連鑄機結晶器振動裝置動態性能分析

徐偉

（武漢大西洋連鑄設備工程有限責任公司，湖北 武漢 430000）

時代變化的過程中，連鑄技術呈現先進性和多樣性，連鑄生產中可采用的新工藝、新設備越來越多，為符合人們對產品的需求，企業需結合自身情況，不斷優化工藝流程，選配新型設備。結晶器振動裝置易引發鑄坯表面的質量問題，為減少這一方面的問題，生產期間相關人員需尤其關注結晶器振動裝置的動態特性，在此前提下進行必要的改進，以提高生產效率、質量。目前行業內在連鑄機結晶器振動裝置的動態特性方面展開了大量的研究，未來需持續在這一方面展開研究與分析，為工藝改進提供借鑒。

1 連鑄機結晶器振動裝置的基本概述

連鑄生產過程具有復雜性、專業性，在整個生產過程中的技術要求高。結晶器振動裝置具有不可替代性，從生產的全過程來看，通過配備和操作該裝置，能預防拉坯時坯殼與結晶器之間的黏結，確保鑄坯表面質量達到相應規定。結晶器呈現向上運動的狀態時，因為有振動裝置，新生坯殼與銅板黏結問題得以緩解，也能避免坯殼上應力過度集中或者過大，對預防鑄坯表面的裂紋相對有效。如結晶器呈向下運動狀態，由于存在摩擦作用力，能同步給坯殼施加壓力，自動修復結晶器向上時拉出的裂痕。但需尤其注意，向下運動的速度必須超過拉坯速度，構成負滑脫。結晶器銅板與運動坯殼之間有摩擦力，在此摩擦作用下可能導致坯殼上的裂紋，在后續澆注作業中，也需考慮摩擦力大小來調整澆注速率。初生坯殼與結晶器銅板之間有液體渣膜，該部位雖同樣存在一定的摩擦力，但依據其作用情況，屬于黏滯摩擦，也就是說，摩擦力與相對運動速度之間為正向變化關系，而渣膜黏度與渣膜厚度之間為反比。綜合上述分析，如結晶器振動裝置處于正滑脫條件，摩擦力會對坯殼產生較大的拉應力，如此應力超出了坯殼自身的可承受極限，在表面將出現或大或小的裂紋。因此，實際的工作中相關人員需分析連鑄機結晶器振動裝置的動態特性，在此基礎上減小上述摩擦力作用，保障鑄坯表面質量。

結晶器非正弦振動尚未出現之前，大部分連鑄機結晶器振動裝置均為機械式結構，這類型裝置在運行過程中由直流電動機驅動，使裝置進入運行狀態，借助萬向聯軸器，在兩端轉動2個渦輪減速機，但兩端構成不同，一端配備有可調節軸套，渦輪減速機后可由萬向聯軸器輔助，與兩個滾動軸承的偏心軸可靠連接，每個偏心輪部位配備有曲柄，該曲柄有滾動軸承，此軸承的振動連桿能起到支撐作用，增強振動臺結構的整體穩定性，并同步引發或大或小的振動現象。機械振動屬于正弦曲線振動，振動期間的波形、振幅在任何情況下都無波動。以某企業為例，其結晶器振動系統為機械驅動，具有一系列不足：振動力從兩點逐步傳給結晶器，整個傳力更為復雜，不能遵循均勻性規定；在高頻振動條件下，無法維持相對平穩的運行狀態，無論處于高頻還是低頻狀態，振動導向與實際的偏差都相對較大；結構復雜，傳力流程多，后續的對中調整、維護工作量大且操作不易；控制效率低且可靠性不足，受外部因素干擾大，無法長時間保持穩定的振動波形條件；不能根據需求調整振動曲線，不具備在線設置振動波形功能。

