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连铸结晶器振动技术的发展及应用

郭世晨^①

(首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山 063210)

摘 要：连铸结晶器振动装置的发展是随着人们对连铸工艺技术认识的不断深入而不断发展的过程。由于对振动曲线提出的不同要求，从而应运出不同形式的振动装置。重点介绍了京唐公司连铸液压振动的特点及应用。

关 键 词：结晶器振动装置；振动曲线；滚动单元；非对称正弦曲线

1 概述

通过结晶器的振动可以保证在浇铸过程中板坯与结晶器铜壁不发生粘结，并获得良好的铸坯表面质量。通常认为，结晶器振动的作用有如下两个特点：

1)防止铸坯在凝固过程中与结晶器铜壁发生粘结而出现坯壳拉裂或漏钢事故。在结晶器上下振动时，按振动曲线周期性地改变钢液面与结晶器铜壁的相对位置，对坯壳有一个强制脱模的作用，并使得拉漏的坯壳在结晶器内部得以焊合。

2)减小拉坯阻力及改善铸坯表面质量。在结晶器振动过程中，通过保护渣在结晶器铜壁的渗透可以改善其润滑条件，防止高温凝壳与结晶器铜壁的粘结，同时减少了拉坯时的摩擦阻力及改善了铸坯的表面质量。

2 结晶器振动技术的发展

由于人们对结晶器振动技术认识与理解的不同，结晶器振动技术经历了四个发展阶段：

2．1 同步振动

同步振动的特点是结晶器向下振动时，其速度与其拉坯速度相等，即同步(如图1中曲线1)。

若设V为拉坯速度，V_m为结晶器振动速度，V₁为上升速度，V₂为下降速度，则同步振动应满足以下条件：V₁=3V；V₂=V同步振动的优点是：结晶器下降时与铸坯实现同步运动，使拉裂的坯壳在此阶段得以愈合，其愈合时间大约占整个运动周期的75%；然后铸坯以3倍的拉速上升。由于振动减少了拉坯阻力，漏钢事故减少，铸坯质量有所改善。

为实现此振动曲线采用了机械凸轮机构式振动装置，但凸轮加工制造比较麻烦，同时要求振动机构必须与拉坯速度实行严格的同步联锁，另外当结晶器由往下振动转为往上运动的转折处加速度过大，理论上为无穷大，机构中会产生相当大的冲击，严重影响结晶器振动的平稳性，对铸坯质量和设备的运转都不利。因此，现已不再采用。

2．2 负滑动振动

负滑动振动是指当结晶器往下振动时，其速度大于拉坯速度，形成负滑动(如图1中曲线2)。即：V₂=V(1－N_S)而往上振动时，取V₁=2．8～3．2V₂式中N_S为负滑动率，说明结晶器平均下降速度大于拉速，产生负滑动。负滑动振动的特点是：结晶器先以比拉速稍高的速度下降一段时间出现负滑动或负滑脱。此时坯壳处于受压状态，既有利于强制脱模又有利于断裂坯壳的压合。然后再以较高的速度上升，克服了同步振动时产生较大加速度的缺点。结晶器在下降或上升过程中都有一段稳定运动时间，有利于坯壳的生成和裂纹的愈合。

为实现此振动曲线同样采用了机械凸轮机构式振动装置，当结晶器由往下振动转为往上运动的转折处速度的变化较同步式有所缓和，结晶器振动的平稳性有所改善。但由于还存在拐点，不能实现平滑过渡。

2．3 正弦振动

结晶器振动时的运动速度随时间的变化呈一条正弦曲线。其特点是：结晶器在整个振动过程中速度一直是变化的，即铸坯与结晶器时刻都存在相对运动。在结晶器下降过程中有一段负滑动，能防止和消除粘结，具有脱模作用；另外，由于结晶器的运动速度是按正弦规律变化的，加速度必然按余弦规律变化，所以过度比较平稳，冲击力也较小。

