（机械设计及理论专业论文）新型结晶器全板簧振动装置的设计与优化.pdf

摘要 摘要 高效连铸是钢铁冶金发展的必然趋势。而技术的进步才是根本的推动 力。本世纪我国加入世界贸易组织以后，钢铁产品市场竞争激烈，国内企 业为了加强竞争能力积极采取相关措施提高产品质量，降低制造成本。以 现有连铸机为基础避行现代化技术改造、提高生产效率，是连铸发展的可 行之路。由于高效连铸技术适用于现有连铸机的改造，具有投资省、见效 快、降低生产成本等优点，因而得到了普遍的重视和发展。 本文研究了连铸结晶器振动装置的发展和各种振动装置的特点，对适 合结晶器振动的非正弦振动波形进行了详细分析。从提高拉坯速度、改善 铸坯表面质量等方面来讲，实现结晶器的非正弦振动已经成为一种不可替 代的趋势。 在对结晶器振动波形、振动装置及板簧导向研究的基础上，设计了 种新型全板簧振动装置，采用全板簧进行振动导向，通过串接式板簧实现 结晶器的仿弧线运动。 从平行四连杆基本运动原理着手，推导了反向逆平行四连杆传动比函 数，研究了曲柄连杆共线时从动曲柄运动不确定性。并通过样机振动试验 对振动发生装置进行了改进。 结晶器振动装置的运动精度对铸坯的表面质量有很大影响。现有技术 普遍采用四偏心或四连杆振动机构实现仿弧运动从理论上讲运动精度能 够满足要求，但在实际使用中轴承的磨损对运动轨迹会产生很大的影响， 运动精度会大大超出理论值。通过建立机构模型、计算推导得出全板簧振 动装置仿弧误差的计算公式，在建立数学模型、选取优化方法后对振动机 构进行了优化设计达到了较高的振动精度，可以提高铸坯的质量和铸机 的生产率。 关键词连铸；结晶器：非正弦；逆平行四连杆机构；全板簧：优化设计 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t h i g h e f f i c i e n tc o n t i n u o u sc a s t i n gi sn e c e s s a r yd i r e c t i o no fs t e e lm e t n l u r g y a n dd e v e l o p i n gt e c h n o l o g yi st h eb a s ei m p e t u s m a r k e tc o m p e t i t i o nb e c a m e f u r i o u s ，m a n u f a c t u r e st o o k m e a s u r e s a g a i n s t t h e s i t u a t i o n 协i m p r o v eq u 如 哆o f p r o d u c t i o n sa n d r e d u c ec o s t b a s e do nt h ee a s t e r si ne x i s t e n c e ，t a k i n gm o d e m t e c h n o l o g yr e b u i l d i n g ，h e i g h t e n i n gp r o d u c t i o ne f f m i e n c 7 ，i st h er o u t ea b o u t d e v e l o p m e n t o fc o n t i n u o u s c a s t i n g t h et e c b _ n o l o g y o f h i g h e t t i c i e n t c o n t i n u o u sc a s t i n gi ss u i t a b l ef o rr e b u i l d i n gt h ec a s t e r sh e x i s t e n c e ，p r o v i 6 i n g w i t hl e s si n v e s t m e n t , t a k i n ge f f e c tr a p i d n e s s ，d e p r e s s i n gm a n u f a e t u r ec o s ta n d s oo n ，i so b t a i n e dg e n e r a lv a l u ea n dg r o w t h ed e v e l o p m e n to fo s c i l l a t o ri ss t u d i e d ，t h ef e a t u r e so fv a i l o u so s c i l l a t o r s a r ei n t r o d u c e d ，a n dt h en o n s i n o i d a lo s c i l l a t i o nw a v e f o n nt h a ti sf i tf o r o s c i l l a t i o no f m o u l di sp a r t i c u l a r l ya n a l y z e d i ti sat r e n dt h a tc a r l tr e p l