 但是国内非正弦振动工艺控制模型仍然处于摸索阶段，开发出一套适合唐山贝 钢总厂1 # 铸机的非正弦振动工艺同步控制模型是目前要解决的重要问题之一。 本课题以连铸结晶器的同步振动控制模型为研究对象，采用研究连铸结晶器同 步振动控制模型的参数计算软件为手段，优化出适合现场使用的同步振动控制模 型。 研究了构造非正弦振动波形函数的方法，并采用解析式精确地给出了非正弦振 动波形及其参数，依据所使用的振动波形，分析振动参数和工艺参数之间的相关性 和数学关系。 通过分析计算，依据冶炼钢种和保护渣性能等条件，为得到最佳表面质量的铸 坯建立正弦和非正弦振动v ，一厂、矗、a 的自适应同步控制模型。 依据唐山贝氏体钢总厂的实际条件，利用开发的铸机结晶器振动同步控制模型 工艺参数计算软件计算实用的v ，一，、h 、口的自适应同步控制模型。 在设备安装调试后，以该参数进行连铸机的振动控制，系统运行平稳、可靠， 铸坯表面振痕深度小，大大改善了保护渣的润滑，达到合理的工艺参数和良好的铸 坯表面质量( 指振痕和表面夹杂等) 的目的。为唐山贝氏体钢总厂产品质量的提高 打下了良好的基础。 图4 h 4 表l 参0 关键词：结晶器振动同步控制模型参数软件 分类号：t f 2 3 4 2 河北理工大学硕士学位论文 a b s t i a c t e x 蛐gc a p a c 酊r e f o 瑚胡o no fc o n v 嘶c r ( 疗o m2 4t o n st o2 9t o i l s ) ，a p p l i c a t i o no fl f r e f i n i n g 矗l r n a c ea i l dd e v e l o p m e n to fl l i 曲一q u a l 时s 魄l ( s u c ha sc 耐枷s 口咖g t e e la n d 缸颤l l a rs 刚) h a v eb e e na c c o m p l i s h e di nt a n g s h 硒b a j n i t es t e e lg e n e r a lw o r k s i f1 拌 c a s t e r ( c u r r e n tc a s t e r a d o p t i n gm e c h 趾i c a ls i n u s o i d a lo s c i l l a ：t i o no fc o m p l e t ep l a t es p r i n g ) 础lb ca p p l i e d ，s u r f 沁eq u a l 毋o fc a s t 啦b l 舡l l ( i sd i 伍c u ht om e e tt h ec u s t o m c r s r e q l l i r e m e n t s ，a n dc 枷n gs p e e di sa l s oh a r dt o 访c r c a s e t h e r e f o f e ，d i r c 曲耐t o w a r d1 撑 r 7 mc a s t c ra d 印t a l b i l 时m o d i 6 c a t i o nf o ro 州m i z i n gs 眦lq u a l 蚵i sc a r r i e d ，嘶g i n a l m e c h a n i c a lo s c m a l i o ni sc h a i l g e di n t 0n o 一s i n u s o i d a lo s c i l l 撕o ns c r v 。db yd i g i “l i n e a r a c n l a t o r w h i l et e d m 矾o g yc o i n r o lm o d e lo fn o n s i 删s o i d a lo s c i l l a t i o ni ss t i l li n 孕o p i n gm o m e n t i nc l l i n 钆d e v e l o p i n gas e to f t e c l l n o l o g yc o n t m lm o d e lo f n o n s i n u s o i d a lo s c i l l a t i o ns u “e d f o r1 群c a s t e ri nt 锄g s h 蜀mb a i m t es t e e lg e n e r a lw o r k si so n eo fm a j o rp m b l e m sr e q u i r e d f 研s o l 试n g t 1 l i sp a p c rh o l dt h es y n c h m c o m m lm o d e lo fc o l 缱i 脚。