为实现正弦振动曲线，人们设计出多种形式的振动装置。较为典型的包括以下四种。

2．3．1 短臂四连杆振动机构

由于短臂四连杆振动机构的连杆长度较短，因此结晶器运动的轨迹精度受温度、载荷及加工误差的影响较小。另外其结构简单，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，其工作原理如图2所示。由电机通过减速机经偏心轴的传动，使拉杆3作往复运动，带动连杆4摆动，连杆5随之摆动，使振动框架2能按弧线轨迹振动。

其主要缺点是各杆件只做摆动运动，轴承易形成局部磨损。特别是在高频小振幅的条件下，磨损更加严重。

2．3．2 板簧四连杆振动机构

为克服短臂四连杆机构中局部磨损严重的问题，人们将短臂四连杆中刚性杆改为弹簧钢板，可以消除振动过程中由于轴承位磨损严重造成结晶器的水平摆动，使得振动只能作弧线摆动。如图3所示，是传统连铸机上采用板簧的四连杆振动机构。

2．3．3 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。图4是实际应用中采用的一种结构原理图。

2．4 非正弦振动

对于传统的正弦振动来说，其特性完全取决于振幅和振动频率两个独立的振动参数。当波形调节能力小时难以满足上述要求。而非正弦振动的最大特点是上升时间比下降时间长，因而加大了保护渣的消耗量，使结晶器弯月面附近的液体摩擦力减少，可以得到表面质量优异的铸坯，能满足连铸生产的要求。

非正弦振动曲线大致可分为三角形振动波形、三角多项式波形、普通的非正弦波形和改进的非正弦波形等。

随着液压伺服系统的发展及应用到结晶器振动机构中，使得非正弦振动曲线得以实现。结晶器液压振动是通过一套高精度的液压伺服系统来实现的，其机械部分包括两个独立伺服阀控制的液压缸，通过液压缸运动来控制结晶器在预设的频率、行程和波形下振动。

3 京唐公司板坯结晶器液压垂直振动机构的特点及应用

3．1 基本组成

结晶器振动装置主要由4部分组成：结晶器支撑台、运动部件、滚动元件和振动液压缸，其结构如图5所示。由图5可知，结晶器支撑台是一个重型装置，安装在结晶器支撑台架上。运动部件安装在结晶器支撑台的上部，二者通过液压缸及滚动元件的导向装置直接相连，它为结晶器提供安装面，也为冷却水提供接口。滚动元件用于导向运动部件，通过导向，可使结晶器只作垂直运动，该元件是由Danieli Davy Distington研发的专利产品，是结晶器无弹簧导向的进一步演变。振动液压缸安装在结晶器支撑架内部，为获得快速动态响应，每个缸都装有一套伺服阀。

3．2 振动装置特点

结晶器对振动机构的要求主要有两点：一是使结晶器按一定的速度规律振动，二是使结晶器准确地沿着一定的轨迹振动。

1)该振动装置采用双液压缸直接驱动，可实现正弦和非正弦振动曲线以及自定义振动曲线，可随时调整振频和振幅等参数。具有结构简单，零件较少，便于维护，但对液压缸的同步运动要求较高。为实现两液压缸同步运动，每台液压缸上配有一套位置传感器及伺服控制阀。首先通过控制系统设定两个液压缸的同一参考基准点，把此数值传入伺服控制阀，从而控制液压缸的运动；当液压缸运动时，位置传感器会反馈液压缸的当前位置给同步器，当两液压缸不作同步运动时，通过调整偏差，把相应数值传给伺服控制阀，直至液压缸的同步精度在0．1mm以内。为提高液压缸的响应速度，将伺服阀直接装在液压缸上。

2)振动装置采用滚动元件导向形式，真正实现了结晶器的垂直运动轨迹。该振动装置具有振动精确、稳定、高的振动频率、小的振动质量等特点，从而可确保良好的铸坯表面质量，见表1和图6。

3．3 振动参数的选择及应用

与结晶器振动有关的振动参数主要有：振幅和频率，这是决定结晶器运动的振动参数，称为结晶器振动基本参数，另外与“负滑脱”相关的振动参数如负滑动率N_S、负滑脱时间t_N，由于这些负滑脱参数直接关系到铸坯的脱模和铸坯的质量，所以负滑脱参数被称为工艺参数。

