新一代连铸结晶器的开发

1 前言

连铸机中的结晶器是一个复杂的多功能系统。该系统包括结晶器本身，它主要是一个热单元，控制将要形成连铸坯的钢水的热传递；一套悬挂系统，确保规定的坯料轨迹，如果该系统是有弹性的，还可对动载荷稍作补偿；一套确保结晶器规定振动的传动装臵；一个保护渣供给系统。在连铸机坯壳和结晶器壁之间的缝隙内，保护渣起到了一系列作用，例如控制传热过程；在铸坯经过结晶器时进行润滑，减小拉坯阻力；去除钢水中的非金属夹杂物。应注意，在把并非取决于速度的摩擦力变成粘性摩擦时，润滑剂具有重要作用。结晶器和铸坯间的摩擦液体是有效非正弦振动所必不可少的。结晶器系统的有效运作取决于所有子系统的平稳互动，这些子系统必须执行其规定功能。 在采用连续浇铸的初期，结晶器是固定不动的。但很快该工艺就出现了问题。随着连铸工艺的不断完善，之后的结晶器沿铸坯进行往复运动(振动)。往复运动的优点在于连铸坯和结晶器壁之间的静摩擦被动摩擦替代，后者较不明显，而且更加稳定。

采用大振速(大于铸坯的拉速) 时，连铸坯壳和结晶器壁之间的相互作用会发生根本改变。在某些振动阶段，结晶器壁振动速度超过铸坯拉速，之前情况并非如此。固定结晶器内连铸坯壳上的特有拉力被结晶器振动过程中某些阶段内的压力所替代。另外还发现在结晶器振速超过铸坯拉速时有发生的坯壳损伤将被部分或完全消除。这是振动

结晶器之于固定结晶器的一个重要优势。

为改进缺陷，应进行更为深入的研究以开发特有的振动条件，使其发挥最大效果。为此需要极为复杂的悬挂机制和传动装臵。然而事实上这些系统大部分很笨重且难以维护。具有非平滑运动以及结晶器振速明显变化的特殊振动条件给传动机制带来了相当大的动载荷。因此在工厂中，带有球形杠杆悬挂的结晶器主要用于以低频、高振幅为特点的平稳缓慢工艺，它们更加稳定，振动较轻。

当钢厂以提高铸坯的拉速来提高生产力时，必须提高结晶器的振动速度。这就需要提高振动频率(振动速度与其成正比) ，而振幅的加大会给铸坯表面带来损伤，结果，加速度迅速加大(与振动频率的平方成正比) ，动载荷因此而增加。在许多带有固定间隙的铰链中，冲击载荷增加，导致悬挂装臵破裂。在那些情况下，铰链式杠杆悬挂系统被证实并不实用，因而被可变形弹性悬挂所替代，该悬挂系统已长期用于振动工程中。由于缺少自由行程，此类悬挂使结晶器可以精确跟踪指定的铸坯轮廓。不论在技术条件上，还是在简化连铸机设计和降本方面，该弹性弹簧悬挂在实践中被证实非常有效。

为了改善传统连铸机的铸坯质量，需要研究产品质量不合格的因素。工业生产经验表明，在旧式连铸机上，结晶器的铰链式杠杆悬挂的缺陷是铸坯质量降低的主要因素。然而，分析显示，除非更换诸多辅助系统，否则此类悬挂无法用弹簧悬挂替代。尤其是旧式和新式连铸机在设计上存在根本性的差别。因此，用新装臵替代老系统中的任何单独部件都不可避免地需要安装适当的辅助设备，成本较高。

因此，低成本的选择就是不替换整个悬挂系统，而是使用弹性铰链，这种装臵已用于循环系统中，效果令人满意。

除了设备外，连铸工艺也有了根本性的改变。在带有弹性悬挂的新式结晶器中，就技术条件而言，非正弦振动更有效。为了维护复杂的非正弦结晶器振动，应采用可程式化电动液压传动装臵。 如此，传统结晶器便有了质的变，从刚性运动和不变形偏心传动转变为可变形铰链和非刚性液压传动，从简谐振动变为更复杂的非正弦振动。带有偏心传动装臵的结晶器严格规定了振动条件，而新式结晶器中的弹性铰链意味着其运动不仅由传动装臵控制，在某种程度上，还由包括铸坯、结晶器和连铸机传动机制在内的整个系统的动态特性所控制。

在新连铸工艺的开发过程中，设计师们必须充分考虑这些设计变化，以及新的连铸机操作范围。必须进行专门研究以了解新式结晶器的参数范围、说明浇铸效率的各种评定标准。鉴于新式结晶器设计原理根本的变化，以及工艺与设备操作条件之间紧密而持续动态关系，需要有新的方法。

