（材料加工工程专业论文）连铸结晶器摩擦行为的检测方法及其特性研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 结晶器摩擦力( m d f ，m o u l df r i c t i o n ) 是反映坯壳与结晶器润滑状况的重要参数，不仅 对铸坯的表面质量及连铸生产的顺行具有重要影响，而且在评价保护渣润滑效果、漏钢 预报和铸坯质量在线监控等方面有着巨大的应用潜力。结晶器振动在连铸生产中具有重 要的作用，而液压振动是近年来被开发并逐渐推广应用的结晶器振动驱动方式。随着液 压振动技术的发展，深入研究液压振动下结晶器与铸坯间的摩擦力检测方法及其摩擦特 性，对进一步提高拉坯速度、确保铸坯质量及预防漏钢等事故的发生，有重要的理论和 实践意义。 本文旨在研究结晶器与铸坯表面摩擦行为的检测方法与摩擦特性。为此，以板坯连 铸结晶器液压振动装置为研究对象，开发了两种检测方法：检测瞬态m d f 的压力法和 检测平均m d f 的摩擦功法，对结晶器内摩擦行为开展系统的试验研究，并对m d f 的 时域和频域特性及其影响因素进行分析。试验是通过检测结晶器液压振动装置的位移、 压力等参数，建立相应的计算模型来实现m d f 的检测。同时利用振动位移和压力信号， 对结晶器振动状态进行了检测与评价。 首先，通过对结晶器液压振动系统液压缸位移、压力等振动状态相关参数的检测与 计算，探索了结晶器振动状态的检测与评价方法。分析了位移偏差和相位差随振动频率、 振幅和偏斜角度等振动参数变化的规律，同时对液压缸输出力的同步性以及动态特性等 进行了讨论。结果表明结晶器液压振动装置具有较高的振动精度，为m d f 的准确检测 与计算提供了研究基础。 其次，依据液压振动装置的振动特点，对结晶器振动的受力状态进行了分析，建立 了结晶器振动受力模型，确立了压力法测量瞬态摩擦力的理论基础和总体思路。以上述 工作为基础，现场检测了铸机在实际浇注过程中结晶器与铸坯间的摩擦状况，讨论了瞬 态摩擦力的周期变化规律及特点，并对不同振动方式、控制模型及正常与异常浇注状况 下的摩擦力检测结果进行了对比和分析，从而为连铸结晶器摩擦行为瞬态特性的研究提 供了试验依据。 再次，基于结晶器振动系统的受力分析及正弦振动的特点，建立了表征结晶器内总 体摩擦行为摩擦功法的理论模型，并借助人工神经元网络预测振动装置的等效阻 尼，确立了检测和计算结晶器内平均摩擦行为的思路。以摩擦功法检测的摩擦力数据为 基础，分析讨论振动同步性、振动方式及不同工况条件下的检测结果，对摩擦力的平均 特性进行了分析和讨论。 连铸结晶器摩擦行为的检测方法及其特性研究 最后，依据压力法得到的瞬态摩擦力数据，采用傅立叶分析方法，利用频谱分析将 摩擦力时域信号变换至频域，得到瞬态摩擦力的功率谱，通过分析摩擦力信号在频域中 的基频和谐频以及它们的幅值状况，讨论了连铸生产过程中结晶器摩擦力的频域特性， 同时采用傅立叶分析方法对液压振动装置的振动状态及动态特性进行了初步探讨。结果 显示，摩擦力的频域特性对工艺参数的改变反映敏感，能够反映结晶器与铸坯间的润滑 状况，为结晶器在线监测技术的开发和应用提供了新的思路。 关键词：连铸；结晶器摩擦力；检测方法；液压振动；频域特性 大连理工大学博士学位论文 s t u d y o nm e a s u r i n gm e t h o da n dc h a r a c t e r i s t i c so ff r i c t i o nb e h a v i o ri n c o n t i n u o u sc a s t i n gm o u l d a b s tr a c t t h em o u l df r i c t i o ni st h ei m p o r t a n tf a c t o rt or e f l e c tt h el u b r i c a t i o nc o n d i t i o nb e t w e e nt h e m o u l da n ds t r a n d ，w h i c hn o to n l yi n f l u e n c e st h es u r f a c eq u a l i t yo fs l a ba n dt h es t a b l e p r o d u c t i o n ，b u ta l s oh a st h eg r e a ta p p l i c a t i o np o t e n t i a lo ne s t i m a t i n gt h el u b r i c a t i o ne f f e c to f p o w d e r s ，p r e d i c t i n gt h eb r e a k o u ta n di m p r o v i n gt h es l a bq u a l i t y 。