1概述(ɡàishù)2結晶器振動參數的分析3非正弦振動運動分析1第一頁，共45頁。1概述(ɡàishù)結晶器振動的作用有如下兩點：①防止鑄坯在凝固過程中與結晶器銅壁發生粘結而出現坯殼拉裂或漏鋼事故。在結晶器上下振動時，按振動曲線周期性地改變鋼液面與結晶器銅壁的相對位置(wèizhi)，對坯殼有一個強制脫模的作用，并使得拉漏的坯殼在結晶器內部得以焊合。②減小拉坯阻力及改善鑄坯表面質量。在結晶器振動過程中，通過保護渣在結晶器銅壁的滲透可以改善其潤滑條件，防止高溫凝殼與結晶器銅壁的粘結，同時減少了拉坯時的摩擦阻力及改善了鑄坯的表面質量。2第二頁，共45頁。大致分為四個時期：①同步(tóngbù)振動同步(tóngbù)振動的特點是結晶器向下振動時，其速度與其拉坯速度相等，即同步(tóngbù)。若設V為拉坯速度，Vm為結晶器振動速度，V1為上升速度，V2為下降速度，則同步(tóngbù)振動應滿足以下條件：V1=3V；V2=V同步(tóngbù)振動的優點是：結晶器能實現與拉坯速度同步(tóngbù)運動，對鑄坯有利。其缺點是振動機構必須與拉坯速度實行嚴格的同步(tóngbù)聯鎖，當結晶器由往下振動轉為往上運動的轉折處加速度過大，機構中會產生相當大的沖擊，因此，現已不再采用。3第三頁，共45頁。1—同步式振動2—負滑脫(huátuō)振動3—正弦振動圖1結晶器振動方式4第四頁，共45頁。負滑動振動負滑動振動是指當結晶器往下振動時，其速度大于拉坯速度，形成負滑動。即：V2=V（1-NS）而往上振動時，取式中NS為負滑動率，說明結晶器平均下降速度大于拉速，產生負滑動。負滑動振動的特點是：結晶器先以比拉速稍高的速度下降一段時間(shíjiān)出現負滑動或負滑脫。此時坯殼處于受壓狀態，既有利于強制脫模又有利于斷裂坯殼的壓合。然后再以較高的速度上升，克服了同步振動時產生較大加速度的缺點。結晶器在下降或上升過程中都有一段穩定運動時間(shíjiān)，有利于坯殼的生成和裂紋的愈合。5第五頁，共45頁。③正弦振動結晶器振動時的運動速度隨時間的變化呈一條正弦曲線。其特點是：結晶器在整個振動過程中速度一直是變化的，即鑄坯與結晶器時刻都存在相對運動。在結晶器下降過程中有一段負滑動，能防止和消除粘結(zhānjié)，具有脫模作用；另外，由于結晶器的運動速度是按正弦規律變化的，加速度必然按余弦規律變化，所以過度比較平穩，沖擊力也較小。6第六頁，共45頁。④非正弦(zhèngxián)振動對于傳統的正弦(zhèngxián)振動來說，其特性完全取決于振幅和振動頻率兩個獨立的振動參數。當波形調節能力小時難以滿足上述要求。而非正弦(zhèngxián)振動的最大特點是上升時間比下降時間長，因而加大了保護渣的消耗量，使結晶器彎月面附近的液體摩擦力減少，可以得到表面質量優異的鑄坯，能滿足連鑄生產的要求。非正弦(zhèngxián)振動曲線大致可分為三角形振動波形、三角多項式波形、普通的非正弦(zhèngxián)波形和改進的非正弦(zhèngxián)波形等。7第七頁，共45頁。2結晶器振動(zhèndòng)參數的分析2.1結晶器的振動參數與結晶器振動有關的振動參數主要有：如振幅和頻率，這是決定結晶器運動的振動參數稱為結晶器振動基本參數，另外與“負滑脫”相關的振動參數如負滑動率NS、負滑脫時間tN和負滑脫時間率NSR，由于這些負滑脫參數直接關系到鑄坯的脫模和鑄坯的質量，所以負滑脫參數被稱為工藝參數。