徐偉

（武漢大西洋連鑄設(shè)備工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430000）

時代變化的過程中，連鑄技術(shù)呈現(xiàn)先進(jìn)性和多樣性，連鑄生產(chǎn)中可采用的新工藝、新設(shè)備越來越多，為符合人們對產(chǎn)品的需求，企業(yè)需結(jié)合自身情況，不斷優(yōu)化工藝流程，選配新型設(shè)備。結(jié)晶器振動裝置易引發(fā)鑄坯表面的質(zhì)量問題，為減少這一方面的問題，生產(chǎn)期間相關(guān)人員需尤其關(guān)注結(jié)晶器振動裝置的動態(tài)特性，在此前提下進(jìn)行必要的改進(jìn)，以提高生產(chǎn)效率、質(zhì)量。目前行業(yè)內(nèi)在連鑄機(jī)結(jié)晶器振動裝置的動態(tài)特性方面展開了大量的研究，未來需持續(xù)在這一方面展開研究與分析，為工藝改進(jìn)提供借鑒。

1 連鑄機(jī)結(jié)晶器振動裝置的基本概述

連鑄生產(chǎn)過程具有復(fù)雜性、專業(yè)性，在整個生產(chǎn)過程中的技術(shù)要求高。結(jié)晶器振動裝置具有不可替代性，從生產(chǎn)的全過程來看，通過配備和操作該裝置，能預(yù)防拉坯時坯殼與結(jié)晶器之間的黏結(jié)，確保鑄坯表面質(zhì)量達(dá)到相應(yīng)規(guī)定。結(jié)晶器呈現(xiàn)向上運動的狀態(tài)時，因為有振動裝置，新生坯殼與銅板黏結(jié)問題得以緩解，也能避免坯殼上應(yīng)力過度集中或者過大，對預(yù)防鑄坯表面的裂紋相對有效。如結(jié)晶器呈向下運動狀態(tài)，由于存在摩擦作用力，能同步給坯殼施加壓力，自動修復(fù)結(jié)晶器向上時拉出的裂痕。但需尤其注意，向下運動的速度必須超過拉坯速度，構(gòu)成負(fù)滑脫。結(jié)晶器銅板與運動坯殼之間有摩擦力，在此摩擦作用下可能導(dǎo)致坯殼上的裂紋，在后續(xù)澆注作業(yè)中，也需考慮摩擦力大小來調(diào)整澆注速率。初生坯殼與結(jié)晶器銅板之間有液體渣膜，該部位雖同樣存在一定的摩擦力，但依據(jù)其作用情況，屬于黏滯摩擦，也就是說，摩擦力與相對運動速度之間為正向變化關(guān)系，而渣膜黏度與渣膜厚度之間為反比。綜合上述分析，如結(jié)晶器振動裝置處于正滑脫條件，摩擦力會對坯殼產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，如此應(yīng)力超出了坯殼自身的可承受極限，在表面將出現(xiàn)或大或小的裂紋。因此，實際的工作中相關(guān)人員需分析連鑄機(jī)結(jié)晶器振動裝置的動態(tài)特性，在此基礎(chǔ)上減小上述摩擦力作用，保障鑄坯表面質(zhì)量。

結(jié)晶器非正弦振動尚未出現(xiàn)之前，大部分連鑄機(jī)結(jié)晶器振動裝置均為機(jī)械式結(jié)構(gòu)，這類型裝置在運行過程中由直流電動機(jī)驅(qū)動，使裝置進(jìn)入運行狀態(tài)，借助萬向聯(lián)軸器，在兩端轉(zhuǎn)動2個渦輪減速機(jī)，但兩端構(gòu)成不同，一端配備有可調(diào)節(jié)軸套，渦輪減速機(jī)后可由萬向聯(lián)軸器輔助，與兩個滾動軸承的偏心軸可靠連接，每個偏心輪部位配備有曲柄，該曲柄有滾動軸承，此軸承的振動連桿能起到支撐作用，增強(qiáng)振動臺結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，并同步引發(fā)或大或小的振動現(xiàn)象。機(jī)械振動屬于正弦曲線振動，振動期間的波形、振幅在任何情況下都無波動。以某企業(yè)為例，其結(jié)晶器振動系統(tǒng)為機(jī)械驅(qū)動，具有一系列不足：振動力從兩點逐步傳給結(jié)晶器，整個傳力更為復(fù)雜，不能遵循均勻性規(guī)定；在高頻振動條件下，無法維持相對平穩(wěn)的運行狀態(tài)，無論處于高頻還是低頻狀態(tài)，振動導(dǎo)向與實際的偏差都相對較大；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳力流程多，后續(xù)的對中調(diào)整、維護(hù)工作量大且操作不易；控制效率低且可靠性不足，受外部因素干擾大，無法長時間保持穩(wěn)定的振動波形條件；不能根據(jù)需求調(diào)整振動曲線，不具備在線設(shè)置振動波形功能。

