非正弦振動結晶器內保護渣道動態壓力變化規律

王宏明，宋邦民，李桂榮，趙玉濤

(江蘇大學 材料科學與工程學院，江蘇 鎮江，212013)

連鑄結晶器非正弦振動能在高拉速下保證結晶器振動的平穩性，有效減小鑄坯表面振痕和控制皮下夾渣等缺陷，并有利于增加保護渣流量，從而使潤滑效果提高，減少漏鋼事故率，是發展高效連鑄的關鍵技術[1]，因此，選擇與拉坯速度相匹配的結晶器振動參數對提高鑄坯質量和連鑄效率都具有重要意義[2]。由于結晶器振動使保護渣道壓力呈周期性變化，且正是該周期性變化的渣道壓力對連鑄坯質量、拉坯阻力、渣流量、撕裂坯殼的愈合等起決定性影響[3]，因此，必須優化振動參數以將保護渣道壓力控制在合理范圍，使保護渣既能起到好的潤滑效果，減小拉坯阻力，防止坯殼裂紋和拉坯漏鋼，又能保證脫模和最大限度地減輕振痕[4-5]。由于保護渣道寬度在10-2～10-1mm數量級，難以直接進行精確測量[6]，Kajitani等[7-8]建立了忽略結晶器振動的渣道壓力計算模型，研究了渣流量和黏度對渣道壓力的影響；Lei等[9]建立模型研究了磁場對渣道壓力的影響，但同樣沒有考慮結晶器振動條件。本文作者結合結晶器非正弦振動規律和保護渣潤滑理論，建立了保護渣道壓力計算模型，研究結晶器非正弦振動參數及拉坯速度對渣道動態壓力的影響，以便為優化結晶器非正弦振動技術提供參考。

1 結晶器非正弦振動速度規律確定

圖1所示是結晶器振動速度和位移變化曲線。振動速度曲線由水平段bc、拋物線段cd、余弦段deg、拋物線段gj、水平段jl光滑連接組成。結晶器振動速度vm的表達式為[10]：

式中：v為最大上振速度，m/min；k為系數；s為振幅，m；f為振頻，min-1；t為時間，min；α為非正弦因子，α=4tmf；tm為非正弦振動最大位移滯后時間，min；f1為拋物線速度段頻率，min-1；tc，td，tg，tj分別為振動速度曲線中c，d，g，j點時間，s。從式(1)～(8)可知：非正弦振動波形由α，f和s 3個獨立變量確定。

圖1 結晶器振動速度曲線和位移曲線Fig.1 Curves of mold oscillation speed and position

2 保護渣道動態壓力計算模型

圖2所示是保護渣道示意圖。保護渣流入由結晶器和凝固殼構成長度為 lf、入口寬度 hi、出口寬度 hf的保護渣道。

圖2 保護渣道模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of flux channel model

