连铸各种振动装置的优缺点比较

二连铸车间三台连铸机振动装置差异和优缺点
摘要:
结晶器振动装置是连铸机的重要设备之一，其主要作用是防止钢水与铜管内壁的粘结，改善铸坯的表面质量，当粘结发生时，则通过振动强制脱模，消除粘结；振动装置即是带动结晶器产生脱模所需的机械振动，本文通过对首钢水钢二炼钢厂的三台连铸机振动装置差异及优缺点的分析比较，充分了解各台铸机振动装置性能，做到心中有数，以便在以后的生产中趋利避害，对生产起到一定的指导和参考作用。

关键词：结晶器振动装置正弦振动非正弦振动四连杆镭目非正弦大扭矩直驱电机
目录
摘要 (2)
1、二连铸3台连铸机振动装置概况 (4)
1.1 1#连铸机振动装置概况 (4)
1.1.1 技术参数 (4)
1.1.2 振动装置结构 (4)
1.1.3 振动装置工作原理 (4)
1.2 2#连铸机振动装置概况 (5)
1.2.1 技术参数 (5)
1.2.2 振动装置结构 (5)
1.2.3 振动装置工作原理 (6)
1.3 3#连铸机振动装置概况 (6)
1.3.1 技术参数 (6)
1.3.2 振动装置结构.............................., (7)
1.3.3 振动装置工作原理 (7)
2、3台连铸机振动装置的差异及优缺点比较 (8)
2.1 振动波形 (8)
2.2 振动特点 (8)
2.2.1 1#机振动特点 (8)
2.2.2 2#机振动特点 (10)
2.2.3 3#机振动特点 (11)
3、结论 (13)
3.1 3台连铸机振动装置的差异 (13)
3.2 3台连铸机振动装置的优缺点 (13)
1、二连铸3台连铸机振动装置概况
1.1 1#连铸机振动装置概况：
1.1.1 技术参数：
振动曲线：正弦
电机：YTSP160M-4-B3
功率：11KW,转速：1440r/min
频率：64-300cpm（圈/每分钟）
振幅：±3mm、±4mm
减速机：锥包络蜗轮减速机
速比：7.75 [1]
1.1.2 振动装置结构：
1#连铸机振动装置为四连杆机构，振动机构为内弧布置，主要由交流电动机、减速机、偏心轮、连杆、振动臂、导向臂和振动台几大部分组成，这种装置的最大优点是将传动装置移到二冷室之外，振动机构为板簧四连杆，振动台不直接受连杆传动，而是把振动臂一端延长，形成传动臂，显然机构得到了进一步简化，电动机减速器的工作环境条件得到了大幅度改善。

1.1.3 振动装置工作原理：
1#连铸机振动装置采用变频器进行交流变频调速产生正弦振动，再用偏心机构将圆周运动转换成上下振动，带动连杆机构驱动振动台，通过调节偏心机构的偏心距调整振幅，就像汽车调档一样，不过此偏心机构只有两个振幅档可以调，分别为±3mm和±4mm，且只能
在铸机停浇后才能进行调节。

1.2 2#连铸机振动装置概况：
1.2.1 技术参数：
振幅：0-10mm在线可调[1]
振动频率：0-300cpm在线可调；偏斜率：0-40%可调
振动波形：正弦或非正弦曲线；振动的纵向偏差：≤±0.1mm
振动的横向偏差：≤±0.1mm 振幅偏差：全行程偏差≤±0.15mm 1.2.2 振动装置结构
2#连铸机振动装置机构如下图所示：（图1）
1、电动缸：振动台的动力源部分；
2、摇臂：结晶器与电动缸的连接部分；
3、拉簧/压簧：位于电动缸侧，用来平衡结晶器重力；
4、板簧：位于结晶器的下方，用来导向防偏摆；
5、振动台框架：振动台的主体部分；
6、电动缸上下支座：固定电动缸；
7、稀油站：高位油箱（油位计）、低位油箱（油位计、温度计、压力计、主油泵、备用泵、加热器）、电动缸回油管、回油主管道。

1.2.3 振动装置工作原理：
2#振动装置为镭目非正弦振动机构，镭目结晶器非正弦振动系统利用了目前成熟先进的计算机技术与大功率数字伺服电动缸，其组合应用是数字技术应用发展的必然结果。

