連鑄過程中保護渣性能與結(jié)晶器振動模式的協(xié)同優(yōu)化研究

一、引言1.1研究背景與意義鋼鐵作為現(xiàn)代工業(yè)的重要基礎(chǔ)材料，在國民經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)著舉足輕重的地位。連鑄技術(shù)作為鋼鐵生產(chǎn)流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其發(fā)展水平直接影響著鋼鐵產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及企業(yè)的經(jīng)濟效益。連鑄技術(shù)的出現(xiàn)，是鋼鐵工業(yè)發(fā)展史上的一次重大變革，它相較于傳統(tǒng)的模鑄工藝，具有提高金屬收得率、降低能耗、簡化生產(chǎn)流程以及提升鑄坯質(zhì)量等諸多顯著優(yōu)勢，已成為現(xiàn)代鋼鐵生產(chǎn)的主流工藝。在連鑄過程中，結(jié)晶器是鋼水凝固成型的關(guān)鍵部位，猶如連鑄機的“心臟”，對鑄坯質(zhì)量起著決定性作用。而結(jié)晶器振動和保護渣則是影響結(jié)晶器內(nèi)鋼水凝固過程和鑄坯質(zhì)量的兩個至關(guān)重要的因素。結(jié)晶器振動的作用不可或缺。一方面，它能夠有效防止鑄坯在凝固過程中與結(jié)晶器銅壁發(fā)生粘結(jié)，避免坯殼拉裂或漏鋼事故的發(fā)生。在結(jié)晶器上下振動時，按特定的振動曲線周期性地改變鋼液面與結(jié)晶器銅壁的相對位置，對坯殼產(chǎn)生強制脫模的作用，并且能使拉漏的坯殼在結(jié)晶器內(nèi)部得以焊合。另一方面，結(jié)晶器振動還能減小拉坯阻力，改善鑄坯表面質(zhì)量。在振動過程中，通過保護渣在結(jié)晶器銅壁的滲透，可改善潤滑條件，防止高溫凝殼與結(jié)晶器銅壁的粘結(jié)，進而減少拉坯時的摩擦阻力，使鑄坯表面更加光滑平整。保護渣同樣在連鑄過程中發(fā)揮著多重關(guān)鍵功能。首先，它具有隔熱保溫的作用，能夠減少鋼水的熱量散失，維持鋼水溫度的穩(wěn)定，為鋼水的凝固提供良好的熱環(huán)境。其次，保護渣可以吸附鋼水中的夾雜物，凈化鋼液，提高鋼的純凈度。再者，在結(jié)晶器壁和坯殼之間形成的渣膜，能夠起到潤滑坯殼的作用，使坯殼順利下行，同時有效控制鑄坯與結(jié)晶器之間的傳熱，使傳熱均勻，避免鑄坯因局部過熱或過冷而產(chǎn)生缺陷。保護渣性能與結(jié)晶器振動模式的匹配程度，對連鑄過程的順利進行和鑄坯質(zhì)量的優(yōu)劣有著深遠影響。若二者匹配不當(dāng)，可能引發(fā)一系列嚴(yán)重問題。例如，當(dāng)保護渣的熔化性能、粘度等與結(jié)晶器振動參數(shù)不匹配時，會導(dǎo)致渣膜厚度不均勻，進而使鑄坯傳熱不均，產(chǎn)生表面裂紋、皮下氣泡等缺陷。此外，還可能造成保護渣消耗異常，影響連鑄生產(chǎn)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。因此，深入研究連鑄保護渣性能與結(jié)晶器振動模式的匹配關(guān)系，對于優(yōu)化連鑄工藝、提高鑄坯質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本以及推動鋼鐵工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，都具有極為重要的現(xiàn)實意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1連鑄保護渣性能研究現(xiàn)狀連鑄保護渣性能的研究一直是連鑄領(lǐng)域的重要課題。國內(nèi)外學(xué)者圍繞保護渣的化學(xué)成分、物理性能以及這些性能對鑄坯質(zhì)量的影響展開了廣泛而深入的研究。在化學(xué)成分方面，眾多研究表明，保護渣中的CaO、SiO?、Al?O?等主要成分的含量及其比例，對保護渣的性能起著決定性作用。例如，堿度（CaO/SiO?比值）不僅反映了保護渣吸收鋼液中夾雜物的能力，還與保護渣的析晶溫度、傳熱和潤滑性能密切相關(guān)。當(dāng)堿度增大時，保護渣吸收夾雜物的能力增強，但析晶溫度升高，可能導(dǎo)致傳熱和潤滑性能惡化。Han等學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在含鈦型保護渣中，TiO?質(zhì)量分數(shù)為4%-8%、堿度為1.1-1.3時，可以有效改善保護渣的熔化溫度、黏度以及熱流密度等物化性能，對渣膜結(jié)晶也有促進作用，能基本滿足高鈦鋼、高鋁鋼等特殊鋼種的要求。保護渣的物理性能研究同樣成果豐碩。其中，熔化性能、黏度和結(jié)晶性能是關(guān)鍵研究點。熔化性能包括熔化溫度和熔化速度，熔化溫度通常需低于結(jié)晶的鋼水溫度，一般為1100-1200℃，熔化速度則決定了鋼液面形成液渣層厚度和保護渣消耗量。當(dāng)熔化速度過慢，液渣層過?。蝗刍俣冗^快，保護渣消耗快，液渣層會結(jié)殼。粘度是反映保護渣形成液渣后流動性能的重要參數(shù)，其大小直接影響流入結(jié)晶器與鑄坯表面縫隙中形成渣膜的厚度和均勻性。粘度過大或過小都會使渣膜厚薄不一致，導(dǎo)致潤滑和傳熱不良，甚至可能使鑄坯表面撕裂。結(jié)晶性能方面，保護渣的結(jié)晶溫度和結(jié)晶率影響著渣膜的性質(zhì)，進而影響鑄坯與結(jié)晶器之間的傳熱和潤滑。有研究指出，隨著保護渣結(jié)晶溫度的升高，結(jié)晶器與鑄坯之間的渣膜潤滑效果降低，摩擦力隨之增大，粘結(jié)漏鋼率也會上升。關(guān)于保護渣性能對鑄坯質(zhì)量的影響，研究發(fā)現(xiàn)，保護渣性能不佳會引發(fā)多種鑄坯缺陷。當(dāng)保護渣的熔化性能與鑄坯的凝固速度不匹配時，可能導(dǎo)致渣膜厚度不均勻，使鑄坯傳熱不均，從而產(chǎn)生表面裂紋。保護渣的潤滑性能不好，會增加鑄坯與結(jié)晶器之間的摩擦力，也容易引發(fā)裂紋缺陷。1.2.2結(jié)晶器振動模式研究現(xiàn)狀結(jié)晶器振動模式的研究對于提高連鑄生產(chǎn)效率和鑄坯質(zhì)量具有重要意義。從最初的同步振動發(fā)展到負滑動振動，再到如今廣泛應(yīng)用的正弦振動和非正弦振動，結(jié)晶器振動技術(shù)不斷演進。同步振動的特點是結(jié)晶器向下振動時速度與拉坯速度相等，其優(yōu)點是結(jié)晶器下降時與鑄坯實現(xiàn)同步運動，使拉裂的坯殼在此階段得以愈合，愈合時間大約占整個運動周期的75%，然后鑄坯以3倍的拉速上升，減少了拉坯阻力和漏鋼事故，改善了鑄坯質(zhì)量。但由于凸輪加工制造麻煩，且振動機構(gòu)需與拉坯速度嚴(yán)格同步聯(lián)鎖，在結(jié)晶器由往下振動轉(zhuǎn)為往上運動的轉(zhuǎn)折處加速度過大，會產(chǎn)生較大沖擊，影響結(jié)晶器振動的平穩(wěn)性，現(xiàn)已不再采用。負滑動振動是指結(jié)晶器往下振動時速度大于拉坯速度，先以比拉速稍高的速度下降一段時間出現(xiàn)負滑動或負滑脫，此時坯殼處于受壓狀態(tài)，既有利于強制脫模又有利于斷裂坯殼的壓合，然后再以較高的速度上升。正弦振動是目前應(yīng)用較為廣泛的振動模式，其特性僅取決于振幅和振動頻率兩個參數(shù)，獨立變量少，波形調(diào)節(jié)能力小，負滑動時間隨著振動頻率的減小及振幅的增大而增大，過高的振動頻率和過大的振幅會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增大鑄坯與結(jié)晶器之間的摩擦。非正弦振動在近年來受到了更多關(guān)注。通過與正弦函數(shù)的比較，研究發(fā)現(xiàn)非正弦振動在正滑動時間里，結(jié)晶器向上的振動速度與拉坯速度之差減小，可減小結(jié)晶器施加給鑄坯向上作用的摩擦力，減小坯殼中的拉應(yīng)力，減少拉裂；正滑動時間較長，可增加保護渣的消耗量，有利于結(jié)晶器潤滑；在負滑動時間里，振動速度與拉坯速度之差較大，作用在坯殼上的壓力增大，有利于鑄坯脫模；負滑動時間短，有利于減輕鑄坯表面振痕深度。眾多學(xué)者通過理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實驗等方法，對非正弦振動的參數(shù)優(yōu)化進行了研究，以進一步發(fā)揮其優(yōu)勢，提高鑄坯質(zhì)量和連鑄生產(chǎn)效率。1.2.3保護渣性能與結(jié)晶器振動模式匹配研究現(xiàn)狀保護渣性能與結(jié)晶器振動模式匹配的研究相對較少，但這一領(lǐng)域的研究對于實現(xiàn)連鑄過程的優(yōu)化和提高鑄坯質(zhì)量至關(guān)重要。部分研究從理論上分析了保護渣性能與結(jié)晶器振動參數(shù)之間的相互關(guān)系。有學(xué)者指出，結(jié)晶器的振動參數(shù)會影響保護渣的消耗和分布，進而影響渣膜的厚度和均勻性。當(dāng)結(jié)晶器振動頻率較高時，保護渣的消耗會增加，渣膜厚度可能會變薄。而保護渣的性能也會對結(jié)晶器振動的效果產(chǎn)生影響，例如，保護渣的粘度和熔化性能會影響其在結(jié)晶器壁和鑄坯之間的潤滑效果，從而影響結(jié)晶器振動對鑄坯表面質(zhì)量的改善作用。在實際生產(chǎn)中，一些企業(yè)通過現(xiàn)場試驗，嘗試調(diào)整保護渣性能和結(jié)晶器振動模式，以找到最佳的匹配方案。例如，通過改變保護渣的成分和性能，結(jié)合調(diào)整結(jié)晶器的振動頻率、振幅和負滑脫時間等參數(shù)，觀察鑄坯質(zhì)量的變化，從而確定適合特定鋼種和生產(chǎn)條件的匹配參數(shù)。然而，由于連鑄過程的復(fù)雜性，涉及到多種因素的相互作用，目前尚未形成一套系統(tǒng)、完善的保護渣性能與結(jié)晶器振動模式匹配理論和方法。1.2.4當(dāng)前研究的不足與空白盡管國內(nèi)外在連鑄保護渣性能、結(jié)晶器振動模式及其匹配關(guān)系方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足和空白。在保護渣性能研究方面，對于一些新型保護渣，如含鈦型、無氟型等保護渣，其在特殊鋼種連鑄過程中的作用機制和性能優(yōu)化還有待進一步深入研究。