连铸结晶器振动参数取值限度问题

连铸结晶器振动参数取值限度问题
1 前言
随着连铸技术的发展，结晶器振动技术亦不断发展，主要表现在振动参数的选择更加灵
活，振动的工艺效果更好，尤其是振动参数更适合连铸高拉速的工艺要求。结晶器振动的每
一次完善都是突破原有振动参数的取值限度，以适应连铸更高的工艺要求。随着结晶器非正
弦振动形式的开发，本文讨论振动参数的取值限度问题。

2 结晶器振动参数的影响
拉速Vc是连铸工艺控制的一个最关键的参数，因此结晶器振动参数的选择亦必须适合
拉速的要求。结晶器振动工艺参数对其工艺效果的影响如下：
1）结晶器振动的负滑脱时T
N控制铸坯表面的振痕深度，即两者呈增函数关系。TN
越

长，振痕越深。
2）保护渣的消耗量与结晶器振动的正滑脱时间呈增函数关系，正滑脱时间越长，保护
渣消耗量越大。
3）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。
基于上述几点，为控制铸坯的振痕深度，希望T
N
短；而为保证结晶器的润滑效果，增

加保护渣的消耗量，希望正滑脱时间长，为此目的开发了结晶器的非正弦振动形式，从而突
破了结晶器正弦振动参数的取值限度。

3 问题的提出
在结晶器非正弦振动中引入波形偏斜率α这一基本参数，增加了振动的独立参数，使振
动参数的选择更灵活，更适合高速连铸的工艺要求。即在一定的V
C
条件下，采用非正弦振

动可以明显地降低振动频率f ，即可以保持f 不变，通过调整α来适合Vc的要求。此外，
非正弦振动可以分别构造结晶器的上振和下振速度曲线。由此提出：在一定的Vc下，可否
通过不断地增加α而无限地降低f 。
图1示出在一定VC和振幅S时，不同α所对应的tN – f 曲线。可见α增加，tN – f 曲线
左移。图2为对应图1中某一t
N 值时，不同α和f 下的结晶器振动速度Vm
– 时间t曲线。
这些曲线的特点是， Vm≤0时，Vm – t曲线完全相同；当Vm＞0时，随α各f 的不同，V
m
–

t曲线不同。则由图2，一定Vc 和f 时，α增加相应地f 减少，但t
N
– f 曲线保持不变。上

述问题则可表述为： 一定的V
C
和S条件下，保持结晶器下振速度曲线不变，而不断地改变

结晶器上振速度曲线，即通过构造不同的结晶器振动曲线，同时实现α增加和f 降低；而
且，α趋近于1、f 趋近于0时，结晶器振动的工艺效果更佳。为此，需对上述问题进行分
析。

图1 波形偏斜率对负滑脱时间的影响
结
晶
器
振
动
速
度
V
m
拉速VC
O
tA tB tC t

图2 不同的结晶器振动速度曲线
4 结晶器振动参数的取值限度
4.1 振动参数取值的基本要求
1）α的一般定义
结晶器下振时间T
D
与α及结晶器振动周期T的关系如式（1）：

T （1） 2/)1(TDα−=
由式（1）可得式（2）：
α （2） TTD/21−=
按式（2）定义α，对复杂的结晶器振动曲线更具有普通定义。
2）负滑脱时间曲线的一般特点
在正弦振动中，t
N – f 曲线的特点是在f 坐标轴上总有f 0、f 1 点。当f ≤f 0 时，tN
≤

0；当f
0＜f ≤f 1 时，f 增加，tN 增加，而且变化很大；当f ＞f 1 时，f 增加，tN
缓慢减少，

并无限趋近于0。
任何振动形式均为周期性运动，所以结晶器振动的速度总是与其f 成正比。而出现负
滑脱的必要条件是下振的最大速度要＞Vc 。因此，在一定的Vc 及一定的振动参数条件下，
其t
N – f 曲线总有f 0、f 1点，仅在特殊情况下f 0、f 1点，仅在特殊情况下f 0、f 1
点重合，

