结晶器正弦振动装置的形式及其特点

现代连铸技术讨论课
结晶器正弦振动装置的形式及其特点
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课程名称：现代连铸技术
指导教师：
2013年11月7日
目录
1、结晶器振动技术的发展历史 (1)
2、结晶器的正弦振动 (1)
2.1正弦振动的定义 (1)
2.2正弦振动的特点 (1)
2.3正弦振动机构满足的条件 (1)
2.4结晶器实现弧形的轨迹方式 (2)
3、结晶器导向机构 (2)
3.1 长臂振动机构 (2)
3.2 导轨式振动机构 (3)
3.3 差动齿轮振动机构 (3)
3.4 四连杆振动机构 (4)
3.5 四偏心振动机构 (6)
4、机械驱动结晶器正弦振动振幅调整 (7)
5、同步控制模型 (8)
5.1 f=av模型 (8)
5.2 f=av+b模型控制 (8)
5.3 f=b模型 (8)
5.4 f=-av+b (8)
现代连铸技术讨论课
1、结晶器振动技术的发展历史
结晶器振动是连铸技术的一个基本特征。

连铸过程中,结晶器和坯壳间的相互作用影响着坯壳的生长和脱膜,其控制因素是结晶器的振动和润滑。

连铸在采用固定结晶器浇注时,铸坯直接从结晶器向下拉出,由于缺乏润滑,易与结晶器发生粘结,从而导致出现拉不动或者拉漏事故,很难进行浇注。

结晶器振动对于改善铸坯和结晶器界面间的润滑是非常有效的,振动结晶器的发明引进,工业上大规模应用连铸技术才得以实现。

可以说,结晶器振动是浇注成功的先决条件,是连铸发展的一个重要里程碑。

近年来,冶金工业的迅速发展,要求连铸提高拉速和增加连铸机的生产能力,人们对结晶器振动的认识也在不断深入和发展。

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。

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,但其目的和实现方式上二者有本质的区别。

2、结晶器的正弦振动
2.1正弦振动的定义
当结晶器的运动速度与时间的关系为一条正弦曲线时称这种振动为正弦振动。

2.2正弦振动的特点
正弦振动的主要特点是：结晶器在整个振动过程中速度一直是变化的，即铸坯与结晶器间时刻都在相对运动。

在结晶器下降时还有一小段负滑动，因此能消除和防止粘结。

另外，由于结晶器的运动速度是按正弦规律变化的，加速度则必然按余弦规律变化，所以，过度比较平稳，冲击比较小。

它与梯速振动相比，坯壳处于负滑动状态的时间较短，且结晶器上升时间占振动周期的一半，故增加了坯壳断裂的可能性。

为了弥补这一弱点应充分发挥加速度较小的长处，亦可采用高频率振动以提高脱模的效果。

2.3正弦振动机构满足的条件
正弦振动机构满足的两个条件：
①使结晶器准确地沿一定的轨迹振动；
②使结晶器按一定规律振动。

2.4结晶器实现弧形的轨迹方式
结晶器实现弧形的轨迹方式有：导轨式、长臂式、差动式、双摇杆式以及四偏心式等等。

振动规律的方式：偏心轮式、凸轮式、液压缸式等。

正弦振动规律最突出的优越性是：它只要用一简单的偏心机构（偏心轮或偏心轴套组合）就能实现，无论从设计上还是制造上就能实现。

3、结晶器导向机构
铸坯表面的质量主要取决于结晶器内坯壳形成时的条件，其中一个重要因素就是结晶器壁与坯壳之间的摩擦力所产生的应力。

根据不同的钢种，通过优化振动模式和铸造参数，来减小摩擦力，进而减小坯壳应力是完全可能的。

结晶器振动应尽可能接近所设定的轨迹。

这一点在板坯连铸中尤其重要，这里任何横向摇摆、角部的不规则运动都应避免。

一般认为传统的四偏心型和短臂振动机构都有导向方面的设计缺陷，即由于磨损而产生不可控制的运动偏差。

这种认识促进了柔性体结晶器振动导向机构的开发。

3.1 长臂振动机构
在弧形连铸机中，它是把结晶器安装在一个与铸机圆弧半径相同的振动臂上，如图3-1所示。

这种振动机构的振动轨迹在理论上是准确的。

但如果振动臂较长，则因加工制造误差、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。

图3-1长臂振动机构图3-2 低矮型长臂振动机构
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增大而被其他振动机构所代替。

