劉云峰，劉 才，張玉娟，陳化順，劉 珺

(1.燕山大學 機械工程學院，河北 秦皇島 066004;2.張家口職業(yè)技術學院，河北 張家口 07500)

0 前言

應用連鑄結晶器振動反向控制模型能在提高拉速時增大保護渣消耗量，由于在此過程中負滑動時間近似為常數(shù)，因此可以保證獲得良好的鑄坯表面質量。振痕深度、保護渣消耗量與鋼種的化學成分及所使用的保護渣、結晶器振動參數(shù)等有關，在其他條件相同的情況下，詳細研究振動參數(shù)對振痕深度、保護渣消耗的影響具有重要意義，可為振動參數(shù)的優(yōu)化、連鑄工藝的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 奧鋼聯(lián)結晶器振動反向控制模型及參數(shù)介紹

奧鋼聯(lián)結晶器振動采用反向控制模型，即在一定拉速范圍內振幅是拉速的增函數(shù)，頻率是拉速的減函數(shù)，可實現(xiàn)反向正弦與非正弦振動［1］，其控制模型及振動波形如圖1所示。此控制模型可確保負滑動時間在預先設計的整個拉速范圍內近似為一常數(shù)，有利于改善鑄坯表面質量;而正滑動時間在整個拉速范圍內會隨著拉速的遞增而變大，有利于增加保護渣的消耗量?？傊捎梅聪蚩刂颇Ｐ图瓤墒沟屠贂r的振痕淺，又能保證高拉速時的保護渣消耗量，可達到更好的冶金效果，大大減少鑄坯的粘結、漏鋼事故。

圖1 反向控制模型及其振動波形Fig.1 Inverse control model and oscillation wave form

奧鋼聯(lián)提供的反向振動模型如下

式中，s為振幅，mm;f為頻率，min－1;v為拉坯速度，m/min;C1為零拉坯速度下的振幅，mm;C2為振幅/拉坯速度因數(shù)，10－3min;C3為零拉坯速度下的頻率，次/min;C4為頻率/拉坯速度因數(shù)，次/m;C5為負滑動因數(shù);C6為非正弦因數(shù)。

C6的取值范圍為0.5～0.7，其取值決定了結晶器振動方式為正弦或非正弦振動。當C6=0.5時，振動方式為正弦振動，當0.5＜C6≤0.7時，振動方式為非正弦振動。奧鋼聯(lián)提供的非正弦因數(shù)C6與波形偏斜率α的函數(shù)關系式為

根據(jù)文獻［2］，非正弦振動的負滑動時間、正滑動時間、振動周期的函數(shù)表達式分別為

式中，tn為負滑動時間，s;tp為正滑動時間，s;tc為振動周期，s。

將式(3)代入式(4)、(5)可得到用C參數(shù)表示的正、負滑動時間如下

2 振痕間距與振痕深度

振痕間距與振痕深度是考察鑄坯表面振痕情況的兩個重要指標，尤其是振痕深度，其值的大小直接反應出鑄坯表面質量的優(yōu)劣。

隨著結晶器的周期性上下振動，在鑄坯表面會形成具有一定分布規(guī)律的振痕，振痕之間的距離——振痕間距可由下式進行計算［3］。

式中，p為振痕間距，mm;vc為拉坯速度，m/min;f為振動頻率，次/min。

振痕深度受多種因素的影響，鋼種的化學成分、潤滑方式、保護渣的粘度、結晶器的振動方式與振動參數(shù)等都會影響振痕的深度。大量研究指出，采用相同的潤滑方式、保護渣的粘度澆注特定的鋼種時，振痕深度與振動工藝參數(shù)相關，振痕深度隨著負滑動時間的增大而增大，如圖2所示［4］。

振痕深度與負滑動時間的關系由下式給出［3］

式中，d為振痕深度，mm;k為比例常數(shù)，(N/s)1/2;tn為負滑動時間，s;η為保護渣粘度，Pa·s。

圖2 振痕深度與負滑動時間之間的關系Fig.2 Relationship between the depth of oscillation marks and the negative strip time

3 保護渣消耗

充足的保護渣消耗量確保結晶器內壁與鑄坯之間有足夠厚度的渣膜，并是結晶器內壁與鑄坯潤滑良好的前提，關于渣膜是在結晶器振動周期的哪段時間里形成的，目前尚無統(tǒng)一意見，多數(shù)研究學者認為渣膜是在正滑動時間形成的，也有人認為熔渣在正、負滑動時間有流入。Jun-ichi OHTAKE等通過實驗證明，熔渣在一個振動周期內均有流入，只是與負滑動時間相比，熔渣在正滑動時間里流入速度明顯要快，流入量明顯要大［5］。連鑄結晶器最佳振動模式確定原理如圖3所示。由圖3可知，正滑動時間的增大有助于保護渣消耗量的增加，從而使得液渣膜厚度增大，鑄坯與結晶器之間的液體摩擦力減小，潤滑改善。

