CN106311995A

CN106311995A - 连铸结晶器非正弦振动方法

Info

Publication number: CN106311995A
Application number: CN201610983770.1A
Authority: CN
Inventors: 孟祥宁; 朱苗勇; 汪宁; 周建川; 杨青山
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2016-11-09
Filing date: 2016-11-09
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2036-11-09
Also published as: CN106311995B

Abstract

本发明提供一种连铸结晶器非正弦振动方法，具体过程为：控制连铸结晶器的驱动装置，使连铸结晶器在每个振动周期内按如下八段速度函数确定的八段速度波形进行非正弦振动：并引入新的振动控制变量即等速时长因子m，增加了波形的控制手段，便于根据实际生产情况进行振动调控；将拉坯速度与振动波形结合起来，针对不同的拉坯速度，可以设计不同的振动方案；可以增大保护渣的消耗量，有利于连铸坯润滑，减小摩擦力，减少拉裂纹和黏结现象；使结晶器振动速度等于拉坯速度的时间延长，有利于连铸坯向外均匀传热，初凝坯壳稳定生长。

Description

连铸结晶器非正弦振动方法

技术领域

本发明属于冶金连铸技术领域，具体涉及一种连铸结晶器非正弦振动方法。

背景技术

连铸坯生产过程中，钢水从凝固到成型是在连铸生产线中完成。连铸结晶器作为连铸机中最为重要的组成部分，对冷却传热、凝固成型、钢液净化及控制连铸坯质量具有重要作用。在钢水浇铸过程中，结晶器按照一定的规律进行振动，以保证连铸坯与结晶器壁的润滑，从而防止初凝坯壳与结晶器壁黏结而发生漏钢事故。随着人们对结晶器振动机理认识的不断深入，结晶器振动波形也在随之变化。目前连铸结晶器的振动方式主要为正弦振动和非正弦振动两种方式。

正弦振动即结晶器振动速度按照正弦函数变化。在振动过程中，存在负滑脱，有利于脱模；加速度较小，有利于振动机构平稳运行。因此，正弦振动应用较为广泛。但是，正弦振动仅仅依靠振动周期和振动振幅来调节振动方式，调控手段较少。为提高生产率，提高连铸坯拉速是重要手段之一。提高拉速，传统正弦振动方式就会削弱负滑脱的作用，不利于铸坯顺利脱模。

为提高连铸坯的拉坯速度，研究开发出了非正弦振动。非正弦振动波形引入以来，获得了较为成功的应用。非正弦振动增大了保护渣的消耗量，提高结晶器润滑条件，减少铸坯黏结；负滑脱作用增强，有利于铸坯脱模和拉坯裂纹的愈合，是目前高效连铸的最优波形。然而，在高拉速连铸坯生产过程中，也会不可避免的出现铸坯表面裂纹、振痕、甚至漏钢事故。这主要与结晶器内润滑条件密切相关，通过控制结晶器的振动，可以有效改善连铸坯的质量。提高连铸坯质量可以提高金属收得率，降低生产成本，节约资源和能耗，为生产带来直接的经济效益。为提高连铸坯质量，新型的结晶器振动模式有待提出，从而使连铸生产更加高效、优质和节能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种连铸结晶器非正弦振动方法。

本发明的技术方案为：

连铸结晶器非正弦振动方法，具体过程为：控制连铸结晶器的驱动装置，使连铸结晶器在驱动装置的带动下，在每个振动周期内按如下八段速度函数确定的八段速度波形进行非正弦振动：

v = \{\begin{matrix} v_{d} & (0 \leq t \leq t_{1}) \\ \frac{v_{d} - v_{c}}{2} \cos [2 {πf}_{1} (t - t_{1})] + \frac{v_{d} + v_{c}}{2} & (t_{1} \leq t \leq t_{3}) \\ v_{c} & (t_{3} \leq t \leq t_{4}) \\ \frac{v_{c} - v_{x}}{2} \cos [2 {πf}_{2} (t - t_{4})] + \frac{v_{x} + v_{c}}{2} & (t_{4} \leq t \leq T / 2) \\ \frac{v_{c} - v_{x}}{2} \cos [2 {πf}_{2} (T - t - t_{4})] + \frac{v_{x} + v_{c}}{2} & (T / 2 \leq t \leq t_{5}) \\ v_{c} & (t_{5} \leq t \leq t_{6}) \\ \frac{v_{d} - v_{c}}{2} \cos [2 {πf}_{1} (T - t - t_{1})] + \frac{v_{d} + v_{c}}{2} & (t_{6} \leq t \leq t_{7}) \\ v_{d} & (t_{7} \leq t \leq T) \end{matrix} - - - (1)

