摘要：介绍了武钢三炼钢的结晶器液压正弦／非正弦振动技术，对非正弦振动与正弦振动的特点进行了对比。对VAI提供的振动参数之间的关系进行了研究和优化调整，降低负滑脱时间，明显减少了振痕深度和改善了铸坯表面质量，同时增加正滑脱时间，降低了粘连漏钢的风险，提高了操作安全性。

关键词：非正弦振动；参数优化；铸坯表面质量

武汉钢铁(集团)公司第三炼钢厂(以下简称三炼钢)新建的3号连铸机为直弧型双流宽板坯连铸机，该铸机于2003年8月30日开工投产，结晶器振动采用奥钢联结晶器液压正弦／非正弦振动技术。随着生产的品种逐步增多，VAI提供的振动参数对于低碳钢的生产较适应，但是对中碳钢和包晶钢的生产并不能适应，特别是2004年初一段时间里，中碳钢和包晶钢铸坯表面出现较深的振痕，有时深振痕的波谷处伴随着横向裂纹。因此，我们对其结晶器液压正弦／非正弦振动技术对某些钢种的适用性进行研究，并结合三炼钢的生产实际情况，对振动参数进行了优化，减小了铸坯振痕深度，改进了板坯的表面质量。

1  非正弦振动与正弦振动的特点比较

传统的连铸结晶器正弦振动技术随着负滑动理论的完善向高频率、小振幅方向发展，以减小振痕深度，提高铸坯表面质量。但是，在高速浇铸时，高频率、小振幅振动方式对结晶器内摩擦阻力会大幅度增加，粘连性漏钢事故随之增加。

    由图1可知，非正弦振动比正弦振动的上升速度慢、时间长而下降速度快、时间短。因此非正弦振动与正弦振动相比具有如下特点：

  (1)结晶器上升时间长且速度平缓，在正滑动时间里结晶器振动速度Vm与拉坯速度Vc之差减小。因此结晶器内摩擦阻力会减小，可减小初生坯壳所承受的拉伸应力，即对减少粘连性漏钢风险有好处；

  (2)结晶器下降时间短且速度快，在负滑动时间里Vm与Vc之差较大，因此作用于初生坯壳的压应力增大，有利于脱模；

  (3)负滑脱时间短，铸坯表面振痕浅。

2结晶器振动参数介绍

  结晶器在振动过程中的负滑脱运动，在铸坯表面形成周期性振痕。振动参数选择不合理，会使铸坯表面产生较深的振痕并可能引发结晶器铸坯粘连漏钢事故。振动参数C₁、C₂、C₃、C₄、C₅、C₆的含义见表1。

  振幅S、振频f与上述6个参数的关系是：

  S=C₁+C₂V_c              (1)

 f=C₃+C₄V_c+C₅V_c／2S     (2)

  C₆取值决定振动方式为正弦或非正弦，当C₆=0．5时振动方式为正弦振动，当C₆>0．5时振动方式为非正弦振动。

3振动参数的调整优化

  根据文献[1]介绍，保护渣渣耗量与正滑脱时间成正比，与保护渣粘度成反比；根据“弯月面部分凝固理论”振痕深度和负滑脱时间成正比，与保护渣粘度成反比。振痕深度与￡。有关，这是因为tn长时，液渣对坯壳的压缩时间长，因而使弯月面处的坯壳变形大。得出：

   Q=k₂t_p/η       (3)

   d=k₁t_n/η        (4)

    式中，d为振痕深度，mm；Q为保护渣耗量，kg／m²；η为保护渣粘度，Pa·s；k₁，k₂为比例常数；t_n为负滑脱时间，s；t_p为正滑脱时间，s。

  依据式(3～4)可知：

  (1)在保护渣不变的情况下，即'η保持不变，减少负滑脱时间就可以减少振痕深度；

    (2)在保护渣不变的情况下，即η保持不变，保持一定的正滑脱时间就可以保证稳定保护渣耗量，即提供了保护渣充分润滑的条件，从而减少粘连漏钢机率。

    正弦振动基本参数的计算方法如下。

    负滑脱时间：

    t_n=[60arccos(1 000Vc／2πSf)]／(πf)         (5)

    正滑脱时间：t_p=t一t_n=1／f一t_n    (6)

    式中，S为结晶器振动振幅，mm；f为结晶器振动振频，次／min；Vc为拉坯速度，m／min；t为振动周期，min。

    根据文献[3]，非正弦振动的负滑脱时间数学表达式为：

    t_n={60(1一a)arccos[1 000(1一a)Vc／(2πSf)]}/(πf)   (7)

    式中，a为非正弦振动曲线的波形偏斜率，见图2，用式(8)表达为：

    a=(A₁／A₀)×100％    (8)

    而VAI提供的振动参数非正弦系数C6与波形偏斜率a的数学关系为：

    a=2(C₆一0．5)或C₆=0．5(1+a)    (9)