懈c a s t i n g 瑚o u l d 鹊协ea i l a l ) r s i s p r o j e c t ，u s ec o m p m i n gs o f t w a r ef o rs h l d y i n gt h ep a m m d t e r si nm es ”l c l 曲- c o 曲lm o d e l ， o p t i f n i z e d 也es y r l c h r o - c o n 舡d lm o d e ls u i t c df o ro i l s i t ea p p l i c a t i o n t h em e t h o do fc o n s t n l c t i n gn o n - s i n u s o i d a lo s c j l l a t i o nw a v e f b r n lf 岫c t i o nh a sb c e n r c s e 疵h e d a c c o r d i n gt ot h ef o n n u l a ，n o n - s i n l l s o i d a lo s c i l l a t i a nw a v e f o 衄a i l dp a 船m e t e r s c a nb e 删n 耐a c c u r a t e l v c o r f e l a t i o na n dm a t b 锄a t i c a lf e l a t i o nb e “呜e no s c i n a t i o n p 础衄e t e r s a n dp m c e s s i n gp 猢曲e r sh a v eb e e na i l a l 弘d饷m 廿l eu s e do i l 蜥o n w a v e f b i m a c c o r d i n gt ot l l ec o h d j t i o n so fs t e e l 蹦l d ea l l dn u xp e 】晌r n l a n c e ，吐l cs y i l c h r o c o n t r o l m o d e lw h i c hi ss e l f a d a 口t i v et os m u s o i i i a lo s c i l l a t i o n ，n o i 卜s i l l u s o i d a lo s c i l l a t i o n ， k 一，办a n d 口h a sb e e na n a i n e d i t lo r d e rt oo b t a i nt h eb e s ts u d 犯eq u a l i t yo fc a s t i n g b l a i l k a p p l i c a b l ek 一，厅 锄d口a r ec o m p u 把du d l 曲gt h es y n c - c o n 订d lm o d e l e s c a b l i s h e df - o rc a s t e rm 0 1 l l da c c o r d i n gt ot l l er e a 圭c o n d i t i o ni nt 锄g s h a 芏lb a i n t es t e e l ( k n e r a lw o r k s i i a b s t r a c t a & ro n l i n ed e b u g g i n g 趾dp m d u c 重i o nn 地t 1 1 ee 行e c to fc o n 仃o ls y s t e mw a sp m v e d p e r f e c t l y t h er e s u l t sd e m o i l s 打a t em a tt 1 1 e s i l f f 如eo s c i l l a t i o nm a r ko fc a s d n gb l a n k 、v a s s m a l l ；t h el u b r i c a t i o no fm o l l l dn u x 、a si m p r o v e do b v i o u s l y c o n s e q u e m l y ，也ea i l n so f 枷o n a lt e c l l n o l o g yp a r a m e t c r s 趾dg o o ds u r f 砬eq u a l i t yo fc a s t i n gb l a i 血( o s c i l l a t i o nm a r k 粕ds u 响c ei n c l l l s i o n se t c ) w e r ea t t a i n e ds u c c e s s 血l l y ，w i l i c he s t a 【b l i s h e dg o o db a s i sf o r i i n p r o v i n gp m d u c tq u a l 毋o f t a l l g s h 柚b a i n i t es t e e lg e n e r a lw o r k s f i g u r e4 4 ；t a b l e1 ；r e f e r e n c eo k e y w o l i d s ：m 0 1 d ；o s c m a t i o n ；s ”c h r o n j z 甜o n c o n 扫o lm o d d ；p 猢d s 0 r w a r e c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t f 2 3 4 _ 2 。