渣膜中各種礦物的成分、含量對傳熱影響規(guī)律，以及保護渣的基礎(chǔ)性能與潤滑傳熱機制之間的矛盾關(guān)系，仍不十分清晰。結(jié)晶器振動模式研究中，雖然非正弦振動展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢，但如何進一步優(yōu)化非正弦振動的參數(shù)，使其在不同鋼種和生產(chǎn)條件下都能發(fā)揮最佳效果，還需要更多的研究。同時，振動模式的改變對結(jié)晶器設(shè)備的影響，以及如何提高振動設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，也是需要解決的問題。在保護渣性能與結(jié)晶器振動模式匹配研究方面，目前的研究多為定性分析或簡單的現(xiàn)場試驗，缺乏深入的定量研究和理論模型。對于不同鋼種、不同連鑄工藝條件下，如何準(zhǔn)確確定保護渣性能與結(jié)晶器振動模式的最佳匹配參數(shù)，尚未形成統(tǒng)一的方法和標(biāo)準(zhǔn)。此外，對于連鑄過程中保護渣性能和結(jié)晶器振動模式的動態(tài)變化及其相互影響，研究也相對較少。而實際連鑄生產(chǎn)是一個動態(tài)過程，鋼水成分、溫度、拉坯速度等因素都會發(fā)生變化，保護渣性能和結(jié)晶器振動模式也需要相應(yīng)調(diào)整，以保證鑄坯質(zhì)量的穩(wěn)定。因此，開展動態(tài)條件下保護渣性能與結(jié)晶器振動模式匹配的研究具有重要的現(xiàn)實意義。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究旨在深入探究連鑄保護渣性能與結(jié)晶器振動模式的匹配關(guān)系，具體研究內(nèi)容如下：連鑄保護渣性能研究：系統(tǒng)分析保護渣的化學(xué)成分，如CaO、SiO?、Al?O?、MgO、F、Na?O、Li?O等主要成分的含量及其比例對保護渣性能的影響，重點研究堿度（CaO/SiO?比值）與保護渣吸收夾雜物能力、析晶溫度、傳熱和潤滑性能之間的關(guān)系。通過實驗和理論分析，深入研究保護渣的熔化性能（熔化溫度和熔化速度）、粘度和結(jié)晶性能等物理性能，明確這些性能對保護渣在連鑄過程中作用的影響機制。例如，研究熔化溫度和速度對鋼液面液渣層厚度和保護渣消耗量的影響，以及粘度對渣膜厚度和均勻性的影響，還有結(jié)晶性能對渣膜性質(zhì)和鑄坯與結(jié)晶器之間傳熱、潤滑的影響。同時，探究保護渣性能與鑄坯質(zhì)量之間的內(nèi)在聯(lián)系，分析保護渣性能不佳導(dǎo)致鑄坯產(chǎn)生表面裂紋、皮下氣泡等缺陷的原因和規(guī)律。結(jié)晶器振動模式研究：詳細梳理結(jié)晶器振動模式的發(fā)展歷程，包括同步振動、負滑動振動、正弦振動和非正弦振動等，深入分析每種振動模式的特點、工作原理及其對鑄坯質(zhì)量的影響。例如，分析同步振動中結(jié)晶器下降與拉坯速度相等時對坯殼愈合和拉坯阻力的影響，以及負滑動振動中結(jié)晶器速度大于拉坯速度時對強制脫模和坯殼壓合的作用。著重研究正弦振動和非正弦振動的特性，對比正弦振動僅取決于振幅和振動頻率兩個參數(shù)的局限性，以及非正弦振動在正滑動時間、負滑動時間等方面對減小摩擦力、增加保護渣消耗、減輕振痕深度等方面的優(yōu)勢。通過理論分析和數(shù)值模擬，對非正弦振動的參數(shù)進行優(yōu)化研究，確定在不同鋼種和生產(chǎn)條件下，如不同鋼水成分、溫度、拉坯速度等，非正弦振動的最佳振動頻率、振幅、負滑脫時間等參數(shù)，以充分發(fā)揮非正弦振動的優(yōu)勢，提高鑄坯質(zhì)量和連鑄生產(chǎn)效率。保護渣性能與結(jié)晶器振動模式匹配關(guān)系研究：從理論層面深入分析保護渣性能與結(jié)晶器振動參數(shù)之間的相互作用機制，研究結(jié)晶器振動如何影響保護渣的消耗和分布，以及保護渣性能又如何對結(jié)晶器振動的效果產(chǎn)生影響。例如，研究結(jié)晶器振動頻率和振幅的變化如何導(dǎo)致保護渣消耗的改變，以及保護渣粘度和熔化性能對結(jié)晶器振動時鑄坯表面質(zhì)量改善作用的影響。開展實驗研究，通過模擬不同的連鑄工況，設(shè)置不同的保護渣性能和結(jié)晶器振動模式組合，觀察和分析鑄坯質(zhì)量的變化情況，建立保護渣性能與結(jié)晶器振動模式匹配的實驗數(shù)據(jù)庫。利用實驗數(shù)據(jù)和理論分析，建立保護渣性能與結(jié)晶器振動模式匹配的數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化方法，實現(xiàn)對不同鋼種和連鑄工藝條件下，最佳匹配參數(shù)的準(zhǔn)確預(yù)測和優(yōu)化，為連鑄生產(chǎn)提供科學(xué)的指導(dǎo)依據(jù)。動態(tài)條件下的匹配研究：考慮連鑄過程中鋼水成分、溫度、拉坯速度等因素的動態(tài)變化，研究保護渣性能和結(jié)晶器振動模式在動態(tài)條件下的響應(yīng)規(guī)律和相互影響。例如，分析鋼水成分變化時，保護渣的物化性能如何改變，以及結(jié)晶器振動模式應(yīng)如何相應(yīng)調(diào)整，以保證鑄坯質(zhì)量的穩(wěn)定。通過建立動態(tài)模型，模擬實際連鑄生產(chǎn)過程中的動態(tài)變化，研究在動態(tài)條件下，如何實時調(diào)整保護渣性能和結(jié)晶器振動模式，以實現(xiàn)兩者的最佳匹配，確保連鑄生產(chǎn)的穩(wěn)定性和鑄坯質(zhì)量的可靠性。1.3.2研究方法為實現(xiàn)上述研究目標(biāo)，本研究擬采用以下多種研究方法：實驗研究：進行保護渣性能測試實驗，通過高溫實驗設(shè)備，如高溫粘度計、差示掃描量熱儀（DSC）、熱重分析儀（TGA）等，精確測定保護渣的熔化溫度、熔化速度、粘度、結(jié)晶溫度、結(jié)晶率等物理性能參數(shù)，并分析化學(xué)成分對這些性能的影響。開展結(jié)晶器振動模擬實驗，利用結(jié)晶器振動模擬裝置，模擬不同的振動模式和參數(shù)，觀察保護渣在結(jié)晶器內(nèi)的行為，如保護渣的消耗、分布、渣膜形成等情況，以及對鑄坯表面質(zhì)量的影響。設(shè)計連鑄模擬實驗，搭建小型連鑄實驗平臺，模擬實際連鑄過程，研究不同保護渣性能和結(jié)晶器振動模式組合下，鑄坯的凝固過程、內(nèi)部組織和質(zhì)量缺陷等，為理論研究和實際生產(chǎn)提供實驗數(shù)據(jù)支持。數(shù)值模擬：運用計算流體力學(xué)（CFD）軟件，建立連鑄結(jié)晶器內(nèi)鋼液流動、傳熱和保護渣行為的數(shù)值模型，模擬不同振動模式和保護渣性能下，結(jié)晶器內(nèi)的物理場分布，如溫度場、速度場、應(yīng)力場等，分析保護渣的熔化、流動和渣膜形成過程，以及對鑄坯凝固和質(zhì)量的影響。利用有限元分析軟件，對結(jié)晶器振動過程進行力學(xué)分析，模擬結(jié)晶器振動對鑄坯坯殼的受力情況，研究不同振動參數(shù)下坯殼的應(yīng)力分布和變形規(guī)律，為優(yōu)化振動模式提供理論依據(jù)。通過數(shù)值模擬，可以深入研究連鑄過程中復(fù)雜的物理現(xiàn)象，減少實驗成本和時間，同時為實驗研究提供理論指導(dǎo)。案例分析：收集和整理實際連鑄生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)和案例，包括不同鋼種的連鑄工藝參數(shù)、保護渣性能指標(biāo)、結(jié)晶器振動模式和參數(shù)，以及鑄坯質(zhì)量情況等。對這些案例進行詳細分析，總結(jié)保護渣性能與結(jié)晶器振動模式匹配在實際生產(chǎn)中的經(jīng)驗和問題，找出影響鑄坯質(zhì)量的關(guān)鍵因素和匹配不當(dāng)?shù)脑?，為提出針對性的改進措施和優(yōu)化方案提供實際依據(jù)。通過實際案例分析，使研究成果更具實用性和可操作性，能夠直接應(yīng)用于指導(dǎo)連鑄生產(chǎn)實踐。二、連鑄保護渣性能分析2.1連鑄保護渣的功能連鑄保護渣在連鑄過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其功能涵蓋絕熱保溫、隔絕空氣防止二次氧化、潤滑鑄坯減少鑄坯粘結(jié)、改善結(jié)晶器傳熱以及吸收非金屬夾雜物等多個方面，這些功能對于保證連鑄生產(chǎn)的順利進行和提高鑄坯質(zhì)量具有不可或缺的意義。2.1.1絕熱保溫連鑄保護渣具備優(yōu)良的絕熱保溫性能，這一特性使其在連鑄過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在結(jié)晶器內(nèi)，高溫鋼液的熱量散發(fā)是一個關(guān)鍵問題，而保護渣的存在能夠有效抑制熱量的散失。當(dāng)保護渣覆蓋在鋼液表面時，其形成的多層結(jié)構(gòu)，如常見的粉渣層、燒結(jié)層和液渣層，能夠極大地減少鋼液的輻射熱損失。具體而言，粉渣層位于最上層，溫度較低，能有效阻擋熱量的傳遞；燒結(jié)層在中間起到過渡作用；液渣層直接與鋼液接觸，進一步阻礙熱量的散發(fā)。這種多層結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用，降低了鋼水的過熱度，從而抑制了在結(jié)晶器內(nèi)形成搭橋和結(jié)殼的現(xiàn)象。彎月面溫度對于鑄坯的質(zhì)量有著重要影響，而保護渣的絕熱保溫性能可以提高彎月面溫度。當(dāng)彎月面溫度提升后，鑄坯彎月面處坯殼生長更加平穩(wěn)，這是因為穩(wěn)定的溫度環(huán)境有利于坯殼的均勻凝固。同時，彎月面曲率半徑也會增大，這使得從結(jié)晶器下部鋼液中上浮的氣泡和氧化物夾雜更難被彎月面捕捉。這些氣泡和夾雜更容易上浮到液渣層中，進而使鋼液更加潔凈，減少了鑄坯內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生，提高了鑄坯的質(zhì)量。為了提高保護渣的保溫性，可采取多種措施。增加保護渣中的配碳量是一種常見方法，碳質(zhì)材料能夠阻礙熱量的傳遞，起到保溫作用。改變碳質(zhì)材料的種類也會對保溫性能產(chǎn)生影響，不同種類的碳質(zhì)材料在導(dǎo)熱性能、氧化溫度等方面存在差異，從而影響保護渣的保溫效果。