济钢板坯铸机结晶器振动参数计算的研究

1、2010年全国炼钢、连铸技术及生产年会 2010年3月29日31日2010年3月29日31日 2010年全国炼钢、连铸技术及生产年会 济钢板坯铸机结晶器振动参数计算的研究苗 刚 楚志宝 高龙永 牛宏波 常连增（济南钢铁股份有限公司第一炼钢厂，山东，济南，250101）【摘 要】本文通过对结晶器振动参数的计算模型进行解析，总结出结晶器振动参数的计算需要综合考虑振动机构、保护渣指标、铸坯质量及异常情况等方面的因素，并将以上思路和原则在济钢机械四偏心振动系统上进行了应用和验证，实践证明效果良好。【关键词】板坯铸机 结晶器 振动参数 振动系统 0.前言结晶器振动是连铸机可以连续浇注的基本条件，连铸工艺

2、也是在发明了结晶器振动技术以后才得以广泛推广的。结晶器振动的基础是结晶器振动发生装置，而振动系统的合理与否则是由振动系统的稳定性和振动参数的合理性所决定的，振动参数的合理与否，不但关系着连铸坯振痕深度的大小，也对铸机的粘结漏钢有着决定性的影响1，结晶器振动参数的计算是一项复杂的工作，它需要根据铸机自身装备水平和实际拉速、钢种等工况条件，综合考虑振痕深度、脱模效果、保护渣指标及异常浇注情况等因素。1.铸机概况表1 铸机设备的基本参数铸机机型R5.7/6.8/8.5/12/17/331400超低头板坯连铸机铸坯断面2001400 mm2结晶器长度784 mm工作拉速0.9-1.1 m/min最大拉

3、速1.15 m/min振动系统电机驱动机械四偏心系统振动波型正弦振动2.常用振动计算模型解析振幅、振频计算模型2.1.1 振程计算 h=C1+C2V （1）式中，h振程，mm；V铸机拉速，m/min；C1基本振程，mm，即拉速为零，振动启动时的振程；C2振程拉速调整因子，min；通常为正数，即拉速越快，振程越大；该式实现了振程的灵活调整，并可以同时兼顾拉速低和拉速高情况下的振程振频匹配，便于获得最佳振动参数；该式只适用于液压或电动缸振动系统，对于机械偏心振动，由于其振程无法实现连续在线调整，不适用。2.1.2 振频计算f=C3+C4*Vc+C5*V/2h （2）式中：f振频，cpm；C3基本振

4、频，cpm；即拉速为零，振动启动时的振频；C4振频拉速调整因子，1/mm；通常为负数，即拉速越快，振频越小；C5负滑动因子，起着调整振频并以此来达到保障负滑脱效果的目的，在负滑动可以满足要求的情况下通常取值为零；该振频计算模型使得振频的调整更加灵活，并且考虑了负滑动效果的调整。2.1.3 振程振频的综合考虑图1 振频、振幅与拉速的关系对比图 从计算式和图中均可以看出，拉速越快，振频越低，振程越大，这也是当今世界上实现液压振动以来结晶器振动普遍选择方式。其主要目的是在保证铸坯脱模效果的情况下尽量减少铸坯承受的摩擦力、剪切力，尽量减少如负滑动时间等关键振动参数的波动以提高振动系统的连续和稳定性。2

5、.2 振动周期振动周期是指结晶器每振动一次的时间，表达式如下： （3）T振动周期，秒； 振动周期反映的是振动的快慢，与振动频率一样，它受振动系统稳定性和振动关键参数合理性所制约；理论上在振幅不变的情况下，振频越快振痕越浅，但振动频率加快会提高结晶器振动的平均速度、最大速度和加速度等指标，对振动系统的冲击加大，这会影响到振动系统的稳定性；同时振动越快，关键振动参数如负滑动时间、负滑动位移量等也相应减小，铸坯承受的摩擦力、剪切力增加，这可能使得振动参数不合理。2.3 停滞时间停滞时间是指坯壳在结晶器内停留的时间，表达式如下： （4） 坯壳在结晶器内的停留时间，min；结晶器的有效长度，m； 它由结

6、晶器有效长度和铸机拉坯速度所决定，由凝固平方根定律可知，其影响的是出结晶器的坯壳厚度，也影响出结晶器坯壳的表面温度；负滑动时间、负滑动时间率2.4.1 负滑动时间负滑动时间是结晶器下振速度较之坯壳下行速度要快的时间，它表示的是坯壳脱模和焊合时间的长短，板坯铸机通常取值在0.15-0.20秒，其表达式如下： （5）负滑动时间，秒；振程，mm；负滑动时间越长，脱模效果越好，但振痕越深；负滑动时间越短，振痕越浅，但脱模效果越差；2.4.2 负滑动时间率负滑动时间率体现的是负滑动时间占振动时间的比例，通常负滑动时间在60%左右比较合适。 （6） 或 （7）2.5 导前量导前量，又叫负滑动位移量，是负滑

