周永椗

（韶鋼松山股份有限公司，廣東 韶關(guān) 512000）

當(dāng)前，連鑄生產(chǎn)技術(shù)關(guān)注的焦點是如何保證鑄坯質(zhì)量，并在此基礎(chǔ)上保證生產(chǎn)效率。連鑄機自身運行狀態(tài)會對鑄坯質(zhì)量與作業(yè)率產(chǎn)生影響，因此必須隨時監(jiān)測連鑄機的運行狀態(tài)，從而保證企業(yè)生產(chǎn)效益，提升連鑄生產(chǎn)信息化管理水平。連鑄工序中的結(jié)晶器振動具有一定的復(fù)雜性，其中表面粗糙、振痕、漏鋼等缺陷的產(chǎn)生，與很多因素相關(guān)，例如鋼種、保護渣、冷卻措施、振動大小等，該文結(jié)合多因素進行綜合分析，保證生產(chǎn)質(zhì)量。實踐表明，如果針對某單因素缺少控制，很難實現(xiàn)最優(yōu)，如振動參數(shù)的不合理，保護渣滿足理化指標(biāo)也會變得困難，不能有效降低漏鋼的發(fā)生概率；該文對連鑄機振動參數(shù)優(yōu)化進行分析。

1 常規(guī)振動參數(shù)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(xiàn)這功能的措施就是利用結(jié)晶器振動裝置的上下往復(fù)運動。在與保護渣協(xié)作下，結(jié)晶器與坯殼間的潤滑體現(xiàn)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(dāng)前情況下，正弦和非正弦振動波被廣泛運用，非正弦系數(shù)、振幅以及振動頻率構(gòu)成可控振動參數(shù)，促進不同的正滑移時間、負(fù)滑移時間以及負(fù)滑移率的實現(xiàn)。相關(guān)計算公式如下。負(fù)滑移時間、振動范圍、拔出速比與振動頻率的關(guān)系曲線如圖1所示。

式中：tN-負(fù)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(fù)滑脫率。

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

從圖1還可以看出，為了滿足高拉拔速度下的負(fù)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(fù)滑移時間大于0.1s的要求也無法滿足。而對連鑄連軋生產(chǎn)線的高速連鑄機，如連鑄機配套的CSP（緊湊型帶鋼生產(chǎn)）和ESP（無頭帶鋼生產(chǎn)）生產(chǎn)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(jié)晶器中的鋼水，導(dǎo)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(fù)滑移時間一般控制在0.05s，負(fù)滑移行程小于1mm，這兩項指標(biāo)均不符合常規(guī)要求?？梢钥闯觯捎秘?fù)滑移率、負(fù)滑移時間和負(fù)滑移行程作為控制指標(biāo)來調(diào)整振動參數(shù)，不能很好地滿足不同工況的要求。

圖1 負(fù)滑脫時間、振頻關(guān)系曲線

2 連鑄機振動參數(shù)優(yōu)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(shè)施的構(gòu)成、性能、存在的問題，分析了振幅、頻率、負(fù)滑脫時間等參數(shù)影響鑄坯質(zhì)量的程度。針對小方坯生產(chǎn)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(nèi)在聯(lián)系，以此優(yōu)化小方坯加工的振動參數(shù)。

2.1 連鑄機振動裝置簡述

某鋼軋廠結(jié)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(chǎn)生，提高板坯表面質(zhì)量。因此，連鑄機結(jié)晶器振動裝置必須滿足以下要求：振動臺應(yīng)嚴(yán)格按照要求的振動曲線移動；振動裝置傳遞給各部件的應(yīng)力應(yīng)均勻；能滿足高頻、低振幅的要求，調(diào)節(jié)方便；易于拆卸和更換。表1表現(xiàn)的是振動裝置性能和構(gòu)成部件。連鑄坯產(chǎn)品規(guī)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(jié)晶器振動裝置的結(jié)構(gòu)和特點如下：1）半板簧克服了四桿機構(gòu)鉸點位置誤差對振動機構(gòu)軌跡偏差的影響；2） 該機座結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，在土建施工中可以節(jié)省材料；3） 增加過載保護彈簧裝置。當(dāng)異物落入連桿并導(dǎo)致連桿卡住時，電機扭矩增加超過彈簧預(yù)載，彈簧被迫壓縮，拉桿頭與連桿分離，電機將在設(shè)計扭矩范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以保護電機。4） 傳動采用雙偏心機構(gòu)，實現(xiàn)±1mm、±3mm、±4mm、±5mm的多檔低幅正弦振動，通過旋轉(zhuǎn)偏心套調(diào)整振幅，調(diào)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(jié)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(tài)，結(jié)晶器的重量和拉坯阻力由連桿承擔(dān)，保證振動的穩(wěn)定性。

在生產(chǎn)的開始階段，調(diào)理振幅不合理，導(dǎo)致漏鋼事故時有發(fā)生；就算是穩(wěn)定運行后，也會出現(xiàn)不規(guī)則的振痕以及深度程度大等問題。因此實施了很多的技術(shù)改造以解決相關(guān)問題。

2.2 機械設(shè)備的校準(zhǔn)