加入發(fā)熱元素同樣可以提高保護渣的保溫性，發(fā)熱元素在一定條件下釋放熱量，補充鋼液散失的熱量。降低保護渣的體積密度也有助于提高保溫性，體積密度較小的保護渣內(nèi)部孔隙較多，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)較低，能夠有效阻止熱量的傳導(dǎo)。保護渣的顆粒形態(tài)也對保溫性有一定影響，粉渣和空心顆粒渣的保溫性較好，因為它們的結(jié)構(gòu)特點使得熱量傳遞路徑變長，阻礙了熱量的傳播；而柱狀渣由于其結(jié)構(gòu)相對緊密，熱量容易傳導(dǎo)，保溫性較差。2.1.2隔絕空氣防止二次氧化在連鑄過程中，鋼液與空氣接觸會引發(fā)二次氧化，這對鋼的質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重的負面影響。連鑄保護渣能夠有效地解決這一問題，其在鋼液高溫作用下，會迅速形成液渣層，這層液渣如同一個屏障，緊密地覆蓋在鋼液表面，能夠有效地阻礙空氣向鋼液面的擴散。利用保護渣的三層結(jié)構(gòu)，即粉渣層、燒結(jié)層和液渣層，對氧、氮具有良好的隔絕作用。粉渣層位于最外層，能夠阻擋空氣中的氧氣和氮氣直接接觸鋼液；燒結(jié)層進一步增強了阻隔效果；液渣層則直接與鋼液接觸，形成了一道堅固的防線，使鋼液免于二次氧化以及對氮的吸收。這種隔絕作用不僅防止了鋼液中合金元素的氧化，避免了合金元素的損失，保證了鋼液的化學(xué)成分穩(wěn)定，而且也起到了防止鋼液從空氣中吸氮的作用。氮元素進入鋼液會改變鋼的性能，如降低鋼的韌性和塑性，而保護渣的隔絕作用有效地避免了這些問題的發(fā)生，有利于提高鋼液潔凈度，從而提高鑄坯的質(zhì)量。2.1.3潤滑鑄坯減少鑄坯粘結(jié)在連鑄過程中，為了確保鑄坯能夠順利下行，同時降低裂紋和漏鋼事故的發(fā)生概率，提高結(jié)晶器使用壽命，結(jié)晶器銅板與鑄坯之間的良好潤滑至關(guān)重要。連鑄保護渣在這方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在結(jié)晶器四周的彎月面處，由于結(jié)晶器的上下振動以及坯殼與銅板之間縫隙所產(chǎn)生的毛細管作用，保護渣熔化形成的液渣被吸入并充滿銅板與坯殼的縫隙，進而形成渣膜。這層渣膜如同潤滑劑一般，能夠顯著降低結(jié)晶器銅板與鑄坯之間的摩擦力。當(dāng)鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)向下運動時，渣膜的存在使得兩者之間的摩擦阻力減小，從而減少了鑄坯表面受到的損傷，降低了裂紋產(chǎn)生的可能性。同時，良好的潤滑作用還能有效防止坯殼與結(jié)晶器壁的粘結(jié)，避免了因粘結(jié)而導(dǎo)致的漏鋼事故。隨著拉速的不斷提高，結(jié)晶器振動頻率也相應(yīng)提高，這使得保護渣流入鑄坯與結(jié)晶器間通道的難度增加，保護渣消耗量減少，拉坯摩擦阻力增大。當(dāng)阻力超過坯殼強度時，就容易引發(fā)漏鋼事故。因此，保護渣的潤滑作用在高速連鑄過程中顯得尤為重要，是保證連鑄生產(chǎn)順利進行的關(guān)鍵因素之一。2.1.4改善結(jié)晶器傳熱在結(jié)晶器內(nèi)，坯殼在凝固過程中會發(fā)生收縮，從而產(chǎn)生氣隙。氣隙的存在極大地增加了熱阻，使得熱量傳遞變得困難，這會導(dǎo)致鑄坯冷卻不均勻，影響鑄坯質(zhì)量。連鑄保護渣的加入能夠有效地改善這一狀況。保護渣熔化后形成的液渣會在結(jié)晶器壁與凝固坯殼之間形成均勻的渣膜。這層渣膜能夠填充氣隙，減小氣隙熱阻，從而明顯改善結(jié)晶器的傳熱效果。據(jù)實測數(shù)據(jù)表明，氣隙的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.09W/(m2?K)，渣膜的導(dǎo)熱系數(shù)約為1.2W/(m2?K)，而純銅的導(dǎo)熱系數(shù)約為389W/(m2?K)，即渣膜的導(dǎo)熱系數(shù)約為純銅的1/325，但比氣隙大13倍。這充分說明渣膜在改善傳熱方面的重要作用，它能夠使坯殼生長更加均勻，減少因傳熱不均導(dǎo)致的鑄坯缺陷，如表面裂紋、內(nèi)部應(yīng)力集中等問題，從而提高鑄坯的質(zhì)量。2.1.5吸收非金屬夾雜物在連鑄過程中，鋼液中會存在各種非金屬夾雜物，如Al?O?、MgO、MnO、FeO等，這些夾雜物如果不能及時去除，會對鑄坯質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，如降低鑄坯的強度、韌性和耐腐蝕性等。連鑄保護渣具有吸收非金屬夾雜物的重要功能。研究表明，在連鑄保護渣中添加離子半徑相對較大的Na?、K?、Ba2?等堿金屬化合物，可以對大型網(wǎng)絡(luò)體的結(jié)構(gòu)進行破壞和斷裂，進而降低保護渣粘度。粘度降低后，液渣的流動性增強，有利于夾雜物的擴散和溶解，從而提高了液渣吸收夾雜物的能力。在保護渣中添加與O2?半徑相近的F?，也可以提高連鑄保護渣對夾雜物的吸收能力。F?的加入會改變保護渣的結(jié)構(gòu)和性能，使其更易于與夾雜物發(fā)生反應(yīng)，從而實現(xiàn)對夾雜物的有效吸收。對于不同鋼種，上浮的夾雜物種類和性質(zhì)各不相同，對保護渣物性的影響也有所差異。例如，在低碳鋼中，夾雜物的成分和含量與其他鋼種有所不同，這就要求保護渣具有相應(yīng)的性能來適應(yīng)對這些夾雜物的吸收。在澆注含稀土的鋼或含鈦鋼時，鋼中高熔點稀土氧化物、鈦氧化物及鈦的氮化物等夾雜物會引起保護渣的粘度、熔點或堿度等性能的變化。因此，在配制保護渣時，需要根據(jù)不同鋼種的特點，調(diào)整保護渣的化學(xué)成分，以確保其具有良好的吸收夾雜物的能力。一般來說，保護渣堿度在0.85-1.1時，Al?O?含量應(yīng)盡可能低，不能大于10％，以保證保護渣對Al?O?等夾雜物的吸收效果。2.2連鑄保護渣的性能指標(biāo)連鑄保護渣的性能指標(biāo)是衡量其在連鑄過程中作用效果的關(guān)鍵參數(shù)，這些指標(biāo)直接影響著保護渣能否充分發(fā)揮其絕熱保溫、潤滑、傳熱控制以及吸收夾雜物等功能，進而對鑄坯質(zhì)量和連鑄生產(chǎn)的順利進行產(chǎn)生重要影響。其中，熔點、黏度和熔化速度是幾個最為重要的性能指標(biāo)。2.2.1熔點熔點是連鑄保護渣的重要性能指標(biāo)之一，它與拉速和鋼種密切相關(guān)。在連鑄過程中，保護渣的熔點需根據(jù)拉速和鋼種的不同進行合理調(diào)整。當(dāng)拉速較高時，為了確保保護渣能夠及時熔化并在鋼液表面形成有效的液渣層，需要降低保護渣的熔點，使其能夠在較短的時間內(nèi)充分熔化。這是因為在高速拉速下，鋼液的散熱速度加快，若保護渣熔點過高，可能無法及時熔化，導(dǎo)致液渣層厚度不足，無法有效發(fā)揮保護渣的各項功能。對于一些特殊鋼種，如高合金鋼、不銹鋼等，由于其化學(xué)成分和凝固特性的差異，對保護渣的熔點也有特定要求。高合金鋼中合金元素含量較高，其凝固過程較為復(fù)雜，需要保護渣具有合適的熔點，以適應(yīng)鋼種的凝固特性，保證連鑄過程的順利進行。在實際應(yīng)用中，一般將半球點溫度作為熔點的參考溫度。這是因為半球點溫度能夠較為準(zhǔn)確地反映保護渣在實際使用過程中的熔化狀態(tài)。當(dāng)保護渣被加熱到半球點溫度時，其固態(tài)和液態(tài)達到一種平衡狀態(tài)，此時的溫度對于評估保護渣的熔化性能具有重要意義。在連鑄生產(chǎn)中，通過測定保護渣的半球點溫度，可以為保護渣的選擇和調(diào)整提供重要依據(jù)，確保保護渣的熔點與連鑄工藝條件相匹配，從而提高鑄坯質(zhì)量和連鑄生產(chǎn)的穩(wěn)定性。2.2.2黏度黏度是保護渣最重要的性能之一，它與連鑄工藝參數(shù)密切相關(guān)。普遍一致的觀點認為，保護渣的黏度同拉坯速度呈反比關(guān)系。當(dāng)拉坯速度提高時，為了使結(jié)晶器壁與鑄坯之間渣膜保持一定的厚度，需要降低保護渣的黏度。這是因為在高拉速下，液渣流入結(jié)晶器壁與鑄坯之間縫隙的速度加快，如果黏度較大，液渣的流動性不好，就難以在縫隙中形成均勻且厚度合適的渣膜，可能導(dǎo)致渣膜很薄或不連續(xù)。而渣膜厚度不均勻會對連鑄過程產(chǎn)生諸多不利影響，如不利于夾雜物的擴散和溶解，夾雜物無法及時被渣膜吸收，會殘留在鑄坯中，影響鑄坯的質(zhì)量；同時，不均勻的渣膜還會影響熱量向結(jié)晶器傳遞，導(dǎo)致鑄坯傳熱不均，可能產(chǎn)生表面裂紋、內(nèi)部應(yīng)力集中等缺陷。相反，若黏度太小，液渣的流動性過強，會使渣膜太厚而不均勻，同樣會影響連鑄過程的穩(wěn)定性和鑄坯質(zhì)量。在實際生產(chǎn)中，需要根據(jù)拉坯速度等工藝參數(shù)，精確控制保護渣的黏度，以確保渣膜厚度均勻，實現(xiàn)良好的潤滑和傳熱效果，保證鑄坯質(zhì)量。例如，在高速連鑄過程中，通常會選擇低黏度的保護渣，以滿足高拉速下對渣膜形成和傳熱的要求；而在低速連鑄時，可以適當(dāng)提高保護渣的黏度，以保證渣膜的穩(wěn)定性和潤滑效果。2.2.3熔化速度保護渣的熔化速度是確定熔渣層厚度、渣膜厚度和渣耗的重要指標(biāo)。熔化速度對熔渣層的形成和維持起著關(guān)鍵作用，若熔化速度過快，保護渣會迅速熔化為液渣，可能導(dǎo)致鋼液面上的熔渣層過厚，這不僅會增加保護渣的消耗成本，還可能影響鋼液的散熱和傳熱均勻性。同時，過厚的熔渣層可能會在結(jié)晶器壁與鑄坯之間形成過厚的渣膜，影響鑄坯的正常凝固和表面質(zhì)量。相反，若熔化速度過慢，熔渣層厚度不足，無法及時補充因液渣流入結(jié)晶器壁與鑄坯之間縫隙而消耗的部分，會導(dǎo)致渣膜厚度不穩(wěn)定，影響保護渣的潤滑和傳熱功能。渣膜厚度不穩(wěn)定會使鑄坯與結(jié)晶器之間的摩擦力不均勻，容易引發(fā)鑄坯表面裂紋等缺陷。影響熔化速度的最重要因素是炭質(zhì)材料種類及其含量。碳是耐高溫材料，極細的碳粉吸附在渣粒周圍，使渣粒之間互相分隔開來，阻礙了渣料之間的接觸、融合，從而使熔化速度變緩。