通过确保非正弦振动的谐振状态来降低连铸机内传动装臵的动载荷是很复杂的，该系统仅有一个工作频率，而结晶器的非正弦振动是一个多频过程。另一个难点现有结晶器的本征频率是恒定的，在设计过程中就已规定，而且还无法在结晶器运行过程中加以调整，而振动频率则由所选的工艺条件所决定，在操作过程中变化也很大。因此，必须随着质量标准的变化，通过优化设计，确定结晶器的本征频率。

在此基础上开发了在非正弦多谐波状态下运行的连铸机机制的局部动态平衡，也制定了通过选择最佳的弹簧悬挂参数使动载荷降到最低的方法。

因此，在新一代连铸机结晶器转换成有效的非正弦操作时，开发一种连铸优化设计方法是很重要的，以此可以调和动态的复杂问题。目前，该领域的开发工作正取得进展，尤其是采用双正弦结晶器振动。

2 连铸坯与结晶器壁之间的相互影响

连铸坯与结晶器壁之间的相互作用不仅受结晶器振动条件的影响，而且还受到保护渣及其性能的影响。根据当前理念，保护渣溶解于结晶器内的钢水中，并与固体颗粒混合，形成具有润滑性能的保护层。保护渣在弯月面处充当粘性润滑剂。这一区域主要是粘性摩擦力。这种摩擦力与摩擦副(铸坯和结晶器壁) 的相对速度成正比。 在离开弯月面时，观察到了粘塑性摩擦(粘性一干摩擦) ，该摩擦力并不依靠铸坯和结晶器之间的相对速度，而是取决于结晶器壁处坯壳的压力。当铸坯向结晶器出口移动时，粘性摩擦力的比例下降，而于摩擦的比例则上升。铸坯离开结晶器时，主要是于摩擦力起作用，其大小取决于连铸坯对结晶器壁的压力。

注意，这些过程还伴随着坯壳增厚，因此，尽管摩擦力增加，但在向结晶器出口移动时，坯壳内的应力减小。坯壳通常在弯月面处区域内断裂，尤其是在作用力和坯壳强度不平衡而引起应力提高时。 研究结晶器内铸坯上的拉力不仅对开发预防措施很重要，对减少

坯料的挤压力和牵引机制中的载荷也很重要。这就需要正确选择保护渣的成分、其输送条件和结晶器的振动参数。

铸坯与结晶器壁的相互作用主要取决于相对速度，它决定了粘性一干摩擦力。当它们的相对速度为负时，摩擦力的运动方向就发生改变。结晶器的运行效率以同向及反向的结晶器运行时间之比为评判标准。就同向的结晶器运动而言，当速度超过拉坯速度时，结晶器壁超过铸坯，它们之间的摩擦力变成拉动力。整个周期的平均拖拽力减小。根据现有数据，当坯壳内的拉力起作用时，坯壳内的压力比结晶器和铸坯运动相反情况下铸坯表面缺陷率低20~30%。随着与铸坯同向(正滑脱) 和反向(负滑脱) 的结晶器运动时间之比增加，结晶器振动更为有效。通过分析，说明了新一代结晶器非正弦振动的高效率，尤其是在粘滞阻力占优势的情况下。因此，在充分的非正弦振动下，同一周期正滑脱中的速度可能比负滑脱中的速度高很多。整个周期内的平均阻力也因为结晶器振动而发生变化。当铸坯移动通过结晶器时，铸坯上的平均阻力减小，所以非正弦条件下的结晶器运动非常有效。由于粘滞阻力的高效性，预期在非正弦振动中产生可靠的润滑。在条件选择正确的情况下，较之于传统结晶器，新一代结晶器可以更有效地降低铸坯上的平均阻力。

应注意，在非正弦多谐操作下，因为只有一个的操作频率，所以不可能消除连铸机传动内的动载荷，而结晶器的非正弦振动就是多谐的。在一个单独的周期内，传动频率不断变化，而现有结晶器的本征频率是恒定的。

目前，提高结晶器振动效率并减小传动内的动载荷的可能途径就是开发专用的结晶器双谐振动。计算机试验显示，该方法在技术上和减小连铸机动载荷方面都很有效。

3 结晶器的非传统振动

为确保连铸坯质量优异，采用了两种基本的方法∶(1) 用振动结晶器浇铸；(2) 铸坯离开结晶器时进行轻压下。在这些工艺中，与结晶器一起使用的还有压下单元。

结晶器的运行效率主要是由其铸坯轴线方向上的振动条件所决定。用横向力将压下单元压向结晶器。由于沿铸坯轴线发生振动，因此，结晶器壁与铸坯之间的摩擦力在坯壳内产生伸一缩应力。这将对铸坯质量以及工艺的总体稳定性造成极大影响。

