连铸机结晶器振动装置动态性能分析

徐伟

（武汉大西洋连铸设备工程有限责任公司，湖北 武汉 430000）

时代变化的过程中，连铸技术呈现先进性和多样性，连铸生产中可采用的新工艺、新设备越来越多，为符合人们对产品的需求，企业需结合自身情况，不断优化工艺流程，选配新型设备。结晶器振动装置易引发铸坯表面的质量问题，为减少这一方面的问题，生产期间相关人员需尤其关注结晶器振动装置的动态特性，在此前提下进行必要的改进，以提高生产效率、质量。目前行业内在连铸机结晶器振动装置的动态特性方面展开了大量的研究，未来需持续在这一方面展开研究与分析，为工艺改进提供借鉴。

1 连铸机结晶器振动装置的基本概述

连铸生产过程具有复杂性、专业性，在整个生产过程中的技术要求高。结晶器振动装置具有不可替代性，从生产的全过程来看，通过配备和操作该装置，能预防拉坯时坯壳与结晶器之间的黏结，确保铸坯表面质量达到相应规定。结晶器呈现向上运动的状态时，因为有振动装置，新生坯壳与铜板黏结问题得以缓解，也能避免坯壳上应力过度集中或者过大，对预防铸坯表面的裂纹相对有效。如结晶器呈向下运动状态，由于存在摩擦作用力，能同步给坯壳施加压力，自动修复结晶器向上时拉出的裂痕。但需尤其注意，向下运动的速度必须超过拉坯速度，构成负滑脱。结晶器铜板与运动坯壳之间有摩擦力，在此摩擦作用下可能导致坯壳上的裂纹，在后续浇注作业中，也需考虑摩擦力大小来调整浇注速率。初生坯壳与结晶器铜板之间有液体渣膜，该部位虽同样存在一定的摩擦力，但依据其作用情况，属于黏滞摩擦，也就是说，摩擦力与相对运动速度之间为正向变化关系，而渣膜黏度与渣膜厚度之间为反比。综合上述分析，如结晶器振动装置处于正滑脱条件，摩擦力会对坯壳产生较大的拉应力，如此应力超出了坯壳自身的可承受极限，在表面将出现或大或小的裂纹。因此，实际的工作中相关人员需分析连铸机结晶器振动装置的动态特性，在此基础上减小上述摩擦力作用，保障铸坯表面质量。

结晶器非正弦振动尚未出现之前，大部分连铸机结晶器振动装置均为机械式结构，这类型装置在运行过程中由直流电动机驱动，使装置进入运行状态，借助万向联轴器，在两端转动2个涡轮减速机，但两端构成不同，一端配备有可调节轴套，涡轮减速机后可由万向联轴器辅助，与两个滚动轴承的偏心轴可靠连接，每个偏心轮部位配备有曲柄，该曲柄有滚动轴承，此轴承的振动连杆能起到支撑作用，增强振动台结构的整体稳定性，并同步引发或大或小的振动现象。机械振动属于正弦曲线振动，振动期间的波形、振幅在任何情况下都无波动。以某企业为例，其结晶器振动系统为机械驱动，具有一系列不足：振动力从两点逐步传给结晶器，整个传力更为复杂，不能遵循均匀性规定；在高频振动条件下，无法维持相对平稳的运行状态，无论处于高频还是低频状态，振动导向与实际的偏差都相对较大；结构复杂，传力流程多，后续的对中调整、维护工作量大且操作不易；控制效率低且可靠性不足，受外部因素干扰大，无法长时间保持稳定的振动波形条件；不能根据需求调整振动曲线，不具备在线设置振动波形功能。

