【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 器非正弦振動(dòng)裝置按照驅(qū)動(dòng)和控制方式可以分為液壓非正弦和機(jī)械非正弦 。 1 液壓非正弦 1）伺服液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的非正弦 在“九五”期間由燕山大學(xué)和第二重型機(jī)器廠合作開(kāi)發(fā)的結(jié)晶器伺服液壓系統(tǒng)，其液壓站提供壓力源，由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和控制軟件組成的監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生正弦、非正弦等波形。模擬控制系統(tǒng)由壓力差環(huán) PID2，位移環(huán) PID1 組成。 該系統(tǒng)于 1998 年 12 月應(yīng)用于新興鑄管股份 有限公司煉鋼廠的羅可普方坯連鑄機(jī)。該項(xiàng)成果獲 2021 年河北省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。 2）數(shù)字缸驅(qū)動(dòng)的非正弦 據(jù)報(bào)道億美博公司開(kāi)發(fā)了數(shù)字缸非正弦振動(dòng)裝置。 二、 機(jī)械非正弦 機(jī)械非正弦振動(dòng)是具有中國(guó)特色的一種非正弦振動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。 1） 普通電機(jī)非正弦 由普通電機(jī)驅(qū)動(dòng)的非正弦振動(dòng)裝置包括雙偏心迭加機(jī)構(gòu)、非圓齒輪機(jī)構(gòu)，反向平行四連桿機(jī)構(gòu)。雙偏心迭加非正弦。其工作原理是通過(guò)兩個(gè)正弦波迭加產(chǎn)生非正弦振動(dòng)波形。兩個(gè)曲柄 ML、 JK 非別產(chǎn)生兩個(gè)正弦波，通過(guò)兩個(gè)連桿 MN、IJ將其迭加于橫梁 NI的 H鉸鏈點(diǎn)上，然后輸出，驅(qū) 動(dòng)結(jié)晶器振動(dòng)臺(tái)使結(jié)晶器產(chǎn)生非正弦振動(dòng)。 該非正弦振動(dòng)裝置于 1998 年應(yīng)用于首鋼第二煉鋼廠 鑄機(jī)，獲 2021 年北京市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。非圓齒輪驅(qū)動(dòng)的非正弦。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，不但可以應(yīng)用于四連桿振動(dòng)裝置上，也可以用于四偏心振動(dòng)機(jī)構(gòu)中。該非正弦振動(dòng)裝置于 1999 年 8 月應(yīng)用于新興鑄管股份有限公司煉鋼分廠羅可普方坯連鑄機(jī)上，獲 2021 年河北冶金工業(yè)協(xié)會(huì)冶金科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)。現(xiàn)已推廣應(yīng)用于首鋼二煉鋼，濟(jì)鋼一煉鋼，臨鋼，河北文豐等鋼鐵公司。反向平行四連桿非正弦。該機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，運(yùn)行平穩(wěn)性好。 2） 伺服電機(jī)非正弦 11 電動(dòng)缸（伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠）非正弦。該技術(shù)是由衡陽(yáng)鐳鉬公司開(kāi)發(fā)的非正弦振動(dòng)方式。該技術(shù)的核心部件－電動(dòng)缸，即伺服電機(jī)和滾珠絲杠組成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，為國(guó)外進(jìn)口。該機(jī)構(gòu)的工作原理是：伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠交替、變轉(zhuǎn)速、正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)螺母，使結(jié)晶器振動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)非正弦振動(dòng)。