连铸机结晶器振动装置设计（全套含CAD图纸和SW三维）
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1 板坯连铸结晶器液压振动系统状态监测试验研究 胡 军 宏 （ 上海宝钢研究院 前沿技术所，上海 201900） 摘要 ： 基于板坯连铸试验平台结晶器液压振动装置，检测不同振动参数下液压缸位移等参数，分析了液压缸位移偏差、相位差随振动参数的变化规律，并讨论了非正弦振动波形的特征。结果表明，液压振动装置实现的结晶器正弦 和 非正弦振动，具有较高的振动精度，显示出其在结晶器振动方面具有明显的优势。 关键词 ： 连铸 ； 结晶器 ； 液压 ； 非正弦振动 前言 控制结晶器和坯壳之间的相互作用是保障 连铸 机稳定 运行 、高效生产的关键，结晶器 振动技术是其中的重要环节。近年来，随着连铸坯热送 装 及直接轧制技术的发展，生产节奏大幅加快，要求在提高拉速的同时保证铸坯质量，对结晶器振动控制技术提出了更高的要求。 液压振动技术是近年来开发的新技术，与传统的机械振动装置相比，液压振动系统具有结构简单、布置灵活、精度高、响应快速的优点，可以实现正弦或非正弦振动，尤其便于实现计算机控制，进行实时参数调整及监控，而操作上也更加安全可靠。国内外的应用情况表明，采用结晶器非正弦振动技术，可有效地减小铸坯与结晶器之间的摩擦力 1从而防止坯壳与结晶器粘结而被拉裂， 减轻铸坯振痕 3，提高铸坯质量 4在获得优异的铸坯表面质量的前提下提高拉速，实现自动化的高效连铸生产。 结晶器振动控制的精度与稳定性是保障铸机稳定运行、安全高效生产的前提。由于液压振动装置在近年来才开始逐渐应用于国内连铸生产，研究人员在液压振动系统在线监测方面的研究起步较晚，相关的报道较少。因此，对结晶器液压振动装置进行在线 监测 ，研究其在不同振动参数下的振动特性，成为普遍关心的问题。本文基于宝钢板坯连铸试验平台，通过对液压振动系统的位移等参数进行 检测 ， 研究 了系统随振动参数变化时的振动特性，并分析 了非正弦振动波形的特点，为实际生产 中 的结晶器液压振动控制提供指导与实验基础。 1 试验条件与方法 宝钢板坯连铸试验平台及其液压振动装置 为解决板坯铸机生产过程中存在的质量、技术、设备等问题，借鉴国内外连铸技术研究先进经验，宝钢与西安重型机械研究所等单位合作，设计并制造了国内第 1 台多功能板坯连铸机试验平台。可兼顾板坯、薄板坯的连铸试验，同时还设定了表面温度检测、结晶器摩擦力检测、结晶器瞬时热流检测和二冷区 大（轻）压下的 力检测等功能，可满足不同功能的试验要求，为开发板坯连铸新工艺及新技术等提供了多 功能的 试验 平台 6。 试验平台采用结晶器液压振动 技术 ， 振动装置 参数见表 1，是国内首次设计并制造的基于板坯连铸机的结晶器液压振动系统。该振 动装置由布置于两侧完全对称的两套独立振动体组成。振动体主体两侧设有双层结构的板弹簧导向机构，其下方中部设有油缸驱动装置，前后侧设有缓冲弹簧装置 ，左右侧各设一 振动限位座 用于机械保护 7。 2 表 1 液压振动系统主要参数 序号 项目 参数 1 振动形式 伺服 液压缸驱动式 2 液压缸数量 2 3 振动曲线 正弦、非正弦 4 最大振幅 5 最大振频 400 次 /验方法 两侧液压缸 上 均设有 内置式位移传感器，每个液压缸上下两腔均设有 压力传感器，以用于系统的反馈与控制。主控室的计算机 向 送振动参数设定指令 （ 可 同时设定振幅 、 频率 和波形偏斜角度 ） ， 统的高速动态控制模块接收振动参数， 生成 振动 曲线，并 与现场反馈 的压力信号和 位移 信号 比较，进行控制运算，输出控制指令调节 伺服阀 阀芯动作，从而 控制液压缸按设定的波形和 振动 参数进行振动。 制系统以 1000 采样 频率 获得 两侧液压缸的位移 信号 和工作压力信号，并将信号传输至 计算机检测系统 进行计算处 理 ，以考察不同振动参数下两侧液压缸的瞬态振动特征。 2 检测结果与分析 波形失真率检测 通过测试两侧液压缸位移随时间变化的关系来分析波形的失真率。图 1 是正弦振动方式下 不同振动参数时两侧实际位移与理论位移的比较。图 1（ a）上面曲线是 振频 f 为 75 次 /振幅 h 为 2左右两侧的 实测曲线， 最大位移分别为 1（ b）上面曲线是 振频 f 为 160 次 /振幅h 为 5左右两侧的 实测曲线， 最大位移均为 为清晰起见，将图 1（ a），（ b）中左右两侧纵坐标设置稍作区 分，将右侧位移曲线下移。从图中可以看出，两侧位移曲线基本重合，且 测试的波形曲线与理论计算的波形图吻合较好 ，在正常工作范围内，振幅及振频的变化不会 造成 振动波形 的明显 失真，测试证明振动系统 具有较高的振 动 精度。 两侧 液压缸位移 偏差 对两侧液压缸振动偏 差 和相位差的检测与计算，可随时反映板坯连铸机的运图 1 两侧实际位移与理论位移比较 (a) f=75 次 /h=22 间 /s 1 0 1 2 理论位移/侧位移/右侧 侧位移/mm(b) f=160 次 /h=56 2 0 2 4 理论位移/。 通过分析，可了解两侧液压缸振动随振动参数而改变的规律并可判断液压系统工作状态、导向系统偏差等设备 实际运行状况 。 