結晶器液壓振動技術應用分析

張作品

(秦皇島首秦金屬材料有限公司，河北 秦皇島 066326)

1 前言

首秦公司連鑄作業區共有3臺板坯連鑄機，1#板坯連鑄機采用國內自主設計建設，結晶器振動裝置使用四連桿機構，采用機械式振動裝置。2#板坯連鑄機引進了西馬克公司開發的結晶器液壓振動系統。3#板坯連鑄機從奧鋼聯公司(VAI)引進，配備了奧鋼聯自主獨立開發的結晶器液壓振動系統。

結晶器振動是連鑄的核心關鍵技術。振動的主作用是防止鑄坯在凝固過程中與結晶器銅壁發生粘結出現坯殼拉裂或漏鋼事故、減少拉坯時的摩擦阻力及改善鑄坯的表面質量。實踐證明，高頻率、低振幅振動方式的選用，可以使振痕變淺，有效控制橫向裂紋。結晶器液壓振動技術是通過電液伺服系統控制技術，使結晶器根據系統工作的不同振動曲線實時振動，以保障鋼坯結晶效果。本文通過分析結晶器液壓振動技術在首秦連鑄系統的應用狀態，并對比1#板坯連鑄機結晶器的機械振動控制技術的特點，闡述液壓振動控制技術在結晶器振動控制中的效果。

2 結晶器液壓振動控制技術概述

2.1 液壓振動的總體構成

首秦連鑄機的液壓振動總成主要部件包括：結晶器、導向定位、振動臺、振動框架、板簧、振動液壓系統等。工作機理是振動信號通過伺服閥控制油缸動作，帶動振動臺振動，從而帶動結晶器振動，連接臺架的板簧具有蓄能作用。結構如圖1所示。

2.2 液壓系統及工作原理

結晶器液壓振動系統包括振動液壓裝置、液壓站、液壓系統輔助控制裝置和連接管路。液壓站是整個系統的動力部分，液壓系統輔助控制裝置主要起到提高振動液壓裝置工作性能的作用。如圖2所示。

圖1 液壓振動結構圖

圖2 結晶器液壓振動系統示意圖

振動液壓裝置主要功能是驅動結晶器振動，由振動伺服液壓缸(帶位移傳感器)、壓力傳感器、電液伺服閥等組成。具體構成如圖3所示。

圖3 振動液壓裝置示意圖

結晶器液壓振動液壓系統是典型的液壓伺服系統。

如圖4所示，液壓缸是實現垂直往復運動的執行元件；傳感器測量活塞桿位移并轉變為反饋信號，與閥芯位移的輸入信號通過比較元件比對，計算出開口量偏差信號；伺服閥的作用是將閥芯運動的極小功率放大為活塞桿運動時所需的極大功率。

圖4 結晶器液壓伺服系統工作原理框圖

實際的液壓振動控制系統原理為圖5所示。

2.3 控制系統特性分析

液壓振動控制系統由驅動放大器，鑄流控制器和伺服閥等組成，驅動放大器可與伺服閥的開口量大小形成反饋，使伺服閥的輸出流量與閥的控制電壓（或電流）輸入成正比，伺服閥在開度最大時的流量與壓力的關系為：

圖5 液壓振動控制原理圖

傳遞函數為：

由上式可知：伺服閥和放大器形成閉環流量或電壓內環，液壓油缸和伺服閥組成一個Ⅰ型閉環系統，代入正常工作值后，其閉環傳遞函數為：

若給定信號的最大電壓為12V，假設伺服閥的振幅最大值為6mm，最大位移量為12mm，伺服閥的反饋系數為：

2.4 首秦3#機液壓振動技術的實際應用

首秦公司3#機連鑄機結晶器振蕩器以不同的頻率和幅度使結晶器上下往復運動，防止鋼水粘結到結晶器銅板上。振蕩運動由液壓缸完成，振蕩行程（幅度）根據液壓缸位置設定點幅值而改變。振蕩設定點主要有振蕩行程（mm）、振蕩頻率f（1/min）、“非正弦”因數n（描述振蕩波形）。這些設定點根據冶煉鋼種和坯型特點通過數字觸摸板在合適的設定表段輸入。設定點采用所選參數，不受澆鑄速度影響。激活相應的觸摸段可以停止振蕩。在振蕩器“運行”（振蕩啟動后）時，所有設定點都可以更改。通過設定，可實現振動行程0～12mm（±6mm）；振動頻率設計最小值0次/分鐘，設計最大值400次/分鐘，具體的操作上要求最小振動頻率達到40次/分鐘；振動曲線可實現正弦波和非正弦波，非正弦系數為 0．3到 0．7。

實際運行中，如圖6所示，振蕩模式允許振蕩按照輸入的表號和澆鑄速度進行，如果信號“啟動振蕩器”時邏輯1，振蕩自動啟動（一般在澆鑄模式下每次拉坯傳動啟動時）。設定點遵照所選參數表和澆鑄速度。操作啟用閥在振蕩器啟動瞬間是開啟的（上電），在振蕩器停止振蕩后是關閉的（下電）。如果信號“啟動振蕩器”是邏輯0，振蕩自動停止。在振蕩器“運行”（振蕩啟動后）時，所有設定點都可以更改。

圖6 振蕩模式的選擇

3 結晶器液壓振動技術應用效果分析

3.1 液壓振動機構的特點

結晶器液壓振動控制機構在鑄坯澆鑄中，能準確控制和調整振動頻率、振動行程、振動速度變化規律。該系統通過編程控制軟件，容易實現非正弦曲線，摩擦減少，降低漏鋼風險。液壓振動控制使負滑動時間縮短，鑄坯振痕深度變淺，更加規則，鑄坯表面質量由所提高。同時它控制精度高，響應速度快，與0號扇型段連接簡單，能夠快速更換。

3.2 液壓振動裝置與機械振動裝置性能比較

首秦1#板坯連鑄機的結晶器振動裝置采用機械振動裝置。該振動裝置對比液壓振動裝置使用不夠靈活，鑄坯表面振痕深，存在振痕處出現角橫裂的現象。為對液壓振動與機械振動兩種裝置進行比較，測試了兩臺裝置的實際振動曲線，用同一個位置傳感器分別裝在兩臺振動裝置臺架上，得到圖7所示的振動曲線。

圖7 機械式振動與液壓式振動的振動曲線

由圖分析，采用了液壓振動裝置后，負滑脫時間減少，有利于連鑄新生坯殼的粘合，減少坯殼被拉裂的危險，極大地提高了拉坯的可靠性。

3.3 機械與液壓振動結晶器生產的鑄坯效果比較

機械振動結晶器在拉速變化時，負滑動時間范圍寬，振痕較深，不利于保護渣的均勻下滑，板坯表面質量較差，特別是品種鋼，生產鋼坯表面質量如圖8（a）所示。液壓振動結晶器在鋼坯澆筑的過程中負滑動時間縮短，且隨拉速變化范圍變窄，鑄坯表面振痕規則并且變淺，板坯表面質量好，生產鋼坯表面質量如圖8（b）所示。

圖 8

4 結語

分析比較結晶器振動技術在首秦公司的實際應用，液壓振動技術比傳統機械振動系統精度高、響應速度快，振動曲線配方容易配置，生產的鋼坯質量良好，各類缺陷較少，有良好的效果。