1、內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）液壓伺服驅動式鑄坯結晶器振動裝置設計 摘要結晶器振動裝置是連鑄中的關鍵設備,其振動形式、控制方式以及在線監測與調整,對連鑄質量具有重要影響。因此,研究連鑄結晶器振動裝置及控制技術具有重要的現實意義。本文通過對連鑄機結晶器技術發展及結晶器振動方式演變的闡述，提出了電液伺服驅動，并對其振動形式及其工作原理進行了實質性的分析。然后繪制了機構簡圖，并對其運動參數及工藝參數進行了分析計算！最后通過校核、機構的仿真分析完成了本次設計！關鍵詞：連鑄機；結晶器 ；正弦振動；電液伺服控制；振動裝置desigh of the hydraulic pressure servo

2、 actuation type casts the semifinished product 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 ca

3、sting quality. therefore, 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

4、 way, proposed the battery 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! final

5、ly through the examination, the organization simulation analysis has completed this design! keywords: mould; sinusoidal oscillation; electro-hydraulic;目錄摘要iabstractii目錄iii第一章 緒論11.1連續鑄鋼的發展11.2 連續鑄鋼的特點31.3連鑄機機型分類，特點及演變51.4連續鑄鋼的工藝流程及設備6第二章.結晶器振動技術72.1結晶器振動技術發展的歷史72.2 連鑄機結晶器振動簡介82.3結晶器振動規律的演變82.4結晶器振動和

6、潤滑的關系112.4.1 結晶器振動與保護渣的關系122.4.2結晶器的潤滑機理132.4.3 結晶器中摩擦力的分布15第三章 結晶器振動方案的比較、論證、確定及經濟性分析163.1 本課題研究的目的163.2 課題研究內容163.3 課題方案的選擇173.3.1 振動機構簡介173.3.2 振動機構的選擇20第四章 結晶器正弦振動的參數分析244.1 負滑脫量計算244.2 頻率與周期244.3 結晶器的運動速度和加速度254.4 負滑脫時間的確定26第五章 液壓伺服系統的設計295.1 液壓伺服系統的靜態設計295.1.1、確定最大功率295.2 確定液壓系統的主要參數，壓力p，流量q31

7、5.2.1初選系統的壓力315.2.2 計算液壓缸的主要參數315.2.3 擬定液壓系統圖325.2.4 液壓元件的設計335.3 液壓系統的驗算385.3.1 系統壓力損失的計算38第六章 機械設計406.1受力分析406.2強度校核416.2.1 軸的校核416.2.1.1中間截面校核426.2.1.2截面1校核436.2.2 軸的校核446.2.2.1中間截面校核466.2.2.2 截面1校核476.3 軸承校核486.3.1 軸軸承校核486.4 運動分析49第七章 控制系統507.1連鑄機結晶器振動系統的plc控制507.1.1連鑄機結晶器振動系統控制原理50致謝52參考文獻5352

8、內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）第一章 緒論由于連鑄技術具有顯著的高生產效率、高成材率、高質量和低成本的優點，近二三十年已得到了迅速發展，目前世界上大多數產鋼國家的連鑄比超過90%。連鑄技術對鋼鐵工業生產流程的變革、產品質量的提高和結構優化等方面起了革命性的作用。1.1連續鑄鋼的發展連續鑄鋼是一項把鋼水直接澆鑄成形的節能新工藝，它具有節省工序、縮短流程，提高金屬收得率，降低能量消耗，生產過程機械化和自動化程度高，鋼種擴大，產品質量高等許多傳統模鑄技術不可比擬的優點。自從20世紀50年代連續鑄鋼技術進入工業性應用階段后，不同類型、不同規格的連鑄機及其成套設備應運而生。20世紀70年代以后

9、，連鑄技術發展迅猛，特別是板、方坯連鑄機的發展對加速連鑄技術替代傳統的模鑄技術起到了決定性作用。 連鑄坯的噸數與總鑄坯(錠)的噸數之比叫做連鑄比，它是衡量一個國家或一個鋼鐵工廠生產發展水平的重要標志之一，也是連鑄設備、工藝、管理以及和連鑄有關的各生產環節發展水平的綜合體現。1970-1980年，世界連鑄比從44發展到284，中國的連鑄比從21發展到62；至1990年，世界和中國的連鑄比分別發展到628和224；到1999年，又分別發展到844和774。2000年中國連鑄比發展到86，估計世界連鑄比為87左右。從統計數字可以看出中國的連鑄技術在近10年內得到了迅速發展。世界上有許多連鑄技術實力較

10、強的公司，如西馬克德馬克、奧鋼聯、日立造船、住友重機、丹尼利等。以板坯連鑄機為例，西馬克德馬克公司從1962年至2001年新設計和改造板坯連鑄機共約370臺，奧鋼聯從1959年至2000年新建和改造板坯連鑄機共約181臺，日立造船從1967年至1998年新建并改造板坯連鑄機共約75臺，住友重機提供和改造過約150臺各類連鑄機。截止2000年12月止，中國共有356臺(1123流)連鑄機，其中板方坯連鑄機分別為63臺(78流)、276臺(1002流)，圓坯、異形坯連鑄機分別為16臺(40流)、1臺(3流)。這些連鑄機中，絕大部分是立足于中國國內設計制造的。目前中國國內能夠承擔連鑄機研究、開發、設