图 2及图 3分别 给出了 h 同 设定值， 5次 /00次 / 在 一个振动周期内两侧液压缸位移的平均偏差及最大偏差的 变化规律。由图中可以看出， 在测试范围内任意振频和振幅组合下，两侧位移的平均偏差 均小于 20 m。随着振频增大，两侧 最大 瞬时 偏差 在 大 趋势较为显著。一般规律是，随着振幅和 振频 乘积 的增大，平均偏差与最大偏差呈上升趋势 ，因此为了得 到好的两侧动态偏差精度，应考虑按振幅和 振频 乘积值分段进行控制系统参数整定 。 两侧 相位差 计算与分析 相位差是将检测到的两侧位移之间过零点的时间差 ， 换算成 对应 频率下的相位差。相位分析是结晶器振动分析的重要内容 ， 可直观地看到结晶器振动时两侧的同步性误差 ， 还可以用于分析结晶器及振动台的振型 7。 本文采用两侧液压缸位移信号过零点判别法计算相位差。 603 60 tS (1) 式中 ， 为 相位差 ， ； 右两侧 液压缸 中的一侧 位移 先到达 零点 为基振频 /次 /均偏差/m 图 2 两侧位移平均偏差随振频变化规律 60 80 100 120 140 160 180 200 220 6 8 10 12 14 16 18 20 0.5 1.0 .5 2.0 .5 .0 大偏差/m 振频 /次 / 3 两侧位移最大偏差随振频变化规律 60 80 100 120 140 160 180 200 220 20 30 40 50 60 70 80 90 0.5 1.0 .5 2.0 .5 .0 4 准起算，另一侧滞后到达零点 的采样点数； t 采样间隔 ， s； T 振动周期 ，s； f 为 振动频率 ，次 / 相位差 检测 与计算 结果 见表 2， 相位差随振频 和振幅乘积 的增高 呈 增大 的趋势 。 测试范围内，偏斜度（非正弦波形相对于正弦波形的偏斜角度，本系统设计的偏斜度范围为 0 40） 对相位差的影响不大。振频与振 幅相同时，在将分别设定为 5和 40时，两种情况下相位差基本不变。 表 2 不同振动参数下两侧相位差检测结果 序号 振动参数 相位差 /o 振频 /（ 次 / 振幅 /斜度 /o 1 75 100 120 150 175 200 160 120 120 0 同 偏斜度 下位移与速度波形特征 在某一固定振幅和振频下， 偏斜角度 分别为 10 ， 20 ， 30 ， 40 时 的位移与速度实测曲线见图 4与图 5。在相同的振幅下，随着偏斜角度的增加，负滑动时间减小；在相同的振动频率下，随波形偏斜率增加，非正弦振动的负滑动时间也减少。与正弦振动方式相比， 非正弦振动有利于降低 正滑脱期间结晶器与初始凝固坯壳之间的相对运动速度，从而降低正滑动期间因结晶器摩擦阻力造成的初始凝壳的拉应力；增加负滑脱期间内结晶器与铸坯的相对运动速度，增大了能使坯壳裂纹愈合的压应力 ，有利于铸坯脱模，从而可以获得更好的铸坯表面质量 。试验中 非正弦振动波形位移曲线连续、速度曲线平滑、加速度曲线变化连续，振动平稳，对结晶器振动机构的冲击 较小 ，有利于设备的正常运转。 30 时间 /s 位移/ 不同非正弦参数下位移波形变化规律 2 1 2 10 20 40 5 液压缸输出力 振动系统沿铸流中心线左右对称，负载质量及作用力等在理论上被平均地分配给左右两侧液压缸，以保证两侧液压缸运动时的同步性。但在实际运行中由双缸作用构成的系统会出现两侧失步的情况。因此，试验中同时对两侧液压缸的压力进行检测，并根据液压缸作用面积计算实际 输出力，观察两侧输出力的变化情况，以分析系统实际运行时的受力情况。数据分析时，引入相关性并采用相关系数来评价他们的相似程度，其定义如下： )()()( （ 2） 式中，中 i 1， 2， ,n 为采样点； x 和 y 为两侧输 出力的平均值；相关系数，如两组数据不存在明显的关系，则近于 0，反之，当近 1 时，则表明两组数据关系密切，变化趋于一致。图 6（ a），（ b）分别为正弦及非正弦振动条件下，左右两侧液压缸输出力与速度的变化情况。左右两侧输出力曲线趋势相同但略有差异，是由于振动左、右两侧非完全对称造成的。但从图中可以看出，左右两侧液压缸输出力的趋势基本一致，相关系数分别为 有相似的变化规律。两侧负载力分担与传递比较均匀，是同步性调节比较容易的重要原因。 图 5 不同非正弦参数下速度波形变化规律 时间 /s 速度/（m/s）0 20 30 40 6 3 结论 本文以板坯连铸试验平台结晶器振动状态实测数据为基础，分析了液压缸位移偏差、相位差等随振动参数的变化规律，并讨论了非正弦振动波形的特点 ，得到如下结论。 （ 1） 在正常工作范围内，结晶器液压振动装置两侧液压缸实测位移与理论 位移曲线符合较好，振幅及振频的变化不会造成波形的明显失真，具有较高的振动精度； （ 2） 两侧液压缸的位移偏差随振频及振幅的增高呈上升趋势，相位 差随振 频的增高而增大 ； （ 3） 在相同的振幅及振频下，采用非正弦振动有利于提高拉速及改善铸坯 表面质量； （ 4） 系统的 振动位移与速度曲线波形连续、光滑，对振动机构造成的冲击 较小 。两侧液压缸输出力及位移同步性好，系统运行平稳，可靠性高。 2 36 40 44 速度m/s 时间 /s 速度 液压缸输出力/右侧 相关系数 a) f=150 次 /h=4 6 左右两侧液压缸输出力与速度的变化 (b) f=120 次 /h=4=10 时间 /s 2 36 40 44 速度 左侧 右侧 度m/s 液压缸输出力/ 7 参考文献 ： 1王子亮 ,郭世宝 ,王广林 ，等 . 