a c eo f u s i n g n o n s i n u s o i d a lo s c i l l a t i o no f m o u l d b a s e do ns t u d y i n gt h eo s c i l l a t i o nw a v e f o r m ，t h eo s c i l l a t o ra n dt h el e a f s p r i n gg u i d a n c e ，af u l l y n e ww h o l e l e a fs p r i n go s c i l l a t o ri s d e s i g n e d t k o s c i l l a t i o ns y s t e mu s e sl e a fs p r i n gf o ro s c i l l a t i o ng u i d a n c e ，r e a l i z e do s c i l l a t i o n f o rm o l dt h r o u g hc a s c a d e dl e a f s p r i n g t h e e q u a t i o no fg u i d i n ga c c u r a c yf o rw h o l e l e a fs p r i n go s c i l l a t o ri s b u i l t o p t i m u m d e s i g no fo s c i l l a t o ri sa c c o m p l i s h e da f t e re s t a b l i s h i n gm a t h e m a t i c a l m o d e la n ds e l e c t i n go p t i m u m m e t h o d t h eo s c i l l a t o rc a nr e a c hh i g ho s c i l l a t i o n p r e c i s i o n ，i m p r o v e t h eq u a l i t yo f s t r a n da n di n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo f c a s t i n g 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 ；n o n s i n u s o i d a l ；o s c i l l a t i o nm e c h a n i s m w h o l e l e a f s p r i n g ；o p t i m u md e s i g n 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1连续铸钢技术的发展 钢水凝固成型有两种方法：传统的模铸法和连续铸钢法。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。是连接炼钢 和轧钢的中间环节，是炼钢厂的重要组成部分。连铸的出现从根本上改 变了一个世纪以来占统治地位的钢锭初轧工艺，为炼钢生产向连续化、 自动化方向的发展开辟了新的途径1 2 。 1 1 1 连续铸钢技术的发展历程 早在十九世纪中期美国人塞勒斯( 1 8 4 0 年) 、赖尼( 1 8 4 3 年) 和英国人贝 塞麦( 1 8 4 6 年) 就曾提出过连续浇注液体金属的初步设想，并用于低熔点有 色金属的浇铸：但类似现代连铸设备的建议是由美国人亚瑟( 1 8 8 6 年) 和德 国人戴伦( 1 8 8 7 年) 提出来的。他们的建议中包括有水冷的上下敞口的结晶 器、二次冷却段、引锭杆、夹辊和铸坯切割装置等设备，当时用于铜和铝 等有色金属的浇铸。 1 9 3 3 年德国人容汉斯建成第一台结晶器可以振动的连铸机，并用其浇 铸黄铜获得成功，后又用于铝合金的工业生产。结晶器振动的采用，不仅 可以提高浇注速度，而且使钢液的连铸生产成为可能，容汉斯因此成为现 代连铸技术的奠基人。 但连续铸钢步入工业生产阶段，应当归功于英国人哈里德提出的“负 滑脱( n e g a t i v es t r i p ) ”概念。在哈里德的负滑脱振动方式中，结晶器下振速 度比拉坯速度快，铸坯与结晶器壁间产生了相对运动，真正有效的防止了 铸坯与结晶器壁的粘结。使钢连续浇铸的关键性技术得以突破1 3 1 。 1 1 2 连续铸钢的优越性 连续铸钢与模铸的根本差别在于模铸是在间断的情况下，把一炉钢水 浇注成多根钢锭，脱模之后经初轧机开坯得到钢坯；而连铸是把一炉钢水 1 燕山大学工学硕士学位论文 连续地注入结晶器，得到无限长的铸坯，经切割届直接生产铸坯。基于这 一根本差别，连铸和模铸比较，就具有许多明显的优越性1 4 翻： ( 1 ) 简化了钢坯生产的工艺流程，节省大量投资，省去了模铸工艺中脱 模整模均热及初轧等工序，缩短了钢水到钢坯的周期时间。 ( 2 ) 提高了金属收褥率和成材率。