冶金行业结晶器振动培训手册

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1、结晶器振动参数优化*1连铸技术1概述 2结晶器振动参数的分析 3 非正弦振动运动分析2连铸技术1概述1.1结晶器振动的作用 结晶器振动的作用有如下两点：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。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。3连铸技术1.2结晶器振动方式的发展过程大致分为

2、四个时期： 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。若设V为拉坯速度，Vm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：结晶器能实现与拉坯速度同步运动，对铸坯有 利。其缺点是振动机构必须与拉坯速度实行严格的同步联锁， 当结晶器由往下振动转为往上运动的转折处加速度过大，机构 中会产生相当大的冲击，因此，现已不再采用。4连铸技术1同步式振动 2负滑脱振动 3正弦振动图 1 结晶器振动方式5连铸技术负滑动振动 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。即：V2=V

3、（1-NS） 而往上振动时，取V1=2.8 3.2V2 式中NS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。6连铸技术正弦振动 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

4、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。7连铸技术非正弦振动 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。8连铸技术2结晶器振动参数的分析2.1 结晶器的振动参数

5、 与结晶器振动有关的振动参数主要有：如振幅和频率， 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 NS、负滑脱时间 tN和负滑脱时间率 NSR，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。 结晶器振幅A，因为正弦振动是由偏心轮杆机构实现 的。因此，振幅可直接由偏心轮的偏心距，通过杆系 的换算得到。也可按速度时间正弦曲线的半波面积 计算获得：9连铸技术结晶器运动速度曲线 10连铸技术负滑脱时间 TN 11连铸技术结晶器振动时，只有当结晶器振动速度Vm大于 拉坯速度V 时才出现负滑动。负滑脱是指在 一个振动

6、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。12连铸技术13连铸技术通过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

7、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。 14连铸技术负滑脱时间率 NSR 负滑脱时间率 NSR可以定义为在一个振动周期 内负滑脱时间 Tn与半个振动周期时间的百分 比值。即 NSR = (2Tn /T)100%。由公 式可以绘制不同振幅、不同拉速下的 NSR - f 曲线。 由NSR - f 曲线可知，振动频率越高，振幅和拉 速对负滑脱时间率 NSR的影响越小，但 NSR越大。15连铸技术16连铸技术由于负滑脱时间率是负滑脱时间与振动半周期的比率

8、，它反映了负滑脱时间、正滑脱时间的比值大小，所以 ，以负滑脱时间率NSR来判定结晶器的脱模能力是合理 的，据此，结晶器的振动参数应保证较低的负滑脱时间 和较高的负滑脱时间率，这种工艺要求只有在高频振动 、小振幅的情况下条件下才能得到满足。17连铸技术负滑脱率 NS 由上式可知：通过控制 NS可控制 tN，当 Vc=Va时， 结晶器中的坯壳处于受拉和受压的临界状态，此时的负 滑动率 NS-36.4。当 NS-36.4%时，将不会出 现负滑脱时间 tN。18连铸技术在设计振动参数中，往往用负滑脱率 NS 作为计算的依 据，这个模型广泛应用于国内外的连铸设计中。NS 一般是给定值，如曼内斯曼（Mun

9、nesmann）的取 值为 2040，而康卡斯特（Concast）取 20 （20），故上式称作负滑动率结晶器振动 数学模型。传统的观念认为，负滑脱率 NS 是一个重要的工艺参 数，其最佳值在3035%左右，负滑脱时间率 NSR 在 55%80%之间。基于这种认识，目前许 多连铸机仍采用 NS 为常值的振动模型，这时的振 动频率 f 与拉坯速度Vc成正比。19连铸技术2.2振动参数对铸坯质量的影响(1)结晶器振动参数对铸坯振痕的影响 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

10、 负滑脱时间有关，负滑脱时间越短，振痕深 度就越浅。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，改善铸 坯质量 20连铸技术负滑脱时间与振痕深度之间的关系21连铸技术结晶器振动参数对拉速的影响 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。但在一定 的工艺条件下，拉坯速度受到冷却速度及设 备精度的限制，提高拉速将会导致拉漏率的 上升。22连铸技术2.2. 结晶器正弦振动的特性分析目前描述负滑脱的参数较多，对于同一振幅、频率和拉 速的情况下，这些参数给出了不同的数值。但它们当 中独立的参数只有两个：负滑动率 NS 和负滑脱时 间 tN。因为负滑脱参数