    将式(9)代入式(7)，可得非正弦振动的负滑脱时间表达式：

    t_n={120(1一C₆)arccos[1000(1一C₆)Vc／(πSf)]}／(πf)    (10)

    正滑脱时间表达式如下：

    t_p=t一t_n=1／f一t_n                        (11)

    根据文献[4]，要满足高效连铸的工艺要求：

    0<t_n≤0．1 s，t_p≥0．1 s

    调整前VAI提供的振动参数见表2。

    对于B类钢种(即包晶钢、包晶合金钢)的振动参数，调整前拉速与振动参数的关系见表3。

    对于包晶钢、包晶合金钢的振动参数，VAI原设计为C₆=0．5，即采用正弦振动方式，由表3可知，包晶钢、包晶合金钢在整个拉速范围内负滑脱时间约为0．16 s，正滑脱时间约为0．19～0．22 s。

    对于C类钢种(即中碳钢、中碳合金钢、低碳合金钢)的振动参数表，调整前拉速与振动参数的关系见表4。

    对于中碳钢、中碳合金钢、低碳合金钢的振动，VAI原设计为C₆=0．5，即采用正弦振动方式，由表4可知，对于中碳钢、中碳合金钢、低碳合金钢在整个拉速范围内负滑脱时间约为0．17 s，正滑脱时间约为0．19～0．23 s。

    针对中碳钢和包晶钢出现铸坯表面较深的振痕，在结晶器保护渣使用型号不变的条件下调整了振动参数。调整后的振动参数见表5。

    对于B类钢种，调整后拉速与参数的关系见表6。

    由表6可知，对于B类钢种(即包晶钢、包晶合金钢)的振动参数调整思路为：

    (1)大幅提高非正弦系数C₆，由原来的正弦振动改进为非正弦振动。结晶器上升时间长且速度平缓，可减少初生坯壳所承受的拉伸应力，即对减少粘连性漏钢风险有好处；结晶器下降时间短且速度快，有利于脱模；负滑脱时间短，铸坯表面振痕浅；

    (2)降低低拉速范围内的振幅，因为低拉速范围内，振痕较深。降低低拉速范围内的振幅可以降低振痕深度；

    (3)降低振频，可以提高周期，提高正滑动时间，从而增加渣耗，使润滑条件得以改善。

  经式(1)、(2)、(10)、(11)、计算发现，参数优化调整后，在拉速范围一定情况下，负滑脱时间比参数调整前减少了，正滑脱时间比参数调整前增加了，具体在0．4～1．6 m／min拉速范围内负滑脱时间稳定在0．11～0．12 s；正滑脱时间为0．26～0．33 s，因此有利于铸坯振痕深度的降低，且有利于保护渣耗量的增加，确保了润滑条件，也会减少粘连漏钢的机会。对于C类钢种，振动参数调整后拉速与振动参数的关系见表7。

  由表7可知，对于C类钢种(即中碳钢、中碳合金钢、低碳合金钢)的振动参数表调整思路为：

  (1)大幅提高非正弦系数C6，由原来的正弦振动改进为非正弦振动。即有利于减少粘连性漏钢风险；同时降低铸坯表面振痕；

  (2)适当降低振频，可以提高周期，提高正滑动时间，从而增加渣耗，使润滑条件得以改善。

  经式(1)、(2)、(10)、(11)计算发现，参数优化调整后，在拉速一定的情况下，负滑脱时间比参数调整前缩短了，正滑脱时间比参数调整前增加了，具体在0．4～1．6 m／min拉速范围内负滑脱时间稳定在0．12 s；正滑脱时间为0．29～0．33 s，因此有利于铸坯振痕深度的降低，且有利于保护渣耗量的增加，也会减少粘连漏钢的机会。

4应用效果

  在对B和C类钢种进行参数优化前后，为了对比铸坯表面质量变化，将铸坯进行了等块数的留坯和表面质量的观察，发现参数优化后铸坯振痕深度减轻了，表面质量有明显的提高，具体情况如下。

    (1)应用钢种的化学成分见表8。

    (2)振动参数优化调整前后，铸坯表面质量的变化情况见表9。

    (3)振动参数优化调整前后，结晶器粘连漏钢次数大幅减少，振动参数优化调整前的2004年1～4月生产包晶合金钢和中碳钢1 533炉，发生粘连漏钢次数3次，漏钢发生率为0．098％；振动参数优化调整后的2004年5～8月生产包晶合金钢和中碳钢570炉，未发生粘连漏钢。

5结  语

    (1)包晶合金钢与中碳钢铸坯的平均振痕深度已由振动参数优化前的1 mm减轻至0．4 mm；

    (2)振痕深度减轻后，铸坯横裂纹大幅减少，包晶合金钢由优化前的35．64％减少至17．96％，中碳钢由24．37％减少至4．68％；

    (3)增加正滑脱时间，结晶器粘连漏钢的发生率明显下降。