连铸从根本上消除了模铸中注管和汤 道的残钢损失，提高了钢水收得率。同时省去了钢锭的保温帽，不需要切 除钢坯头部，成材率可提高1 0 - - 1 5 。 ( 3 ) 提高了钢坯质量。采用连铸方法时，可以根据不同的钢种，制定合 理的连铸工艺，控制铸坯的结晶过程。由于连铸冷却强度大，凝固快，所 以钢坯结构致密，机械性能提高。 ( 4 ) 改善劳动强度，提高劳动生产率，而且有助于铸钢生产的连续化和 自动化，为炼钢生产实现高产、优质、低消耗和低成本创造了有利条件。 ( 5 ) 节约能量消耗。采用连铸省去了钢锭均熟炉加热的燃料消耗，可减 少能量消耗四分之到二分之- - 到。 除上述突出优点外，连铸还有占地面积小、吨坯成本低等特点。因而 当连铸成功应用后，整个钢铁工业发生了巨大的变化。一方面铸锭车间、 均热炉和初轧机逐步为连铸机取代；另方面连铸的发展正改变着从炼钢 到轧钢的工艺流程。 1 1 3 连续铸钢技术的发展趋势 当前国内外连铸技术发展的主要趋势在于提高铸坯质量、节约能源、 提高连铸机的生产效率和降低设备投资( 9 】。 ( 1 ) “近终形浇铸( n e a r n e ts h a p e c a s t i n g ) t 协1 2 l ”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，漉程短，效率高，建设投 资少，生产成本低，受到世界钢铁界的高度重视。 ( 2 ) “连铸高质量钢1 1 3 - 15 】”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 2 第1 章绪论 加工过程，这是连铸技术向高水平发展的标志。 ( 3 ) “商效连铸技术【16 ，n l ，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 1 8 - 2 1 】都围绕展开，如高效结 晶技术，高质量保护渣技术，铸坯连续矫赢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1 2 ”。 1 2 结晶器振动技术的发展 结晶器是连铸机的心脏【2 3 】，只有保证其正常有效地工作，才能使连铸 这一整体过程体现出生机与活力。最初连铸机的结晶器是静止的，在拉坯 过程中坯壳与结晶器壁极易发生粘结，从而导致拉不动或者拉漏事故1 2 4 1 。 在随后的连铸发展过程中表明，正是结晶器振动技术的采用促进了连铸技 术的发展。下面分别对结晶器的振动波形、振动参数和振动装置的发展进 行综述。 1 2 1结晶器振动波形的发展 结晶器振动方式从发展历程看主要可归纳为【2 4 】：同步式振动( 矩形波振 动) 、负滑脱振动( 梯形波振动) 、正弦振动( 正弦波) 和非正弦振动( 非正弦波) 。 如图1 1 所示。 ( 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l 。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，可使拉裂的坯壳在下降阶段 得以愈合，其愈合时间大约占整个运动周期的7 5 ：然后结晶器以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太，因而在机构中会产生很大的 燕山大学工学硕士学位论文 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 都非常不利。 4 t 3 写 e 2 l 0 1 2 3 4 1 同步式振动2 煎滑脱振动 3 正弦波振动4 非正弦振动 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 ,2 , 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 t g 卜1 m o d eo f m o u l do s c i l l a t i o n ( 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，即前 文所定义的“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 1 ，此种振动模式也需由凸轮机构来实现，与同步振 动相仿，其在使用效果上的弱点依然存在。 4 第l 章绪论 ( 3 ) 正弦振动该振动曲线如图1 - 1 中曲线3 所示。这种振动方式的基 本出发点是：结晶器在整个运动过程中虽没有稳定速度阶段( 同步运动阶 段) ，但仍有- - + 段负滑动，因此具有脱模作用：由于速度是按正弦规律变 化的，其加速度必然按余弦规律变化，所以过度比较平稳，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t 2 5 之8 】； 另外，正弦振动可以通过偏心轴驱动来实现，它具有加工制造比较容易， 操作维护简单的特点；同时，既然结晶器与铸坯之间没有严格的速度关系， 就没有必要采用速度联锁系统，因而简化了驱动装置的控制，可完成交流 电机的变频控制。