結晶器振幅A，因為正弦振動是由偏心輪－桿機構實現(shíxiàn)的。因此，振幅可直接由偏心輪的偏心距，通過桿系的換算得到。也可按速度－時間正弦曲線的半波面積計算獲得：8第八頁，共45頁。結晶器運動(yùndòng)速度曲線9第九頁，共45頁。負滑脫(huátuō)時間TN10第十頁，共45頁。結晶器振動時，只有當結晶器振動速度Vm大于拉坯速度V時才出現負滑動。負滑脫是指在一個(yīɡè)振動周期內，結晶器向下的運動速度比鑄坯向下的運動速度（拉速）要快的時間，在負滑脫期內，凝固坯殼將受壓而使被拉裂的坯殼加以“焊合”，起到防止拉漏的作用，所以在結晶器振動時應有一定的負滑脫時間，但過長的負滑脫時間反而會使鑄坯的表面質量變壞。在拉速一定時，負滑脫時間的長短是由結晶器振動的頻率和幅度決定的。11第十一頁，共45頁。12第十二頁，共45頁。通過Tn-f曲線可以看出，當振動頻率f較低時，振幅和拉速的變化(biànhuà)對負滑脫的影響很大，而且振動頻率的波動對負滑脫時間也有很大影響；但當振動頻率提高到一定值后，振幅、拉速、振動頻率的變化(biànhuà)對負滑脫時間幾乎沒有影響，負滑脫時間也趨于相同。隨著振動頻率提高后，負滑脫時間變短且趨于穩定，但當振動頻率提高到一定值后，振幅、拉速、振動頻率的變化(biànhuà)對負滑脫時間的影響幾乎沒有，負滑脫時間也趨于相同。因此說，振動頻率提高后，負滑脫時間變短且趨向穩定。13第十三頁，共45頁。負滑脫(huátuō)時間率NSR負滑脫時間率NSR可以定義(dìngyì)為在一個振動周期內負滑脫時間Tn與半個振動周期時間的百分比值。即NSR=(2Tn/T)×100%。由公式可以繪制不同振幅、不同拉速下的NSR-f曲線。由NSR-f曲線可知，振動頻率越高，振幅和拉速對負滑脫時間率NSR的影響越小，但NSR越大。14第十四頁，共45頁。15第十五頁，共45頁。由于負滑脫時間率是負滑脫時間與振動半周期的比率，它反映了負滑脫時間、正滑脫時間的比值大小(dàxiǎo)，所以，以負滑脫時間率NSR來判定結晶器的脫模能力是合理的，據此，結晶器的振動參數應保證較低的負滑脫時間和較高的負滑脫時間率，這種工藝要求只有在高頻振動、小振幅的情況下條件下才能得到滿足。16第十六頁，共45頁。負滑脫(huátuō)率NS由上式可知：通過控制NS可控制tN，當Vc=Va時，結晶器中的坯殼處于受拉和受壓的臨界狀態(línjièzhuànɡtài)，此時的負滑動率NS＝-36.4％。當NS＜-36.4%時，將不會出現負滑脫時間tN。17第十七頁，共45頁。在設計振動參數中，往往用負滑脫率NS作為計算的依據，這個模型廣泛應用于國內外的連鑄設計中。NS一般是給定值，如曼內斯曼（Munnesmann）的取值為20％～40％，而康卡斯特（Concast）取20％～（－20）％，故上式稱作負滑動率結晶器振動數學模型。傳統的觀念認為，負滑脫率NS是一個重要的工藝參數，其最佳值在30—35%左右，負滑脫時間(shíjiān)率NSR在55%—80%之間。基于這種認識，目前許多連鑄機仍采用NS為常值的振動模型，這時的振動頻率f與拉坯速度Vc成正比。18第十八頁，共45頁。(1)結晶器振動參數對鑄坯振痕的影響由結晶器振動在鑄坯表面形成的橫向痕跡稱為振痕。