結晶器振動裝置

結晶器振動裝置主要功能是使結晶器上下往復振動，確切地說，是使結晶器按給定的振幅、頻率和波形偏斜特性沿連鑄機半徑作仿弧運動，使脫模更為容易。具體來說，連鑄過程中，當鑄坯與結晶器壁發生粘結時，如果結晶器是固定的，就可能出現坯殼被拉斷造成漏鋼。

基本介紹

• 中文名：結晶器振動裝置
• 外文名：The crystallizer vibrator
• 學科：冶金工程
• 領域：鋼鐵
• 振動方式：正弦振動、非正弦振動
• 功能：使結晶器上下往復振動

簡介

結晶器是連續鑄鋼中的鑄坯成型設備，是連鑄機的核心部件，稱之為連鑄機的心臟設備。它是一個水冷的鋼錠模，功能是將連續不斷地注入其內腔的高溫鋼水通過水冷銅壁強烈冷卻，導出其熱量，使之逐漸凝固成為具有所要求斷面形狀和坯殼厚度的鑄坯。並使這種芯部仍為液態的鑄坯連續不斷地從結晶器下口拉出，為其在以後的二次冷卻區域內完全凝固創造條件。由於凝固過程是在坯殼與結晶器壁連續、相對運動下進行的，所以為防止坯殼與結晶器壁粘結而採用的結晶器振動裝置是連鑄過程中的一個非常重要的生產裝置。

結晶器振動裝置可用來支撐結晶器，其主要功能是使結晶器上下往復振動，確切地說，是使結晶器按給定的振幅、頻率和波形偏斜特性沿連鑄機半徑作仿弧運動，使脫模更為容易。具體來說，連鑄過程中，當鑄坯與結晶器壁發生粘結時，如果結晶器是固定的，就可能出現坯殼被拉斷造成漏鋼。而當結晶器向上振動時，粘結部分和結晶器一起上升，坯殼被拉裂，未凝固的鋼水立即填充到斷裂處，開始形成新的凝固層；等到結晶器向下振動，且振動速度大於拉坯速度時，坯殼處於受壓狀態，裂紋被癒合，重新連線起來，同時鑄坯被強制消除粘結，得到“脫模”。同時，由於結晶器上下振動，周期性地改變液面與結晶器壁的相對位置，有利於用於結晶器潤滑的潤滑油和保護渣向結晶器壁與坯殼間的滲漏，因而改善了潤滑條件，減少拉坯摩擦阻力，防止鑄坯在凝固過程中與結晶器銅壁發生粘結而被拉裂，從而出現粘結漏鋼事故。

結晶器振動方式

目前，結晶器振動主要有正弦振動和非正弦振動兩種方式。

正弦振動，即振動的速度與時間的關係為一條正弦曲線。正弦振動方式的上下振動時間相等，上下振動的最大速度也相同。在整個振動周期中，鑄坯與結晶器之間始終存在相對運動，而且結晶器下降過程中，有一小段下降速度大於拉坯速度，因而可以防止和消除坯殼與結晶器內壁間的粘結，並能對被拉裂的坯殼起到癒合作用。另外，由於結晶器的運動速度是按正弦規律變化的，其加速度必按餘弦規律變化。所以過渡比較平穩，衝擊較小。短臂四連桿振動機構和四偏心振動機構可實現正弦振動。

非正弦振動，結晶器振動速度隨時間變化的規律不是正弦曲線的都稱為非正弦振動。結晶器向上振動時間大於向下振動時間，縮小了鑄坯與結晶器向上振動之間的相對運動速度。目前，隨著高速鑄機的開發，拉坯速度越來越快，造成結晶器向上振動與鑄坯間的相對運動速度加大，特別是高頻振動時此速度更大。由於拉速提高后結晶器保護渣用量相對減少，坯殼與結晶器壁之間發生粘結而導致漏鋼的可能性增加。為了解決這一問題，除了使用新型保護渣外，另一個措施就是採用非正弦振動。

三種振動機構的原理及套用

短臂四連桿振動機構

由於其結構簡單，便於維修，能夠較準確地實現結晶器的弧線運動，有利於鑄坯質量的改善，所以廣泛套用於現代連鑄機上。小方坯連鑄機上，常採用短臂四連桿振動機構，且一般安裝在內弧側；而在矩形坯及大板坯連鑄機上，常採用短臂四連桿式振動機構，並安裝在外弧側，其工作原理是由電機通過減速機經偏心軸的傳動，使拉桿作往復運動，帶動連桿擺動，連桿隨之擺動，使振動框架能按弧線軌跡振動。

實際套用中，常把部分剛性桿改為彈簧鋼板，可以消除振動過程結晶器的水平擺動，使得振動只能作弧線擺動。

但該機構在板簧與振動台架及板簧與振動底座的連線結構上存在弊端，兩處均用螺尾錐銷定位，並用螺栓連線，其優點是定位精度高，便於拆卸，但銷孔需鉸制，螺尾錐銷製造不便，而且板簧和調整座都是在斜面上加工銷孔及螺栓孔，操作不方便。更關鍵的是，安裝時有錐銷定位，不僅要求板簧上銷孔位置精度高，而且振動台架與振動底座相對位置固定，影響振動裝置的線上調整，從而影響振動軌跡，不能保證鑄坯質量。

