[科普中国]-连铸结晶器振动技术

介绍

结晶器振动是连铸技术的一个基本特征。连铸过程中，结晶器和坯壳间的相互作用影响着坯壳的生长和脱膜，其控制因素是结晶器的振动和润滑。连铸在采用固定结晶器浇注时，连铸直接从结晶器向下拉出，由于缺乏润滑，易与结晶器发生粘结，从而导致出现拉不动或者拉漏事故，很难进行浇注。结晶器振动对于改善铸坯和结晶器界面间的润滑是非常有效的，振动结晶器的发明引进，工业上大规模应用连铸技术才得以实现。可以说，结晶器振动是浇注成功的先决条件，十年来发展的重要里程碑。近年来，冶金工业的迅速发展，要求连铸提高拉速和增加连铸机的生产能力，人们对结晶器振动的认识也在不断深入和发展。

连铸机结晶器振动的目的是防止拉坯时坯壳与结晶器黏结，同时获得良好的铸坯表面。结晶器向上运动时，减少新生坯壳与铜壁产生黏着，以防止坯壳受到较大的应力，使铸坯表面出现裂纹；而当结晶器向下运动时，借助摩擦，在坯壳上施加一定的压力，愈合结晶器上升时拉出的裂痕，要求向下运动的速度大于拉坯速度，形成负滑脱。结晶器壁与运动坯壳之间存在摩擦力，此摩擦力被认为是撕裂坯壳进而限制浇注速度的基本因素。在初生坯壳与结晶器壁之间存在液体渣膜，此处的摩擦为黏滞摩擦，即摩擦力大小正比于相对运动速度，渣膜黏度，反比于渣膜厚度。在结晶器振动正滑脱期间摩擦力及其引起的对坯壳的拉应力就较大，可能将初生坯壳拉裂，为此开发了采用负滑脱的非正弦振动技术来减小这一摩擦力。理论研究及模拟实验表明，适当选择非正弦振动参数(偏斜率)可减小摩擦力50% ~60%。

在结晶器液压伺服非正弦振动出现之前都是采用机械式振动装置的，机械式的振动装置由直流电动机驱动，通过万向联轴器，分两端传动两个涡轮减速机，其中一端装有可调节轴套，涡轮减速机后面再通过万向联轴器，连接两个滚动轴承支持的偏心轴，在每个偏心轮处装有带滚动轴承的曲柄，并通过带橡胶轴承的振动连杆支撑振动台，产生振动。机械振动一般采用正弦曲线振动，振动波形、振幅固定不变。

与机械振动相比，板坯连铸机的液压振动装置具有一系列优点：振动力由两点传入结晶器，传力均匀；在高频振动时运动平稳，高频和低频振动时不失真，振动导向准确度高；结构紧凑、简单，传递环节少，与结晶器对中调整方便，维护也方便；采用高可靠性和高抗干扰能力的PLC控制，可长期保证稳定的振动波形；可改变振动曲线，并可在线设定振动波形等，增加了连铸机可浇钢种；改善铸坯表面与结晶器铜壁的接触状态，提高铸坯表面质量并减少黏结漏钢。2

在20世纪30年代连续铸钢发展初期，最先使用的是固定式结晶器。在试验过程中，由于金属与内壁粘结，使拉坯过程不断出现拉漏(钢)事故。为了防止坯壳与内壁粘结，要解决对结晶器内壁的润滑。经多种试验，如采用间断拉坯，不断往结晶器中注油;采用石墨结晶器等都未取得明显效果。直到40年代初，容汉斯(S.Junghans)和罗西(I.Rossi)把有色金属连铸中应用的结晶器振动方式引入到连续铸钢，才得以试验成功，并使在工业中大规模应用连铸技术成为现实。结晶器振动首先是确定结晶器的振动方式，再据此选定结晶器振动机构和振动参数。