2.1 控制方程

保護渣道內渣流動的動量方程為[11]：

式中：p為保護渣道內壓力，Pa；μf為保護渣黏度，Pa·s；ρf為保護渣密度，kg/m3。

保護渣相對流量QR滿足連續性方程：

式中：ux為保護渣相對流速，ux=vf-vs；νf和νs分別為保護渣流速和拉坯速度，m/s；h(x)為渣道形狀函數。

2.2 邊界條件確定與求解

結晶器壁面 (y=0，0＜x＜lf): ux=vm-vs；

凝固坯殼壁面 (y=h(x)，0

渣道入口 (x=0，0≤y≤hi): p=pi；

渣道出口 (x= lf，0≤y≤hi): p=pf。

聯立式(9)和(10)，積分后代入邊界條件可推導出保護渣道壓力計算方程為：

3 計算結果與分析

根據國內某鋼廠板坯連鑄機工藝條件，確定計算基本參數見表1。研究非正弦振動參數非正弦因子α、振幅s、振頻f以及拉坯速度vs對保護渣道動態壓力的影響。

3.1 非正弦因子對振動速度及渣道壓力的影響

圖3所示是α在0～0.396范圍內變化對結晶器振動速度的變化。從圖3可見：隨著α增加，結晶器最大上振速度減小，上振過程平緩，正滑脫相對速度差減小，而且由于正滑動時間延長，可有效增加保護渣消耗量，提高潤滑效果，所以，α增加可以保證高速連鑄時的結晶器振動的穩定性和潤滑，顯著降低結晶器壁與坯殼間的最大摩擦力，減小最大拉坯阻力以控制初凝坯殼裂紋和拉漏[12-13]；同時，負滑脫時間縮短，最大負滑脫速度增加，在較短的負滑脫期內產生更高的負滑脫量，對初凝殼施加壓應力達到強制脫模和使裂紋愈合的目的，解決了高速連鑄脫模困難的問題，而且負滑脫期短，可以提高鑄坯表面質量。這是高速連鑄采用非正弦振動的優勢之一。

圖4所示是不同α時保護渣道壓力隨高度和時間的變化。由圖4可知：結晶器振動負滑脫期渣道內最大正壓力隨著α增加而增加，且增加幅度隨α增加而增大；正滑脫期內渣道最大負壓隨α增加而減小，其減小的幅度也隨著α增加而減小。振動負滑脫期渣道正壓力的作用是強制坯殼脫模、愈合撕裂的坯殼，防止拉坯漏鋼，但正壓過大則易導致鑄坯表面振痕加深、表面夾渣等缺陷，降低鑄坯質量；振動正滑脫期渣道負壓力的作用是增加保護渣流量，提高潤滑效果，降低拉坯阻力[11]。α增加使負壓減小，但使渣道呈負壓狀態的時間延長，所以，α從0增加到一定值時，渣流量增加。α的選擇應使渣道內正負壓力波動控制在合適的范圍，同時延長正滑脫時間以增加渣流量，并縮短負滑脫時間以提高鑄坯表面質量。因此，在該拉速及振幅振頻參數下，α的最佳值約為0.2[14]，此時，渣道正負壓都在合理范圍內，且最大正負壓差最小。

表1 基本計算參數Table 1 Main parameters in calculation model

圖3 不同α時結晶器振動速度的變化Fig.3 Variations of mold oscillation speed at different non-sinusoidal factors

圖4 不同α時保護渣道壓力隨高度和時間的變化Fig.4 Variations of pressure of flux channel with height and with time at different non-sinusoidal factors

3.2 振幅變化對渣道壓力變化規律的影響

圖5 所示是振幅s變化對渣道壓力變化規律的影響。由圖5可知：隨著振幅增加，保護渣道內正滑脫期的最大負壓和負滑脫期的最大正壓都增加，在1個振動周期內，渣道動態壓力的波動范圍增加，有利于鑄坯的脫模、愈合撕裂的坯殼和增加保護渣流量，提高潤滑效果，減少拉坯漏鋼事故。但動態壓力波動增加，不利于金屬彎月面的穩定并影響鑄坯表面質量，所以，在保證脫模和潤滑的前提下，應盡量采用小振幅振動。此外，振幅增加使渣道最大正壓增加的幅度明顯高于負壓的增加幅度，說明振幅對最大正壓有更重要影響；因此，當鑄坯表面振痕較深時，應適當降低振幅，同樣，當發生脫模困難時，增加振幅是一種有效措施，但要考慮振幅增加對鑄坯表面質量產生的不利影響。

圖5 振幅變化對保護渣道壓力的影響Fig.5 Effects of stroke of mold oscillation on pressure of flux channel

3.3 振頻變化對渣道壓力變化規律的影響

圖6 所示是振頻f變化對渣道壓力的影響。由圖6可知：振頻增加使保護渣道內負滑脫期的最大正壓明顯增加，但正滑脫期的最大負壓增加很小，這說明增加振頻對強制脫模、愈合拉裂的坯殼有重要作用，但正壓過大也對鑄坯表面質量有不利影響。因此，對于高速連鑄機結晶器，采用高頻小振幅振動[15]可以有效脫模、防止拉裂和漏鋼事故，但振頻不宜過高。因為振頻增加使渣道正壓明顯增加，對負壓影響很小，不利于增加渣流量，使潤滑效果差而影響鑄坯表面質量，因此，應根據渣道壓差控制振頻在合理范圍內。