2 結(jié)晶器振動裝置的動態(tài)性能

2.1 設(shè)備故障率高，維護(hù)工作量大

此連鑄機(jī)結(jié)晶器振動裝置為機(jī)械振動，主要構(gòu)成部分為電機(jī)、減速機(jī)、傳動軸、偏心裝置。隨著該裝置使用時間的延長，將伴隨著一定的機(jī)械磨損現(xiàn)象，不利于保障裝置的運行可靠性。依據(jù)實際情況，在長期運行中該設(shè)備的振動均勻性不足，偏擺較大，液面頻繁變化，忽高忽低，如未及時處理這一故障，隨著生產(chǎn)作業(yè)的實施可能發(fā)生漏鋼現(xiàn)象，導(dǎo)致鑄機(jī)運行中的風(fēng)險增大，不利于提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。為此，當(dāng)鑄機(jī)停澆以后，企業(yè)選派專業(yè)人員來檢查設(shè)備的間隙，并從安全性與可靠性角度適當(dāng)調(diào)整間隙。另外，考慮到設(shè)備使用過程中有維護(hù)要求，振動裝置每間隔一段時間應(yīng)檢修，更換裝置中的損壞、老舊零部件，但在此檢修過程中，每次停機(jī)時間長達(dá)24h，停機(jī)時間長且維護(hù)工作量大，給生產(chǎn)帶來了負(fù)面影響。

2.2 不具備在線調(diào)整功能

正弦振動振幅長時間保持穩(wěn)定狀態(tài)，幾乎無任何變化，振動曲線也不變，在連鑄作業(yè)中無法以鋼種、澆注溫度、澆注速度等為依據(jù)，合理調(diào)整振動曲線及振幅，生產(chǎn)中的靈活性、便捷性不高，常常面臨諸多的生產(chǎn)難題。此外，隨著裝置運行時間的延長，其精度顯著降低，控制模塊無法利用既有信號、數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)振動參數(shù)，結(jié)晶器振動裝置的振幅、負(fù)滑脫時間、正滑脫時間等難以達(dá)到實際的生產(chǎn)需求，隨著生產(chǎn)作業(yè)的持續(xù)開展，出現(xiàn)黏結(jié)漏鋼、夾渣漏鋼等現(xiàn)象的概率較高。總之，機(jī)械振動裝置存在功能缺陷，主要表現(xiàn)在無法實現(xiàn)振頻、振幅的在線實時調(diào)整，在面臨連鑄鋼種、拉速等情況下，裝置無法立即調(diào)整，還需立即停機(jī)調(diào)整偏心機(jī)構(gòu)，調(diào)整流程復(fù)雜且響應(yīng)速度慢。

2.3 偏心機(jī)構(gòu)磨損大，設(shè)備精度偏低

當(dāng)連鑄機(jī)結(jié)晶器振動裝置投入使用后，隨著使用時間的延長，偏心機(jī)構(gòu)將出現(xiàn)越來越嚴(yán)重的損耗現(xiàn)象，而此現(xiàn)象如未及時調(diào)整，將在無形中降低設(shè)備精度，不利于連鑄作業(yè)的順利實施。

3 結(jié)晶器振動裝置的改造

3.1 電動缸非正弦振動系統(tǒng)

