说明书连铸机结晶器振动装置毕业论文

1、液压伺服驱动式铸坯结晶器振动装置设计摘要结晶器振动装置是连铸中的关键设备,其振动形式、控制方式以与在线监测与调整,对连铸质量具有重要影响。因此,研究连铸结晶器振动装置与控制技术具有重要的现实意义。本文通过对连铸机结晶器技术发展与结晶器振动方式演变的阐述，提出了电液伺服驱动，并对其振动形式与其工作原理进行了实质性的分析。然后绘制了机构简图，并对其运动参数与工艺参数进行了分析计算！最后通过校核、机构的仿真分析完成了本次设计！关键词：连铸机；结晶器 ；正弦振动；电液伺服控制；振动装置Desighof the hydraulic pressure servo actuation type casts

2、the semifinishedproduct crystallizer shake-out equipmentAbstractThe crystallizer shake-out equipment is in the continuous casting key equipment, its vibration form, the control mode as well as the online monitor and the adjustment, have the material effect to the continuous casting quality. Therefor

3、e, the research continuous casting crystallizer shake-out equipment and the control technology have the vital practical significance. This article through the elaboration which evolves to the continue caster crystallizer technological development and the crystallizer vibration way, proposed the batt

4、ery solution servo actuates, and has carried on the substantive analysis to its vibration form and the principle of work. Then has drawn up the organization diagram, and has carried on the analysis computation to its parameter of movement and the technological parameter! Finally through the examinat

5、ion, the organization simulation analysis has completed this design! Keywords: mould; sinusoidal oscillation; electro-hydraulic;目录摘要IAbstractII目录III第一章绪论11.1连续铸钢的发展11.2 连续铸钢的特点31.3连铸机机型分类，特点与演变51.4连续铸钢的工艺流程与设备6第二章.结晶器振动技术72.1结晶器振动技术发展的历史72.2 连铸机结晶器振动简介82.3结晶器振动规律的演变82.4结晶器振动和润滑的关系112.4.1 结晶器振动与保护渣的关

6、系122.4.2结晶器的润滑机理132.4.3 结晶器中摩擦力的分布15第三章结晶器振动方案的比较、论证、确定与经济性分析163.1 本课题研究的目的163.2 课题研究容163.3 课题方案的选择173.3.1 振动机构简介173.3.2 振动机构的选择20第四章结晶器正弦振动的参数分析244.1 负滑脱量计算244.2 频率与周期244.3 结晶器的运动速度和加速度254.4 负滑脱时间的确定26第五章液压伺服系统的设计295.1 液压伺服系统的静态设计295.1.1、确定最大功率295.2 确定液压系统的主要参数，压力P，流量Q315.2.1初选系统的压力315.2.2 计算液压缸的主要

7、参数315.2.3 拟定液压系统图325.2.4 液压元件的设计335.3 液压系统的验算385.3.1 系统压力损失的计算38第六章机械设计406.1受力分析406.2强度校核416.2.1 轴的校核416.2.1.1中间截面校核426.2.1.2截面1校核436.2.2 轴的校核446.2.2.1中间截面校核466.2.2.2 截面1校核476.3 轴承校核486.3.1 轴轴承校核486.4 运动分析49第七章控制系统507.1连铸机结晶器振动系统的PLC控制507.1.1连铸机结晶器振动系统控制原理50致52参考文献5353 / 57第一章 绪论由于连铸技术具有显著的高生产效率、高成材

8、率、高质量和低成本的优点，近二三十年已得到了迅速发展，目前世界上大多数产钢国家的连铸比超过90%。连铸技术对钢铁工业生产流程的变革、产品质量的提高和结构优化等方面起了革命性的作用。1.1连续铸钢的发展连续铸钢是一项把钢水直接浇铸成形的节能新工艺，它具有节省工序、缩短流程，提高金属收得率，降低能量消耗，生产过程机械化和自动化程度高，钢种扩大，产品质量高等许多传统模铸技术不可比拟的优点。自从20世纪50年代连续铸钢技术进入工业性应用阶段后，不同类型、不同规格的连铸机与其成套设备应运而生。20世纪70年代以后，连铸技术发展迅猛，特别是板、方坯连铸机的发展对加速连铸技术替代传统的模铸技术起到了决定性作