振痕深度是衡量鑄坯表面質量的重要標準之一，過深的振痕會造成鑄坯表面裂紋和成分的偏析。大量的實驗表明，振痕深度與負滑脫時間有關，負滑脫時間越短，振痕深度就越淺。縮短(suōduǎn)負滑脫時間、降低振幅和提高振動頻率均可以減少鑄坯的振痕，改善鑄坯質量19第十九頁，共45頁。負滑脫時間(shíjiān)與振痕深度之間的關系20第二十頁，共45頁。結晶器振動(zhèndòng)參數對拉速的影響研究表明，采用高頻振動有利于提高拉坯速度，而且提高拉速還有利于減少振痕。但在一定的工藝條件下，拉坯速度受到冷卻(lěngquè)速度及設備精度的限制，提高拉速將會導致拉漏率的上升。21第二十一頁，共45頁。2.2.結晶器正弦(zhèngxián)振動的特性分析目前描述負滑脫的參數較多，對于同一振幅、頻率和拉速的情況下，這些參數給出了不同的數值。但它們當中獨立的參數只有兩個：負滑動率NS和負滑脫時間tN。因為負滑脫參數直接關系到鑄坯的脫模和鑄坯的質量，所以參數NS和tN被稱為工藝參數。目前國外有關文獻報道(bàodào)，大多數的負滑脫時間取值范圍在0.1s~0.25s，認為對于不同的鋼種最佳負滑動時間為0.1s左右。至于負滑動率NS，國內外有關文獻報道(bàodào)在NS值為-20%～240%范圍內變化進行澆鑄，結果對鑄坯脫模及表面質量沒有任何不利影響。可見，對于負滑動率NS的取值范圍是很寬的，工藝參數的確定主要是確定負滑動時間。22第二十二頁，共45頁。負滑動時間(shíjiān)曲線及特點23第二十三頁，共45頁。①NS＝2.4％的等值反比雙曲線相交于負滑動時間曲線的峰值，將負滑動時間曲線族分成兩個區域。②對于任何z值都有相應的tN＝0，此點的頻率用f0表示，稱為臨界頻率。當f≤f0時不出現負滑脫。③當NS>2.4％時，負滑動時間曲線隨頻率f的增加而上升，特別是當z值較大(jiàodà)時，如z>5時，曲線急劇上升。④當NS<2.4％時，負滑動時間曲線隨頻率f的增加而下降，特別是當z值較小時，如z<5時，曲線下降得非常緩慢。24第二十四頁，共45頁。正弦(zhèngxián)振動同步控制模型（1）正弦振動同步控制模型的概念及特點拉速同頻率、振幅的對應關系稱為同步控制模型。由于振幅在生產時不便于調整，而振動頻率的調整卻可以通過調整電機轉數而輕而易舉地得到實現。所以從實際操作來講調整振動頻率還是比較(bǐjiào)實際的。當然，隨著液壓伺服振動方式的使用，使得方便地調整振幅變為可能。本文暫且討論拉速與頻率之間的同步控制模型。從本質上看，拉速—頻率同步控制模型的建立是在不同工況下對頻率的動態選擇。因此，它的建立仍然是以工藝參數tN、Ns為基礎。為了便于拉速—頻率之間對應關系的建立，可在拉速Vc和頻率f直角坐標系中繪出tN和Ns的等值曲線族。25第二十五頁，共45頁。26第二十六頁，共45頁。①全部tN曲線(qūxiàn)與Ns＝-0.024的射線交于頂點，在一定的拉速范圍內，對于任何一拉速和tN曲線(qūxiàn)都有兩個交點，它們分別對應一個高頻率和一個低頻率。這兩個頻率對應相同的負滑動時間。②全部tN、Ns曲線(qūxiàn)相交于坐標系原點0點，曲線(qūxiàn)的下部相互靠近，并重合于Ns＝-0.3634(負滑動率極限值)曲線(qūxiàn)。s值越大它們越靠近，tN值越小它們重合的線段越長，tN＝0時與Ns＝-0.3634曲線(qūxiàn)全部重合。