正弦振动简单明了、易于操作，因而受到广泛应用，振 动的参数选择也越来越合理。 以前的振动方式中，都要求较长的负滑动时间，因此早期的正弦振动 方式中，其振动频率一般较低。在正弦振动发展的过程中，人们引入了一 个口q 负滑脱时间的量来描述结晶器速度大于拉坯速度的这段运动过程。而 近年来，国内外学者的研究表明2 9 1 ：负滑脱时间是影响铸坯振痕深度、表 面质量的重要因素：采用较短的负滑脱时问将使铸坯的表面振痕变浅，有 利于获得较高的表面质量。同时国外一些发达国家已采用高频率、小振幅 振动和快速拉坯，以期提高连铸效率和改善铸坯表面质量【3 讲。这个负滑脱 时间的表达式为： 如= 等c o s 。去 ( 1 - 1 ) 式中孔负滑脱时间( s ) 耽拉坯速度( m r a i n ) 厂振动频率( r p m ) 娟幅( m m ) 由式( 1 1 ) 可以看出，负滑动时间n 将随着振动频率的减小及振幅的增 大而增大，但是一味追求高的振动频率和小的振幅会减少系统的稳定性， 增大铸坯与结晶器之间的摩擦f 3 1 3 。 由此可以看出，正弦振动的特性完全决定于其振幅和频率的数值，即 正弦振动只有两个相互独立的振动参数，变量少，其波形的调节能力就小， 5 燕山大学工学硕士学位论文 难以完全满足高速连铸的工艺要求，特别是对于那些易于粘结的钢种。此 外铸坯与结晶器之间豹润滑较差。为了提高铸坯表面质量，采用其有较长 的正滑动时间的非正弦振动方式。 f 4 1 非正弦振动如图1 1 中曲线4 所示。为了保证高速浇铸时，结晶 器内初生的坯壳不因摩擦力的增大而破坏，以及保证保护渣的良好填充性 和足够的消耗量，要求结晶器振动具备正滑动时间稍长；结晶器上升时使 坯壳与结晶器壁之间的相对速度小些，即上升速度稍慢些。欲满足上述条 件又要保持传统结晶器振动概念中的负滑脱时间内使结晶器对坯壳施加压 缩力，若再采用原来的正弦振动模式已难奏效。在此情况下，非正弦振动 方式获得了应用； 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( 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v m 与拉坯速度 您之间的速度差减小( 向上最大速度与之差) ，增加了保护渣的消耗量， 液态摩擦力减小，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 3 2 d 5 1 。 许多研究和实际操作都表明，非正弦振动确实可提高铸坯表面质量。 但采用非正弦振动要注意，振动加速度不能过大。否则结晶器会出现颤动 而影响铸坯表面质量，甚至影响连铸过程的顺利进行。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。 1 2 2 结晶器的振动参数 结晶器振动主要参数包括振幅、扳动频率、负淆脱时同。稚正弦振动 中还有振动波形偏斜率。 ( 1 ) 振幅和振动频率研究证明铸坯振痕深度随振幅的减小以及振动 频率的增加而减小1 3 6 】。即高频率小振幅振动。 ( 2 ) 负渭脱时间在负滑脱阶段，液态保护渣被吸入结晶器魂壁与坯壳 之间的间隙中，形成液态润滑膜，可防止粘模现象，从而避免因粘模而引 发的拉漏事故。此外在负滑脱阶段坯壳受到压应力作用，有利于坯壳微小 6 第1 章绪论 裂纹的愈合。但随着负滑脱时间的增加振痕深度也增加f 3 7 】。 ( 3 ) 振动波形偏斜率表示非正弦振动相对于正弦振动的改变程度。 1 2 3 结晶器振动装置的发展 结晶器对振动装置的技术要求包括：减少或避免铸坯与结晶器壁之间 不发生粘结，使铸坯形成良好的表面；振动机构的运动轨迹应尽可能与理 论轨迹相接近，不发生偏摆、晃动；铸坯在结晶器内形成的坯壳应与结晶 器壁有良好的接触，不要产生过大的气隙：振动速度的转变要缓和，不应 产生过大的加速度，以免造成冲击振动；设备发生事故时，要有防止设备 和电机过载的安全措施口】。 实现结晶器运动轨迹的振动装置有导轨式、长臂式、复合差动式、短 臂四连杆式和四偏心式等。由于导轨式、长臂式、复合差动式或因结构复 杂，或因使用中维修工作量大，或因使用寿命短等因素，已经很少在新建 的连铸机上使用p ”。四偏心振动台用于大板坯连铸机上，效果较好。目前 用在方坯连铸机上的振动形式，主要是短臂四连杆式，它的两个摆杆可以 装在连铸机的外弧侧，也可以装在内弧侧。设计精度可以不大于0 0 2 m i t t ， 能满足连铸生产工艺的要求，但由于滚动轴承在安装对轴承的间隙和轴承 的磨损，使用一段时间也会出现一定的晃动现象，特别是目前推行的小振 幅高频率振动方式，当频率大于2 0 0 r n i n 以上时，该结构的横向稳定就显 得不够。小振幅还使铰链的润滑变得困难，造成轴承磨损，从而引起振动 的不平稳。 传统采用的四偏心型和短臂四连杆型机构存在导问设计上的缺陷，即 由于磨损而产生不可控制的运动偏差。