11、計的設計研究院所、廠有西安重型機械研究所、北京鋼鐵設計研究院、重慶鋼鐵設計研究院、武漢鋼鐵設計研究院、包頭鋼鐵設計研究院、馬鞍山鋼鐵設計研究院、上海重礦公司、一重集團公司、二重集團公司、大重集團公司等，應該引起注意的是西安重型機械研究所在連鑄成套設備的設計、研究和開發方面特別是在大型板坯連鑄成套設備設計方面有著很強的實力，90年代以后，先后設計和改造的板坯連鑄機有美國canister大板坯連鑄機，攀鋼雙流大板坯連鑄機，上鋼三廠、鞍鋼寬厚板坯連鑄機，酒鋼、太鋼、南鋼、馬鋼、凌鋼、武鋼、寶鋼等多臺大板坯連鑄機。到目前為止，連鑄設備和工藝技術日益完善，在新建或改造舊有的連鑄機時，人們都會無一例外地結

12、合實際選擇一些相關的關鍵技術。而具有代表性的技術是：(1)鋼液的凈化處理(2)防止二次氧化的保護澆注及鋼液溫度控制(3)鋼包回轉臺，鋼包下渣檢測，鋼包傾轉，鋼包鋼液自動稱量。(4)大容量中間罐，中間罐冶金，中間罐熱周轉，“冷”中間罐使用，等離子加熱，中間罐鋼液自動稱量。(5)自動加保護渣裝置，保護渣品質分析檢驗設施。(6)結晶器在線熱狀態調寬，多錐度結晶器，漏鋼預報，液面自動檢控，電磁制動與電磁攪拌，高性能結晶器銅板及鍍層。(7)機械式(可實現正弦振動曲線)、液壓式(可實現正弦和非正弦振動曲線)結晶器振動裝置。(8)大板坯連鑄機中能夠調寬、調厚的零號扇形段。(9)多點彎曲、矯直技術，連續彎曲矯

13、直技術。(10)真正意義上的細輥密布輥子排列，分段輥，高性能輥子材料及堆焊層。(11)凝固末端輕壓下，人為鼓肚輕壓下。(12)遠程調整輥縫的液壓夾緊式或機械式扇形段，二冷區域或二冷區凝固末端電磁攪拌。(13)二次冷卻區氣水霧化冷卻及自動控制，噴水寬度隨板坯寬度的無級切換，1：25-30的大流量范圍的氣水霧化噴嘴。(14)全交流拉坯輥傳動系統。(15)eic一體化的電氣、儀表、計算機控制系統。(16)結晶器、零號扇形段、結晶器振動裝置、扇形段四大周轉件整體吊裝更換，完善的離線維修措施。(17)大板坯連鑄機的上裝引錠、自動脫錠。(18)輥縫自動測量儀、自動噴印機、去毛刺機、鑄坯稱量機、局部火焰清理

14、機等關鍵輔助設備的應用。(19)最佳定尺切割(20)計算機質量判斷(21)快速硫印(22)鑄坯運行路線的計算機跟蹤(23)自動開澆技術就世界范圍而言，連比已經提高到一個較高的水平，新的連鑄裝備的投入步伐將有所減緩，隨之而來的是各類舊有連鑄機的更新換代。不管是新建的還是被改造的連鑄機都會朝著高效化發展，提高無缺陷坯的比率，擴大連鑄鋼品種，推進純凈鋼的同時防止二次氧化，提高連鑄機的裝機水平，提高作業率，合理提高拉速，做好爐機匹配等以高效化生產的中心的工藝、設備、操作技術將是連鑄技術發展的必然。1.2 連續鑄鋼的特點連續鑄鋼技術的出現，推動了冶金鋼鐵工業的快速發展，同時也使鋼鐵企業的生產模式及結構產

15、生了巨大變革。這些變革帶來了降低能耗、縮短生產流程、提高產品質量等顯著成果，其結果使得鋼鐵產品具有了更大的市場競爭能力，為煉鋼生產向連續化、自動化方向的發展開辟了新的途徑。連鑄技術的優越性20世紀70年代以后連鑄技術迅速發展，究其原因主要是它與以往的模鑄相比具有很多優越性。連鑄與模鑄的根本區別就在于它們的生產工藝流程是不一樣的。模鑄是把一爐鋼水澆注成多根鋼錠，鋼錠脫模之后經初軋機開坯才得到鋼坯，是在間斷的情況下進行的;而連鑄是把一爐鋼水連續不斷地注入到結晶器中，這樣就可以得到無限長的鑄坯，經切割后就可以直接生產鑄坯。可見，連鑄比模鑄減少了一道工藝流程。同時模鑄時鑄坯的冷卻速度較慢，而連鑄時因強

16、制冷卻使冷卻速度加快。基于這些根本差別，連鑄和模鑄比較，就具有許多突出的優越性。 1)提高了綜合成材率。采用連鑄工藝的直接經濟效益，首先是提高了綜合成材率。過去采用的鋼錠開坯方式，切頭切尾損失達到10%-20%，從鋼水到成坯的收得率約為84%-88%;而連鑄的切頭切尾損失僅為1%'2%，從鋼水到成坯的收得率為95%-96%，即采用連鑄可以節約金屬10%左右。金屬收得率的提高必然使得綜合成材率提高。一般來說，模鑄時綜合成材率為80%左右，而連鑄時綜合成材率可達95%以上。據測算，連鑄比每提高10%，但綜合成材率提高0.8%-1.5%. 2)降低能耗。連鑄節能主要體現在一是省去開坯工藝直接