系统由微计算机计算产生结晶器振动的波形曲线（正弦或非正弦的），按要求将控制量同步送到各电机驱动器，由驱动器去驱动装在振动框架上的大功率数字电动缸，通过控制大功率数字电动缸的运行，使结晶器作相应的运动，按照工艺要求通过对RAM优化函数各个变量取值，结合拉速精确地控制结晶器上下振动,使振动波形保持精确的频率、振幅、负滑脱时间、正滑脱时间、及波形偏斜率等，最终得到满足工艺需求的结晶器振动轨迹。

镭目结晶器非正弦振动系统可克服由于结晶器偏振共振对拉速的限制，提高铸机拉速，大大降低由振动装置引起的漏钢事故，同时还可提高铸坯的质量。

1.3 3#连铸机振动装置概况：
1.3.1 技术参数：
浇铸半径：R=10米振动形式：半板簧钢板
振幅：0-10mm可调大小振动频率：0-400cpm可在线调节大小振动方式：正弦或非正弦
大扭矩电动机：GZ61630-16WE62-J2E-b Z46
电机功率：16.2KW 380VAC 偏斜率：0-40%可调[1]
1.3.2 振动装置结构：
3#机振动装置通过对振动臂的优化，将板簧应用到振动系统中，同时用一台直驱电机代替原有电机及齿轮减速箱，设备运行非常可靠，维护简单，振动平稳，输出扭矩大，抗冲击力强，有较大的承载能力，维护简单方便，与1#机相比，振动框架和连杆基本没多大差异。

1.3.3 振动装置工作原理：
3#机同1#机一样，振动装置也为短臂四连杆机构，但是，它引进大扭矩直驱同步电机，采用全新的振动驱动技术，先进的数学模型，实现正弦和各种非正弦曲线的在线、无缝；平滑切换，采用先进的控制算法，控制曲线更加平滑，在确保负滑脱的同时能够在高拉情况下有效降低振动次数，针对不同钢种可以产生相应的振动曲线；
像1#机那样的传统的变频器无法实现非正弦模型和先进的工艺算法，这是因为：
a、变频器控制只能控制速度，并且是开环控制，无法实现精确的位置定位
b、普通的CPU程序运行速度慢，执行时间大于10ms，无法保证动态控制精度要求。

c、普通CPU不支持高级语言，无法实现复杂的数学模型
而全新的大扭矩直驱同步电机利用先进的数字计算控制程序和函数
关系，结合增量编码器和绝对值编码器的优点：
增量式编码器：高精度，每圈可产生1048576个脉冲；
绝对编值码器：位置值永久保存，无需机械寻参
SSI串行同步传输数据，速度快，抗干扰能力强
内置参数芯片：EEPROM 芯片存储运行参数,电机数据和编码器数据减少维修时间，避免错误产生。

2、3台连铸机振动装置的差异及优缺点比较
2.1 振动波形：
1#机振动方式为正弦振动，2#机为镭目非正弦振动、3#机为直驱电机非正弦振动。

2.2 振动特征：
2.2.1 1#机振动特征：
1#机是正弦振动，这种振动方式的基本出发点是：结晶器在整个运动过程中岁没有稳定的速度阶段（同步运动阶段），但仍有一小段负滑动，因此具有脱模作用；由于速度是按正弦规律变化的，加速度必按余弦规律变化，所以过渡比较平稳，没有大的冲击；又由于加速度较小，可以提高振动频率，减轻铸坯表面振痕的深度；另外，正弦振动可以通过偏心轴或曲柄来实现，它具有加工制造容易，操作维护更换简单的特点，同时，简化了驱动装置的布置，将驱动装置移动到二冷室以外，便于维护和改善装置工作环境，可以完成交流电机的变频控制，1#连铸机其振动装置特点如下：
高仿弧精度振动，高稳定性；
可实现小振幅高频率，从而可提高拉速，小振幅可改善铸坯表面质量；
设备维护简便，使用寿命长；
采用偏心轮调整振幅；
采用变频器控制，实现正弦振动。

研究表明，负滑脱时间是影响铸坯表面质量，振痕深度的只要因素，采用较短的负滑动时间将使铸坯的表面振痕变浅，有利于获得较高的表面质量，在正弦振动中，负滑脱时间tn表述式为: tn=60/∏fcos-1 (1000Vc/∏fh) （1-1）
其中：tn —负滑动时间（s）
Vc —拉坯速度（m/min）
f —振动频率：（r/min）
h —振幅（mm）
由（1-1）式可以看出，负滑动时间将随着振动频率的减小和振幅的增大而增大，正弦振动的特性完全取决于振动的振幅和频率，即正弦振动只有两个相互独立的振动参数，变量少，其波形的调节能力小，难以完全满足高速连铸的工艺要求，特别是对那些容易粘结的钢种；
2.2.2 2#机振动特征：
2#连铸机振动方式是非正弦振动，非正弦振动具有上升时间比下降时间长的特点，即具有较长的正滑动时间，结晶器振动速度Vm拉坯速度Vc之间的速度差较小（向上最大速度与Vc之差），增加了保护渣的消耗量，液态摩擦较小，液态保护渣润滑范围向结晶器的出口
扩展，从而可以减小坯壳中的拉应力，负滑动时间短，有利于减轻铸坯表面振痕深度，所以对于实现高速拉坯，非正弦式振动的效果十分理想。

