结晶器振动全解

8
连铸技术
2结晶器振动参数的分析
2.1 结晶器的振动参数 与结晶器振动有关的振动参数主要有：如振幅和频率， 这是决定结晶器运动的振动参数称为结晶器振动基本 参数，另外与“负滑脱”相关的振动参数如负滑动率 NS、负滑脱时间 tN和负滑脱时间率 NSR，由于这 些负滑脱参数直接关系到铸坯的脱模和铸坯的质量， 所以负滑脱参数被称为工艺参数。 结晶器振幅A，因为正弦振动是由偏心轮－杆机构实现的。 因此，振幅可直接由偏心轮的偏心距，通过杆系的换 算得到。也可按速度－时间正弦曲线的半波面积计算 获得：
27
连铸技术
28
连铸技术
① 全部 tN 曲线与 Ns＝-0.024 的射线交于顶点，在一 定的拉速范围内，对于任何一拉速和 tN 曲线都有两 个交点，它们分别对应一个高频率和一个低频率。这 两个频率对应相同的负滑动时间。 ② 全部 tN、Ns 曲线相交于坐标系原点 0 点，曲线的 下部相互靠近，并重合于 Ns＝-0.3634(负滑动率极 限值)曲线。s 值越大它们越靠近，tN值越小它们重 合的线段越长，tN＝0 时与 Ns＝-0.3634 曲线全部 重合。 ③ 增大 s 值，可增大 tN 曲线在拉速 Vc轴上的投影， 因此可根据不同的工作拉速选择相应的 s 值。
20
连铸技术
负滑脱时间与振痕深度之间的关系
21
连铸技术
结晶器振动参数对连铸粘结性漏钢的影响
结晶器振动的最大特点就是结晶器与坯壳的相对 运动过程中有一段负滑脱时间，这期间坯壳受 压应力作用有利于坯壳的愈合，以防止坯壳断 裂造成漏钢。但是，负滑脱时间不能过长，因 为负滑脱时间越长，则振痕越深，振痕处坯壳 夹渣就越严重，坯壳强度降低，坯壳越容易断 裂而不利于脱模，进而增加了漏钢的可能性。 所以，提高振动频率、缩短负滑脱时间的目的 仍然是为了脱模，以利于防止粘结性漏钢，同 时也可改善铸坯质量。
9
连铸技术
结晶器运动速度曲线
10
tN
V 60 arccos 2Af f

连铸技术
负滑脱时间 TN
11
连铸技术
结晶器振动时，只有当结晶器振动速度Vm大于 拉坯速度V 时才出现负滑动。负滑脱是指在 一个振动周期内，结晶器向下的运动速度比铸 坯向下的运动速度（拉速）要快的时间，在负 滑脱期内，凝固坯壳将受压而使被拉裂的坯壳 加以“焊合”，起到防止拉漏的作用，所以在 结晶器振动时应有一定的负滑脱时间，但过长 的负滑脱时间反而会使铸坯的表面质量变坏。 在拉速一定时，负滑脱时间的长短是由结晶器 振动的频率和幅度决定的。
12
连铸技术
13
连铸技术
通过Tn -f曲线可以看出，当振动频率 f 较低时，振幅和 拉速的变化对负滑脱的影响很大，而且振动频率的波 动对负滑脱时间也有很大影响；但当振动频率提高到 一定值后，振幅、拉速、振动频率的变化对负滑脱时 间几乎没有影响，负滑脱时间也趋于相同。 随着振动频率提高后，负滑脱时间变短且趋于稳定，但 当振动频率提高到一定值后，振幅、拉速、振动频率 的变化对负滑脱时间的影响几乎没有，负滑脱时间也 趋于相同。因此说，振动频率提高后，负滑脱时间变 短且趋向稳定。
22
连铸技术
结晶器振动参数对拉速的影响
研究表明，采用高频振动有利于提高拉坯速度， 而且提高拉速还有利于减少振痕。但在一定的 工艺条件下，拉坯速度受到冷却速度及设备精 度的限制，提高拉速将会导致拉漏率的上升。
23
连铸技术
2.2. 结晶器正弦振动的特性分析
目前描述负滑脱的参数较多，对于同一振幅、频率和拉 速的情况下，这些参数给出了不同的数值。但它们当 中独立的参数只有两个：负滑动率 NS 和负滑脱时间 tN。因为负滑脱参数直接关系到铸坯的脱模和铸坯的 质量，所以参数 NS和tN被称为工艺参数。 目前国外有关文献报道，大多数的负滑脱时间取值范围 在 0.1s ~ 0.25s，认为对于不同的钢种最佳负滑动 时间为 0.1s 左右。至于负滑动率 NS，国内外有关 文献报道在 NS值为-20%～240%范围内变化进行 浇铸，结果对铸坯脱模及表面质量没有任何不利影响。 可见，对于负滑动率 NS 的取值范围是很宽的，工艺 参数的确定主要是确定负滑动时间。