2 結晶器振動裝置的動態性能

2.1 設備故障率高，維護工作量大

此連鑄機結晶器振動裝置為機械振動，主要構成部分為電機、減速機、傳動軸、偏心裝置。隨著該裝置使用時間的延長，將伴隨著一定的機械磨損現象，不利于保障裝置的運行可靠性。依據實際情況，在長期運行中該設備的振動均勻性不足，偏擺較大，液面頻繁變化，忽高忽低，如未及時處理這一故障，隨著生產作業的實施可能發生漏鋼現象，導致鑄機運行中的風險增大，不利于提高生產效率與產品質量。為此，當鑄機停澆以后，企業選派專業人員來檢查設備的間隙，并從安全性與可靠性角度適當調整間隙。另外，考慮到設備使用過程中有維護要求，振動裝置每間隔一段時間應檢修，更換裝置中的損壞、老舊零部件，但在此檢修過程中，每次停機時間長達24h，停機時間長且維護工作量大，給生產帶來了負面影響。

2.2 不具備在線調整功能

正弦振動振幅長時間保持穩定狀態，幾乎無任何變化，振動曲線也不變，在連鑄作業中無法以鋼種、澆注溫度、澆注速度等為依據，合理調整振動曲線及振幅，生產中的靈活性、便捷性不高，常常面臨諸多的生產難題。此外，隨著裝置運行時間的延長，其精度顯著降低，控制模塊無法利用既有信號、數據來調節振動參數，結晶器振動裝置的振幅、負滑脫時間、正滑脫時間等難以達到實際的生產需求，隨著生產作業的持續開展，出現黏結漏鋼、夾渣漏鋼等現象的概率較高。總之，機械振動裝置存在功能缺陷，主要表現在無法實現振頻、振幅的在線實時調整，在面臨連鑄鋼種、拉速等情況下，裝置無法立即調整，還需立即停機調整偏心機構，調整流程復雜且響應速度慢。

2.3 偏心機構磨損大，設備精度偏低

當連鑄機結晶器振動裝置投入使用后，隨著使用時間的延長，偏心機構將出現越來越嚴重的損耗現象，而此現象如未及時調整，將在無形中降低設備精度，不利于連鑄作業的順利實施。

3 結晶器振動裝置的改造

3.1 電動缸非正弦振動系統

3.1.1 工作原理

電動缸非正弦振動系統迎合了現代化生產的需求，為與當下的行業生產標準相一致，在其中不僅包含原有技術，更融入了現代計算機技術、數字交流伺服控制技術，在這些技術的支持下，系統具備自動化控制功能，可由計算機軟件產生控制板坯結晶器振動的波形曲線，這一過程中幾乎不需要人工控制與操作。參考當下生產中的工藝規定，給既定函數的各個變量取值，參考其他已知量控制結晶器上下振動情況，確保振動波形的頻率、振幅、負滑脫時間、正滑脫時間等符合相應的規定，形成完全適用的結晶器振動軌跡。

3.1.2 系統構成

電動缸非正弦振動系統的結構構成較為簡單，除了機械部分就是電控部分。機械部分在原有振動臺基礎上進行了些微改造，振動框架與底座維持原狀，在振動臺的內外弧位置安裝電動缸，此改造步驟完成后，電動缸能作為振動動力源，驅動振動臺。振動臺的內外弧、左右側弧位置都分別有一組板簧，在裝置運行過程中板簧能正常導向。振動臺附件裝置中包含潤滑管、氣管、水管、緩沖彈簧等。電控部分包含驅動器、工控機、PLC設備、控制軟件，在系統進入工作狀態時，計算機計算得到與工藝要求完全相匹配的波形，再經由合成軟件實現波形的數字化處理，得到的結果再反饋給運動控制器，PLC模塊依據拉速信號、操作箱上的開關信號將有關結果上傳給工控機、運動控制器，驅動器進一步轉化信號最后輸出給電動缸，由電動缸完成上下振動的調節與控制。