i n 注释说明清单 符号说明： s m - 一结晶器的位移，i i l i n ： 注释说明清单 ”m 结晶器振动速度，删h i n ； k 结晶器振动最大速度，l i l 越n ； v m 结晶器平均振动速度，m m i n ； a 一结晶器振动加速度，m m i n 2 ； l 一振动冲程，m m ； s 振幅，m m ； 卜振动周期，s ； 吃拉坯速度，m m i n ； t n ，t 厂负滑动和正滑动时间，s ； n s 负滑动率； v 正滑动速度差，m ，m 虹 n s r 负滑动时间比率； ，振动频率，i i l i n - 1 ； o m s 振痕间距，i n m ： n s a 负滑动超前量，m m ； t 加非正弦振动最大位移相对于正弦振动最大位移在时间上的滞后，s i x - 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，论文巾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 河北理工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，明确的说明并表 示了谢意。 签名：& ! 之皇一日期：土三月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、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：挑 导师签名：垃口日期：鲤_ 一午月上日 引言 引言 本课题连铸结晶器振动工艺控制模型的优化是为唐山贝钢总厂2 0 0 6 年连铸 改造的科技攻关项目。 连铸技术目前己成为世界上主要的钢水成坯的方法，据统计自1 9 8 4 年以来，全 世界钢的连铸比指标一直在稳定增长，特别是进入9 0 年代以来，连铸技术呈现更加 强劲的发展态势，特别是以“高效连铸、近终形连铸、连铸操作的自动化和机械 化、工序衔接的连续化”为发展方向，使连铸生产水平产生一次又一次的飞跃。 到2 0 0 0 年当世界连铸比达到了8 7 2 左右时，我国的连铸比达到8 8 1 ；到 2 0 0 4 年世界连铸比达到9 0 ，而我国的连铸比却已经达到了9 6 。 从国外的经验看，高效连铸采用的主要技术有：结晶器液面控制技术、结晶器 非正弦振动技术、电磁制动技术和高拉速保护渣技术等。在现有连铸机的基础上开 发连铸新技术，对现有连铸机进行改造，可以大幅度提高现有铸机的生产能力，并 适应整个炼钢生产能力提高和开发品种的需要。 2 0 0 5 年唐山贝钢总厂炼钢厂转炉扩容( 出钢量由2 4 吨扩容到2 9 吨) 并新上3 0 吨l f 钢包精炼炉，决定开发优质钢，包括：碳结钢、石油套管钢等，如果仍然采 用1 # 连铸机( 现在的全板簧的机械正弦振动) 生产，钢坯的表面质量就很难达到 用户的要求，拉速也很难得到提高。为此，决定对1 4r 7 m 连铸机进行优钢适应性改 造，将原来的机械振动改造为数字电动缸伺服的非正弦振动。 但是国内非正弦振动工艺控制模型仍然处于摸索阶段，开发出一套适合唐山贝 钢总厂1 ”铸机的非正弦振动工艺同步控制模型是目前要解决的重要问题之。 本课题以此为立题依据，结合唐山贝钢总厂1 “铸机的现有条件，通过对结晶器 振动波形以及基本参数和工艺参数之间关系的研究，开发出同步控制模型并最终得 到连铸机结晶器非正弦振动工艺控制模型计算软件为主要研究内容，把相关理论研 究与厂内连铸机的实践相结合，为其连铸机的改造与工艺参数的优化提供可靠的依 据，并据此对连铸机的振动装置进行良好的控制。 1 文献综述 1 1 连铸技术的产生和发展 1 文献综述 连续浇注液体金属的设想是1 9 世纪中叶，出美国人塞勒斯( s e l l e r s ，1 8 4 0 年) 、赖尼( l a j n g ，1 8 4 3 年) 、英国人贝塞麦( b e s s e m c r ，1 8 4 6 年) 提出，当时 只能用于连铸低熔点的有色金属。 根据现有文献记载，以水冷的、底部敞口固定结晶器为特征的常规连铸机概念 的最早提出者是美国的炼钢工作者亚瑟( b a t h a ) ( 1 8 8 6 年) 和德国的土木工程师 达勒恩( r m _ d a e l e n ) ( 1 8 8 7 年) 。前者采用一个底部敞口、垂直固定的厚壁铁结晶 器并与中间包相连，实行间歇式拉坯：后者采用固定式水冷薄壁铜结晶器。实行连 续拉坯、二次冷却、飞剪切割、引锭杆垂直储放装置。显然后者的许多特征与现在 使用中的连铸机非常相似。