非正弦振动在板坯连铸机上的应用 J. 钢铁 , 2005, 40(1): 312干 勇 , 陈栋梁 ,杨文改， 等 . 连铸结晶器瞬态摩擦阻力的实验研究 J. 钢铁 , 1999, 34(4): 163. of in J. 1996 (7): 294焦志明 . 连铸结晶器振动方式的探讨 J. 炼钢 , 1997(4): 305李宪奎 ,朱清香 ,郑学然 ,等 . 结晶器非正弦振动波形及参数研究 J. 钢铁 , 1998, 33(11): 266胡军宏 ,周亚君 . 宝钢连铸试验平台结晶器电液伺服振动系统研究 J. 冶金自动化 , 2005, 29(6): 67陈志新 ,阎 瑾 ,赵友军 ，等 . 板坯结晶器振动状态在线监测系统设计与实现 J. 冶金自动化 , 2001, 25(2): 20 K K m ,im 6m 3 m m5 0次 /m e,(a)m in,am (b)m in,am a),(b)a)f=75e/m in,h=s mm(b)f=160e/m in,h=5m m l = 1）;ts;e/m (40 )e,e/m Am 5 0 20 50 75 0 60 20 20 0 20,30,40e;m e/ m /s） 0. 0. 0. 0. 0. 0 4030nt/m 0 2040= =ni ii 21 )()( )()( (2),2,.,(a),(b)m s e/s kN a)f=150e/m in,h=41)al 2)3)4)sm . 1005,40(1):3124(4):163996(7):294997(4):305998,33(11):266J005,29(6):67001,25(2):20 本科生毕业设计实习调研报告 题 目： 方坯结晶器振动装置设计 学生姓名： 余世民 学 号： 0864103341 专 业：机械设计制造及自动化系 班 级：机 2008 指导教师： 闫洪波 目 录 1 引言 . 1 习调研目的及意义 1 务及方法 1 2 文献综述 . 2 备发展状况 2 边设备简介 2 3 技术方案介绍 . 3 动式振动机构 3 摇杆式振动机构 3 偏心轮式振动 机构 4 压伺服式振动机构 .5 . .5 . 实习调研心得 . 7 查的目的和 设计 方向 7 习调研的方法 8 受 8 5 参考文献 . 9 机械工程学院 机械设计制造及其自动化系 1 1 引言 新世纪以来，中国继续保持快速发展连铸的态势， 2007 年连铸坯产量达到 47430 万 t，钢铁工业连铸 比已达 随着板、带、管材在钢材消费结构中的比例大幅上升，数量众多的板坯、方坯、圆坯、异形坯及薄板坯连铸机在新世纪投入生产。这一过程不仅促进了炼钢生产设备的大型化，而且还促进了炼铁生产设备的大型化；同时由于连铸品种质量的稳定提高，高温、无缺陷铸坯技术的发展，使炼钢与轧钢工序通过连铸坯热送热装变得更为紧凑。在中国，连铸的发展促进了钢铁生产流程的进一步优化。可以说新世纪以来，连铸技术不断推动着中国钢铁工业的快速发展。 习调研目的 及意义 ： 毕业实习是机械设计制造及其自动化专业（冶金机械专业）学生 在校学习期间学完所有基础及必修课程后转向毕业设计走出大学校门前的基础环节，是大学四年不可缺少的组成部分。 通过自己查阅资料大体了解所设计题目（即方坯 结晶器振动装置 ）的工作原理，再通过进厂实习调研观察了解 结晶器振动装置 的外形、尺寸、材料、工作原理，了解此设备在生产过程中的作用以及对此设备的要求，为毕业设计打下感性认识基础，同时培养我们深入现场调查研究，分析问题的能力。 通过实习调研，使我们真正做到联系实际。 务及方法： 任务：认真查阅资料，仔细进厂观察，独立写出实习调研报告。 方法：去图书馆借阅相关资 料、手册，网上查阅，与同组人讨论，与指导老师交流，听取老师的意见。 机械工程学院 机械设计制造及其自动化系 2 2 文献综述 结晶器振动 装置是连铸机及轧钢机械的关键设备， 使连铸生产实现工业化。结晶器振动 装置必须能 使结晶器准确地沿着一定的轨迹振动，并且使振动具有一定的规律 。 结晶器 振动 装置的 振动 动作 一般 是由电机、 连杆 、 偏心轮 等实现的。 由此可见，对 结晶器 振动 装置的 振动规律 、 振动 方法、动力系统等附属机构的改造对提高 连铸 质量有重大的意义。 备发展状况 : 目前 结晶器振动 装置的形式主要有 差动式振动机构 、 双摇杆式振动机构 、 四偏心轮式振动机构 、液压伺服式振 动机构 等。 结晶器振动 装置的发展与创新主要是在它原有的基础上对 振动规律 、 振动 系统、动力系统等附属机构建立起来的。 弧形连续铸钢设备 边设备简介 : 连铸机 上主要有 浇铸设备 、 结晶器及其振动设备、二冷段、拉矫装置等 。 浇铸设备 是用来 运输钢水到浇铸位置 ， 用以进行钢水铸入结晶器进行浇铸 。 结晶器及其振动 机械工程学院 机械设计制造及其自动化系 3 装置 是 通过振动装置的振动使钢水和具有一定坯壳的铸坯与结晶器连续相对运动实现连续浇铸 。 经过不断的研究，结晶器振动机构 形式异常多。其中最具有代表性的是：差动式振动机构、双摇杆式振动机构、四偏心轮式振动机构 。 