其中，v为连铸结晶器振动速度(m/s)；v_d为连铸结晶器最大上振速度(m/s)；v_x为连铸结晶器最大下振速度(m/s)；v_c为拉坯速度(m/s)；f₁为第二段速度函数频率(Hz)；f₂为第四段速度函数频率(Hz)；T为连铸结晶器振动周期(s)；t为非正弦振动时间(s)；t₁为第一段速度波形结束时刻或第二段速度波形开始时刻(s)；t₃为第二段速度波形结束时刻或第三段速度波形开始时刻(s)；t₄为第三段速度波形结束时刻或第四段速度波形开始时刻(s)；t₅为第五段速度波形结束时刻或第六段速度波形开始时刻(s)；t₆为第六段速度波形结束时刻或第七段速度波形开始时刻(s)；t₇为第七段速度波形结束时刻或第八段速度波形开始时刻(s)；

在每一个振动周期内，振动过程分为以下八个阶段，每个阶段分别按照八段速度波形进行振动：

第一阶段，连铸结晶器以恒定的上振速度向上运动，速度波形为直线，持续时间t₁；

第二阶段，连铸结晶器先向上做减速运动，待上振速度降至0再向下做加速运动，直至达到t₃，速度波形为曲线，整体持续时间t₃-t₁；

第三阶段，连铸结晶器以恒定的下振速度向下运动，速度波形为直线，持续时间t₄-t₃；

第四阶段，连铸结晶器向下做加速运动，直至达到T/2，速度波形为曲线，持续时间T/2-t₄；

第五阶段，连铸结晶器向下做减速运动，直至达到t₅，速度波形为曲线，持续时间t₅-T/2；

第六阶段，连铸结晶器以恒定的下振速度向下运动，速度波形为直线，持续时间t₆-t₅；

第七阶段，连铸结晶器先向下做减速运动，待下振速度降至0再向上做加速运动，直至达到t₇，速度波形为曲线，整体持续时间t₇-t₆；

第八阶段，连铸结晶器以恒定的上振速度向上运动，速度波形为直线，持续时间T-t₇。

定义等速时长因子m为一个振动周期内振动速度等于拉坯速度的时间占振动周期的比例，t_T为等速时间的一半，所述(t₄-t₃)＝t_T，且(t₄-t₃)和m满足

有益效果

本发明的连铸结晶器非正弦振动方法与现有技术相比，具有如下有益效果：

1.引入新的振动控制变量即等速时长因子m，增加了波形的控制手段，便于根据实际生产情况进行振动调控；

2.将拉坯速度与振动波形结合起来，针对不同的拉坯速度，可以设计不同的振动方案；

3.可以增大保护渣的消耗量，有利于连铸坯润滑，减小摩擦力，减少拉裂纹和黏结现象；

4.使结晶器振动速度等于拉坯速度的时间延长，有利于连铸坯向外均匀传热，初凝坯壳稳定生长。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的一个周期内的连铸结晶器振动速度曲线图，其中，t₂为连铸结晶器上振速度等于0的时刻；t_P为振动正滑脱时间；t_N为振动负滑脱时间；

图2为本发明一种实施方式的一个周期内的连铸结晶器位移曲线图；

图3为本发明一种实施方式的一个周期内的连铸结晶器加速度曲线图；

图4为本发明一种实施方式的不同波形偏斜率下的连铸结晶器振动速度曲线图；

图5为本发明一种实施方式的不同等速时长因子下的连铸结晶器振动速度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