2 结晶器振动装置的动态性能

2.1 设备故障率高，维护工作量大

此连铸机结晶器振动装置为机械振动，主要构成部分为电机、减速机、传动轴、偏心装置。随着该装置使用时间的延长，将伴随着一定的机械磨损现象，不利于保障装置的运行可靠性。依据实际情况，在长期运行中该设备的振动均匀性不足，偏摆较大，液面频繁变化，忽高忽低，如未及时处理这一故障，随着生产作业的实施可能发生漏钢现象，导致铸机运行中的风险增大，不利于提高生产效率与产品质量。为此，当铸机停浇以后，企业选派专业人员来检查设备的间隙，并从安全性与可靠性角度适当调整间隙。另外，考虑到设备使用过程中有维护要求，振动装置每间隔一段时间应检修，更换装置中的损坏、老旧零部件，但在此检修过程中，每次停机时间长达24h，停机时间长且维护工作量大，给生产带来了负面影响。

2.2 不具备在线调整功能

正弦振动振幅长时间保持稳定状态，几乎无任何变化，振动曲线也不变，在连铸作业中无法以钢种、浇注温度、浇注速度等为依据，合理调整振动曲线及振幅，生产中的灵活性、便捷性不高，常常面临诸多的生产难题。此外，随着装置运行时间的延长，其精度显著降低，控制模块无法利用既有信号、数据来调节振动参数，结晶器振动装置的振幅、负滑脱时间、正滑脱时间等难以达到实际的生产需求，随着生产作业的持续开展，出现黏结漏钢、夹渣漏钢等现象的概率较高。总之，机械振动装置存在功能缺陷，主要表现在无法实现振频、振幅的在线实时调整，在面临连铸钢种、拉速等情况下，装置无法立即调整，还需立即停机调整偏心机构，调整流程复杂且响应速度慢。

2.3 偏心机构磨损大，设备精度偏低

当连铸机结晶器振动装置投入使用后，随着使用时间的延长，偏心机构将出现越来越严重的损耗现象，而此现象如未及时调整，将在无形中降低设备精度，不利于连铸作业的顺利实施。

3 结晶器振动装置的改造

3.1 电动缸非正弦振动系统

3.1.1 工作原理

电动缸非正弦振动系统迎合了现代化生产的需求，为与当下的行业生产标准相一致，在其中不仅包含原有技术，更融入了现代计算机技术、数字交流伺服控制技术，在这些技术的支持下，系统具备自动化控制功能，可由计算机软件产生控制板坯结晶器振动的波形曲线，这一过程中几乎不需要人工控制与操作。参考当下生产中的工艺规定，给既定函数的各个变量取值，参考其他已知量控制结晶器上下振动情况，确保振动波形的频率、振幅、负滑脱时间、正滑脱时间等符合相应的规定，形成完全适用的结晶器振动轨迹。

3.1.2 系统构成

电动缸非正弦振动系统的结构构成较为简单，除了机械部分就是电控部分。机械部分在原有振动台基础上进行了些微改造，振动框架与底座维持原状，在振动台的内外弧位置安装电动缸，此改造步骤完成后，电动缸能作为振动动力源，驱动振动台。振动台的内外弧、左右侧弧位置都分别有一组板簧，在装置运行过程中板簧能正常导向。振动台附件装置中包含润滑管、气管、水管、缓冲弹簧等。电控部分包含驱动器、工控机、PLC设备、控制软件，在系统进入工作状态时，计算机计算得到与工艺要求完全相匹配的波形，再经由合成软件实现波形的数字化处理，得到的结果再反馈给运动控制器，PLC模块依据拉速信号、操作箱上的开关信号将有关结果上传给工控机、运动控制器，驱动器进一步转化信号最后输出给电动缸，由电动缸完成上下振动的调节与控制。

