連鑄機(jī)結(jié)晶器振動(dòng)裝置動(dòng)態(tài)性能分析

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(shí)代變化的過(guò)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(lái)越多，為符合人們對(duì)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(dòng)裝置易引發(fā)鑄坯表面的質(zhì)量問(wèn)題，為減少這一方面的問(wèn)題，生產(chǎn)期間相關(guān)人員需尤其關(guān)注結(jié)晶器振動(dòng)裝置的動(dòng)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(dòng)裝置的動(dòng)態(tài)特性方面展開(kāi)了大量的研究，未來(lái)需持續(xù)在這一方面展開(kāi)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(dòng)裝置的基本概述

連鑄生產(chǎn)過(guò)程具有復(fù)雜性、專(zhuān)業(yè)性，在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的技術(shù)要求高。結(jié)晶器振動(dòng)裝置具有不可替代性，從生產(chǎn)的全過(guò)程來(lái)看，通過(guò)配備和操作該裝置，能預(yù)防拉坯時(shí)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(yùn)動(dòng)的狀態(tài)時(shí)，因?yàn)橛姓駝?dòng)裝置，新生坯殼與銅板黏結(jié)問(wèn)題得以緩解，也能避免坯殼上應(yīng)力過(guò)度集中或者過(guò)大，對(duì)預(yù)防鑄坯表面的裂紋相對(duì)有效。如結(jié)晶器呈向下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由于存在摩擦作用力，能同步給坯殼施加壓力，自動(dòng)修復(fù)結(jié)晶器向上時(shí)拉出的裂痕。但需尤其注意，向下運(yùn)動(dòng)的速度必須超過(guò)拉坯速度，構(gòu)成負(fù)滑脫。結(jié)晶器銅板與運(yùn)動(dòng)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(lái)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(shuō)，摩擦力與相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)裝置處于正滑脫條件，摩擦力會(huì)對(duì)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(shí)際的工作中相關(guān)人員需分析連鑄機(jī)結(jié)晶器振動(dòng)裝置的動(dòng)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(dòng)尚未出現(xiàn)之前，大部分連鑄機(jī)結(jié)晶器振動(dòng)裝置均為機(jī)械式結(jié)構(gòu)，這類(lèi)型裝置在運(yùn)行過(guò)程中由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，使裝置進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，借助萬(wàn)向聯(lián)軸器，在兩端轉(zhuǎn)動(dòng)2個(gè)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(wàn)向聯(lián)軸器輔助，與兩個(gè)滾動(dòng)軸承的偏心軸可靠連接，每個(gè)偏心輪部位配備有曲柄，該曲柄有滾動(dòng)軸承，此軸承的振動(dòng)連桿能起到支撐作用，增強(qiáng)振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，并同步引發(fā)或大或小的振動(dòng)現(xiàn)象。機(jī)械振動(dòng)屬于正弦曲線(xiàn)振動(dòng)，振動(dòng)期間的波形、振幅在任何情況下都無(wú)波動(dòng)。以某企業(yè)為例，其結(jié)晶器振動(dòng)系統(tǒng)為機(jī)械驅(qū)動(dòng)，具有一系列不足：振動(dòng)力從兩點(diǎn)逐步傳給結(jié)晶器，整個(gè)傳力更為復(fù)雜，不能遵循均勻性規(guī)定；在高頻振動(dòng)條件下，無(wú)法維持相對(duì)平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)，無(wú)論處于高頻還是低頻狀態(tài)，振動(dòng)導(dǎo)向與實(shí)際的偏差都相對(duì)較大；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳力流程多，后續(xù)的對(duì)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(wú)法長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定的振動(dòng)波形條件；不能根據(jù)需求調(diào)整振動(dòng)曲線(xiàn)，不具備在線(xiàn)設(shè)置振動(dòng)波形功能。

2 結(jié)晶器振動(dòng)裝置的動(dòng)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(dòng)裝置為機(jī)械振動(dòng)，主要構(gòu)成部分為電機(jī)、減速機(jī)、傳動(dòng)軸、偏心裝置。隨著該裝置使用時(shí)間的延長(zhǎng)，將伴隨著一定的機(jī)械磨損現(xiàn)象，不利于保障裝置的運(yùn)行可靠性。依據(jù)實(shí)際情況，在長(zhǎng)期運(yùn)行中該設(shè)備的振動(dòng)均勻性不足，偏擺較大，液面頻繁變化，忽高忽低，如未及時(shí)處理這一故障，隨著生產(chǎn)作業(yè)的實(shí)施可能發(fā)生漏鋼現(xiàn)象，導(dǎo)致鑄機(jī)運(yùn)行中的風(fēng)險(xiǎn)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(zhuān)業(yè)人員來(lái)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(guò)程中有維護(hù)要求，振動(dòng)裝置每間隔一段時(shí)間應(yīng)檢修，更換裝置中的損壞、老舊零部件，但在此檢修過(guò)程中，每次停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)24h，停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)且維護(hù)工作量大，給生產(chǎn)帶來(lái)了負(fù)面影響。

