连铸结晶器振动参数取值限度问题

连铸结晶器振动参数取值限度问题
1 前言
随着连铸技术的发展,结晶器振动技术亦不断发展,主要表现在振动参数的选择更加灵
活,振动的工艺效果更好,尤其是振动参数更适合连铸高拉速的工艺要求。

结晶器振动的每一次完善都是突破原有振动参数的取值限度,以适应连铸更高的工艺要求。

随着结晶器非正弦振动形式的开发,本文讨论振动参数的取值限度问题。

2 结晶器振动参数的影响
拉速Vc是连铸工艺控制的一个最关键的参数,因此结晶器振动参数的选择亦必须适合
拉速的要求。

结晶器振动工艺参数对其工艺效果的影响如下:
1)结晶器振动的负滑脱时TN控制铸坯表面的振痕深度,即两者呈增函数关系。

TN越
长,振痕越深。

2)保护渣的消耗量与结晶器振动的正滑脱时间呈增函数关系,正滑脱时间越长,保护
渣消耗量越大。

3)结晶器振动的负滑脱时间率、负滑动量、结晶器上振的最大速度都反映结晶器振动
的工艺效果,但它们不是独立的参数,而且随着结晶器振动形式的确定,一般以其正、负滑脱时间来判定结晶器振动的工艺效果。

基于上述几点,为控制铸坯的振痕深度,希望TN短;而为保证结晶器的润滑效果,增
加保护渣的消耗量,希望正滑脱时间长,为此目的开发了结晶器的非正弦振动形式,从而突破了结晶器正弦振动参数的取值限度。

3 问题的提出
在结晶器非正弦振动中引入波形偏斜率α这一基本参数,增加了振动的独立参数,使振
动参数的选择更灵活,更适合高速连铸的工艺要求。

即在一定的VC条件下,采用非正弦振
动可以明显地降低振动频率f ,即可以保持f 不变,通过调整α来适合Vc的要求。

此外,
非正弦振动可以分别构造结晶器的上振和下振速度曲线。

由此提出:在一定的Vc下,可否
通过不断地增加α而无限地降低f 。

图1示出在一定VC和振幅S时,不同α所对应的tN–f 曲线。

可见α增加,tN–f 曲线
左移。

图2为对应图1中某一tN值时,不同α和f 下的结晶器振动速度Vm–时间t曲线。

这些曲线的特点是,Vm≤0时,Vm–t曲线完全相同;当Vm>0时,随α各f 的不同,Vm–
t曲线不同。

则由图2,一定Vc和f 时,α增加相应地f 减少,但tN–f 曲线保持不变。

上
述问题则可表述为:一定的VC和S条件下,保持结晶器下振速度曲线不变,而不断地改变结晶器上振速度曲线,即通过构造不同的结晶器振动曲线,同时实现α增加和f 降低;而且,α趋近于1、f 趋近于0时,结晶器振动的工艺效果更佳。

为此,需对上述问题进行分析。

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图1 波形偏斜率对负滑脱时间的影响
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图2 不同的结晶器振动速度曲线
4 结晶器振动参数的取值限度
4.1振动参数取值的基本要求
1)α的一般定义
结晶器下振时间TD与α及结晶器振动周期T的关系如式(1):
T(1) 2/)1(TDα−=
由式(1)可得式(2):
α(2)TTD/21−=
按式(2)定义α,对复杂的结晶器振动曲线更具有普通定义。

2)负滑脱时间曲线的一般特点
在正弦振动中,tN–f 曲线的特点是在f 坐标轴上总有f 0、f 1 点。

当f ≤f 0 时,tN≤
0;当f 0<f ≤f 1 时,f 增加,tN增加,而且变化很大;当f >f 1 时,f 增加,tN缓慢减少,
并无限趋近于0。

任何振动形式均为周期性运动,所以结晶器振动的速度总是与其f 成正比。

而出现负
滑脱的必要条件是下振的最大速度要>Vc。

因此,在一定的Vc及一定的振动参数条件下, 其tN–f 曲线总有f 0、f 1点,仅在特殊情况下f 0、f 1点,仅在特殊情况下f 0、f 1点重合,
这个特点是振动结晶器的必然特性。

