结晶器振动技术

1、第 1 页 共 11 页内蒙古科技大学内蒙古科技大学实习论文题目：结晶器振动技术姓名学号：班级日期：第 2 页 共 11 页目录目录内蒙古科技大学煤炭学院 .1目录 .2一、摘要一、摘要 .3 3二、前言二、前言 .3 3三、结晶器振动技术三、结晶器振动技术 .5 53.1 正弦振动.53.2 非正弦振动.63.4 结晶器振动参数设置.93.5 振动伺服阀.103.6 结论.10第 3 页 共 11 页一、一、摘要摘要连铸连轧结晶器振动技术的发展历史和现状，简单分析了结晶器正弦振动和非正弦振动形式，并讨论了结晶器振动和润滑的关系。关键词：结晶器；振动；润滑；振动参数；振动伺服阀；二、二、前言前

2、言结晶器振动是连铸技术的一个基本特征。连铸过程中，结晶器和坯壳间的相互作用影响着坯壳的生长和脱膜，其控制因素是结晶器的振动和润滑。连铸在采用固定结晶器浇注时，连铸直接从结晶器向下拉出，由于缺乏润滑，易与结晶器发生粘结，从而导致出现拉不动或者拉漏事故，很难进行浇注。结晶器振动对于改善铸坯和结晶器界面间的润滑是非常有效的，振动结晶器的发明引进，工业上大规模应用连铸技术才得以实现。可以说，结晶器振动是浇注成功的先决条件，十年来发展的重要里程碑。近年来，冶金工业的迅速发展，要求连铸提高拉速和增加连铸机的生产能力，人们对结晶器振动的认识也在不断深入和发展。连铸机结晶器振动的目的是防止拉坯时坯壳与结晶器黏

3、结,同时获得良好的铸坯表面。结晶器向上运动时,减少新生坯壳与铜壁产生黏着,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,要求向下运动的速度大于拉坯速度,形成负滑脱。结晶器壁与运动坯壳之间存在摩擦力,此摩擦力被认为是撕裂坯壳进而限制浇注速度的基本因素。在初生坯壳与结晶器壁之间存在液体渣膜,此处的摩擦为黏滞摩擦,即摩擦力大小正比于相对运动速度,渣膜黏度,反比于渣膜厚度。在结晶器振动正滑脱期间摩擦力及其引起的对坯壳的拉应力就较大,可能将初生坯壳拉裂,为此开发了采用负滑脱的非正弦振动技术来减小这一摩擦力。理论研究及模拟

4、实验表明,适当选择非正弦振动参数(偏斜率)可减小摩第 4 页 共 11 页擦力 50% 60%。在结晶器液压伺服非正弦振动出现之前都是采用机械式振动装置的,机械式的振动装置由直流电动机驱动,通过万向联轴器,分两端传动两个涡轮减速机,其中一端装有可调节轴套,涡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。机械振动一般采用正弦曲线振动,振动波形、振幅固定不变。与机械振动相比,板坯连铸机的液压振动装置具有一系列优点: 振动力由两点传入结晶器,传力均匀;在高频振动时运动平稳,高频和低频振动时不失真,振动导

5、向准确度高;结构紧凑、简单,传递环节少,与结晶器对中调整方便,维护也方便;采用高可靠性和高抗干扰能力的PLC 控制,可长期保证稳定的振动波形;可改变振动曲线,并可在线设定振动波形等,增加了连铸机可浇钢种;改善铸坯表面与结晶器铜壁的接触状态,提高铸坯表面质量并减少黏结漏钢。第 5 页 共 11 页三、三、结晶器振动技术结晶器振动技术在结晶器振动技术发展过程中，在振动形式及振动装置的结构上出现了多种多样的形式。目前，在工业生产中应用量多的是正弦波模式。近年来，非正弦波模式又被人们接受，并随着先进的液压振动装置的出现，采用了各种各样的振动曲线。3.1 正弦振动正弦振动正弦振动就是结晶器的运动速度和时