因此，出现了柔性体结晶器振动导 向机构板簧式结晶器振功系统，将四连杆型机构的上臂用弹簧钢板代 替的振动系统称做半板簧式结晶器振动装置，四连杆型机构全部用弹簧钢 板代替的振动系统称做全板簧式结晶器振动装置。板簧式结晶器振动系统 由于是无轴承的振动机构，基本无磨损。具有使用性g 稳定、运动精度离、 寿命长等优点口9 1 。 7 燕山大学工学硕士学位论文 1 3 本文研究的内容 本文通过对各种连铸机结晶器振动装置进行了深入研究设计了一种 新型串接式全板簧振动装置，采用全板簧进行振动导向，通过2 组串接板 簧实现结晶器仿弧振动。 建立了串接式全板簧振动机构的模型，推导得出振动装置仿弧误差的 计算公式，确立数学模型和选取优化方法后对振动机构进行了优化设计， 优化结果满足连铸机仿弧误差精度要求。 推导了反向平行四连杆的传动比函数i ( t ) ，分析了曲柄连秆共线时从动 曲柄运动的不稳定状态。 对肯4 造的样机进行了初步振动试验，针对反南平行四连杆非正弦振动 发生装置暴露的问题，提出了两点改进措施：将轴承座支承改为半箱体支 承，解决输入输出曲轴的平行度以及支承曲轴的安装精度；将用来克服平 行四连杆机构不确定状态的单齿啮合，由装配的销齿及齿槽改为整体加工 的渐开线齿和齿槽，从而避免装配误差带来的啮合冲击，保证了振动机构 运行的平稳性和可靠性。 8 第2 章连铸结晶器振动技术 第2 章连铸结晶器振动技术 结晶器进行有规律的往复振动可以防止拉坯时坯壳与结晶器粘结，同 时获得良好的铸坯质量。结晶器向上振动时，减少新生的坯壳与结晶器壁 产生粘结，以防止坯壳受到较大的应力，减少铸坯表面出现裂纹；当结晶 器向下运功时，借助结晶器壁与坯壳的摩擦，在坯壳上施加一定的压力， 愈合结晶器上升时拉出的裂痕。高效连铸对结晶器振动的要求是高频率、 小振幅、负滑脱时间不易太长以及正滑脱时间里振动速度与拉速之差减小， 合适的结晶器超前量”。 连铸结晶器振动技术主要包括振动装置和结晶器的振动方式，本章分 别对这两方面内容进行介绍，对结晶器的振动方式侧重于介绍结晶器非正 弦振动。 2 1 连铸结晶器振动装置 结晶器振动装置的主要功能是使结晶器按给定的振幅、频率和波形偏 斜特性沿连铸机外弧线运动。其目的是便于“脱模”，防止铸坯在凝固过程 中与结晶器铜壁发生粘结而出现粘挂、漏钢事故【4 0 1 。振动机构是振动装置 的核心，结晶器对振动机构的要求主要有两点；一个是使结晶器按一定的 速度规律振动；另一个是使结晶器准确地沿着一定的轨迹振动。因为在传 统的振动规律如梯形规律、正弦规律的条件下，满足后一个要求要比满足 前一个要求更为困难，所以振动机构一般都是以实现结晶器振动轨迹的方 法来称呼的【2 “。 振动装置的基本结构组成有振动框架( 或台架) 、振动发生装置、振动 缓冲装置、振动台导向装置、配水装置、安装定位装置和零号扇形段支座 等。结晶器振动装置的主要参数包括振幅、频率、非正弦振动曲线的波形 偏斜率、负滑动时间、振动行程、摆动偏差极限值、相位差以及驱动电机 功率等。 振动装置的关键技术有：高频率小振幅工艺的优化，达到最佳的负滑 q 燕山大学工学硕士学位论文 动时间，最佳的保护渣熔化润滑状态； 最小化以及弹簧钢板导向系统的优化： 要是监视摩擦力的变化【4 0 】。 2 1 1 结晶器振动机构的演变 振动缓冲力的优化；振动体质量的 结晶器振动状况动态监视系统，重 2 1 1l长臂振动机构最初结晶器安装在一个具有与铸机半径长度相 等的长臂上，长臂的回转中心轴位于铸机半径的圆，t s , 上( 图2 1 ) ，结晶器随 长臂一起振动。这种振动机构的振动轨迹在理论上是准确的。但由于振动 臂比较长，带来了许多机械上的困难，如加工制造误差，受热膨胀，受力 变形而使结晶器产生较大的振动轨迹误差。所以它只适用于圆弧半径较小 的连铸机上。 在连铸发展的初期这种机构被用于生产但随着连铸机圆弧半径的增 大而被其它振动机构所代替。不过，由于连铸技术的发展，近年来出现了 所谓“超低矮型”连铸机，该机型的基本圆弧半径较小，使得长臂振动机 构又重新获得了应用。 结晶器沿着精确的轨迹振动对于铸坯的润滑、传热及坯壳的生长和脱 模都十分有利1 。 图2 - 1 原始的长臂振动机构 f 培、2 r lo r i g i n a ll o n g a r f no s c ；, l l a t i o nm e c h a n i s m 2 1 1 2 导轨式振动机构这种振动机构可以实现弧线运动，也可以实现 直线运动。如图2 2 所示。由于导轨式振动机构避免了长振动臂，结构也 比较简单，因此早期应用较多。但是由于导轨不易获得充分润滑，又不易 保持清沽，受加工、安装影响产生较大误差，骺以磨损较严重。影喻运动 1 0 第2 章连铸结晶器振动技术 轨迹精度，因而逐渐被其它振动机构所代替。 虽然近年来导轨式振动机构又在罗可普连铸机上得到了应用，但是导 轨式振动机构所固有的缺点在生产中依旧暴露无遗，使一些生产厂家不得 不对其进行改造【2 4 1 。 