3 技术方 案介绍 动式振动机构 这种机构是利用齿轮或凸轮机构的差动原理来实现结晶器的弧线运动的，现以差动齿轮机构为例来说明。 结晶器固定在由弹簧支撑的振动框架上，由凸轮或是偏心轮强迫框架下降，弹簧反力使其上升，它没有一般振动机构的振动臂，而是用一组齿轮和齿条来代替。振动框架由内、外弧侧的齿条 6 分别与节圆半径相等的小齿轮 2、 4 相啮合。节圆半径不等的扇形齿轮又分与小齿轮装在同一根轴上。所以，当扇形齿轮 3、 5 摆动时，就使与其相连的两个小齿轮产生不同的线速度，反应在振动框架的两侧齿条上，其上鞋运动的线速度也不一样。 因而可是结晶器产生所要求的弧线振动。 机械工程学院 机械设计制造及其自动化系 4 差动齿轮式振动机构简图 摇杆式振动机构 此种机构也称为双短臂式或是四连杆 式振动机构。它是通过选择适当尺寸的两个摇杆，使其在某一个瞬时的运动是绕曲率半径中心 O 点得圆弧线运动。圆弧线的半径应当是结晶器振动的曲率半径 R。既然有瞬时性，因此双摇杆所实现的圆弧振动也是一个近似的圆弧轨迹。所以，使结晶器在圆弧径向产生误差。但由于结晶器的振幅与圆弧半径相比很小，因此，瞬心位置变化所造成的运动误差在理论上是很小的，一般在圆弧各点振动轨迹的误差不大于 双摇杆式振动机构中，两个摇杆长度的选择必须满足： ab=cd(ab=cd),且 ab(ab)与 cd(cd)各自连线的延长线 应通过曲率中心O 点。所以 ad(ad)bc(bc)为大圆弧半径，如图示，它是目前广泛应用的外弧双短臂和内弧双短臂振动机构。应用前者时 a 点和 d 点做固定的铰点。采用后者时，则应该把 b点和 c点做固定的铰点以实现所要求的振动轨迹。 双短臂振动机构原理图 偏心式振动机构 四偏心式振动机构是近几年才出现的一种新型振动机构，具有结构简单，运动轨迹准确等优点。其设计原理与我国的差动齿轮相似，图示是四偏心式振动机构的一个实例。它是近年来新投产连铸机中采用较多的一种。结晶器的弧线运动是利用 两队偏心轮距不同的偏心轮机连杆机构而产生的。结晶器运动的弧线定中是利用两条板式弹 机械工程学院 机械设计制造及其自动化系 5 簧来实现的。板式弹簧使结晶器只做弧线摆动，而不能产生前后左右的晃动。适当选择弹簧的长度，可以是运动轨迹误差不大于 振动台架采用钢结构件，更换迅速方便。这种振动机构是靠偏心轮连杆的推力，作用于振动台的四角，使结晶器的运动非常平稳，不会由于结晶器的内阻力作用点的偏移而是结晶器运动不平稳。其缺点是运动零件较多，结构比较复杂。 四偏心轮式振动机构 压伺服式振动机构 传统的结晶器振动 装置是通过振动台使结晶器产生正弦或非正弦振动，这种振动方式存在着振动质量大及维修困难等缺点。为克服上述困难，卢森堡 司开发了一种采用本体振动式的新型方坯结晶器。其特点是只有结晶器铜管、导流水套和结晶器上的法兰参与振动，而其他零部件如外水套、冷却水、闪烁计数器、结晶器电磁搅拌器及足辊等不参与振动。因而具有振动质量小，结构简单、维修费用低等特点。 结晶器的运动是又液压缸借助一个振动臂来产生的。为安全起见，采用水油混合物作为工作介质。振动冲程为 h=08率为 f=0600/线自动调节。 机械工程学院 机械设计制造及其自动化系 6 本体振动式方坯结晶器 此种液压振动装置主要由两个液压振动单元组成。如图示，液压振动单元主要由活动台板式导向机构，固定台、活动台及液压缸总成等组成。机械结构相对简单、紧凑，便于布置。 设备的布置可实现结晶器精确的仿弧运动，结晶器区域空间大，无需拆除振动装置即可实现电磁搅拌器、扇形段的无障碍更换。振动装置本身更换便捷，只需拆除结晶器即可独立更换内弧或外弧振动单元，结晶器安装后，冷却水路自动接通，无需人工接管。 机械工程学院 机械设计制造及其自动化系 7 结晶器振动液压伺服装置 4 实习调研心得 通过这次实习 调研很好的锻炼了我们的社会交际能力，这也是现在社会要求的。通过这项活动，使我们的视野更加宽阔，对社会的了解更多。在此，我把我的调研心得和感受跟大家分享一下。 我的实习调研报告可分为以下几点： 查的目的和 设计 方向 1 毕业实习调研是毕业设计的准备阶段，也是重要的实践环节。实习调研期间应根据各自设计题目的需要，深入现场调查研究，并收集设计所需要的各种文字和图纸资料，为下阶段的设计计算作好充分的准备。 机械工程学院 机械设计制造及其自动化系 8 2 通过调研及查阅资料可以了解到， 机械振动的振动装置由直流电动机驱动，通过万向联轴器，分两端传动两个蜗轮 减速机，其中一端装有可调节轴套，蜗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。 在新型连铸生产工艺中，采用带有数字波形发生器的结晶器电液伺服振动控制是保证连铸生产质量的关键技术之一。 液压伺服式振动可实现无级动态调整振幅、频率和波形偏斜率，以实现非正弦波形的运动轨迹。 国外的应用情况表明，采用连铸结晶器非正弦伺服振动，能够有效地减少铸坯与结晶器间的摩擦力，从 而防止坯壳与结晶器粘结而被拉裂，减小铸坯振痕，提 高铸坯质量 。带有数字波形发生器的结晶器电液伺服振动控制装置和传统的结晶器振动装置相比，可以方便地实现多种波形振动、实现连铸过程监督和实时显示振动波形，并能在线修改非振动方式及振动频率和幅值等参数，实现控制过程的平稳过度。 