m o u l do s c i l l a t i o np l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei nt h ec o n t i n u o u sc a s t i n g i nr e c e n ty e a r s ，t h eh y d r a u l i co s c i l l a t i o ni sd e v e l o p e d a n dh a sb e e nw i d e l ya p p l i e da sad r i v e ne q u i p m e n to fm o u l do s c i l l a t i o n w i t ht h e d e v e l o p m e n to fh y d r a u l i co s c i l l a t i o n t h er e s e a r c ho nt h em d f m e a s u r e m e n tm e t h o d sa n dt h e f r i c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c sw i t hh y d r a u l i co s c i l l a t o r sh a st h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a li m p o r t a n c ef o r f u r t h e ri m p r o v i n gt h ec a s t i n gs p e e d ，i n s u r i n gt h es l a bq u a l i t ya n dp r e v e n t i n gt h eb r e a k o u t t h ea i mo ft h ed i s s e r t a t i o ni st os t u d yt h em e a s u r i n gm e t h o da n dc h a r a c t e rt h em o u l d f r i c t i o n a lb e h a v i o rb e t w e e nt h es t r a n ds u r f a c ea n dm o u l d w i t ht h eh y d r a u l i co s c i l l a t o ro f c o n t i n u o u ss l a bc a s t e rt w om e a s u r i n gm e t h o d so fm d fh a v eb e e nd e v e l o p e d ：p r e s s u r e m e t h o df o rd e t e c t i n gt h et r a n s i e n tm d fa n df r i c t i o n a lw o r km e t h o df o ra v e r a g em d f 耶k s y s t e m a t i c a le x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n sf o rf r i c t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c si nt h em o u l dh a v e b e e n a n a l y z e di nt e r m so ft i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i n ，a sw e l la st h e i ri n f l u e n c i n gf a c t o r s t h em d fm e a s u r e m e n ti sr e a l i z e db yd e t e c t i n gt h ed i s p l a c e m e n t sa n dp r e s s u r e so ft h e h y d r a u l i co s c i l l a t o r sa n dt h ec a l c u l a t i n gm o d e li sd e v e l o p e d m e a n w h i l e ，t h es a m em e a s u r i n g s i g n a l s ：d i s p l a c e m e n ta n dp r e s s u r ea r eu s e dt om e a s u r ea n de s t i m a t et h eo s c i l l a t i o ns t a t eo f h y d r a u l i co s c i l l a t o r f i r s t l y , t h r o u g hm e a s u r i n ga n dc a l c u l a t i n gt h eh y d r a u l i cc y l i n d e rd i s p l a c e m e n t ，p r e s s u r e a n do t h e rp a r a m e t e r s ，t h ed i s s e r t a t i o nt r i