分析以上不合理的結構因素，作了以下的改進。修改了壓板結構，避免了在斜面上加工孔。定位銷採用彈性圓柱銷，銷孔可不鉸制，互換性好，可多次裝拆，而且具有彈性，裝入銷孔後與孔壁壓緊，不易鬆脫。定位銷不再與振動底座連線，只把壓板、板簧和調整座連線起來，而且調整座與振動底座之間用T 形槽用螺栓連線，不僅實現板簧的定位，而且可方便地調整振動台架的相對位置，便於合理安裝、調節振動裝置，從而實現結晶器隨振動台架的弧形運動，達到較好的振動效果，而保證鑄坯質量。

四偏心振動機構

其優點是結晶器振動平穩，無擺動和卡阻現象，適合於高頻小振幅，但結構較複雜。一般是傳動系統帶動偏心輪連桿機構來實現正弦振動。

與傳統結構比較，無偏心輪機構，只採用偏心軸就可實現其工作過程。包鋼5# 連鑄機就採用了該型式結晶器振動裝置，達到了良好的振動效果。

電動機通過萬向接軸帶動中心減速機，由膜片聯軸器帶動兩側的分減速機，每個減速機各自帶動偏心軸，通過裝在偏心軸上的連桿帶動振動框架，偏心軸在連桿 的位置處具有同向偏心點，但偏心距不同（由鑄機圓弧半徑及振動機構結構尺寸決定，可通過作軌跡精確確定）。結晶器弧線運動是利用兩條板式彈簧，一頭連線在振動框架上，另一頭連線在機架上來實現的。這種板式彈簧使得振動台只能作弧線擺動，不會前後移動。由於結晶器振幅不大，兩根偏心軸的水平安裝，不會引起明顯的誤差。

該機構的缺點是不能線上調節振幅。目前，國外有採用在偏心輪上安裝蝸輪蝸桿裝置來實現線上調節振幅的功能。

液壓振動機構

一般由兩個振動單元組成，分別布置在連鑄機內弧側和外弧側。

結晶器安裝在振動台架上，兩根板簧連線在振動台架與固定框架之間，板簧對結晶器起導向定位和蓄能作用。油缸桿與平衡彈簧通過連線裝置與振動台架相連，振動台架由平衡彈簧支撐。液壓缸設有壓力、位移感測器，用於液壓系統的反饋與控制，由比例伺服閥控制，液壓缸不受彎扭力矩，僅承受軸向載荷。振動信號通過比例閥控制油缸的動作，帶動振動台架上的結晶器進行振動，液壓缸與結晶器剛性直連，因此液壓缸的位移可視為結晶器的振動位移，結晶器振動時的平衡點可以微調。由於工作時油缸的實際振幅較小（±10mm），振動中平衡點的位置對系統固有頻率影響較小，因此可以認為油缸的振動特性直接反應結晶器的振動特性。液壓振動的信號由中控室計算機通過PLC 9 系統來控制。液壓振動的核心控制裝置是比例閥。振動所需的參數根據實際需要確定，PLC控制一方面根據鑄機的運行狀態控制比例閥動作，確定振動的設定頻率和振幅；另一方面用油缸的位置反饋信號來修正振幅和頻率，達到控制結晶器振動的要求。只要改變振動的參數即可改變振動波形、振幅和頻率。

總結

結構簡單，便於維修的四連桿振動機構及振動平穩，無擺動和卡阻現象的四偏心振動機構可實現正弦振動，能夠較準確地完成結晶器的弧線運動，有利於提高振動頻率，減小振痕，改善鑄坯質量，是傳統連鑄中廣泛採用的結晶器振動裝置。但傳統的機械振動裝置存在著機械結構複雜，振動方式單一，振幅調節困難，控制精度差，位移及力信號採集困難等缺陷，難以適應高效連鑄生產的要求。

隨著傳統連鑄的高效化生產（高拉速、高作業率、高連澆率、高質量）的進步，特別是高速連鑄的發展，新型結晶器及新的結晶器冷卻方式，新型保護渣，結晶器非正弦振動正在逐漸採用。液壓非正弦振動系統的一個重要特點是可以準確可靠地對液壓缸的位移和輸出力等信號進行實時採集，這為連鑄結晶器瞬態摩擦力的檢測提供了有利條件。連鑄結晶器摩擦力是連鑄生產過程中的重要參數之一，它表征著連鑄坯殼與結晶器內壁間的潤滑狀態和相互作用，對鑄坯的表面質量和連鑄生產率有著直接的影響。

新近獨立設計與自主研發的液壓非正弦振動裝置可以保證高速連鑄條件下有良好的潤滑和最小的摩擦力，可以線上調整振動頻率、振幅、波形偏斜率等參數，最終得到滿足工藝要求的結晶器振動軌跡，使鑄坯振痕變淺，達到了改善鑄坯表面質量的目的；大大減少了連鑄過程中事故的發生頻率，降低了工人的勞動強度；此外，液壓振動還具有運動精度高，使用壽命長，拆裝方便等優點，是較理想的新型先進的結晶器振動裝置。該裝置已在實際生產中得到了套用，大多鋼廠新上的連鑄機多採用液壓振動裝置，有些改造項目中也在採用，例如在萊鋼特鋼大方坯連鑄機改造中採用了我公司開發的液壓振動裝置，使用效果很好，提高了鑄機拉速，大大降低了由振動裝置引起的漏鋼事故，保證了鑄坯質量。