圖6 振頻變化對保護渣道壓力的影響Fig.6 Effects of frequency of mold oscillation on pressure of flux channel

3.4 拉速變化對渣道壓力變化規律的影響

圖7 所示是拉坯速度變化對渣道壓力的影響。由圖7可知：拉坯速度增加，振動負滑脫期的最大正壓減小，而振動正滑脫期的最大負壓增加。因此，增加拉速可以增加保護渣的流量，但正壓減小不利于鑄坯脫模和拉裂坯殼的愈合。故拉速提高時，應適當增加振幅以增加負滑脫時的正壓，保證脫模和防止拉漏事故，同時，可以增加正滑脫期的負壓以增加保護渣流量，提高潤滑效果，減少拉坯阻力，從而提高鑄坯質量。

圖7 拉坯速度變化對保護渣道壓力的影響Fig.7 Effects of casting speed on pressure of flux channel

3.5 優化振動參數下保護渣道壓力規律

根據以上分析，對國內某鋼廠SPHC鋼板坯連鑄機振動方式進行了優化，圖8所示為實際優化工藝參數條件下保護渣道壓力的比較結果。由圖8可知：拉坯速度由1.8 m/min提高到2.0 m/min，通過增加振幅(4.0～4.5 mm)和降低振頻(165～155 min-1)，使保護渣道正壓基本相等，產生的負滑脫起到強制脫模和愈合撕裂坯殼的作用；拉速提高時，渣道的負壓適當增加，以增加保護渣流量，提高潤滑效果。在實際生產中，當連鑄機采用上述2種工藝參數時，鑄坯的表面質量較采用正弦振動時有明顯提高，振痕平均深度減小50%以上，完全消除了振痕波谷處的微裂紋，并有效

控制了板坯表面夾渣現象，同時，保護渣消耗量增加25%左右，明顯提高了潤滑效果，尚未發生拉坯漏鋼事故。這說明上述2種拉速下的振動參數合理可靠，也說明本模型及分析的合理性和可靠性。

圖8 實際優化工藝參數下保護渣道壓力的比較Fig.8 Comparisions of pressure of flux channel at practical optimum mold oscillation parameters

4 結論

(1) 隨著非正弦因子α增大，渣道內最大正壓增大，其增加幅度隨著α增大而增大；渣道最大負壓隨著α增大而減小，其減小的幅度隨α增大而減小。α的選擇應使渣道內正負壓力波動控制在合適的范圍內，同時延長正滑脫時間以增加渣流量，并縮短負滑脫時間以提高鑄坯表面質量。α的最佳值約為 0.2，渣道正負壓都在合理范圍內，且最大正負壓差最小。

(2) 隨著振幅增加，最大正負壓都增加，有利于鑄坯的脫模、裂紋愈合和增加渣流量。但動態壓力波動范圍增大，彎月面波動加劇而降低鑄坯質量，在保證脫模和潤滑的前提下，應盡量采用小振幅振動。振幅對最大正壓有更大影響，當振痕較深時，應適當降低振幅；當發生脫模困難時，增加振幅是一種有效措施。

(3) 振頻增加使最大正壓明顯增加，最大負壓增加很小，增加振頻對強制脫模、愈合拉裂的坯殼有重要作用。高速連鑄結晶器采用高頻小振幅振動可以有效脫模、防止拉裂和漏鋼事故，但振頻過高會影響鑄坯表面質量。

(4) 隨著拉坯速度增加，最大負壓增加，可以增加保護渣的流量，而最大正壓減小，不利于鑄坯脫模和拉裂坯殼的愈合；因此，拉速提高，應適當增加振幅和降低振頻，以增加最大正壓保證脫模和防止拉漏事故發生。

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