图2 - 2 弧形导轨导向振动机构 f 电2 _ 2 a r ct r a c kg u i d i n go s c i l l a t i o nm e c h a n i s m 圈2 - 3 差动齿轮弧形振动机构 f 毽2 - 3 d i f f e r e m i a lg e a ra r c ：o s c i l l a t i o nm e c h a n i s m 2 1 1 3 差动齿轮振动机构差动齿轮振动机构是我国6 0 年代中期开发 并应用丁生产的弧线轨迹振动机构，如图2 - 3 所示。结晶器固定在由弹簧 7 支撑的振动框架1 上，用凸轮或偏心轮8 强迫框架下降，利用弹簧的反 力使其上升。振动框架的内、外弧侧面，装有齿条6 ，分别与节圆半径相 等的小齿轮2 、4 相啮合。装在小齿轮轴上的扇形齿轮3 及5 有不同的节圆 燕山大学工学硕士学位论文 半径，内弧侧的节圆半径较大，相互啮合的扇形齿轮3 及5 摆动时，就使 与其相连的两个小齿轮2 及4 产生不同的线速度。反应在振动框架两俩的 齿条上，其上下运动的线速度也不样，因而可使结晶器产生弧线运动， 由于它结构比较复杂，齿轮和导向件的磨损都易影响运动的精度等原因而 未能得到推广。但差动原理却在后来的四偏心机构上得到了应用【2 4 1 。 2 1 1 4 四连杆振动机构 四连杆振动机构是从国外发展起来的一种仿弧 形振动机构，它是一种双摇杆机构，它的两个摇杆可以装设在连铸机的内 弧佻，如图2 4 a 所示，也可装设在外弧侧，如图2 4 b 所示。两者的设计 原理都是基于瞬时转动中心原理。前者适用于小方坯连铸机，后者适用于 板坯连铸机，便于拆装二冷区的扇形段。当使两摇杆平行且等长时，该匹 连杆振动机构可用于直弧形或立式连铸机。 ( a ) 内弧四连杆( b ) 外弧四连杆 国i e f o u r - b a rl i n k a g e凹o u t e r f o u r - b a r l i n k a g e 图2 4 四连杆振动机构 埯“s h o r t a r m f o u r - b a rl i n k a g eo s c i l l a t i o nm e c h a n i s m 不论是装在铸机的内弧侧还是外弧侧，四连杆机构中的连杆在某一瞬 间的运动是绕瞬心的转动。因此，只要使两摇杆的延长线辐交于铸机的圆 弧中心，由于结晶器的振幅与圆弧半径相比很小，因此瞬心位置变化所造 成的运动轨迹误差很小。 一般在给定铸机圆弧半径、结晶器振幅及四连杆机构参数的合理约束 条件下，通过优化设计，能够馊扳坯连铸机结晶器振动误差厶r o 1 髓n ， 小方坯的r - 0 2 p ，故f ：2 i 0 9 ：( 2 。由此可知，由于 两椭圆齿轮的节点尸在中心线o i 0 2 上变化，使两轮的传动比1 1 2 和从动轮的 角速度：时刻在变化，故适当选择两椭圆轮的形状，就能馊其传动比满足 生产要求，但是在设计时应注意： 1 9 燕山大学工学硕士学位论文 图2 1 1 椭圆齿轮啮合 f i g 2 - 11 o v a lg e a re n g a g e m e n t 由于一对椭圆齿轮相啮合时，它们的节点，在中心线d ，o 】上变动，而 安装后轴线位置0 l 和0 2 是固定不变的，因此不管节点p 如何变化，在每 一瞬时的传动半径和r 2 之和应恒等于两轴中心距a ，即： + r 2 = o i p + 0 2 p = a ( 2 3 ) 一对椭圆齿轮的啮合节线为一对椭圆，如图2 ，! ! 所示，设两轮节线接 触于节点尸。当轮l 以0 5 ，转过角奶时，两轮节线改为在节点p7 相接触，轮 1 节线上所滚过的弧长为p 只，轮2 节线上对应滚过的弧长为飓，显然， p 只= p p 2 由于椭圆齿轮一般作连续回转运动，因此两轮的节线长度比应为 整数。 因椭圆齿轮的齿数必须是整数，它的节线长度与周节的比也应该是整 数，为了分析对椭圆齿轮机构的运动情况，必须先了解椭圆曲线的几何 性质，如图2 一1 2 所示，为两个形状完全招同的椭圆，其长轴为2 口，短轴 为2 6 ，丽椭圆的焦点分斜为o ，、互和0 2 、疋，两焦点间距离为2 c ，并取 焦点o 】和q 为两椭圆齿轮的回转中心。椭圆上任一点到两焦点距离之和 为常数且等于其长轴2 0 。椭圆上只点到焦点o ，和f 的距离之和为： 2 0 第2 章连铸结晶器振动技术 o 、只+ e 只= t + = 2 a = 常数 ( 2 - 4 ) 设p 为图2 一1 2 所示位置时两轮的节点，即在这瞬时两轮节线在p 点 接触，若自p 在两椭圆节线k 。和k ：上取弧长朋= 隅，那么当轮l 转过 角妒。时，轮1 上的置点将和轮2 上的只点在中心线o o ：上相接触，它们 传动半径之和为，l + ，2 。但由于两椭圆完全相同，故，2 = 和l e t = ，l ，。因此 只和只点啮合半径之和可写为： + = _ + 呓= 2 a = 常数 ( 2 5 ) 上式说明作纯滚动的两椭圆节线上任意两相应点在中心线上接触时， 传动半径之和恒为2 口，因此当椭圆的长轴已知后，其传动中心距应取为： 0 1 0 2 = 4 = 2 a ( 2 6 ) 幽 图2 1 2 椭圆曲线几何参数 f i g , 2 - 1 2 g e o m e t r i cp a r a m e t e r so f o v a lg e a rc h i v e 根据两椭圆齿轮啮合半径 和一的值可以求得传动比的变化规律。