综合上述调研结果，此次设计我采用液压伺服式结晶器振动装置。 习调研的方法 实习调研的方法有很多，比如：问卷调查、查阅资料、访问、观察等。根据现有的条件我主要是以查阅资料为主。 受 通过毕业实习 调研 ，进一步加深 了 对本专业知识的理解，拓宽 了 知识面。了解 了我国工业生产的一些基本情 况，以及部分设备在实际生产中的应用现状。 通过对现场技术人员的访问、现场实习、查阅技术档案资料，我对方坯翻动装置有了很深入的了解，为毕业设计打下了良好的基础 最后，我希望大家重视实习调研，我想如果我们认真做了，一定会有很大的收获，使自己的能力有相应的提高。 机械工程学院 机械设计制造及其自动化系 9 5 参考文献 1 罗振才 冶金 工业出版社 2 炼钢设计编写小组 冶金工业出版社 3 赵亚平螺旋齿轮啮合理论研究与试验分析 D北京：中国农业大学， 2002 4 邹家祥 三版） 金工 业出版社 5 杨兰春齿轮工程词典 M北京：机械工业出版社， 1994 6 闻邦椿 机械工业出版社 7 濮良贵，纪名刚 高等教育出版社 8 蔡开科，连铸结晶器 2008 I 摘要 结晶器是连铸机的心脏部件。它的主要作用就是对结晶器中的钢水提供快速而且均匀的冷却环境，促使坯壳的快速均匀生长，以形成质量良好的坯壳，保证连铸过程正常而稳定的进行。在浇注钢水时，若结晶器静止不动，坯壳容易与结晶器内壁产生粘结，这就增大了拉坯时的阻力，导致出现坯壳“拉不动”或者钢水被拉漏事故发生，很难进行浇注。而当结晶器以一定的规律振动时，这就能使其内壁获得比较良好的润滑条件，从而减少了摩擦阻力又能防止钢水和结晶器内壁的粘结，同时还可以改善铸坯的表面质量，因此结晶器振动装置具有重要的作用。 本文通过对连铸 发展历史，以及结晶器振动技术的发展和结晶器振动方式的改进进行了阐述，提出了电液伺服装置驱动，并对其振动规律及工作原理做出了分析。然后绘制了机械简图，并对其工艺参数和运动参数进行了分析计算，最终完成了本次设计。 本文主要的设计内容包括： 通过负滑脱量、频率和周期、结晶器运动的速度和加速度以及负滑脱时间的计算，来确定铸坯的工艺参数。 设计校核了双摇杆机构的主要部分，并根据经验推出机架结构。 由系统所需动力选择恰当的液压缸及液压泵 。并对系统的辅助原件进行了计算和选择，同时提出了同步回路电液伺服系统。 关键词： 连铸；结晶器；振动装置；振动规律；电液伺服装置 he is of is to in to a of In in to a to of or is it is to in is in of is of an on of of to of to of of of of to of of of of y by of of of ey V 目录 摘要 . I . 一章 绪论 . 错误 !未定义书签。 么是连铸 . 错误 !未定义书签。 内连铸的重要性 . 错误 !未定义书签。 国连铸发展的主要成就 . 错误 !未定义书签。 界连铸技术的发展及我国存在的差距 . 错误 !未定义书签。 铸机振动系统应注意的部分问题 . 错误 !未定义书签。 第二章 结晶器振动技术 . 错误 !未定义书签。 晶器振动技术发展的历史 . 错误 !未定义书签。 铸机结晶器振动简介 . 错误 !未定义书签。 晶器振动规律的演变 . 错误 !未定义书签。 晶器振动和润滑的关系 . 错误 !未定义书签。 第三章 结晶器振动方案的选择 . 错误 !未定义书签。 课题研究的目的 . 错误 !未定义书签。 题研究内容 . 错误 !未定义书签。 备发展状况 . 错误 !未定义书签。 边设备简介 . 错误 !未定义书签。 术方案介绍 . 错误 !未定义书签。 动机构的选择 . 错误 !未定义书签。 第四章 结晶器正弦振动的参数分析 . 错误 !未定义书签。 滑脱量计算 . 错误 !未定义书签。 率与周期 . 错误 !未定义书签。 晶器的运动速度和加速度 . 错误 !未定义书签。 滑脱时间的确定 . 错误 !未定义书签。 第五章 结晶器振动装置机械设计 . 错误 !未定义书签。 力分析 . 错误 !未定义书签。 度校核 . 错误 !未定义书签。 的校核 . 错误 !未定义书签。 的校核 . 错误 !未定义书签。 承校核 . 错误 !未定义书签。 第六章 结晶器振动装置伺服系统的设计 . 错误 !未定义书签。 制方案 . 错误 !未定义书签。 计计算 . 错误 !未定义书签。 压缸设计计算 . 错误 !未定义书签。 缸的设计原则 . 错误 !未定义书签。 缸的设计 . 错误 !未定义书签。 缸参数计算 . 错误 !未定义书签。 的选择计算 . 错误 !未定义书签。 的选择计算原则 . 错误 !未定义书签。 统流量计算 . 错误 !未定义书签。 量计算 . 错误 !未定义书签。 的参数计算 . 错误 !未定义书签。 V 的选择计算 . 错误 !未定义书签。 助元件的选择计算 . 错误 !未定义书签。 路 . 错误 !未定义书签。 能器的选择 . 错误 !未定义书签。 箱的设计计算 . 错误 !未定义书签。 箱设计原则 . 错误 !未定义书签。 箱参数设计计算 . 错误 !未定义书签。 箱容量的计算 . 错误 !未定义书签。 箱内工作介质体积估算 . 错误 !未定义书签。 统发热功率计算 . 错误 !