3．3．1 负滑脱时间与振幅和频率的关系

(图7)结晶器振动时，只有当结晶器振动速度V_m大于拉坯速度V时才出现负滑动。负滑脱是指在一个振动周期内，结晶器向下的运动速度比铸坯向下的运动速度(拉速)要快的时间，在负滑脱期内，凝固坯壳将受压而使被拉裂的坯壳加以“焊合”，起到防止拉漏的作用，所以在结晶器振动时应有一定的负滑脱时间，但过长的负滑脱时间反而会使铸坯的表面质量变坏。在拉速一定时，负滑脱时间的长短是由结晶器振动的频率和幅度决定的。

式中 t_N—负滑脱时间；

V_c—拉坯速度；

f—振动频率；

h—振幅。

通过tN－f曲线可以看出，当振动频率f较低时，振幅和拉速的变化对负滑脱的影响很大，而且振动频率的波动对负滑脱时间也有很大影响；但当振动频率提高到一定值后，振幅、拉速、振动频率的变化对负滑脱时间几乎没有影响，负滑脱时间也趋于相同。

随着振动频率提高后，负滑脱时间变短且趋于稳定，但当振动频率提高到一定值后，振幅、拉速、振动频率的变化对负滑脱时间的影响几乎没有，负滑脱时间也趋于相同。因此说，振动频率提高后，负滑脱时间变短且趋向稳定。

3．3．2 结晶器振动参数

对铸坯质量的影响由结晶器振动在铸坯表面形成的横向痕迹称为振痕。振痕深度是衡量铸坯表面质量的重要标准之一，过深的振痕会造成铸坯表面裂纹和成分的偏析。大量的实验表明，振痕深度与负滑脱时间有关，负滑脱时间越短，振痕深度就越浅。得到这样的结论，缩短负滑脱时间、降低振幅和提高振动频率均可以减少铸坯的振痕，有利于脱模和防止粘结性漏钢，同时也可改善铸坯质量。

本连铸机结晶器振动常采用的振幅范围为2～10mm，频率范围为25～400次/min。

3．3．3 非正弦振动的应用

与结晶器正弦振动相比，结晶器非正弦振动随时间变化的振幅最大值有一段滞后，正是这段时间上的滞后，使结晶器上升速度较小而移动时间较长。这样即可保证结晶器与坯壳反向运动时，由两者速度差决定的摩擦力小于正弦振动的摩擦力。同时，在结晶器下移过程中，非正弦振动下移速度快而移动时间短，其负滑脱时间比正弦振动时更短。这有利于进一步减小振痕深度，且在负滑脱期间，结晶器相对坯壳下移动距离等于甚至大于正弦振动时的下移距离，从而保证对坯壳的压合效果。

非正弦振动可看作由正弦振动演变而来，对于其波形的非对称性，通过下式加以定义：

As=tu/tt×100

式中As—非对称性，%；

tu—一个振动周期内上行程时间，s；

tt—一个振动周期总时间，s。

本连铸机结晶器按不同波形振动时，其波形最大非对称度各异，正弦波最大非对称性可达75%，在正常生产条件下，一般采用非对称性为60%。

图8是2#连铸机在浇注包晶钢时使用非正弦振动曲线。

4 结晶器振动技术未来发展方向

高拉速和高质量的铸坯是今后不断追求的目标。研究表明，采用高频振动有利于提高拉坯速度，而且提高拉速还有利于减少振痕，提高铸坯质量。目前，液压伺服系统的应用大大提高了振动频率，要想进一步提高振动频率，还需在以下两方面提高：1)提高液压缸精度及伺服系统反应速度；2)提高振动台导向装置的精度及使用寿命。

参 考 文 献：

[1]   李宪奎，张德明等．连铸结晶器振动技术[M]．北京：冶金工业出版社，2000．

[2]   张兴中，李宪奎，刘庆国，等．结晶器非正弦谐振技术的开发与应用[J]．钢铁，2005，Vol．40(8)：33－37．