由 图2 1 2 ，在n o i e f 中，2 = r t 2 + ( 2 c ) 2 2 ( 2 c kc o s o l 因为+ 哇= 2 a ，2 = ，且令e = 三( e 表示椭圆偏心率，e 越大，椭 a 圆越扁平；p 越小，椭圆越接近于圆；8 = 0 时，两焦点距2 c = 0 ，椭圆变 为圆) ，并带入上面两个式子后得： 2 l 燕山大学工学硕士学位论文 _ ：坐掣 1 ：躲 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 上两式表明，主动轮每转过一定角度仍时，就有相应的一对啮合半径 ，【和_ 接触，从而可求得传动比f ：，。 1 2 1 3 寄2 三2 - 士! 二一 (29)12 + 2 一e c o s 1 0 ” 上式说明椭圆齿轮的传动比f ，和从动轮角速度d ，不是常数，它与椭圆 齿轮的几何参数偏心率e 有关，且为主动轮l 转角仍的函数。当主动 轮1 以彩，等速转动时，从动轮2 的角速度：( = i ：，q ) 从最大值变化到最 小值，然后又从最小值变化到最大值，而且偏心率e 愈大，从动轮角速度脚、 的变化也愈大，其最大值曲：和最小值：。之差也相应增大，因此偏心 率e 是椭圆齿轮传动的重要参数。传动比变化曲线如图2 1 3 所示。 。) 图2 - 1 3 椭圆齿轮传动比变化曲线 f i g 2 1 3 d r i v e nr a t i o sv a r i a t i o nc u r v eo f o v a lg e a r 2 2 结晶器振动方式 结晶器的振动方式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看每当结晶器采用了一 2 2 慨 兰吖， 兰托 地 生h ， 生 第2 章连铸结晶器振动技术 种新的比过去更为合理的振动方式时，都对连铸坯的浇铸、表面质量以及 拉坯速度的提高产生了重大的影响。 目前，正弦振动在连铸生产中广泛使用，随着连铸生产要求的提高， 从提高生产率和节能的目的出发，连铸发展一直在进行高速化( 浇铸、拉坯 等方面) 的努力。连铸拉速的提高，造成了结晶器向上振动时与铸坯间的相 对运动速度加大，特别是高频振动后此速度更大。由于拉速提高后结晶器 保护渣用量相对减少，又因为拉坏阻力与拉速成正比，这样坯壳与结晶器 壁之间发生粘结而导致漏钢的可能性增大。为了解决这个问题，开始采用 非正弦振动方式来克服正弦振动的不足。非正弦振动已被视为发展高效连 铸的关键技术。本节从分析结晶器的润滑机理入手，根据结晶器中摩擦力 的分布，提出高速浇铸时的结晶器最佳振动波形非正弦振动波形。 2 。2 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 4 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 面的为国态。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f ”，用下式来表示其大小： = 巩v 。一p c ) a 。( 2 - 1 0 ) 式中v 。一结晶器的速度，m r a i n v 一拉坯速度，m r a i n 理一液态保护渣膜的粘度，p a s d ，一液态保护渣膜的厚度，m 燕山大学工学硕士学位论文 谚三三 结 薯一钢永- 晶 尉 器 融， 筐 保护渣粉 烧结保护渣粉 糊状保护渣 铸坯凝壳 图2 一1 4 结晶器壁和铸坯凝壳之间的保护渣示意图 f i g 2 一1 4 s k e t c ho f f e n d e r g r o u n d - s l a g b e t w e e nc r y s t a l l i z e r a n dc a s t i n gs t r a n ds k u l l 当结晶器壁和固态保护渣之间产生相对运动时，这种固体与固体接触 产生的摩擦力称为“固体摩擦力疋”，用如下的式子来表示： 兀= h( 2 - 1 1 ) 式中日一钢水静压力，p a 玎。一固体摩擦系数 对于从弯月面到结晶器出口的各个位置，根据操作条 牛( 铸造速度、结 晶器振动条件、保护渣物性) 计算固体摩擦力和液体摩擦力的大小，据此来 判断是液体润滑还是固体润滑起支配作用。显然这里应该是较小的摩擦力 起支配作用，并作为该处的摩擦力。 2 2 2 结晶器中摩擦力的分布 根据结晶器润滑机理可以把液体摩擦力和固体摩擦力作为弯月面某一 距离的函数来计算。结晶器采用正弦振动时其计算结果如图2 - 1 5 所示。 液体摩擦力的最大值( 曲线a 和b ) 呈现于振动周期内最大相对速度的时候， 如图2 - 1 3 中的两条曲线。当相对速度等于零时，( v 。= v 。) ，液体摩擦力 ，= 0 ，因此在一个振动周期中液体摩擦力在两条曲线a 和b 之间变化。 第2 章连铸结晶器振动技术 负滑动期间的相对速度比正滑动期间的小，因此负滑动期间的液体的摩擦 力绝对值较小。 