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，如R＝3m，采用多点矫直，如矫直点数为7-19。

由于基本圆弧半径较小而使长臂振动机构又重新获得应用。

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、脱模都十分有利。

3.2 导轨式振动机构
图3-3弧线导轨式振动机构
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3-3、图3-4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，所以磨损较严重，影响运动轨迹精度，因而逐渐被其他振动机构所代替。

图3-4 直线导轨振动机构
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。

但是导航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。

3.3 差动齿轮振动机构
差动齿轮振动机构是我国60年代中期开发并应用于生产的弧线轨迹振动机构，如图3-5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应轮3及5有不同的节圆半径，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产生个同的线速度。

反应在振动框架两侧的齿条上，其上下运动的线速度也不一样，因而可使结晶器产生弧线运动，由于它结构复杂，齿轮与导向件磨损较严重等原因而未能得到推广。

但劳动原理却在后来的四偏心机构上得到了应用。

图3-5 差动齿轮振动机构
3.4 四连杆振动机构
它是一种双摇杆机构，它的两个摇杆可以装设在连铸机的外弧侧，如图3-6a所示，也可装设在内弧侧，如图3-6b所示。

后者适用于小方坯连铸机，前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AD及BC平行且等长时，该四连杆振动机构如图3-6c所示，可用于直弧形或立式连铸机。

不论是装在铸机的内弧侧还是外弧侧，四连杆机构ABCD(图3-6a、b)中的CD连杆在某一瞬间的运动是绕瞬心O的转动。

因此，只要使两摇杆AD及BC的延长线相交于铸机的圆弧中心O，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。

图3-6 四连杆振动机构
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，能够使板坯连铸机结晶器振动轨迹误差ΔR≤0.1mm ，小方坯的ΔR≤0.02mm 。

弧形板坯连铸机的四连杆振动机构的振动杆件及座板有足够的刚度，采用了精度很高的特制滚动铀承。

设计时考虑了运动部件质量的平稳，使拉杆4的受力方向不变，保证运动平稳，在拉杆4内装有压缩弹簧，可以防止拉杆的过负荷。

在偏心轴2的外面装有偏心套，通过改变轴与套的相对角度，可以改变偏心距，以改变振幅的大小。

在振动台架上还设有结晶器自动定位和自动接通冷却水的装置。

图3-7 板坯连铸机四连杆机构
结晶器和连杆固结在一起，作平面运动。

通过合理地选择四连杆振动机构的参数，可以实现结晶器满足一定静度要求的圆弧运动。

由于摇杆长度较短，因此结晶器运动的轨迹精度受温度、载荷及加工误差的影响较小。

因此，它被广泛地应用于各种这协机。

它不但被用在弧形连铸机上，也被用在立式或真弯式连铸机上。

四连杆振动机构的主要缺点是各杆件只做摆动运动，轴承易形成局部磨损。

特别是在高频率、小振幅的条件下，将产生较严重的局部磨损。

3.5 四偏心振动机构
该机构如图3-8所示。

其工作原理同差动齿轮振动机构完全一样，它是曼内斯曼公司70年代开发的又于80年代加以改进的一种振动机构。

振幅7.6mm，振频50--90次／min。

结晶器的弧线运动是利用两对偏心距不同的偏心轮及连杆机构而产生的。

结晶器运动的弧线定中是利用两条板式弹簧来实现的。

板式弹簧使结晶器只作弧形摆动，而不能产生前后左右的位移。

适当选择弹簧长度，可以使运动轨迹误差不大于0.02mm。

振动台架是钢结构件。

结晶器及其冷却水管快速接头、振动机构、驱动系统及第一段二冷夹棍都装在这个振动台架上，可以整体吊运，快速更换。

更换时间不超过l h。

图3-8 四偏心轮是振动机构
1—偏心轮及连杆 2—定中心弹簧板 3—铸皮外弧
4—振动台 5—涡轮副 6—直流电机
从图3-8看出：在结晶器下左右两侧各有一根通轴，轴上装有不同偏心距的两个偏心轮，外弧的偏心轮有较大的偏心距，用一台直流电动机，通过两台蜗轮减速器同时驱动。