此后几十年中，尤其在1 9 2 0 1 9 3 5 年问连铸过程仍然仅 用于铜、铝等有色金属的浇铸。但有关连铸的方案、专利大量涌现，充分显示了人 们对连铸技术研究的浓厚兴趣。其中最具有开拓性的研究就是如何提高连铸机的浇 铸能力，解决途径除了加大浇铸断面、多流浇铸外，最关键的是浇铸速度。固定不 动的结晶器的浇铸速度仅限制在o 。6 m ，m i n 左右，若想提高浇铸速度，必须使结晶器 相对铸坯移动一段距离，以防铸坯从结晶器拉出时，薄弱的坯壳被撕裂。这也就是 早在1 9 1 3 年瑞典人皮尔逊( a h p e l l r s o n ) 曾提出的结晶器应以可变的频率和振幅 做往复振动的想法。真正将上述想法付诸实施是德国人容汉斯( s j l l i i g h 觚s ) ，1 9 3 3 年他提出了一种结晶器以与铸坯同样的速度下行一段距离后在以较快的速度返回到 原来位置的连铸方式，建成了第一台结晶器可以振动的立式连铸机( 图1 ) 。并用 其浇铸黄铜获得成功，后又用于铝合金的工业生产。 图1 容汉斯的连铸方式 f i g 1c a s 石n gm o l l l do f s j i m g h a n s 3 1 一中间罐 2 一加保护荆 3 一水冷结晶器 仁铸坯 5 一拉辊 仁结晶器振动机构 7 一盛钢炉 g 压缩机 河北理工大学硕士学位论文 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：。因此容汉斯也就成为现代连铸技术的奠基入l l 】。 在2 0 世纪4 0 年代的早期试验开发中， 性。解决的思路主要集中在结晶器技术上， 的结晶器和振动结晶器。 主要是探索钢液能够被顺利浇铸的可行 出现了固定不动的结晶器、弹簧吊褂式 虽然振动式结晶器是钢得以顺利连铸的开创性技术关键，但真正有效防止坯壳 与结晶器粘结的突破性进展的技术贡献，应归功于英国人哈里德( h 珂l i d a y ) 提出的 “负滑脱”概念。在容汉斯及罗西的振动方式中，结晶器下降与铸坯无相对运动， 而哈里德的负滑脱方式中结晶器下降与铸坯有相对运动，因此，有改善润滑、减轻 粘结的优点，更有利于高速浇铸。 在2 0 世纪5 0 年代连铸设备开始步入工业化。连铸设备的设计主要被容汉斯、 罗西、原苏联所包揽，机型为立式( 占7 5 ) 、立弯式( 占2 5 ，全出自罗西集 团) 。 在2 0 世纪6 0 年代弧形连铸机的问世；使连铸技术出现了一次飞跃。它不仅克 服了立式连铸机生产率低、建筑高大、投资多的缺点，而且更有利于安装在原有的 厂房内。 在2 0 世纪7 0 年代连铸技术的应用和发展速度最快的当属日本，无论是生产能 力的增加还是技术水平的提高，都位居世界前列。 从2 0 世纪8 0 年代初到9 0 年代初，连续铸钢技术经历了其工业化的全盛时期， 其特点是：( 1 ) 世界连铸比迅速增长。( 2 ) 以日本为代表的一批发达国家( 地区) 接近 或基本实现了全连铸。( 3 ) 改善铸坯质量的努力取得了重要的突破性发展，创造无缺 陷铸坯的生产技术和生产体制日趋成熟。( 4 ) 连铸工业化的经济效益十分显著，成为 改革和振兴钢铁工业的重要指标。( 5 ) 随着连铸与轧钢工艺更紧密地结合起来，连铸 坯热装和直接轧制技术已经在日本发展并兴盛起来。 我国连铸技术工业化发展的起步比较晚，而且中问又徘徊了相当长的时间，直 到8 0 年代末期才得以较快发展，特别是近十几年的发展取得了长足进步，到2 0 0 4 年我国连铸比达到9 6 ，超过了全世界连铸比9 0 的平均水平。 高效连铸技术就是在现有连铸机的基础上开发连铸新技术，对现有连铸机进行 改造，可以大幅度提高现有连铸机的生产能力，适应整个炼钢车间生产率提高的要 求，而且大大提高连铸坯的质量，为开发优质钢产品打下基础。由于高效连铸技术 是适合现有连铸机的改造，具有投资少、见效快的特点，因此在世界各国得到广泛 1 文献综述 的重视。其中采用结晶器非正弦振动技术，采用提高正滑脱时间，降低负滑脱时间 的技术，可以明显改善结晶器保护渣的润滑，减少坯壳和结晶器之间的摩擦力，降 低振痕深度，减少拉裂，从而使铸坯质量和拉坯速度明显提高，开发可靠性好、计 算精度高的振动工艺控制模型参数具有重要的实用意义【2 1 。 1 2 连铸结晶器振动技术 1 2 1 连铸结晶器振动技术的产生和发展 结晶器的振动相当于一种脱模的作用，其目的是防治铸坯粘结发生拉裂或漏 钢，同时结晶器作上下振动时，能周期性地改变钢液面和结晶器壁的相对位置，有 利于改善结晶器内壁表面的润滑状况，减小粘结阻力和摩擦阻力，还可以改善铸坯 的表面质量。 结晶器振动技术早期只应用于有色金属的浇注，由于没有弄清与结晶器润滑的 关系，结晶器振动的概念也经历了各种变化。直到1 9 4 9 年，容汉斯( s j l l n g h a n s ) 和i 罗西第一次将其应用于钢的浇注，目的就是为了有效地改善铸坯和结晶器壁 间的润滑条件。这一成果对于推动连铸技术的发展，使其从实验室走向工业化应用 做出了开拓性的贡献。 