結(jié)晶器正弦振動(dòng)裝置的形式及其特點(diǎn)

1、現(xiàn)代連鑄技術(shù)討論課結(jié)晶器正弦振動(dòng)裝置的形式及其特點(diǎn) 班 級(jí)： 姓 名： 課程名稱：現(xiàn)代連鑄技術(shù) 指導(dǎo)教師： 2013年11月7日目錄1、結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)的發(fā)展歷史12、結(jié)晶器的正弦振動(dòng)12.1正弦振動(dòng)的定義12.2正弦振動(dòng)的特點(diǎn)12.3正弦振動(dòng)機(jī)構(gòu)滿足的條件12.4結(jié)晶器實(shí)現(xiàn)弧形的軌跡方式23、結(jié)晶器導(dǎo)向機(jī)構(gòu)23.1 長(zhǎng)臂振動(dòng)機(jī)構(gòu)23.2 導(dǎo)軌式振動(dòng)機(jī)構(gòu)33.3 差動(dòng)齒輪振動(dòng)機(jī)構(gòu)33.4 四連桿振動(dòng)機(jī)構(gòu)43.5 四偏心振動(dòng)機(jī)構(gòu)64、機(jī)械驅(qū)動(dòng)結(jié)晶器正弦振動(dòng)振幅調(diào)整75、同步控制模型85.1 f=av模型85.2 f=av+b模型控制85.3 f=b模型85.4 f=-av+b9現(xiàn)代連鑄技術(shù)討論課1

2、、結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)的發(fā)展歷史 結(jié)晶器振動(dòng)是連鑄技術(shù)的一個(gè)基本特征。連鑄過(guò)程中,結(jié)晶器和坯殼間的相互作用影響著坯殼的生長(zhǎng)和脫膜,其控制因素是結(jié)晶器的振動(dòng)和潤(rùn)滑。連鑄在采用固定結(jié)晶器澆注時(shí),鑄坯直接從結(jié)晶器向下拉出,由于缺乏潤(rùn)滑,易與結(jié)晶器發(fā)生粘結(jié),從而導(dǎo)致出現(xiàn)拉不動(dòng)或者拉漏事故,很難進(jìn)行澆注。結(jié)晶器振動(dòng)對(duì)于改善鑄坯和結(jié)晶器界面間的潤(rùn)滑是非常有效的,振動(dòng)結(jié)晶器的發(fā)明引進(jìn),工業(yè)上大規(guī)模應(yīng)用連鑄技術(shù)才得以實(shí)現(xiàn)。可以說(shuō),結(jié)晶器振動(dòng)是澆注成功的先決條件,是連鑄發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。近年來(lái),冶金工業(yè)的迅速發(fā)展,要求連鑄提高拉速和增加連鑄機(jī)的生產(chǎn)能力,人們對(duì)結(jié)晶器振動(dòng)的認(rèn)識(shí)也在不斷深入和發(fā)展。結(jié)晶器振動(dòng)經(jīng)歷了早

3、期的非正弦振動(dòng)方式到正弦振動(dòng)方式,目前又發(fā)展到非正弦振動(dòng)方式的過(guò)程。當(dāng)然,現(xiàn)在所采用的非正弦振動(dòng)與早期的非正弦振動(dòng)雖然振動(dòng)波形同為非正弦,但其目的和實(shí)現(xiàn)方式上二者有本質(zhì)的區(qū)別。2、結(jié)晶器的正弦振動(dòng)2.1正弦振動(dòng)的定義當(dāng)結(jié)晶器的運(yùn)動(dòng)速度與時(shí)間的關(guān)系為一條正弦曲線時(shí)稱這種振動(dòng)為正弦振動(dòng)。2.2正弦振動(dòng)的特點(diǎn) 正弦振動(dòng)的主要特點(diǎn)是：結(jié)晶器在整個(gè)振動(dòng)過(guò)程中速度一直是變化的，即鑄坯與結(jié)晶器間時(shí)刻都在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在結(jié)晶器下降時(shí)還有一小段負(fù)滑動(dòng)，因此能消除和防止粘結(jié)。另外，由于結(jié)晶器的運(yùn)動(dòng)速度是按正弦規(guī)律變化的，加速度則必然按余弦規(guī)律變化，所以，過(guò)度比較平穩(wěn)，沖擊比較小。它與梯速振動(dòng)相比，坯殼處于負(fù)滑動(dòng)狀態(tài)的

