連鑄機振動參數的優化

周永椗

（韶鋼松山股份有限公司，廣東 韶關 512000）

當前，連鑄生產技術關注的焦點是如何保證鑄坯質量，并在此基礎上保證生產效率。連鑄機自身運行狀態會對鑄坯質量與作業率產生影響，因此必須隨時監測連鑄機的運行狀態，從而保證企業生產效益，提升連鑄生產信息化管理水平。連鑄工序中的結晶器振動具有一定的復雜性，其中表面粗糙、振痕、漏鋼等缺陷的產生，與很多因素相關，例如鋼種、保護渣、冷卻措施、振動大小等，該文結合多因素進行綜合分析，保證生產質量。實踐表明，如果針對某單因素缺少控制，很難實現最優，如振動參數的不合理，保護渣滿足理化指標也會變得困難，不能有效降低漏鋼的發生概率；該文對連鑄機振動參數優化進行分析。

1 常規振動參數確定的原則及分析

為了防止坯殼被銅壁黏附，必須確保坯殼與模具之間的有效滑動，而實現這功能的措施就是利用結晶器振動裝置的上下往復運動。在與保護渣協作下，結晶器與坯殼間的潤滑體現良好。值具體的連鑄制作中，如果其他條件不變，那么不同的振動公式也會計算出不同的鑄機碾連概率[1]。當前情況下，正弦和非正弦振動波被廣泛運用，非正弦系數、振幅以及振動頻率構成可控振動參數，促進不同的正滑移時間、負滑移時間以及負滑移率的實現。相關計算公式如下。負滑移時間、振動范圍、拔出速比與振動頻率的關系曲線如圖1所示。

式中：tN-負滑脫時間/s，f-振動頻率/min-1，h-振動行程/mm-1；Vc-拉速/（m·min-1）；振動平均速度/（m·min-1）；Va-最大振動速度/（m·min-1）；NS-負滑脫率。

觀察圖1不難發現，因為逐漸變小的Z值，必須不斷增加振動頻率完成負滑移。為了確保負滑移時間相同，Z值變大，頻率也會升高；最長的負滑移時間出現在2.4%負滑移率時。如果負滑移率超過于20%，負滑移時間隨頻率變化劇烈。當負滑移時間小于-20%時，負滑移時間隨頻率的增加而顯著縮短。所以，負滑移率有很大的選擇空間。一般情況下，最好圍繞負滑移時間最長的區域，即-20%～20%。負滑移時間與振痕深度有關，需要控制在0.1s～0.2s。在制定振動公式時，可調整振幅，使Z值隨拉拔速度的增加而逐漸縮小。這樣，微調振動頻率可以確保負滑移時間在小范圍內穩定波動。負滑移行程應控制在3mm～5mm。如果它太小，很容易導致黏合。

從圖1還可以看出，為了滿足高拉拔速度下的負滑移時間要求，必須采用降低頻率和增加振動范圍的方式。即使如此，隨著拉拔速度的不斷提高，負滑移時間大于0.1s的要求也無法滿足。而對連鑄連軋生產線的高速連鑄機，如連鑄機配套的CSP（緊湊型帶鋼生產）和ESP（無頭帶鋼生產）生產線，對板坯振動痕深度提出了更高的要求。此外，所使用的模具為漏斗形。如果振幅較大，則容易擠壓結晶器中的鋼水，導致液位波動過大。因此，采用小振幅，Z值為1.5，要求振動頻率高，負滑移時間一般控制在0.05s，負滑移行程小于1mm，這兩項指標均不符合常規要求。可以看出，采用負滑移率、負滑移時間和負滑移行程作為控制指標來調整振動參數，不能很好地滿足不同工況的要求。

圖1 負滑脫時間、振頻關系曲線

2 連鑄機振動參數優化

該文將對小方坯連鑄機的特點進行詳細分析，充分考慮振動設施的構成、性能、存在的問題，分析了振幅、頻率、負滑脫時間等參數影響鑄坯質量的程度。針對小方坯生產的特點，全面探討了選擇振幅、選擇振頻以及拉速匹配之間的內在聯系，以此優化小方坯加工的振動參數。

2.1 連鑄機振動裝置簡述

某鋼軋廠結合鋼材軋制的需要進行小方坯連鑄機的有效配置，采用低幅高頻振動可以控制振動痕跡的深度，有效防止橫向裂紋的產生，提高板坯表面質量。因此，連鑄機結晶器振動裝置必須滿足以下要求：振動臺應嚴格按照要求的振動曲線移動；振動裝置傳遞給各部件的應力應均勻；能滿足高頻、低振幅的要求，調節方便；易于拆卸和更換。表1表現的是振動裝置性能和構成部件。連鑄坯產品規格為190mm×170mm、165mm×165mm，定尺范圍8m～12m。

表1 小方坯連鑄機振動裝置組成及性能

小方坯連鑄結晶器振動裝置的結構和特點如下：1）半板簧克服了四桿機構鉸點位置誤差對振動機構軌跡偏差的影響；2） 該機座結構簡單，質量輕，在土建施工中可以節省材料；3） 增加過載保護彈簧裝置。當異物落入連桿并導致連桿卡住時，電機扭矩增加超過彈簧預載，彈簧被迫壓縮，拉桿頭與連桿分離，電機將在設計扭矩范圍內旋轉，以保護電機。4） 傳動采用雙偏心機構，實現±1mm、±3mm、±4mm、±5mm的多檔低幅正弦振動，通過旋轉偏心套調整振幅，調整方便。5） 采用變頻電機作為動力源，振動頻率高達360r/min。6）將振動臺和結晶器的重心置于連桿鉸點外弧處，使板簧始終處于張緊狀態，結晶器的重量和拉坯阻力由連桿承擔，保證振動的穩定性。