配碳材料有石墨和碳黑兩種，石墨顆粒粗大，粒度為60-80μm，其分隔和阻滯作用較差，但開始氧化溫度較高（約560℃），氧化速度較慢，在高溫區(qū)控制熔速能力較強；碳黑為無定型結(jié)構(gòu)，顆粒很細（0.06-0.10μm），分隔和阻滯作用強，開始氧化溫度較低（500℃），氧化速度快，所以碳黑在渣層溫度較低區(qū)，控制熔速能力強，在高溫區(qū)控制效率較低。一般配入的碳粉量為4%-7%，通過調(diào)整碳質(zhì)材料的種類和含量，可以有效地調(diào)節(jié)保護渣的熔化速度，使其滿足連鑄工藝的要求。2.3連鑄保護渣性能的影響因素2.3.1化學(xué)成分連鑄保護渣的化學(xué)成分是決定其性能的關(guān)鍵因素，不同成分及其含量的變化會對保護渣的熔化性能、粘度、結(jié)晶性能以及吸收夾雜物能力等產(chǎn)生顯著影響。CaO和SiO?是保護渣中的主要成分，它們的含量和比例對保護渣性能起著至關(guān)重要的作用。堿度（CaO/SiO?比值）是衡量保護渣性能的重要指標(biāo)之一，它不僅反映了保護渣吸收鋼液中夾雜物的能力，還與保護渣的析晶溫度、傳熱和潤滑性能密切相關(guān)。當(dāng)堿度增大時，保護渣吸收夾雜物的能力增強，這是因為較高的堿度能夠提供更多的堿性氧化物，這些氧化物可以與夾雜物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使其溶解在保護渣中。生產(chǎn)試驗指出，堿度增加，渣子溶解Al?O?夾雜物能力增大，但當(dāng)堿度大于1.1時，溶解Al?O?能力下降。這是因為過高的堿度會導(dǎo)致保護渣中形成高熔點的化合物，使渣子的熔點升高，粘度增大，從而降低了對Al?O?的溶解能力。堿度還會影響保護渣的析晶溫度。隨著堿度的增加，保護渣的析晶溫度升高，這會導(dǎo)致渣膜中晶體含量增加，從而影響傳熱和潤滑性能。晶體的導(dǎo)熱系數(shù)相對較低，渣膜中晶體含量增多會使傳熱效率降低，導(dǎo)致鑄坯冷卻不均勻，容易產(chǎn)生表面裂紋等缺陷。晶體的存在也會使渣膜的潤滑性能變差，增加鑄坯與結(jié)晶器之間的摩擦力，進一步影響鑄坯質(zhì)量。Al?O?在保護渣中也具有重要影響。渣中原始Al?O?含量大于10％時，渣子溶解Al?O?的能力會迅速下降。這是因為過多的Al?O?會改變保護渣的結(jié)構(gòu)和性能，使其難以再溶解新上浮的Al?O?夾雜物。當(dāng)CaO％/SiO?＝0.9-1.0時，渣中Al?O?含量大于20％，就有高熔點的化合物析出，使渣子熔點升高，粘度增大，從而失去吸收上浮夾雜物的能力。在實際生產(chǎn)中，為了保持保護渣具有良好的吸收Al?O?能力，應(yīng)盡可能降低原始渣中的Al?O?含量，同時適當(dāng)增加渣粉消耗，沖稀渣中Al?O?含量，或者在澆注過程中隨渣中Al?O?富集，采用結(jié)晶器換渣操作。MgO在保護渣中可以起到調(diào)節(jié)熔點和粘度的作用。適量的MgO能夠降低保護渣的熔點，改善其熔化性能，使保護渣在較低溫度下就能熔化，形成均勻的液渣層，更好地發(fā)揮其保護作用。MgO還可以降低保護渣的粘度，提高其流動性，有利于夾雜物的擴散和溶解，提高保護渣吸收夾雜物的能力。但MgO含量過高時，會導(dǎo)致保護渣的析晶傾向增加，影響渣膜的潤滑和傳熱性能。F、Na?O、Li?O等成分在保護渣中主要起助熔劑的作用。F?的加入可以降低保護渣的粘度，這是因為F?能夠破壞保護渣中復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使渣子的流動性增強。F?還可以降低保護渣的熔點，提高其熔化速度，使保護渣更快地形成液渣層，提高保護渣的使用效率。但F?的排放會對環(huán)境造成污染，因此在使用含氟保護渣時，需要注意環(huán)保問題。Na?O和Li?O也具有降低保護渣熔點和粘度的作用。它們能夠與保護渣中的其他成分發(fā)生反應(yīng)，形成低熔點的化合物，從而降低保護渣的熔化溫度。這些成分還可以改善保護渣的熔化性能和流動性，使保護渣在連鑄過程中更好地發(fā)揮作用。在一些特殊鋼種的連鑄中，合理調(diào)整Na?O和Li?O的含量，可以滿足特定的工藝要求，提高鑄坯質(zhì)量。2.3.2加工方式和存在形態(tài)保護渣的加工方式和存在形態(tài)對其性能也有著重要影響，不同的加工方式和存在形態(tài)會導(dǎo)致保護渣在熔化速度、傳熱性能、吸附性能等方面存在差異。粉末渣是將各種原料按一定比例混合后，經(jīng)過研磨加工成細粉狀的保護渣。其優(yōu)點是生產(chǎn)工藝簡單，成本較低，能夠快速吸附鋼液中的夾雜物，對鋼液的保護作用迅速。由于粉末渣的顆粒細小，比表面積大，在鋼液面上受熱時，能夠較快地與鋼液接觸，從而迅速吸附鋼液中的夾雜物。粉末渣的透氣性較好，有利于鋼液中的氣體排出，減少鑄坯中的氣孔缺陷。但粉末渣也存在一些缺點，如在運輸和儲存過程中容易揚塵，造成環(huán)境污染；在加入結(jié)晶器時，由于其流動性較差，難以均勻分布在鋼液面上，可能導(dǎo)致保護渣的使用效果不佳。顆粒渣是將原料制成顆粒狀的保護渣，其顆粒較大，一般為幾毫米到十幾毫米。顆粒渣的優(yōu)點是在運輸和儲存過程中不易揚塵，便于儲存和運輸。在加入結(jié)晶器時，顆粒渣的流動性較好，能夠均勻地分布在鋼液面上，提高保護渣的覆蓋效果。顆粒渣的堆積密度較大，能夠在鋼液面上形成較厚的渣層，增強絕熱保溫性能，減少鋼液的熱量散失。顆粒渣的熔化速度相對較慢，在鋼液面上形成液渣層的時間較長，可能會影響保護渣對鋼液的及時保護。預(yù)熔型渣是將原料經(jīng)過高溫熔化后，再進行加工制成的保護渣。預(yù)熔型渣具有成分均勻、在熔化過程中無分相和化學(xué)反應(yīng)、不易吸潮等優(yōu)點。由于預(yù)熔型渣在生產(chǎn)過程中經(jīng)過了高溫熔化，其成分更加均勻，避免了傳統(tǒng)保護渣在熔化過程中可能出現(xiàn)的成分偏析現(xiàn)象，從而保證了保護渣性能的穩(wěn)定性。預(yù)熔型渣的玻璃性能良好，在結(jié)晶器內(nèi)能夠形成均勻的渣膜，改善傳熱和潤滑性能，減少鑄坯與結(jié)晶器之間的摩擦力，降低鑄坯表面缺陷的產(chǎn)生。但預(yù)熔型渣的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本較高，限制了其廣泛應(yīng)用。三、結(jié)晶器振動模式分析3.1結(jié)晶器振動的作用3.1.1防止鑄坯粘結(jié)和拉裂在連鑄過程中，鑄坯與結(jié)晶器銅壁之間的粘結(jié)和拉裂問題是影響鑄坯質(zhì)量和連鑄生產(chǎn)順利進行的關(guān)鍵因素之一。結(jié)晶器振動通過獨特的作用機制，能夠有效防止這些問題的發(fā)生。當(dāng)結(jié)晶器上下振動時，其按特定的振動曲線周期性地改變鋼液面與結(jié)晶器銅壁的相對位置。在結(jié)晶器下降過程中，會對坯殼產(chǎn)生一個強制脫模的作用。這是因為在下降階段，結(jié)晶器與坯殼之間的摩擦力和相對運動，使得坯殼與銅壁之間的粘附力被克服，從而實現(xiàn)強制脫模。這種強制脫模作用可以有效避免鑄坯在凝固過程中與結(jié)晶器銅壁發(fā)生粘結(jié)，防止坯殼因粘結(jié)而被拉裂。在結(jié)晶器振動過程中，對于拉漏的坯殼，在結(jié)晶器內(nèi)部能夠得以焊合。這是因為在結(jié)晶器的振動作用下，拉漏處的坯殼受到一定的壓力和變形，使得坯殼的斷裂部分能夠相互接觸并重新結(jié)合。同時，結(jié)晶器內(nèi)的鋼水也會對坯殼的焊合起到一定的填充和融合作用，從而保證坯殼的完整性，防止漏鋼事故的進一步擴大。為了更好地理解結(jié)晶器振動防止鑄坯粘結(jié)和拉裂的作用，以某鋼廠的連鑄生產(chǎn)為例。在該鋼廠的連鑄過程中，曾經(jīng)出現(xiàn)過由于結(jié)晶器振動參數(shù)不合理，導(dǎo)致鑄坯粘結(jié)和拉裂的問題。通過對結(jié)晶器振動系統(tǒng)進行優(yōu)化，調(diào)整振動曲線和參數(shù)，使結(jié)晶器能夠更有效地實現(xiàn)強制脫模和坯殼焊合的作用。優(yōu)化后，鑄坯粘結(jié)和拉裂的情況得到了明顯改善，鑄坯質(zhì)量顯著提高，連鑄生產(chǎn)的穩(wěn)定性和效率也得到了提升。3.1.2減小拉坯阻力及改善鑄坯表面質(zhì)量在連鑄過程中，拉坯阻力的大小和鑄坯表面質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響著連鑄生產(chǎn)的順利進行和鑄坯的質(zhì)量。結(jié)晶器振動通過促進保護渣在結(jié)晶器銅壁的滲透，對減小拉坯阻力和改善鑄坯表面質(zhì)量起到了至關(guān)重要的作用。在結(jié)晶器振動過程中，保護渣在結(jié)晶器銅壁的滲透過程是一個復(fù)雜的物理現(xiàn)象。隨著結(jié)晶器的上下振動，保護渣受到振動的作用力和坯殼與結(jié)晶器壁之間縫隙所產(chǎn)生的毛細管作用，逐漸熔化并被吸入到銅板與坯殼的縫隙中。在這個過程中，保護渣中的液態(tài)成分在縫隙中形成渣膜，渣膜的存在極大地改善了結(jié)晶器銅板與鑄坯之間的潤滑條件。由于渣膜的潤滑作用，鑄坯在拉坯過程中與結(jié)晶器壁之間的摩擦力顯著減小，從而減小了拉坯阻力。這不僅有利于鑄坯的順利拉出，還降低了因拉坯阻力過大而導(dǎo)致坯殼拉裂的風(fēng)險。保護渣的滲透和渣膜的形成對鑄坯表面質(zhì)量的改善有著多方面的作用。渣膜能夠使鑄坯表面在凝固過程中受到更均勻的冷卻和壓力，減少了表面缺陷的產(chǎn)生。渣膜的存在可以有效防止高溫凝殼與結(jié)晶器銅壁的粘結(jié)，避免了因粘結(jié)而導(dǎo)致的鑄坯表面劃痕、凹坑等缺陷。良好的潤滑條件還能使鑄坯表面更加光滑，減少了表面粗糙度，提高了鑄坯的表面質(zhì)量。在實際生產(chǎn)中，當(dāng)結(jié)晶器振動參數(shù)合理，保護渣性能良好時，鑄坯表面的振痕深度明顯減小，表面質(zhì)量得到顯著改善。為了說明結(jié)晶器振動對減小拉坯阻力和改善鑄坯表面質(zhì)量的影響，以某鋼鐵企業(yè)的連鑄生產(chǎn)線為例。在該生產(chǎn)線中，通過對結(jié)晶器振動模式和參數(shù)進行優(yōu)化，同時調(diào)整保護渣的性能，使保護渣能夠更好地在結(jié)晶器銅壁滲透并形成均勻的渣膜。優(yōu)化后，拉坯阻力降低了[X]%，鑄坯表面的振痕深度從原來的[X]mm減小到了[X]mm，鑄坯表面的缺陷率也大幅降低，產(chǎn)品質(zhì)量得到了市場的認可，為企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟效益。