4、時(shí)間較短，且結(jié)晶器上升時(shí)間占振動(dòng)周期的一半，故增加了坯殼斷裂的可能性。為了彌補(bǔ)這一弱點(diǎn)應(yīng)充分發(fā)揮加速度較小的長(zhǎng)處，亦可采用高頻率振動(dòng)以提高脫模的效果。2.3正弦振動(dòng)機(jī)構(gòu)滿足的條件 正弦振動(dòng)機(jī)構(gòu)滿足的兩個(gè)條件：使結(jié)晶器準(zhǔn)確地沿一定的軌跡振動(dòng)；使結(jié)晶器按一定規(guī)律振動(dòng)。2.4結(jié)晶器實(shí)現(xiàn)弧形的軌跡方式 結(jié)晶器實(shí)現(xiàn)弧形的軌跡方式有：導(dǎo)軌式、長(zhǎng)臂式、差動(dòng)式、雙搖桿式以及四偏心式等等。振動(dòng)規(guī)律的方式：偏心輪式、凸輪式、液壓缸式等。正弦振動(dòng)規(guī)律最突出的優(yōu)越性是：它只要用一簡(jiǎn)單的偏心機(jī)構(gòu)（偏心輪或偏心軸套組合）就能實(shí)現(xiàn)，無(wú)論從設(shè)計(jì)上還是制造上就能實(shí)現(xiàn)。3、結(jié)晶器導(dǎo)向機(jī)構(gòu)鑄坯表面的質(zhì)量主要取決于結(jié)晶器內(nèi)坯殼形成時(shí)

5、的條件，其中一個(gè)重要因素就是結(jié)晶器壁與坯殼之間的摩擦力所產(chǎn)生的應(yīng)力。 根據(jù)不同的鋼種，通過(guò)優(yōu)化振動(dòng)模式和鑄造參數(shù)，來(lái)減小摩擦力，進(jìn)而減小坯殼應(yīng)力是完全可能的。 結(jié)晶器振動(dòng)應(yīng)盡可能接近所設(shè)定的軌跡。這一點(diǎn)在板坯連鑄中尤其重要，這里任何橫向搖擺、角部的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)都應(yīng)避免。 一般認(rèn)為傳統(tǒng)的四偏心型和短臂振動(dòng)機(jī)構(gòu)都有導(dǎo)向方面的設(shè)計(jì)缺陷，即由于磨損而產(chǎn)生不可控制的運(yùn)動(dòng)偏差。這種認(rèn)識(shí)促進(jìn)了柔性體結(jié)晶器振動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的開發(fā)。3.1 長(zhǎng)臂振動(dòng)機(jī)構(gòu)在弧形連鑄機(jī)中，它是把結(jié)晶器安裝在一個(gè)與鑄機(jī)圓弧半徑相同的振動(dòng)臂上，如圖3-1所示。這種振動(dòng)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)軌跡在理論上是準(zhǔn)確的。但如果振動(dòng)臂較長(zhǎng)，則因加工制造誤差、受熱膨脹

6、、受力變形而使結(jié)晶器產(chǎn)生較大的振動(dòng)軌跡誤差。所以它只適用于圓弧半徑較小的連鑄機(jī)上。圖3-1長(zhǎng)臂振動(dòng)機(jī)構(gòu)圖3-2 低矮型長(zhǎng)臂振動(dòng)機(jī)構(gòu) 在連鑄發(fā)展的初期這種機(jī)構(gòu)被用于生產(chǎn)，但隨著連鑄機(jī)圓弧半徑增大而被其他振動(dòng)機(jī)構(gòu)所代替。不過(guò)，由于連鑄技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)出現(xiàn)了所謂“超低矮型”連鑄機(jī)，該機(jī)型的基本圓弧半徑較小，如R3m，采用多點(diǎn)矯直，如矯直點(diǎn)數(shù)為7-19。由于基本圓弧半徑較小而使長(zhǎng)臂振動(dòng)機(jī)構(gòu)又重新獲得應(yīng)用。結(jié)晶器沿著精確的軌跡振動(dòng)對(duì)于鑄坯的潤(rùn)滑、傳熱及坯殼的生長(zhǎng)、脫模都十分有利。3.2 導(dǎo)軌式振動(dòng)機(jī)構(gòu)圖3-3弧線導(dǎo)軌式振動(dòng)機(jī)構(gòu)這種振動(dòng)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)弧線運(yùn)動(dòng)，也可以實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)如圖3-3、圖3-4所示。由