9、用。 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工厂生产发展水平的重要标志之一，也是连铸设备、工艺、管理以与和连铸有关的各生产环节发展水平的综合体现。1970-1980年，世界连铸比从44发展到284，中国的连铸比从21发展到62；至1990年，世界和中国的连铸比分别发展到628和224；到1999年，又分别发展到844和774。2000年中国连铸比发展到86，估计世界连铸比为87左右。从统计数字可以看出中国的连铸技术在近10年得到了迅速发展。世界上有许多连铸技术实力较强的公司，如西马克德马克、奥钢联、日立造船、住友重机、丹尼利等。以板坯连铸机为例，西马克德马克

10、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，日立造船从1967年至1998年新建并改造板坯连铸机共约75台，住友重机提供和改造过约150台各类连铸机。截止2000年12月止，中国共有356台(1123流)连铸机，其中板方坯连铸机分别为63台(78流)、276台(1002流)，圆坯、异形坯连铸机分别为16台(40流)、1台(3流)。这些连铸机中，绝大部分是立足于中国国设计制造的。目前中国国能够承担连铸机研究、开发、设计的设计研究院所、厂有重型机械研究所、钢铁设计研究院、钢铁设计研究院、钢铁设计研究院、钢铁设计研究

11、院、马钢铁设计研究院、重矿公司、一重集团公司、二重集团公司、大重集团公司等，应该引起注意的是重型机械研究所在连铸成套设备的设计、研究和开发方面特别是在大型板坯连铸成套设备设计方面有着很强的实力，90年代以后，先后设计和改造的板坯连铸机有美国Canister大板坯连铸机，攀钢双流大板坯连铸机，上钢三厂、鞍钢宽厚板坯连铸机，酒钢、太钢、南钢、马钢、凌钢、武钢、宝钢等多台大板坯连铸机。到目前为止，连铸设备和工艺技术日益完善，在新建或改造旧有的连铸机时，人们都会无一例外地结合实际选择一些相关的关键技术。而具有代表性的技术是：(1)钢液的净化处理(2)防止二次氧化的保护浇注与钢液温度控制(3)钢包回转台

12、，钢包下渣检测，钢包倾转，钢包钢液自动称量。(4)大容量中间罐，中间罐冶金，中间罐热周转，“冷”中间罐使用，等离子加热，中间罐钢液自动称量。(5)自动加保护渣装置，保护渣品质分析检验设施。(6)结晶器在线热状态调宽，多锥度结晶器，漏钢预报，液面自动检控，电磁制动与电磁搅拌，高性能结晶器铜板与镀层。(7)机械式(可实现正弦振动曲线)、液压式(可实现正弦和非正弦振动曲线)结晶器振动装置。(8)大板坯连铸机中能够调宽、调厚的零号扇形段。(9)多点弯曲、矫直技术，连续弯曲矫直技术。(10)真正意义上的细辊密布辊子排列，分段辊，高性能辊子材料与堆焊层。(11)凝固末端轻压下，人为鼓肚轻压下。(12)远程

13、调整辊缝的液压夹紧式或机械式扇形段，二冷区域或二冷区凝固末端电磁搅拌。(13)二次冷却区气水雾化冷却与自动控制，喷水宽度随板坯宽度的无级切换，1：25-30的大流量围的气水雾化喷嘴。(14)全交流拉坯辊传动系统。(15)EIC一体化的电气、仪表、计算机控制系统。(16)结晶器、零号扇形段、结晶器振动装置、扇形段四大周转件整体吊装更换，完善的离线维修措施。(17)大板坯连铸机的上装引锭、自动脱锭。(18)辊缝自动测量仪、自动喷印机、去毛刺机、铸坯称量机、局部火焰清理机等关键辅助设备的应用。(19)最佳定尺切割(20)计算机质量判断(21)快速硫印(22)铸坯运行路线的计算机跟踪(23)自动开浇技

14、术就世界围而言，连比已经提高到一个较高的水平，新的连铸装备的投入步伐将有所减缓，随之而来的是各类旧有连铸机的更新换代。不管是新建的还是被改造的连铸机都会朝着高效化发展，提高无缺陷坯的比率，扩铸钢品种，推进纯净钢的同时防止二次氧化，提高连铸机的装机水平，提高作业率，合理提高拉速，做好炉机匹配等以高效化生产的中心的工艺、设备、操作技术将是连铸技术发展的必然。1.2 连续铸钢的特点连续铸钢技术的出现，推动了冶金钢铁工业的快速发展，同时也使钢铁企业的生产模式与结构产生了巨大变革。这些变革带来了降低能耗、缩短生产流程、提高产品质量等显著成果，其结果使得钢铁产品具有了更大的市场竞争能力，为炼钢生产向连续化