3.2結(jié)晶器振動模式的類型3.2.1同步振動同步振動是結(jié)晶器振動發(fā)展早期出現(xiàn)的一種振動模式。其特點是結(jié)晶器向下振動時，速度與拉坯速度相等，即V2=V（設(shè)V為拉坯速度，V2為結(jié)晶器下降速度），而上升速度V1=3V。在這種振動模式下，結(jié)晶器下降時與鑄坯實現(xiàn)同步運動，這使得拉裂的坯殼在該階段得以愈合，愈合時間大約占整個運動周期的75%。同步運動可以有效減少拉坯阻力，降低漏鋼事故的發(fā)生概率，對鑄坯質(zhì)量的提升有一定的積極作用。為了實現(xiàn)同步振動，通常采用機械凸輪機構(gòu)式振動裝置。但這種振動模式存在諸多局限性。凸輪加工制造過程較為復(fù)雜，需要高精度的加工工藝和設(shè)備，這增加了生產(chǎn)成本和制造難度。振動機構(gòu)必須與拉坯速度實行嚴(yán)格的同步聯(lián)鎖，對控制系統(tǒng)的要求極高，一旦出現(xiàn)同步偏差，就會影響振動效果和鑄坯質(zhì)量。當(dāng)結(jié)晶器由往下振動轉(zhuǎn)為往上運動的轉(zhuǎn)折處，加速度理論上為無窮大，這會在機構(gòu)中產(chǎn)生相當(dāng)大的沖擊，嚴(yán)重影響結(jié)晶器振動的平穩(wěn)性，對鑄坯質(zhì)量和設(shè)備的運轉(zhuǎn)都極為不利。由于這些缺點，同步振動在實際生產(chǎn)中已不再被采用。3.2.2負滑動振動負滑動振動是在同步振動基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種振動模式，其原理是當(dāng)結(jié)晶器往下振動時，速度大于拉坯速度，即V2=V(1-NS)（其中NS為負滑動率），而往上振動時，取V1=2.8-3.2V2。這種振動模式下，結(jié)晶器先以比拉速稍高的速度下降一段時間，出現(xiàn)負滑動或負滑脫現(xiàn)象。此時坯殼處于受壓狀態(tài)，這種受壓狀態(tài)既有利于強制脫模，又有利于斷裂坯殼的壓合，能夠有效避免坯殼與結(jié)晶器壁的粘結(jié)，減少漏鋼事故的發(fā)生。在負滑動振動過程中，結(jié)晶器在下降或上升過程中都有一段穩(wěn)定運動時間，這有利于坯殼的生成和裂紋的愈合。與同步振動相比，負滑動振動克服了同步振動時產(chǎn)生較大加速度的缺點，在結(jié)晶器上升和下降的轉(zhuǎn)折點處，速度變化比較緩和，有利于提高運動的平穩(wěn)性。負滑動振動對鑄坯質(zhì)量的改善具有重要意義，它能夠使鑄坯表面更加光滑，減少表面缺陷的產(chǎn)生，提高鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量和性能。3.2.3正弦振動正弦振動是目前連鑄生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛的一種振動模式，其運動速度隨時間的變化呈正弦曲線。在正弦振動過程中，結(jié)晶器在整個振動過程中速度一直處于變化狀態(tài)，即鑄坯與結(jié)晶器時刻都存在相對運動。在結(jié)晶器下降過程中有一段負滑動階段，能有效防止和消除粘結(jié)，起到脫模作用。由于結(jié)晶器的運動速度按正弦規(guī)律變化，其加速度必然按余弦規(guī)律變化，所以在振動過程中過渡比較平穩(wěn)，沖擊力也較小，這有利于提高結(jié)晶器的使用壽命和鑄坯質(zhì)量。正弦振動僅取決于振幅和振動頻率兩個參數(shù)，獨立變量少，這使得其波形調(diào)節(jié)能力相對較小。負滑動時間隨著振動頻率的減小及振幅的增大而增大，過高的振動頻率和過大的振幅會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增大鑄坯與結(jié)晶器之間的摩擦，對鑄坯質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的連鑄工藝條件和鑄坯要求，合理調(diào)整正弦振動的參數(shù)，以達到最佳的振動效果。3.2.4非正弦振動非正弦振動是近年來發(fā)展起來的一種先進的結(jié)晶器振動模式，它在正滑動時間和負滑動時間里具有獨特的速度變化特點。與正弦振動相比，非正弦振動在正滑動時間里，結(jié)晶器向上的振動速度與拉坯速度之差減小，這可減小結(jié)晶器施加給鑄坯向上作用的摩擦力，從而減小坯殼中的拉應(yīng)力，降低拉裂的風(fēng)險。正滑動時間較長，可增加保護渣的消耗量，有利于結(jié)晶器的潤滑，使鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的運動更加順暢。在負滑動時間里，非正弦振動的振動速度與拉坯速度之差較大，作用在坯殼上的壓力增大，有利于鑄坯脫模。負滑動時間短，有利于減輕鑄坯表面振痕深度，提高鑄坯的表面質(zhì)量。非正弦振動的這些優(yōu)點使其能夠更好地滿足現(xiàn)代連鑄生產(chǎn)對鑄坯質(zhì)量的高要求，尤其是在高速連鑄和生產(chǎn)高質(zhì)量鑄坯的情況下，非正弦振動的優(yōu)勢更加明顯。為了充分發(fā)揮非正弦振動的優(yōu)勢，需要對其振動參數(shù)進行優(yōu)化研究。通過調(diào)整振動頻率、振幅、負滑脫時間等參數(shù)，使非正弦振動能夠適應(yīng)不同鋼種、不同拉坯速度和不同連鑄工藝條件的要求，進一步提高鑄坯質(zhì)量和連鑄生產(chǎn)效率。3.3結(jié)晶器振動參數(shù)及其影響3.3.1振幅振幅是結(jié)晶器振動的重要參數(shù)之一，它對鑄坯質(zhì)量和連鑄過程有著顯著的影響。在結(jié)晶器振動過程中，振幅的大小直接關(guān)系到坯殼的壓合效果、振痕深度以及摩擦阻力的大小。較大的振幅在一定程度上有利于提高對坯殼的壓合效果。當(dāng)結(jié)晶器振動振幅增大時，在負滑動階段，結(jié)晶器對坯殼的壓力增大，這使得拉裂的坯殼更容易被壓合，從而減少了坯殼裂紋的產(chǎn)生，提高了鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量。在實際生產(chǎn)中，對于一些容易出現(xiàn)坯殼裂紋的鋼種，適當(dāng)增大振幅可以有效改善坯殼的質(zhì)量。但振幅過大也會帶來一系列問題。振幅過大會使振痕深度增加，鑄坯表面的振痕是影響鑄坯表面質(zhì)量的重要因素之一，較深的振痕會導(dǎo)致鑄坯表面缺陷，如振痕處容易出現(xiàn)夾雜物聚集、微觀裂紋等問題，這些缺陷在后續(xù)的加工過程中可能會進一步擴大，影響鋼材的性能。振幅過大還會增大鑄坯與結(jié)晶器之間的摩擦阻力，這不僅會增加拉坯的能耗，還可能導(dǎo)致坯殼在拉坯過程中受到過大的拉力而產(chǎn)生裂紋，甚至引發(fā)漏鋼事故。因此，振幅的取值宜低不宜高。在實際生產(chǎn)中，振幅一般取為3-8mm。在這個范圍內(nèi)，既能保證對坯殼有一定的壓合效果，防止坯殼拉裂，又能有效控制振痕深度和摩擦阻力，保證鑄坯的表面質(zhì)量和連鑄過程的順利進行。對于不同的鋼種和連鑄工藝條件，還需要根據(jù)具體情況對振幅進行調(diào)整，以達到最佳的連鑄效果。3.3.2頻率頻率是結(jié)晶器振動的另一個關(guān)鍵參數(shù)，它對鑄坯質(zhì)量和連鑄過程的影響也十分復(fù)雜。頻率的變化會影響坯殼的壓合效果、振痕深度、潤滑以及摩擦阻力等多個方面。隨著頻率的增加，負滑脫時間變短且趨于穩(wěn)定。在一定范圍內(nèi)，頻率的提高可以使結(jié)晶器在單位時間內(nèi)的振動次數(shù)增加，從而使坯殼在較短的時間內(nèi)受到多次振動作用，這有利于提高對坯殼的壓合效果，減小振痕深度。在一些高速連鑄生產(chǎn)中，適當(dāng)提高振動頻率可以有效改善鑄坯的表面質(zhì)量。但頻率過高也會帶來一些負面影響。頻率過高會降低對結(jié)晶器的潤滑效果，這是因為在高頻率振動下，保護渣的消耗速度加快，可能導(dǎo)致結(jié)晶器壁與鑄坯之間的渣膜厚度不均勻，從而使?jié)櫥阅茏儾?。頻率過高還會增大摩擦阻力，這是由于高頻率振動使鑄坯與結(jié)晶器之間的相對運動加劇，摩擦力增大，容易導(dǎo)致坯殼表面損傷和裂紋的產(chǎn)生。頻率多在100-400次/min之間選取。在這個頻率范圍內(nèi)，能夠在保證坯殼壓合效果和振痕深度的同時，兼顧結(jié)晶器的潤滑和摩擦阻力，確保連鑄過程的穩(wěn)定和鑄坯質(zhì)量的良好。在實際生產(chǎn)中，需要根據(jù)鋼種、拉坯速度、保護渣性能等因素，綜合考慮并合理調(diào)整頻率，以實現(xiàn)最佳的連鑄工藝效果。3.3.3波形偏斜率波形偏斜率是影響結(jié)晶器振動效果的重要參數(shù)，它對結(jié)晶器的運動特性和連鑄工藝有著顯著的影響。波形偏斜率的變化會直接影響結(jié)晶器的最大升降速度和負滑量，進而影響鑄坯的質(zhì)量和連鑄過程的順利進行。當(dāng)波形偏斜率增大時，結(jié)晶器的最大下降速度和負滑量（Ns）增大，這使得在負滑動階段，結(jié)晶器對坯殼的壓力增大，有利于鑄坯脫模。較大的負滑量可以使坯殼在受壓狀態(tài)下更好地與結(jié)晶器壁分離，減少粘結(jié)的可能性，降低漏鋼事故的發(fā)生概率。波形偏斜率增大時，結(jié)晶器上升最大速度和負滑脫時間率（NSR）減小。較小的上升速度可以減小結(jié)晶器對鑄坯向上的摩擦力，降低坯殼中的拉應(yīng)力，減少拉裂的風(fēng)險。較小的負滑脫時間率意味著正滑動時間相對較長，這有利于增加保護渣的消耗量，改善結(jié)晶器的潤滑條件，使鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的運動更加順暢。波形偏斜率增大可同時滿足連鑄工藝對結(jié)晶器振動的多方面要求，即負滑時間越短越好（但不能等于零）、負滑量越大越好、正滑時間越長越好（即負滑時間率越低越好）、結(jié)晶器上升速度越低越好。因此，在連鑄生產(chǎn)中，適當(dāng)增大波形偏斜率有利于提高鑄坯質(zhì)量和連鑄生產(chǎn)效率。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的連鑄工藝條件和鑄坯要求，合理調(diào)整波形偏斜率，以達到最佳的振動效果。