③增大s值，可增大tN曲線(qūxiàn)在拉速Vc軸上的投影，因此可根據不同的工作拉速選擇相應的s值。27第二十七頁，共45頁。正弦(zhèngxián)振動同步控制模型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。傳統的同步控制模型為f=aVc型,式中f為振動頻率，Vc為拉坯速度，a和b為常數。這個模型曾被廣泛應用于國內外早些時候投產(tóuchǎn)的連鑄機，其主要特點是負滑脫率Ns保持為常數。28第二十八頁，共45頁。3非正弦(zhèngxián)振動運動分析與結晶器正弦振動相比，結晶器非正弦振動隨時間變化的振幅最大值有一段滯后，正是這段時間上的滯后，使結晶器上升速度較小而移動時間較長。這樣即可保證(bǎozhèng)結晶器與坯殼反向運動時，由兩者速度差決定的摩擦力小于正弦振動的摩擦力。同時，在結晶器下移過程中，非正弦振動下移速度快而移動時間短，其負滑脫時間比正弦振動時更短。這有利于進一步減小振痕深度，且在負滑脫期間，結晶器相對坯殼下移動距離等于甚至大于正弦振動時的下移距離，從而保證(bǎozhèng)對坯殼的壓合效果。29第二十九頁，共45頁。30第三十頁，共45頁。通常把結晶器非正弦振動視為結晶器正弦振動的演變，結晶器非正弦振動相對于結晶器正弦振動的改變程度用修正系數α表示(biǎoshì)。根據結晶器非正弦振動波形修正系數的定義，α取值范圍為-1—+1。α<0為早期的負滑脫振動；α=0為正弦振動；α>0為非正弦振動。31第三十一頁，共45頁。波形修正系數(xìshù)對負滑脫時間的影響32第三十二頁，共45頁。其缺點是振動機構必須與拉坯速度實行嚴格的同步(tóngbù)聯鎖，當結晶器由往下振動轉為往上運動的轉折處加速度過大，機構中會產生相當大的沖擊，因此，現已不再采用。負滑脫(huátuō)時間TN第二十四頁，共45頁。負滑脫(huátuō)時間率NSR即NSR=(2Tn/T)×100%。在所有的振動形式中，其負滑動時間與振動頻率的變化曲線(qūxiàn)，即tN--f曲線(qūxiàn)被稱為結晶器振動的負滑動特征曲線(qūxiàn)，它是選擇振動頻率的主要依據。根據正弦振動的操作實踐可知，Ns取值范圍(fànwéi)很寬，文獻報道Ns可取+18.基于這種認識，目前許多連鑄機仍采用NS為常值的振動模型，這時的振動頻率f與拉坯速度Vc成正比。本文暫且討論拉速與頻率之間的同步控制模型。f=-aVc+b控制模型。縮短(suōduǎn)負滑脫時間、降低振幅和提高振動頻率均可以減少鑄坯的振痕，改善鑄坯質量考慮到液壓伺服控制系統帶寬的限制，振動頻率的范圍應為f1<f<400min。另外，由于結晶器的運動速度是按正弦規律變化的，加速度必然按余弦規律變化，所以過度比較平穩，沖擊力也較小。負滑脫時間(shíjiān)與振痕深度之間的關系3非正弦(zhèngxián)振動運動分析此時坯殼處于受壓狀態，既有利于強制脫模又有利于斷裂坯殼的壓合。α越大，tN的零點f0及峰值點f1向左移動；反之，f0、f1向右移動，因此，對同一拉速和振幅，非正弦振動所要求的最小頻率低于正弦振動所要求的最小頻率，且兩者差值隨α的增加而增加。換句話說，就是(jiùshì)在相同振幅和頻率的條件下，非正弦振動所能允許的最大拉速大于正弦振動所允許的最大拉速。