3.1.3 電動缸類型及其特點

連鑄機結晶器電動缸振動裝置主要由電動缸、連桿組、振動臺等組成。其中，電動缸通過電機驅動，產生往復直線運動；連桿組將電動缸運動傳遞到振動臺上。

連鑄機結晶器電動缸振動裝置的原理是利用電動缸的往復直線運動產生振動力，進而影響結晶器表面的結晶凝固過程。電動缸的往復運動使得連桿組帶動振動臺作直線振動，從而在結晶器內造成脈動效應。其工藝特性如下：（1）提高結晶器性能，連鑄機結晶器電動缸振動裝置通過振動力的作用，能夠調節結晶器內的流體流動狀態，改善結晶凝固過程，提高結晶器的性能和產品質量。（2）優化結晶形貌，振動裝置可以改善結晶器內的結晶形貌，使其更加均勻、細致，減少晶粒的夾雜物和缺陷，提高金屬產品的質量。（3）增加晶核密度，振動裝置產生的脈動效應有助于增加結晶器內的晶核密度，促進結晶過程的啟動和發展，有利于提高連鑄效率。（4）靈活性和可調節性，振動裝置能夠根據生產需要進行調節，通過改變振動頻率、振幅等參數，以適應不同金屬合金的連鑄工藝要求。（5）穩定性和可靠性，振動裝置采用穩定的電動缸和連桿組設計，具有較好的穩定性和可靠性，能夠長時間、持續地工作。

連鑄結晶器電動缸具有極強的自平衡能力，可從多個方面提高結晶器的整體穩定性。另外，連鑄結晶器電動缸的耐腐蝕性能較好，在使用過程中幾乎無腐蝕現象。連鑄結晶器電動缸的抗沖擊能力也相對理想，即使在外部較大的作用力下，電動缸的性能也幾乎不受影響。

3.2 改造方案與內容

機械振動裝置的規模龐大，其前期投資較大，后續投入運營后的費用異常高，為減少運行中的異常情況，必須由專業人員做好維護工作，如在現代化生產條件下繼續采用該裝置，將暴露該裝置的諸多不足。電動缸非正弦振動裝置的結構簡單，后續使用后的維護工作量小，即使為滿足現代化生產需改造該裝置，改造工作量也相對較小，僅需在原振動臺上完成相應的優化與調整即可。如在原振動臺的四周位置，增設4個支座，為電動缸安裝提供便捷，取消原機械傳動裝置，在振動臺的合適位置布置電動缸用水、氣和油管路，增設緩沖彈簧、板簧等專業化配件，并同步設置振動控制系統。經由上述專業化改造后，振動臺與結晶器、振動底座的有關尺寸維持原狀，最大程度上提高了現有設備的綜合利用率，能節約設備的前期投資，降低改造難度。

3.3 應用效果

3.3.1 系統運行穩定，故障率低，維護量小

當該企業采用了電動缸非正弦振動系統后，系統長時間保持最佳的運行狀態，整體穩定性顯著增強，除了電動缸質量問題外，再未發生任務故障，故障率大大降低。另外，該系統投入使用后的操作簡單，維護工作量小，專業人員只需在開澆前檢查水、氣、潤滑等是否符合要求，并定時清理振動臺的渣子、更換板簧等附件即可。依據實際的使用情況，如無異常情況，電動缸的使用壽命能超過4年。

3.3.2 提高鑄坯表面質量

經由本次改造后，電動缸非正弦振動系統有利于提高鑄坯表面質量。因為該系統中采用了全新的工藝與技術，原先機械振動下鑄坯表面有較深的振痕，而在采用了改造后的電動缸非正弦振動系統，明顯改變了此現象，更有利于達到鑄坯的質量目標。

3.3.3 鑄坯檢驗合格率提高，裂紋缺陷減少

在電動缸非正弦振動系統投入使用一段時間后，相關部門統計了有關數據，發現利用了該裝置后，裂紋坯明顯減少，鑄坯質量更高。

3.3.4 設備控制精度高，振動均勻且平穩

電動缸非正弦振動系統中綜合應用了計算機技術、數字交流伺服控制技術，在這些技術的高度結合下，可高效、精確控制振動參數，四支電動缸在振動過程中可參考相位差情況完成自動補償，有利于提升振動的均勻性與穩定性，減小液面波動。另外，電動缸非正弦振動系統不僅能提高拉速，還能增大保護渣的消耗量，確保結晶器潤滑條件符合相應的規范與標準，從源頭上避免出現漏鋼問題。

4 結語

當下技術進步的過程中，連鑄工藝越發成熟。結晶器振動裝置的動態特性會影響生產作業的安全性、產品質量的合格性，為了有效減小這些影響，相關人員需增強對結晶器振動裝置動態特性的分析與研究，采取專業化改造措施。