15、、自动化方向的发展开辟了新的途径。连铸技术的优越性20世纪70年代以后连铸技术迅速发展，究其原因主要是它与以往的模铸相比具有很多优越性。连铸与模铸的根本区别就在于它们的生产工艺流程是不一样的。模铸是把一炉钢水浇注成多根钢锭，钢锭脱模之后经初轧机开坯才得到钢坯，是在间断的情况下进行的;而连铸是把一炉钢水连续不断地注入到结晶器中，这样就可以得到无限长的铸坯，经切割后就可以直接生产铸坯。可见，连铸比模铸减少了一道工艺流程。同时模铸时铸坯的冷却速度较慢，而连铸时因强制冷却使冷却速度加快。基于这些根本差别，连铸和模铸比较，就具有许多突出的优越性。 1)提高了综合成材率。采用连铸工艺的直接经济效益，首先是

16、提高了综合成材率。过去采用的钢锭开坯方式，切头切尾损失达到10%-20%，从钢水到成坯的收得率约为84%-88%;而连铸的切头切尾损失仅为1%2%，从钢水到成坯的收得率为95%-96%，即采用连铸可以节约金属10%左右。金属收得率的提高必然使得综合成材率提高。一般来说，模铸时综合成材率为80%左右，而连铸时综合成材率可达95%以上。据测算，连铸比每提高10%，但综合成材率提高0.8%-1.5%. 2)降低能耗。连铸节能主要体现在一是省去开坯工艺直接节能，二是由于提高成坯率和成材率间接节能两方面。据相关资料报道，每生产It钢坯连铸比模铸可节能627-1046kJ，相当于21.435.7 kg标准

17、煤。按我国目前能耗水平测算，It连铸坯综合节能约130 kg标准煤，可见连铸对提高综合成材率与节能具有重要意义。应当指出，随着浇注钢种、铸坯断面和轧制工艺的不同，连铸节能的具体情况也是不同的。 3)产品的均一性好、质量高。模铸钢锭凝固时间比较长，元素偏析显著，特别是钢锭头部和尾部化学成分差异很大，而连铸坯冷却速度快、断面较小、树枝晶间距小、偏析程度轻，尤其是沿铸坯长度方向的化学成分比较均匀，因而其成材的均一性比模铸好。随着炼钢工艺的不断发展和连铸新技术的应用，目前连铸产品质量的各项性能指标大都优于模铸成材产品。4)易于实现机械化自动化。在以往炼钢生产过程中，模铸是一项劳动环境恶劣且强度大的工序

18、。而连铸由于其自身设备和工艺的特点，易于实现机械化自动化。近年来，随着科学技术与计算机的不断发展应用，使得连铸这一优越性更加突出，大多数连铸机己经实现了机电一体化。这就使操作者从模铸的繁重体力劳动中解脱出来，而且提高了劳动生产率。除以上显而易见的优点外，连铸还有生产周期快、吨坯成本低、占地面积小等优点。因此当成功应用连铸后，整个钢铁工业产生了巨大的变化。一方面铸锭车间、均热炉和初轧机逐步被连铸机所取代，另一方面连铸的不断发展也正在改变从炼钢到轧钢的工艺流程。1.3连铸机机型分类，特点与演变目前连铸机已在钢厂广泛采用，形式多种，用途各异。对连铸机的叫法也很不一致。现按一般习惯介绍连铸机的分类方法

19、： (1)接连铸机外形分类有：立式连铸机、立弯式连铸机、弧形连铸机、超低头(椭圆形)连铸机、水平连铸机，轮式连铸机等。 (2)按浇注铸坯断面分类有表1 国连铸机统计机型台数/台流数/流年产能/万t 说明小方坯211 783 8983.50 150mm150mm 方、矩坯218 781 9902 150mm150mm板坯91 120 8383 板方兼用者按板坯计薄板坯10 10 1262 薄板坯连铸连轧圆坯20 52 511.25 以生产圆坯为主者按圆坯异型坯1 3 63 合计551 1749 29204.75 有几家方案未确定者（如、等）尚未计入(3)按拉速分类有：高拉速连铸机和低拉速连铸机。

20、它们的主要区别在于：高拉速时铸坯带液芯矫直，低拉速时铸坯全凝固矫直。(4)按钢水静压头分类：静压力较大的叫高头型连铸机如立式、立弯式连铸机。静压力较小的叫低头连铸机如弧形、椭圆、水平连铸机。1.4连续铸钢的工艺流程与设备 图 1-1 炼钢生产工艺流程简图图1-2 连铸工艺图 第二章.结晶器振动技术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