结晶器振动经历了早期的非正弦振动方式到正弦振动方式，目前又发展到非正弦振 动方式的过程，如表l 所示。当然，现在所采用的非正弦振动与早期的非正弦振动虽然 振动波形同为非正弦，但其振动波形、目的和实现方式上二者有本质的区别。 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。 其次其实现的方式不同，由于当时受技术条件的限制，早期的非正弦振动波形主要 是由凸轮来实现的，波形单一，在线不能调节，因而不能真正实现振动波形优化。现在 广泛采用液压振动或数字电动缸振动来实现非正弦波，波形选择余地大，并且调节容 易，可以实现连铸过程振动最佳化，以便为初始凝壳的顺利形成创造最合适的条件。 从连铸结晶器振动方式的研究进展可以看出，采用非正弦振动是目前结晶器振动的 最佳方式。 5 一 河北理工大学硕士学位论文 表l 结晶器振动技术的发展过程州 t 曲l e1d e v e l o 妒啪tp m c e s so f t c c h n o l o 窖yo f m o m do s c i l 蕊i o n 年代发明人振动形原理或目的 式 1 9 3 3 s 容汉斯非正弦3 ：l 模型，但f 降时无相对运动，以保证最高的传热效果 1 9 4 9 s 容汉斯非正弦第一次将振动结晶器应用到钢的连铸中 i 罗西 1 9 5 l 萨瓦日非正弦振幅和频率根据结晶器摩擦而变化的弹簧吊挂式结晶器 1 9 5 3 罗西非l e 弦 在1 ：l 和1 ：4 模型之间，以避免结晶器向上运动时撕裂 坯壳 i 9 5 3 哈里德非正弦使用机械往复式3 ：l 模型结晶器，向下运动时有负滑 脱，首次提出“负滑脱”概念 1 9 5 4 海森堡 非正弦应用弹簧吊挂式结晶器加上液压机构的3 ：1 模型，在结 萨瓦日晶器向下运动时有“压缩释放” 1 9 5 7 鲁斯特海尔非正弦用弹簧吊挂式结晶器加上液压机构的3 ：l 模型，以避免 schenejde r 振动 1 9 5 8 signo a 正弦以偏心机构形成稳定、简单的正弦波振动 ca r o an0 1 9 5 9m ichei sen 非正弦3 ：l 模型，只在翔p 运动最后阶段严生贸糟航以改吾传热 1 9 5 9 萨瓦日非正弦3 ：2 模型，降低向上运动的加速运动以尽量避免撕裂坯壳 morton 1 9 6 0 苟周非正弦用安装在弹簧吊挂结晶器上的两个叠加的偏心机构形成复 za eytydt 杂的模型 1 9 6 7 考伯乐 非正弦 o 5 1 o s 的负滑脱焊合时间 1 9 6 8 科奈尔正弦5 5 8 0 的向下运动时间为负滑脱时间 1 9 7 1 鲍曼正弦在大方坯浇注中采用高频小幅振动以减轻振痕 1 9 7 9t0 m 0no 正弦碳含量对振痕深度的影响 1 9 8 l 0kazaki 正弦第一次用4 0 0cpm 振动频率的板坯连铸机 1 9 8 2 沃尔夫正弦在整个浇注速度范围内负滑脱时间t “恒定 1 9 8 4 米如 正弦在f 和vc 之间呈抛物线式的同步模型 1 9 8 4 米策昔米非正弦带液压驱动装置的l ：25 模型，以高速浇注板坯 1 9 8 5 戴维斯正弦低频小振幅高速浇注易粘结钢种 1 9 8 5 mjkiosuzuk i 非正弦上行时问比下行时间长，用液压伺服传动机构浇注板坯 1 9 8 8 a d e l h a ude m a c 液压伺服传动机构，允许在浇注期间对振动波形、频率、 1 9 9 0和a r ve di 公司共同开发 振幅进行调整 1 9 9 8 李宪奎非正弦连杆式机械传动，通过改变杆长比和初相角实现结晶器非 正弦波振动，振动波形调整方便 2 0 0 4 衡阳镭目科技有限公司数字电动缸伺服传动机构，允许在浇注期间对振动波形、 频率、振幅进行调整 1 2 2 连铸结晶器振动波形的发展 到目前为止，连铸机结晶器振动波形( 速度曲线) 经历了矩形波振动、梯形波 振动、正弦波振动和非f 弦波振动四个阶段的演变如图2 所示，每一次的波形的演 - 6 一 l 文献综述 变都对连铸坯的产量和质量产生巨大的影响。下面分别讨论一下这四个阶段的特点 1 5 】f 6 】! ( 1 ) 矩形波振动( 又称同步式振动)在2 0 世纪6 0 年代及以前时期，这是振动 技术从无到有，从实验室到工业化的时期，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 。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得到广泛应用，缺点是在向下与向上振动的转折处速 度变化极快，在振动机构中会产生很大的冲击，影响振动的平稳性，对铸坯质量和 设备的正常运转都有不稍的影响，其振动需要由凸轮机构来实现。 ( 2 ) 梯形波振动( 又称负滑脱振动)在2 0 世纪5 0 年代中期，结晶器的振动发 生了一次重要的变化，美国的h a l l i d a y 公司和英国的s h e 衔e l d 公司对3 ：l 的同步振 动蓝线作了轻微改动，形成一种新的振动曲线，在该结晶器振动益线中，结晶器下 降的速度稍大于拉坯速度，两者之间有相对运动，使铸坯在结晶器内下降过程中承 受一定的压力，有利于使拉裂坯壳更有效的愈合，同时也有利于脱模，b i s r a 发现 了采用负滑脱振动可以使得在提高拉坯速度的同时，嵩占结漏钢事故却不会上升。