e st oe x p l o r et h em e t h o dt od e t e c ta n de s t i m a t et h e o s c i l l a t i o no fh y d r a u l i co s c i l l a t o r t h ev a r i a t i o n so fd i s p l a c e m e n td i f f e r e n c e s ，p h a s e d i f f e r e n c e sa r ea n a l y z e dw i t hv a r i o u sf r e q u e n c y ，a m p l i t u d ea n dd e v i a t i o na n g l e e s p e c i a l l y , t h es y n c h r o n i z a t i o na n dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed r i v i n gf o r c eo fl e f ta n dr i g h t c y l i n d e r sa r ee v a l u a t e d t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h eh y d r a u l i co s c i l l a t o r sh a v eh i g ho s c i l l a t i n g p r e c i s i o n w h i c hp r o v i d e st h ef o u n d a t i o nf o rt h ea c c u r a t ed e t e c t i o na n dc a l c u l a t i o no fm d f s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h eo s c i l l a t i o nc h a r a c t e r so ft h eh y d r a u l i co s c i l l a t o r , t h el o a d i n g s t a t eo fm o u l di sa n a l y z e d t h el o a d i n gm o d e li sb u i l ta n dt h et h e o r e t i c a lb a s i sa n dt h eg e n e r a l i d e ao fp r e s s u r em e t h o da r ed e t e r m i n e dt od e t e c tt h et r a n s i e n tf r i c t i o n b a s e do nt h ew o r k a b o v e t h er e a lf r i c t i o ns t a t u sb e t w e e nt h em o u l da n ds l a bi sd e t e c t e di nap l a n tt r i a l t h e 连铸结晶器摩擦行为的检测方法及其特性研究 p e r i o d i c a lv a r i a t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fm o u l df r i c t i o na r er e s e a r c h e d i na d d i t i o n , t h e r e s u l t so ft r a n s i e n tm d fa l ec o m p a r e da n da n a l y z e du n d e rd i f f e r e n to s c i l l a t i o nm o d e s ， c o n t r o lm o d e l sa sw e l la st h en o r m a la n dt h ea b n o r m a lc o n d i t i o n s t h i ss t u d yp r o v i d e st h e e x p e r i m e n t a lb a s i sf o rt h et r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c so fm o u l df r i c t i o n m r d l y , b a s e do nt h el o a d i n ga n a l y s e so fm o u l do s c i l l a t o ra n dt h ec h a r a c t e r so f s i n u s o i d a lm o d e t h et h e o r e t i c a lm o d e lf o rf r i c t i o n a lw o r km e t h o di sb u i l tt oc