21、注。而当结晶器以一定的规律振动时，这就能使其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壁的粘结，同时还可以改善铸坯的表面质量。因为当产生粘结时，振动能够强制脱模，消除粘结。因此使结晶器发生振动是浇注成功的先决条件，同时也是连铸技术发展的一个重要里程碑。正是振动结晶器的发明，工业上才得以实现大规模的应用连铸技术。随着连铸技术的不断发展，结晶器振动技术也在不断的发展和完善。2.1结晶器振动技术发展的历史 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

22、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(Irving Rossi )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斯(Mannesmann)公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。2.2 连铸机结晶器振动简介 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

23、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

24、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示振动波形，并能在线修改非振动方式与振动频率和幅值等参数，实现控制过程的平稳过度。2.3结晶器振动规律的演变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与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

25、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、铸坯的表面质量与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2-1中的曲线1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一样，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：结晶器振动频率 cpmS振幅 mm拉坯速度 mm/mi

26、n 图 2-1 矩形振动规律生产实践证明，矩形振动方式对铸坯的脱模是有效的，相比静止不动的结晶器，这种振动方式大大提高了铸坯的表面质量，提高了连铸的生产效率，在早期得到广泛应用。但此种振动方式的存在的缺点是:该振动规律的实现是用凸轮来实现的，但是凸轮的加工制造比较麻烦;为了保证结晶器与铸坯之间速度严格的同步运动，结晶器振动机构与拉坯机构之间要实行严格的电器连锁;结晶器振动速度在上升和下降时的转折点处变化很大，其加速度在理论上等于无穷大。虽然凸轮曲线在上升和下降之间有过渡连接曲线使结晶器振动的加速度达不到无穷大，但是仍然很大。过大加速度对铸坯的表面质量和振动系统的正常运转都是不利的，将对设备产生

27、强大的冲击，因而也不能采用高频率振动方式。(2)梯形速度规律 梯形速度规律是在矩形速度规律的基础上进行了一些改进，如图2-2中的曲线2所示即为梯形速度变化规律。梯形速度规律的主要特点是:结晶器在向下振动的过程中有一段较长时间其速度略大于铸坯的拉坯速速，即现在所称的“负滑动运动”。负滑动运动可以在坯壳中产生压应力，可以使结晶器里已经断裂的坯壳被压合，并且能够使粘结在结晶器壁上的坯壳强制脱模;从图1.1中曲线2可以看出结晶器振动速度在上升和下降的转折点处，变化比较缓和，这将有利于提高结晶器振动的平稳性。生产实践证明，梯形速度规律是一种相对比较好的振动规律，因此这种振动规律被使用了许多年。后来才被更

28、为合理的正弦振动规律所取代。(3)正弦速度规律 正弦速度规律如图2-2的曲线所示(正弦速度与余弦速度一样)。之所以选择正弦规律的主要原因有两个:一是正弦速度规律打破了前两种速度振动规律结晶器和铸坯之间有一定的速度关系的框架，重点发挥结晶器的脱模作用;二是速度规律的实现用偏心轮取代了之前使用的凸轮。 图2-2 正弦和非正弦振动规律结晶器振动的正弦速度规律曲线的数学表达式为：式中 结晶器运动的速度 m/minh振动冲程（俩倍振幅）， mm振动频率， 1/min从图2-2中的曲线可以看出正弦速度规律的主要特点如下： 1)结晶器与铸坯之间没有同步运动阶段，但结晶器仍然有一小段负滑动运动，这有利于拉裂坯

29、壳的“愈合”和粘结坯壳的脱模。2)由于结晶器振动速度是按正弦曲线变化，其加速度就是按照余弦曲线变化的。因此速度与加速度的变化都很平稳，这也使结晶器的振动很平稳。3)由于结晶器振动的加速度较小，因此可以采用较高频率的振动，这有利于消除坯壳与结晶器壁的粘结，也就提高了结晶器的脱模作用。 4)结晶器正弦振动规律是用偏心机构来实现的，采用偏心机构比凸轮机构具有加工制造容易、运动精度高、润滑密封方便、易于采用高频振动的优点。基于正弦振动规律上述的优点，它是目前国外应用最为广泛的一种结晶器振动规律。它在方坯、板坯与薄板坯连铸机上都有最广泛的应用。 (4)非正弦速度规律如图2-2的非正弦速度规律4。它是近年

30、来出现的一种新型振动方式。非正弦速度规律主要特点是:负滑动时间比较短，这有利于减轻铸坯表面振动痕迹的深度，提高铸坯表面质量;较长的正滑动时间可增加保护渣的消耗量，有利于提高结晶器的润滑条件，减小拉坯阻力;结晶器向上振动速度与拉坯速度之差较小，有利于减小结晶器施加给铸坯向上作用的摩擦力，即可减小坯壳中的拉应力，减小铸坯拉裂事故的发生。这些都有利于拉坯速度的提高，有利于连铸生产效率的提高。2.4结晶器振动和润滑的关系 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。2.