因 此，这种负滑脱振动作为一种新技术被广泛采用。在结晶器上升和下降的转折点 处，速度的变化较同步式振动有所缓和，使运动的平稳性有所提高。该振动方式保 留了同步式振动愈合时问较长的特点，愈合时删约占6 6 7 1 ，其振动也需要由凸 轮机构来实现。 ( 3 ) 谁弦波振动( 又称正弦振动)在2 0 世纪5 0 年代中后期，结品器振动的另 一个重要变化是人们基于凸轮机构的制作维护的困难，发展了基于偏心轮的正弦振 动。结晶器在整个运动过程中虽然没有稳定速度阶段，但仍有一小段负滑脱阶段， 因此具有脱模作用。由于速度是按照正弦规律变化的，其加速度必然按照余弦规律 变化，所以过渡比较平稳，没有很大冲击。又由于加速度较小，可以提高振动频 率，减轻铸坯表面振痕的深度。另外，正弦振动可以通过偏心轴或曲柄连杆机构柬 实现，它具有加工制造比较容易，操作维护比较简单的特点。 以前的振动方式中都是采用较长的负滑脱时间，因此这些早期的振动方式的振 动频率都比较低，振痕都比较深。为了改善铸坯表面质量，国内外的学者一致认 为，较短的负滑脱时间是改善铸坯振痕深度的关键参数。对于正弦振动负滑脱时间 可以表示为： - 7 河北理工夫学硕士学位论文 k = 。( 警 k 2 孑81 l 彳j 从上式可以看出，正弦振动负滑脱时间t n 随着频率的增大和振幅的减小而减 小，但是追求过高的振频和过低的振幅，对振动系统的稳定性和设备的可靠性产生 重要的影响。因此新的非正弦振动在此基础上应运而生。 ( 4 ) 非正弦波振动( 又称非正弦振动)进入2 0 世纪8 0 年代后，连铸技术通过 近半个世纪的发展已经逐步走向成熟，常规产品质量矛盾已经不突出。然而，由于 炼钢技术的不断完善，炼钢节奏加快，出钢量增加，以及连铸后步工序的轧钢能力 相比，已有的连铸机生产能力便成为整个生产过程的限制性环节。因此连铸高速化 成了大家一直努力的目标，然而，高速浇铸却降低了结晶器和铸坯之间的润滑性 能，使铸坯经常产生粘结漏钢，因此改善结晶器和铸坯之间的润滑成为实现连铸高 速化的条件，作为改善润滑的主要措施有两个：一个是开发高速连铸保护渣，另一 个是开发有利于润滑的结晶器振动波形，这样非正弦振动技术1 9 8 4 年9 月在日本钢 管公司福山厂应运而生f 7 j 。但是它从根本上不同与最初的非正弦振动。 这里把非正弦振动视为正弦振动的演变，在非正弦振动中引入了一个很重要的 参数：波形偏斜率a ，就是非正弦振动相对于正弦振动的的改变程度。 口：上( 2 ) t 4 这种非正弦振动波形的生成可以采用液压缸伺服系统、数字电动缸伺服或机械 系统三种方式。 这种振动方式的特点就是结晶器上升的速度小而时间较长，这要既保证了结晶 器和坯壳的反向运动时，由两者速度差值决定的摩擦力小于正弦式振动的摩擦力。 同时，在结晶器下移过程中，下移速度快，时间短，这样得到的负滑脱时间比正弦 振动时间更短，有利于进一步减少振痕深度，且在负滑脱期间，结晶器相对于坯壳 的下移距离等于或大于正弦振动的下移距离，有利于坯壳的充分愈合。日本的n k k f u k u y a n l a 的5 号板坯连铸机就采用了一种大约为l ：2 的振动模式，他们希望在拉 速大于2 5 m m j n 时，可以避免出现粘结型漏钢。 这种振动方式具有较长的正滑脱时间，结晶器振动速度与拉坯速度之间的速度 差减小，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，所以在快速 拉坯时，非正弦振动的效果十分理想1 8 】。 1 文献综述 负滑脱时间就是结晶器向下运动速度超过拉坯速度所经历的时间，反之就是正 滑脱时问。由于结晶器的摩擦阻力使得铸坯在正滑脱运动期间铸坯坯壳受到拉应 力，当结晶器向上运动的速度最大时，结晶器摩擦阻力最大，初始凝壳所受的拉应 力最大。在负滑脱运动期间铸坯坯壳受到压应力，当结晶器向下运动的速度最大 时，初始凝壳所受的压应力最大。 因此在保证负滑脱期间对初始凝壳必要的压缩作用的同时，可以大幅度降低正 滑脱期间因结晶器摩擦阻力引起的初始凝壳的拉应力，这对防止高速连铸时初生坯 壳的拉裂、减少粘结性漏钢以及提高拉坯速度有着重要的作用。 矩形被扳动波形 厂 ? ? 5 梯形渡振动波形 正弦放掘磷玻移非正弦敢搓动波形 图2 振动波形的发展过程 f i g 2d e v e l o p m e mp r o c e s so f o s c i l l a t i o nw a v e 的m 1 2 3 振痕的形成与控制 关于振痕的形成机理存在着以下三种模型：“半弯月面”模型、“弯月面坯壳 一保护渣”模型、“弯月面”模型。但是更多入都形成比较一致的认识是：“弯月 面坯壳一保护渣”模型。 