h a r a c t e r i z et h e w h o l ef r i c t i o n a lb e h a v i o ri nm o u l d w i t ht h eh e l po fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k , t h ee q u i v a l e n t d a m p i n go fo s c i l l a t i o ni sf o r e c a s t e da n dt h et h o u g h ti se s t a b l i s h e dt od e t e c ta n dc a l c u l a t et h e a v e r a g em d f a c c o r d i n gt ot h em o n i t o r e dd a t ao fa v e r a g em d f ，t h ee f f e c t so fo s c i l l a t i o n s y n c h r o n i z a t i o no nm d fa r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e da sw e l la st h ed i f f e r e n to s c i l l a t i o nm o d e s a n do t h e rc o n d i t i o n s f u r t h e r , t h ea v e r a g ec h a r a c t e r so fm d fa r es t u d i e d f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h et r a n s i e n tm d fd a t ab yp r e s s u r em e t h o d ，u s i n gf a s tf o u r i e r t r a n s f o r m a t i o n ( f f t ) a n a l y s i s ，m d fi nt h et i m ed o m a i ni st r a n s f o r m e di n t ot h es i g n a li n f r e q u e n c yd o m a i nw i t ht h eh e l po ff r e q u e n c ys p e c t r a la n a l y s i s t h ef u n d a m e n t a lf r e q u e n c y a n dh a r m o n i cf r e q u e n c ya sw e l la st h ea m p l i t u d e so fm d fs i g n a li nt h ef r e q u e n c yd o m a i na r e i n v e s t i g a t e da n dt h ef r e q u e n c yd o m a i nc h a r a c t e r i s t i c so fm d fa r ed i s c u s s e d i na d d i t i o n ，b y u s i n g t h e f r e q u e n c y d o m a i n a n a l y z i n gm e t h o d , t h e o s c i l l a t i o ns t a t ea n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fh y d r a u l i co s c i l l a t o ra r ea l s os t u d i e dp r e l i m i n a r i l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so fm d fh a v eg o o ds e n s i t i v i t yo nt h ev a r i a t i o no ft h eo p e r a t i o n a l p a r a m e t e r sa n dc a r lr e f l e c tt h ea b n o r m a ll u b r i c a t i o ni n f o r m a t i o nb e t w e e ns t r a n da n dm o u l d t h es t u d yf o rt h ef r e q u e n c yd o m a i nc h a r a c t e r i s t i c so ff r i c t i o np r o v i d e san e wi d e af o ro n l i n e d e t e c t i o no fm d f k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n