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连铸结晶器振动工艺参数研究和快捷模型开发
胡海红 卢伟佳 税琅 北京科技大学冶金和生态工程学院
摘要：为了确保连铸坯表面质量和脱模顺利，研究了和其相关连铸机结晶器多种基础参数和工艺参数关系和选择，并建立了相对有效和快捷选择结晶器多种参数模型，以供生产厂家及广大读者参考。
关键词：结晶器 负滑动 振幅 频率 拉速 振痕
1 序言
结晶器振动是为了改善结晶器润滑、避免粘结，预防拉漏，提升拉速，不过结晶器振动却是铸坯表面产生振痕。在振痕底部轻易产生横裂纹和其它相关缺点（如裹渣），很严重影响铸坯质量，增加生产成本，小方坯偏离角内裂和脱方也和振痕深浅相关，浅而均匀振痕能够降低偏离角内裂和脱方，所要设法降低振痕深度。结晶器振动方法经历了矩形速度规律—梯形速度规律—正弦速度规律和非正弦速度规律，现在关键有正弦振动和非正弦振动两种，通常小方坯关键还是用正弦速度规律。
选择正弦速度规律基础出发点是：打破结晶器和铸坯之间要有一定速度关系框框，着重发挥它脱模作用，而且用偏心轮替换凸轮。其规律关键以下：
（1） 结晶器和铸坯之间没有同时运动阶段，但仍有一小段负滑动，有利于拉裂坯壳“愈合”和脱模。
（2） 因为速度是按正弦曲线改变，所以加速度是按余弦曲线改变，使结晶器振动比较平稳。
（3） 因为加速度较小，能够采取较高频率振动，有利于消除坯壳粘结，提升脱模作用和效果。
（4） 正弦振动是用偏心机构来实现，比采取凸轮机构优越：加工制造轻易，润滑密封方便，运动精度高，易于采取高频振动。
正是基于上述优点和规律，它是现在中国外最广发使用一个振动规律。它在方坯，板坯和薄板坯连铸机上全部有很广泛应用。
非正弦速度规律是最近几年出现一个新型振动方法，其关键特点是：负滑动时间短，有利于减轻铸坯表面振痕深度；正滑动时间较长能够增加保护渣消耗量，有利于结晶器润滑；结晶器向上运动速度和铸坯运动速度差较小，能够降低结晶器施加给铸坯向上作用摩擦力，能够降低坯壳中拉应力，降低拉裂。然而因为非正弦振动方法比较复杂，工艺参数极难选择，不一样情况有很大差异，所以现在中国外最广泛使用还是正弦速度规律振动方法，尤其是在小方坯连铸机上更是如此，伴随近代工艺发展和进步，正弦速度规律已经趋于完善和成熟，本课题就是要把这些近于成熟理论整理出来，构建一个模型，方便能用户能依据自己生产情况方便查阅得到适合她们情况多种工艺参数。
2 模型建立
结晶器振动正弦速度曲线数学表示式为：
（1）
式中：
：结晶器运动速度，m/min；
：振动频率，min-1；
：振动冲程，也即振程，是振幅2倍，mm。
由上式能够知道结晶器振动速度完全取决于振幅（/2）和频率，所以振幅和频率是决定结晶器正弦振动运动参数或基础参数。
当结晶器向下运动速度大于拉坯速度时，结晶器里坯壳收到压缩，这种情况称之为负滑动。对于同一振幅和频率、拉速情况下，相关负滑动全部参数中独立参数只有负滑动率NS和负滑动时间tN，它们直接关系到铸坯脱模和表面质量，所以称之为工艺参数。
2.1 正弦振动工艺参数确实定
2.1.1 负滑动率NS
正弦振动负滑动率用下式表示：
（2）
=2/π
式中：
NS：负滑动率，%;
：拉坯速度，m/min；
：结晶器振动平均速度，m/min；
：结晶器振动最大速度，m/min。
代入上式可知，当=时结晶器中坯壳处于受拉和受压临界状态，此时负滑动率NS=36.34%。此值为负滑动率极限值，当＞时，即NS＞36.34%时，结晶器对坯壳不产生负滑动，当＜，即NS＜36.34%是产生负滑动。为了有效填补拉漏，经过负滑动对拉裂坯壳进行“愈合”，所以要求要产生负滑动。
2.1.2 负滑动时间tN
结晶器从最高位置开始向下运动，当结晶器向下运动速度大于拉坯速度时连续时间为负滑动时间tN
（3）
其中=/，mm×min/m
研究证实，振痕深度实际上是有负滑动时间长短控制，减小负滑动时间能够显著减小振痕深度，不过负滑动时间不能太短，以预防坯壳和结晶器之间发生粘结，据中国外相关文件，负滑动时间大多是在0.1s～0.25s。