未定义书签。 压泵的功率损失 . 错误 !未定义书签。 的损失功率 . 错误 !未定义书 签。 路以及其它功率损失 . 错误 !未定义书签。 滤器的选择 . 错误 !未定义书签。 压工作介质的选取 . 错误 !未定义书签。 第七章 三维建模 . 错误 !未定义书签。 部件三维设计 . 错误 !未定义书签。 晶器振动装置固定台 . 错误 !未定义书签。 晶器振动装置活动台 . 错误 !未定义书签。 杆 1 . 错误 !未定义书签。 杆 2 . 错误 !未定义书签。 轴 . 错误 !未定义书签。 承 . 错误 !未定义书签。 圈 . 错误 !未定义书签。 承端盖 . 错误 !未定义书签。 尼器气囊 . 错误 !未定义书签。 水管 . 错误 !未定义书签。 尼器进气管道 . 错误 !未定义书签。 状活塞杆头 . 错误 !未定义书签。 尼器支架 . 错误 !未定义书签。 压缸 . 错误 !未定义书签。 装配图 . 错误 !未定义书签。 总结 . 错误 !未定义书签。 致谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 内蒙古科技大学毕业设计说明书 (毕业论文 ) 1 I 摘要 结晶器是连铸机的心脏部件。它的主要作用就是对结晶器中的钢水提供快速而且均匀的冷却环境，促使坯壳的快速均匀生长，以形成质量良好的坯壳，保证连铸过程正常而稳定的进行。在浇注钢水时，若结晶器静止不动，坯壳容易与结晶器内壁产生粘结，这就增大了拉坯时的阻力，导致出现坯壳“拉不动”或者钢水被拉漏事故发生，很难进行浇注。而当结晶器以一定的规律振动时，这就能使其内壁获得比较良好的润滑条件，从而减少了摩擦阻力又能防止钢水和结晶器内壁的粘结，同时还可以改善铸坯的表面质量，因此结晶器振动装置具有重要的作用。 本文通过对连铸 发展历史，以及结晶器振动技术的发展和结晶器振动方式的改进进行了阐述，提出了电液伺服装置驱动，并对其振动规律及工作原理做出了分析。然后绘制了机械简图，并对其工艺参数和运动参数进行了分析计算，最终完成了本次设计。 本文主要的设计内容包括： 通过负滑脱量、频率和周期、结晶器运动的速度和加速度以及负滑脱时间的计算，来确定铸坯的工艺参数。 设计校核了双摇杆机构的主要部分，并根据经验推出机架结构。 由系统所需动力选择恰当的液压缸及液压泵 。并对系统的辅助原件进行了计算和选择，同时提出了同步回路电液伺服系统。 关键词： 连铸；结晶器；振动装置；振动规律；电液伺服装置 he is of is to in to a of In in to a to of or is it is to in is in of is of an on of of to of to of of of of to of of of of y by of of of ey V 目录 摘要 . I . 一章 绪论 . 1 么是连铸 . 1 内连铸的重要性 . 1 国连铸发展的主要成就 . 2 界连铸技术的发展及我国存在的差距 . 3 铸机振动系统应注意的部分问题 . 4 第二章 结晶器振动技术 . 6 晶器振动技术发展的历史 . 6 铸机结晶器振动简介 . 6 晶器振动规律的演变 . 7 晶器振动和润滑的关系 . 10 第三章 结晶器振动方案的选择 . 14 课题研究的目的 . 14 题研究内容 . 14 备发展状况 . 15 边设备简介 . 15 术方案介绍 . 15 动机构的选择 . 19 第四章 结晶器正弦振动的参数分析 . 22 滑脱量计算 . 22 率与周期 . 22 晶器的运动速度和加速度 . 23 滑脱时间的确定 . 24 第五章 结晶器振动装置机械设计 . 26 力分析 . 26 度校核 . 27 的校核 . 27 的校核 . 30 承校核 . 34 第六章 结晶器振动装置伺服系统的设计 . 35 制方案 . 35 计计算 . 36 压缸设计计算 . 36 缸的设计原则 . 36 缸的设计 . 37 缸参数计算 . 37 的选择计算 . 39 的选择计算原则 . 39 统流量计算 . 39 量计算 . 39 的参数计算 . 40 V 的选择计算 . 40 助元件的选择计算 . 42 路 . 42 能器的选择 . 44 箱的设计计算 . 45 箱设计原则 . 45 箱参数设计计算 . 45 箱容量的计算 . 46 箱内工作介质体积估算 . 46 统发热功率计算 . 46 压泵的功率损失 . 46 的损失功率 . 46 路以及其它功率损失 . 47 滤器的选择 . 47 压工作介质的选取 . 48 第七章 三维建模 . 49 部件三维设计 . 49 晶器振动装置固定台 . 49 晶器振动装置活动台 . 49 杆 1 . 50 杆 2 . 50 轴 . 51 承 . 51 圈 . 51 承端盖 . 52 尼器气囊 . 52 水管 . 52 尼器进气管道 . 53 状活塞杆头 . 53 尼器支架 . 54 压缸 . 54 装配图 . 55 总结 . 56 致谢 . 57 参考文献 . 58 内蒙古科技大学毕业设计说明 书 (毕业论文 ) 1 第一章 绪论 连铸即为连续铸钢（英文， 简称。在钢铁厂生产各类钢铁产品过程中，使用钢水凝固成型有两种方法：传统的模铸法和连续铸钢法。