圖3 連鑄結晶器最佳振動模式確定原理Fig.3 Determination principle of the best oscillationmode of continuous casting

張洪波提出了一種保護渣消耗機制，其認為保護渣消耗量與正滑動時間成正比，與拉速、保護渣粘度成反比，并給出了保護渣消耗量的計算式［6］，如

式中，Q為保護渣消耗量，kg/m2;k為比例常數(shù);tp為正滑動時間，s;η為保護渣粘度，Pa·s;vc為拉坯速度，m/min。

4 振動參數(shù)的優(yōu)化研究

負滑動時間的大小會影響振痕深度，為了減小振痕深度，應設法降低負滑動時間。連鑄結晶器振動采用反向控制模型，其振幅、頻率、波形偏斜率由6個振動參數(shù)決定，這為工藝參數(shù)的在線優(yōu)化調整提供了方便。在實際澆注中，只需合理調整這6個參數(shù)即可減小鑄坯表面振痕深度，提高鑄坯表面質量。因此，有必要深入研究振動參數(shù)對振痕深度的影響，以便為振動參數(shù)的優(yōu)化調整提供理論依據(jù)。

結晶器振動工藝效果通常由振動工藝參數(shù)來表示，主要包括負滑動時間tn、正滑動時間tp、負滑動率NS、負滑動時間比率NSR、負滑動超前量NSA和正滑動速度差△v等，制定工藝時通常以tn和tp為主。研究表明，振痕深度隨著負滑動時間的減小而減小［7-8］，保護渣消耗量隨著正滑動時間的增大而增大［9-10］，通過選擇合適的保護渣與負滑動時間可減小鑄坯表面振痕深度。在所使用保護渣相同的情況下，通過合理優(yōu)化調整振動參數(shù)C來降低負滑動時間、增大正滑動時間，可達到減小鑄坯表面振痕深度、改善潤滑、優(yōu)化鑄坯表面質量的目的。

圖4～圖13分別是負滑動時間tn和正滑動時間tp與振動參數(shù)C及拉速vc的函數(shù)關系圖。

圖4 負滑動時間tn與C1、拉速vc關系圖Fig.4 Relationship among the negative strip time tn，C1and vc

圖4～圖13是通過穩(wěn)定其中5個振動參數(shù)來研究正、負滑動時間與另外一個振動參數(shù)及拉速的關系。若改用其他組振動參數(shù)，各振動參數(shù)對正、負滑動時間的影響規(guī)律相同。

圖4、圖5分別為C2=4(10－3min)、C3=170次/min、C4=10次/m、C5=0、C6=0.5時，負滑動時間tn和正滑動時間tp與C1及拉速vc的函數(shù)關系圖。由圖4、圖5易知，在拉速vc的選擇區(qū)間內，減小C1可使負滑動時間tn減小，有利于減輕振痕、改善鑄坯表面質量;同時可使正滑動時間tp增大，增加保護渣消耗量，改善潤滑。

圖6、圖7分別為C1=3 mm、C3=170次/min、C4=－10次/m、C5=0、C6=0.5時，負滑動時間tn和正滑動時間tp與C2及拉速vc的函數(shù)關系圖。由圖6、圖7易知，在拉速vc的選擇區(qū)間內，減小C2可使負滑動時間tn減小，有利于減輕振痕、改善鑄坯表面質量;同時可使正滑動時間tp增大，增加保護渣消耗量，改善潤滑。

圖8、圖9分別為C1=3 mm、C2=4(10－3min)、C4=－10次/m、C5=0、C6=0.5時，負滑動時間tn和正滑動時間tp與C3及拉速vc的函數(shù)關系圖。由圖8、圖9易知，在拉速vc的選擇區(qū)間內，減小C3可使正滑動時間tp增大，增加保護渣消耗量，改善潤滑;但同時也帶來了負滑動時間tn增大的負面影響，使得鑄坯振痕變深;減小C3可使振動頻率減小，使得結晶器振動平穩(wěn)，提高其使用壽命。減小C3致使負滑動時間tn增大，可通過調整其它參數(shù)進行彌補。