3.1.1 工作原理

電動缸非正弦振動系統(tǒng)迎合了現(xiàn)代化生產(chǎn)的需求，為與當(dāng)下的行業(yè)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)相一致，在其中不僅包含原有技術(shù)，更融入了現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)、數(shù)字交流伺服控制技術(shù)，在這些技術(shù)的支持下，系統(tǒng)具備自動化控制功能，可由計算機(jī)軟件產(chǎn)生控制板坯結(jié)晶器振動的波形曲線，這一過程中幾乎不需要人工控制與操作。參考當(dāng)下生產(chǎn)中的工藝規(guī)定，給既定函數(shù)的各個變量取值，參考其他已知量控制結(jié)晶器上下振動情況，確保振動波形的頻率、振幅、負(fù)滑脫時間、正滑脫時間等符合相應(yīng)的規(guī)定，形成完全適用的結(jié)晶器振動軌跡。

3.1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

電動缸非正弦振動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成較為簡單，除了機(jī)械部分就是電控部分。機(jī)械部分在原有振動臺基礎(chǔ)上進(jìn)行了些微改造，振動框架與底座維持原狀，在振動臺的內(nèi)外弧位置安裝電動缸，此改造步驟完成后，電動缸能作為振動動力源，驅(qū)動振動臺。振動臺的內(nèi)外弧、左右側(cè)弧位置都分別有一組板簧，在裝置運行過程中板簧能正常導(dǎo)向。振動臺附件裝置中包含潤滑管、氣管、水管、緩沖彈簧等。電控部分包含驅(qū)動器、工控機(jī)、PLC設(shè)備、控制軟件，在系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)時，計算機(jī)計算得到與工藝要求完全相匹配的波形，再經(jīng)由合成軟件實現(xiàn)波形的數(shù)字化處理，得到的結(jié)果再反饋給運動控制器，PLC模塊依據(jù)拉速信號、操作箱上的開關(guān)信號將有關(guān)結(jié)果上傳給工控機(jī)、運動控制器，驅(qū)動器進(jìn)一步轉(zhuǎn)化信號最后輸出給電動缸，由電動缸完成上下振動的調(diào)節(jié)與控制。

3.1.3 電動缸類型及其特點

連鑄機(jī)結(jié)晶器電動缸振動裝置主要由電動缸、連桿組、振動臺等組成。其中，電動缸通過電機(jī)驅(qū)動，產(chǎn)生往復(fù)直線運動；連桿組將電動缸運動傳遞到振動臺上。

連鑄機(jī)結(jié)晶器電動缸振動裝置的原理是利用電動缸的往復(fù)直線運動產(chǎn)生振動力，進(jìn)而影響結(jié)晶器表面的結(jié)晶凝固過程。電動缸的往復(fù)運動使得連桿組帶動振動臺作直線振動，從而在結(jié)晶器內(nèi)造成脈動效應(yīng)。其工藝特性如下：（1）提高結(jié)晶器性能，連鑄機(jī)結(jié)晶器電動缸振動裝置通過振動力的作用，能夠調(diào)節(jié)結(jié)晶器內(nèi)的流體流動狀態(tài)，改善結(jié)晶凝固過程，提高結(jié)晶器的性能和產(chǎn)品質(zhì)量。（2）優(yōu)化結(jié)晶形貌，振動裝置可以改善結(jié)晶器內(nèi)的結(jié)晶形貌，使其更加均勻、細(xì)致，減少晶粒的夾雜物和缺陷，提高金屬產(chǎn)品的質(zhì)量。（3）增加晶核密度，振動裝置產(chǎn)生的脈動效應(yīng)有助于增加結(jié)晶器內(nèi)的晶核密度，促進(jìn)結(jié)晶過程的啟動和發(fā)展，有利于提高連鑄效率。（4）靈活性和可調(diào)節(jié)性，振動裝置能夠根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過改變振動頻率、振幅等參數(shù)，以適應(yīng)不同金屬合金的連鑄工藝要求。（5）穩(wěn)定性和可靠性，振動裝置采用穩(wěn)定的電動缸和連桿組設(shè)計，具有較好的穩(wěn)定性和可靠性，能夠長時間、持續(xù)地工作。

連鑄結(jié)晶器電動缸具有極強(qiáng)的自平衡能力，可從多個方面提高結(jié)晶器的整體穩(wěn)定性。另外，連鑄結(jié)晶器電動缸的耐腐蝕性能較好，在使用過程中幾乎無腐蝕現(xiàn)象。連鑄結(jié)晶器電動缸的抗沖擊能力也相對理想，即使在外部較大的作用力下，電動缸的性能也幾乎不受影響。