17、節能，二是由于提高成坯率和成材率間接節能兩方面。據相關資料報道，每生產it鋼坯連鑄比模鑄可節能627-1046kj，相當于21.435.7 kg標準煤。按我國目前能耗水平測算，it連鑄坯綜合節能約130 kg標準煤，可見連鑄對提高綜合成材率及節能具有重要意義。應當指出，隨著澆注鋼種、鑄坯斷面和軋制工藝的不同，連鑄節能的具體情況也是不同的。 3)產品的均一性好、質量高。模鑄鋼錠凝固時間比較長，元素偏析顯著，特別是鋼錠頭部和尾部化學成分差異很大，而連鑄坯冷卻速度快、斷面較小、樹枝晶間距小、偏析程度輕，尤其是沿鑄坯長度方向的化學成分比較均勻，因而其成材的均一性比模鑄好。隨著煉鋼工藝的不斷發展和連鑄新

18、技術的應用，目前連鑄產品質量的各項性能指標大都優于模鑄成材產品。4)易于實現機械化自動化。在以往煉鋼生產過程中，模鑄是一項勞動環境惡劣且強度大的工序。而連鑄由于其自身設備和工藝的特點，易于實現機械化自動化。近年來，隨著科學技術及計算機的不斷發展應用，使得連鑄這一優越性更加突出，大多數連鑄機己經實現了機電一體化。這就使操作者從模鑄的繁重體力勞動中解脫出來，而且提高了勞動生產率。除以上顯而易見的優點外，連鑄還有生產周期快、噸坯成本低、占地面積小等優點。因此當成功應用連鑄后，整個鋼鐵工業產生了巨大的變化。一方面鑄錠車間、均熱爐和初軋機逐步被連鑄機所取代，另一方面連鑄的不斷發展也正在改變從煉鋼到軋鋼的

19、工藝流程。1.3連鑄機機型分類，特點及演變目前連鑄機已在鋼廠廣泛采用，形式多種，用途各異。對連鑄機的叫法也很不一致。現按一般習慣介紹連鑄機的分類方法： (1)接連鑄機外形分類有：立式連鑄機、立彎式連鑄機、弧形連鑄機、超低頭(橢圓形)連鑄機、水平連鑄機，輪式連鑄機等。 (2)按澆注鑄坯斷面分類有 表1 國 內 連 鑄 機 統 計機型 臺數/臺 流數/流 年產能/萬t 說明 小方坯 211 783 8983.50 150mm×150mm 方、矩坯 218 781 9902 >150mm×150mm 板坯 91 120 8383 板方兼用者按板坯計 薄板坯 10 10 12

20、62 薄板坯連鑄連軋 圓坯 20 52 511.25 以生產圓坯為主者按圓坯 異型坯 1 3 63   合計 551 1749 29204.75 有幾家方案未確定者（如廣東、福建等）尚未計入 (3) 按拉速分類有：高拉速連鑄機和低拉速連鑄機。它們的主要區別在于：高拉速時鑄坯帶液芯矯直，低拉速時鑄坯全凝固矯直。(4)按鋼水靜壓頭分類：靜壓力較大的叫高頭型連鑄機如立式、立彎式連鑄機。靜壓力較小的叫低頭連鑄機如弧形、橢圓、水平連鑄機。1.4連續鑄鋼的工藝流程及設備 圖 1-1 煉鋼生產工藝流程簡圖 圖1-2 連鑄工藝圖 第二章.結晶器振動技術結晶器是連鑄機的心臟部件。它的主要作用就是對結晶

21、器中的鋼水提供快速而且均勻的冷卻環境，促使坯殼的快速均勻生長，以形成質量良好的坯殼，保證連鑄過程正常而穩定的進行。在澆注鋼水時，若結晶器靜止不動，坯殼容易與結晶器內壁產生粘結，這就增大了拉坯時的阻力，導致出現坯殼“拉不動”或者鋼水被拉漏事故發生，很難進行澆注。而當結晶器以一定的規律振動時，這就能使其內壁獲得比較良好的潤滑條件，從而減少了摩擦阻力又能防止鋼水和結晶器內壁的粘結，同時還可以改善鑄坯的表面質量。因為當產生粘結時，振動能夠強制脫模，消除粘結。因此使結晶器發生振動是澆注成功的先決條件，同時也是連鑄技術發展的一個重要里程碑。正是振動結晶器的發明，工業上才得以實現大規模的應用連鑄技術。隨著連

22、鑄技術的不斷發展，結晶器振動技術也在不斷的發展和完善。2.1結晶器振動技術發展的歷史 最初的連鑄機結晶器是靜止不動的，在拉坯的過程中坯殼很容易與結晶器內壁產生粘結，從而出現坯殼“拉不動”或拉漏鋼水的事故發生。因此，靜止不動的結晶器限制了連鑄生產的工業化發展。直到1933年現代連鑄的奠基人一德國的西格弗里德·容漢斯開發了結晶器振動裝置，并成功地將它應用于有色金屬黃銅的連鑄。 1949年s·容漢斯的合伙人美國的艾爾文·羅西(irving rossi )獲得了容漢斯結晶器振動技術專利的使用權，并首次在美國約阿·勒德隆鋼公司廠的一臺方坯連鑄試驗機上采用了振動結晶