振動裝置開始工作后，磨合是必不可少的，很多因素會導(dǎo)致偏擺現(xiàn)象的發(fā)生，例如大幅度變化的溫度、應(yīng)力釋放、拉坯阻力的變化、緊固件松動。一旦偏擺問題產(chǎn)生，鑄坯四個面會呈現(xiàn)差異性的振痕，并且出現(xiàn)不規(guī)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(yán)重影響生產(chǎn)工序和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，對結(jié)晶器振動設(shè)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(jié)合現(xiàn)場的條件，檢測振動狀況結(jié)果更精細的為百分表，務(wù)必在0.1mm的范圍內(nèi)進行橫向與縱向的擺動。一旦振動裝置偏擺度不符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，便要采取相關(guān)的措施進行糾正，包括對板簧的調(diào)整、對緩沖器的調(diào)節(jié)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(zhǔn)。

2.3 振動參數(shù)優(yōu)化

一般情況下，鑄坯表面的振痕和橫裂紋呈現(xiàn)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(wěn)定的設(shè)備運行，振痕與相關(guān)的振動參數(shù)息息相關(guān)，包括振幅、波形、負(fù)滑時間、振動頻率等。機械振動會在連鑄機的運行中產(chǎn)生，會呈現(xiàn)正弦波形的振動波形，根本無法改變，因此，有必要對負(fù)滑脫時間、振幅、振動頻率進行合理調(diào)整，按照實際狀態(tài)對振動參數(shù)影響連鑄表面質(zhì)量的程度進行評估。結(jié)果顯示，振痕的深淺取決于振幅的大?。痪唧w地說，振幅頻率越大負(fù)滑脫時間就越短，振痕也相應(yīng)變淺[2]。

2.3.1 振幅的優(yōu)化選擇

基于振動裝置，結(jié)晶器進行了三種振幅的設(shè)計，數(shù)據(jù)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(huán)境進行三種振幅的試驗，數(shù)據(jù)見表2。

通過表2不難看出，相同頻率環(huán)境中，振幅的大小與負(fù)滑脫消耗時間的長短成正比例，這種規(guī)律導(dǎo)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(jié)晶器銅管潤滑導(dǎo)致黏結(jié)性漏鋼的機率增加。很大的振幅會延長負(fù)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(fā)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(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)很大的偏擺。

圖2 振幅不同情況下的鑄坯表面現(xiàn)象

2.3.2 振頻的優(yōu)化選擇

因為不匹配的設(shè)備性能，額定為1500r/min的電機轉(zhuǎn)速，基于i=4.5的減速機速比，可以在0次 /min～333 次 /min設(shè)定振動裝置頻率。在澆鑄中生產(chǎn)節(jié)奏會帶動拉速變化。而拉速變化會 引發(fā)工藝參數(shù)的變化，對鑄坯的脫模與鑄坯表面質(zhì)量造成不良的影響[3]。為了確保生產(chǎn)工藝參數(shù)穩(wěn)定，如果改變拉速，也要對振動參數(shù)進行同步調(diào)整，必須確保兩者間呈現(xiàn)正比線性關(guān)系。

綜合相關(guān)文獻，并對業(yè)界企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)驗進行借鑒，最佳的負(fù)滑脫時間可設(shè)定為0.25s左右，如此設(shè)置能夠保證鑄坯表面的質(zhì)量，并且可以穩(wěn)定連鑄生產(chǎn)的效率。振頻與拉速關(guān)系的確定可以通過目標(biāo)反推法完成。變頻器頻率=0.25s（負(fù)滑脫時間）/100×拉速×1000/4×振幅，在正常的拉速情況下，務(wù)必保證振動裝置負(fù)滑脫時間限制在0.25s以內(nèi)。因為開澆采用很低的拉速，低振頻能導(dǎo)致黏結(jié)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(shè)備極限頻率，考慮到保護設(shè)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(guān)系可以滿足生產(chǎn)的實際需要，如圖3。

圖3 拉速和振頻的匹配關(guān)系

控制振動參數(shù)可以借助振動參數(shù)模型完成，在拉速穩(wěn)定的區(qū)域，皆可保持良好的振動頻率的線性關(guān)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(shù)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(chǎn)品表面的質(zhì)量要求極高，而影響連鑄表面質(zhì)量的就是振痕。結(jié)晶器振動負(fù)滑脫時間是振痕產(chǎn)生的關(guān)鍵影響因素。在提升拉速的過程中，選擇振動參數(shù)時，要選擇合理的負(fù)滑脫時間。

3 結(jié)論

該文結(jié)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(tài)，解決了現(xiàn)有技術(shù)中連鑄機的振動不穩(wěn)定會對鑄坯質(zhì)量產(chǎn)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(tài)，可為實際連鑄生產(chǎn)提供指導(dǎo)。該文確定了振幅、振頻、拉速匹配存在的關(guān)系，有效優(yōu)化設(shè)置了小方坯的振動工藝參數(shù)，可以結(jié)合不同的鋼種，保證所選拉速具有最佳效果，并且工藝中應(yīng)用新技術(shù)顯著提升了產(chǎn)品表面的質(zhì)量。