结晶器正弦振动参数的取值限度及其与拉速的匹配关系

结品器正弦振动参数的取值限度及其与拉速的匹配关系张洪波(唐山钢铁集团公司)摘要：正、负滑脱时间是结晶器振动的两个主要工艺参数，负滑脱时间影响振痕深度，正滑脱时间影响保护渣消耗。为使结晶器振动取得最佳工艺效果，正、负滑脱时间应合理选择，由此结晶器正弦振动参数不仅具有一定的取值限度，而且还应与拉坯速度合理匹配。本文探讨了结晶器正弦振动振幅的取值限度和频率与拉速的最佳匹配关系。LimitationofparametersforsinusoidaloscillationandmatchingrelationbetweenoscillatoryparametersandcastingspeedZhangHongbo(TangshanIronandSteelGroupCompang)Abstract:Positiveandnegativestrippingtimearemainprocersparametersofmouldoscillation,negativestrippingtimehasagreatinfluenceonthedepthofoscillationmark,positivestrippingtimehasagreatinfluenceonpowderconsumption.Inordertoobtainthebestprocessresultofmouldoscillation,thevalueofpositivenegativestrippingtimeshouldbereasonable.Asaresult,theoscillatingparametersofmouldnotonlyshouldhavethedefiniterangeofvalue,butalsoshouldhavesuitdeterminginaccordancewithcastingspeed.Thispaperdiscussedthelitmitationofthestrokeforsinusoidalmouldoscillationandthebestmatchingrelationbetweenoscillatingfreguencyandcastingspeed.1前言结晶器振动的目的是防止结晶器铜壁与坯壳粘结而发生漏钢事故。在振动过程中会产生负滑脱运动，并在铸坯表面造成周期性振痕，从而影响铸坯质量。控制振痕深度和防止坯壳结晶粘结有一定的矛盾。常规连铸中，为减少振痕深度，振动参数多采用低振幅、高频率；高速连铸时，随拉速的提高，保护渣的消耗量和粘度、控制坯壳粘结也是主要内容。由此提出，在一定目标拉速和保证负滑脱运动的前提下，振动参数是否应有一定的取值限度。结晶器振动效果取决于振动参数，主要是正、负滑脱时间的取值，而振动参数与拉速的匹配关系是决定两者大小的关键因素。为得到负滑脱运动，振动参数应随拉速的提高而改变，同于振幅在连铸过程中难以随拉速连续变化，一般采用频率与拉速成正比的匹配关系，即f=KVC。式中K为固定的比例常数，大K值应用于常规连铸，小K值应用于高速连铸，不同的K值使频率与拉速的匹配关系仅适合于某一拉速区间。为使此匹配关系能适合铸机整个设计拉速范围，K值应合理选择。本文旨在探讨结晶器正弦振动参数的取值限度，及常数K的合理取值从而优化频率与拉速的匹配关系。2振动参数取值的确定正滑脱时间tp是结晶器振动两个主要工艺参数，其表达式如下：tn=60/nfcos-i(1000Vc/2nsf) (1)t=60/f[1-1/ncos-1(1000Vc/2nsf)] (2)式中tn—负滑脱时间，s；tp—正滑脱时间，s；S—振幅，mm；f—频率，s-1；Vc——拉速，m/min。试验及理论分析表明，保护渣消耗量和正滑脱时间成正比，与保护渣粘度成反比。振痕的形成可由“弯月面部分凝固理论”来解释。依此理论，振痕深度和负滑脱时间成正比，与保护渣粘度成反比。据上分析得出如下关系：d=k]Xtn/gQ=k2./式中d 振痕深度，mm；Q—保护渣消耗量，kg/m2；g—保护渣粘度，Pas；k1、k2_比例常数。