g ；m o u l df r i c t i o n ；m e a s u r i n gm e t h o d ；h y d r a u l i co s c i l l a t i o n ； f r e q u e n c yd o m a i nc h a r a c t e r i s t i c s i v 大连理工大学博士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 曼鱼 导师签名：6 盐主 日期：2 鲤2 年二蔓月望日 日期：埠年土月丛日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名：一 大连理工大学博士学位论文 1绪论 1 1引言 高效连铸是现代连铸技术进步的重要标志，确保连铸生产稳定顺行以及如何提高铸 坯质量成为连铸研究工作面临的两个重要任务【1 川。随着拉坯速度逐步提高，因为润滑 条件恶化和粘结所导致铸坯裂纹和漏钢等事故的比例不断上升，严重阻碍了高效连铸技 术的发展【4 别。结晶器是连铸机的关键部件，振动是结晶器工作的基本特征，对连铸技术 的发展起到重要的作用。实际生产中，振动系统发生故障或出现异常时，可能会导致铸 坯表面质量不良，严重时甚至导致漏钢【6 ，7 1 。因此，结晶器振动状态的检测与评价，对保 障连铸生产稳定高效运行具有重要的意义。 结晶器内发生复杂的热、力学行为，两者相互影响且密不可分。因此，结晶器内的 传热、力学行为的研究一直是连铸研究的核心内容和重要组成部分睁l o 】。迄今为止，国 内外在结晶器传热行为方面的研究比较充分，与之相比，结晶器摩擦行为的研究则相对 滞后【1 1 1 。结晶器摩擦力作为反映坯壳与结晶器润滑状况的重要参数，对于保护渣润滑效 果评价、结晶器锥度设计、工艺参数优化、漏钢预报和铸坯质量在线监控等方面有着重 要的作用【l2 j 。随着高速连铸技术的发展，保护渣消耗量的降低和铸坯表面质量等问题 日益突显，相关人员对摩擦力检测重要性的认识也不断加深，并成功开发出多种摩擦力 检测方法，在生产中发挥了良好作用。 由于已有结晶器摩擦力检测方法多集中于机械振动装置，而传统机械式振动装置存 在着结构复杂、振动方式单一、振幅调节困难、控制精度差等缺点，难以适应高效连铸 生产对结晶器振动的要求。液压振动技术是近年来被开发并逐渐推广应用的结晶器振动 新技术，很好地满足了高速连铸对结晶器振动控制的要求f 降1 6 】。由此，国内外相继展开 了液压振动下结晶器摩擦力检测的研究，目前，已能够实现液压振动条件下摩擦力的在 线连续测量，其中较典型的是奥钢联开发的专家系统【1 7 】，国内近期多部新建、改造的铸 机都匹配了上述系统，但因对摩擦力的测量原理缺乏了解，摩擦力的检测功能并未发挥 出应有的作用。开发液压振动装置下的摩擦力检测方法、进一步研究连铸结晶器摩擦行 为的特性成为研究者面临的新课题。 1 2 结晶器振动 结晶器是一个典型的热交换器，基本作用是将钢水的过热和凝固潜热导出并使其凝 固成型，结晶器的传热速率、均匀性和稳定性对铸坯的表面质量具有重要影响。因此结 晶器必须在传热、材质、结构等方面满足连铸工艺及其使用性能的要求f 1 8 - 2 。最早的连 连铸结晶器摩擦行为的检测方法及其特性研究 铸实践采用的是静止的结晶器，钢水浇入结晶器后，铸坯直接从结晶器下口拉出，在拉 坯过程中坯壳极易与结晶器壁发生粘结，使得连铸生产很难正常进行，因此静止不动的 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s i e g f l i d e j u n g h a r t s 开发了结晶器振动装置，并成功应用于有色金属的连铸。结晶器由静止变为振 动，引起了连铸工作者的广泛关注和兴趣，人们纷纷进行试验研究工作，对粘结性漏钢 机理进行了研究，发展了各种结晶器振动技术。 1 2 1 结晶器振动方式 ( 1 ) 矩形振动方式。最早出现的振动形式是矩形振动 2 2 - 2 4 1 ，也叫同步振动方式，如图 1 1 所示1 2 习。矩形振动减少了作用在铸坯上的摩擦力，漏钢事故明显减少，铸坯质量有 所改善，在连铸技术开发初期，矩形振动得到了广泛的应用。但其设备的加工、制造比 较复杂，结晶器振动机构和拉坯机构之间要进行严格的电气连锁；此外，在向下与向上 振动的转折处速度变化很快，会对振动机构产生很大的冲击力，非常不利于铸坯质量的 提高和设备的正常运转。矩形振动方式在当今工业生产中已不再使用。 图1 1 矩形及梯形振动方式速度曲线【2 5 】 f i g 1 1v e l o c i t yc t l r v e r so fr e c t a n g l em o d ea n dt r a p e z o i dm o d e ( 2 ) 梯形振动方式。随着负滑动理论的出到2 睨引，矩形振动方式被梯形振动方式所代 替，其示意图如图1 1 所示【2 5 】，梯形振动的出现使连铸的生产更加顺畅。采用梯形振动， 结晶器下降的速度稍大于拉坯速度，使凝固坯壳在结晶器下降过程中承受一定的压力， 有利于拉裂坯壳有效的愈合，同时更有利于脱模1 2 蹈o j 。