6、间成正弦曲线关系，如图 1 曲线 2 所示。这种振动规律的最大优点就是只要用一简单的偏心机构即可实现，易于维护，速度变化平稳无冲击。由于正弦振动的速度始终处于变化中，在振动机构和拉坯机构之间没有严格的速度关系。因此，也不必建立严格的连锁。同时，在运动中仍有一小段负滑脱阶段，具有脱膜作用。由于加速度较小，这种振动还能实现高频振动，减少负滑动时间以得到较浅的振痕，有利于改善铸坯表面质量，为了 使这两个参数最佳化，曾经历了不同方向的发展1。从大量实践经验可以得出结论，高频率小振幅对改善铸坯表面质量有明显的效果2。从图 2 可以看出拉坯速度相同时，小振幅高频率壳减少振痕深度，负滑脱时间tN=60/fc

7、os-1(1000W拉/2Sf), 当振幅 S 减小,振动频率 f 增大时,其结果可使负滑脱时间 tN 缩短,因此也可以说缩短负滑脱时间有利于提高铸坯表面质量,图 3 也说明了这一点。目前,有关文献报道大多数负滑脱时间取值范围在01025s,对于不同钢种最佳负滑脱时间为 01s。但是,正弦振动的特性完全决定于其振幅和频率的数值,即正弦振动只有两个相互独立的振动参数。变量少,其波形的调节能力就小,难以完全满足高速连铸的工艺要求,特别是对于那些易于粘结的钢种,在高速浇注条件下采用具有较长的正滑动时间的非正弦式结晶器振动是更有利的,而且采用带可调程序控制装置的液压机构很容易实现这种非正弦振动方式。第

8、 6 页 共 11 页 3.2 非正弦振动非正弦振动结晶器振动结构原理如图 3 所示。由图 3 可以看出结晶器振动系统的构成包括两大部分:电气控制部分与液压驱动部分;液压部分主要包括 2 个振动液压缸和 1 个蓄能器,其动力源为主液压站,主液压站向 2 个振动液压缸提供稳定压力和流量的油液。液压站的运行由远程 PLC 站来控制。电气控制元器件:在振动台下面的控制箱内有 1 个伺服阀、1 个位置传感器、1 个温度传感器、2 个压力传感器(进油压力检测与出油压力检测),另外还有 1 个箱体冷却电磁阀和 1 个油路急停电磁阀。结晶器振动的核心控制装置为伺服阀,它带位置反馈,可以准确的调节其阀位, P

9、LC 输出 010V 的控制信号,反馈回 420mA 的信号,根据反馈信号的大小来调节阀位,因而它的控制精度高于比例阀,比例阀是不带位置反馈的。伺服阀的灵敏度极高,但液压站提供的压力有波动,伺服阀的动作就会失真,造成振动时运动不平稳和振动波形失真。因此,要在系统中设置蓄能器以吸收各类波动和冲击,保证整个系统的压力稳定。控制箱内的温度传感器用来检测缸体温度,以便于观察各元器件的工作环境,它的温度数值可以从 HMI 上或 C7-634 上看到,如果由于冷却不良导致环境温度过高时,位置传感器会失控并产生紊乱信号,同时执行保护性停机。它的一般允许温度最高为 80,保持良好的冷却,有助于系统的稳定与正弦

10、和非正弦曲线振动靠伺服阀控制,而伺服过 PLC 控制曲线生成器设定振动曲线(同时也设定振幅和频率)。曲线生成器通过液压缸传来的压力信号和位置反馈信号来修正振幅和频率。经过修正的振动曲线信号转换成电信号来控制伺服阀。只要改变曲线生成器即可改变振动波形、振幅和频率。第 7 页 共 11 页曲线生成器输入信号的波形、振幅和频率可在线任意设定,设定好的振动曲线信号传给伺服阀,伺服阀即可控制振动液压缸按设定参数振动。在软件编程中,同时还设置多种报警和保护措施以避免重大事故的发生。这种在线任意调整振动波形、振幅和频率是机械振动实现不了的。 图 3 液压伺服振动结构组成及控制原理图近年来,现代连铸发展的一个