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心軸非正弦。該技術(shù)是由燕山大學(xué)最新開(kāi)發(fā)的非正弦振動(dòng)技術(shù)。發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?。該非正弦振動(dòng)的工作原理是：伺服電機(jī)連續(xù)、單向、變角速度轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)偏心軸，通過(guò)連桿驅(qū)動(dòng)結(jié)晶器振動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)非正 弦振動(dòng)。 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心軸非正弦技術(shù) 。 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心軸的非正弦振動(dòng)裝置打破了結(jié)晶器機(jī)械振動(dòng)發(fā)生裝置和液壓伺服振動(dòng)發(fā)生裝置的傳統(tǒng)模式，將機(jī)械振動(dòng)發(fā)生裝置中的偏心軸連桿機(jī)構(gòu)由原普通交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)改為由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并融合液壓伺服振動(dòng)裝置中的電氣控制原理，從而創(chuàng)造出一種新型、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊的結(jié)晶器振動(dòng)發(fā)生裝置。該非正弦振動(dòng)裝置頻率、波形偏斜率均在線可調(diào)，振幅停機(jī)可調(diào)。通過(guò)在線調(diào)節(jié)波形偏斜率和振動(dòng)頻率可以獲得全部最優(yōu)的振動(dòng)工藝參數(shù)。同時(shí)該裝置具有振動(dòng)參數(shù)、鑄坯與結(jié)晶器間摩擦力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示、存儲(chǔ)和查詢功能。其中摩 擦力的檢測(cè)可以作為漏鋼預(yù)報(bào)的一種輔助手段。 該項(xiàng)技術(shù)突出的優(yōu)點(diǎn)是：投資小，裝置簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)行可靠性高，且承載能力大，抗沖擊能力強(qiáng)，維護(hù)工作量小，控制系統(tǒng)跟蹤精度高，響應(yīng)速度快。該振動(dòng)發(fā)生裝置可用于不同結(jié)構(gòu)和大小的結(jié)晶器振動(dòng)裝置，具有較廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。 結(jié)晶器振動(dòng)工藝參數(shù)分析 同步控制模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)中 ,需要著重考察幾個(gè)與結(jié)晶器液壓振動(dòng)冶金效果密切相關(guān)的重要的振動(dòng)工藝參數(shù) ,即 :負(fù)滑脫時(shí)間 tN、 保護(hù)渣消耗量 Qf 和振痕深度 dOCS。負(fù)滑脫時(shí)間即是指在振動(dòng)周期內(nèi)結(jié)晶器向下運(yùn)動(dòng)的速度 超過(guò)拉速的時(shí)間 [ 1 ],在這期間結(jié)晶器相對(duì)于鑄坯向下運(yùn)動(dòng) ,坯殼受到壓應(yīng)力作用 ,該 “壓合” 效果可彌補(bǔ)正滑脫期間坯殼受到的拉應(yīng)力作用 ,從而減小裂紋生成的可能性 ,以及使鑄坯表面的振痕變淺 ,這對(duì)于鑄坯的表面質(zhì)量是有利的。