《冶金行业结晶器振动培训手册》由会员分享,可在线阅读,更多相关《冶金行业结晶器振动培训手册(46页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
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