11、特点是拉坯速度日益提高,同时,连铸坯热送直接轧制技术的发展也对连铸坯的表面质量提出了更高的要求。实践表明,高频振动和高速铸造均会造成结晶器保护渣消耗量的下降,使坯壳与结晶器壁间的润滑性能变坏,摩擦力增加,容易发生粘结漏钢。为解决高拉坯速度、高频振动这一新情况下的漏钢问题,将弯月面下初凝的薄弱坯壳顺利拉出,人们一方面采用含有 Li2O 的低粘度、低熔点、铺展性好的保护渣,以改善铸坯与结晶器间的润滑条件,保持一个合适的保护渣消耗量;另一方面在结晶器的振动方式上采用这样的振动波形:在正滑动区间 V 振-V 拉较小以尽可能降低作用在坯壳上的拉伸应力,而在负滑动区间 V 振-V 拉较大以对坯壳施加足够大

12、的压缩力,并降低负滑动时间率 NSR 或增大正滑脱时间 tP。在正弦振动中, tN、tP 互为增函数关系,不能同时满足上述几个方面的要求。因此,人们开发了结晶器上升时间比下降时间长的非正弦振动波形,引入了波形偏斜率 这一自由参数。当然,目前开发的各种波形不同的非正弦振动模式,均是通过液压伺服系统控制的液压振动装置来实现非正弦振动的,除了可以改变振幅和振频外,还可以根据工况的变化自由地调节波形偏余率 ,改变振动波形。图 1 示出了非正弦振动的位移曲线和速度曲线。其特点是结晶器的上升时间长且速度平稳,可显著地减小对坯壳的拉伸应力;下降时间短且保持了较大的负滑动量,可对坯壳施加较大的压缩应力。负滑脱

13、时间tN 明显减少,这符合前面提到的缩短 tN,有利于改善铸坯表面质量的论述,同时,在非正弦振动中, tN, tP 互为减函数关系, tN 减少相应增大了正滑脱时间 tP,可以保证保护渣的有效供给。工业实验已经证明,采用合适的非正弦振动波形,至少可使振痕深度减少 30%,坯壳与结晶器壁间的摩擦阻力减少 40%。此外,据称非正弦振动方式对于铸坯皮下的纯净度、结晶器的传热以及初生钩形凝固壳的第 8 页 共 11 页形成都有积极影响。继国外将液压伺服振动结晶器应用于连铸后,中国的李宪奎教授等提出了用连杆式机械传动实现结晶器的非正弦振动,通过改变连杆机构的杆长比和初相角来得到不同的非正弦振动波形。与液

14、压驱动的非正弦振动装置相比,连杆式机械传动的非正弦振动装置具有结构简单,便于加工、制造和维修成本低等优点,特别适用于原有连铸机的改造。这对于振动模型的研究又提供了一种思路。目前,首钢已在小方坯连铸机上率先采用这种振动装置。 3.3 结晶器的振动与润滑的关系结晶器振动的重要影响主要是对润滑和振动痕迹形成的作用。振动的同时要求提供结晶器润滑,两者的共同作用是减小坯壳和结晶器壁间的摩擦力,以得到最好的表面质量和防止粘结漏钢的最佳安全性。如前所述,结晶器振动对于改善结晶器壁间的润滑是非常有效的,但对于结晶器振动如何影响结晶器保护渣的消耗和保护渣的润滑作用,其机理并不十分清楚。早期的研究曾提出一个负滑脱

15、期间保护渣流入量的模型,但是随后的试验结果表明,保护渣消耗量是正滑脱时间的增函数,图 4 示出了保护渣消耗量与正滑脱时间的关系。可见,对于振动结晶器,正滑脱时间越长,保护渣消耗量越大,由此也引起了大量的争论。笔者认为,对于增加保护渣消耗而言,正滑脱期间和负滑脱期间是振动周期内的两个必不可少的过程:正滑脱期间,结晶器相对坯壳向上运动,保护渣在结晶器钢水弯月面处形成的渣圈上移,液渣由钢液面向弯月面流动的通道被“打开”,促进了液渣弯月面附近流动和聚集,由于摩擦力作用液态渣的一部分被“拔出”;负滑脱期间,结晶器相对坯壳向下运动,渣圈随结晶器下移,液渣受到压力而向结晶器和坯壳间填充,同时,由于压缩的作用