圖10、圖11分別為C1=3 mm、C2=4(10－3min)、C3=170次/min、C5=0、C6=0.5時，負滑動時間tn和正滑動時間tp與C4及拉速vc的函數(shù)關系圖。由圖10、圖11易知，在拉速vc的選擇區(qū)間內，減小C4可使正滑動時間tp增大，增加保護渣消耗量，改善潤滑;但同時也帶來了負滑動時間tn增大的負面影響，使得鑄坯振痕變深;減小C4可使振動頻率減小，使得結晶器振動平穩(wěn)，提高其使用壽命。減小C4致使負滑動時間tn增大，可通過調整其它參數(shù)進行彌補。

通常情況下，C5一般均設置為0，本文不考慮其對振動工藝參數(shù)的影響。

圖12、圖13分別為C1=3 mm、C2=4(10－3min)、C3=170次/min、C4=－10次/m、C5=0時，負滑動時間tn和正滑動時間tp與C6及拉速vc的函數(shù)關系圖。由圖12、圖13易知，在拉速vc的選擇區(qū)間內，增大C6可使負滑動時間tn減小，且減小幅度較大，有利于減輕振痕、改善鑄坯表面質量;同時可使正滑動時間tp增大，增加保護渣消耗量，改善潤滑。

總之，須結合生產(chǎn)實際情況綜合調整以上6個振動參數(shù)，優(yōu)化出適合某一特定鋼種的一組振動參數(shù)，使其振痕較淺、鑄坯表面質量較好、符合實際生產(chǎn)要求。

5 高碳鋼振動參數(shù)的優(yōu)化

某鋼廠生產(chǎn)高碳鋼所使用的振動參數(shù)見表1。針對高碳鋼保護渣消耗較低的現(xiàn)象，在結晶器保護渣使用型號不變的條件下，按照上述分析規(guī)律對振動參數(shù)進行了優(yōu)化調整，調整后的振動參數(shù)見表2。

表1 原生產(chǎn)高碳鋼用振動參數(shù)Tab.1 Oscillation parameters of high carbon steel

表2 優(yōu)化調整后的振動參數(shù)Tab.2 Optimized oscillation parameters

根據(jù)式(7)、(8)計算可得出振動參數(shù)優(yōu)化前后對應的正、負滑動時間對比見表3、表4。

表3 振動參數(shù)優(yōu)化前、后對應的正滑動時間tp對比Tab.3 Comparison of tpbefore optimization and after optimization

表4 振動參數(shù)優(yōu)化前、后對應的負滑動時間tn對比Tab.4 Comparison of tnbefore optimization and after optimization

由表3、表4可知，在拉速增大時，負滑動時間近似為常數(shù)，有利于得到振痕深度均勻鑄坯表面;在拉速增大時，正滑動時間增大，可有效彌補由于拉速增大引起的保護渣量降低;振動參數(shù)優(yōu)化前后負滑動時間變化微小，而正滑動時間增大，因此振動參數(shù)優(yōu)化后會使得保護渣消耗增大，而振痕深度變化極小。

基于優(yōu)化后的振動參數(shù)，根據(jù)公式(11)，計算保護渣消耗量，其結果如見表5。

表5 振動參數(shù)優(yōu)化前、后保護渣耗量Q的對比Tab.5 Comparison of Q before optimization and after optimization

由表5可知，振動參數(shù)經(jīng)優(yōu)化調整，在拉速0.6～1.0 m/min范圍內保護渣消耗提高25%左右。

振動參數(shù)優(yōu)化后經(jīng)現(xiàn)場使用反饋，保護渣消耗量偏低的現(xiàn)象得到了明顯改善，證明振動參數(shù)的優(yōu)化起到了一定的作用。但據(jù)反映，改善效果沒有計算的(提高25%左右)那么好，這可能與所使用的保護渣消耗量計算公式不準確等其他因素有關，尚需進一步研究。

6 結論

(1)結晶器振動反向控制模型由于在拉速增大時振幅隨著拉速的增大而增大，而頻率呈下降趨勢，使得負滑動時間近似為恒值，正滑動時間增大，有利于改善鑄坯表面振痕深度，增加保護渣消耗量。

(2)振痕深度、保護渣消耗量與負滑動時間、正滑動時間有關，為連鑄工藝的優(yōu)化提供了便利。

(3)研究振痕深度、保護渣消耗量與反向控制模型C參數(shù)的關系，指出了振動參數(shù)優(yōu)化的方向。

(4)針對某鋼廠高碳鋼保護渣消耗偏低的現(xiàn)象進行了振動參數(shù)的優(yōu)化，經(jīng)優(yōu)化保護渣消耗得到了明顯的改善。為了進一步改善保護渣的消耗量，選擇低堿度、低粘度的保護渣可確保充分的渣耗量和潤滑，此外根據(jù)實際生產(chǎn)情況適當降低拉坯速度也同樣有利于保護渣的消耗。

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