31、4.1 结晶器振动与保护渣的关系如前所述，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2-3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。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

32、”，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，液渣流动的通道被“关闭”，也部分阻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、聚集以与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

33、应关系(见图1.5)，并得到如下的实验公式：式中：Q-单位面积的保护渣消耗量，；-拉坯速度，m/min； f-振动频率Hz；-保护渣的液渣粘度，pa.s.图 2-3 保护渣消耗量与正滑脱时间的对应关系很明显，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，由于高频振动以与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.2.4.2结晶器的润滑机理 结晶器的振动有利于铸坯的脱模，可以提高拉坯速度，实现更高的效率，同样由十脱模过程中凝壳与结晶器壁之间的摩擦，产生振痕，带来产品质量的不良效果。为了更好地利用振动

34、的优点，得到合理的振动波形，我们首先分析一下结晶器的润滑机理。 基于目前国钢铁厂家多数采用保护渣作为润滑介质，我们重点看一保护渣润滑时候结晶器壁和坯壳之间的情况。如2-4所示在结晶器壁和坯壳之间有一层保护渣薄层，并目_在坯壳前面的为液态，在结晶器前面的为固态。结晶器中摩擦力产生的机理有两种。当结晶器相对于坯壳运动是在液体保护渣薄层进行，生的摩擦力称为“液体摩擦力”。用下式来表示其大小:当结晶器壁和固态保护渣之间产生相对运动时，这种固体与固体接触产生的摩擦力称为“固体摩擦力”，用如下的式子来表示: 对于从弯月面到结晶器出口的各个位置，根据操作条件(铸造速度、结晶器振动条件、保护渣物性)计算固体摩

35、擦力和液体摩擦力的大小，据此来判断是液体润滑还是固体润滑起支配作用。显然这里应该是较小的摩擦力起支配作用，并作为该处的摩擦力。2.4.3 结晶器中摩擦力的分布 根据结晶器润滑机理可以把液体摩擦力和固体摩擦力作为弯月面某一距离的函数来计算。结晶器采用正弦振动时其计算结果如图2-5所示。 液体摩擦力的最大值(曲线A和B)呈现十振动周期最大相对速度的时候，如图2-2中的两条曲线。当相对速度等于零时，(，液体摩擦力，因此在一个振动周期中液体摩擦力在两条曲线A和B之间变化。负滑动期间的相对速度比正滑动期间的小，因此负滑动期间的液体的摩擦力绝对值较小。图 2-5 结晶器液体保护渣摩擦力和固体保护渣摩擦力的

36、分布固体摩擦力是由两条直线.fs表示的。由图2-5可以看出液体润滑在结晶器上部起支配作用，在结晶器下部固体摩擦力比最大的液体摩擦力要小，因此在该部位固体润滑起支配作用。第三章 结晶器振动方案的比较、论证、确定与经济性分析3.1 本课题研究的目的针对传统的电机驱动偏心轮结晶器振动装置存在的缺点，开发研制电液伺服驱动的结晶器振动装置与计算机控制系统。基于智能控制的基本思想，改进控制方法，满足连铸工艺对跟踪正弦给定振动波形的要求，有效抑制非对称负载造成的静差，并提高系统的相频宽。3.2 课题研究容 连铸是指使钢水连续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

37、料的铸造工艺。它与传统的“模铸开坯”工艺相比，具有明显优势。连铸坯的产量占整个钢产量的百分率可反映一个国家炼钢工艺的先进水平，因而连铸比的提高受到国外的广泛重视。结晶器与其激振系统是连铸机中的重要组成部分。结晶器的作用是为了对钢水进行一次冷却，使其形成坯壳，同时为了保证出料均匀，减少拉坯摩擦力，避免钢水粘壁、漏钢，改善铸坯表面质量。为此，需要通过一个振动机构使结晶器按一定的规律振动，既激振系统。 与传统的直流电机或交流变频电机驱动偏心凸轮的结晶激振系统相比，电液伺服驱动的连铸机结晶器激振系统具有能实现正弦振动、易于实现计算机控制、布置方便和可以实现多流连铸机共用泵站节能与群控等优点。本研究采用