其中，2#机振动装置结晶器振动的上行速度Vp 小（降低结晶器与坯壳之间的摩擦），上行时间tp 大（增加保护渣的消耗量Q ，改善润滑效果），较大的下行速度Vn 和必要的负滑脱时间tn （保证拉裂坯壳必要的“愈合”时间及强制脱模），以及较小的系统加速度a （降低系统受到的冲击保持系统稳定，提高系统的寿命和可靠性）。

波形偏斜率P=（上升时间-下降时间）/周期。

下图是非正弦偏斜率P=0.2的振动波形（图2）
1）正滑动时间tp 较长，使保护渣的消耗量增加，改善润滑效果。

减少结晶器对坯壳的摩擦阻力，减小坯壳的拉应力，从而可减少拉裂、拉漏。

2
）在正滑动时间里，结晶器向上振动的最大速度与拉坯速度之
差减少，从而减少结晶器对坯壳的摩擦阻力F，再度减少拉裂、拉漏。

3）在负滑动时间里，结晶器向下振动的最大速度与拉坯速度之差较大，有利于对拉裂坯壳的愈合，并有利于对粘结的坯壳进行强制脱模。

4）负滑动时间短，有效的减轻铸坯表面振痕深度，减小坯壳应力集中，减少拉裂、拉漏，提高铸坯表面质量。

2.2.3 3#机振动特征：
3#连铸机也是非正弦振动，采用同步大扭矩电机直接驱动振动框架，电机内部如下图(图3)所示
电机特点如下：
转子永久励磁；高动态响应；大扭矩输出，即使低速断也可保证扭矩恒定；
3#机运动控制系统采用运动控制器+驱动控制器结构，可集成在
PLC控制系统中。

可在线选择多种工艺曲线，可实现正弦与非正弦的实时切换，可实时根据拉速调整振频。

下图为采用精度为0.002mm的位移传感器实测的振动端振动曲线。

下图为采用精度为0.002mm的位移传感器实测的振动端曲线
（图4）
主要工艺参数：
功率：380VAC，16.2KW
输出扭矩：300N.M
振动频率：随工艺参数变化
振幅：满足各种工艺要求
第3章：结论
3.1 3台连铸机振动装置的差异：
1#机、3#机振动机构为短臂四连杆机构，但是1#机是通过变频
器驱动普通电机驱动，再经过偏心机构产生正弦振动，而3#通过数学程序控制大扭矩直驱电机产生非正弦振动，在1#机基础上省略掉了齿轮减速机。

2#机则是采用微计算机计算产生结晶器振动的波形曲线（正弦或非正弦的），按要求将控制量同步送到各电机驱动器，由驱动器去驱动装在振动框架上的大功率数字电动缸，通过控制大功率数字电动缸的运行，再通过丝杆产生非正弦振动。

1#机振幅调整只有±3mm、±4mm两个挡，并且只能在停浇后才能调整，而2#机、3#机0-10mm可在线调整。

3.2 3台连铸机振动装置的优缺点：
相比于1#机的正弦振动方式，2#机、3#机的非正弦振动方式优势十分明显，具体表现在：非正弦振动具有上升时间比下降时间长的特点，即具有较长的正滑动时间，结晶器振动速度Vm拉坯速度Vc之间的速度差较小，增加了保护渣的消耗量，铜管与坯壳之间通过保护渣的润滑，摩擦较小，液态保护渣润滑范围向结晶器的出口扩展，从而可以减小坯壳中的拉应力，负滑动时间短，有利于减轻铸坯表面振痕深度，所以对于实现高速拉坯，2#连铸机、3#连铸机振动装置的非正弦振动方式在减少和控制拉断、漏钢等事故，改善铸坯表面质量，减小振痕深度等方面胜过1#连铸机振动装置的正弦振动方式。

参考文献：
[1]文芬周蓉二炼钢连铸设备操作、维护、检修规程 2012.5。