这个特点是振动结晶器的必然特性。
3）振痕深度及振痕间距
振痕深度的主要影响因素是结晶器振动的负滑脱时间，而振痕间距P
m
与振痕深度同样

对铸坯表面质量有极大的影响，增加Pm可以改善铸坯表面质量。Pm可由式（3）表示。
fVcPm/=
（3）

4）振动参数取值的基本要求
连铸振动结晶器的一个基本要求是必须出现负滑脱振动，即t
N
＞0。因此，下振的最大

速度必须＞Vc，即负滑动量必须＞0。
结晶器振动的负滑动量NSA定义为：负滑脱期间结晶器相对于铸坯下移的距离。
（4）
∫
−=21)(ttcmdtVVNSA

式中 Vm—结晶器下振的速度；
t1 —负滑脱开始时间；
t2 —负滑脱结束时间。
负滑脱振动必须满足；
NSA ＞ 0 （5）
4.2 振动参数的取值限度
1）正弦振动参数的取值限度
在正弦振动中，T
N
可表示为：

t （6） )2/(cos/601SfVcfNππ−×=
为使tN ＞0，应有：
2＞Vc
（7）
Sfπ

式（7）为结晶器正弦振动参数的取值限度，即在一定的Vc和S的条件下，f 总有一个
最小的取值要求。
由式（7）可得
fVcPm/=＜ （8） Sπ2
可见，采用正弦振动，P
m总有一个取值上限2πS。为增加Pm而增加S，势必会使tN

增加而增加振痕深度，即控制振痕深度与控制Pm是矛盾的。一般认为Pm ≥12.7mm时，振

痕过深，坯壳厚度的均匀性明显变差。所以正弦振动中，不可能同时优化每个方面的工艺效
果。
2）非正弦振动参数的取值限度
对于非正弦振动波形的负滑脱时间可表示为：
t （9） [SfVfCNπαπα2/)1(cos/)1(601−×−=
−
]

为使tN ＞0，应有：
2＞Vc （10） )1/(απ−Sf
式（10）即是对非正弦振动参数取值的一个基本要求。由于振痕深度取决于TN ，两者
呈增函数关系；高频振动时，保护渣消耗量取决于正滑脱时间；低频振动时，保护渣消耗量
取决于NSA。因此Vc、S、f 一定时，增加α，可使T
N
减小、NSA和正滑脱时间增加，结

晶器振动的综合工艺效果最好。如果Vc、S一定，增加α同时降低f 的结果如下。
假设在结晶器一个振动周期内，保护渣的填充量Qm为：
NSALKQm1=
（11）

式中 K
1
—比例常数；

L—铸坯的边长。
而其所要润滑的铸坯表面积S
m
为：

S （12） fVcLPLmm/==

单位面积的保护渣消耗量Q则为：
（13）
VcNSAfKSQQmm//1==

为防止坯壳粘结，要求Q＞一定的数值Q0，即Q≥Q0，则有
≥Q （14）
fNSAVcKKVc010/=
式中 K0 —仅与钢种、保护渣性能有关的常数。
NSA的最大值为2S，则有：
Sf ≥
（15）

2/0VcK

P
m
的上限为：

≤ （16）
fVcPm/=0/2KS
式（15）给出了一般振动参数取值的限度，表明在一定的Vc和S条件下，f 总有一个
与α无关的取值下限，即α趋近于1时，f 不能无限趋近于0。

5 讨论
1）式（15）是关于所有结晶器振动形式的振动参数取值限度的一般要求。
2）由于式（16）的要求，铸坯表面的振痕间距不可能控制得无限大。
3）正弦振动可以用Sf ＞Vc/2π作为一般要求，是因为K0 ＞1/π。
4）振幅对保护渣消耗量的影响是：高频振动时，降低振幅可增加正滑脱时间，有利于
增加保护渣的消耗量；低频振动时，增加振幅可增加负滑动量，有利于增加保护渣消耗量。
5）开浇初期低拉速、低频率时，振幅应大些；高拉速、高频率时，振幅应小些。这样
有利于改善结晶器的润滑状况。
6）只有振动参数满足式（15）时，波形偏斜率取值才越大越好；而且，频率越高时，
调整波形偏斜率的工艺效果越好。
7）K
0
的数值需经过试验确定，取值范围应为0~1/π。

6 结语
频率作为结晶器振动的一个基本参数，任何振动形式，总有一个仅与拉速和振幅有关的
最小取值。通过波形的调整和改变，无法使频率取无限小的数值。因此，铸坯表面的振痕间
距亦不能取无限大的数值，对其控制亦有一定的限度。同时对于结晶器振动的波形及波形偏
斜率亦应在一定限度内取值，其值未必越大越好。了解结晶器振动参数取值的限度，从而可
以在此限度内合理地选择振动参数，以取得最好的振动工艺效果。