在生產的開始階段，調理振幅不合理，導致漏鋼事故時有發生；就算是穩定運行后，也會出現不規則的振痕以及深度程度大等問題。因此實施了很多的技術改造以解決相關問題。

2.2 機械設備的校準

振動裝置開始工作后，磨合是必不可少的，很多因素會導致偏擺現象的發生，例如大幅度變化的溫度、應力釋放、拉坯阻力的變化、緊固件松動。一旦偏擺問題產生，鑄坯四個面會呈現差異性的振痕，并且出現不規則的形狀，不僅會造成漏鋼事故，更能夠造成鑄坯表面的裂紋缺陷，嚴重影響生產工序和產品質量。因此，對結晶器振動設置的檢測是必要的。檢測的方式包括百分表檢測、杯水檢測、分幣檢測等[2]。結合現場的條件，檢測振動狀況結果更精細的為百分表，務必在0.1mm的范圍內進行橫向與縱向的擺動。一旦振動裝置偏擺度不符合設計標準，便要采取相關的措施進行糾正，包括對板簧的調整、對緩沖器的調節等。同時，為了確保鑄坯表面均勻的振痕，必須對振動裝置進行定期校準。

2.3 振動參數優化

一般情況下，鑄坯表面的振痕和橫裂紋呈現共生性的特點，只有先解決振痕深度才能夠減少橫裂紋。如果是穩定的設備運行，振痕與相關的振動參數息息相關，包括振幅、波形、負滑時間、振動頻率等。機械振動會在連鑄機的運行中產生，會呈現正弦波形的振動波形，根本無法改變，因此，有必要對負滑脫時間、振幅、振動頻率進行合理調整，按照實際狀態對振動參數影響連鑄表面質量的程度進行評估。結果顯示，振痕的深淺取決于振幅的大小；具體地說，振幅頻率越大負滑脫時間就越短，振痕也相應變淺[2]。

2.3.1 振幅的優化選擇

基于振動裝置，結晶器進行了三種振幅的設計，數據分別為±3mm、±4mm、±5mm，對三種振幅的可靠性進行驗證，可利用不同振頻環境進行三種振幅的試驗，數據見表2。

通過表2不難看出，相同頻率環境中，振幅的大小與負滑脫消耗時間的長短成正比例，這種規律導致振幅越淺，相反的情況下會振痕越深。因此，保護渣吸入量的大小取決于振幅的大小，連鑄坯的脫殼與結晶器銅管潤滑導致黏結性漏鋼的機率增加。很大的振幅會延長負滑脫的時間，形成難以控制的大偏擺，鑄坯表面的橫裂紋是振痕深造成的，造成拉斷事故發生[3]。通過各種因素的分析可以確定±4mm振幅能夠滿足加工需求。此振幅下連鑄坯的表面如圖2所示。

表2 3種振幅生產效果對比

通過圖2可知，保證振痕間距最小的振幅是3mm時；在4mm振幅情況下，呈現非常淺的振痕且可以保證均勻的間距；可如果是5mm的振幅，振痕會很深，并且表現很大的偏擺。

圖2 振幅不同情況下的鑄坯表面現象

2.3.2 振頻的優化選擇

因為不匹配的設備性能，額定為1500r/min的電機轉速，基于i=4.5的減速機速比，可以在0次 /min～333 次 /min設定振動裝置頻率。在澆鑄中生產節奏會帶動拉速變化。而拉速變化會 引發工藝參數的變化，對鑄坯的脫模與鑄坯表面質量造成不良的影響[3]。為了確保生產工藝參數穩定，如果改變拉速，也要對振動參數進行同步調整，必須確保兩者間呈現正比線性關系。

綜合相關文獻，并對業界企業的生產經驗進行借鑒，最佳的負滑脫時間可設定為0.25s左右，如此設置能夠保證鑄坯表面的質量，并且可以穩定連鑄生產的效率。振頻與拉速關系的確定可以通過目標反推法完成。變頻器頻率=0.25s（負滑脫時間）/100×拉速×1000/4×振幅，在正常的拉速情況下，務必保證振動裝置負滑脫時間限制在0.25s以內。因為開澆采用很低的拉速，低振頻能導致黏結拉漏，所以，如果低于0.3m/min的拉速，那么就要確保40次/min的振頻。如果為333次/min的設備極限頻率，考慮到保護設備的需要，一旦超過300次/min的振頻，拉速變化時，都能夠確保300次/min以上的振頻。正常條件不同鋼種的拉速范圍為1.5 m/min～3.6m/min。實踐表明該匹配關系可以滿足生產的實際需要，如圖3。

圖3 拉速和振頻的匹配關系

控制振動參數可以借助振動參數模型完成，在拉速穩定的區域，皆可保持良好的振動頻率的線性關系，也可以保證連鑄坯的振痕。對各類鋼種加工過程進行分析可知，如果振動參數條件相同，低碳鋼的振痕比高碳鋼深一些[4]。

目前在加工連鑄的過程中，對產品表面的質量要求極高，而影響連鑄表面質量的就是振痕。結晶器振動負滑脫時間是振痕產生的關鍵影響因素。在提升拉速的過程中，選擇振動參數時，要選擇合理的負滑脫時間。

3 結論

該文結合連鑄機的特點，提出的方法可以有效地辨識連鑄機的運行狀態，解決了現有技術中連鑄機的振動不穩定會對鑄坯質量產生影響的問題，能夠快速判斷連鑄機是否處于最佳運行狀態，可為實際連鑄生產提供指導。該文確定了振幅、振頻、拉速匹配存在的關系，有效優化設置了小方坯的振動工藝參數，可以結合不同的鋼種，保證所選拉速具有最佳效果，并且工藝中應用新技術顯著提升了產品表面的質量。