连铸结晶器非正弦振动方法具体过程为：控制连铸结晶器的驱动装置，使连铸结晶器在驱动装置的带动下，在每个振动周期内按如下八段速度函数确定的八段速度波形进行非正弦振动：

v = \{\begin{matrix} v_{d} & (0 \leq t \leq t_{1}) \\ \frac{v_{d} - v_{c}}{2} \cos [2 {πf}_{1} (t - t_{1})] + \frac{v_{d} + v_{c}}{2} & (t_{1} \leq t \leq t_{3}) \\ v_{c} & (t_{3} \leq t \leq t_{4}) \\ \frac{v_{c} - v_{x}}{2} \cos [2 {πf}_{2} (t - t_{4})] + \frac{v_{x} + v_{c}}{2} & (t_{4} \leq t \leq T / 2) \\ \frac{v_{c} - v_{x}}{2} \cos [2 {πf}_{2} (T - t - t_{4})] + \frac{v_{x} + v_{c}}{2} & (T / 2 \leq t \leq t_{5}) \\ v_{c} & (t_{5} \leq t \leq t_{6}) \\ \frac{v_{d} - v_{c}}{2} \cos [2 {πf}_{1} (T - t - t_{1})] + \frac{v_{d} + v_{c}}{2} & (t_{6} \leq t \leq t_{7}) \\ v_{d} & (t_{7} \leq t \leq T) \end{matrix} - - - (1)

上述过程中，将(1)式对时间积分，得到连铸结晶器位移函数，如下式：

s = \{\begin{matrix} v_{d} t & (0 \leq t \leq t_{1}) \\ \frac{v_{d} - v_{c}}{4 {πf}_{1}} \sin [2 {πf}_{1} (t - t_{1})] + \frac{v_{d} + v_{c}}{2} (t - t_{1}) + v_{d} t_{1} & (t_{1} \leq t \leq t_{3}) \\ v_{c} (t - t_{3}) + \frac{v_{d} - v_{c}}{4 {πf}_{1}} \sin [2 {πf}_{1} (t_{3} - t_{1})] + \frac{v_{d} + v_{c}}{2} (t_{3} - t_{1}) + v_{d} t & (t_{3} \leq t \leq t_{4}) \\ \frac{v_{c} - v_{x}}{4 {πf}_{2}} \sin [2 {πf}_{2} (t - t_{4})] + \frac{v_{x} + v_{c}}{2} (t - t_{4}) + s_{3} (t_{4}) & (t_{4} \leq t \leq T / 2) \\ - \frac{v_{c} - v_{x}}{4 {πf}_{2}} \sin [2 {πf}_{2} (T - t - t_{4})] + \frac{v_{x} + v_{c}}{2} (t - \frac{T}{2}) + s_{4} (\frac{T}{2}) & (T / 2 \leq t \leq t_{5}) \\ v_{c} (t - t_{5}) + s_{5} (t_{6}) & (t_{5} \leq t \leq t_{6}) \\ - \frac{v_{d} - v_{c}}{4 {πf}_{1}} \sin [2 {πf}_{1} (T - t - t_{1})] + \frac{v_{d} + v_{c}}{2} (t - t_{7}) + v_{d} (t_{7} - T) & (t_{6} \leq t \leq t_{7}) \\ v_{d} (t - T) & (t_{7} \leq t \leq T) \end{matrix} - - - (2)

其中，s为连铸结晶器位移(m)；s₃(t₄)表示第三段位移函数在t₄时刻的位移值(m)；s₄(T/2)表示第四段位移函数在T/2时刻的位移值(m)；s₅(t₆)表示第五段位移函数在t₆时刻的值(m)。

将(1)式对时间求导，得到连铸结晶器加速度函数，如下式：

a = \{\begin{matrix} 0 & (0 \leq t \leq t_{1}) \\ {πf}_{1} (v_{c} - v_{d}) \sin [2 {πf}_{1} (t - t_{1})] & (t_{1} \leq t \leq t_{3}) \\ 0 & (t_{3} \leq t \leq t_{4}) \\ {πf}_{2} (v_{x} - v_{c}) \sin [2 {πf}_{2} (t - t_{4})] & (t_{4} \leq t \leq T / 2) \\ {πf}_{2} (v_{c} - v_{x}) \sin [2 {πf}_{2} (T - t - t_{4})] & (T / 2 \leq t \leq t_{5}) \\ 0 & (t_{5} \leq t \leq t_{6}) \\ {πf}_{1} (v_{d} - v_{c}) \sin [2 {πf}_{1} (T - t - t_{1})] & (t_{6} \leq t \leq t_{7}) \\ 0 & (t_{7} \leq t \leq T) \end{matrix} - - - (3)