3.1.3 电动缸类型及其特点

连铸机结晶器电动缸振动装置主要由电动缸、连杆组、振动台等组成。其中，电动缸通过电机驱动，产生往复直线运动；连杆组将电动缸运动传递到振动台上。

连铸机结晶器电动缸振动装置的原理是利用电动缸的往复直线运动产生振动力，进而影响结晶器表面的结晶凝固过程。电动缸的往复运动使得连杆组带动振动台作直线振动，从而在结晶器内造成脉动效应。其工艺特性如下：（1）提高结晶器性能，连铸机结晶器电动缸振动装置通过振动力的作用，能够调节结晶器内的流体流动状态，改善结晶凝固过程，提高结晶器的性能和产品质量。（2）优化结晶形貌，振动装置可以改善结晶器内的结晶形貌，使其更加均匀、细致，减少晶粒的夹杂物和缺陷，提高金属产品的质量。（3）增加晶核密度，振动装置产生的脉动效应有助于增加结晶器内的晶核密度，促进结晶过程的启动和发展，有利于提高连铸效率。（4）灵活性和可调节性，振动装置能够根据生产需要进行调节，通过改变振动频率、振幅等参数，以适应不同金属合金的连铸工艺要求。（5）稳定性和可靠性，振动装置采用稳定的电动缸和连杆组设计，具有较好的稳定性和可靠性，能够长时间、持续地工作。

连铸结晶器电动缸具有极强的自平衡能力，可从多个方面提高结晶器的整体稳定性。另外，连铸结晶器电动缸的耐腐蚀性能较好，在使用过程中几乎无腐蚀现象。连铸结晶器电动缸的抗冲击能力也相对理想，即使在外部较大的作用力下，电动缸的性能也几乎不受影响。

3.2 改造方案与内容

机械振动装置的规模庞大，其前期投资较大，后续投入运营后的费用异常高，为减少运行中的异常情况，必须由专业人员做好维护工作，如在现代化生产条件下继续采用该装置，将暴露该装置的诸多不足。电动缸非正弦振动装置的结构简单，后续使用后的维护工作量小，即使为满足现代化生产需改造该装置，改造工作量也相对较小，仅需在原振动台上完成相应的优化与调整即可。如在原振动台的四周位置，增设4个支座，为电动缸安装提供便捷，取消原机械传动装置，在振动台的合适位置布置电动缸用水、气和油管路，增设缓冲弹簧、板簧等专业化配件，并同步设置振动控制系统。经由上述专业化改造后，振动台与结晶器、振动底座的有关尺寸维持原状，最大程度上提高了现有设备的综合利用率，能节约设备的前期投资，降低改造难度。

3.3 应用效果

3.3.1 系统运行稳定，故障率低，维护量小

当该企业采用了电动缸非正弦振动系统后，系统长时间保持最佳的运行状态，整体稳定性显著增强，除了电动缸质量问题外，再未发生任务故障，故障率大大降低。另外，该系统投入使用后的操作简单，维护工作量小，专业人员只需在开浇前检查水、气、润滑等是否符合要求，并定时清理振动台的渣子、更换板簧等附件即可。依据实际的使用情况，如无异常情况，电动缸的使用寿命能超过4年。

3.3.2 提高铸坯表面质量

经由本次改造后，电动缸非正弦振动系统有利于提高铸坯表面质量。因为该系统中采用了全新的工艺与技术，原先机械振动下铸坯表面有较深的振痕，而在采用了改造后的电动缸非正弦振动系统，明显改变了此现象，更有利于达到铸坯的质量目标。

3.3.3 铸坯检验合格率提高，裂纹缺陷减少

在电动缸非正弦振动系统投入使用一段时间后，相关部门统计了有关数据，发现利用了该装置后，裂纹坯明显减少，铸坯质量更高。

3.3.4 设备控制精度高，振动均匀且平稳

电动缸非正弦振动系统中综合应用了计算机技术、数字交流伺服控制技术，在这些技术的高度结合下，可高效、精确控制振动参数，四支电动缸在振动过程中可参考相位差情况完成自动补偿，有利于提升振动的均匀性与稳定性，减小液面波动。另外，电动缸非正弦振动系统不仅能提高拉速，还能增大保护渣的消耗量，确保结晶器润滑条件符合相应的规范与标准，从源头上避免出现漏钢问题。

4 结语

当下技术进步的过程中，连铸工艺越发成熟。结晶器振动装置的动态特性会影响生产作业的安全性、产品质量的合格性，为了有效减小这些影响，相关人员需增强对结晶器振动装置动态特性的分析与研究，采取专业化改造措施。