[科普中国]-结晶器振动装置

简介

结晶器是连续铸钢中的铸坯成型设备，是连铸机的核心部件，称之为连铸机的心脏设备。它是一个水冷的钢锭模，功能是将连续不断地注入其内腔的高温钢水通过水冷铜壁强烈冷却，导出其热量，使之逐渐凝固成为具有所要求断面形状和坯壳厚度的铸坯。并使这种芯部仍为液态的铸坯连续不断地从结晶器下口拉出，为其在以后的二次冷却区域内完全凝固创造条件。由于凝固过程是在坯壳与结晶器壁连续、相对运动下进行的，所以为防止坯壳与结晶器壁粘结而采用的结晶器振动装置是连铸过程中的一个非常重要的生产装置。

结晶器振动装置可用来支撑结晶器，其主要功能是使结晶器上下往复振动，确切地说，是使结晶器按给定的振幅、频率和波形偏斜特性沿连铸机半径作仿弧运动，使脱模更为容易。具体来说，连铸过程中，当铸坯与结晶器壁发生粘结时，如果结晶器是固定的，就可能出现坯壳被拉断造成漏钢。而当结晶器向上振动时，粘结部分和结晶器一起上升，坯壳被拉裂，未凝固的钢水立即填充到断裂处，开始形成新的凝固层；等到结晶器向下振动，且振动速度大于拉坯速度时，坯壳处于受压状态，裂纹被愈合，重新连接起来，同时铸坯被强制消除粘结，得到“脱模”。同时，由于结晶器上下振动，周期性地改变液面与结晶器壁的相对位置，有利于用于结晶器润滑的润滑油和保护渣向结晶器壁与坯壳间的渗漏，因而改善了润滑条件，减少拉坯摩擦阻力，防止铸坯在凝固过程中与结晶器铜壁发生粘结而被拉裂，从而出现粘结漏钢事故1。

结晶器振动方式目前，结晶器振动主要有正弦振动和非正弦振动两种方式。

正弦振动，即振动的速度与时间的关系为一条正弦曲线。正弦振动方式的上下振动时间相等，上下振动的最大速度也相同。在整个振动周期中，铸坯与结晶器之间始终存在相对运动，而且结晶器下降过程中，有一小段下降速度大于拉坯速度，因而可以防止和消除坯壳与结晶器内壁间的粘结，并能对被拉裂的坯壳起到愈合作用。另外，由于结晶器的运动速度是按正弦规律变化的，其加速度必按余弦规律变化。所以过渡比较平稳，冲击较小。短臂四连杆振动机构和四偏心振动机构可实现正弦振动。

非正弦振动，结晶器振动速度随时间变化的规律不是正弦曲线的都称为非正弦振动。结晶器向上振动时间大于向下振动时间，缩小了铸坯与结晶器向上振动之间的相对运动速度。目前，随着高速铸机的开发，拉坯速度越来越快，造成结晶器向上振动与铸坯间的相对运动速度加大，特别是高频振动时此速度更大。由于拉速提高后结晶器保护渣用量相对减少，坯壳与结晶器壁之间发生粘结而导致漏钢的可能性增加。为了解决这一问题，除了使用新型保护渣外，另一个措施就是采用非正弦振动2。

三种振动机构的原理及应用短臂四连杆振动机构由于其结构简单，便于维修，能够较准确地实现结晶器的弧线运动，有利于铸坯质量的改善，所以广泛应用于现代连铸机上。小方坯连铸机上，常采用短臂四连杆振动机构，且一般安装在内弧侧；而在矩形坯及大板坯连铸机上，常采用短臂四连杆式振动机构，并安装在外弧侧，其工作原理是由电机通过减速机经偏心轴的传动，使拉杆作往复运动，带动连杆摆动，连杆随之摆动，使振动框架能按弧线轨迹振动。

实际应用中，常把部分刚性杆改为弹簧钢板，可以消除振动过程结晶器的水平摆动，使得振动只能作弧线摆动。

但该机构在板簧与振动台架及板簧与振动底座的连接结构上存在弊端，两处均用螺尾锥销定位，并用螺栓连接，其优点是定位精度高，便于拆卸，但销孔需铰制，螺尾锥销制造不便，而且板簧和调整座都是在斜面上加工销孔及螺栓孔，操作不方便。更关键的是，安装时有锥销定位，不仅要求板簧上销孔位置精度高，而且振动台架与振动底座相对位置固定，影响振动装置的在线调整，从而影响振动轨迹，不能保证铸坯质量。

分析以上不合理的结构因素，作了以下的改进。修改了压板结构，避免了在斜面上加工孔。定位销采用弹性圆柱销，销孔可不铰制，互换性好，可多次装拆，而且具有弹性，装入销孔后与孔壁压紧，不易松脱。定位销不再与振动底座连接，只把压板、板簧和调整座连接起来，而且调整座与振动底座之间用T 形槽用螺栓连接，不仅实现板簧的定位，而且可方便地调整振动台架的相对位置，便于合理安装、调节振动装置，从而实现结晶器随振动台架的弧形运动，达到较好的振动效果，而保证铸坯质量3。