3)振痕深度及振痕间距
振痕深度的主要影响因素是结晶器振动的负滑脱时间,而振痕间距Pm与振痕深度同样
对铸坯表面质量有极大的影响,增加Pm可以改善铸坯表面质量。

Pm可由式(3)表示。

fVcPm/= (3)
4)振动参数取值的基本要求
连铸振动结晶器的一个基本要求是必须出现负滑脱振动,即tN>0。

因此,下振的最大
速度必须>Vc,即负滑动量必须>0。

结晶器振动的负滑动量NSA定义为:负滑脱期间结晶器相对于铸坯下移的距离。

(4)∫−=
2
1 )(
t
t cm dtVVNSA
式中Vm—结晶器下振的速度;
t1—负滑脱开始时间;
t2—负滑脱结束时间。

负滑脱振动必须满足;
NSA> 0 (5)
4.2 振动参数的取值限度
1)正弦振动参数的取值限度
在正弦振动中,TN可表示为:
t(6) )2/(cos/60 1SfVcfNππ−×=
为使tN >0,应有:
2>Vc(7)Sfπ
式(7)为结晶器正弦振动参数的取值限度,即在一定的Vc和S的条件下,f 总有一个
最小的取值要求。

由式(7)可得
fVcPm/= <(8)Sπ2
可见,采用正弦振动,Pm总有一个取值上限2πS。

为增加Pm而增加S,势必会使tN
增加而增加振痕深度,即控制振痕深度与控制Pm是矛盾的。

一般认为Pm ≥12.7mm时,振
痕过深,坯壳厚度的均匀性明显变差。

所以正弦振动中,不可能同时优化每个方面的工艺效果。

2)非正弦振动参数的取值限度
对于非正弦振动波形的负滑脱时间可表示为:
t(9)[SfVf CNπαπα2/)1(cos/)1(60 1−×−= − ]
为使tN>0,应有:
2>Vc(10) )1/(απ−Sf
式(10)即是对非正弦振动参数取值的一个基本要求。

由于振痕深度取决于TN ,两者
呈增函数关系;高频振动时,保护渣消耗量取决于正滑脱时间;低频振动时,保护渣消耗量取决于NSA。

因此Vc、S、f 一定时,增加α,可使TN减小、NSA和正滑脱时间增加,结
晶器振动的综合工艺效果最好。

如果Vc、S一定,增加α同时降低f 的结果如下。

假设在结晶器一个振动周期内,保护渣的填充量Qm为:
NSALKQm1= (11)
式中 K1—比例常数;
L—铸坯的边长。

而其所要润滑的铸坯表面积Sm为:
S(12)fVcLPL mm/==
单位面积的保护渣消耗量Q则为:
(13)VcNSAfKSQQ mm// 1==
为防止坯壳粘结,要求Q>一定的数值Q0,即Q≥Q0,则有
≥Q(14)fNSA VcKKVc010 / =
式中K0 —仅与钢种、保护渣性能有关的常数。

NSA的最大值为2S,则有:
S f ≥(15) 2/0VcK
Pm的上限为:
≤(16)fVcPm/= 0/2KS
式(15)给出了一般振动参数取值的限度,表明在一定的Vc和S条件下,f 总有一个
与α无关的取值下限,即α趋近于1时,f 不能无限趋近于0。

5 讨论
1)式(15)是关于所有结晶器振动形式的振动参数取值限度的一般要求。

2)由于式(16)的要求,铸坯表面的振痕间距不可能控制得无限大。

3)正弦振动可以用S f >Vc/2π作为一般要求,是因为K0 >1/π。

4)振幅对保护渣消耗量的影响是:高频振动时,降低振幅可增加正滑脱时间,有利于
增加保护渣的消耗量;低频振动时,增加振幅可增加负滑动量,有利于增加保护渣消耗量。

5)开浇初期低拉速、低频率时,振幅应大些;高拉速、高频率时,振幅应小些。

这样
有利于改善结晶器的润滑状况。

6)只有振动参数满足式(15)时,波形偏斜率取值才越大越好;而且,频率越高时,
调整波形偏斜率的工艺效果越好。

7)K0的数值需经过试验确定,取值范围应为0~1/π。

6 结语
频率作为结晶器振动的一个基本参数,任何振动形式,总有一个仅与拉速和振幅有关的
最小取值。

通过波形的调整和改变,无法使频率取无限小的数值。

因此,铸坯表面的振痕间距亦不能取无限大的数值,对其控制亦有一定的限度。

同时对于结晶器振动的波形及波形偏
斜率亦应在一定限度内取值,其值未必越大越好。

了解结晶器振动参数取值的限度,从而可以在此限度内合理地选择振动参数,以取得最好的振动工艺效果。