至弯月面距离c m 图2 - 1 5 结晶器内液体保护渣摩擦力和固体保护渣摩擦力的分布 f i g 2 1 5 d i s t r i b u t i o n f o r 行i c t i o n f o r c eo f l i q u i da n d s o l i d f e n d e r g r o u n d s l a g s 固体摩擦力是由两条直线疋表示的。由图2 1 5 可以看出液体润滑在 结晶器的上部起支配作用，而在结晶器下部固体摩擦力比最大的液体摩擦 力要小，因此在该部位固体润滑起支配作用。 2 2 3 高速浇铸时结晶器的最佳振动波形 在浇注时，凝壳因摩擦力而产生的拉应力大于铸坯凝壳的强度时，坯 壳就会断裂，这种断裂称为“粘结型断裂”。距弯月面距离为z 处的坯壳 拉应力仃，用表示，它与摩擦力，、坯壳厚度俄的关系用式( 2 3 ) 表示； z 盯r = i 。f d z d 。 ( 2 - 1 2 ) 4 0 4 名 佗 r蜷毒 燕山大学工学硕士学位论文 式中 厂一单位面积上的摩擦力，k g f f e m 2 ，取 兀中较小的一个 z 一至弯月面的距离，c m 浇注时坯壳的疗，与高温拉伸强度盯a 的对应情况如图2 - 1 6 所示。 叠 罨 o o v c m m i l l 图2 - 1 6 浇注时铸坯凝壳所受的拉应力与钢的高温强度比较图 f i g 2 - 1 6c o m p a r i s o ng r a p h i cb e t w e e n t e n s i l es t r e s so f c a s t i n g s t r a n da n d h i g ht e m p e r a t u r es t r e n g t ho f s t e e lw h i l ep o u r i n g 当拉速超过1 8m r a i n 时，距弯月面5c m 处的盯，大于仃日。因此，铸 坯可能产生粘结型断裂：而在弯月面稍低的位置( z = 2 0c m ) ，在图2 - 1 6 所 示的拉速范围内，盯，从不超过仃。铸坯不会有断裂的危险。 因此，在高速浇注时为防止铸坯产生粘结型拉漏，只需要改善结晶器 上部，特别是紧挨着弯月面下面的润滑情况，即液体润滑。为此，可根据 式( 2 1 ) 来建立高速铸造时结晶器的最佳振动波形。根据结晶器内保护渣润 滑机理的研究结果所得出的最佳振动模型如图2 1 7 所示【5 7 l 。 图2 1 7 给出最佳振动波形的产生原理。从图中可以看出，在高速浇注 时要避免拉漏、减小振痕深度，保证铸坯质量必须满足下面三个条件：减 少弯月面附近坯壳的拉应力：对弯月面附近的坯壳施加压力：适当选取负 2 6 第2 章连铸结晶器振动技术 滑动时间。 v 。，一结晶器振速k 一拉坯速度砟一保护渣熔点 t t , - 正滑动时间n s r = i n ( v 2 ) q 一保护渣消耗量 巩一保护渣膜厚度n s r 一负滑动量r 一保护渣粘度 v ，- - o s c i l l a t i o no f m o u l dr e - - v e l o c i t yf o rd r a g g i n g b i l l e t 野- - m e l t i n g p o i n t o f f e n d e rs t a g0 一p h i v es l i d e t i m e n s r = t n ( r 2 ) q a m o u n t l ! s c d o f f e n d e rs l a g d | - - t h i c k n e s so f f e n d e rs l a gn s r - - n e g a t i v es l i d ea m o u n t ”- - v i s c o s i t y o f f e n d e rs l a g 图2 1 7 最佳振动模型 f i g 2 - 170 p t i m u m o s c i l l a t i o nm o d e 为了同时满足以上两个条件提出了结晶器最佳振动波形非正弦振 动波形，如图2 1 8 所示。非正弦振动具有以下特点【5 8 】： ( 1 ) 在正滑动时间里结晶器振动速度v 。与拉坯速度v 。之差减小。因此， 作用在弯月面下坯壳的拉应力减小。 ( 2 ) 在负滑动时间里与v 。之差较大，因此作用于坯壳上的压力增大， 有利于铸坯脱模。 2 7 燕山大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 负滑动时间短，铸坯表面振痕浅。 彩。 三 l2 3 4 5 7 ；心 ( a ) 位移盏线 ( a ) d i s p l a c e m e n t c u r v e s 季弧。厢等。 ；1 4 s 6， v 叱 ( b ) v e l o c i t y c u f v e s 图2 1 8 正弦与非正弦振动波形的比较 f i g 2 1 8c o m p a r i s o no f s i n u s o i d a la n