24
连铸技术
负滑动时间曲线及特点
25
连铸技术
① NS＝2.4％的等值反比双曲线相交于负滑动时间曲线 的峰值，将负滑动时间曲线族分成两个区域。 ②对于任何 z 值都有相应的 tN＝0，此点的频率用 f0 表示，称为临界频率。当 f≤f0时不出现负滑脱。 ③当 NS>2.4％时，负滑动时间曲线随频率 f 的增加 而上升，特别是当 z 值较大时，如 z>5 时，曲线急 剧上升。 ④当 NS<2.4％时，负滑动时间曲线随频率 f 的增加 而下降，特别是当 z 值较小时，如 z<5 时，曲线下 降得非常缓慢。
29
连铸技术
正弦振动同步控制模型
f=aVc 控制模型 f=aVc+b 控制模型 f=b 控制模型 f=-aVc+b 控制模型。 传统的同步控制模型为 f=aVc型 ,式中 f 为振动 频率，Vc为拉坯速度，a 和 b 为常数 。这个 模型曾被广泛应用于国内外早些时候投产的连 铸机，其主要特点是负滑脱率 Ns 保持为常数。
15
连铸技术
16
连铸技术
源自文库
由于负滑脱时间率是负滑脱时间与振动半周期的比率， 它反映了负滑脱时间、正滑脱时间的比值大小，所以， 以负滑脱时间率NSR来判定结晶器的脱模能力是合理的， 据此，结晶器的振动参数应保证较低的负滑脱时间和较 高的负滑脱时间率，这种工艺要求只有在高频振动、小 振幅的情况下条件下才能得到满足。
26
连铸技术
正弦振动同步控制模型
（1）正弦振动同步控制模型的概念及特点 拉速同频率、振幅的对应关系称为同步控制模型。由 于振幅在生产时不便于调整，而振动频率的调整却可 以通过调整电机转数而轻而易举地得到实现。所以从 实际操作来讲调整振动频率还是比较实际的。当然， 随着液压伺服振动方式的使用，使得方便地调整振幅 变为可能。本文暂且讨论拉速与频率之间的同步控制 模型。 从本质上看，拉速—频率同步控制模型的建立是在不 同工况下对频率的动态选择。因此，它的建立仍然是 以工艺参数 tN、Ns 为基础。为了便于拉速—频率之 间对应关系的建立，可在拉速 Vc和频率 f 直角坐标 系中绘出 tN 和 Ns 的等值曲线族。
17
连铸技术
负滑脱率 NS
由上式可知：通过控制 NS可控制 tN，当 Vc=Va时， 结晶器中的坯壳处于受拉和受压的临界状态，此时的负 滑动率 NS＝-36.4％。当 NS＜-36.4%时，将不会出 现负滑脱时间 tN。
18
连铸技术
在设计振动参数中，往往用负滑脱率 NS 作为计算的依 据，这个模型广泛应用于国内外的连铸设计中。NS 一般是给定值，如曼内斯曼（Munnesmann）的取 值为 20％～40％，而康卡斯特（Concast）取 20 ％～（－20）％，故上式称作负滑动率结晶器振动数 学模型。 传统的观念认为，负滑脱率 NS 是一个重要的工艺参 数，其最佳值在30—35%左右，负滑脱时间率 NSR 在 55%—80%之间。基于这种认识，目前许多连铸 机仍采用 NS 为常值的振动模型，这时的振动频率 f 与拉坯速度Vc成正比。
30
连铸技术
3 非正弦振动运动分析
与结晶器正弦振动相比，结晶器非正弦振动随时间变化 的振幅最大值有一段滞后，正是这段时间上的滞后， 使结晶器上升速度较小而移动时间较长。这样即可保 证结晶器与坯壳反向运动时，由两者速度差决定的摩 擦力小于正弦振动的摩擦力。同时，在结晶器下移过 程中，非正弦振动下移速度快而移动时间短，其负滑 脱时间比正弦振动时更短。这有利于进一步减小振痕 深度，且在负滑脱期间，结晶器相对坯壳下移动距离 等于甚至大于正弦振动时的下移距离，从而保证对坯 壳的压合效果。
14
连铸技术
负滑脱时间率 NSR
负滑脱时间率 NSR可以定义为在一个振动周期 内负滑脱时间 Tn与半个振动周期时间的百分 比值。即 NSR = (2Tn /T)×100%。由公 式可以绘制不同振幅、不同拉速下的 NSR - f 曲线。 由NSR - f 曲线可知，振动频率越高，振幅和拉 速对负滑脱时间率 NSR的影响越小，但 NSR 越大。