這正是結晶器非正弦振動能提高拉速的原因。因此可知，α越大越有利。但若α取值過大，則使結晶器向下運動的加速度變得很大，從而造成對設備的沖擊和工作的不平穩。若α取值太小，非正弦振動的優越性又不能充分發揮出來。根據目前的使用經驗，一般α≤40％。33第三十三頁，共45頁。（2）非正弦(zhèngxián)振動工藝參數結晶器非正弦(zhèngxián)振動具備最佳振動模型的全部特征，因此，反映該特征的全部參數即為非正弦(zhèngxián)振動的工藝參數。其工藝參數有負滑動時間tN、負滑動率Ns、負滑動時間率NSR、負滑動超前量NSA和正滑動速度差△v。

34第三十四頁，共45頁。①負滑動(huádòng)時間tN在其它參數(cānshù)為常數時，α越大，負滑脫時間越短，振痕越淺。目前，正弦振動tN的取值已從過去的0.5s減少到0.25~0.10s，甚至更短。但如tN過短將不利于脫模及拉裂坯殼的“愈合”。一般對于低碳鋼tN應不小于0.1s，而中碳鋼tN應不小于0.07~0.10s。35第三十五頁，共45頁。②負滑動(huádòng)率Ns根據正弦振動的操作實踐可知，Ns取值范圍(fànwéi)很寬，文獻報道Ns可取+18.9％~-20％。36第三十六頁，共45頁。③負滑動(huádòng)時間率NSR對于給定的α值，NSR和Ns是兩個相關量，而不是獨立的參數。因此，NSR有與Ns相對應的取值范圍。由于(yóuyú)保護渣的消耗量與tp成正比，雖然Ns、NSR的取值范圍很寬，但它們的取值應使正滑動時間tp較長為好。37第三十七頁，共45頁。④負滑動(huádòng)超前量NSA該參數為負滑動時間內結晶器相對鑄坯的位移量，它是負滑動量的綜合反映。從正弦振動的經驗(jīngyàn)看，一般NSA＝3~5mm。NSA<2~3mm時，坯殼易粘結。而NSA>5mm時，振痕加深。福山廠的5號板坯連鑄機非正弦振動的取值NSA＝3.80~5.11mm。38第三十八頁，共45頁。⑤正滑動(huádòng)速度差△v正滑動速度差△v是指結晶器向上運動速度的最大值和拉坯速度之差。在結晶器上部彎月面附近(fùjìn)，坯殼與結晶器之間的摩擦力發生在液體渣膜處。液體摩擦力ft與正滑動速度差△v與液體渣膜厚度d1成反比。因此，△v取較小值可以減小摩擦力。39第三十九頁，共45頁。3.3非正弦振動(zhèndòng)基本波形參數的確定在實際振動中，合理確定振幅、振動頻率和波形偏斜率值是獲得較好鑄坯表面質量的關鍵因素。1）振動頻率的選擇在所有的振動形式中，其負滑動時間與振動頻率的變化曲線(qūxiàn)，即tN--f曲線(qūxiàn)被稱為結晶器振動的負滑動特征曲線(qūxiàn)，它是選擇振動頻率的主要依據。tN--f曲線(qūxiàn)給出了當α＝０,0.2和0.4,vc=1.4m/min和h=2.5mm時的負滑動特征曲線(qūxiàn)。分析這些曲線(qūxiàn)的特點可知：①對于任何給定的v/h值，都有一個f=f0(圖中各條曲線(qūxiàn)的峰點)的臨界振動頻率。例如，當α＝０.2時，由tN=0可得到f0=74.3min。當f<f0時，tN不存在。此區域無法控制粘結，取f值時應避開此區域；40第四十頁，共45頁。振動(zhèndòng)頻率的選擇②在f0<f≤f1(圖中各條曲線與橫坐標的交點)區域內，tN為f的增函數