23、器。與此同時，容漢斯振動結晶器又被西德曼內斯(mannesmann)公司胡金根廠的一臺連續鑄鋼試驗連鑄機上成功應用結晶器振動技術在這兩臺連鑄機上的成功應用，為結晶器振動技術的廣泛應用打下了堅實的基礎。2.2 連鑄機結晶器振動簡介 在連鑄技術的發展過程中，只有采用了結晶器振動裝置后，連鑄才能成功。結晶器振動的目的是防止拉坯坯殼與結晶器粘結，同時獲得良好的鑄坯表面，因而結晶器向上運動時，減少新生的坯殼與銅壁產生粘結，以防止坯殼受到較大的應力，使鑄坯表面出現裂紋;而當結晶器向下運動時，借助摩擦，在坯殼上施加一定的壓力，愈合結晶器上升時拉出的裂痕，這就要求向下的運動速度大于拉坯速度，形成負滑脫。 機械

24、振動的振動裝置由直流電動機驅動，通過萬向聯軸器，分兩端傳動兩個蝸輪減速機，其中一端裝有可調節軸套，蝸輪減速機后面再通過萬向聯軸器，連接兩個滾動軸承支持的偏心軸，在每個偏心輪處裝有帶滾動軸承的曲柄，并通過帶橡膠軸承的振動連桿支撐振動臺，產生振動。 在新型連鑄生產工藝中，采用帶有數字波形發生器的結晶器電液伺服振動控制是保證連鑄生產質量的關鍵技術之一。國外的應用情況表明，采用連鑄結晶器非正弦伺服振動，能夠有效地減少鑄坯與結晶器間的摩擦力，從而防止坯殼與結晶器粘結而被拉裂，減小鑄坯振痕，提高鑄坯質量川一9l。帶有數字波形發生器的結晶器電液伺服振動控制裝置和傳統的結晶器振動裝置相比，可以方便地實現多種波

25、形振動、實現連鑄過程監督和實時顯示振動波形，并能在線修改非振動方式及振動頻率和幅值等參數，實現控制過程的平穩過度。2.3結晶器振動規律的演變結晶器振動技術的發展過程來看，結晶器振動技術先后經歷了矩形速度規律、梯形速度規律值到目前應用最廣泛的正弦振動規律以及近幾年更為先進的非正弦振動規律。 結晶器振動速度隨時間的變化規律即為結晶器振動規律，結晶器振動規律是結晶器振動技術中最基本的內容。因為從結晶器振動技術發展的歷史過程來看，每當結晶器采用了一種新的振動規律時，新的振動規律都較過去的振動規律更為合理，而且都對鑄坯的連續澆注、鑄坯的表面質量及拉坯速度的提高產生了重大的影響。 (1)矩形速度規律 從結

26、晶器振動技術發展歷史來看，矩形速度規律是最早出現的一種結晶器振動方式，如圖2-1中的曲線1所示即為它速度變化規律3。矩形速度規律的主要特點是:結晶器在向下振動時與拉坯速度相同，即結晶器與鑄坯做同步運動，然后結晶器又以3倍的拉坯速度向上運動。其表達式如下：式中：結晶器振動頻率 cpm s振幅 mm 拉坯速度 mm/min 圖 2-1 矩形振動規律生產實踐證明，矩形振動方式對鑄坯的脫模是有效的，相比靜止不動的結晶器，這種振動方式大大提高了鑄坯的表面質量，提高了連鑄的生產效率，在早期得到廣泛應用。但此種振動方式的存在的缺點是:該振動規律的實現是用凸輪來實現的，但是凸輪的加工制造比較麻煩;為了保證結晶

27、器與鑄坯之間速度嚴格的同步運動，結晶器振動機構與拉坯機構之間要實行嚴格的電器連鎖;結晶器振動速度在上升和下降時的轉折點處變化很大，其加速度在理論上等于無窮大。雖然凸輪曲線在上升和下降之間有過渡連接曲線使結晶器振動的加速度達不到無窮大，但是仍然很大。過大加速度對鑄坯的表面質量和振動系統的正常運轉都是不利的，將對設備產生強大的沖擊，因而也不能采用高頻率振動方式。(2)梯形速度規律 梯形速度規律是在矩形速度規律的基礎上進行了一些改進，如圖2-2中的曲線2所示即為梯形速度變化規律。梯形速度規律的主要特點是:結晶器在向下振動的過程中有一段較長時間其速度略大于鑄坯的拉坯速速，即現在所稱的“負滑動運動”。負

28、滑動運動可以在坯殼中產生壓應力，可以使結晶器里已經斷裂的坯殼被壓合，并且能夠使粘結在結晶器內壁上的坯殼強制脫模;從圖1.1中曲線2可以看出結晶器振動速度在上升和下降的轉折點處，變化比較緩和，這將有利于提高結晶器振動的平穩性。生產實踐證明，梯形速度規律是一種相對比較好的振動規律，因此這種振動規律被使用了許多年。后來才被更為合理的正弦振動規律所取代。(3)正弦速度規律 正弦速度規律如圖2-2的曲線所示(正弦速度與余弦速度相同)。之所以選擇正弦規律的主要原因有兩個:一是正弦速度規律打破了前兩種速度振動規律結晶器和鑄坯之間有一定的速度關系的框架，重點發揮結晶器的脫模作用;二是速度規律的實現用偏心輪取代

