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T N控制铸坯表面的振痕深度，即两者呈增函数关系。T N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T N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V C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V C和振幅S时，不同α所对应的t N – f 曲线。可见α增加，t N – f 曲线左移。图2为对应图1中某一t N值时，不同α和f 下的结晶器振动速度V m– 时间t曲线。

这些曲线的特点是， V m ≤0时，V m – t 曲线完全相同；当V m ＞0时，随α各f 的不同，V m – 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t N – f 曲线保持不变。上述问题则可表述为： 一定的V C 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。

图1 波形偏斜率对负滑脱时间的影响

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T D 与α及结晶器振动周期T 的关系如式（1）：

T

（1） 2/)1(T D α−= 由式（1）可得式（2）：

α （

2） T T D /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，t N – 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，t N ≤0；当f 0＜f ≤f 1 时，f 增加，t N 增加，而且变化很大；当f ＞f 1 时，f 增加，t N 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t N – 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P m 与振痕深度同样对铸坯表面质量有极大的影响，增加P m 可以改善铸坯表面质量。P m 可由式（3）表示。

f Vc P m /=

（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t N ＞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） ∫−=21)(t t c m dt V V NSA

式中 V m —结晶器下振的速度；

t 1 —负滑脱开始时间；

t 2 —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，T N 可表示为：

t （6） )2/(cos /601Sf Vc f N ππ−×= 为使t N ＞0，应有：

2＞Vc （7） Sf π 式（7）为结晶器正弦振动参数的取值限度，即在一定的V c 和S 的条件下，f 总有一个最小的取值要求。

由式（7）可得

f Vc P m /=＜

（8） S π2 可见，采用正弦振动，P m 总有一个取值上限2πS 。为增加P m 而增加S ，势必会使t N 增加而增加振痕深度，即控制振痕深度与控制P m 是矛盾的。一般认为P m ≥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） [Sf V f C N παπα2/)1(cos /)1(601−×−=−]

为使t N ＞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T N ，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T N 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Q m 为：

NSA L K Q m 1=

（11）

式中 K 1—比例常数；

L —铸坯的边长。

而其所要润滑的铸坯表面积S m 为：

S （12） f Vc L P L m m /==

单位面积的保护渣消耗量Q 则为：

（13） Vc NSAf K S Q Q m m //1== 为防止坯壳粘结，要求Q ＞一定的数值Q 0，即Q ≥Q 0，则有