四、連鑄保護渣性能與結(jié)晶器振動模式的匹配關(guān)系4.1保護渣性能對結(jié)晶器振動模式的影響4.1.1熔點與振動模式的關(guān)系保護渣的熔點是影響結(jié)晶器振動模式選擇的重要因素之一。熔點直接關(guān)系到保護渣在連鑄過程中的熔化狀態(tài)和時間，進而影響到液渣層的形成和穩(wěn)定性，以及鑄坯與結(jié)晶器壁之間的潤滑和傳熱效果。當(dāng)保護渣熔點較高時，在相同的加熱條件下，其熔化所需的時間更長。這意味著在結(jié)晶器振動過程中，液渣層的形成相對較晚，且厚度可能較薄。在這種情況下，為了保證保護渣能夠充分熔化并形成有效的液渣層，需要調(diào)整結(jié)晶器的振動模式。結(jié)晶器的振動頻率可以適當(dāng)降低，使保護渣有更充足的時間在結(jié)晶器內(nèi)受熱熔化。因為較低的振動頻率可以延長保護渣在結(jié)晶器內(nèi)的停留時間，增加其與高溫鋼水的接觸時間，從而促進保護渣的熔化。振幅也可以適當(dāng)增大，這樣可以在一定程度上增加保護渣與結(jié)晶器壁的接觸面積，有利于保護渣的熔化和液渣層的均勻分布。對于一些高熔點的保護渣，在連鑄過程中，若采用常規(guī)的振動模式，可能會出現(xiàn)保護渣熔化不完全的情況，導(dǎo)致液渣層厚度不足，無法有效地發(fā)揮保護渣的潤滑和傳熱作用。這可能會使鑄坯與結(jié)晶器壁之間的摩擦力增大，容易引發(fā)鑄坯表面裂紋等缺陷。在實際生產(chǎn)中，對于采用高熔點保護渣的連鑄工藝，通過降低結(jié)晶器振動頻率，從原來的[X]次/min降低到[X]次/min，同時增大振幅，從原來的[X]mm增大到[X]mm，使得保護渣能夠充分熔化，液渣層厚度均勻，鑄坯表面質(zhì)量得到了顯著改善。相反，當(dāng)保護渣熔點較低時，其熔化速度較快，液渣層能夠迅速形成。此時，結(jié)晶器的振動頻率可以適當(dāng)提高，以促進保護渣在結(jié)晶器內(nèi)的均勻分布和及時補充。較高的振動頻率可以使保護渣在短時間內(nèi)更均勻地覆蓋在鋼水表面，并快速流入鑄坯與結(jié)晶器壁之間的縫隙，形成良好的潤滑渣膜。振幅則可以適當(dāng)減小，避免因振幅過大導(dǎo)致保護渣過度分散或飛濺，影響其正常作用的發(fā)揮。在某些采用低熔點保護渣的連鑄生產(chǎn)中，將結(jié)晶器振動頻率提高到[X]次/min，振幅減小到[X]mm，結(jié)果保護渣的消耗更加合理，鑄坯與結(jié)晶器壁之間的潤滑效果良好，鑄坯質(zhì)量穩(wěn)定。不同的鋼種對保護渣熔點和結(jié)晶器振動模式也有不同的要求。例如，對于一些高合金鋼種，由于其凝固特性和成分的特殊性，需要使用特定熔點的保護渣，并且相應(yīng)地調(diào)整結(jié)晶器振動模式，以確保連鑄過程的順利進行和鑄坯質(zhì)量的穩(wěn)定。在連鑄高合金鋼時，使用的保護渣熔點較高，通過優(yōu)化結(jié)晶器振動模式，降低振動頻率、增大振幅，使得保護渣能夠充分熔化并發(fā)揮作用，鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量都得到了有效保障。4.1.2黏度與振動模式的關(guān)系保護渣的黏度對結(jié)晶器與鑄坯間的摩擦力有著至關(guān)重要的影響，而結(jié)晶器振動模式的選擇需要充分考慮這一因素，以防止鑄坯與結(jié)晶器壁發(fā)生粘結(jié)，保證連鑄過程的順利進行和鑄坯質(zhì)量。當(dāng)保護渣黏度過大時，其流動性較差，在結(jié)晶器振動過程中，難以均勻地流入鑄坯與結(jié)晶器壁之間的縫隙，從而導(dǎo)致渣膜厚度不均勻。不均勻的渣膜會使鑄坯與結(jié)晶器壁之間的摩擦力分布不均，部分區(qū)域摩擦力過大，容易引發(fā)鑄坯表面裂紋，甚至可能導(dǎo)致鑄坯與結(jié)晶器壁粘結(jié)，造成漏鋼事故。在這種情況下，需要調(diào)整結(jié)晶器的振動模式來改善保護渣的流動和分布?？梢赃m當(dāng)增大結(jié)晶器的振動頻率，較高的振動頻率能夠產(chǎn)生更大的剪切力，促使黏度過大的保護渣更好地流動，使其更容易進入鑄坯與結(jié)晶器壁之間的縫隙，從而改善渣膜的均勻性，降低摩擦力。振幅也可以適當(dāng)調(diào)整，通過改變振幅的大小，調(diào)整保護渣在結(jié)晶器內(nèi)的運動狀態(tài)，使其更有利于均勻分布。某鋼廠在連鑄過程中，曾因保護渣黏度過大，導(dǎo)致鑄坯與結(jié)晶器壁之間摩擦力增大，鑄坯表面出現(xiàn)大量裂紋。通過將結(jié)晶器振動頻率從[X]次/min提高到[X]次/min，同時對振幅進行優(yōu)化調(diào)整，保護渣的流動和分布得到改善，渣膜厚度趨于均勻，鑄坯與結(jié)晶器壁之間的摩擦力顯著降低，鑄坯表面裂紋問題得到有效解決。當(dāng)保護渣黏度過小時，其流動性過強，在結(jié)晶器振動過程中，保護渣可能會過快地流入鑄坯與結(jié)晶器壁之間的縫隙，導(dǎo)致渣膜過厚。過厚的渣膜雖然在一定程度上可以降低摩擦力，但也會影響鑄坯的傳熱，使鑄坯冷卻不均勻，容易產(chǎn)生內(nèi)部缺陷。此時，需要降低結(jié)晶器的振動頻率，減少保護渣的流入速度，使渣膜厚度保持在合理范圍內(nèi)。振幅也可以適當(dāng)減小，避免因振動過于劇烈導(dǎo)致保護渣過度流入，進一步加厚渣膜。在實際生產(chǎn)中，為了找到保護渣黏度與結(jié)晶器振動模式的最佳匹配，需要綜合考慮多種因素。除了保護渣黏度和結(jié)晶器振動參數(shù)外，還需要考慮鋼種、拉坯速度、結(jié)晶器尺寸等因素。不同鋼種的凝固特性和對保護渣的要求不同，拉坯速度的變化會影響保護渣的消耗和分布，結(jié)晶器尺寸的大小也會影響保護渣在結(jié)晶器內(nèi)的流動和分布情況。因此，在實際操作中，需要根據(jù)具體的生產(chǎn)條件，通過實驗和數(shù)據(jù)分析，不斷優(yōu)化保護渣黏度和結(jié)晶器振動模式，以實現(xiàn)最佳的連鑄效果。4.1.3熔化速度與振動模式的關(guān)系保護渣的熔化速度對液渣層厚度和渣膜形成有著關(guān)鍵影響，進而與結(jié)晶器振動模式存在緊密的匹配要求。在連鑄過程中，保護渣的熔化速度直接決定了鋼液面上液渣層的形成速度和厚度，以及在結(jié)晶器壁與鑄坯之間形成渣膜的質(zhì)量和穩(wěn)定性。若保護渣熔化速度過快，在結(jié)晶器振動過程中，鋼液面上的熔渣層會迅速變厚。過厚的熔渣層可能會導(dǎo)致一系列問題，如熔渣層的不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)結(jié)渣圈等現(xiàn)象，影響鋼液的散熱和保護渣的正常作用。在結(jié)晶器壁與鑄坯之間，過快熔化的保護渣可能會形成過厚且不均勻的渣膜。過厚的渣膜會影響鑄坯的傳熱均勻性，導(dǎo)致鑄坯冷卻不均勻，容易產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力集中，引發(fā)鑄坯內(nèi)部缺陷，如裂紋、偏析等。在這種情況下，為了適應(yīng)過快的熔化速度，結(jié)晶器的振動模式需要相應(yīng)調(diào)整?？梢赃m當(dāng)提高結(jié)晶器的振動頻率，使保護渣在結(jié)晶器內(nèi)的運動更加頻繁，促進其均勻分布，避免熔渣層過厚和渣膜不均勻。振幅也可以適當(dāng)減小，以減少因振動過于劇烈而導(dǎo)致的保護渣過度聚集和分布不均。某鋼廠在連鑄生產(chǎn)中，由于保護渣熔化速度過快，出現(xiàn)了熔渣層過厚和渣膜不均勻的問題，導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部出現(xiàn)裂紋。通過將結(jié)晶器振動頻率從[X]次/min提高到[X]次/min，振幅從[X]mm減小到[X]mm，使保護渣在結(jié)晶器內(nèi)的分布更加均勻，熔渣層厚度和渣膜質(zhì)量得到有效控制，鑄坯內(nèi)部裂紋問題得到明顯改善。若保護渣熔化速度過慢，鋼液面上的熔渣層會過薄，無法及時補充因液渣流入結(jié)晶器壁與鑄坯之間縫隙而消耗的部分，導(dǎo)致渣膜厚度不穩(wěn)定。不穩(wěn)定的渣膜會使鑄坯與結(jié)晶器之間的摩擦力不均勻，容易引發(fā)鑄坯表面裂紋等缺陷。在這種情況下，結(jié)晶器的振動模式需要做出相反的調(diào)整?？梢赃m當(dāng)降低結(jié)晶器的振動頻率，使保護渣有更充足的時間在鋼液面上熔化和積累，形成足夠厚度的熔渣層。振幅則可以適當(dāng)增大，通過較大的振幅，增加保護渣與結(jié)晶器壁的接觸和摩擦，促進其熔化和流入鑄坯與結(jié)晶器壁之間的縫隙，保證渣膜的穩(wěn)定形成。在實際生產(chǎn)中，保護渣的熔化速度受到多種因素的影響，如保護渣的化學(xué)成分、碳質(zhì)材料的種類和含量、鋼液溫度等。因此，在調(diào)整結(jié)晶器振動模式以匹配保護渣熔化速度時，需要綜合考慮這些因素。同時，還需要結(jié)合鋼種、拉坯速度等連鑄工藝參數(shù)，通過實驗和現(xiàn)場調(diào)試，確定最佳的結(jié)晶器振動模式和保護渣性能參數(shù)，以確保連鑄過程的順利進行和鑄坯質(zhì)量的穩(wěn)定。4.2結(jié)晶器振動模式對保護渣性能的影響4.2.1振動模式對保護渣消耗量的影響結(jié)晶器振動模式的不同，會顯著影響保護渣在結(jié)晶器內(nèi)的滲透情況，進而對保護渣的消耗量產(chǎn)生影響，而保護渣消耗量的變化又與連鑄工藝穩(wěn)定性密切相關(guān)。在正弦振動模式下，結(jié)晶器的運動速度按正弦規(guī)律變化，其在整個振動過程中速度一直處于變化狀態(tài)，鑄坯與結(jié)晶器時刻都存在相對運動。在結(jié)晶器下降過程中有一段負滑動階段，在這個過程中，由于結(jié)晶器與鑄坯之間的相對運動和摩擦力，保護渣受到一定的作用力。在負滑動階段，結(jié)晶器對坯殼的壓力使得保護渣更容易被擠入鑄坯與結(jié)晶器壁之間的縫隙。然而，正弦振動的負滑動時間隨著振動頻率的減小及振幅的增大而增大，過高的振動頻率和過大的振幅會導(dǎo)致保護渣在短時間內(nèi)被過度擠壓進入縫隙，可能使保護渣的消耗過快。當(dāng)振動頻率為[X]次/min，振幅為[X]mm時，保護渣的消耗量明顯高于正常水平，這可能導(dǎo)致保護渣的供應(yīng)不足，影響連鑄過程的穩(wěn)定性。非正弦振動模式在正滑動時間和負滑動時間里具有獨特的速度變化特點。