29、了之前使用的凸輪。 圖2-2 正弦和非正弦振動規律結晶器振動的正弦速度規律曲線的數學表達式為：式中 結晶器運動的速度 m/minh振動沖程（倆倍振幅）， mm振動頻率， 1/min從圖2-2中的曲線可以看出正弦速度規律的主要特點如下： 1)結晶器與鑄坯之間沒有同步運動階段，但結晶器仍然有一小段負滑動運動，這有利于拉裂坯殼的“愈合”和粘結坯殼的脫模。2)由于結晶器振動速度是按正弦曲線變化，其加速度就是按照余弦曲線變化的。因此速度與加速度的變化都很平穩，這也使結晶器的振動很平穩。3)由于結晶器振動的加速度較小，因此可以采用較高頻率的振動，這有利于消除坯殼與結晶器壁的粘結，也就提高了結晶器的脫模作用

30、。 4)結晶器正弦振動規律是用偏心機構來實現的，采用偏心機構比凸輪機構具有加工制造容易、運動精度高、潤滑密封方便、易于采用高頻振動的優點。基于正弦振動規律上述的優點，它是目前國內外應用最為廣泛的一種結晶器振動規律。它在方坯、板坯及薄板坯連鑄機上都有最廣泛的應用。 (4)非正弦速度規律如圖2-2的非正弦速度規律4。它是近年來出現的一種新型振動方式。非正弦速度規律主要特點是:負滑動時間比較短，這有利于減輕鑄坯表面振動痕跡的深度，提高鑄坯表面質量;較長的正滑動時間可增加保護渣的消耗量，有利于提高結晶器的潤滑條件，減小拉坯阻力;結晶器向上振動速度與拉坯速度之差較小，有利于減小結晶器施加給鑄坯向上作用的

31、摩擦力，即可減小坯殼中的拉應力，減小鑄坯拉裂事故的發生。這些都有利于拉坯速度的提高，有利于連鑄生產效率的提高。2.4結晶器振動和潤滑的關系 結晶器振動的重要影響主要是對潤滑和振動痕跡形成的作用。振動的同時要求提供結晶器潤滑，兩者的共同作用是減小坯殼和結晶器壁間的摩擦力，以得到最好的表面質量和防止粘結漏鋼的最佳安全性。2.4.1 結晶器振動與保護渣的關系如前所述，結晶器振動對于改善結晶器壁間的潤滑是非常有效的，但對于結晶器振動如何影響結晶器保護渣的消耗和保護渣的潤滑作用，其機理并不十分清楚。早期的研究曾提出一個負滑脫期間保護渣流入量的模型，但是隨后的試驗結果表明，保護渣消耗量是正滑脫時間的增函數

32、，圖2-3示出了保護渣消耗量與正滑脫時間的關系。可見，對于振動結晶器，正滑脫時間越長，保護渣消耗量越大，由此也引起了大量的爭論。對于增加保護渣消耗而言，正滑脫期間和負滑脫期間是振動周期內的兩個必不可少的過程:正滑脫期間，結晶器相對坯殼向上運動，保護渣在結晶器鋼水彎月面處形成的渣圈上移，液渣由鋼液面向彎月面流動的通道被“打開”，促進了液渣彎月面附近流動和聚集，由于摩擦力作用液態渣的一部分被“拔出”;負滑脫期間，結晶器相對坯殼向下運動，渣圈隨結晶器下移，液渣受到壓力而向結晶器和坯殼間填充，同時，由于壓縮的作用，液渣流動的通道被“關閉”，也部分阻礙了鋼液面上的液渣向彎月面附近流動。結晶器周期性振動的

33、結果，導致液渣在彎月面處的流動、聚集以及向結晶器和坯殼間填充的重復進行，從而改善了結晶器的潤滑狀況。當液渣的填充成為限制性環節時，負滑脫時間反映振動參數對保護渣消耗的影響;當液渣供應成為限制性環節時，則正滑脫時間反映振動參數對 保護渣消耗的影響。通過對生產、試驗數據的綜合評價，研究發現，保護渣消耗量與總的周期時間有很好的對應關系(見圖1.5)，并得到如下的實驗公式：q=0.5560fvc2-12+0.1式中：q-單位面積的保護渣消耗量，kg/m2； vc-拉坯速度，m/min； f-振動頻率hz； -保護渣的液渣粘度，pa.s.圖 2-3 保護渣消耗量與正滑脫時間的對應關系很明顯，它是保護渣粘

34、度和振動頻率的函數，給出了一個與時間有關的保護渣消耗機制，由于高頻振動以及高拉速減少了坯殼的“接觸時間”，保護渣消耗量降低。但是，上式中變量缺少了振幅s的影響，仍不能對結晶器振動的影響作出滿.2.4.2結晶器的潤滑機理 結晶器的振動有利于鑄坯的脫模，可以提高拉坯速度，實現更高的效率，同樣由十脫模過程中凝殼與結晶器壁之間的摩擦，產生振痕，帶來產品質量的不良效果。為了更好地利用振動的優點，得到合理的振動波形，我們首先分析一下結晶器的潤滑機理。 基于目前國內鋼鐵廠家多數采用保護渣作為潤滑介質，我們重點看一保護渣潤滑時候結晶器壁和坯殼之間的情況。如2-4所示在結晶器壁和坯殼之間有一層保護渣薄層，并目_

35、在坯殼前面的為液態，在結晶器前面的為固態。結晶器中摩擦力產生的機理有兩種。當結晶器相對于坯殼運動是在液體保護渣薄層內進行，生的摩擦力稱為“液體摩擦力”。用下式來表示其大小: 當結晶器壁和固態保護渣之間產生相對運動時，這種固體與固體接觸產生的摩擦力稱為“固體摩擦力”，用如下的式子來表示: 對于從彎月面到結晶器出口的各個位置，根據操作條件(鑄造速度、結晶器振動條件、保護渣物性)計算固體摩擦力和液體摩擦力的大小，據此來判斷是液體潤滑還是固體潤滑起支配作用。顯然這里應該是較小的摩擦力起支配作用，并作為該處的摩擦力。2.4.3 結晶器中摩擦力的分布 根據結晶器潤滑機理可以把液體摩擦力和固體摩擦力作為彎月