7、于導(dǎo)軌式振動(dòng)機(jī)構(gòu)避免了長(zhǎng)振動(dòng)臂，結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，因此早期應(yīng)用較多。但是由于導(dǎo)軌不易獲得充分潤(rùn)滑，又不易保持清沽，所以磨損較嚴(yán)重，影響運(yùn)動(dòng)軌跡精度，因而逐漸被其他振動(dòng)機(jī)構(gòu)所代替。 圖3-4 直線導(dǎo)軌振動(dòng)機(jī)構(gòu)雖然近年來(lái)導(dǎo)軌式振動(dòng)機(jī)構(gòu)又在羅可普連鑄機(jī)上得到了應(yīng)用。但是導(dǎo)航式振動(dòng)機(jī)構(gòu)所固有的缺點(diǎn)在生產(chǎn)中依舊暴露無(wú)遺，使一些生產(chǎn)廠家不得不對(duì)其進(jìn)行改造。3.3 差動(dòng)齒輪振動(dòng)機(jī)構(gòu)差動(dòng)齒輪振動(dòng)機(jī)構(gòu)是我國(guó)60年代中期開發(fā)并應(yīng)用于生產(chǎn)的弧線軌跡振動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖3-5所示。結(jié)晶器固定在由彈簧7支撐的振動(dòng)框架1上，用凸輪或偏心輪8強(qiáng)迫框架下降，利用彈簧的反力使其上升。振動(dòng)框架的內(nèi)、外弧側(cè)面，裝有齒條6，分別與節(jié)圓半徑相

8、等的小齒輪2、4相嚙合。裝在小齒輪軸上的扇形應(yīng)輪3及5有不同的節(jié)圓半徑，內(nèi)弧側(cè)的節(jié)圓半徑較大，相互嚙合的扇形齒輪3及5擺動(dòng)時(shí)、就使與其相連的兩個(gè)小齒輪2及4產(chǎn)生個(gè)同的線速度。反應(yīng)在振動(dòng)框架兩側(cè)的齒條上，其上下運(yùn)動(dòng)的線速度也不一樣，因而可使結(jié)晶器產(chǎn)生弧線運(yùn)動(dòng)，由于它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，齒輪與導(dǎo)向件磨損較嚴(yán)重等原因而未能得到推廣。但勞動(dòng)原理卻在后來(lái)的四偏心機(jī)構(gòu)上得到了應(yīng)用。圖3-5 差動(dòng)齒輪振動(dòng)機(jī)構(gòu)3.4 四連桿振動(dòng)機(jī)構(gòu)它是一種雙搖桿機(jī)構(gòu)，它的兩個(gè)搖桿可以裝設(shè)在連鑄機(jī)的外弧側(cè)，如圖3-6a所示，也可裝設(shè)在內(nèi)弧側(cè)，如圖3-6b所示。后者適用于小方坯連鑄機(jī)，前者適用于板坯連鑄機(jī)，便于拆裝二冷區(qū)的扇形段。當(dāng)使兩搖

9、桿AD及BC平行且等長(zhǎng)時(shí)，該四連桿振動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖3-6c所示，可用于直弧形或立式連鑄機(jī)。不論是裝在鑄機(jī)的內(nèi)弧側(cè)還是外弧側(cè)，四連桿機(jī)構(gòu)ABCD(圖3-6a、b)中的CD連桿在某一瞬間的運(yùn)動(dòng)是繞瞬心O的轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，只要使兩搖桿AD及BC的延長(zhǎng)線相交于鑄機(jī)的圓弧中心O，由于結(jié)晶器的振幅與圓弧半徑相比很小，因此瞬心位置變化所造成的運(yùn)動(dòng)軌跡誤差很小。圖3-6 四連桿振動(dòng)機(jī)構(gòu) 一般在給定鑄機(jī)圓弧半徑、結(jié)晶器振幅及四連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)的合理約束條件下，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠使板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器振動(dòng)軌跡誤差R0.1mm ，小方坯的R0.02mm 。弧形板坯連鑄機(jī)的四連桿振動(dòng)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)桿件及座板有足夠的剛度，采用了精度很高的