3.2 改造方案與內(nèi)容

機(jī)械振動裝置的規(guī)模龐大，其前期投資較大，后續(xù)投入運營后的費用異常高，為減少運行中的異常情況，必須由專業(yè)人員做好維護(hù)工作，如在現(xiàn)代化生產(chǎn)條件下繼續(xù)采用該裝置，將暴露該裝置的諸多不足。電動缸非正弦振動裝置的結(jié)構(gòu)簡單，后續(xù)使用后的維護(hù)工作量小，即使為滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)需改造該裝置，改造工作量也相對較小，僅需在原振動臺上完成相應(yīng)的優(yōu)化與調(diào)整即可。如在原振動臺的四周位置，增設(shè)4個支座，為電動缸安裝提供便捷，取消原機(jī)械傳動裝置，在振動臺的合適位置布置電動缸用水、氣和油管路，增設(shè)緩沖彈簧、板簧等專業(yè)化配件，并同步設(shè)置振動控制系統(tǒng)。經(jīng)由上述專業(yè)化改造后，振動臺與結(jié)晶器、振動底座的有關(guān)尺寸維持原狀，最大程度上提高了現(xiàn)有設(shè)備的綜合利用率，能節(jié)約設(shè)備的前期投資，降低改造難度。

3.3 應(yīng)用效果

3.3.1 系統(tǒng)運行穩(wěn)定，故障率低，維護(hù)量小

當(dāng)該企業(yè)采用了電動缸非正弦振動系統(tǒng)后，系統(tǒng)長時間保持最佳的運行狀態(tài)，整體穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，除了電動缸質(zhì)量問題外，再未發(fā)生任務(wù)故障，故障率大大降低。另外，該系統(tǒng)投入使用后的操作簡單，維護(hù)工作量小，專業(yè)人員只需在開澆前檢查水、氣、潤滑等是否符合要求，并定時清理振動臺的渣子、更換板簧等附件即可。依據(jù)實際的使用情況，如無異常情況，電動缸的使用壽命能超過4年。

3.3.2 提高鑄坯表面質(zhì)量

經(jīng)由本次改造后，電動缸非正弦振動系統(tǒng)有利于提高鑄坯表面質(zhì)量。因為該系統(tǒng)中采用了全新的工藝與技術(shù)，原先機(jī)械振動下鑄坯表面有較深的振痕，而在采用了改造后的電動缸非正弦振動系統(tǒng)，明顯改變了此現(xiàn)象，更有利于達(dá)到鑄坯的質(zhì)量目標(biāo)。

3.3.3 鑄坯檢驗合格率提高，裂紋缺陷減少

在電動缸非正弦振動系統(tǒng)投入使用一段時間后，相關(guān)部門統(tǒng)計了有關(guān)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)利用了該裝置后，裂紋坯明顯減少，鑄坯質(zhì)量更高。

3.3.4 設(shè)備控制精度高，振動均勻且平穩(wěn)

電動缸非正弦振動系統(tǒng)中綜合應(yīng)用了計算機(jī)技術(shù)、數(shù)字交流伺服控制技術(shù)，在這些技術(shù)的高度結(jié)合下，可高效、精確控制振動參數(shù)，四支電動缸在振動過程中可參考相位差情況完成自動補(bǔ)償，有利于提升振動的均勻性與穩(wěn)定性，減小液面波動。另外，電動缸非正弦振動系統(tǒng)不僅能提高拉速，還能增大保護(hù)渣的消耗量，確保結(jié)晶器潤滑條件符合相應(yīng)的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，從源頭上避免出現(xiàn)漏鋼問題。

4 結(jié)語

當(dāng)下技術(shù)進(jìn)步的過程中，連鑄工藝越發(fā)成熟。結(jié)晶器振動裝置的動態(tài)特性會影響生產(chǎn)作業(yè)的安全性、產(chǎn)品質(zhì)量的合格性，為了有效減小這些影響，相關(guān)人員需增強(qiáng)對結(jié)晶器振動裝置動態(tài)特性的分析與研究，采取專業(yè)化改造措施。