结晶器振动参数优化

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正弦振动同步控制模型
（1）正弦振动同步控制模型的概念 拉速同频率、振幅的对应关系称为同步控制 模型。由于振幅在生产时不便于调整，而振动 频率的调整却可以通过调整电机转数实现。 拉速—频率同步控制模型的建立是在不同工况下 对频率的动态选择。因此，它的建立仍然是以 工艺参数 tN、Ns 为基础。
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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，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。
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负滑脱时间率 NSR
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③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 动，能防止和消除粘结，具有脱模作用；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。
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（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，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。
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①负滑动时间 tN
在其它参数为常数时，α 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 0.25~0.10s，甚至更短。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 0.07~0.10s 。

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负滑脱时间 TN
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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。
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1.2结晶器振动方式的发展过程 结晶器振动方式的发展过程
①同步振动 结晶器向下振动时，其速度与其拉坯速度相等。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 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。
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结晶器振动参数对拉速的影响
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。
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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，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。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。
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负滑动时间曲线及特点
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① NS＝2.4％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。 ②对于任何 z 值都有相应的 tN＝0，此点的频率用 f0 表示，称为临界频率。当 f≤f0时不出现负滑脱。 ③当 NS>2.4％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 z>5 时，曲线急 剧上升。 ④当 NS<2.4％时，负滑动时间曲线随频率 f 的增加 而下降，特别是当 z 值较小时，如 z<5 时，曲线下 降得非常缓慢。
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结晶器非正弦振动相对于结晶器正 弦振动的改变程度用修正系数 α 表示。 根据结晶器非正弦振动波形修 正系数的定义，α 取值范围为-1— +1。α <0为早期的负滑脱振动； α =0 为正弦振动；α >0 为非正 弦振动。
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波形修正系数对负滑脱时间的影响
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① 全部 tN 曲线与 Ns＝-0.024 的射线交于顶点，在一 定的拉速范围内，对于任何一拉速和 tN 曲线都有两 个交点，它们分别对应一个高频率和一个低频率。这 两个频率对应相同的负滑动时间。 ② 全部 tN、Ns 曲线相交于坐标系原点 0 点，曲线的 下部相互靠近，并重合于 Ns＝-0.3634(负滑动率极 限值)曲线。s 值越大它们越靠近，tN值越小它们重 合的线段越长，tN＝0 时与 Ns＝-0.3634 曲线全部 重合。 ③ 增大 s 值，可增大 tN 曲线在拉速 Vc轴上的投影， 因此可根据不同的工作拉速选择相应的 s 值。
负滑脱率 NS
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。
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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（Munnesmann）的取 值为 20％～40％，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30—35%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。
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负滑脱时间率是负滑脱时间与振动半周期的比率，它反 映了负滑脱时间、正滑脱时间的比值大小。以负滑脱时 间率NSR可判定结晶器的脱模能力。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。
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结晶器振动参数的分析
2.1 结晶器的振动参数 基本参数：振幅和频率，是决定结晶器运动的振 动参数称为结晶器振动。 NS、负滑脱时间 tN tN和负滑 工艺参数：负滑动率 NS 脱时间率 NSR，这些负滑脱参数直接关系到 铸坯的脱模和铸坯的质量。
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结晶器运动速度曲线
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tN =
V 60 arccos 2πAf πf
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3 非正弦振动运动分析
结晶器非正弦振动随时间变化的振幅最大值有一 段滞后，使结晶器上升速度较小而移动时间较 长。这样即可保证结晶器与坯壳反向运动时， 由两者速度差决定的摩擦力小于正弦振动的摩 擦力。同时，在结晶器下移过程中，非正弦振 动下移速度快而移动时间短，其负滑脱时间比 正弦振动时更短。这有利于进一步减小振痕深 度，且在负滑脱期间，结晶器相对坯壳下移动 距离等于甚至大于正弦振动时的下移距离，从 而保证对坯壳的压合效果。
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④非正弦振动 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。
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α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α的增加而增加。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。 但若α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α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 α≤40％。
结晶器振动参数优化
东北大学
2011年9月6日
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1概述 2结晶器振动参数的分析 3 非正弦振动运动分析
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1概述
1.1结晶器振动的作用 ①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，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。 ②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。
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正弦振动同步控制模型
f=aVc 控制模型 f=aVc+b 控制模型 f=b 控制模型 f=-aVc+b 控制模型。 传统的同步控制模型为 f=aVc型 ,式中 f 为振动 频率，Vc为拉坯速度，a 和 b 为常数 。这个 模型曾被广泛应用于国内外早些时候投产的连 铸机，其主要特点是负滑脱率 Ns 保持为常数。
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负滑脱时间与振粘结性漏钢的影响
结晶器振动由于结晶器与坯壳的相对运动过程中 有一段负滑脱时间，这期间坯壳受压应力作用 有利于坯壳的愈合，以防止坯壳断裂造成漏钢。 但负滑脱时间过长，则振痕越深，振痕处坯壳 夹渣就越严重，坯壳强度降低，坯壳越容易断 裂而不利于脱模，进而增加了漏钢的可能性。 提高振动频率、缩短负滑脱时间的目的仍然是 为了脱模，以利于防止粘结性漏钢，同时也可 改善铸坯质量。