在正滑動時間里，結(jié)晶器向上的振動速度與拉坯速度之差減小，這使得保護渣受到的向上的作用力相對較小，有利于保護渣在結(jié)晶器內(nèi)的均勻分布。正滑動時間較長，可增加保護渣的消耗量，這是因為在較長的正滑動時間內(nèi)，保護渣有更多的機會被吸入鑄坯與結(jié)晶器壁之間的縫隙，形成穩(wěn)定的渣膜。在負滑動時間里，振動速度與拉坯速度之差較大，作用在坯殼上的壓力增大，有利于鑄坯脫模，同時也會使保護渣在這個過程中更好地填充到縫隙中。某鋼廠在采用非正弦振動模式后，保護渣的消耗量比采用正弦振動模式時增加了[X]%，渣膜厚度更加均勻，鑄坯與結(jié)晶器壁之間的潤滑效果得到明顯改善，連鑄工藝的穩(wěn)定性得到顯著提高。保護渣消耗量的變化對連鑄工藝穩(wěn)定性有著重要影響。當(dāng)保護渣消耗不足時，鑄坯與結(jié)晶器壁之間的渣膜厚度變薄，潤滑效果變差，摩擦力增大，容易導(dǎo)致鑄坯表面出現(xiàn)裂紋、粘結(jié)等缺陷，嚴(yán)重時甚至?xí)l(fā)漏鋼事故，影響連鑄生產(chǎn)的連續(xù)性。相反，當(dāng)保護渣消耗過多時，不僅會增加生產(chǎn)成本，還可能導(dǎo)致鋼液面上的熔渣層過厚，影響鋼液的散熱和保護渣的正常作用，同樣會對連鑄工藝穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。4.2.2振動模式對保護渣潤滑效果的影響結(jié)晶器振動模式的差異會對保護渣在結(jié)晶器與鑄坯間形成的渣膜質(zhì)量產(chǎn)生影響，進而影響保護渣的潤滑效果。在正弦振動模式下，結(jié)晶器的振動使得保護渣在結(jié)晶器與鑄坯間的滲透和分布受到周期性的影響。由于正弦振動的速度變化特點，在結(jié)晶器下降過程中，保護渣受到較大的壓力而被擠入縫隙，但在上升過程中，保護渣的流動可能受到一定阻礙。這可能導(dǎo)致渣膜厚度不均勻，在某些區(qū)域渣膜較厚，而在另一些區(qū)域渣膜較薄。不均勻的渣膜會使鑄坯與結(jié)晶器壁之間的摩擦力分布不均，從而影響潤滑效果。在實際生產(chǎn)中，采用正弦振動模式時，鑄坯表面可能會出現(xiàn)周期性的振痕，這與渣膜厚度不均勻?qū)е碌哪Σ亮ψ兓芮邢嚓P(guān)。較厚的渣膜區(qū)域摩擦力較小，而較薄的渣膜區(qū)域摩擦力較大，這種摩擦力的差異會在鑄坯表面形成振痕，影響鑄坯的表面質(zhì)量。非正弦振動模式在改善渣膜質(zhì)量和潤滑效果方面具有優(yōu)勢。在正滑動時間里，結(jié)晶器向上的振動速度與拉坯速度之差減小，減小了結(jié)晶器施加給鑄坯向上作用的摩擦力，這有利于保護渣在結(jié)晶器與鑄坯間的均勻分布。較長的正滑動時間使得保護渣有更多的時間和機會流入縫隙，形成更均勻的渣膜。在負滑動時間里，振動速度與拉坯速度之差較大，作用在坯殼上的壓力增大，有利于鑄坯脫模，同時也促使保護渣更好地填充到縫隙中，進一步提高渣膜的均勻性。某鋼廠通過采用非正弦振動模式，鑄坯與結(jié)晶器壁之間的渣膜厚度均勻性得到顯著提高，摩擦力明顯減小，鑄坯表面的振痕深度從原來的[X]mm減小到了[X]mm，鑄坯表面質(zhì)量得到了極大改善，保護渣的潤滑效果得到了有效提升。保護渣的潤滑效果對鑄坯質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。良好的潤滑效果可以減小鑄坯與結(jié)晶器壁之間的摩擦力，降低鑄坯表面受到的損傷，減少裂紋等缺陷的產(chǎn)生。在高速連鑄過程中，潤滑效果的好壞直接關(guān)系到鑄坯能否順利拉出，以及鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量。如果潤滑效果不佳，鑄坯與結(jié)晶器壁之間的摩擦力過大，可能會導(dǎo)致鑄坯表面出現(xiàn)劃痕、凹坑等缺陷，甚至可能引發(fā)鑄坯斷裂，影響連鑄生產(chǎn)的順利進行和鑄坯的質(zhì)量。4.2.3振動模式對保護渣傳熱性能的影響結(jié)晶器振動模式的不同會對保護渣在結(jié)晶器內(nèi)的傳熱均勻性產(chǎn)生影響，而傳熱均勻性又對鑄坯質(zhì)量有著重要作用。在正弦振動模式下，由于結(jié)晶器的運動速度按正弦規(guī)律變化，保護渣在結(jié)晶器內(nèi)的分布和運動也呈現(xiàn)出周期性的變化。這種周期性變化可能導(dǎo)致保護渣在結(jié)晶器與鑄坯間形成的渣膜厚度不均勻，進而影響傳熱均勻性。在結(jié)晶器下降過程中，保護渣受到較大的壓力，渣膜厚度可能會發(fā)生變化，而在上升過程中，渣膜厚度又可能恢復(fù)或發(fā)生其他變化。這種渣膜厚度的周期性變化會使得鑄坯在不同位置的傳熱速率不同，導(dǎo)致鑄坯冷卻不均勻。鑄坯冷卻不均勻會在鑄坯內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，容易引發(fā)鑄坯內(nèi)部裂紋、偏析等缺陷，影響鑄坯的質(zhì)量。在采用正弦振動模式的連鑄生產(chǎn)中，鑄坯內(nèi)部可能會出現(xiàn)微觀組織不均勻的情況，這與傳熱不均勻?qū)е碌睦鋮s差異密切相關(guān)。非正弦振動模式在改善傳熱均勻性方面具有獨特的優(yōu)勢。在正滑動時間里，結(jié)晶器向上的振動速度與拉坯速度之差減小，保護渣在結(jié)晶器與鑄坯間的分布更加均勻，有利于形成均勻的渣膜。均勻的渣膜能夠更均勻地傳遞熱量，使鑄坯在各個位置的傳熱速率更加一致，從而提高傳熱均勻性。在負滑動時間里，振動速度與拉坯速度之差較大，作用在坯殼上的壓力增大，有利于鑄坯脫模，同時也促使保護渣更好地填充到縫隙中，進一步保證渣膜的均勻性和傳熱均勻性。某鋼廠在采用非正弦振動模式后，通過對鑄坯內(nèi)部溫度場的檢測發(fā)現(xiàn)，鑄坯的溫度分布更加均勻，內(nèi)部應(yīng)力明顯減小，鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量得到了顯著提高。鑄坯的內(nèi)部裂紋和偏析等缺陷明顯減少，產(chǎn)品的性能和質(zhì)量得到了有效保障。傳熱均勻性對鑄坯質(zhì)量的影響是多方面的。均勻的傳熱可以使鑄坯在凝固過程中形成均勻的微觀組織，提高鑄坯的強度和韌性。均勻的傳熱還可以減少鑄坯內(nèi)部的應(yīng)力集中，降低裂紋等缺陷的產(chǎn)生概率，提高鑄坯的表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量。在實際生產(chǎn)中，為了提高鑄坯質(zhì)量，需要根據(jù)鋼種、拉坯速度等工藝參數(shù)，選擇合適的結(jié)晶器振動模式，以確保保護渣的傳熱均勻性，從而保證鑄坯質(zhì)量的穩(wěn)定。4.3匹配關(guān)系的理論分析與模型建立4.3.1基于傳熱學(xué)的匹配模型在連鑄過程中，傳熱是一個極為復(fù)雜的過程，涉及到多個環(huán)節(jié)和多種因素的相互作用?；趥鳠釋W(xué)原理建立保護渣性能與結(jié)晶器振動模式的匹配模型，對于深入理解連鑄過程中的傳熱機制，優(yōu)化連鑄工藝，提高鑄坯質(zhì)量具有重要意義。從傳熱學(xué)的基本原理出發(fā)，連鑄過程中的傳熱主要包括結(jié)晶器內(nèi)鋼液的凝固傳熱、保護渣與鑄坯及結(jié)晶器壁之間的熱傳遞。在結(jié)晶器內(nèi)，鋼液通過與結(jié)晶器壁和保護渣的熱交換逐漸凝固成鑄坯。保護渣在這個過程中起著至關(guān)重要的作用，它不僅能夠隔熱保溫，減少鋼液的熱量散失，還能通過形成渣膜來調(diào)節(jié)鑄坯與結(jié)晶器壁之間的傳熱。建立匹配模型時，需要考慮多個關(guān)鍵因素。保護渣的熔點是一個重要因素，它決定了保護渣在連鑄過程中的熔化狀態(tài)和時間。當(dāng)保護渣熔點較高時，其熔化所需的時間更長，在結(jié)晶器振動過程中，液渣層的形成相對較晚，且厚度可能較薄。這會影響保護渣的隔熱保溫效果和對鑄坯的潤滑作用，進而影響鑄坯的凝固傳熱過程。在建立模型時，需要將保護渣熔點與結(jié)晶器振動模式相結(jié)合，分析其對傳熱的影響。保護渣的結(jié)晶性能也不容忽視。結(jié)晶性能包括結(jié)晶溫度、結(jié)晶率等參數(shù)，這些參數(shù)會影響渣膜的性質(zhì)和傳熱性能。結(jié)晶溫度較高的保護渣，在結(jié)晶器內(nèi)形成的渣膜中晶體含量較多，而晶體的導(dǎo)熱系數(shù)相對較低，這會導(dǎo)致渣膜的傳熱效率降低，使鑄坯冷卻不均勻，容易產(chǎn)生表面裂紋等缺陷。在模型中，需要考慮保護渣結(jié)晶性能對傳熱的影響，通過調(diào)整結(jié)晶器振動模式，如振動頻率和振幅，來改善保護渣的結(jié)晶情況，優(yōu)化傳熱過程。結(jié)晶器振動模式對傳熱的影響也需要在模型中進行深入分析。不同的振動模式，如正弦振動和非正弦振動，其振動參數(shù)（如振幅、頻率、波形偏斜率等）的變化會導(dǎo)致保護渣在結(jié)晶器內(nèi)的運動狀態(tài)和分布情況發(fā)生改變，從而影響保護渣與鑄坯及結(jié)晶器壁之間的熱傳遞。在非正弦振動模式下，結(jié)晶器的上升時間長且速度平穩(wěn)，下降時間短且保持較大的負滑動量，這種振動模式可以使保護渣在結(jié)晶器內(nèi)的分布更加均勻，有利于形成均勻的渣膜，從而提高傳熱均勻性。在模型中，需要建立振動參數(shù)與傳熱之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過模擬不同振動模式和參數(shù)下的傳熱過程，找到最佳的匹配方案。基于傳熱學(xué)的匹配模型可以通過建立數(shù)學(xué)方程來描述傳熱過程中的各種物理量之間的關(guān)系。可以建立熱傳導(dǎo)方程來描述保護渣、鑄坯和結(jié)晶器壁之間的熱量傳遞，考慮熱傳導(dǎo)系數(shù)、溫度分布等因素。還可以建立能量守恒方程，考慮鋼液凝固過程中的潛熱釋放以及保護渣的吸熱和散熱等因素。通過求解這些數(shù)學(xué)方程，可以得到不同保護渣性能和結(jié)晶器振動模式下的溫度分布、熱流密度等參數(shù)，從而分析傳熱過程的特點和規(guī)律。在實際應(yīng)用中，可以利用數(shù)值模擬軟件，如ANSYS、FLUENT等，對建立的匹配模型進行求解和分析。通過輸入保護渣的性能參數(shù)（如熔點、結(jié)晶性能等）和結(jié)晶器振動模式的參數(shù)（如振幅、頻率、波形偏斜率等），模擬軟件可以計算出連鑄過程中的溫度場、熱流密度場等物理量的分布情況。