可见，不能依靠调整保护渣性能来控制振痕深度和坯壳粘结，而要配合振动参数和合理选择才能达到，为此振动参数取值应遵循如下原则①tn>0，且tn平稳、变化小，并取值较小为好。②在稳定tn的前提下，tp取值较大为好。在正弦振动中，tn、tp互为增函数。为同时满足上述①和②两项要求，tn、tp取值都有一定限度，设N、M为两个限定值，则0<tnWNtAM由式(3)、(4)，N，M取值与保护渣性能有关，保护渣粘度低，N，M取值可较小，反之，N，M取值应较大。目前。负滑脱时间多取tnW0.1s［3］，即N=O.ls。由文献4中的数据，tpAO.ls可以满足高速连铸的工艺要求，因此可以确定M=O.ls。本文讨论中取N：M均为O.ls。3正弦振动参数取值的限度3.1负滑脱时间的分析负滑脱运动是控制连铸漏钢的条件之一，为此要求七〉0,由式(1)应有2nsf>1000Vc。定义振动参量Z=2S/Vc(mm•min/m)，则：Z-f>1000/n=318.31^320 (7)设定Z-f=K(KA320)，将其代入式(1)得：tn=60/nfcos-1(1000/n2f)=60Z/nKcos-1)1000/nK) (8)n据式(8)可做出不同Z值时的tn-f曲线，如图1所示。在此曲线中，有两个关键点f和fm。可以证明，f0<f<fm时时，tn是f的增函数；f>fm时，tn是f的减函数。当Z较大即大振幅或低拉速时，｛>f0较小，且tn较大变化非常剧烈极不稳定，此是f取值应避开区间［f0、fm］。随Z的减小，即小振幅或高拉速时，fm-f0逐渐增大，tn取值亦较小且变化更平稳;结果表明［4］，小Z值时f可在区间［f>f］中取值而对连铸过程无不利影响。即常规连m铸f取值为f>fm，高速连铸f取值为f0<fWfm。在高速连铸中，负滑动率NS做“低向”选择，其值最小可达+20%［4］。3.2振动参数的取值限度由式(8)也可做出不同f值时的tn-Z曲线，如图2所示。图中直线1为不同f时tn-Z曲线的包络线，其对应t「f曲线中的极值点fm，此时tn=tnm。由式(8)limtn=60/2f=30/f，当30/fW0.01，fA300c/min时，总有匚=0.1；的充分条件：这样高的频率在小Z值时，从结晶器振动角度看极不经济，不宜采用。由式(8)，直线1的方程为：TOC\o"1-5"\h\ztn=16.34/f=0.332 (9)由式(9)，当tW0.1s，得fA164.3c/min、ZW3(mm・min/m)，两者分别对应图2中fn和N点。可见当f、Z同时满足上述取值时总有tnW0.1s。这正是采用低振幅、高速频率的目的。若铸机最小拉速为Vcl，则由ZW3得：nSW1.5Vcl (10)式(10)给出了为使tnW0.1s，振幅取值的上限。即当fA164.3(min-1)、SW1.5Vcl时，可使tnW0.1s。将Z・f=K代入式(2)，得：t=60Z/K［1-1/ncos-1(1000/nK)］=60/f［1/ncos-1(1000/nK)］ (11)据式(11)可做出不同f值时的tp-Z曲线如图3所示。图中虚线对应tn取得极限值tpl。由式(11)，tpl方程为：tpl=0.192=60/f (12)由图3欲使tnA虬须tpl>M，则f<fm、Z>M'。取M=0.1，则由式(12)可得出f=60/M=60/0.1=600c/min，M'=M/0.19=0.1/0.19=0.53。即f<600c/min、Z>0.53是tA0.1s的必要条件。若铸机最大或目标拉速为VCA，则由Z>0.53得S>0.265Vca (13)即若使t>0.1s，必须有f<600(min-i)，S>0.265Vca。 *式(13)P给出了正弦振动振幅的最小取值限度。由前述分析，频率的最佳取值范围165〜600c/min，而振幅的最佳取值为0.265V%〜1.5Vcl。4频率与拉速匹配关系优化4.1比例系数K的取值分析为实现负滑脱振动，取频率与拉速的对应关系f=KVc。低拉速时以减少负滑脱时间，控制振痕深度为主；高拉速时以保证正滑脱时间，防止坯壳粘结为主。因此，低拉速时K取值较大，而高拉速时K取值区间，为使f=KV适合整个拉速范围应随拉速调整，这时cK不再是常数，而是一个比例系数或f=KVc的形状参数。