降低板坯鑄機結晶器振動系統諧振作用的研究

摘要：文章根據生產實踐中鑄機因結晶器振動系統諧振而出現粘結抽芯和粘結漏鋼事故頻發的問題，在對結晶器四偏心振動機構的結構形式、諧振區間等內容進行調查監測和分析研究的基礎上，通過采取降低振動系統的傳動間隙、優化振動參數和操作控制避開諧振區間等措施，最終達到了降低鑄機粘結抽芯事故率和粘結漏鋼率、提高鑄坯質量的目的。

關鍵詞：結晶器振動；粘結漏鋼；諧振頻率；降低板坯鑄機

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）01-0088-03

結晶器振動既是常規連鑄的一個基本特征，也是現代連鑄機設備的關鍵部件之一，它對連鑄機的生產順行和質量提高均有著重要的影響。濟鋼一煉鋼板坯鑄機為超低頭機型，結晶器振動系統采用電機驅動板簧導向的四偏心仿弧振動形式，該類振動系統的傳動環節較多、諧振現象明顯、振動平穩性也較差。因此，結合實際生產中遇到的問題，有針對性地對結晶器振動的傳動平穩性、諧振情況和振動參數進行系統的監測和分析，通過采取降低傳動系統的間隙以提高振動的平穩性、強化整備和使用過程中的諧振檢測、優化振動參數和操作以避開諧振區間等措施，最終達到了提高結晶器振動平穩性、提高鑄坯質量和降低鑄機生產事故的目的。

一、振動系統介紹

（一）鑄機概況

R5.7/6.8/8.5/12/17/33－1500，超低頭板坯連鑄機；

鑄機長度：17m；

結晶器長度：784mm；

生產斷面：200*1400mm；

鑄機拉速：0.9～1.15m/min；

（二）振動系統

1．振動系統的形式和組成。鑄機結晶器振動是電機驅動、板簧導向的四偏心形式。該裝置是上世紀70年代前后發展起來的振動機構，屬于正弦振動方式，結晶器壁的弧線運行是借助于兩對偏心距不等的偏心輪及連桿機構來實現的。結晶器弧線運行的定中（導向）是利用三條板式彈簧，一頭連接在快速更換臺框架上，另一頭連接在振動頭恰當位置上來實現的。板式彈簧使振動臺只能作弧形擺動， 而不能產生前后左右的位移，為了緩沖結晶器的自重，快臺內外弧橫梁上分布設置了2各螺旋緩沖彈簧。

該振動系統的組成如圖1所示，由1臺電動機、1個法蘭接手、1根萬向接軸、1個快速聯軸器、1個中心減速機、2個帶法蘭的左右方向接軸、2個角部減速機、2個帶軸承的偏心軸組件構成。

1．振動電機；2．萬向接手；3．中心減速機；4．角減速機；5．偏心軸

2．工作原理。電動機將轉動通過一根帶快速聯軸器的萬向接軸傳給一臺中心減速機，從該中心減速機的左右兩側各通過一根帶法蘭接手的萬向軸，將轉動傳給各自的左（右）角部減速機，這兩個左、右角部減速機再將轉動按跟原來的運動成90°角的方向，分別傳給左（右）的一根具有兩個不同偏心量的同向偏心點的偏心軸上。左（右）偏心軸再通過各自兩個偏心軸頸上的兩個軸承及套裝在軸承座上的兩個與上部振動臺相聯接的橡膠軸承，將轉動變為有彈簧組件導向的近似圓弧的往復振動。

（三）設計振動參數

1．振幅。

外緣線處振幅±3.5mm。

2．振頻拉速關系

（1）

式中：

F——振動頻率（鑄機最大振頻設計180次/分）；

V——拉坯速度。

3．振動曲線。鑄機的振動曲線為正弦曲線。

二、存在的主要問題

1．鑄機生產過程中在某一拉速區間發現結晶器液面波動較大，液面穩定性較差。

2．鑄機在低拉速換水口后提拉速過程中，在某一拉速區間粘結幾率較大，多次造成鑄機漏鋼事故的發生，從2008年3～10月份鑄機的150次粘結抽芯、14次粘結漏鋼數據統計來看，換水口粘結抽芯占到了80%，換水口抽芯漏鋼占到了75%。

3．鑄坯角部結疤、角裂缺陷出現頻繁，鑄坯表面振痕較深，而且彎曲紊亂。

三、調查分析

對于板坯鑄機的生產來說，鑄坯角部結疤、角裂和振痕彎曲紊亂的影響因素較多，如液面波動、結晶器內鋼水流場不合理、拉速變化等，鑄機粘結抽芯的情況也是如此，但就同一鑄機、在保護渣、浸入式水口等工藝條件不變的情況下，結晶器液面的波動對鑄坯的角裂、角部結疤、粘結抽芯和粘結漏鋼均有較大影響。

結晶器液面波動的影響也比較復雜，鋼水溫度、流動性、液面自控系統對其都有影響，在板坯鑄機粘結抽芯和粘結漏鋼攻關期間，通過對數據進行統計分析，加之現場的跟蹤觀察，我們發現：

同一結晶器振動系統總是在某一區間鋼水液面不穩，而且在這個區間內出現的粘結抽芯和漏鋼次數較多，換水口前后，特別是換水口后出現粘結抽芯并且漏鋼幾率大是因為換水口拉速為0.6m/min，而鑄機的正常拉速在1.0～1.1m/min之間，也就是說，每次換水口時均需要先降拉速，換完水口后再將拉速提高正常拉速，因此，在先降后提拉速的過程中，結晶器的振動平率經過諧振區間的可能性很大，結晶器液面也不穩，因此出現了換水口前后，特別是換水口后粘結抽芯和漏鋼事故率較高的情況。