而在二十世纪五十年代 在欧美国家出现的连铸技术是一项把钢水直接浇注成形的先进技术。与传统方法相比，连铸技术具有大幅提高金属收得率和铸坯质量，节约能源等显著优势。 连续铸钢的具体流程为：钢水不断地通过水冷结晶器，凝成硬壳后从结晶器下方出口连续拉出，经喷水冷却，全部凝固后切成坯料的铸造工艺过程。 从上世纪八十年代，连铸技术作为主导技术逐步完善，并在世界各地主要产钢国得到大幅应用，到了上世纪九十年代初，世界各主要产钢国已经实现了 90以上的连铸比。中国则在改革开放后才真正开始了对国外连铸技术的消化和移植；到九十年代初中国的连铸 比仅为 30。 司作为中国最早的一家民营专业化连铸技术公司，从 1992 年成立起就致力于中国连铸技术的发展和创新，为推动国内连铸钢铁业的迅速发展，提高国内连铸比贡献自己的一份力量。 铸铁水平连铸课题为国家“七五”攻关项目，铸铁经过水平连铸方法生产的型材，无砂型铸造经常出现的夹渣、缩松等缺陷，其表面平整，铸坯尺寸精度高 (土 L 0需表面粗加工，即可用于加工各种零件。特别是铸铁型材组织致密，灰铸铁型材石墨细小强度高，球铁型材石墨球细小园整，机械性能兼有高强度与高韧性结合的优点。目前国际上铸铁 型材已广泛运用到制造液压阀体，高耐压零件，齿轮、轴、柱塞、印刷机辊轴及纺织机零部件。在汽车、内燃机、液压、机床、纺织、印刷、制冷等行业有广泛用途。 新世纪以来，中国继续保持快速发展连铸的态势， 2007 年连铸坯产量达到 47430 万 t，钢铁工业连铸比已达 随着板、带、管材在钢材消费内蒙古科技大学毕业设计说明 书 (毕业论文 ) 2 结构中的比例大幅上升，数量众多的板坯、方坯、圆坯、异形坯及薄板坯连铸机在新世纪投入生产。这一过程不仅促进了炼钢生产设备的大型化，而且还促进了炼铁生产设备的大型化；同时由于连铸品种质量的稳定提高，高温 、无缺陷铸坯技术的发展，使炼钢与轧钢工序通过连铸坯热送热装变得更为紧凑。在中国，连铸的发展促进了钢铁生产流程的进一步优化。可以说新世纪以来，连铸技术不断推动着中国钢铁工业的快速发展。 1990 年中国连铸坯产量只有 1480 万 t，钢铁工业连铸比为 至2000 年，连铸坯产量达到 t，连铸比达到 在此期间，小方坯连铸发展尤为迅速。 1988 年中国拥有小方坯的流数为 206 流，而至 2000年则增加到 624 流，增幅达 远高于板坯连铸机流数的增幅 ，这主要取决于我国以长材为主的钢材消费结构。 如果说上世纪 90 年代，中国连铸发展以小方坯连铸的强劲发展带动全国连铸产量、连铸比及全连铸钢厂的迅速发展为重要特征，那么新世纪以来，中国连铸发展又呈现出更新的特点和丰富的内涵。首先是连铸产量和连铸比继续保持快速增长的态势；其次随着板、带、管钢材消费的增长，板坯、方坯、圆坯、异形坯等多种连铸机数量急剧增加。这期间尤其是薄板坯连铸 论生产规模还是相关技术经济指标，均达到了世界水平；在推进高效化连铸技术的同时，品种、质量得到很大改善和提高。继续遵循“开放引进与自主研发并重”的原则，自主设计、自主制造的国产连铸机的比例越来越大。连铸坯产量、连铸比的快速增长新世纪以来，中国连铸继续保持快速增长的态势。 20002007 年，中国粗钢产量增加幅度为 而连铸坯产量的增幅为 连铸比在这期间继续保持了高速增长的趋势。至 2007年，中国钢铁工业连铸比已达到 可以说连铸的快速增长仍然是推动钢铁工业发展的技术动力。 新世纪中国连铸发展的另一个重要特征是，连铸机型改变了上世纪以发展小方坯机型为主的趋势，而向多样化发展，尤其是板坯、方坯、圆坯、异 型坯、薄板坯等机型的数量增加远远超过小方坯连铸机的增幅。 内蒙古科技大学毕业设计说明 书 (毕业论文 ) 3 按连铸机流数统计，板坯铸机由 2000 年的 78 流增加到 2007 年 237 流，增幅达到 方坯铸机由 378 流增加到 1323 流，增幅达 250%；圆坯铸机由 40 流增加到 173 流，增幅达 异形坯铸机由 3 流增加到 15 流，增幅达 400%；而小方坯流数的增幅为 这充分说明了，中国钢材消费结构发生了巨大变化，即板、带、管材的消费大幅增加，改变了上世纪以长材为主流的钢材消费结构。图 6 示出了 2006 年中国钢材产品结构，另外，1998 年 尚未有一台薄板坯连铸机正式投产，但至 2007 年已有 13 条薄板坯连铸连轧生产线投产，其中薄板坯连铸机的流数为 28 流，发展速度很快。 连铸坯的吨数与总铸坯 (锭 )的吨数之比叫做连铸比，它是衡量一个国家或一个钢铁企业生产发展水平的重要标志之一，也是连铸设备、工艺、管理以及和连铸有关的各生产环节发展水平的综合体现。 1970 年至 1980 年，世界平均连铸比从 展到 中国的连铸比从 展到 至1990 年，世界和中国的连铸比分别发展到 到 2001 年，又分别发展到 和 2003 年，中国连铸比达到 右，估计世界平均连铸比 2003 年接近 90。从统计数字可以看出，中国的连铸技术在近 10 多年内得到了迅速发展。 世界上有许多连铸技术实力较强的公司，如西马克德马格、奥钢联、日本 司、达涅利 (包括戴维 )公司等。以板坯连铸机为例，西马克德马格公司从 1962 年至 2001 年新设计和改造板坯连铸机共约 370 台；奥钢联从 1959 年至 2000 年新建和改造板坯连铸机共约 181 台；日本 司截止2001 年新建并改造板坯连 铸机共约 150 台；达涅利的戴维公司也设计了 10多台连铸机。 