降低板坯铸机结晶器振动系统谐振作用的研究

摘要：文章根据生产实践中铸机因结晶器振动系统谐振而出现粘结抽芯和粘结漏钢事故频发的问题，在对结晶器四偏心振动机构的结构形式、谐振区间等内容进行调查监测和分析研究的基础上，通过采取降低振动系统的传动间隙、优化振动参数和操作控制避开谐振区间等措施，最终达到了降低铸机粘结抽芯事故率和粘结漏钢率、提高铸坯质量的目的。

关键词：结晶器振动；粘结漏钢；谐振频率；降低板坯铸机

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）01-0088-03

结晶器振动既是常规连铸的一个基本特征，也是现代连铸机设备的关键部件之一，它对连铸机的生产顺行和质量提高均有着重要的影响。济钢一炼钢板坯铸机为超低头机型，结晶器振动系统采用电机驱动板簧导向的四偏心仿弧振动形式，该类振动系统的传动环节较多、谐振现象明显、振动平稳性也较差。因此，结合实际生产中遇到的问题，有针对性地对结晶器振动的传动平稳性、谐振情况和振动参数进行系统的监测和分析，通过采取降低传动系统的间隙以提高振动的平稳性、强化整备和使用过程中的谐振检测、优化振动参数和操作以避开谐振区间等措施，最终达到了提高结晶器振动平稳性、提高铸坯质量和降低铸机生产事故的目的。

一、振动系统介绍

（一）铸机概况

R5.7/6.8/8.5/12/17/33－1500，超低头板坯连铸机；

铸机长度：17m；

结晶器长度：784mm；

生产断面：200*1400mm；

铸机拉速：0.9～1.15m/min；

（二）振动系统

1．振动系统的形式和组成。铸机结晶器振动是电机驱动、板簧导向的四偏心形式。该装置是上世纪70年代前后发展起来的振动机构，属于正弦振动方式，结晶器壁的弧线运行是借助于两对偏心距不等的偏心轮及连杆机构来实现的。结晶器弧线运行的定中（导向）是利用三条板式弹簧，一头连接在快速更换台框架上，另一头连接在振动头恰当位置上来实现的。板式弹簧使振动台只能作弧形摆动， 而不能产生前后左右的位移，为了缓冲结晶器的自重，快台内外弧横梁上分布设置了2各螺旋缓冲弹簧。

该振动系统的组成如图1所示，由1台电动机、1个法兰接手、1根万向接轴、1个快速联轴器、1个中心减速机、2个带法兰的左右方向接轴、2个角部减速机、2个带轴承的偏心轴组件构成。

1．振动电机；2．万向接手；3．中心减速机；4．角减速机；5．偏心轴

2．工作原理。电动机将转动通过一根带快速联轴器的万向接轴传给一台中心减速机，从该中心减速机的左右两侧各通过一根带法兰接手的万向轴，将转动传给各自的左（右）角部减速机，这两个左、右角部减速机再将转动按跟原来的运动成90°角的方向，分别传给左（右）的一根具有两个不同偏心量的同向偏心点的偏心轴上。左（右）偏心轴再通过各自两个偏心轴颈上的两个轴承及套装在轴承座上的两个与上部振动台相联接的橡胶轴承，将转动变为有弹簧组件导向的近似圆弧的往复振动。

（三）设计振动参数

1．振幅。

外缘线处振幅±3.5mm。

2．振频拉速关系

（1）

式中：

F——振动频率（铸机最大振频设计180次/分）；

V——拉坯速度。

3．振动曲线。铸机的振动曲线为正弦曲线。

二、存在的主要问题

1．铸机生产过程中在某一拉速区间发现结晶器液面波动较大，液面稳定性较差。

2．铸机在低拉速换水口后提拉速过程中，在某一拉速区间粘结几率较大，多次造成铸机漏钢事故的发生，从2008年3～10月份铸机的150次粘结抽芯、14次粘结漏钢数据统计来看，换水口粘结抽芯占到了80%，换水口抽芯漏钢占到了75%。

3．铸坯角部结疤、角裂缺陷出现频繁，铸坯表面振痕较深，而且弯曲紊乱。

三、调查分析

对于板坯铸机的生产来说，铸坯角部结疤、角裂和振痕弯曲紊乱的影响因素较多，如液面波动、结晶器内钢水流场不合理、拉速变化等，铸机粘结抽芯的情况也是如此，但就同一铸机、在保护渣、浸入式水口等工艺条件不变的情况下，结晶器液面的波动对铸坯的角裂、角部结疤、粘结抽芯和粘结漏钢均有较大影响。

结晶器液面波动的影响也比较复杂，钢水温度、流动性、液面自控系统对其都有影响，在板坯铸机粘结抽芯和粘结漏钢攻关期间，通过对数据进行统计分析，加之现场的跟踪观察，我们发现：

同一结晶器振动系统总是在某一区间钢水液面不稳，而且在这个区间内出现的粘结抽芯和漏钢次数较多，换水口前后，特别是换水口后出现粘结抽芯并且漏钢几率大是因为换水口拉速为0.6m/min，而铸机的正常拉速在1.0～1.1m/min之间，也就是说，每次换水口时均需要先降拉速，换完水口后再将拉速提高正常拉速，因此，在先降后提拉速的过程中，结晶器的振动平率经过谐振区间的可能性很大，结晶器液面也不稳，因此出现了换水口前后，特别是换水口后粘结抽芯和漏钢事故率较高的情况。