38、电液伺服结晶器激振系统，可以方便地产生各种振动规律，实现控制过程监督、实时显示并根据拉坯速度实时修改振动参数，提高连铸坯质量和提高金属收得率，从而实现连铸过程的自动化。 为完成上述目标，本课题主要涉与以下方面的容：振动规律的研究、控制律的研究与实现方法、结晶器电液伺服控制系统的设计。已知条件：结晶器的断面尺寸：701560 （毫米毫米） 拉坯速度：45.5 结晶器的振动波形：正弦波：3毫米 结晶器的重量：12吨3.3 课题方案的选择3.3.1 振动机构简介结晶器的振动是由振动装置来实现的，振动机构是振动装置的核心。结晶器对振动机构的要求主要有两点：一是使结晶器按一定的速度规律振动，二是使结晶器

39、准确地沿着一定的轨迹振动。因为在传统的振动规律如梯形规律、正弦规律的条件下，满足后一个要求比满足前一个要难，所有振动机构一般都是以结晶器振动轨迹的方式来称呼的。（1） 长臂振动机构在弧形连铸机中，它是把结晶器安装在一个与铸机圆弧半径一样的振动臂上。这种振动机构的振动轨迹在理论上是正确的。但如果振动臂较长，则因加工制造误差、受热膨胀、受力变形而使结晶器产生较大的振动轨迹误差。所有它只使用于圆弧半径较小的连铸机上。在连铸发展的初期这种机构被用于生产，但随着连铸机圆弧半径的增大而被其他振动机构所代替。不过，由于连铸技术的发展，近年来出现了所谓的“超低矮型”连铸机，该机型的基本圆弧半径较小，采用多点矫

40、直，如矫直点数为719。由于基本圆弧半径较小而使长臂振动机构又获得了应用。（2） 导轨式振动机构这种振动机构可以实现弧形运动，也可以实现直线运动。由于导轨式振动机构避免了长振动臂，结构也比较简单，因此早期应用较多。但由于导轨不易获得充分润滑，又不易保持清洁，所以磨损较严重，影响运动轨迹精度，因而逐渐被其他振动机构所替代。虽然近年来导轨式振动机构又在罗可普连铸机上得到了应用，但是导轨式振动机构所固有的缺点在生产中依旧暴露无遗，使一些生产厂家不得不对其进行改造。（3） 差动齿轮振动机构差动齿轮振动机构是我国60年代中期开发并应用于生产的弧线轨迹振动机构。结晶器固定在由弹簧支撑的振动框架上，用凸轮或

41、偏心轮强迫框架下降，利用弹簧的反力使其上升。振动框架的、外弧侧面，装有齿条，分别与节圆半径相等的小齿轮相啮合。装在小齿轮轴上的扇形齿轮有不同的节圆半径，弧侧的节园半径比较大，相互啮合的扇形齿轮摆动时，就时与其相连的两个小齿轮曳不一样，因而可使结晶器产生弧线运动，由于它结构复杂，齿轮和导向件磨损较严重等原因而未被得到推广。但差动原理却在后来的四偏心结结机构上得到了应用。其结构如图3-1所示。图3-1差动式振动机构 在结晶器的振动框架1上，固定有导轨和齿条2，在距离为A的两侧装有两根长轴3，轴支撑在轴承12上，轴上装有齿轮4和导轮5，以与不同节圆半径的扇形齿轮6与7.，在振动框架1两端还装着导向块

42、8，在扇形齿轮6上装有连杆9，和与传动机构相连的偏心轮10，振动框架1下面还支撑有弹簧11，目的是平衡一部分负荷并使振动框架1产生一个向上的恢复力，两个轴3就产生反复的转动，齿轮4厕通过齿条啮合关系使振动框架1产生振动，但由于扇形齿轮6和7的节圆半径不同，所以两侧齿轮4的角速度也不同，则振动框架将产生弧线振动。圆弧半径为R，框架1两侧齿条节线间距离为W，两齿轮4的中心距为A，节圆半径为，扇形齿轮6和7的节圆半径为、，则： （3-1） （3-2） （3-3）正确的选择W、A与、的值，便可以得到要求的R值。（4） 四连杆振动机构它是一种双摇杆机构，它的两个摇杆可以装设在连铸机的外弧侧，也可装在弧侧