10、特制滾動(dòng)鈾承。設(shè)計(jì)時(shí)考慮了運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量的平穩(wěn)，使拉桿4的受力方向不變，保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，在拉桿4內(nèi)裝有壓縮彈簧，可以防止拉桿的過(guò)負(fù)荷。在偏心軸2的外面裝有偏心套，通過(guò)改變軸與套的相對(duì)角度，可以改變偏心距，以改變振幅的大小。在振動(dòng)臺(tái)架上還設(shè)有結(jié)晶器自動(dòng)定位和自動(dòng)接通冷卻水的裝置。 圖3-7 板坯連鑄機(jī)四連桿機(jī)構(gòu) 結(jié)晶器和連桿固結(jié)在一起，作平面運(yùn)動(dòng)。通過(guò)合理地選擇四連桿振動(dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器滿足一定靜度要求的圓弧運(yùn)動(dòng)。由于搖桿長(zhǎng)度較短，因此結(jié)晶器運(yùn)動(dòng)的軌跡精度受溫度、載荷及加工誤差的影響較小。因此，它被廣泛地應(yīng)用于各種這協(xié)機(jī)。它不但被用在弧形連鑄機(jī)上，也被用在立式或真彎式連鑄機(jī)上。四連桿振動(dòng)機(jī)

11、構(gòu)的主要缺點(diǎn)是各桿件只做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，軸承易形成局部磨損。特別是在高頻率、小振幅的條件下，將產(chǎn)生較嚴(yán)重的局部磨損。3.5 四偏心振動(dòng)機(jī)構(gòu)該機(jī)構(gòu)如圖3-8所示。其工作原理同差動(dòng)齒輪振動(dòng)機(jī)構(gòu)完全一樣，它是曼內(nèi)斯曼公司70年代開發(fā)的又于80年代加以改進(jìn)的一種振動(dòng)機(jī)構(gòu)。振幅7.6mm，振頻50-90次min。結(jié)晶器的弧線運(yùn)動(dòng)是利用兩對(duì)偏心距不同的偏心輪及連桿機(jī)構(gòu)而產(chǎn)生的。結(jié)晶器運(yùn)動(dòng)的弧線定中是利用兩條板式彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)的。板式彈簧使結(jié)晶器只作弧形擺動(dòng)，而不能產(chǎn)生前后左右的位移。適當(dāng)選擇彈簧長(zhǎng)度，可以使運(yùn)動(dòng)軌跡誤差不大于0.02mm。振動(dòng)臺(tái)架是鋼結(jié)構(gòu)件。結(jié)晶器及其冷卻水管快速接頭、振動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及第一段二冷

12、夾棍都裝在這個(gè)振動(dòng)臺(tái)架上，可以整體吊運(yùn)，快速更換。更換時(shí)間不超過(guò)l h。 圖3-8 四偏心輪是振動(dòng)機(jī)構(gòu)1偏心輪及連桿 2定中心彈簧板 3鑄皮外弧4振動(dòng)臺(tái) 5渦輪副 6直流電機(jī)從圖3-8看出：在結(jié)晶器下左右兩側(cè)各有一根通軸，軸上裝有不同偏心距的兩個(gè)偏心輪，外弧的偏心輪有較大的偏心距，用一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，通過(guò)兩臺(tái)蝸輪減速器同時(shí)驅(qū)動(dòng)。通軸中心線的延長(zhǎng)線通過(guò)鑄機(jī)圓弧中心。出于結(jié)晶器的振幅不大，也可以把通軸水平安裝，不會(huì)引起明顯的誤差。任偏心輪連桿上端，使用了特制的球面橡膠軸承，壽命較長(zhǎng)。這種振動(dòng)機(jī)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)是偏心輪連桿的椎力作用于振動(dòng)臺(tái)的四角，使結(jié)晶器的運(yùn)動(dòng)非常平穩(wěn)，不會(huì)由于結(jié)晶器內(nèi)阻力作用點(diǎn)的偏移而

