单缸结晶器液压振动装置的改进设计

李新强，何博，宋美娟，梁子福，涂家佳

(中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安，710032)

单缸结晶器液压振动装置的改进设计

李新强，何博，宋美娟，梁子福，涂家佳

(中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安，710032)

针对单缸结晶器液压振动装置在现场使用过程中出现的活塞杆侧向撕裂性问题，对原装置中的驱动部分进行了改进设计，将螺栓螺母直连方式改进为铰接式结构，提高了液压缸的使用寿命，同时采用反向同步阶梯模型，在提高拉速的同时保证了负滑脱时间，减小了振痕深度。

液压振动；驱动改造；负滑脱时间

0 前言

结晶器液压振动装置目的是防止钢液在结晶器中凝固过程中与结晶器铜壁发生粘结而出现粘挂或拉漏事故,进而减少铸坯的摩擦阻力,提高铸坯表面质量和连铸机的作业率[1]。小方坯连铸机普遍采用结晶器电磁搅拌式全弧形连铸机型，为适应这种连铸机负荷较大、流数多、流间距小的特点，本文设计开发了一种单缸结晶器液压振动装置，并在多台连铸机生产中应用。

在该装置初期使用过程中，液压缸活塞杆发生侧向撕裂性磨损，液压缸使用寿命不能得到保证。中重院对振动装置液压缸连接方式进行改造设计，有效地解决了该问题。

由于业主在初期使用过程中受到机械振动的影响，在振动模型的选择上依然采用恒振幅，变振频的模式，当拉速提高到一定程度之后，负滑脱时间不能得到有效保证；在采用了中重院提供的反向同步阶梯模型之后，拉速和负滑脱时间得到了良好的匹配。

1 系统简介

结晶器液压振动装置具有振动参数在线可调、可实现正弦和非正弦曲线运动等特点。与机械式振动装置相比在对钢种的适用性、提高产品质量、提高产量及作业率等方面具有明显优势；同时还具有机械结构简单，重量轻等优点。

小方坯结晶器液压振动装置主要由振动固定底座、振动工作台、结晶器支座、液压缸驱动装置、缓冲机构以及导向机构等组成。

结晶器液压振动装置通过振动固定座、振动工作台、液压缸驱动装置、导向机构、缓冲装置及结晶器支座等来固定支撑结晶器并使结晶器产生设定的曲线运动。其中结晶器支座上设有接水用平面橡胶密封圈，可实现与结晶器自动水连接；其上活节螺栓和对中销轴可实现结晶器的固定和自动对中。

结晶器液压振动装置的主要性能参数见表1。

表1 液压振动装置性能参数

2 驱动装置改造设计

早期设计中装置振动架与液压缸连杆采用螺母拧紧直连方式(图1)，液压缸法兰与装置固定架螺栓螺母连接(图2)。

图1 原设备连杆与振动架连接方式

图2 原设备液压缸与固定架连接方式

采用该连接方式，对设备的加工精度及装配精度要求很高。连杆如果承受周期性的径向载荷，就会导致液压缸活塞杆与油缸内腔产生周期性摩擦。如果不能保证对油缸的周期性检修，长时间的摩擦就会导致活塞杆的撕裂性磨损，液压缸寿命就会大大降低。小方坯连铸机还存在流间距小，布置紧凑等特点，如果将振动装置布置在铸机内弧侧，密封室外侧，那么在线检修液压缸的可能性几乎没有。因此，如果液压缸频繁产生上述问题，大部分情况下必须下线检修，这样就会大大影响铸机的作业率。

针对上述存在的问题，将液压振动装置的驱动部分由原来的直连式结构改进为铰接式结构。改造后振动架与活塞杆采用铰接式连接，即在振动架与活塞杆连接处采用径向球面滑动轴承GE70ES-2RS(图3)，液压缸缸体与固定架连接处采用镶嵌式固体自润滑轴承(JFB 60)铰接(图4)。

图3 改造后活塞杆与振动架连接方式

图4 改造后缸体与固定架连接方式

改造方案可以使驱动装置在使用过程中有一定的径向角度补偿，有效地避免了硬连接磨损情况的出现。

经改造后，振动装置上线使用近1年半，未下线检修，没有出现液压缸渗漏及活塞杆磨损现象，极大地延长了液压缸的使用寿命。

3 工艺模型改进设计

改进后的液压振动装置投入使用在东北某大型钢铁集团二炼钢新建2#方圆坯连铸机上，该铸机的相关参数如表2所示。

表2 连铸机主要参数

结晶器振动基本参数包括频率f、行程h和波形偏斜率α，描述振动的行为；振动工艺参数包括负滑脱时间tn、正滑脱时间tp、保护渣消耗量MPC等,对铸坯脱模及表面质量有着直接、重要影响的参数，其取值反映了振动的工艺效果。因此工艺模型选取的是否合理，对于提高铸坯质量，保证铸机拉速有着重要的意义。