36、面某一距離的函數來計算。結晶器采用正弦振動時其計算結果如圖2-5所示。 液體摩擦力的最大值(曲線a和b)呈現十振動周期內最大相對速度的時候，如圖2-2中的兩條曲線。當相對速度等于零時，(，液體摩擦力，因此在一個振動周期中液體摩擦力在兩條曲線a和b之間變化。負滑動期間的相對速度比正滑動期間的小，因此負滑動期間的液體的摩擦力絕對值較小。圖 2-5 結晶器內液體保護渣摩擦力和固體保護渣摩擦力的分布固體摩擦力是由兩條直線.fs表示的。由圖2-5可以看出液體潤滑在結晶器上部起支配作用，在結晶器下部固體摩擦力比最大的液體摩擦力要小，因此在該部位固體潤滑起支配作用。第三章 結晶器振動方案的比較、論證、確定及

37、經濟性分析3.1 本課題研究的目的 針對傳統的電機驅動偏心輪結晶器振動裝置存在的缺點，開發研制電液伺服驅動的結晶器振動裝置及計算機控制系統。基于智能控制的基本思想，改進控制方法，滿足連鑄工藝對跟蹤正弦給定振動波形的要求，有效抑制非對稱負載造成的靜差，并提高系統的相頻寬。3.2 課題研究內容 連鑄是指使鋼水連續不斷地通過水冷結晶器，凝成硬殼后從結晶器下方出口連續拉出，經噴水冷卻全部凝固后切成坯料的鑄造工藝。它與傳統的“模鑄開坯”工藝相比，具有明顯優勢。連鑄坯的產量占整個鋼產量的百分率可反映一個國家煉鋼工藝的先進水平，因而連鑄比的提高受到國內外的廣泛重視。結晶器及其激振系統是連鑄機中的重要組成部分

38、。結晶器的作用是為了對鋼水進行一次冷卻，使其形成坯殼，同時為了保證出料均勻，減少拉坯摩擦力，避免鋼水粘壁、漏鋼，改善鑄坯表面質量。為此，需要通過一個振動機構使結晶器按一定的規律振動，既激振系統。 與傳統的直流電機或交流變頻電機驅動偏心凸輪的結晶激振系統相比，電液伺服驅動的連鑄機結晶器激振系統具有能實現正弦振動、易于實現計算機控制、布置方便和可以實現多流連鑄機共用泵站節能及群控等優點。本研究采用電液伺服結晶器激振系統，可以方便地產生各種振動規律，實現控制過程監督、實時顯示并根據拉坯速度實時修改振動參數，提高連鑄坯質量和提高金屬收得率，從而實現連鑄過程的自動化。 為完成上述目標，本課題主要涉及以下

39、方面的內容：振動規律的研究、控制律的研究及實現方法、結晶器電液伺服控制系統的設計。已知條件：結晶器的斷面尺寸：70×1560 （毫米×毫米） 拉坯速度：45.5 結晶器的振動波形：正弦波：3毫米 結晶器的重量：12噸3.3 課題方案的選擇3.3.1 振動機構簡介結晶器的振動是由振動裝置來實現的，振動機構是振動裝置的核心。結晶器對振動機構的要求主要有兩點：一是使結晶器按一定的速度規律振動，二是使結晶器準確地沿著一定的軌跡振動。因為在傳統的振動規律如梯形規律、正弦規律的條件下，滿足后一個要求比滿足前一個要難，所有振動機構一般都是以結晶器振動軌跡的方式來稱呼的。（1） 長臂振動機

40、構在弧形連鑄機中，它是把結晶器安裝在一個與鑄機圓弧半徑相同的振動臂上。這種振動機構的振動軌跡在理論上是正確的。但如果振動臂較長，則因加工制造誤差、受熱膨脹、受力變形而使結晶器產生較大的振動軌跡誤差。所有它只使用于圓弧半徑較小的連鑄機上。在連鑄發展的初期這種機構被用于生產，但隨著連鑄機圓弧半徑的增大而被其他振動機構所代替。不過，由于連鑄技術的發展，近年來出現了所謂的“超低矮型”連鑄機，該機型的基本圓弧半徑較小，采用多點矯直，如矯直點數為719。由于基本圓弧半徑較小而使長臂振動機構又獲得了應用。（2） 導軌式振動機構這種振動機構可以實現弧形運動，也可以實現直線運動。由于導軌式振動機構避免了長振動臂

41、，結構也比較簡單，因此早期應用較多。但由于導軌不易獲得充分潤滑，又不易保持清潔，所以磨損較嚴重，影響運動軌跡精度，因而逐漸被其他振動機構所替代。雖然近年來導軌式振動機構又在羅可普連鑄機上得到了應用，但是導軌式振動機構所固有的缺點在生產中依舊暴露無遺，使一些生產廠家不得不對其進行改造。（3） 差動齒輪振動機構差動齒輪振動機構是我國60年代中期開發并應用于生產的弧線軌跡振動機構。結晶器固定在由彈簧支撐的振動框架上，用凸輪或偏心輪強迫框架下降，利用彈簧的反力使其上升。振動框架的內、外弧側面，裝有齒條，分別與節圓半徑相等的小齒輪相嚙合。裝在小齒輪軸上的扇形齒輪有不同的節圓半徑，內弧側的節園半徑比較大，