2001 年末，世界上共有各类投产的板坯连铸机约 550 台 800 流(有一些是重复改造的，按估计值未计入 )。 截止到 2002 年底，中国共有 551 台 (1749 流 )连铸机，其中板、方坯连铸机分别为 101 台 (130 流 )、 429 台 (1564 流 )，圆坯、异形坯连铸机分别为20 台 (52 流 )、 1 台 (3 流 )。这些统计中，绝大部分连铸机是立足于中国国内设计制造的。 内蒙古科技大学毕业设计说明 书 (毕业论文 ) 4 我国加入 ，人才、知识、科技与经济的全球化趋势越来越清晰地展现出来。由于历史及其他各方面 原因，国外先进技术和管理方式显然具有竞争优势。近几年，我国经济发展较快，冶金企业投放的技改资金比较大，新上项目很多，连续铸钢项目也较多，但连铸机设备和技术大部分还是靠引进。我国薄板坯连铸连轧已经引进了将近 10 条生产线；从 2000 年开始，我国先后全部引进或引进核心部位设备与技术的常规板坯连铸机共有 24 台 27流，还有继续引进的趋势；中薄板坯连铸机、异型坯连铸机全部引进；大方坯连铸机也有引进的倾向。其原因主要是我国连铸技术与国外先进水平还存在一定差距。 图为某连铸机原振动系统 ，从整体上看传动环节太多，从局部上看则结构环节过多。动力由电机传至外弧左偏心轮轴要经过减速机、联轴器、传动轴等 7 个环节，仅联轴器就用了 4 套。而运动传至内弧偏心则还要多一个环节。从局部看，为了实现振动机构振幅可调，在机构中增加了偏心套。从偏心轴至振动台需经过偏心轴、偏心套、轴承、连杆以及关节轴承等环节。由此可见，该振动装置的振动系统环节太多。 图 1 某连铸机原振动系统 振动系统环节过多造成振动不稳定的原因可归结如下： 内蒙古科技大学毕业设计说明 书 (毕业论文 ) 5 (1)环节过多使系统刚度降低，从而导致系统固有频率降低。 (2)环节过多导致振动台四点振幅及相位误差增大。 (3)增加了系统存在间隙的机会。 所以我们在设计连铸机振动系统时应尽量避免以上问题的发生。 内蒙古科技大学毕业设计说明 书 (毕业论文 ) 6 第二章 结晶器振动技术 最初的连铸机结晶器是静止不动的，在拉坯的过程中坯壳很容易与结晶器内壁产生粘结， 从而出现坯壳“拉不动”或拉漏钢水的事故发生。因此，静止不动的结晶器限制了连铸生产的工业化发展。直到 1933年现代连铸的奠基人一德国的西格弗里德容汉斯开发了结晶器振动装置，并成功地将它应用于有色金属黄铜的连铸。 1949年 S容汉斯的合伙人美国的艾尔文罗西 (获得了容汉斯结晶器振动技术专利的使用权，并首次在美国约阿勒德隆钢公司厂的一台方坯连铸试验机上采用了振动结晶器。与此同时，容汉斯振动结晶器又被西德曼内斯 (司胡金根厂的一台连续铸钢试验连铸机上成 功应用结晶器振动技术在这两台连铸机上的成功应用，为结晶器振动技术的广泛应用打下了坚实的基础。 在连铸技术的发展过程中，只有采用了结晶器振动装置后，连铸才能成功。结晶器振动的目的是防止拉坯坯壳与结晶器粘结，同时获得良好的铸坯表面，因而结晶器向上运动时，减少新生的坯壳与铜壁产生粘结，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，这就要求向下的运动速度大于拉坯速度，形成负滑脱。 机械振动的 振动装置由直流电动机驱动，通过万向联轴器，分两端传动两个蜗轮减速机，其中一端装有可调节轴套，蜗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。 在新型连铸生产工艺中，采用带有数字波形发生器的结晶器电液伺服振动控制是保证连铸生产质量的关键技术之一。国外的应用情况表明，采用连铸结晶器非正弦伺服振动，能够有效地减少铸坯与结晶器间的摩擦力，从而防止坯壳与结晶器粘结而被拉裂，减小铸坯振痕，提高铸坯质量川一 9l。带有 数字波形发生器的结晶器电液伺服振动控制装置和传统的结晶器振动装置相比，可以方便地实现多种波形振动、实现连铸过程监督和实时显内蒙古科技大学毕业设计说明 书 (毕业论文 ) 7 示振动波形，并能在线修改非振动方式及振动频率和幅值等参数，实现控制过程的平稳过度。 结晶器振动技术的发展过程来看，结晶器振动技术先后经历了矩形速度规律、梯形速度规律值到目前应用最广泛的正弦振动规律以及近几年更为先进的非正弦振动规律。 结晶器振动速度随时间的变化规律即为结晶器振动规律，结晶器振动规律是结晶器振动技术中最基本的内容。因为从结晶器振动技术发展 的历史过程来看，每当结晶器采用了一种新的振动规律时，新的振动规律都较过去的振动规律更为合理，而且都对铸坯的连续浇注、铸坯的表面质量及拉坯速度的提高产生了重大的影响。 (1)矩形速度规律 从结晶器振动技术发展历史来看，矩形速度规律是最早出现的一种结晶器振动方式，如图 2所示即为它速度变化规律 3。矩形速度规律的主要特点是 :结晶器在向下振动时与拉坯速度相同，即结晶器与铸坯做同步运动，然后结晶器又以 3倍的拉坯速度向上运动。其表达式如下： 式中： f 结晶器振动频率 振幅 mm
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