11、直接关系到铸坯的脱模和铸 坯的质量，所以参数 NS和tN被称为工艺参数。目前国外有关文献报道，大多数的负滑脱时间取值范 围在 0.1s 0.25s，认为对于不同的钢种最佳负滑 动时间为 0.1s 左右。至于负滑动率 NS，国内外有 关文献报道在 NS值为-20%240%范围内变化进 行浇铸，结果对铸坯脱模及表面质量没有任何不利影 响。可见，对于负滑动率 NS 的取值范围是很宽的 ，工艺参数的确定主要是确定负滑动时间。23连铸技术负滑动时间曲线及特点 24连铸技术 NS2.4的等值反比双曲线相交于负滑动时间曲 线的峰值，将负滑动时间曲线族分成两个区域。对于任何 z 值都有相应的 tN0，此点的频

12、率用 f0 表示，称为临界频率。当 ff0时不出现负滑脱。当 NS2.4时，负滑动时间曲线随频率 f 的增加 而上升，特别是当 z 值较大时，如 z5 时，曲线急 剧上升。当 NS0 为非正 弦振动。32连铸技术波形修正系数对负滑脱时间的影响 33连铸技术越大，tN的零点 f0及峰值点 f1向左移动；反之，f0、 f1向右移动，因此，对同一拉速和振幅，非正弦振动 所要求的最小频率低于正弦振动所要求的最小频率， 且两者差值随的增加而增加。换句话说，就是在相 同振幅和频率的条件下，非正弦振动所能允许的最大 拉速大于正弦振动所允许的最大拉速。这正是结晶器 非正弦振动能提高拉速的原因。因此可知，越大越

13、有利。但若取值过大，则使结 晶器向下运动的加速度变得很大，从而造成对设备的 冲击和工作的不平稳。若取值太小，非正弦振动的 优越性又不能充分发挥出来。根据目前的使用经验， 一般 40。34连铸技术（2）非正弦振动工艺参数结晶器非正弦振动具备最佳振动模型的全部特 征，因此，反映该特征的全部参数即为非正 弦振动的工艺参数。其工艺参数有负滑动时 间 tN、负滑动率Ns、负滑动时间率 NSR、 负滑动超前量 NSA 和正滑动速度差v。35连铸技术负滑动时间 tN 在其它参数为常数时， 越大，负滑脱时间越短，振痕 越浅。目前，正弦振动 tN的取值已从过去的 0.5s 减少 到 0.250.10s，甚至更短

14、。但如 tN过短将不利于脱模 及拉裂坯壳的“愈合”。一般对于低碳钢 tN应不小于 0.1s，而中碳钢 tN应不小于 0.070.10s 。36连铸技术负滑动率 Ns根据正弦振动的操作实践 可知，Ns 取值范围很宽， 文献报道 Ns 可取+18.9 -20。37连铸技术负滑动时间率 NSR对于给定的 值，NSR 和 Ns 是两个相关量，而不是 独立的参数。因此，NSR 有与 Ns 相对应的取值范 围。 由于保护渣的消耗量与 tp 成正比，虽然 Ns、NSR 的取值范围很宽，但它们 的取值应使正滑动时间tp 较长为好。38连铸技术负滑动超前量 NSA该参数为负滑动时间内结晶器相对铸坯的位移量，它是

15、 负滑动量的综合反映。 从正弦振动的经验看，一般 NSA35 mm。 NSA5 mm 时， 振痕加深。日本福山厂的 5 号板坯连铸机非正弦振动的 取值NSA3.805.11 mm。 39连铸技术正滑动速度差v正滑动速度差v 是指结晶器向上运动速度的最大值和 拉坯速度之差。在结晶器上部弯月面附近，坯壳与结晶器之间的摩擦力 发生在液体渣膜处。液体摩擦力 ft与正滑动速度差v 与液体渣膜厚度 d1成反比。因此，v 取较小值可以减 小摩擦力。 40连铸技术3.3 非正弦振动基本波形参数的确定在实际振动中，合理确定振幅、振动频率和波形偏斜率 值是获得较好铸坯表面质量的关键因素。1） 振动频率的选择在所有

16、的振动形式中，其负滑动时间与振动频率的变 化曲线，即 tN -f曲线被称为结晶器振动的负滑动 特征曲线，它是选择振动频率的主要依据。 tN -f 曲线给出了当,0.2和0.4, vc = 1.4m/min 和h=2.5mm时的负滑动特征曲线。分析这些曲线 的特点可知： 对于任何给定的v/h值，都有一个f=f0 (图中各条曲 线的峰点)的临界振动频率。例如，当.2时， 由 t N = 0可得到f0 = 74.3min 。当 ff1 区域内， t N为f 的减函数，t N 取值 较小且变化缓慢，称之为稳定区，在此区域 内可以很好地满足 t N0 ，因此取f值时应 在此区域内选择。考虑到液压伺服控制系统 带宽的限制，振动频率的范围应为 f14mm以后，tN变化比较平缓。由于可以通过改变 来满足 对振动工艺参数的要求，因此振幅的选择有较大的自由度，但 还应考虑到在拉坯速度最大时不应使