7、动时间里结晶器与铸坯间的相对位移，它是衡量结晶器振动脱模效果的重要指标之一，通常的取值是2-5mm. （8）或 （9） 导前量（负滑动位移量），mm；导前量越小，铸坯的振痕越浅，但脱模效果越差，导前量越大，铸坯脱模效果越好，但振痕越深，不利于横裂纹控制【2】。2.6 正滑动时间 （10）正滑动时间，秒；正滑动时间影响的是保护渣的下渣情况，正滑动时间越长，越有利于保护渣下渣，坯壳与结晶器之间的渣膜也越厚。负滑动率负滑动率是结晶器振动最大速度与拉坯速度之间比值关系，它影响着结晶器内液态渣膜与坯壳之间的剪切力，NS越大，剪切力越大，坯壳受到的摩擦力也越大。 结晶器的平均速度、结晶器振动的最大速度及结

8、晶器平均速度与拉坯速度之矢量差2.8.1 结晶器振动的平均速度 （11）2.8.2 结晶器振动的最大速度 （12）2.8.3 结晶器振动平均速度与拉坯速度的矢量差 （13）结晶器振动的平均速度，m/min；结晶器振动的最大速度，m/min；结晶器平均速度与拉坯速度之矢量差，m/min；无论是结晶器振动的平均速度、最大速度还是平均速度与拉坯速度的矢量差均反映的是结晶器振动速度的快慢，数值越大，说明结晶器振动的速度越大，对振动系统的冲击也越大，振动稳定性受到影响。 坯壳与液态渣膜的摩擦力 （14） 坯壳与结晶器的摩擦力，N/m2；保护渣的粘度，pa.s；结晶器与坯壳之间的渣膜厚度，mm；摩擦力越大

9、，坯壳越容易产生粘结缺陷。2.10 结晶器振动的加速度 （15）结晶器振动的加速度，m/s2；非正弦振动因子，=0.5时为正弦振动； 它是结晶器振动对系统冲击的重要判断依据，加速度越大，对系统冲击越大，它比以速度来判定更真实、直接。2.11 振痕深度 （16） （17） 铸坯振痕深度，mm；（式12适用于碳含量0.09%，式13适用于碳含量0.09%）； 钢水的固相线温度，； 由该计算式可以看出，铸坯的振痕深度与钢种（也就是钢种的固相线温度）、保护渣粘度、负滑动位移量、负滑动时间、振动周期、铸机拉速等因素有关。2.12 出结晶器坯壳厚度 （18） 结晶器的凝固系数；板坯铸机通常取19-22，m

10、m/min1/2;坯壳出结晶器的厚度，mm；出结晶器的坯壳厚度与结晶器铜板厚度、冷却强度、结晶器长度和拉坯速度有关，它影响的是出结晶器坯壳的表面温度；剪切力响应时间和坯壳的平均剪切力2.13.1 剪切力响应时间 （19）剪切力计算的响应时间，秒；剪切力响应时间主要受振幅、振频和拉速的影响，振幅越小，剪切力相应时间越大，振频、拉速越大，剪切力相应时间越小；坯壳平均剪切力 （20） 坯壳所受剪切力，N/m；由上式可以看出，振幅越小、振频、拉速越快、保护渣粘度越大则剪切力响应时间越大，摩擦力也越大。2.14 坯壳出结晶器表面温度 （21） 坯壳出结晶器的表面温度，；由此可见，铸坯出结晶器的坯壳温度受

11、钢种的固相线温度和坯壳厚度的影响；坯壳厚度越厚，铸坯出结晶器的表面温度越低；2.15 渣子的流动系数 （22）保护渣的流动系数；保护渣的熔化温度，；由此可见，保护渣的流动系数受坯壳的表面温度和保护渣的熔点所影响；2.16 负滑动铸坯位移、负滑动结晶器相对于铸坯位移和负滑动结晶器位移 （23）负滑动铸坯位移，mm；负滑动结晶器位移，mm；2.17 理论液渣厚度 （24）结晶器内最小液渣层厚度，mm；结晶器液面自动控制的最大波动值，mm；由此可见，最少液渣层厚度不但要满足结晶器液面波动幅度的需要，也要满足负滑动期间铸坯位移量的需要。2.18 铸坯振痕间距 （25）铸坯振痕间距，mm；由此可见拉速越