2.2 不具備在線(xiàn)調(diào)整功能

正弦振動(dòng)振幅長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定狀態(tài)，幾乎無(wú)任何變化，振動(dòng)曲線(xiàn)也不變，在連鑄作業(yè)中無(wú)法以鋼種、澆注溫度、澆注速度等為依據(jù)，合理調(diào)整振動(dòng)曲線(xiàn)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(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，其精度顯著降低，控制模塊無(wú)法利用既有信號(hào)、數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)節(jié)振動(dòng)參數(shù)，結(jié)晶器振動(dòng)裝置的振幅、負(fù)滑脫時(shí)間、正滑脫時(shí)間等難以達(dá)到實(shí)際的生產(chǎn)需求，隨著生產(chǎn)作業(yè)的持續(xù)開(kāi)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(dòng)裝置存在功能缺陷，主要表現(xiàn)在無(wú)法實(shí)現(xiàn)振頻、振幅的在線(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整，在面臨連鑄鋼種、拉速等情況下，裝置無(wú)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(dòng)裝置投入使用后，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，偏心機(jī)構(gòu)將出現(xiàn)越來(lái)越嚴(yán)重的損耗現(xiàn)象，而此現(xiàn)象如未及時(shí)調(diào)整，將在無(wú)形中降低設(shè)備精度，不利于連鑄作業(yè)的順利實(shí)施。

3 結(jié)晶器振動(dòng)裝置的改造

3.1 電動(dòng)缸非正弦振動(dòng)系統(tǒng)

3.1.1 工作原理

電動(dòng)缸非正弦振動(dòng)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(jì)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(dòng)化控制功能，可由計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)生控制板坯結(jié)晶器振動(dòng)的波形曲線(xiàn)，這一過(guò)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(gè)變量取值，參考其他已知量控制結(jié)晶器上下振動(dòng)情況，確保振動(dòng)波形的頻率、振幅、負(fù)滑脫時(shí)間、正滑脫時(shí)間等符合相應(yīng)的規(guī)定，形成完全適用的結(jié)晶器振動(dòng)軌跡。

3.1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

電動(dòng)缸非正弦振動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成較為簡(jiǎn)單，除了機(jī)械部分就是電控部分。機(jī)械部分在原有振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行了些微改造，振動(dòng)框架與底座維持原狀，在振動(dòng)臺(tái)的內(nèi)外弧位置安裝電動(dòng)缸，此改造步驟完成后，電動(dòng)缸能作為振動(dòng)動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)。振動(dòng)臺(tái)的內(nèi)外弧、左右側(cè)弧位置都分別有一組板簧，在裝置運(yùn)行過(guò)程中板簧能正常導(dǎo)向。振動(dòng)臺(tái)附件裝置中包含潤(rùn)滑管、氣管、水管、緩沖彈簧等。電控部分包含驅(qū)動(dòng)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(shí)，計(jì)算機(jī)計(jì)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(shí)現(xiàn)波形的數(shù)字化處理，得到的結(jié)果再反饋給運(yùn)動(dòng)控制器，PLC模塊依據(jù)拉速信號(hào)、操作箱上的開(kāi)關(guān)信號(hào)將有關(guān)結(jié)果上傳給工控機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器，驅(qū)動(dòng)器進(jìn)一步轉(zhuǎn)化信號(hào)最后輸出給電動(dòng)缸，由電動(dòng)缸完成上下振動(dòng)的調(diào)節(jié)與控制。

3.1.3 電動(dòng)缸類(lèi)型及其特點(diǎn)

連鑄機(jī)結(jié)晶器電動(dòng)缸振動(dòng)裝置主要由電動(dòng)缸、連桿組、振動(dòng)臺(tái)等組成。其中，電動(dòng)缸通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；連桿組將電動(dòng)缸運(yùn)動(dòng)傳遞到振動(dòng)臺(tái)上。