43、，如图3-2示。后者适用于小方坯连铸机，前者适用于板坯连铸机，便于拆装二冷区的扇形段。当使两摇杆AD和BC平行且等长时，四连杆振动机构可用于直弧形或立式连铸机。不论是装在铸机的弧侧还是外弧侧，四连杆机构ABCD中的CD连杆在某一瞬间的运动是绕瞬心O的转动。因此，只要使两摇杆AD和BC的延长线交于铸机的圆弧中心O，由于结晶器的振幅与圆弧半径相比较小，因此瞬心位置变化所造成的运动轨迹误差很小。一般在给连铸机圆弧半径、结晶器振幅与四连杆机构参数的合理约束条件下，通过优化设计，能够使板坯连铸机结晶器振动轨迹误差R0.1mm，小方坯的R0.02mm。图3-2连杆振动机构 由于四连杆振动机构的摇杆长度较短

44、，因此结晶器运动的轨迹精度受温度、载荷与加工误差的影响较小。因此，它被广泛应用于各种连铸机。四连杆振动机构的主要缺点是各杆件只做摆动运动，轴承易形成局部磨损。特别是在高频率、小振幅的条件下，将产生较严重的局部磨损。（5） 四偏心振动机构四偏心振动机构是在连铸机结晶器振动装置中的应用广泛的一种振动机构，具有一些独特的优点。其工作原理如图3-3图中2为振动台架，7为结晶器，其中1为结晶器外弧中心点，1、3为偏心轴。在每根偏心轴上都装有两个偏心套，通过外侧各两根连杆4和5将振动台架在四个角铰接，并用板式弹簧6实现结晶器仿弧线定中。只要合理确定偏心轴、偏心套、连杆、板式弹簧的长度与安装尺寸就可以实现结

45、晶器的近似圆弧摆动。 图3-3四偏心振动机构3.3.2 振动机构的选择结晶器振动技术是连铸的一个基本特征，基于不同的理论，结晶器振动技术也经历了复杂的过程，早期主要由凸轮实现的正弦振动，由于波形单一，在线不能调节，未能实现振动波形的优化;由于采用偏心机构使机械动作更加简便，故结晶器正弦振动得到了发展，并不断地对其振动参数进行优化，实现高频振动以改善铸坯表面质量;目前开发的液压振动，波形选择围宽，并且调节容易，振动机构具有很高的稳定性，对于改善结晶器的润滑效果，降低摩擦阻力以与为初始凝壳的顺利形成创造了最合适的条件，可以实现连铸过程振动的最优化。对于改善铸坯表面质量，提高拉坯速度，液压振动技术将

46、以其突出的优越性在连铸生产中获得广泛地应用。 如何控制结晶器按给定波形规律进行振动是连铸生产过程中的关键技术迄今为至，工业中仍在广泛使用直流电动机或交流变频电动机通过偏心轮驱动双摇杆机构实现结晶器振动。和传统的结晶器振动装置相比，电液伺服驱动的连铸机结晶器振动装置可以很方便地产生各种振动规律、实现连铸过程监督、实时显示振动波形并可根据拉坯速度实时修改振动参数、布置方便和可很方便地实现多连铸机共用泵站节能与群控等优点。为了解决传统的电动机驱动偏心凸轮结晶器振动装置存在的难以在线改变振动波形和响应速度慢等问题、本文开发研制了采用电液伺服控制实现的结晶器振动装置与其计算机控制系统。为了满足连铸工艺对

47、跟踪非正弦给定振动波形的要求，结合结晶器电液伺服振动系统的特点，基于智能控制的基本思想对一些控制方法进行了有机组合，有效地抑制了非对称负载造成的静差并提高了系统的相频宽在小方坯连铸机上的试验表明了所开发的结晶器电液伺服振动装置与其计算机控制系统可以满足连铸工艺的要求，达到了提高连铸自动化水平的目的。所开发研制的结晶器电液伺服振动装置结构组成如图3-5所示。相应的计算机控制系统方块图如图3-6示。采用阀控缸驱动双摇杆机构实现结晶器的往复振动，将液压缸的位置(或结晶器鞍座的位置)通过位移传感器反彼到综合端与指令信号比较得到误差信号，然后由计算机算得控制量并经过D/A和电流负反彼放大器后驱动电液伺服