西安理工大學劉宏昭等在對板坯鑄機的四偏心板彈簧導向振動系統進行力學模型、數學模型計算求解的基礎上，計算出其在X、Y方向上的諧振情況（如圖2、圖3）。

而后得出結論，結晶器振動系統存在著復雜的諧振現象，引起結晶器振動系統復雜諧振現象的因素較多，有非線性激勵、周期時變參數激勵、剛體運動慣性力及鑄坯摩擦力等因素，從上面的圖上還可以看出，同一振動系統在不同振頻條件下的彈性位移是不一樣的，也就是說同一快臺，存在著諧振加劇的諧振區間。

湖南鐳目公司利用ANSYS分析軟件對鑄機振動臺進行數值分析后在振動諧振方面也得出了如下結論：

1．結晶器振動系統存在著明顯的諧振問題。

2．振動系統在諧振區間振動的偏擺量明顯加大，振動穩定性急劇下降。

3．同一振動系統有其固有的諧振頻率，該頻率可以通過調整結晶器本身質量、板簧的幾何尺寸及支撐方式等進行調節。

粘結抽芯和粘結漏鋼總是與結晶器的下渣和潤滑有關。結合上述有關結晶器振動系統諧振現象的調查，考慮到我廠板坯鑄機同一快臺出現粘結抽芯總是出現在拉速調整特別是拉速提高的過程中，總是在某一拉速振頻區間，而且在這個區間里鋼水液面波動總是較大，通過統計分析后認為這種換水口前后拉速調整過程中出現了粘結抽芯和粘結漏鋼主要是由于結晶器諧振造成鋼水液面波動較大而出現的。

四、相關措施

1．為了減輕彈性物件對結晶器振動臺諧振現象的加劇，將振動臺前后的四個緩沖彈簧去掉，從同一快臺去彈簧前后的監測情況來看，去掉緩沖彈簧后結晶器振動系統的諧振強度明顯降低。

2．為了降低各傳動部件之間的間隙，采取了以下措施：

（1）集中更換了鑄機在線服役時間較長的中心減速機前萬向軸，減輕間隙；

（2）加大了中心減速機和角部減速機間隙的調整力度，將減速機齒面有熱處理齒面改為硬質合金齒面，進一步降低減速機齒間隙；

（3）將角部減速機和偏心軸之間的齒連接改為膜片聯軸器連接，進一步消除傳動件之間的傳動間隙。

3．為了監測各個快臺的諧振情況，采取了以下措施：

（1）根據結晶器的內腔形狀，用薄鋼板專門制作了和結晶器形狀一樣的底部密封的水槽，并以此來模擬結晶器內的鋼水情況；

（2）在設備整備完成驗收、上線或停機檢修時均用仿結晶器水槽加水進行試驗，通過對不同振頻條件下水槽內水的晃動情況來確定結晶器振動裝置的諧振區間；

（3）將萬向聯軸器的直徑有150mm提高到170mm，提高了萬向聯軸器的強度。

4．針對用水模試驗檢測出來的諧振區間，對振頻與拉速的關系進行了優化調整，具體如下：

模型一：f= 70V+50振頻大于105次時振動不再增加；

模型二：f=70V+50 振頻大于115時振頻不再

增加；

實際生產過程中，如監測到結晶器振動臺的諧振區間在105次以上，則采用模型一，如監測到的結晶器振動臺諧振區間在115次以上，則采用模型二。

當然，如監測到的振動諧振區間在105次以下，則采用模型二，同時在拉速調整過程中將拉速控制避開諧振區間對應的拉速區間，比如，實際監測的諧振區間是92～95次，對應的拉速是0.6～0.65m/min，則在無論是提拉速還是降拉速過程中，均不使拉速在0.6～0.65m/min這個區間停留。

通過以上措施的采取，減小了結晶器諧振的強度，同時在實際生產過程中避開了振動系統的諧振區間，有效減輕了結晶器振動系統諧振對鑄機粘結的

影響。

五、改進效果

自從采取以上措施以后，鑄機的粘結抽芯明顯得到改善，2008年11、12月和2009年1月份三個月，三臺鑄機累積粘結抽芯11次，并且無粘結漏鋼事故的發生，由此可見，通過以上措施的采取，板坯鑄機粘結抽芯和漏鋼事故得到了很好的控制。

六、結語

1．板坯鑄機電機驅動、機械傳動和板簧導向的四偏心振動系統存在著明顯的諧振區間，在這個諧振區間內結晶器液面波動大，波動無規律，這種波對結晶器保護渣的熔化、潤滑產生了較大影響，容易導致鑄機的粘結抽芯和粘結漏鋼事故。

2．系統內彈性部件越多，這種諧振情況越嚴重，對鑄機生產和質量的影響也越大。

3．通過采取改進連接方式、提高整備質量來消除傳動間隙，通過水模試驗來監測諧振區間、參數優化和操作控制來避開諧振區間，對于防止結晶器振動系統諧振造成的粘結抽芯和粘結漏鋼事故效果

顯著。

參考文獻

[1] 盛義平，劉劍平，張興中．結晶器正弦振動參數的優化[J]．鋼鐵，1994，29（6）.

[2]田艷翔．現代連鑄新工藝、新技術與鑄坯質量控制[M]．北京：當代中國音像出版社，2004.

[3]劉宏昭，王建平，等．連鑄機振動系統動態性能分析及其諧振現象研究[J]．機械工程學報，2002，38（3）.

[4]李憲奎，張德明．連鑄結晶器振動技術[M]．北京：冶金工業出版社，2000．

作者簡介：崔美棠（1973-），女，遼寧海城人，濟鋼寬厚板廠技術科助理工程師，研究方向：煉鋼工藝技術管理。

（責任編輯：趙秀娟）