42、相互嚙合的扇形齒輪擺動時，就時與其相連的兩個小齒輪曳不一樣，因而可使結晶器產生弧線運動，由于它結構復雜，齒輪和導向件磨損較嚴重等原因而未被得到推廣。但差動原理卻在后來的四偏心結結機構上得到了應用。其結構如圖3-1所示。圖3-1差動式振動機構 在結晶器的振動框架1上，固定有導軌和齒條2，在距離為a的兩側裝有兩根長軸3，軸支撐在軸承12上，軸上裝有齒輪4和導輪5，以及不同節圓半徑的扇形齒輪6及7.，在振動框架1兩端還裝著導向塊8，在扇形齒輪6上裝有連桿9，和與傳動機構相連的偏心輪10，振動框架1下面還支撐有彈簧11，目的是平衡一部分負荷并使振動框架1產生一個向上的恢復力，兩個軸3就產生反復的轉動，

43、齒輪4廁通過齒條嚙合關系使振動框架1產生振動，但由于扇形齒輪6和7的節圓半徑不同，所以兩側齒輪4的角速度也不同，則振動框架將產生弧線振動。圓弧半徑為r，框架1兩側齒條節線間距離為w，兩齒輪4的中心距為a，節圓半徑為，扇形齒輪6和7的節圓半徑為、，則： （3-1） （3-2） （3-3）正確的選擇w、a及、的值，便可以得到要求的r值。（4） 四連桿振動機構它是一種雙搖桿機構，它的兩個搖桿可以裝設在連鑄機的外弧側，也可裝在內弧側，如圖3-2示。后者適用于小方坯連鑄機，前者適用于板坯連鑄機，便于拆裝二冷區的扇形段。當使兩搖桿ad和bc平行且等長時，四連桿振動機構可用于直弧形或立式連鑄機。不論是裝在鑄

44、機的內弧側還是外弧側，四連桿機構abcd中的cd連桿在某一瞬間的運動是繞瞬心o的轉動。因此，只要使兩搖桿ad和bc的延長線交于鑄機的圓弧中心o，由于結晶器的振幅與圓弧半徑相比較小，因此瞬心位置變化所造成的運動軌跡誤差很小。一般在給連鑄機圓弧半徑、結晶器振幅及四連桿機構參數的合理約束條件下，通過優化設計，能夠使板坯連鑄機結晶器振動軌跡誤差r0.1mm，小方坯的r0.02mm。圖3-2連桿振動機構 由于四連桿振動機構的搖桿長度較短，因此結晶器運動的軌跡精度受溫度、載荷及加工誤差的影響較小。因此，它被廣泛應用于各種連鑄機。四連桿振動機構的主要缺點是各桿件只做擺動運動，軸承易形成局部磨損。特別是在高頻

45、率、小振幅的條件下，將產生較嚴重的局部磨損。（5） 四偏心振動機構四偏心振動機構是在連鑄機結晶器振動裝置中的應用廣泛的一種振動機構，具有一些獨特的優點。其工作原理如圖3-3圖中2為振動臺架，7為結晶器，其中1為結晶器外弧中心點，1、3為偏心軸。在每根偏心軸上都裝有兩個偏心套，通過內外側各兩根連桿4和5將振動臺架在四個角鉸接，并用板式彈簧6實現結晶器仿弧線定中。只要合理確定偏心軸、偏心套、連桿、板式彈簧的長度及安裝尺寸就可以實現結晶器的近似圓弧擺動。 圖3-3四偏心振動機構3.3.2 振動機構的選擇結晶器振動技術是連鑄的一個基本特征，基于不同的理論，結晶器振動技術也經歷了復雜的過程，早期主要由凸

46、輪實現的正弦振動，由于波形單一，在線不能調節，未能實現振動波形的優化;由于采用偏心機構使機械動作更加簡便，故結晶器正弦振動得到了發展，并不斷地對其振動參數進行優化，實現高頻振動以改善鑄坯表面質量;目前開發的液壓振動，波形選擇范圍寬，并且調節容易，振動機構具有很高的穩定性，對于改善結晶器內的潤滑效果，降低摩擦阻力以及為初始凝殼的順利形成創造了最合適的條件，可以實現連鑄過程振動的最優化。對于改善鑄坯表面質量，提高拉坯速度，液壓振動技術將以其突出的優越性在連鑄生產中獲得廣泛地應用。 如何控制結晶器按給定波形規律進行振動是連鑄生產過程中的關鍵技術迄今為至，工業中仍在廣泛使用直流電動機或交流變頻電動機通

47、過偏心輪驅動雙搖桿機構實現結晶器振動。和傳統的結晶器振動裝置相比，電液伺服驅動的連鑄機結晶器振動裝置可以很方便地產生各種振動規律、實現連鑄過程監督、實時顯示振動波形并可根據拉坯速度實時修改振動參數、布置方便和可很方便地實現多連鑄機共用泵站節能及群控等優點。為了解決傳統的電動機驅動偏心凸輪結晶器振動裝置存在的難以在線改變振動波形和響應速度慢等問題、本文開發研制了采用電液伺服控制實現的結晶器振動裝置及其計算機控制系統。為了滿足連鑄工藝對跟蹤非正弦給定振動波形的要求，結合結晶器電液伺服振動系統的特點，基于智能控制的基本思想對一些控制方法進行了有機組合，有效地抑制了非對稱負載造成的靜差并提高了系統的相