31
连铸技术
32
连铸技术
通常把结晶器非正弦振动视为 结晶器正弦振动的演变，结晶器非 正弦振动相对于结晶器正弦振动的 改变程度用修正系数 α 表示。 根据结晶器非正弦振动波形修 正系数的定义，α 取值范围为-1— +1。α <0为早期的负滑脱振动； α =0 为正弦振动；α >0 为非正 弦振动。
4
连铸技术
1—同步式振动 2—负滑脱振动 3—正弦振动 图 1 结晶器振动方式
5
连铸技术
负滑动振动 负滑动振动是指当结晶器往下振动时，其速度大于拉坯速度，形成 负滑动。即： V2=V（1-NS） 而往上振动时，取 V1=2.8 ~ 3.2V2 式中NS为负滑动率，说明结晶器平均下降速度大于拉速，产生负滑 动。负滑动振动的特点是：结晶器先以比拉速稍高的速度下降 一段时间出现负滑动或负滑脱。此时坯壳处于受压状态，既有 利于强制脱模又有利于断裂坯壳的压合。然后再以较高的速度 上升，克服了同步振动时产生较大加速度的缺点。结晶器在下 降或上升过程中都有一段稳定运动时间，有利于坯壳的生成和 裂纹的愈合。
6
连铸技术
③正弦振动 结晶器振动时的运动速度随时间的变化呈一条正 弦曲线。其特点是：结晶器在整个振动过程中 速度一直是变化的，即铸坯与结晶器时刻都存 在相对运动。在结晶器下降过程中有一段负滑 动，能防止和消除粘结，具有脱模作用；另外， 由于结晶器的运动速度是按正弦规律变化的， 加速度必然按余弦规律变化，所以过度比较平 稳，冲击力也较小。
结晶器振动参数优化
东北大学
2018年10月24日
连铸技术
1概述 2结晶器振动参数的分析 3 非正弦振动运动分析
2
连铸技术
1概述
1.1结晶器振动的作用 通过结晶器的振动可以保证在浇铸过程中板坯与结晶 器铜壁不发生粘结，并获得良好的铸坯表面质量。通 常认为，结晶器振动的作用有如下两个特点： ①防止铸坯在凝固过程中与结晶器铜壁发生粘结而出 现坯壳拉裂或漏钢事故。在结晶器上下振动时，按振 动曲线周期性地改变钢液面与结晶器铜壁的相对位置， 对坯壳有一个强制脱模的作用，并使得拉漏的坯壳在 结晶器内部得以焊合。 ②减小拉坯阻力及改善铸坯表面质量。在结晶器振动 过程中，通过保护渣在结晶器铜壁的渗透可以改善其 润滑条件，防止高温凝壳与结晶器铜壁的粘结，同时 减少了拉坯时的摩擦阻力及改善了铸坯的表面质量。
3
连铸技术
1.2结晶器振动方式的发展过程
由于人们对结晶器振动技术认识与理解的不同，结晶器振动技术经 历了一个曲折的发展过程，大致分为四个时期： ①同步振动 同步振动的特点是结晶器向下振动时，其速度与其拉坯速度相等， 即同步。若设V为拉坯速度，Vm为结晶器振动速度，V1为上 升速度，V2为下降速度，则同步振动应满足以下条件： V1=3V； V2=V 同步振动的优点是：结晶器能实现与拉坯速度同步运动，对铸坯有 利。其缺点是振动机构必须与拉坯速度实行严格的同步联锁， 当结晶器由往下振动转为往上运动的转折处加速度过大，机构 中会产生相当大的冲击，因此，现已不再采用。
7
连铸技术
④非正弦振动 对于传统的正弦振动来说，其特性完全取决于振幅和振 动频率两个独立的振动参数。当波形调节能力小时难 以满足上述要求。而非正弦振动的最大特点是上升时 间比下降时间长，因而加大了保护渣的消耗量，使结 晶器弯月面附近的液体摩擦力减少，可以得到表面质 量优异的铸坯，能满足连铸生产的要求。 非正弦振动曲线大致可分为三角形振动波形、三角多项 式波形、普通的非正弦波形和改进的非正弦波形等。
19
连铸技术
2.2振动参数对铸坯质量的影响
(1)结晶器振动参数对铸坯振痕的影响 由结晶器振动在铸坯表面形成的横向痕迹称为振 痕。振痕深度是衡量铸坯表面质量的重要标准 之一，过深的振痕会造成铸坯表面裂纹和成分 的偏析。大量的实验表明，振痕深度与负滑脱 时间有关，负滑脱时间越短，振痕深度就越浅。 得到这样的结论，缩短负滑脱时间、降低振幅 和提高振动频率均可以减少铸坯的振痕，改善 铸坯质量