振动原理及方式无论是立式连铸机还是弧形连铸机，按结晶器振动的发展过程均采用过同步振动、负滑脱振动和正弦振动等振动方式。结晶器振动的运动动力在早期是采用凸轮机构实现，相应的振动方式为同步式和负滑式。由于凸轮加工困难，且同步式和负滑式振动有较大的冲击，因之发展了依靠偏心轮机构实现的正弦式振动方式。偏心轮加工容易，并可调节振幅和频率，而得以广泛使用。随着对连铸工艺要求的提高，又发展了非正弦式振动，它是采用液压缸来实现的。液压振动的优点是可靠、灵活，可根据浇铸条件选择所需的振动方式。

同步振动最早采用的一种振动方式，按其同步振动的曲线形状称为云岗式振动。其振动曲线如图1中曲线1所示。若设v为拉坯速度，vm为结晶器的振动速度，v1为结晶器的上升速度，v2为结晶器的下降速度，则同步式振动时应满足：

也即是说，结晶器下降时与铸坯同步，然后以3倍的拉速上升，如此往复振动。这种振动方式的优点是能够满足连铸工艺要求，实现同步运动；缺点是用机械连锁或用电气控制来实现严格的同步要求，装置都比较复杂，速度变化时机构中冲击力也较大。

负滑脱振动同步振动的一种改进型式，也称“负滑脱”(图1中曲线2)即

v2=v(1+ε)

式中ε是负滑率。采用凸轮机构时取ε=10%左右，v1=(2.8～3.2)v；采用偏心轮时取ε=20%～40%。采用负滑动振动，结晶器下降时对坯壳有压合作用，有利于拉裂坯壳的愈合，并可适当提高拉速。

正弦式振动其振动速度按正弦规律变化。(图1中曲线3)这种振动方式的速度变化平稳、无冲击；能有效实现负滑动，可适当提高拉速；易于改变振动频率和振幅，实现高频率小振幅的要求，以改善铸坯表面质量；用偏心轮实现振动，结构简单，易于制造且安装、维修方便。

非正弦式振动这种振动方式的结晶器上振动速度慢，上升时间长，下降速度快，下降时间短。其效果是对坯壳的压合时间短，结晶器与坯壳间的摩擦阻力小。非正弦式振动，用液压振动机构实现。振动方式确定之后，要选择结晶器振动的结构型式。任何振动机构都必须满足两个基本条件：(1)使结晶器准确地沿着一定的轨迹振动；(2)使结晶器按要求的振动方式振动。

结晶器的振动与润滑的关系结晶器振动的重要影响主要是对润滑和振动痕迹形成的作用。振动的同时要求提供结晶器润滑，两者的共同作用是减小坯壳和结晶器壁间的摩擦力，以得到最好的表面质量和防止粘结漏钢的最佳安全性。如前所述，结晶器振动对于改善结晶器壁间的润滑是非常有效的，但对于结晶器振动如何影响结晶器保护渣的消耗和保护渣的润滑作用，其机理并不十分清楚。早期的研究曾提出一个负滑脱期间保护渣流入量的模型，但是随后的试验结果表明，保护渣消耗量是正滑脱时间的增函数，图4示出了保护渣消耗量与正滑脱时间的关系。可见，对于振动结晶器，正滑脱时间越长，保护渣消耗量越大，由此也引起了大量的争论。反映振动参数对保护渣消耗的影响。

结晶器振动参数设置结晶器振动的主要参数有两类:一类为基本参数，包括振频、振幅与波形偏斜率；另一类为工艺参数，包括负滑脱时间、负滑脱时间率和正滑脱时间。 结晶器振动参数的影响:结晶器振动的负滑脱时间控制铸坯表面的振痕深度，两者呈函数关系。负滑脱时间越长，振痕越深； 保护渣的消耗量与结晶器振动的正滑脱时间呈正函数关系，正滑脱时间越长，保护渣消耗量越大； 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。 设置不同的参数可以得到不同的振动曲线，为获得良好的结晶器振动工艺效果，同时考虑到振动装置所承受的冲击力，保证振动装置的稳定性和使用寿命。

振动波形的设定具体原则是在一定的振幅、振频及波形斜率的条件下：第 结晶器下振的最大速度Vm尽可能大； 结晶器上振的最大速度尽可能小； 结晶器的加速度应连续变化，且最大加速度am应尽可能小； Vm/am应尽可能大，即尽可能小的am实现尽可能大的Vm。