在负滑脱期问结晶器向下运动的速度大于铸坯运动的速度，弯月面坯壳在保护 渣的正压力冲击或渣圈的作用下( 在液体渣层不足的情况_ f ，渣层中沿结晶器壁一 周所受冷却形成的渣圈，并随结晶器一起振动) 离开结晶器壁向内弯曲。在正滑动 期间保护渣的负压又把弯月面坯壳部分地拉回结晶器壁，形成“凹陷型振痕”。如 果弯月面坯壳刚度较大( 由于较低的过热度或碳含量很低) ，坯壳的顶部不能向结 q 河北理工大学硕士学位论文 晶器壁弯曲，钢液便在其上溢流，从而形成“皮下钩型振痕”也称“指甲型振 痕”。如图3 所示。 图3 振痕示意图 f 螗3 伪c i h a 舡o n m 砒 结晶器的振动直接与结晶器、保护渣和出生坯壳相关。不同方式的振动将对铸 坯和结晶器之间的拉坯阻力、保护渣消耗量、坯壳生长情况产生不同的影响1 9 】，从 而得到不同的铸坯表面不同的振痕深度、振痕形状、以及均匀性，甚至还会产生不 同的表面夹杂物数量、表面横裂纹等 1 叭，如图4 、图5 所示。 大量的文献已经对结晶器振动和保护渣耗量的关系进行了研究，结果表明，振 痕深度由负滑脱时间控制，保护渣耗量由正滑脱时间控制。对于一定的钢种保护渣 耗量是振动频率的减函数，是波形偏斜率的增函数，是振幅的增函数，是保护渣粘 度的减函数。 文献【1 1 】研究指出，通过采用高频振动结晶器，振痕深度和指甲状振痕减少到 原来的1 3 ，横裂纹和纵裂纹有明显减少。当振动频率从8 0 一1 2 0 c p m 提高到2 0 0 一 3 0 0 c p m 时，p 元素的正偏析明显减少。 日本川崎制铁千叶厂对采用高频小振幅振动浇注不锈钢铸坯窄边坯壳取样，对 指甲状坯壳的发生率及指甲状坯壳的深度进行了分析检验。千叶厂实验研究结果表 明提高振动频率可以十分有效地减少指甲状坯壳的发生率和指甲状坯壳的深度。 1 0 1 文献综述 掘瘴媒庹( m ) 罔4 止滑脱时问对保护渣的消耗量的影响图5 振痕深度对角部裂纹的影响 f i g 4i n 门u e n c eo f p o s i t i v es t r i pt i m e o ns 1 8 9 ew a s 协g em a r ko nc o m e rc r a c k 1 2 4 结晶器内铸坯表面的润滑与最佳振动波形 结晶器的保护渣润滑是大多数企业采用的结晶器壁的润滑方式，保护渣除了作 为结晶器内壁和铸坯坯壳之问的润滑剂外，还具有绝热保温、阻隔空气、改善凝同 传热的作用。 在连铸过程中加入到结晶器的保护渣，要发挥上述各方面的作用，必须要求保 护渣有规定的熔化模式，也就是要求在钢水液面形成粉渣层一一烧结层一一液渣层 的i 层结构。 添加剑结晶器高温钢液( 1 5 0 0 左右) 面e 低熔点( 1 1 0 0 1 2 0 0 ) 的粉渣， 吸收钢液提供的热量，在钢液上形成了一定厚度的液渣覆盖层( 约1 0 1 5 m m ) ，使 钢水向粉渣层传热减慢，在液渣层上面的粉渣层受热作用，粉渣有互相烧结在一起 形成所谓的烧结层( 温度在6 0 0 9 0 0 ) ，在烧结层上嘶的粉渣接受钢水的传热更 少，温度低于5 0 0 ，所以保持粉状，均匀地覆盖存钢水液面卜，防止了钢水的散 热，并阻i 卜了空气中的各种气体进入钢水。 保护渣在结晶器中具有润滑作用，是由于保护渣的液渣层在受到结晶器壁的冷 却后首先沿结晶器壁一周形成一圈凝固渣皮，受到表面温度很高出生坯壳的作用， 将夹在凝固壳与结晶器壁之问的凝阎渣皮靠近凝固壳的一侧变为熔融状态的渣膜， 这样保护渣便旱现出润滑状态。 河北理工大学硕士学位论文 拉坯不断进行，液渣膜在自身的流动、结晶器壁的上下振动和向下拉坯的作用 下，连续地被带出结晶器，钢液上的液渣层不断地通过弯月面向下供给熔渣，相应 地分批向结晶器中添加新渣，这样保护渣不断地被消耗掉0 1 2 】。 在坯壳与液态渣膜之间相对运动产生液体摩擦力，在固态保护渣和结晶器壁之 间的相对运动产生固态摩擦力，由于操作条件不同，存不同的振动过程中液体摩擦 力和固体摩擦力的大小不一样，其中较小的一个起到关键作用。 当由于这种摩擦力产生的坯壳表面挣应力大于铸坯坯壳的抗拉强度极限时，坯 壳就会断裂，产生粘结型漏钢。距离弯月而距离z 处的坯壳拉应力用of 表示，它 与摩擦力f 、坯壳厚度d s 的关系式表示为【1 4 ： ， 口，= ( ，磁d ，( 3 ) 式巾： f 一学位面积上的摩擦力。2 c m 2 z - 一至弯月而的距离，c m 浇注时坯壳的of 与高温抗拉强度ob 的对应情况如图6 浇注时铸坯凝固壳所受 的拉应力与钢的高温强度比较图所示。 0 61 。01 41 苎2 2 v cm m - n 图6 凝壳所受的拉应力与钢的高温强度比较图 f j g 6c o m p a r ef i g u r eo f p u l l i n gs c r e s so f s 0 1 l d i f i c a t i o ns h e i lw h hh i g ht e m p e r a t l l r ei h t e n s i t yo f t e e l 从上图可以知道，当拉速超过1 8 珊，m i n 时，距离弯月面5 c m 处的of 大于o b ，因此铸坯可能产生粘结型断裂，而在z = 2 0 c m 处在图6 的拉速范围内of 永远不 会大丁ob ，因此不会产生断裂的危险。 