但另一方面 ,結(jié)晶器保護(hù)渣沿坯殼與結(jié)晶器壁之間的滲入量則隨著負(fù)滑脫時(shí)間的增加而減少 ,這對(duì)于鑄坯潤(rùn)滑條件和結(jié)晶器傳熱條件的改善是不利的。綜合考慮到負(fù)滑脫時(shí)間對(duì)結(jié)晶器振動(dòng)冶金效果的正負(fù)兩方面的影響效果 ,在優(yōu)化同步控制模型時(shí)應(yīng)對(duì)其目標(biāo)值進(jìn)行適當(dāng)選取 ,且對(duì)于不同的鋼種 ,還應(yīng)按鋼種特性 (特別 12 是裂紋敏感性 )來(lái)加以考慮 ,例如包晶鋼對(duì)應(yīng)的負(fù)滑脫時(shí)間目標(biāo)值即應(yīng)取得相對(duì)更小一些。負(fù)滑脫時(shí)間 tN 與振動(dòng)基本參數(shù)密切相關(guān) ,其值隨著頻率 f 的增加、 振幅 h 的減小及波形偏斜率α的增大而減小。對(duì)于各種振動(dòng)波形 ,在給定拉速、 振幅及波形偏斜率的情況下 ,均存在著一個(gè)頻率臨界值 f cr 和轉(zhuǎn)折值 f in。當(dāng) f ≤ f cr 時(shí) ,負(fù)滑脫時(shí)間不存在 ,此時(shí)無(wú)法控制粘結(jié) ,即為粘結(jié)區(qū)域 。當(dāng) f cr ≤ f ≤ f in 時(shí) ,負(fù)滑脫時(shí)間隨頻率增加而增大 ,且變化趨勢(shì)較陡 (頻率的微小變動(dòng)可引起負(fù)滑脫時(shí)間的強(qiáng)烈變化 ) ,即為非穩(wěn)定區(qū)域 ,合理的頻率值應(yīng)該避開(kāi)這兩個(gè)區(qū)域。板坯澆鑄過(guò)程中 ,結(jié)晶器保護(hù)渣添加至結(jié)晶器鋼液表面 ,保護(hù)渣熔化且沿著結(jié)晶器壁與鑄坯之間的空隙進(jìn)行滲透 ,形成液相渣層和固相渣層 [2 ]。對(duì)于冶金效果來(lái)說(shuō) ,結(jié)晶器保護(hù)渣具有兩個(gè)重要的功能 ,即 :均勻傳熱和良好潤(rùn)滑。而結(jié)晶器潤(rùn)滑情況是否良好 ,則可以采用保護(hù)渣消耗量來(lái)加以評(píng)價(jià) ,即單位面積鑄坯表面所消耗的保護(hù)渣質(zhì)量?；诜乐拐辰Y(jié)性漏鋼的考慮 ,保護(hù)渣消耗量的臨界最小值從經(jīng)驗(yàn)上可取為 0. 3 kg/ m2。 [ 3 ]保護(hù)渣消耗量 Qf 主要取決于結(jié)晶器 的振動(dòng)參數(shù)、 拉速和保護(hù)渣的性質(zhì) [4 ],通過(guò)理論計(jì)算可獲得保護(hù)渣消耗量隨結(jié)晶器振動(dòng)參數(shù)和拉速的變化關(guān)系 ,如圖 1 所示。 結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)的發(fā)展 結(jié)晶器振動(dòng)是連鑄技術(shù)的一個(gè)基本特征。 連鑄過(guò)程中，結(jié)晶器和坯殼間的相互作用影響著坯殼的生長(zhǎng)和脫膜，其控制因素是結(jié)晶器的振動(dòng)和潤(rùn)滑。連鑄在采 13 用固定結(jié)晶器澆注時(shí)，鑄坯直接從結(jié)晶器向下拉出，由于缺乏潤(rùn)滑，易與結(jié)晶器發(fā)生粘結(jié)，從而導(dǎo)致出現(xiàn)拉不動(dòng)或者拉漏事故，很難進(jìn)行澆注。結(jié)晶器振動(dòng)對(duì)于改善鑄坯和結(jié)晶器界面間的潤(rùn)滑是非常有效的，振動(dòng)結(jié)晶器的引進(jìn)，使得工業(yè)上大 規(guī)模應(yīng)用連鑄技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)?？梢哉f(shuō)，結(jié)晶器振動(dòng)是澆注成功的先決條件，是連鑄發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。近年來(lái)，冶金工業(yè)的迅速發(fā)展，要求連鑄提高拉速以增加連鑄機(jī)的生成能力，人們對(duì)結(jié)晶器振動(dòng)的認(rèn)識(shí)也在不斷深入和發(fā)展。 