在结晶器下降和上升的转折点， 速度的变化较矩形振动方式有所缓和，使运动的平稳性有所提高。但梯形振动方式在机 械、电气及使用效果上，仍存在与矩形振动相似的缺点，因此，梯形振动在当今工业生 产中同样不再被采用。 大连理工大学博士学位论文 ( 3 ) 正弦振动方式。正弦振动是现在广泛应用的一种振动方式【3 咕2 1 ，位移曲线如图 1 2 ( a ) 所示，速度曲线如图1 2 0 ) 所示。采用正弦振动方式时，存在一小段负滑脱时间， 具有脱模作用【3 孓3 5 1 。由于其加速度按正弦规律变化，过渡比较平稳，冲击较小，可以进 一步提高振动频率，以减轻铸坯表面振痕深度 3 6 - 3 9 】。此外，正弦振动可以通过偏心轴或 曲柄连杆来实现，其振动装置的加工制造比较容易，操作维护也相对简单：同时，结晶 器与铸坯之间没有严格的速度匹配关系，无须采用电气连锁系统，简化了驱动装置，可 用交流电机驱动。 ( 4 ) 非正弦振动方式。非正弦振动方式【4 叫3 】如图1 2 ( a ) 所示，图1 2 ( b ) 为其相应的速 度曲线。结晶器振动过程中，上升运动比下降运动时间长，即具有较长的正滑脱时间。 正滑脱时间里结晶器振动速度与拉坯速度之间速度差较小，与正弦振动方式相比，降低 了钢液与结晶器铜板间的摩擦力；同时，非正弦振动可使保护渣向出口方向扩展，有利 于保护渣向结晶器与凝固坯壳间的缝隙渗透，从而改善了润滑效果，提高了铸坯质量， 更有利于高拉速连铸技术的发展【l o 删】。非正弦振动方式以其自身的优势：已经被广泛 应用到连铸生产中，许多研究工作者对其振动波形函数的构造都进行了深入的研究：如 德国西马克【4 7 4 9 】；国内的李宪奎教授领导的课题组 5 0 - 5 3 1 等。 黯砌 ；n 拟 口 e 、， 圣 。6 旦 o o 1 0 o 0 5 奄协j n o n s l m f s o l d a i 、j o 1 5 0 0o 10 2 0 3 time(s)time(s) 图1 2 正弦和非正弦振动曲线示意图 f i g 1 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo fs i n u s o i d a lm o d ea n dn o n s i n u s o i d a lm o d e 一些学者也对非正弦振动方式下的结晶器摩擦力进行了检测和分析，结果显示：摩 擦力的变化规律与结晶器振动速度波形一致1 5 4 】：应用结晶器非正弦振动，不仅在负滑脱 4 2 o 2 一g量v苫。暑d口bi厶一q 连铸结晶器摩擦行为的检测方法及其特性研究 期间保证了初始坯壳受到压缩作用，又大幅度降低正滑脱期间的结晶器摩擦力，这对防 止高速连铸初始坯壳的拉裂、提高拉坯速度有重要意义【5 5 5 6 】。 1 2 2 结晶器控制模型 连铸生产中，拉坯速度随着工况条件的变化而变化。为能在不同的拉坯速度下获得 良好的工艺参数，确保脱模效果、铸坯表面质量及结晶器与铸坯之间的良好润滑，就要 使振动频率或振幅等参数随拉坯速度的变化而变化，这种拉速与频率的匹配关系即为结 晶器控制模型。控制模型的形式决定了获得的工艺参数，控制模型不同获得的工艺参数 也不同，为了满足不同生产实践的要求，目前已开发了多种结晶器振动控制模型1 5 7 枷】。 以下表述中：厂振动频率；v ，拉坯速度：a 和b 常数，a 0 ，b 0 ； h 振幅。 机械振动下，因振幅在线调节困难，一般使振动频率随拉坯速度变化而变化，振幅 只能停机调节，所以通常采用正向控制模型，也叫同步控制模型【6 1 , 6 2 。 ( 1 ) f = a v e ，该模型为图1 3 中的曲线a f 2 5 1 ，它是一条通过直角坐标系坐标原点的 射线，该模型曾广泛应用于国内外早期投产的连铸机，负滑脱率( 结晶器向下运动的平 均速度超过拉坯速度的值与拉坯速度的比值) 保持常数，因此铸坯表面振痕间距也保持 不变。但当拉坯速度较低时，振频的降低会导致负滑脱时间的增加，对铸坯表面质量不 利，无法同时满足铸坯表面质量及保护渣润滑条件的要求。 ( 2 ) 厂= a v c + b ，该模型是一条不通过坐标原点的斜线，如图1 3 中斜线b 所示【2 5 】。 该模型是厂= a v ，模型的改进，其主要特点是振频随拉速的变化比较平稳，在高拉速浇 注时具有更短且较为稳定的负滑脱时间，且正滑脱时间更长。 ( 3 ) 厂= b ，该模型是厂= a v ，+ b 控制模型a - - - o 时的一个特例，如图1 3 中的水平线c 所示【2 5 1 。该模型进一步减小了负滑脱时间的变化。对于各个不同的振动频率，振幅与拉 速的比值( h v 。) 均存在极限值，当这个比值小于极限值时，负滑脱时间等于零。 (4)f=一av+，如图13中的水平线d所示1251。即振动频率随拉速的增加而减小，e b 这种模型在机械振动实际生产中应用较少，也很难实现。 大连理工大学博士学位论文 吲m m i n l l 图1 3 机械振动下控制模型示意图 f i g 1 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo fm o u l dc o n t r o lm o d e lu n d e rt h em e c h a n i c a lo s c i l l a t i o n 液压振动系统下，由于振频及振幅可以在线灵活调整，更先进的控制模型被开发。 