連鑄機(jī)結(jié)晶器電動(dòng)缸振動(dòng)裝置的原理是利用電動(dòng)缸的往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)力，進(jìn)而影響結(jié)晶器表面的結(jié)晶凝固過(guò)程。電動(dòng)缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)使得連桿組帶動(dòng)振動(dòng)臺(tái)作直線(xiàn)振動(dòng)，從而在結(jié)晶器內(nèi)造成脈動(dòng)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(dòng)缸振動(dòng)裝置通過(guò)振動(dòng)力的作用，能夠調(diào)節(jié)結(jié)晶器內(nèi)的流體流動(dòng)狀態(tài)，改善結(jié)晶凝固過(guò)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(dòng)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(dòng)裝置產(chǎn)生的脈動(dòng)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(guò)程的啟動(dòng)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(dòng)裝置能夠根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)改變振動(dòng)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(dòng)裝置采用穩(wěn)定的電動(dòng)缸和連桿組設(shè)計(jì)，具有較好的穩(wěn)定性和可靠性，能夠長(zhǎng)時(shí)間、持續(xù)地工作。

連鑄結(jié)晶器電動(dòng)缸具有極強(qiáng)的自平衡能力，可從多個(gè)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(dòng)缸的耐腐蝕性能較好，在使用過(guò)程中幾乎無(wú)腐蝕現(xiàn)象。連鑄結(jié)晶器電動(dòng)缸的抗沖擊能力也相對(duì)理想，即使在外部較大的作用力下，電動(dòng)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(dòng)裝置的規(guī)模龐大，其前期投資較大，后續(xù)投入運(yùn)營(yíng)后的費(fèi)用異常高，為減少運(yùn)行中的異常情況，必須由專(zhuān)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(dòng)缸非正弦振動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，后續(xù)使用后的維護(hù)工作量小，即使為滿(mǎn)足現(xiàn)代化生產(chǎn)需改造該裝置，改造工作量也相對(duì)較小，僅需在原振動(dòng)臺(tái)上完成相應(yīng)的優(yōu)化與調(diào)整即可。如在原振動(dòng)臺(tái)的四周位置，增設(shè)4個(gè)支座，為電動(dòng)缸安裝提供便捷，取消原機(jī)械傳動(dòng)裝置，在振動(dòng)臺(tái)的合適位置布置電動(dòng)缸用水、氣和油管路，增設(shè)緩沖彈簧、板簧等專(zhuān)業(yè)化配件，并同步設(shè)置振動(dòng)控制系統(tǒng)。經(jīng)由上述專(zhuān)業(yè)化改造后，振動(dòng)臺(tái)與結(jié)晶器、振動(dòng)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(yùn)行穩(wěn)定，故障率低，維護(hù)量小

當(dāng)該企業(yè)采用了電動(dòng)缸非正弦振動(dòng)系統(tǒng)后，系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間保持最佳的運(yùn)行狀態(tài)，整體穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，除了電動(dòng)缸質(zhì)量問(wèn)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(jiǎn)單，維護(hù)工作量小，專(zhuān)業(yè)人員只需在開(kāi)澆前檢查水、氣、潤(rùn)滑等是否符合要求，并定時(shí)清理振動(dòng)臺(tái)的渣子、更換板簧等附件即可。依據(jù)實(shí)際的使用情況，如無(wú)異常情況，電動(dòng)缸的使用壽命能超過(guò)4年。

3.3.2 提高鑄坯表面質(zhì)量

經(jīng)由本次改造后，電動(dòng)缸非正弦振動(dòng)系統(tǒng)有利于提高鑄坯表面質(zhì)量。因?yàn)樵撓到y(tǒng)中采用了全新的工藝與技術(shù)，原先機(jī)械振動(dòng)下鑄坯表面有較深的振痕，而在采用了改造后的電動(dòng)缸非正弦振動(dòng)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(yàn)合格率提高，裂紋缺陷減少

在電動(dòng)缸非正弦振動(dòng)系統(tǒng)投入使用一段時(shí)間后，相關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)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(dòng)均勻且平穩(wěn)

電動(dòng)缸非正弦振動(dòng)系統(tǒng)中綜合應(yīng)用了計(jì)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(dòng)參數(shù)，四支電動(dòng)缸在振動(dòng)過(guò)程中可參考相位差情況完成自動(dòng)補(bǔ)償，有利于提升振動(dòng)的均勻性與穩(wěn)定性，減小液面波動(dòng)。另外，電動(dòng)缸非正弦振動(dòng)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(rùn)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(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)下技術(shù)進(jìn)步的過(guò)程中，連鑄工藝越發(fā)成熟。結(jié)晶器振動(dòng)裝置的動(dòng)態(tài)特性會(huì)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(duì)結(jié)晶器振動(dòng)裝置動(dòng)態(tài)特性的分析與研究，采取專(zhuān)業(yè)化改造措施。