如Error! Reference source not found.所表示：
对式（3）取不一样Z值能够画出负滑动时间随振动频率改变曲线，称之为负滑动时间曲线。由式（2）能够得NS=1－2/1000得出
=1000（1－NS）/2Z将此式代入式（3）可得
（4）
由式（4）能够看出，给定一组NS值能够画出一族tN～反比双曲线，也称之为负滑动等值曲线族。其中NS=2.4%时曲线经过负滑动时间曲线最高点，此时负滑动时间最大。

图表2.1负滑动时间曲线图
2.2 正弦振动基础参数确实定
合理工艺参数是经过基础参数正确或说合理选择来实现，也就是说正弦振动基础参数振幅和频率确实定应以取得最好而工艺参数为前提，以确保铸坯顺利脱模和取得质量良好铸坯。而通常认为，负滑动时间越小，振痕深度越小；但为了确保顺利脱模和避免拉漏，又要求负滑动时间不能呢个太小。
2.2.1 振幅
不一样钢种、断面所对应拉速是不一样，所以连铸机结晶器振动装置是可调。确定振幅最大值时要考虑到在最大拉速时也不能使Z值太小，在避免临界频率过大前提下，尽可能采取小振幅；确定振幅最小值时，则要考虑到最小拉坯速度时Z值不能太大，要取得较短负滑动时间。
2.2.2 频率
确定频率，关键要确保负滑动时间取电较小值，或说最好值。参看图（1）负滑动时间曲线族，为了便于控制和确保较低负滑动率，我们能够得到：不宜采取低频率，但也不能太高，要考虑到确保结晶器振动处于良好运动状态和受力状态。
同时振幅和频率选择还要考虑到保护渣消耗量，因为保护渣消耗量是确保植皮和结晶器之间润滑前提，尤其是对侵入式水口保护渣浇铸连铸机。总而言之，通常我们采取较高频率和较小振幅来满足上述要求，保护渣方面也能够经过降低保护渣粘度来提升结晶器和铸坯之间润滑。
2.3 正弦振动同时控制模型
浇铸过程拉速是会随工况改变而改变，拉速改变同时假如振动基础参数不变话，则肯定引发工艺参数改变，从而影响铸坯表面质量好而顺利脱模。所以拉速假如改变话，必需对应改变基础参数，拉速同频率、振幅对应关系称为同时模型。
2.3.1 拉速和频率之间匹配
频率和拉速匹配关系，不仅影响负滑动时间大小，还影响振痕深度和振痕间距大小，因为振痕间距只和频率和拉速相关，见下式：

式中为振痕间距，mm。
可见，振痕间距唯一取决于频率和拉速匹配关系。在确定频率和拉速匹配关系时，需要注意一个问题是，当拉速较低，负滑脱时间较长，振痕较深时，振痕间距不可过小。频率和拉速匹配关系通常表示式为：

式中、、均为常数。
分析：当=0，=1时，随值不一样，振痕间距取不一样恒定值，不过这种状态仅适合于一定拉速区间，存在很多不足。当=0时，伴随不一样（取=100时），能够得到一系列-曲线图，以下Error! Reference source not found.所表示。由图可知，在
低拉速情况下，因为振痕较深，应使振痕间距尽可能大部分，以确保铸坯表面质量，所以应使＞1；而在高拉速情况下，控制坯壳粘结是关键问题，通常使＜1。但据前辈们研究，克服了传统模型即模型存在当增大时会造成tN过小从而不能确保顺利脱模缺点，加入常数项得，能克服上述缺点。伴随科技发展，模型问世，该模型关键特点是频率伴随拉速增大而降低，关键优点是负滑动时间近似于常数，从而正滑动时间增大。它能够在整个浇铸过程中取得良好、稳定铸坯表面质量，而且因为保护渣消耗量是拉速减函数，正滑动增函数，所以它还能够在整个浇铸过程中保持适宜保护渣消耗量，使坯壳在结晶器中取得良好润滑。