在垂直振动情况下，只有当结晶器一坯壳之间的力取决于其相对速度(即粘性一摩擦力) 时，才能调整结晶器一坯壳处的摩擦力。在这些力的存在下，只需调节铸坯的振动速度或拉出速度。主要以干摩擦为特征的铸坯一结晶器壁接触部分不受相对速度的影响，摩擦力可能仅有方向上的变化，其大小不变。同时，我们知道，可以通过垂直于摩擦表面的相对速度的振动有效调整摩擦力(现代的结晶器在高频振动状态下运行)。值得注意的是，在连铸机结晶器内，采用垂直于摩擦表面的相对速度的振动会造成很大的技术难点，还有待工业实践。 试验者注意到坯壳内的应力和应变取决于其温度、钢的种类和其他因素，但最重要的因素则是结晶器壁处坯壳上的力。由于摩擦力很

大，结晶器内的坯壳变形，甚至有可能破裂，因为在熔点附近其强度很小。这种变形还可能导致严重浇铸中断，例如铸坯拉漏。在大多数情况下，此类损伤发生在结晶器出口，但它其实是坯壳在结晶器上部早先破裂引发的结果。

随着铸坯纵轴方向的结晶器振动，在结晶器壁处的摩擦力作用下，铸坯内产生交替的拉一压应力。对于浇铸工艺的稳定性以及所需铸坯质量而言，拉应力是极不适宜的。因此，开发了不同的方法以减小铸坯中的拉应力。方法之一就是采用特殊的振动条件，使拉应力减至最小，尤其是在易断裂的最薄弱部分。

在结晶器设计中，必须特别关注弯月面附近区域的振动。铸坯截留与其坯壳内的拉力有关，随后铸坯破裂；溢出液体凝固，拉漏得以局部修复。不过，如果这种修复无法经受住切断粘连所需的力，便会发生另一次拉漏。拉坯时，破裂处向结晶器出口移动，正常的浇铸过程可能被中断。

因此，考虑在结晶器四面安装四个风动振动器带动结晶器铜套振动是很有意义的，可以确保铜套上部振动非常有效。

用轻压下来消除坯壳离开结晶器过程中的缺陷。伴随着径向热传递，连铸坯凝固。液芯范围取决于坯料横断面和浇铸速率。即使凝固有小小的中断，尤其是浇铸被打断，凝固前沿的位移导致液芯顶端交叉结合。被分离的熔体凝固并收缩，形成缩孔和轴向孔隙，并产生轴向偏析。轴向区域的质量随着液芯锥度减小而下降，这是大断面铸坯高速浇铸的特点。

金相数据表明，坯料轻压下对减少宏观偏析最为有效，轻压下可以补偿凝固收缩，并因此防止铸坯中心部分的偏析分层。结晶器铜套的横向振动也可以减少宏观偏析。

在俄罗斯工程院专家的参与下，MGMVI开发了带有特殊振动的结晶器，用以浇铸小断面圆坯和方坯。在这些结晶器中，铸坯伴随着轻压下而形成。对于这种结晶器，通过现象学模型设想铸坯的形成。有关该课题的信息很少，因此开发了计算机试验程序。经验显示，计算机试验基本可靠。计算机试验的好处之一就是可以分析任何的结晶器振动条件，无论实际试验研究多昂贵、多繁复。开发的方法考虑到了钢水和结晶器壁之间的反应实际上伴随着摩擦力、铸坯长度和结晶器整个长度上的应力一应变状态的不断变化。由于这些变化取决于浇铸工艺的展开，且事先难以预料，因此钢水模型包含一个逻辑系统。该系统跟踪工艺各阶段的配臵，不断调整其构造和参数。模型的这种自行配臵可以更可靠地再现所有任何复杂的工艺。铸坯表面状态很大程度上取决于结晶器内铸坯形成的条件。对新振动条件的不断研究源于更好连铸坯表面和亚表面质量(结晶器振动造成的振痕更少、更浅，裂纹消除等) 的需求。

提供的动力学和动态特征包括变形和位移及其一阶和二阶导数。力学特性包括弹性、粘性和塑性应力以及结晶器壁上的法向力和切向力。能量特征包括铸坯弹性、延性和塑性变形及其机械运动中的能耗、周期性形变过程中铸坯内的势能和动能的循环以及克服所有阻力的能耗。