12、快，振频越慢，振痕间距越大。2.19 保护渣消耗量及渣膜厚度渣耗量 （26）保护渣的渣耗量，Kg/t；由此可见，保护渣的渣耗量与保护渣的流动系数（也就是铸坯坯壳表面温度和保护渣的熔点）、坯壳在结晶器内的停滞时间和坯壳与结晶器之间液渣内的剪切力有关。渣膜厚度 （27）保护渣的渣膜厚度，Kg/t；保护渣的熔点，Kg/t；由此可见，渣膜厚度与铸机拉速、保护渣的熔点、振程、结晶器的振动周期、正滑动时间有关。拉速越快，保护渣熔点越高、振动周期越长，保护渣渣膜越薄，振程越大、正滑动时间越长，渣膜越厚。3.振动参数计算和选择的综合分析结晶器振动参数的选择和计算是综合性的，他需要理论计算与生产实践相结合，主要

13、考察以下几个方面的指标要求： 坯壳脱模的要求脱模的要求是结晶器振动的基本要求，其作用是防止坯壳在结晶器内粘结；主要参考指标是负滑动时间、负滑动时间率、负滑动位移量、负滑动率、剪切力和摩擦力这几个指标；3.2 铸坯质量的要求振痕深度的要求主要是为了减轻振痕缺陷及与振痕伴生的夹杂、气泡和横裂等缺陷，其主要参考指标是负滑动时间、负滑动位移量、保护渣消耗量、振幅振频要求；3.3 保护渣消耗的要求振动参数还必须满足铸机有合适保护渣渣耗量的要求，合适保护渣渣耗量既是铸机防止粘结的需要，也是提高铸坯质量的需要，其主要参考指标是保护渣渣耗量的理论计算值，该值主要受坯壳的表面温度、保护渣的熔点、坯壳在结晶器内的

14、停留时间和坯壳与结晶器之间的剪切力影响。设备承受能力的要求结晶器振动动作是靠结晶器振动系统来实现的，振动系统的设计振频范围对振动参数的选择也非常重要，板坯铸机机械四偏心传动系统设计最大振频在160次左右，为了确保系统长时间运行稳定的需要，实际可用振频在140次以下，而液压振动的振频承受能力要大的多，往往能达到300-400次/min.因此，根据不同的系统承受能力，对振频、振幅的选择也是不一样的。实际对比中可以参考的指标是结晶器振动的平均速度、最大速度、加速度值等。3.5 异常操作的需要结晶器振动参数的计算往往是在正常条件下的理论值，但实际生产中往往会遇到铸机开浇、铸机换中间包、换水口、钢水粘敞

15、浇等异常情况，在异常情况下振动参数也必须满足生产要求。如铸机起步时振频不能太快，否则液面波动大，钢水容易溢出坯壳形成内漏。铸机在更换中包、换水口等异常情况有接头时，不但要求振频不能太快，而且还要求摩擦力不能太大否则容易接头漏钢；如低温高拉速条件下振频太快，不但影响设备的稳定性，由于拉速快坯壳薄强度低，而高振频条件下摩擦力还大，振动参数脱模不足，容易粘结甚至漏钢。4.济钢板坯铸机的振动参数计算值济钢一炼钢超低头板坯铸机的振动系统是电机驱动、机械四偏心振动系统，设计最高振频为160次/分，正常拉速1.0m/min。振动模型的设计综合考虑以上的四条振动参数计算原则，最终设计的结晶器振动参数为： 铸机

16、振幅：3.5mm由于传动系统是机械四偏心结构，振幅不可调，通过对比计算，选择振幅为固定值3.5mm。 铸机振频：f=70V+50 考虑到设备抗振动冲击能力和稳定性，结合实际生产过程中检测的谐振情况和振动参数的计算情况，选择铸机起步振动50次/min，并且设定当铸机拉速高于1m/min时，振频不再增加，仍保持120次/min。4.2 济钢板坯机械四偏心振动参数的计算值名称济钢板坯铸机振动参数计算值V0.300.400.600.800.901.00f71.078.092.0106.0113.0120.0h7.007.007.007.007.007.00T0.850.770.650.570.530.

17、502.331.751.170.880.780.700.370.330.260.220.200.19NSR87.785.080.877.776.475.3NSA5.024.634.053.643.483.340.470.440.390.350.330.31NS-231.3-173.0-114.7-85.5-75.8-68.00.991.091.291.481.581.681.291.491.892.282.482.68F0.070.070.070.070.070.07a0.050.060.080.110.120.14OMD0.790.550.350.270.240.22H33.629.123.

18、820.619.418.41.090.900.680.550.500.460.110.130.180.220.240.2646876410371161120112320.440.720.981.101.131.160.780.870.680.510.450.400.730.610.470.390.360.343.312.732.151.861.761.681.852.182.642.933.043.146.876.816.696.576.526.487.858.188.648.939.049.141.561.722.022.332.482.64OMS4.235.136.527.557.968.33从上表的计算值可以看出，在正常拉速1.0m/min的条件下，各振动相关参数均处于比较合理的范围值。该模型在线运行2年半，