通過對模擬結(jié)果的分析，可以評估不同匹配方案下的傳熱效果，為優(yōu)化連鑄工藝提供科學(xué)依據(jù)。4.3.2基于流體力學(xué)的匹配模型在連鑄過程中，保護渣在結(jié)晶器內(nèi)的流動和分布是一個復(fù)雜的流體力學(xué)過程，它與結(jié)晶器振動模式密切相關(guān)，對鑄坯質(zhì)量有著重要影響?；诹黧w力學(xué)理論建立匹配模型，有助于深入研究保護渣在結(jié)晶器內(nèi)的行為，優(yōu)化連鑄工藝，提高鑄坯質(zhì)量。從流體力學(xué)的角度來看，保護渣在結(jié)晶器內(nèi)的流動受到多種因素的作用。結(jié)晶器的振動會產(chǎn)生周期性的作用力，使保護渣在結(jié)晶器內(nèi)產(chǎn)生復(fù)雜的運動。保護渣自身的物理性質(zhì)，如黏度、密度等，也會影響其流動特性。保護渣與結(jié)晶器壁和鑄坯之間的相互作用，如摩擦力、附著力等，同樣會對其流動和分布產(chǎn)生影響。建立基于流體力學(xué)的匹配模型時，需要考慮多個關(guān)鍵因素。保護渣的黏度是影響其流動的重要因素之一。黏度過大的保護渣，其流動性較差，在結(jié)晶器振動過程中，難以均勻地流入鑄坯與結(jié)晶器壁之間的縫隙，從而導(dǎo)致渣膜厚度不均勻。這會影響保護渣的潤滑和傳熱效果，進而影響鑄坯質(zhì)量。在建立模型時，需要將保護渣黏度與結(jié)晶器振動模式相結(jié)合，分析其對保護渣流動和分布的影響。結(jié)晶器振動模式對保護渣流動的影響也至關(guān)重要。不同的振動模式，如正弦振動和非正弦振動，其振動參數(shù)（如振幅、頻率、波形偏斜率等）的變化會導(dǎo)致保護渣在結(jié)晶器內(nèi)受到的作用力發(fā)生改變，從而影響其流動和分布。在非正弦振動模式下，結(jié)晶器的上升時間長且速度平穩(wěn)，下降時間短且保持較大的負滑動量，這種振動模式可以使保護渣在結(jié)晶器內(nèi)的運動更加平穩(wěn)，有利于其均勻分布。在模型中，需要建立振動參數(shù)與保護渣流動之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過模擬不同振動模式和參數(shù)下保護渣的流動過程，找到最佳的匹配方案?；诹黧w力學(xué)的匹配模型可以通過建立流體力學(xué)方程來描述保護渣在結(jié)晶器內(nèi)的流動和分布?？梢越⑦B續(xù)性方程，描述保護渣在結(jié)晶器內(nèi)的質(zhì)量守恒；建立動量方程，描述保護渣在結(jié)晶器內(nèi)的動量變化；建立能量方程，描述保護渣在結(jié)晶器內(nèi)的能量傳遞?？紤]保護渣與結(jié)晶器壁和鑄坯之間的邊界條件，如摩擦力、附著力等，以準(zhǔn)確描述保護渣的流動和分布情況。在實際應(yīng)用中，可以利用計算流體力學(xué)（CFD）軟件，如ANSYSFluent、COMSOLMultiphysics等，對建立的匹配模型進行求解和分析。通過輸入保護渣的物理性質(zhì)參數(shù)（如黏度、密度等）和結(jié)晶器振動模式的參數(shù)（如振幅、頻率、波形偏斜率等），CFD軟件可以模擬保護渣在結(jié)晶器內(nèi)的流動和分布情況，得到速度場、壓力場等物理量的分布結(jié)果。通過對模擬結(jié)果的分析，可以評估不同匹配方案下保護渣的流動和分布效果，為優(yōu)化連鑄工藝提供科學(xué)依據(jù)。為了驗證基于流體力學(xué)的匹配模型的準(zhǔn)確性和可靠性，可以進行實驗研究。通過在實驗室中搭建模擬連鑄結(jié)晶器的實驗裝置，觀察和測量不同保護渣性能和結(jié)晶器振動模式下保護渣的流動和分布情況，將實驗結(jié)果與模擬結(jié)果進行對比分析。如果模擬結(jié)果與實驗結(jié)果相符，則說明建立的模型能夠準(zhǔn)確描述保護渣在結(jié)晶器內(nèi)的流動和分布情況，可以為實際連鑄生產(chǎn)提供有效的指導(dǎo)；如果模擬結(jié)果與實驗結(jié)果存在差異，則需要對模型進行修正和優(yōu)化，以提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。五、案例分析5.1某鋼廠連鑄生產(chǎn)案例5.1.1生產(chǎn)工藝與參數(shù)某鋼廠的連鑄生產(chǎn)線采用了先進的直弧形連鑄機，具備高效穩(wěn)定的生產(chǎn)能力。該生產(chǎn)線主要生產(chǎn)碳鋼和低合金鋼鑄坯，其斷面尺寸涵蓋了多種規(guī)格，以滿足不同用戶的需求。在連鑄過程中，鋼水經(jīng)過精煉處理后，通過中間包注入結(jié)晶器，在結(jié)晶器內(nèi)完成初步凝固，隨后進入二次冷卻區(qū)進一步冷卻，最終形成合格的鑄坯。在保護渣類型方面，該廠針對不同鋼種和生產(chǎn)工藝，選用了多種專用保護渣。對于碳鋼鑄坯，采用了以CaO-SiO?基為主的保護渣，其主要成分包括CaO、SiO?、Al?O?、MgO、F、Na?O、Li?O等。這些成分相互配合，賦予了保護渣良好的絕熱保溫、潤滑、吸收夾雜物等性能。在堿度（CaO/SiO?比值）的控制上，根據(jù)鋼種和拉坯速度的不同，保持在0.8-1.2之間，以確保保護渣在吸收夾雜物和控制傳熱、潤滑性能方面達到較好的平衡。結(jié)晶器振動參數(shù)的設(shè)置對鑄坯質(zhì)量有著重要影響。該廠結(jié)晶器采用了非正弦振動模式，這種振動模式在提高鑄坯質(zhì)量方面具有明顯優(yōu)勢。在振動參數(shù)方面，振幅一般控制在4-6mm之間，這一范圍既能保證對坯殼有一定的壓合效果，防止坯殼拉裂，又能有效控制振痕深度和摩擦阻力，保證鑄坯的表面質(zhì)量。振動頻率則根據(jù)拉坯速度進行調(diào)整，一般在150-300次/min之間。當(dāng)拉坯速度較高時，適當(dāng)提高振動頻率，以保證保護渣的充分消耗和良好的潤滑效果；當(dāng)拉坯速度較低時，降低振動頻率，避免因振動過于頻繁而導(dǎo)致鑄坯表面質(zhì)量下降。波形偏斜率控制在0.2-0.4之間，通過合理調(diào)整波形偏斜率，使得結(jié)晶器在上升和下降過程中，能夠更好地滿足連鑄工藝對負滑時間、負滑量、正滑時間和結(jié)晶器上升速度的要求，從而提高鑄坯質(zhì)量和連鑄生產(chǎn)效率。5.1.2保護渣性能與振動模式匹配情況分析在該廠的連鑄生產(chǎn)中，保護渣性能與結(jié)晶器振動模式的匹配情況對鑄坯質(zhì)量產(chǎn)生了顯著影響。通過對生產(chǎn)過程的觀察和鑄坯質(zhì)量的檢測分析，發(fā)現(xiàn)了一些存在的問題和不足。在保護渣熔點方面，當(dāng)保護渣熔點與結(jié)晶器振動模式不匹配時，會出現(xiàn)一系列問題。在生產(chǎn)某批次碳鋼鑄坯時，由于保護渣熔點略高于正常范圍，在結(jié)晶器振動過程中，液渣層的形成相對較晚，且厚度較薄。這導(dǎo)致保護渣的絕熱保溫效果不佳，鋼液熱量散失較快，彎月面溫度較低，鑄坯表面出現(xiàn)了輕微的結(jié)殼現(xiàn)象。同時，由于液渣層厚度不足，保護渣的潤滑和吸收夾雜物功能也受到影響，鑄坯表面出現(xiàn)了一些細小的裂紋和夾雜物缺陷。在保護渣黏度方面，黏度過大或過小都會對鑄坯質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。在生產(chǎn)低合金鋼鑄坯時，曾出現(xiàn)保護渣黏度過大的情況。這使得保護渣在結(jié)晶器振動過程中，難以均勻地流入鑄坯與結(jié)晶器壁之間的縫隙，導(dǎo)致渣膜厚度不均勻。不均勻的渣膜使鑄坯與結(jié)晶器壁之間的摩擦力分布不均，部分區(qū)域摩擦力過大，鑄坯表面出現(xiàn)了明顯的劃痕和裂紋，嚴(yán)重影響了鑄坯的表面質(zhì)量。在保護渣熔化速度方面，熔化速度與結(jié)晶器振動模式的匹配也至關(guān)重要。在一次生產(chǎn)過程中，由于保護渣熔化速度過快，鋼液面上的熔渣層迅速變厚，且在結(jié)晶器壁與鑄坯之間形成了過厚且不均勻的渣膜。過厚的渣膜影響了鑄坯的傳熱均勻性，導(dǎo)致鑄坯冷卻不均勻，內(nèi)部出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，部分鑄坯出現(xiàn)了內(nèi)部裂紋缺陷。結(jié)晶器振動模式對保護渣性能也有重要影響。在采用非正弦振動模式時，雖然在整體上能夠提高鑄坯質(zhì)量，但在某些情況下，振動參數(shù)的不合理設(shè)置也會導(dǎo)致保護渣性能無法充分發(fā)揮。當(dāng)振動頻率過高時，保護渣的消耗速度過快，導(dǎo)致保護渣供應(yīng)不足，渣膜厚度不穩(wěn)定，影響了鑄坯的潤滑和傳熱效果。當(dāng)振動頻率為300次/min時，保護渣的消耗量明顯高于正常水平，鑄坯表面出現(xiàn)了局部潤滑不良的情況，導(dǎo)致表面質(zhì)量下降。5.1.3匹配優(yōu)化措施與效果針對上述保護渣性能與結(jié)晶器振動模式匹配存在的問題，該廠采取了一系列優(yōu)化措施，并取得了顯著的效果。在保護渣性能優(yōu)化方面，對保護渣的配方進行了調(diào)整。針對保護渣熔點過高的問題，通過降低保護渣中高熔點成分的含量，如適當(dāng)減少CaO的含量，同時增加助熔劑成分，如Na?O和Li?O的含量，有效地降低了保護渣的熔點。經(jīng)過調(diào)整后，保護渣的熔點降低了[X]℃，在結(jié)晶器振動過程中，液渣層能夠及時形成，且厚度均勻，鑄坯表面的結(jié)殼現(xiàn)象得到了有效改善，鑄坯質(zhì)量明顯提高。對于保護渣黏度過大的問題，通過調(diào)整保護渣的化學(xué)成分，降低了其黏度。具體措施是增加保護渣中F?的含量，同時減少一些導(dǎo)致黏度增加的成分，如Al?O?的含量。調(diào)整后，保護渣的黏度降低了[X]Pa?s，在結(jié)晶器振動過程中，保護渣能夠均勻地流入鑄坯與結(jié)晶器壁之間的縫隙，渣膜厚度均勻，鑄坯表面的劃痕和裂紋明顯減少，表面質(zhì)量得到了顯著提升。在改善保護渣熔化速度方面，通過調(diào)整碳質(zhì)材料的種類和含量，對保護渣的熔化速度進行了優(yōu)化。將部分石墨替換為碳黑，并適當(dāng)增加碳質(zhì)材料的含量，使保護渣的熔化速度得到了有效控制。調(diào)整后，保護渣的熔化速度減緩，鋼