由式(8)可得：TOC\o"1-5"\h\zZ=ntK/60[cos-1(1000/nK)]-1 ° (14)n由式(1)可得：Z=tK/60[1-1/ncos-1(1000/nK)]-1 (15)由式(14)(15)可分别做出等负滑脱及等正滑脱时间的K-Z曲线，如图4、图5所示。两图中K0=6000/n^318,对应tn=0；Km=1000/2.048^488，对应tn的极大值点。常规连铸K的取值范围为K>Km，高速连铸的取值范围为K0<K<Km。n图5中等正滑脱时间的K-Z曲线极近似于直线，且随；p=0.1s的K-Z曲线以下式为极限K=300Z (16)图5中B点的纵坐标K0，横坐标为式(13)表示的Z的最小值点，即Z=0.53，可见当K与Z按线性关系变化0寸，总可保证tp为一常数而与Z值无关。图4中当K>Km时，等负滑脱时间的K-Z曲线也近于直线，亦以式(6)所示直线为极限。由两图若以8点为端点做一直线且其斜率小于K=300Z的斜率，则当小Z值即高速连铸时，可保证tp>0.1s、tn<0.1s，当在大Z值即常规连铸时，tp、tn均较大。设所做曲线方程为： pnK=a+bZn (17)式中a、b一常数；n—30的实数。根据a、b、n的不同，式(17)可确定不同的K-Z关系，即确定不同的f-Vc匹配关系。4.2频率与拉速匹配关系的确定由Z・f=K可得：f=K/Z (18)将式(17)代入式(18)，得：f=a/Z+Bzn-1=b(2S/Vc)n-1+a/2SVc(19)当b=0时，式(19))Vc-0、f：+8，这种匹配关系连铸中不宜采用。当n<1时，随V增加，f增加较快，不利于高速连铸；当n=1时，f=b+a/2SV，能较好适合整个拉速范围。常规连铸时，K的取值原则是使NSR在55%〜80%之间[5]，一般取NSR=75%，NS=-60%，这是a=800，则f=800/Z=400/SVc (20)高速连铸时，K的取值原则是使NS接近+20%取NS=20%4，这时a=400，则f=400/Z=200/SVc (21)式(17)中，取n=1，a、b值可确定如下，首先直线K=a=bZ过B点(0.53、318点)，其次令此直线过图4中A点，A点纵坐标为800。横坐标为K=800与tn=0.2S交点的横坐标，其值约为Z=7。可解得ae280、b^70。由此确定f-Vc匹配关系:f=70+280/2SVc （22）此外，由式（：6）可得f-VC另一种匹配关系：F=300 （23）图6中分别定性示出由式（20）、（21）、（22）、（23）所定的f-Vc匹配关系直线1、2、3、4。A点坐标根据大Z值即较低拉速时tn取值来定。若要求tn较小，则在相同的Z值时，A点坐标增加，反之纵坐标减少，带来b值的变化，从而使直线3在f轴上的截距不同。设连铸最大目的的拉速为6m/min，则拉速范围为0〜6m/min。由式（13），振幅取值限度为S>1.59mm。目前振幅取值多为3〜4mm，本文中取S=3.5mm，将其代入式（20）、（21）、（22）得f=120Vc、f=60Vc、f=70+40Vc。图7、图8分别示出了这三种匹配关系及f=300min-1时的tn-Vc及t-Vc曲线。由两图可知，f=120Vc时在较低拉速时tn亦较小，有利于减少常规连铸时铸坯表面振痕深度；但拉速增加时:tp明显减小，不利于控制高拉速时坯壳粘结，特别是Vc<1m/min时，tn取值较大，变化亦很大、极不平稳（如图1）。且当Vc=0时，tn、tp均出现“奇点”，因此不利于连铸开浇起步及低拉速过渡阶段控制坯壳粘结。此对应关系仅适合较低拉速的常规连铸。对于f=60Vc，在常规连铸时，tn较大不利于减少铸坯表面振痕深度；高速连铸时，tp保持较大有利于控制高速连铸时坯壳粘结。但这种匹配关系在Vc<2m/min时，tn、t；同样出现“奇点”。这种匹配关系仅适合于高速连铸。对于f=300min-1，在0〜6min的拉速范围内，^较小、t较大且在VC=0时，匚、^无奇点，其工艺效果最佳，但在很低拉速时，频率即取较大值，振动装置将承受很大冲击力，经济性不佳。对于f=70+40V，V<1m/min时