48、頻寬在小方坯連鑄機上的試驗表明了所開發的結晶器電液伺服振動裝置及其計算機控制系統可以滿足連鑄工藝的要求，達到了提高連鑄自動化水平的目的。所開發研制的結晶器電液伺服振動裝置結構組成如圖3-5所示。相應的計算機控制系統方塊圖如圖3-6示。采用閥控缸驅動雙搖桿機構實現結晶器的往復振動，將液壓缸的位置(或結晶器鞍座的位置)通過位移傳感器反彼到綜合端與指令信號比較得到誤差信號，然后由計算機算得控制量并經過d/a和電流負反彼放大器后驅動電液伺服閥構成閉環控制系統。利用計算機產生各種指令信號(期望振動規律)，通過選擇適當的控制律使系統槍出跟蹤指令信號從而獲得所要求的振動規律。圖 3-5晶器電液伺服振動裝置示

49、意圖 圖 3-6 結晶器振動波型計算機控制系統方塊圖用閥控缸驅動雙搖桿機構實現結晶器的往復振動，將液壓缸的位置通過位移傳感器反饋到綜合端與指令信號比較得到誤差信號，然后由計算機算得控制量并經過d/a和電流負反饋放大器后驅動電液伺服閥構成閉環控制系統。利用計算機產生各種指令信號，通過選擇適當的控制律使系統輸出跟蹤指令信號從而獲得所要求的振動規律。液壓振動的動力裝置為液壓動力站，它作為動力源向振動液壓缸提供穩定的壓力和流量的油液。液壓動力站的信號有主站室內的計算機通過plc系統來控制，液壓振動的核心控制裝置為振動伺服閥。振動伺服閥靈敏度高，液壓動力站提供動力如有波動，伺服閥的動作就會失真，造成振動

50、時運動不平穩和振動波形失真。為此，要在系統中設置蓄能器以吸收各類波動和沖擊，以保證整個系統壓力穩定。正弦和非正弦曲線振動靠振動伺服閥控制，而振動伺服閥的空子信號來自曲線生成器，主控室的計算機通過plc控制曲線生成器設定振動曲線（同時也設定振幅和頻率）。曲線生成器通過液壓缸傳來的壓力信號和位置反饋信號來修正振幅和頻率。經過修正的振動曲線信號轉換成電信號來控制伺服閥。只要改變曲線生成器即可改變振動波形、振幅和頻率。曲線生成器輸入信號的波形、振幅和頻率可在線任意設定好振動曲線信號傳給伺服閥，即可控制振動液壓缸按設定參數振動。在軟件編程中，同時還設置多種報警和保護措施以避免重大事故的發生。這種在線任意

51、調整振動波形、振幅和頻率是通常機械振動所不能實現的。第四章 結晶器正弦振動的參數分析4.1 負滑脫量計算在結晶器下振速度大于拉坯速度時，稱為“負滑脫”。負滑脫量的定義為：式中 -負滑脫量，%； -結晶器振動時的最大速度，m/min; -拉坯速度，4m/min。負滑脫能幫助“脫模”，有利于拉裂坯殼的愈合。正玄振動的選30%40%時效果較好。在這里選取為30%。則由公式： 可得出結晶器的最大振動速為：=（1+）則=4（1+30%） =5.2m/min=0.086m/s4.2 頻率與周期結晶器上下振動一次的時間稱為振動周期t，單位s。一分鐘內振動的次數為頻率，單位次/min。求解頻率的公式為：式中

52、-結晶器振動頻率 -振幅，3mm -結晶器振動的最大速度，5.2m/min故 =275.8次/min=4.6次/s周期t=0.22s圓頻率4.3 結晶器的運動速度和加速度 結晶器振動裝置的速度的大小方向是隨時間的變化而變化的，由于結晶器是按正弦曲線規律振動的，若結晶器運動時間為 t(s)，則振動結晶器任一瞬間的運動速度可由下式求出：可知，結晶器的運動速度是按正弦規律變化的當=0，t=0時， =0；=，t=0.0275s時，=5.2sin=3.6m/min，方向向下；=, t=0.055s時，=5.2m/min,振動速度達到最大值；=, t=0.0825s時，=3.6m/min;=, t=0.1

53、1s時，=0；結晶器振動到最低點。準備向上振動；=，t=0.1375s時， =3.6 m/min,方向向上；=，t=0.165s時 ，=5.2m/min振動速度達到最大；=，t=0.1925s時， =3.6 m/min；=，t=0.22s時， =0。結晶器振動裝置的加速度可由下式計算：=0.086×28.5cos =2.45cos m/由此可見結晶器振動的加速度是按余弦規律變化的當=0，t=0時，=2.45m/s,加速度具有最大值；=，t=0.0275s時，=1.73m/s；=, t=0.055s時， =0；=, t=0.0825s時，=-1.73m/s;=, t=0.11s時，=-2.45m/s；=，t=0.1375s時， =1.73m/s,；=，t=0.165s時 ，=0m/s；=，t=0.1925s時， =1.73 m/s； =，t=0.22s時， =2.45m/s。由此結晶器振動裝置完成了一個周期的振動，振動裝置進入下一個周期的振動。4.4 負滑脫時間的確定當結晶器下振動的速度大于拉坯速度時就出現負滑脫，在本設計中拉坯速度=4m/min，設開始出現負滑脫的時間，則有則 =0.0307s負滑脫總時間 =0.0