48、阀构成闭环控制系统。利用计算机产生各种指令信号(期望振动规律)，通过选择适当的控制律使系统枪出跟踪指令信号从而获得所要求的振动规律。图 3-5晶器电液伺服振动装置示意图 图 3-6 结晶器振动波型计算机控制系统方块图用阀控缸驱动双摇杆机构实现结晶器的往复振动，将液压缸的位置通过位移传感器反馈到综合端与指令信号比较得到误差信号，然后由计算机算得控制量并经过D/A和电流负反馈放大器后驱动电液伺服阀构成闭环控制系统。利用计算机产生各种指令信号，通过选择适当的控制律使系统输出跟踪指令信号从而获得所要求的振动规律。液压振动的动力装置为液压动力站，它作为动力源向振动液压缸提供稳定的压力和流量的油液。液压动

49、力站的信号有主站室的计算机通过PLC系统来控制，液压振动的核心控制装置为振动伺服阀。振动伺服阀灵敏度高，液压动力站提供动力如有波动，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。为此，要在系统中设置蓄能器以吸收各类波动和冲击，以保证整个系统压力稳定。正弦和非正弦曲线振动靠振动伺服阀控制，而振动伺服阀的空子信号来自曲线生成器，主控室的计算机通过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。曲线生成器输入信号的波形

50、、振幅和频率可在线任意设定好振动曲线信号传给伺服阀，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、振幅和频率是通常机械振动所不能实现的。第四章 结晶器正弦振动的参数分析4.1 负滑脱量计算在结晶器下振速度大于拉坯速度时，称为“负滑脱”。负滑脱量的定义为：式中 -负滑脱量，%；-结晶器振动时的最大速度，m/min;-拉坯速度，4m/min。负滑脱能帮助“脱模”，有利于拉裂坯壳的愈合。正玄振动的选30%40%时效果较好。在这里选取为30%。则由公式： 可得出结晶器的最大振动速为：=（1+）则=4（1+30%） =5.2m

51、/min=0.086m/s4.2 频率与周期结晶器上下振动一次的时间称为振动周期T，单位s。一分钟振动的次数为频率，单位次/min。求解频率的公式为：式中 -结晶器振动频率-振幅，3mm-结晶器振动的最大速度，5.2m/min故 =275.8次/min=4.6次/s周期T=0.22s圆频率4.3 结晶器的运动速度和加速度 结晶器振动装置的速度的大小方向是随时间的变化而变化的，由于结晶器是按正弦曲线规律振动的，若结晶器运动时间为 t(s)，则振动结晶器任一瞬间的运动速度可由下式求出：可知，结晶器的运动速度是按正弦规律变化的当=0，t=0时， =0；=，t=0.0275s时，=5.2sin=3.6

52、m/min，方向向下；=, t=0.055s时，=5.2m/min,振动速度达到最大值；=, t=0.0825s时，=3.6m/min;=, t=0.11s时，=0；结晶器振动到最低点。准备向上振动；=，t=0.1375s时， =3.6 m/min,方向向上；=，t=0.165s时 ，=5.2m/min振动速度达到最大；=，t=0.1925s时， =3.6 m/min；=，t=0.22s时， =0。结晶器振动装置的加速度可由下式计算：=0.08628.5cos =2.45cos m/由此可见结晶器振动的加速度是按余弦规律变化的当=0，t=0时，=2.45m/s,加速度具有最大值；=，t=0.0

53、275s时，=1.73m/s；=, t=0.055s时， =0；=, t=0.0825s时，=-1.73m/s;=, t=0.11s时，=-2.45m/s；=，t=0.1375s时， =1.73m/s,；=，t=0.165s时 ，=0m/s；=，t=0.1925s时， =1.73 m/s；=，t=0.22s时， =2.45m/s。由此结晶器振动装置完成了一个周期的振动，振动装置进入下一个周期的振动。4.4 负滑脱时间的确定当结晶器下振动的速度大于拉坯速度时就出现负滑脱，在本设计中拉坯速度=4m/min，设开始出现负滑脱的时间，则有则=0.0307s负滑脱总时间 =0.0486s结晶器的位置、速度曲线和铸流速度曲线（从结晶器的最高位置开始）如下图所示：图中，曲线1表示结晶器位置；曲线2表示结晶器的速度；曲线3表示铸流速度；表示负滑脱时间。由于结晶器为上下运动，而铸流为连续向下运动，这样在各个位置时的运动情况就有所不同，现分析如下：位置1：结晶器速度=0，铸流速度=拉坯速度=4m/min，结晶器在最高位置点；位置2：结晶器速度加速到4m/min，铸流速度=拉坯速度=4m/min，二者等质同向，相对速度为0，开始负滑脱；位置3：结晶器向下加速到最大速度5.2m/min，铸流速度=拉坯速度=4m/min，结晶器速度超过拉坯速度，并达到最大值；位置4：结晶