結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù) 結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)早期只應(yīng)用于有色金屬的澆注，由于沒(méi)有弄清與結(jié)晶器潤(rùn)滑的關(guān)系，結(jié)晶器震動(dòng)的概念也經(jīng)歷了各種變化。直到 1949 年， 西第一次將其應(yīng)用于鋼的澆注，目前就是為了有效的改善鑄坯和結(jié)晶器壁間的潤(rùn)滑條件。這一成果對(duì)于推動(dòng)連鑄技術(shù)的發(fā)展，使其從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化 應(yīng)用做出了開(kāi)拓性的發(fā)展，表 示出了連鑄結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)的發(fā)展演變情況。 從表 結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，結(jié)晶器震動(dòng)經(jīng)歷了早期的非正弦振動(dòng)到正弦振動(dòng)方式，目前又發(fā)展到非正弦方式的過(guò)程。當(dāng)然，現(xiàn)在所采用的非正弦振動(dòng)與早期的非正弦振動(dòng)雖然振動(dòng)波形同為非正弦，但其目的和實(shí)現(xiàn)方式上二者有本質(zhì)的區(qū)別。 結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程 序號(hào) 年代 發(fā)明者 振動(dòng)形式 原理或目的 1 1933 容漢斯 非正弦 3:1 模型 ,但下降時(shí)無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng) ,以保證最 高的傳熱效果 2 1949 容漢斯 非正弦 第一次將振動(dòng)結(jié)晶器應(yīng)用到鋼的連鑄中 羅 西 3 1951 薩瓦日 非正弦 振幅和頻率根據(jù)結(jié)晶器摩擦而變化的簧 吊掛式結(jié)晶器 4 1953 羅 西 非正弦 在 1:1和 1:4模型之間 ,以避免結(jié)晶器向 上運(yùn)動(dòng)時(shí)撕裂坯殼 5 1953 哈立德 非正弦 使用機(jī)械往復(fù)式 3:1 模型結(jié)晶器 ,向下運(yùn) 14 動(dòng)時(shí)有負(fù)滑脫 6 1954 薩瓦日 非正弦 應(yīng)用彈簧吊掛式結(jié)晶器加上液壓機(jī)構(gòu)的 海森堡 3:1 模型 ,在結(jié)晶器向下運(yùn)動(dòng)時(shí)有 ” 壓縮釋 放 “ 7 1957 魯斯特海爾 非正弦 用彈簧吊掛式結(jié)晶器加上液壓機(jī)構(gòu)的 Scheneider 3:1 模型 ,以避免振動(dòng) 8 1958 Signora 正 弦 以偏心機(jī)構(gòu)形成穩(wěn)定、簡(jiǎn)單的正弦波振 Caroano 動(dòng) 9 1959 Michelsen 非正弦 3:1 模型，只在向下運(yùn)動(dòng)最后階段產(chǎn)生 負(fù)滑脫以改善傳熱 10 1959 薩瓦日 非正弦 3:2 模型，降低向上運(yùn)動(dòng)的加速運(yùn)動(dòng)以盡 Morton 量避免撕裂坯殼 11 1960 茍 周 非正弦 用安裝在彈簧吊掛結(jié)晶器上的兩個(gè)疊加 Zaeytydt 的偏心機(jī)構(gòu)形成復(fù)雜的模型 12 1967 考伯爾 非正弦 ~ 的負(fù)滑脫焊合時(shí)間 13 1968 科奈爾 正 弦 55%~80%的 向下運(yùn)動(dòng)時(shí)間為負(fù)滑脫時(shí)間 14 1971 鮑 曼 正 弦 在大方坯澆注中采用高頻小振幅振動(dòng)一 減輕振痕 15 1979 Tomono 正 弦 碳含量對(duì)振痕深度的影響 16 1981 Okazaki 正 弦 第一次用 400cpm 振動(dòng)頻率的板坯連鑄 機(jī) 17 1982 沃爾夫 正 弦 在整個(gè)澆注速度范圍內(nèi)負(fù)滑脫時(shí)間 恒定 18 1984 米如 正 弦 在 f和 Vc之間呈拋物線式的同步模型 19 1984 米朱卡米 