先进控制模型的应用，不仅进一步优化了工艺参数，改善了结晶器与铸坯间的润滑条件， 而且促进了高速连铸的进一步发展【6 3 舶】。 ( 1 ) 改进的同步控制模型。即在振频随着拉速上升而增大的同时，振幅呈降低趋势。 该模型除了具有原来同步控制模型的特点外，在拉速、振频升高时，降低的振幅可在一 定程度上减缓结晶器振动速度的增加，从而降低了结晶器与铸坯之间相对速度的增加幅 度，这对改善铸坯与结晶器之间的润滑情况具有积极的作用。 ( 2 ) 反向控制模型。即振动频率随拉速的增加而减小，而振幅呈上升的趋势。模型的 主要优点是负滑脱时间近似等于常数，正滑脱时间随着拉速的增加而增加。由此，可以 在整个浇注过程中获得良好、稳定的铸坯表面质量。由于保护渣的消耗量是正滑脱时间 的增函数，是拉坯速度的减函数，因此，可以在整个浇注过程中保持适宜的保护渣消耗 量，使坯壳在结晶器中获得良好的润滑。 1 3 结晶器振动状态的检测与评价 实际生产中，振动系统发生故障或振动状态出现异常时，可能会导致铸坯表面质量 不良【6 】，严重时甚至导致漏钢【1 6 , 6 7 1 。文献嘲1 对某生产线的漏钢事故进行了统计，全年1 7 次漏钢中粘结漏钢就有9 次，而在粘结漏钢产生的原因中，由于结晶器振动偏差而产生 的漏钢占了6 次，从数据结果足可以看出结晶器振动状况对连铸生产顺利进行的重要性。 检测与评价结晶器振动状态，对保障连铸生产稳定与高效运行具有重要的意义【7 1 。连铸 连铸结晶器摩擦行为的检测方法及其特性研究 机结晶器振动状态的检测分为离线与在线两种机制。离线检测一般用作安装与调试设备 的手段；在线监测则可随时掌握设备的运行状态，了解结晶器振动随拉速的变化规律及 各项偏差与拉速的关系，并可判断传动系统磨损、导向系统偏差等设备故障。 结晶器振动具有振动幅度小、振动频率低以及振动精度要求高等特点，加上工作环 境湿度大、温度高等不利条件，在线检测结晶器振动状态有一定难度。近年来，为了深 入了解结晶器的振动特性，开展了结晶器振动状态的离线测试与分析，从而掌握了结晶 器及振动台的振动特征，这对了解设备运行状态、判断设备故障、逐步实现设备预知维 修等具有积极的促进作用【6 9 7 0 1 。结晶器振动状态检测比较常见的方法，如文献【7 1 】中提到 的采用水准仪、框式水平仪、钢尺等设备对结晶器振动机构的精度进行离线测量，以此 来调整结晶器的振动偏差；除此之外还有应用位移变送器和加速度计的在线连续检测方 法，以及文献中提到的运用三轴加速度计和线性差动变压器( l i n e a rv a r i a b l ed i f f e r e n t i a l t r a n s f o r m e r ，简称l v d t ) 型传感器进行检测的方法【6 7 7 1 ，7 2 1 。 结晶器液压振动是近年来开发的先进技术，在世界各国的板坯连铸机振动装置上得 到普遍的应用1 7 3 】。目前，国内外对结晶器振动状态检测的研究工作已取得一些成果【7 钉8 1 ， 但已有结晶器振动状态的检测与分析工作多集中于机械振动装置，针对液压振动下结晶 器振动状态检测的研究相对较少，尚缺乏对液压系统振动状态和工作特性的了解。 1 4 结晶器内的摩擦行为 1 4 1 摩擦力的产生机理 结晶器摩擦力( m o u l df r i c t i o nf o r c e ，简称m d f ) 的形成机理比较复杂，它涉及钢液在 液相线附近的行为、连铸保护渣的成分、坯壳的形成等。流体润滑模型认为，保护渣的 存在状态决定了铸坯与结晶器之间的摩擦状态。通常认为结晶器内摩擦力来源于两个机 制5 6 ，7 9 。8 2 】：在结晶器上部，由于铸坯温度高，保护渣以液态形式存在，摩擦以流体润 滑和流体摩擦为主；当温度降低时，保护渣以固态形式存在，摩擦以固体库仑摩擦为 主 8 3 - 8 5 】，总的摩擦力为两者之和【8 5 郴】。 在结晶器上部，保护渣以液态形式存在，铸坯与结晶器间的摩擦以液体粘性摩擦为 主，可忽略钢液静压力的作用，利用牛顿粘性流动定律近似估算，产生的摩擦力为“液 体摩擦力石”，用式( 1 1 ) 表示1 8 9 舯】： 石= r t ( v 。一1 ，。) a a ，( 1 1 ) 其中： v 。结晶器的振动速度； 大连理工大学博士学位论文 ，拉坯速度： 1 液态保护渣膜的粘度： 4 液态保护渣膜的厚度； 4 润滑段面积。 在结晶器下部，保护渣以固态方式存在，铸坯与结晶器间的摩擦以固体库仑摩擦为 主，根据库仑定律，此摩擦力主要取决于钢液静压力、接触面积和摩擦系数，与拉坯速 度无关，产生的摩擦力为“固体( 库仑) 摩擦力丘，用式( 1 2 ) 表示： 丘= 租( 1 2 ) 其中： 日钢水静压力： ，7 。固体摩擦系数。 总的摩擦力( m d f ) 为液体摩擦力和固体摩擦力之和，即： m d f = 石+ 正( 1 3 ) 1 4 2 摩擦力的影响因素 实际上，影响结晶器摩擦力的因素很多，如拉速、保护渣、钢种、结晶器的几何形 状和磨损状况、振动条件、控制模型、铸坯尺寸、钢水的过热度、液面控制等众多因素， 以及冶金设备、操作条件等都会对结晶器摩擦力产生影响。 