结晶器非正弦振动技术的发展

结晶器非正弦振动技术的发展

河北科技大学材料学院冶金071班刘双龙

摘要：本文通过列举结晶器非正弦振动波形、函数、驱动装置等详细的介绍了结晶器非正弦振动的发展，同时指出结晶器非正弦振动的发展的热点。

关键词：结晶器，非正弦，振动，波形函数，驱动方式

前言

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,铸坯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,是连铸发展的一个重要里程碑。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。

一、结晶器振动技术的发展历史

结晶器振动技术早期只应用于有色金属的浇注,由于没有弄清与结晶器润滑的关系,结晶器振动的概念也经历了各种变化。直到1949年,S·容汉斯和I·罗西第一次将其应用于钢的浇注,目的就是为了有效地改善铸坯和结晶器壁间的润滑条件。这一成果对于推动连铸技术的发展,使其从实验室走向工业化应用做出了开拓性的贡献。表1示出了连铸结晶器振动技术的发展演变情况。从表1结晶器振动技术的发展来看,结晶器振动经历了早期的非正弦振动方式到正弦振动方式,目前又发展到非正弦振动方式的过程。当然,现在所采用的非正弦振动与早期的非正弦振动虽然振动波形同为非正弦,但其目的和实现方式上二者有本质的区别。【1】

二、结晶器非正弦振动的发展

1、结晶器非正弦振动几种典型波形

1.1索拉克波形

法国索拉克公司弗洛朗日钢厂2号板坯连铸机采用的是三角形一非正弦振动波形，其位移曲线为三角形波，速度曲线为矩形波，其振动参数的分析如图1所示。【2】非常明显，三角形波连续的速度曲线将导致机构的“刚性冲击”，而突变的加速度曲线将造成机构的“柔性冲击”。所以这种非正弦振动波形的动力学特性差，对机构不利，更不适合于高频振动。

1.2德马克波形

德马克公司给出的非正弦振动位移波形函数【3】如下：S=hsin[2πft--Ssin(2πft)]德马克波的位移、速度曲线光滑，工艺上其向上振动速度低、且平稳，有利于降低坯壳和结晶器之的摩擦力，减少连铸坯的拉裂和拉漏；加速度曲线(图中略)光滑无突变，不会造成“柔性冲击”，所以其动力学特性优于索拉克非正弦波。

1.3分段波形

在此把非正弦振动视为正弦振动的演变，其相对正弦振动的改变用分段波形偏斜率系数a=4t m/T表示(见图3)。图4中非正弦振动的速度曲线设定由水平直线段AB、余弦曲线段BC、正弦曲线段CDE及EF、水平直线段FG光滑连接(连接点处具有公切线)而成。非正弦振动位移、速度波形如图5所示。可以看出a越大，非正弦振动波形越偏离正弦振动波形；同时，当a=0时，非正弦振动波转化为正弦振动波形。

1.4整体波形

非正弦振动位移曲线向上达到峰值的时间相对正弦振动位移曲线有一个时间滞后，优化波形后构造出一个用整体函数表示的非正弦振动波。其振动位移及速度曲线如图6所示，可以看出△与a的效果类似，△越大，非正弦振动波形越偏离正弦振动波形，当△=0时，非正弦振动波形转化为正弦振动波形【4】。

1.5复合波形

采用运动迭加原理构造了一个由两个正弦波形迭加而成的非正弦振动波形函数

【5】。

位移函数：

S=h[sin(2πf t)+σsin(4πf t+π)]

速度函数：

v=2πft[cos(2πft)+2σcos(4πft+π)]。给定h、f和σ后，非正弦振动波形就被确定如图7，同样σ与a效果类似，σ越大，非正弦振动波形越偏离正弦振动波形。当σ=0时，非正弦振动波形同样转化为正弦振动波形。