其中，a为连铸结晶器加速度(m·s^-2)。

为保证式(1)中速度波形无拐点，第二段速度函数在t₁和t₃时刻斜率需为0，即第二段速度函数取函数πf₁(v_c-v_d)sin[2πf₁(t-t₁)]的半个周期，如下所示：

t_{3} - t_{1} = \frac{1}{2 f_{1}} - - - (4)

同理，第四段速度函数在t₄和T/2时刻斜率需为0即第四段速度函数取函数πf₂(v_x-v_c)sin[2πf₂(t-t₄)]的半个周期，如下所示：

\frac{T}{2} - t_{4} = \frac{1}{2 f_{2}} - - - (5)

由于t₂时刻速度为0，可得：

\frac{v_{d} - v_{c}}{2} c o s [2 {πf}_{1} (t_{2} - t_{1})] + \frac{v_{d} + v_{c}}{2} = 0 - - - (6)

根据非正弦振动波形偏斜率定义，可得：

t_{2} = \frac{T}{4} (1 + n) - - - (7)

其中，n为波形偏斜率。

在连铸结晶器振动过程中，由于渣道压力周期性的发生正压和负压之间的转换，初凝坯壳在渣道压力的作用下，被周期性的推离和吸向结晶器壁。在其他条件一定的情况下，渣道压力的峰值主要取决于结晶器最大的振动速度。因此，为使初凝坯壳在连铸结晶器过程中受力均匀，初凝坯壳与连铸结晶器最大振动速度差要保持一致，如下所示：

v_d-v_c＝v_c-v_x (8)

当连铸结晶器振动速度等于拉坯速度即振动过程的第三阶段和第五阶段，连铸结晶器与拉坯相对速度最小，此时渣道压力最小，初凝坯壳所受作用力也最小。为延长连铸结晶器振动速度等于拉坯速度时间，定义等速时长因子m为连铸结晶器振动速度等于拉坯速度的时间占连铸结晶器振动周期的比例，(t₄-t₃)＝t_T为等速时间的一半，并提出下式：

m = \frac{2 (t_{4} - t_{3})}{T} - - - (9)

在(0，T/2)时间段内，连铸结晶器走完一个冲程，即振幅的2倍，根据速度的积分为位移，可得下式：

{&Integral;}_{0}^{t_{1}} v_{d} d t + {&Integral;}_{t_{1}}^{t_{2}} \frac{v_{d} - v_{c}}{2} c o s [2 {πf}_{1} (t - t_{1})] + \frac{v_{d} + v_{c}}{2} d t = h - - - (10)

{&Integral;}_{t_{2}}^{t_{3}} \frac{v_{d} - v_{c}}{2} c o s [2 {πf}_{1} (t - t_{1})] + \frac{v_{d} + v_{c}}{2} d t + {&Integral;}_{t_{3}}^{t_{4}} v_{c} d t + {&Integral;}_{t_{4}}^{T / 2} \frac{v_{c} - v_{x}}{2} c o s [2 {πf}_{2} (t - t_{4})] + \frac{v_{x} + v_{c}}{2} d t = - h - - - (11)

其中，h为连铸结晶器振动振幅(m)。

连铸结晶器振动速度波形关于t＝T/2直线对称，根据几何关系可得：

t₅＝T-t₄ (12)

t₆＝T-t₃ (13)

t₇＝T-t₁ (14)