在连铸工艺中，保护渣直接作用在结晶器与铸坯上，其性能对结晶器摩擦力以及铸 坯的质量有着重要的影响【9 1 - 9 6 1 。一般认为，低熔化温度和粘度的保护渣，可以减小铸坯 所受到的液体摩擦力【9 7 】；液渣层越厚，摩擦力波动越d d 9 8 , 9 9 】。 碳含量是影响摩擦力的另一个重要因素1 吣1 0 。由于万一y 相变引起收缩而减少了 铸坯与结晶器的接触，使摩擦力值降低。碳含量低的情况下，结晶器摩擦力值高而且波 动大，高碳钢的摩擦力值低且稳定【1 0 2 , 1 0 3 1 。 钢水过热度对摩擦力也有一定的影响，随钢水过热度的降低，结晶器摩擦力会明显 升高【1 0 4 , 1 0 5 】，而且钢液温度降低时，摩擦力波动大。 液面波动会阻碍液态保护渣渗入结晶器与铸坯间，破坏液渣渗入的稳定性，稳定的 液面对应低的摩擦力【1 0 6 ，1 0 7 l 。众多的研究和实践证明，连铸板坯的质量缺陷多是由结晶 器内钢水凝固初期的液位波动引起的【1 0 8 , 1 0 9 1 。 连铸结晶器摩擦行为的检测方法及其特性研究 另外，当铸坯尺寸增加时，摩擦力值会增加；当结晶器锥度过大时，由于接触面积 的变化及铸坯的变形，摩擦力同样会有所增加；另外，钢水洁净时摩擦力相对较低，设 备安装精度低也将使摩擦力增大 1 1 0 , 1 1 1 】。 总之影响摩擦力的因素非常多，以上只是在生产实践和研究中总结出来的普遍规 律。除此之外，一些人为因素，如不稳定操作、更换中间罐、在线调宽、突然降速等也 可造成摩擦力的突变【l1 2 j 。 1 5 结晶器摩擦力的计算与检测 作为反映结晶器与铸坯间润滑状况的重要参数，摩擦力计算与检测的重要性很早就 受到关注，但由于生产中结晶器所处的特殊工况，摩擦力的计算与检测研究均发展缓慢， 随着高效连铸技术的发展，高拉速下铸坯质量和漏钢等问题日益凸现，通过摩擦力的计 算与检测来了解并控制结晶器内部的润滑状况，成为连铸研究工作的重点。 1 5 1结晶器内润滑行为的计算 国内，部分学者f 1 1 3 】采用经验公式计算的方法，近似以固体摩擦力替代结晶器摩擦 力，建立了包含摩擦系数并考虑铸坯规格及钢液密度的摩擦力计算公式。俞钢强4 】提 出了与摩擦力相同的结晶器内阻力的概念，同时还考虑了铸坯规格和钢液密度及液位高 度的影响，提出了铸坯在结晶器内整体阻力的计算公式，其计算公式中同样包含了摩擦 系数；姜时荣等人【1 1 5 】贝0 根据经验估计铸坯断面每米周长的阻力，对结晶器内总的摩擦 力大小进行了估算。 实际上，决定摩擦力的两个因素：铸坯与结晶器间正压力和摩擦系数都很难确定。 为了确定结晶器内局部摩擦力的状态，国内外采用了多种数值模拟计算方法1 3 6 , 1 1 6 - 1 2 0 】， 澄清和消除了许多关于润滑与摩擦的误解，为润滑行为研究的进一步深入奠定了基础。 在计算固态摩擦力时，由于摩擦系数的确定比较困难，系数往往根据经验取作o l 间经验值 8 5 , 1 2 1 , 1 2 2 】。也有文献【5 5 】提出可将摩擦系数表示成与工艺及振动参数相关的模型， 此种作法的优点是避免了简单地把摩擦系数认定为常数，是计算固体摩擦力的一种较为 严谨的思路，缺点是其中的系数确定起来较为困难，也增加了计算的复杂度。姚曼等 b 2 3 q 2 s 在计算摩擦力时考虑了固态摩擦力的影响。关于液态摩擦力的计算，一般可通过 液渣膜厚度、随温度变化的粘度以及结晶器铸坯的相对运动速度来获得。即由速度计 算公式计算液渣膜内速度的瞬态分布，根据速度分布获得剪切力，然后对剪切力进行积 分计算从而获得液渣的摩擦力。 m e n g 和t h o m a s 1 2 6 】采用有限差分法模拟了结晶器内部的传热以及保护渣的固、液 态润滑行为。结果显示保护渣的流动、结晶器锥度和安装条件对结晶器摩擦力有较大的 大连理工大学博士学位论文 影响，随保护渣消耗量的降低，固态摩擦逐渐占据主导作用，过大的固态摩擦极易诱发 产生铸坯表面裂纹。 张玉文、朱立光、朱苗勇1 1 9 , 1 2 7 , 1 2 8 1 等基于传热和粘性流体力学原理，建立了描述保 护渣和摩擦力的计算模型，用数值模拟的方法描述了结晶器内保护渣的润滑行为。在假 设结晶器与铸坯之间充满渣膜且渣膜内部的温度呈线性变化的前提下，利用经验公式计 算出铸坯和结晶器之间的间隙宽度，并根据温度分布和保护渣熔化温度计算液、固渣膜 的厚度，最终计算出摩擦力。吴夜明等人【1 2 9 】根据n a v i e r - s t o k e s 方程，以纵截面为对象， 建立了描述结晶器内保护渣作用的数学模型。许光明、崔建忠和常守威等人【”o 】则假设 结晶器内壁表面光洁，求出不同局部的摩擦力，获得了摩擦力的整体分布。 姚曼和尹合壁等人【l m l 提出了计算结晶器摩擦力的物理和数学模型，假设当铸坯表 面温度高于保护渣结晶温度时，与铸坯表面相接触的保护渣以液态存在，反之则以固态 存在【1 1 1 】。并在此基础上提出了针对板坯和圆坯的摩擦力计算模型，讨论了拉速、保护 渣、含碳量、板坯尺寸和振动参数等对摩擦力的影响。 由于结晶器内的情况十分复杂，在理论上，边界摩擦和边界润滑还是一个相对模糊 的研究区