四偏心振动机构其优点是结晶器振动平稳，无摆动和卡阻现象，适合于高频小振幅，但结构较复杂。一般是传动系统带动偏心轮连杆机构来实现正弦振动。

与传统结构比较，无偏心轮机构，只采用偏心轴就可实现其工作过程。包钢5# 连铸机就采用了该型式结晶器振动装置，达到了良好的振动效果。

电动机通过万向接轴带动中心减速机，由膜片联轴器带动两侧的分减速机，每个减速机各自带动偏心轴，通过装在偏心轴上的连杆带动振动框架，偏心轴在连杆 的位置处具有同向偏心点，但偏心距不同（由铸机圆弧半径及振动机构结构尺寸决定，可通过作轨迹精确确定）。结晶器弧线运动是利用两条板式弹簧，一头连接在振动框架上，另一头连接在机架上来实现的。这种板式弹簧使得振动台只能作弧线摆动，不会前后移动。由于结晶器振幅不大，两根偏心轴的水平安装，不会引起明显的误差。

该机构的缺点是不能在线调节振幅。目前，国外有采用在偏心轮上安装蜗轮蜗杆装置来实现在线调节振幅的功能2。

液压振动机构一般由两个振动单元组成，分别布置在连铸机内弧侧和外弧侧。

结晶器安装在振动台架上，两根板簧连接在振动台架与固定框架之间，板簧对结晶器起导向定位和蓄能作用。油缸杆与平衡弹簧通过连接装置与振动台架相连，振动台架由平衡弹簧支撑。液压缸设有压力、位移传感器，用于液压系统的反馈与控制，由比例伺服阀控制，液压缸不受弯扭力矩，仅承受轴向载荷。振动信号通过比例阀控制油缸的动作，带动振动台架上的结晶器进行振动，液压缸与结晶器刚性直连，因此液压缸的位移可视为结晶器的振动位移，结晶器振动时的平衡点可以微调。由于工作时油缸的实际振幅较小（±10mm），振动中平衡点的位置对系统固有频率影响较小，因此可以认为油缸的振动特性直接反应结晶器的振动特性。液压振动的信号由中控室计算机通过PLC 9 系统来控制。液压振动的核心控制装置是比例阀。振动所需的参数根据实际需要确定，PLC控制一方面根据铸机的运行状态控制比例阀动作，确定振动的设定频率和振幅；另一方面用油缸的位置反馈信号来修正振幅和频率，达到控制结晶器振动的要求。只要改变振动的参数即可改变振动波形、振幅和频率3。

总结结构简单，便于维修的四连杆振动机构及振动平稳，无摆动和卡阻现象的四偏心振动机构可实现正弦振动，能够较准确地完成结晶器的弧线运动，有利于提高振动频率，减小振痕，改善铸坯质量，是传统连铸中广泛采用的结晶器振动装置。但传统的机械振动装置存在着机械结构复杂，振动方式单一，振幅调节困难，控制精度差，位移及力信号采集困难等缺陷，难以适应高效连铸生产的要求。

随着传统连铸的高效化生产（高拉速、高作业率、高连浇率、高质量）的进步，特别是高速连铸的发展，新型结晶器及新的结晶器冷却方式，新型保护渣，结晶器非正弦振动正在逐渐采用。液压非正弦振动系统的一个重要特点是可以准确可靠地对液压缸的位移和输出力等信号进行实时采集，这为连铸结晶器瞬态摩擦力的检测提供了有利条件。连铸结晶器摩擦力是连铸生产过程中的重要参数之一，它表征着连铸坯壳与结晶器内壁间的润滑状态和相互作用，对铸坯的表面质量和连铸生产率有着直接的影响。

新近独立设计与自主研发的液压非正弦振动装置可以保证高速连铸条件下有良好的润滑和最小的摩擦力，可以在线调整振动频率、振幅、波形偏斜率等参数，最终得到满足工艺要求的结晶器振动轨迹，使铸坯振痕变浅，达到了改善铸坯表面质量的目的；大大减少了连铸过程中事故的发生频率，降低了工人的劳动强度；此外，液压振动还具有运动精度高，使用寿命长，拆装方便等优点，是较理想的新型先进的结晶器振动装置。该装置已在实际生产中得到了应用，大多钢厂新上的连铸机多采用液压振动装置，有些改造项目中也在采用，例如在莱钢特钢大方坯连铸机改造中采用了我公司开发的液压振动装置，使用效果很好，提高了铸机拉速，大大降低了由振动装置引起的漏钢事故，保证了铸坯质量3。