非正弦 帶液壓驅(qū)動(dòng)裝置的 1: 模型，以高速澆 注板坯 20 1985 戴維斯 正 弦 低頻小振幅高速澆注易粘結(jié)鋼種 21 1985 Mikio Suzuki 非正弦 上行時(shí)間比下行時(shí)間長(zhǎng)，用液壓伺服傳 15 動(dòng)機(jī)構(gòu)澆注板坯 22 1985 日本神戶 非正弦 液壓伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，允許在澆注期間對(duì) 制鐵 振動(dòng)波形、頻率、振幅進(jìn)行調(diào)整 23 1988 DELHAU 非正弦 液壓伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，允許在澆注期間對(duì)振動(dòng)波形、頻率、振幅進(jìn)行調(diào)整期間 24 1990 DEMAG 和 非正弦 液壓伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，允許在澆注對(duì)振動(dòng) ARVEDI 公司 波形、頻率振幅進(jìn)行調(diào)整 25 1995 奧鋼聯(lián)和 非正弦 液壓伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，允許在澆注期間 英國(guó) DAVY 公司 對(duì)振動(dòng)波形、頻率、振幅進(jìn)行調(diào)整 26 1998 李憲圭非正弦通過(guò)非圓齒輪或連桿式驅(qū)動(dòng)，對(duì)振動(dòng)波型、頻率、振幅進(jìn)行調(diào)整 ，方便簡(jiǎn)單 圖 結(jié)晶器振動(dòng)和潤(rùn)滑的關(guān)系 結(jié)晶器振動(dòng)的重要影響主要是對(duì)潤(rùn)滑和振動(dòng)痕跡形成的作用。振動(dòng)的同時(shí)要求提供結(jié)晶器潤(rùn)滑，兩者的共同作用是減少坯殼和結(jié)晶器壁間的摩擦力，以得到最好的表面質(zhì)量和防止粘結(jié)漏鋼的最佳安全性。如前所述，結(jié)晶器振動(dòng)對(duì)于改善結(jié)晶器壁間的潤(rùn)滑是非常有效的，但對(duì)于結(jié)晶器振動(dòng)如何影響結(jié)晶器保護(hù)渣的消耗和保護(hù)渣的潤(rùn)滑作用，其機(jī)理并不十分清楚。早期的研究曾提出一個(gè)負(fù)滑脫時(shí)間保護(hù)渣流入量的模型，但是隨后 的試驗(yàn)結(jié)果表明，保護(hù)渣消耗量是正滑脫時(shí)間的增函數(shù)，圖 。可見(jiàn)，對(duì)于振動(dòng)結(jié)晶器，正滑脫時(shí)間越長(zhǎng)，保護(hù)渣消耗量越大，由此也引起了大量的爭(zhēng)議。對(duì)于增加保護(hù) 16 渣消耗而言正滑脫時(shí)間和負(fù)滑脫時(shí)間是振動(dòng)周期內(nèi)的兩個(gè)必不可少的過(guò)程：正滑脫期間，結(jié)晶器相對(duì)坯殼向上運(yùn)動(dòng)。保護(hù)渣在結(jié)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(dòng)的通道被“打開(kāi)”，促進(jìn)了液渣彎月面附近流動(dòng)和聚集，由于摩擦力作用液態(tài)渣的一部分被“拔出”；負(fù)滑脫期間，結(jié)晶器相對(duì)坯殼向下運(yùn)動(dòng)，渣圈隨結(jié)晶器下移，液渣受到壓力 而向結(jié)晶器和坯殼間填充，同時(shí)，由于壓縮的作用，液渣流動(dòng)的通道被“關(guān)閉”，也部分阻礙了鋼液面上的液渣向彎月面附近流動(dòng)。結(jié)晶器周期性振動(dòng)的結(jié)果，導(dǎo)致液渣在彎月面處的流動(dòng)、聚集以及向結(jié)晶器和坯殼間填充的重復(fù)進(jìn)行，從而改善了結(jié)晶器的潤(rùn)滑狀況。當(dāng)液渣的填充成為限制性環(huán)節(jié)時(shí)，負(fù)滑脫時(shí)間反映振動(dòng)參數(shù)對(duì)保護(hù)渣消耗的影響；當(dāng)液渣供應(yīng)成為限制性環(huán)節(jié)時(shí)，則正滑脫時(shí)間反映振動(dòng)