表1

结晶器振动技术的发展过程

图8电液连铸结晶器非正弦振动系统液压控制原理

2、非正弦振动驱动方式的发展

2.1电液伺服系统驱动

电液连铸结晶器非正弦振动系统液压

控制原理如图8所示，电液连铸结晶器非正

弦振动系统具有精度高、功能齐全、操作方

便、人-机界面友好等特点。它可提供正弦

波、直线与圆弧组合的非正弦波供用户选

择．采用直线、圆弧分段组合的非正弦振动

波形具有较大的正滑脱时间、较小的负滑脱

时间、足够大的负滑动量NSA，还可使振

动转折处的速度变化较小，从而有效地减小

振痕深度，提高坯表面质量，提高振动装置

的使用寿命，减少维护等【6】。

2.2机械系统驱动

2.2.1连杆式机械驱动

该装置不仅可以实现结晶器的非正弦

振动，而且具有振动波形调整方便、易于实

现各种不同振动波形的特点。与液压驱动的

结晶器振动装置相比，该装置还具有结构简

单、易于制造和维修，特别适用于原有连铸

机改造的特点【7】。以四偏心式结晶器振动结

构为例。图9所示为四偏心式振动机械的机

构筒图。

2.2.2椭圆齿轮驱动

椭圆齿轮驱动的四连杆式结晶器非正

弦振动系统的工作原理如图10所示。椭圆

齿轮副将主动齿轮的匀速转动变为从动齿

轮的变角速转动，通过偏心轴在推杆下端点

A处产生非正弦运动规律【8】。

2.3伺服电机直接驱动

该系统采用独特的结构形式：采用4个

数字伺服电动缸（图11），分别安装在内外

弧两侧，作为动力去动员，直接同步驱动振

动台振动，位置精确、反应快。电动缸由上

下支撑轴固定，下支承轴是固定在振动台的固定架上，电动缸只能绕磁轴转动；上支撑轴固定在振动台的振动架上，可以沿着给定的振动轨迹做弧线运动。内外弧的电动缸由于所在位置的运动弧半径不同，运动幅度不同，丹内外弧的振动频率和相位相同，即同步上下运动。由于采用伺服电机，控制电机的同步，运动轨迹都易实现。故采用此种安装方式有电机直接驱动振动台能实现全弧振动。优点是：①不需要长距离的传动装置，比如四连杆机构；②只需要连接电缆，不需要液压站，液压泵等液压设备，维护简单；③可在线快速调节振幅、频率、振动模式（偏

斜率）；④可在线检测振动状态【9】

。三、结晶器非正弦振动的研究热点1、影响结晶器振动波形曲线的因素

影响结晶器振动波形曲线的因素主要是指结晶器振动的频率、振幅、振动模式（偏斜率）以及钢液与结晶器壁的摩擦阻力等。

2、构造简单合理的曲线函数

无论是索马克波形、德马克波形分段波形、整体波形还是复合波形，其构造函数均不是完全简单合理的，故此如何获得更好的波形函数始终是连铸工作者的研究重点。3、开发经济简便的驱动装置

当前我国在结晶器非正弦振动的驱动装置方面虽然取得很大的成果，但距离普及仍然有很长的一段路要走。四、结论

早在上世纪80年代日本就成熟的应用该技术，随后法国SOLLIC 公司、德国DEMAG 公司、奥地利的VAI 公司等也相继

开发并将该技术很快应用到实际生产中【10】

。我国在结晶器非正弦振动的研究上起步晚（上世纪90年代末），故此如何早日将此项技术成熟的运用到我国钢铁行业是一项具

有重大意义的研究课题。

图9

四偏心式振动机械的机构筒图

图10椭圆齿轮驱动的四连杆式结晶器非正弦振动系统的工

作原理

图11伺服电机直接驱动示意图

参考文献

【1】曹悦霞、杨晓江，结晶器振动技术的发展，《河北冶金》，2002第6期，p7-8；

【2】DarleT，MouchetteA，NadifM，eta1．HydraulicOscillationoftheCCSlabMo

uldatSoleacFlorangejFirstIndustrialRe

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Warrendale，PA：IronandSteelSoc，

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【3】GerhardBoher，UweHoffmann，Schmidt0A，eta1．板坯连铸用液压

驱动共振结晶器的操作实践[J]．冶

金与设备，1997，10(2)：38—46；【4】于敏之、李宪奎、郑学然，基于电液驱动结晶器非正弦振动波形的分

析，《钢铁研究学报》，2006年7月

第18卷第7期，p17-18；

【5】李宪奎、张兴中、许志强，复合正弦波振动规律的探索[A]．中国金属

学会冶金部科技司。全国连铸技术

研讨会[c]。上海：中国金属学会冶

金部科技司，1994．326—329；【6】江小霞，电液连铸结晶器非正弦振动系统，《机电设备》，2004年第5

期，p4-6；

【7】许志强、盛义平、乔长锁，连杆式机械传动的结晶器非正弦振动装

置，《钢铁》，2000年8月第35卷第

8期，p24-25；

【8】杨红普、李宪奎、郑学然、杨拉道，椭圆齿轮驱动的结晶器非正弦振动

系统振动特性研究，中国机械工程

第18卷第15期2007年8月上半月，

p1790-1791；

【9】田志恒、田立、周永辉、谢俊华、谢爱国、陈海云、周礼荣、王雅萍、

罗燕，结晶器非正弦振动系统的开

发与应用，《钢铁》2004年9月第

39卷增刊，p623-624；

【10】许晓东、胡大伟、岳修华、宋健，结晶器非正弦振动技术及其在首

钢的开发应用，《首钢科技》1999

年10月，p31。