通轴中心线的延长线通过铸机圆弧中心。

出于结晶器的振幅不大，也可以把通轴水平安装，不会引起明显的误差。

任偏心轮连杆上端，使用了特制的球面橡胶轴承，寿命较长。

这种振动机构的最大优点是偏心轮连杆的椎力作用于振动台的四角，使结晶器的运动非常平稳，不会由于结晶器内阻力作用点的偏移而使结晶器作不平稳的运动。

其缺点是运动零件较多，机构比较复杂。

4、机械驱动结晶器正弦振动振幅调整
一台连铸机所浇铸的钢种、断面是变化的。

不同的钢种、断面所对应的拉坯速度是不同的。

因此，大多数连铸机结晶器振动装置的振幅都是可调的。

确定最大振幅时，要考虑到在最大拉还速度时也不使Z值过小，在避免临界频率f0过大的前提下,尽量采用小振幅。

确定最小振幅时，要考虑到在最小拉坯速度时也不使Z值过大，以获得较短的负滑动时间。

中间各级振幅仍然是根据拉坯速度以同样的原则来确定。

结晶器的振幅和频率是两个重要的工艺参数，频率可通过控制电机的转速来给定，而振幅是通过振动机构中曲柄长度来保证的。

因此给出精确计算曲柄长度的方法是有意义的。

对曲柄长度求解可分俩步进行，第一步对图4-1所示的四连杆机构求解．求出结晶器上任意给定点E按给定振幅由平衡位置向上和向下振动一个振幅时，主动臂AB 与实轴(X轴)的夹角Q1。

图4-1四连杆原理图
通常，振幅的调整是通过调整杆JT 的长度来实现，而杆JT 的调整又是通过调整偏心轴与偏心套之间的角度来实现。

5、同步控制模型
5.1 f=av 模型
此模型为传统的同步控制模型，式中f 为振动频率，v 为拉坯速度，a 为常数。

他的主要特点是负滑脱率NS 保持为常数，使铸坯表面振痕间距也保持不变。

他的主要缺点是，每当拉坯速度较低时，都会因为频率的降低导致负滑动时间的增加，这对铸坯表面质量不利；因为m v-v 2fh NS==1-=const v v ，由-1N p N 601000v 60t =cos t =-t f fh f
ππ及看出'''N t =const /;t =const /p f f 。

N t 和t p 分别于f 成反比关系，他们随f 的变化规律为等边双曲线；N t 和t p 随f 的变化趋势相同，而且变化率也相同。

这又给控制模型带来一个很大的缺陷：当频率f 提高时，N t 和t p 都减小。

因此，不能同时满足铸坯表面质量及保护渣润滑两个方面的要求。

5.2 f=av+b 模型控制
显而易见，在传统的控制模型f=av 的基础上加一项常数b 所构成的新模型f=av+b 就能克服传统模型上的缺陷，因为该模型是一条不通过原点模型直线。

该控制模型的主要特点是负滑动率NS 不为常数。

其优点是频率随拉速的变化平缓，所以当拉速降低时负滑动时间N t 增加不大，比传统模型有所改善。

5.3 f=b 模型
该模型是f=av+b 控制模型a=0时的一个特例。

该模型进一步减小了负滑动时间N t 的变化。

5.4 f=-av+b
该模型为斜率是负值的斜截式直线方程，其斜率的大小近似等于负滑动时间曲线
向下倾斜的斜率。

该模型的主要特点是振动频率随着拉坯速度的增加而降低。

其主要优点是负滑动时间近似等于常数，正滑动时间随着拉速的增加而显著增加。

因此，它可以在整个浇筑过程中获得良好，稳定的铸坯表面质量。

由于保护渣的消耗量是正滑动时间的增函数，是拉坯速度的减函数，因此它可以在整个浇筑过程中保持适宜的保护渣消耗量，是坯壳在结晶器中获得良好的润滑。

参考文献：
【1】罗振才.钢铁冶金学教程. 北京：冶金工业出版社，1989
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10。