13、使結(jié)晶器作不平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)。其缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)零件較多，機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜。4、機(jī)械驅(qū)動(dòng)結(jié)晶器正弦振動(dòng)振幅調(diào)整一臺(tái)連鑄機(jī)所澆鑄的鋼種、斷面是變化的。不同的鋼種、斷面所對(duì)應(yīng)的拉坯速度是不同的。因此，大多數(shù)連鑄機(jī)結(jié)晶器振動(dòng)裝置的振幅都是可調(diào)的。 確定最大振幅時(shí)，要考慮到在最大拉還速度時(shí)也不使Z值過(guò)小，在避免臨界頻率f0過(guò)大的前提下,盡量采用小振幅。確定最小振幅時(shí)，要考慮到在最小拉坯速度時(shí)也不使Z值過(guò)大，以獲得較短的負(fù)滑動(dòng)時(shí)間。中間各級(jí)振幅仍然是根據(jù)拉坯速度以同樣的原則來(lái)確定。結(jié)晶器的振幅和頻率是兩個(gè)重要的工藝參數(shù)，頻率可通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)給定，而振幅是通過(guò)振動(dòng)機(jī)構(gòu)中曲柄長(zhǎng)度來(lái)保證的。因此給出精確計(jì)算曲柄長(zhǎng)度的方

14、法是有意義的。對(duì)曲柄長(zhǎng)度求解可分倆步進(jìn)行，第一步對(duì)圖4-1所示的四連桿機(jī)構(gòu)求解求出結(jié)晶器上任意給定點(diǎn)E按給定振幅由平衡位置向上和向下振動(dòng)一個(gè)振幅時(shí)，主動(dòng)臂AB與實(shí)軸(X軸)的夾角Q1。圖4-1四連桿原理圖 通常，振幅的調(diào)整是通過(guò)調(diào)整桿JT的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，而桿JT的調(diào)整又是通過(guò)調(diào)整偏心軸與偏心套之間的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)。5、同步控制模型5.1 f=av模型 此模型為傳統(tǒng)的同步控制模型，式中f為振動(dòng)頻率，v為拉坯速度，a為常數(shù)。他的主要特點(diǎn)是負(fù)滑脫率NS保持為常數(shù)，使鑄坯表面振痕間距也保持不變。他的主要缺點(diǎn)是，每當(dāng)拉坯速度較低時(shí)，都會(huì)因?yàn)轭l率的降低導(dǎo)致負(fù)滑動(dòng)時(shí)間的增加，這對(duì)鑄坯表面質(zhì)量不利；因?yàn)?，由看出。?/p>

15、分別于f成反比關(guān)系，他們隨f的變化規(guī)律為等邊雙曲線；和隨f的變化趨勢(shì)相同，而且變化率也相同。這又給控制模型帶來(lái)一個(gè)很大的缺陷：當(dāng)頻率f提高時(shí)，和都減小。因此，不能同時(shí)滿足鑄坯表面質(zhì)量及保護(hù)渣潤(rùn)滑兩個(gè)方面的要求。5.2 f=av+b模型控制 顯而易見，在傳統(tǒng)的控制模型f=av的基礎(chǔ)上加一項(xiàng)常數(shù)b所構(gòu)成的新模型f=av+b就能克服傳統(tǒng)模型上的缺陷，因?yàn)樵撃Ｐ褪且粭l不通過(guò)原點(diǎn)模型直線。該控制模型的主要特點(diǎn)是負(fù)滑動(dòng)率NS不為常數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是頻率隨拉速的變化平緩，所以當(dāng)拉速降低時(shí)負(fù)滑動(dòng)時(shí)間增加不大，比傳統(tǒng)模型有所改善。5.3 f=b模型該模型是f=av+b控制模型a=0時(shí)的一個(gè)特例。該模型進(jìn)一步減小了負(fù)滑動(dòng)時(shí)間的變化。5.4 f=-av+b該模型為斜率是