16、,液渣流动的通道被“关闭”,也部分阻第 9 页 共 11 页碍了钢液面上的液渣向弯月面附近流动。结晶器周期性振动的结果,导致液渣在弯月面处的流动、聚集以及向结晶器和坯壳间填充的重复进行,从而改善了结晶器的润滑状况。当液渣的填充成为限制性环节时,负滑脱时间反映振动参数对保护渣消耗的影响;当液渣供应成为限制性环节时,则正滑脱时间反映振动参数对保护渣消耗的影响。通过对生产、试验数据的综合评价,研究发现,保护渣消耗量与总的周期时间有很好的对应关系(见图 5),并得到如下的实验公式4:Q=055(60/f) (V2c)-1/2+01式中: Q单位面积的保护渣消耗量, kg/m2;Vc拉坯速度, m/mi

17、n;f振动频率,Hz;保护渣的液渣粘度,Pas。很明显,它是保护渣粘度和振动频率的函数,给出了一个与时间有关的保护渣消耗机制,由于高频振动以及高拉速减少了坯壳的“接触时间”,保护渣消耗量降低。但是,上式中变量缺少了振幅 s 的影响,仍不能对结晶器振动的影响作出满意的评价。 3.4 结晶器振动参数设置结晶器振动参数设置结晶器振动的主要参数有两类:一类为基本参数,包括振频、振幅与波形偏斜率;另一类为工艺参数,包括负滑脱时间、负滑脱时间率和正滑脱时间。结晶器振动参数的影响:结晶器振动的负滑脱时间控制铸坯表面的振痕深度,两者呈函数关系。负滑脱时间越长,振痕越深;保护渣的消耗量与结晶器振动的正滑脱时间呈

18、正函数关系,正滑脱时间越长,保护渣消耗量越大;结晶器振动的负滑脱时间率、负滑动量、结晶器上振的最大速度都反映结晶器振动的工艺效果但它们不是独立的参数,而且随着结晶器振动形式的确定,一般以其正、负滑脱时间来判定结晶器振动的工艺效果。设置不同的参数可以得到不同的振动曲线,为获得良好的结晶器振动工艺效果,同时考虑到振动装置所承受的冲击力,保证振动装置的稳定性和使用寿命。振动波形的设定具体原则是在一定的振幅、振频及波形斜率的条件下:第 10 页 共 11 页结晶器下振的最大速度 Vm 尽可能大;结晶器上振的最大速度尽可能小;结晶器的加速度应连续变化,且最大加速度 am 应尽可能小;Vm/am 应尽可能

19、大,即尽可能小的 am 实现尽可能大的 Vm。振动台振频范围在 40270cpm 内,振幅为 012mm;波形斜率为 0.50.7;每个缸的动作幅度最大为 019.0mm,工作位置在中间位置 9.5mm 处振动。可根据不同的钢种、浇速等改变振动方式,在 HMI 上可以选择振动表 16 个,也可根据需要从服务器上手动输入所需的振动参数。液压伺服系统油箱、管路等全部采用不锈钢材质,保证油源的清洁。动力采用恒压泵构成恒压力油源,一则可提高系统的稳定性;二则可减少系统发热,降低油温,延长油液使用寿命;三则可以降低能耗,节约能源。 3.5 振动伺服阀振动伺服阀在振动伺服控制系统中,有一个三级控制伺服阀,是系统的核心所在,用于控制液压缸运动的方向与速度。伺服阀的进、出油口回路上接有 4 个二位 二通手动换向阀,用于在维修时将伺服阀与油路隔离。进回油路上各有 2 个小型蓄能器,用于进一步吸收流量脉动,同时可以提高伺服液压缸开始动作时的响应速度。设有 1 个安全阀。在回路中,还装有位置传感器与压力传感器,用于实现反馈控制。过滤精度达 3