1 2 。 l 文献综述 因此为了防止粘结型漏钢的危险，只需要改善紧挨着弯月面下面的润滑，即液 体润滑即町，为此必须做到： ( 1 ) 减少弯月面附近坯壳的拉应力。 合适的保护渣的物理特性：降低保护渣粘度、降低保护渣的熔点； 正滑动时间晕结晶器振动速度与拉坯速度之差减小； 负滑动时间里结晶器振动速度与拉坯速度之差较大； 增加保护渣膜厚度、提高保护渣消耗量、f 滑动时间增大1 5 1 。 ( 2 ) 对弯月面附近的坯壳施加压应力，亦即有合适的负滑动超前量。 根掘以上条件构造理想的最佳的振动模型一一菲正弦波形振动。 非正弦振动波形有以下三种： 三角形波 分段函数波形 整体函数波形 这三种波形的典型结晶器振动位移时问 l i 线和结晶器振动速度一时问瞌线如 图7 所示： h 2 羞 一h 2 ， 枣彭 彳1 时* - 浊 t m ；形7 窘踺艘形 正鞍一一三童放缺形 正裴一一分段丞教渡形、墓律西熬豉毋 放措 一一三角演渡搿 一一分段函数嵌i 眵 一一整体函数驶形 幽7 不同波形的位移一时间曲线和速度一时间曲线 f i g 7s - tc u n ea n dv tc u r v eo f d i 睑r e n c e o s c i l i a t l o nw a v e f 而m 1 3 河北理工大学硕士学位论文 由于结晶器和振动台质量比较大，二者之和一般都在几吨重，振动频率又较 高，因此在构造非正弦波形函数时除了必须使其具有最佳振动模型的全部特征外， 还应必须具备良好的动力学特性，也就是在开始运动和运动方向改变时由于速度的 瞬时突变不产生太大的加速度及相应的惯性力，使机械产生强烈冲击。因此选用分 段函数波形或整体函数波形。 1 3 研究内容 本课题就是以连铸结晶器的同步振动控制模型为研究对象，采用研究连铸结晶 器同步振动控制模型的参数计算软件为手段，优化出适合现场使用的同步振动控制 模型。 研究了构造非j f 弦振动波形函数的方法，并采用解析式精确地给出了非正弦振 动波形及其参数，依据所使用的振动波形，分析振动参数和工艺参数之间的相关性 和数学关系。 通过分析计算，依据冶炼钢种和保护渣性能等条件，为得到最佳表面质量的铸 坯建立正弦和非正弦振动”，厂、a 、口的自适应同步控制模型。 依据唐山贝氏体钢总厂的实际条件，利用开发的铸机结晶器振动同步控制模型 工艺参数计算软件计算实用的v ，一，、 、d 的自适应同步控制模型。 1 4 2 振动的波形及其工艺参数的研究 2 振动的波形及其工艺参数的研究 结晶器振动有利于防止初凝坯壳与结晶器发生粘结型漏钢。近年来连铸坯热送 热装轧制技术的发展不仅对连铸坯的表面质量提出了更高的要求，而且还要求连铸 机的拉坯速度必须同高生产率的热轧机相适应，要求在高拉速条件下生产出高质量 的铸坯。实践证明，高频振动和高速浇注都会造成结晶器保护渣消耗量的减小，使 得坯壳和结晶器之间的润滑性能变坏，摩擦力增加，容易产生粘结型漏钢，由于振 动产生的拉应力时造成弯月面下初凝坯壳断裂与粘结漏钢的主要原因，而拉伸应力 是由坯壳与结晶器问摩擦阻力引起的。 在高速浇注下，为了将弯月面下初凝的薄弱坯壳顺利拉出，必须： 1 、在f 滑脱区尽可能降低作用在坯壳上的拉伸应力； 2 、在负滑脱区对坯壳施加足够大的压缩力； 3 、要有一个合适的保护渣消耗量，结晶器的振动方式应采用在正滑脱区结晶器 振动速度和拉坯速度差较小，在负滑脱区采用结晶器振动速度和拉坯速度差较大的 振动波形，减低负滑脱率或增大正滑脱时间。 在实际振动过程中，如何确定结晶器振动基本参数一一振幅s 、频率f 和波形 偏斜率n 是获得高质量的铸坯的关键所在，确定上述参数的主要原则是以获得合理 的工艺参数( 负滑脱时间t n 、负滑动率n s 、负滑动时间比率n s r 、负滑动超前量 n s a 、正滑动速度差v 、正滑动时间t p 、振痕间距o m s 等) 为前提，可以根据 工艺要求调节振幅、频率和波形偏斜率得到【l “。 我们将正弦振动视为非正弦振动波形偏斜率为l 的特例，这样无论正弦振动还 是非正弦振动都可以用一种方式进行讨论分析。通过调节不同的振动基本参数一一 振幅s 、频率f 和波形偏斜率a 使得振动工艺参数取值最优化【17 【1 8 l 。 本文研究的内容可以分为三个部分，一个是振动波形的研究，包括非正弦波形 的数学表达式，用以产生计算机控制系统的输入信号( 合适的波形要求冲击小，短 的负滑脱时间，有利于改进波形形状等) ；另一个是基本参数和工艺参数之间的关 系研究，通过参数优化选择合适的波形参数；第三个是建立参数同步控制模型。由 于在浇注过程种拉坯速度是根据工况变化而变化的，拉速的变化导致振动工艺参数 的改变必须相应改变基本振动参数，保证工况变化工艺参数仍在最优范围之中。 确定工艺参数的总的原则是应尽量减小铸坯表面振痕深度及改善结晶器和坯壳 之间的润滑，这便要求能够获得较小的负滑脱时间，较大的正滑脱