图表2.2=0、=100时-曲线族
2.3.2 振幅和拉速匹配关系
其它条件不变，随振幅减小，结晶器振动最大速度变小，渣道所受压力减小，而负滑脱时间也变小，振痕深度减小，但因为因为受负滑脱时间率限制，振幅调整范围有限。同时振幅、频率和拉速还要确保保护渣消耗量，总而言之，要减轻振痕，我们就要：增大振动频率、减小振幅、合适地提升拉坯速度和保护渣黏度，并注意各参数之间匹配。
3 模型计算
3.1 负滑动率,负滑动时间和临界频率计算
负滑动率
结晶器振动平均速度
=2/1000
则负滑脱率为

2、负滑动时间

临界频率
=1000/3.14Z
Z值(振动冲程和拉速比值)
=/
依据以上对负滑脱时间、负滑脱率和极限频率进行计算结果我们要先判定是否满足下列要求：
负脱率取值区间为NS=0.2至-2.4；
负滑脱时间最好值为0.1s。时间过短对脱模不利，摩擦增大；时间过大，振痕加深，影响表面质量；
Z值和临界频率成反比关系，Z之不能太小，不然会造成临界频率太高，从而会影响负滑动时间偏低，影响脱模。（见Error! Reference source not found.）
3.2 参数调整
经过负滑动时间曲线图，能够看出负滑动时间全部有最高点，经计算可知此点负滑动率NS=0.024，以后伴随频率提升，负滑动时间越来越小，尤其是当Z<3时负滑动时间均<0.1s，负滑动时间较短。在这种情况下，为了确保良好润滑，满足正常脱模，必需采取相对大负滑动时间。
1、最大负滑动时间公式为
max=0.0336657/
由上述公式可知，首先应确定振幅，才能计算出最大负滑动时间，然后再推算出对应频率。
2、振幅确实定
首先从负滑动时间曲线图可知，Z值过小时，会造成临界频率过大，必需采
用更高振频，不过负滑动时间越来越小；Z值过大(大于4时)，频率微小改变会引发很大改变，就会造成在实际操作中较难控制，且易产生振痕等缺点。调整标准：在满足最大拉坯速度时不使Z值过小前提下尽可能减小振幅。同时考虑到在最小拉速时也不使Z值过大以取得适宜负滑动时间。
以下是我们依据河南安阳钢铁企业二炼轧厂六流小方坯连铸机相关数据，并在满足以下标准情况下：在满足最大拉坯速度时不使Z值过小前提下，尽可能采取小振幅，也要满足临界频率较低，同时能满足拉速要求。处理数据以下表所表示
表格 3.1振幅选择和Z值和临界频率关系
项 目
断面/mm
振幅/mm
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
临界频率
/次/min
120
182
159
141
127
116
150
114
110
88
80
72
Z值
120
1.75
2.0
2.25
2.50
2.75
150
2.8
3.2
3.6
4.0
4.4
3.3 选择平均拉速时频率
标准
（1）确保一定负滑脱率，负滑脱率应满足NS=0.20～2.4，
（2）为确保脱模，负滑动时间尽可能大
方法：依据选择振幅和平均拉速来计算最大负滑动时间和负滑脱率，再推算出对应频率。
最大负滑动时间可有公式 max=0.0336657/计算得到
当负滑动时间最大时，负滑脱率NS=0.024，频率可有公式=1000(1-NS)/2Z求得。
3.4 选择振动模式
在通常情况下
当≤3.0m/min时，采取或振动模式
当>3.0m/min时, 采取振动模式
、为经验数据，依据各个工厂具体情况而选择。其选择依据在于，首先在正常浇钢时，负滑动时间随拉速改变较平缓，其次要避免起步时高振频。
参考文件
[1] 李宪奎，张德明．连铸结晶器振动技术。冶金工业出版社
[2] 漆鑫，唐萍，文光华等。结晶器振动参数对连铸坯表面质量影响。特殊钢9月，第25卷第5期
[3] 张洪波，陈建波。频率和拉速匹配关系对振痕影响。河北冶金，1999年第5期
[4] 孙华平，倪红卫，张华工艺参数对连铸坯表面振痕深度影响8月第31卷第4期