3.1 原工艺模型

在设备投入使用初期，受到原机械振动的影响，在振动模型的选择上依然采用恒振幅，变振频的模式。

(1)

振幅h=8 mm。该振动模型低拉速时频率恒定，振幅恒定；拉速大于1 m/min后，频率线性递增，振幅不变。以正弦振动为例，计算该模型的工艺参数。

将基本参数代入公式(2)、(3)、(4)[2]中可计算出采用正弦模型的振动工艺参数，见表3。(保护渣消耗量计算前提是钢种[C]含量在0.08%以下)。

(2)

tp=T-tn

(3)

(4)

式中，T为周期,s；tn为负滑动时间,s；tp为正滑动时间,s；MPC为保护渣消耗量，kg/m2；η为保护渣在1300℃时的粘度，Pa·s。

表3 原模型正弦振动工艺参数计算部分结果

图5、6反应了各工艺参数与拉速之间的对应关系。

图5 原模型中tn、tp、T与拉速Vc对应关系

图6 原模型中保护渣消耗量MPC与拉速Vc关系

从模型计算结果中可以看出

(1)当拉速提高刚超过1 m/min时，频率从130次/min到180次/min发生跳变，负滑脱时间从0.185 s突降到0.138 s，模型不够平滑，会对浇铸产生一定的影响。

(2)当拉速大于3.2 m/min后，负滑脱时间小于0.08 s，保护渣消耗量下降到0.2 kg/m2以下。负滑脱时间过小，保护渣未能达到一定的消耗量，都会增加铸坯的脱模难度，使得铸坯振痕加深，影响铸坯质量。

3.2 改进工艺模型

针对上述存在的问题，对工艺模型进行改进设计。在振动模型的选择上采用变振频，变振幅的反向同步阶梯模型，如式(5)所示。

(5)

如图7、图8所示，该振动模型拉速小于3 m/min时频率线性递减，振幅递增；拉速大于3 m/min后，频率恒定，振幅递增。以正弦振动为例，计算该模型的工艺参数。

图7 改进模型中f与拉速Vc对应关系

图8 改进模型中h与拉速Vc对应关系

将基本参数代入公式(2)、(3)、(4)[2]中可计算出采用正弦模型的振动工艺参数，如表4所示。

表4 改进模型正弦振动工艺参数计算部分结果

图9、10反应了各工艺参数与拉速之间的对应关系。

图9 改进模型中tn、tp、T与拉速Vc对应关系

图10 改进模型中保护渣消耗量MPC与拉速Vc关系

从模型计算结果中可以看出：

随着拉速的提高，负滑脱时间保证在0.08～0.16 s之间，保护渣消耗量也维持在正常水平。采用反向振动模型的主要优点是负滑脱时间近似于常数，正滑脱时间随着拉速的增加而显著的增加，这样可以在整个浇铸过程中获得良好、稳定的铸坯表面质量，保持适宜的保护渣消耗量，使坯壳在结晶器中获得良好的润滑。

4 结论

振动装置可实现结晶器精确仿弧运动。在采用了铰接式驱动结构之后，经实际测试表明，沿铸流方向和垂直铸流方向偏摆误差均在设计和生产要求的范围内，减小了液压缸活塞杆的径向磨损，从而保证了液压缸的使用寿命。

结晶器振动将在铸坯表面产生振痕，振痕主要由负滑脱时间控制；对于不同的钢种，负滑脱时间的最优值为0.1 s左右。在采用了改进模型之后，负滑脱时间得到了很好的保证，从而有效地减小铸坯振痕，提高了铸坯质量。

(3)小方坯连铸结晶器液压振动装置以其结构简单、运行平稳、使用寿命长、维护量小等诸多优点发展前景看好，必将得到广泛应用。

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Improvement design for hydraulic vibration device of single mould

LI Xin-qiang，HE Bo，SONG Mei-juan，LIANG Zi-fu，TU Jia-jia

(China National Heavy Machinery Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710032， China)

This paper made an improvement design for original driving part, the associated mode of bolts& nuts has turned to an articulated vehicle. It bored the lateral tearing issue of piston rod, while it also prolonged the cylinder serving life. The reverse synchronous step mode ensured negative strip time, and quicken the speed, while reduced the depth of oscillation mark.

hydraulic vibration；drive modification; negative strip time

2016-10-14；

2016-11-10

李新强(1983-)，男，中国重型机械研究院股份公司高级工程师，主要研究方向冶金设备。

TF777

A

1001-196X(2017)02-00012-05