在求解过程中，振动周期T、振幅h、波形偏斜率n、等速时长因子m、拉坯速度v_c为已知量，可采用工业生产中的振动参数，t₁、t₂、t₃、t₄、t₅、t₆、t₇、f₁、f₂、v_d、v_x十一个未知量可根据(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)、(10)、(11)、(12)、(13)、(14)十一组方程进行求解，由于方程没有具体的解析解，采用C语言程序求其数值解，并将误差控制在10^-7以内，得到与振动周期T、振幅h、波形偏斜率n、等速时长因子m和拉坯速度v_c取值相关联的未知量取值。

当非正弦振动的振幅h为0.006m，振动周期T为0.5s，波形偏斜率n为0、等速时长因子m为0.05、拉坯速度v_c为-0.02m/s时，所得到的一个周期内的非正弦振动速度曲线如图1所示；同时还给出了非正弦振动位移曲线和非正弦振动加速度曲线，分别如图2～3所示。

在振幅h为6mm，振动周期T为0.5s，拉坯速度v_c为0.04m/s，等速时长因子m为0.1时，得到与波形偏斜率n取值相关联的部分未知量取值如表1所示：

表1

m＝0.1	n＝0	n＝0.1	n＝0.2	n＝0.3
					f₁	2.6998	4.4419	8.3205	33.3621
f₂	13.5412	10.3087	8.5889	7.4254
					t₁	0.0154	0.0764	0.1192	0.1552
t₄	0.2131	0.2015	0.1918	0.1826
					v_x	-0.1517	-0.1322	-0.1233	-0.1175
v_d	0.0375	0.0432	0.0522	0.0717

据此，得到不同波形偏斜率n下的连铸结晶器振动速度波形如图4所示。

在振幅h为6mm，振动周期T为0.5s，拉坯速度v_c为0.04m/s，波形偏斜率n为0.2时，得到与等速时长因子m取值相关联的部分未知量取值如表2所示：

表2

n＝0.2	m＝0	m＝0.2	m＝0.3
				f₁	6.1364	12.6715	25.6974
f₂	8.2391	8.9937	9.4606
				t₁	0.1078	0.1299	0.1402
t₄	0.1893	0.1944	0.1972
				v_x	-0.1246	-0.1220	-0.1210
v_d	0.0446	0.0421	0.0410

据此，得到不同等速时长因子m下的连铸结晶器振动速度波形如图5所示。

振动周期T、振幅h、波形偏斜率n、等速时长因子m和拉坯速度v_c值可以根据不同的生产条件确定，方便调节不同的振动方式，从而提高铸坯质量，降低生产成本。

Claims

1.连铸结晶器非正弦振动方法，其特征在于，所述非正弦振动方法的具体过程为：控制连铸结晶器的驱动装置，使连铸结晶器在驱动装置的带动下，在每个振动周期内按如下八段速度函数确定的八段速度波形进行非正弦振动：

v = \{\begin{matrix} v_{d} & (0 \leq t \leq t_{1}) \\ \frac{v_{d} - v_{c}}{2} \cos [2 {πf}_{1} (t - t_{1})] + \frac{v_{d} + v_{c}}{2} & (t_{1} \leq t \leq t_{3}) \\ v_{c} & (t_{3} \leq t \leq t_{4}) \\ \frac{v_{c} - v_{x}}{2} \cos [2 {πf}_{2} (t - t_{4})] + \frac{v_{x} + v_{c}}{2} & (t_{4} \leq t \leq T / 2) \\ \frac{v_{c} - v_{x}}{2} \cos [2 {πf}_{2} (T - t - t_{4})] + \frac{v_{x} + v_{c}}{2} & (T / 2 \leq t \leq t_{5}) \\ v_{c} & (t_{2} \leq t \leq t_{6}) \\ \frac{v_{d} - v_{c}}{2} \cos [2 {πf}_{1} (T - t - t_{1})] + \frac{v_{d} + v_{c}}{2} & (t_{6} \leq t \leq t_{7}) \\ v_{d} & (t_{7} \leq t \leq T) \end{matrix}

2.根据权利要求1所述的连铸结晶器非正弦振动方法，其特征在于，定义等速时长因子m为一个振动周期内振动速度等于拉坯速度的时间占振动周期的比例，所述第三阶段振动时间t₄-t₃和m满足如下关系：

m = \frac{2 (t_{4} - t_{3})}{T} .