西安理工大学刘宏昭等在对板坯铸机的四偏心板弹簧导向振动系统进行力学模型、数学模型计算求解的基础上，计算出其在X、Y方向上的谐振情况（如图2、图3）。

而后得出结论，结晶器振动系统存在着复杂的谐振现象，引起结晶器振动系统复杂谐振现象的因素较多，有非线性激励、周期时变参数激励、刚体运动惯性力及铸坯摩擦力等因素，从上面的图上还可以看出，同一振动系统在不同振频条件下的弹性位移是不一样的，也就是说同一快台，存在着谐振加剧的谐振区间。

湖南镭目公司利用ANSYS分析软件对铸机振动台进行数值分析后在振动谐振方面也得出了如下结论：

1．结晶器振动系统存在着明显的谐振问题。

2．振动系统在谐振区间振动的偏摆量明显加大，振动稳定性急剧下降。

3．同一振动系统有其固有的谐振频率，该频率可以通过调整结晶器本身质量、板簧的几何尺寸及支撑方式等进行调节。

粘结抽芯和粘结漏钢总是与结晶器的下渣和润滑有关。结合上述有关结晶器振动系统谐振现象的调查，考虑到我厂板坯铸机同一快台出现粘结抽芯总是出现在拉速调整特别是拉速提高的过程中，总是在某一拉速振频区间，而且在这个区间里钢水液面波动总是较大，通过统计分析后认为这种换水口前后拉速调整过程中出现了粘结抽芯和粘结漏钢主要是由于结晶器谐振造成钢水液面波动较大而出现的。

四、相关措施

1．为了减轻弹性物件对结晶器振动台谐振现象的加剧，将振动台前后的四个缓冲弹簧去掉，从同一快台去弹簧前后的监测情况来看，去掉缓冲弹簧后结晶器振动系统的谐振强度明显降低。

2．为了降低各传动部件之间的间隙，采取了以下措施：

（1）集中更换了铸机在线服役时间较长的中心减速机前万向轴，减轻间隙；

（2）加大了中心减速机和角部减速机间隙的调整力度，将减速机齿面有热处理齿面改为硬质合金齿面，进一步降低减速机齿间隙；

（3）将角部减速机和偏心轴之间的齿连接改为膜片联轴器连接，进一步消除传动件之间的传动间隙。

3．为了监测各个快台的谐振情况，采取了以下措施：

（1）根据结晶器的内腔形状，用薄钢板专门制作了和结晶器形状一样的底部密封的水槽，并以此来模拟结晶器内的钢水情况；

（2）在设备整备完成验收、上线或停机检修时均用仿结晶器水槽加水进行试验，通过对不同振频条件下水槽内水的晃动情况来确定结晶器振动装置的谐振区间；

（3）将万向联轴器的直径有150mm提高到170mm，提高了万向联轴器的强度。

4．针对用水模试验检测出来的谐振区间，对振频与拉速的关系进行了优化调整，具体如下：

模型一：f= 70V+50振频大于105次时振动不再增加；

模型二：f=70V+50 振频大于115时振频不再

增加；

实际生产过程中，如监测到结晶器振动台的谐振区间在105次以上，则采用模型一，如监测到的结晶器振动台谐振区间在115次以上，则采用模型二。

当然，如监测到的振动谐振区间在105次以下，则采用模型二，同时在拉速调整过程中将拉速控制避开谐振区间对应的拉速区间，比如，实际监测的谐振区间是92～95次，对应的拉速是0.6～0.65m/min，则在无论是提拉速还是降拉速过程中，均不使拉速在0.6～0.65m/min这个区间停留。

通过以上措施的采取，减小了结晶器谐振的强度，同时在实际生产过程中避开了振动系统的谐振区间，有效减轻了结晶器振动系统谐振对铸机粘结的

影响。

五、改进效果

自从采取以上措施以后，铸机的粘结抽芯明显得到改善，2008年11、12月和2009年1月份三个月，三台铸机累积粘结抽芯11次，并且无粘结漏钢事故的发生，由此可见，通过以上措施的采取，板坯铸机粘结抽芯和漏钢事故得到了很好的控制。

六、结语

1．板坯铸机电机驱动、机械传动和板簧导向的四偏心振动系统存在着明显的谐振区间，在这个谐振区间内结晶器液面波动大，波动无规律，这种波对结晶器保护渣的熔化、润滑产生了较大影响，容易导致铸机的粘结抽芯和粘结漏钢事故。

2．系统内弹性部件越多，这种谐振情况越严重，对铸机生产和质量的影响也越大。

3．通过采取改进连接方式、提高整备质量来消除传动间隙，通过水模试验来监测谐振区间、参数优化和操作控制来避开谐振区间，对于防止结晶器振动系统谐振造成的粘结抽芯和粘结漏钢事故效果

显著。

参考文献

[1] 盛义平，刘剑平，张兴中．结晶器正弦振动参数的优化[J]．钢铁，1994，29（6）.

[2]田艳翔．现代连铸新工艺、新技术与铸坯质量控制[M]．北京：当代中国音像出版社，2004.

[3]刘宏昭，王建平，等．连铸机振动系统动态性能分析及其谐振现象研究[J]．机械工程学报，2002，38（3）.

[4]李宪奎，张德明．连铸结晶器振动技术[M]．北京：冶金工业出版社，2000．

作者简介：崔美棠（1973-），女，辽宁海城人，济钢宽厚板厂技术科助理工程师，研究方向：炼钢工艺技术管理。

（责任编辑：赵秀娟）