結晶器振動參數對液態摩擦力的影響規律

周景一^1,2  劉文慧³  王博^1,2  劉震^1,2

（1. 華北理工大學冶金與能源學院，河北 唐山 063210,2. 河北省高品質鋼連鑄工程技術研究中心，河北 唐山 063000；3. 華北理工大學經濟學院，河北 唐山 063210）

摘  要：連鑄過程中，保護渣液態摩擦力對鑄坯與結晶器之間的潤滑起著至關重要的作用，通過建立結晶器同步振動模型，改變波形偏斜率、振動頻率，將液態摩擦力控制在合理范圍內，從而改善鑄坯表面質量，減少拉漏情況。結果表明，波形偏斜率、拉速、振動頻率和振程的增加對于結晶器上升過程中鑄坯受到的拉應力均增大，而在下降過程中波形偏斜率與拉速的增加會導致坯殼受到的壓應力是減小的，其余兩個參數下的壓應力是增加的。

關鍵詞：同步振動模型；非正弦振動；液態摩擦力

Study on trial production of nitrogen micro-alloyed

reinforced bar

ZHOU Jing-yi1, LIU Wen-hui2，WANG Bo1，LIU Zhen1

(1. North China University of Science and Technology, College of Metallurgy and Energy , Tangshan 063000, China;2. Hebei Province High Quality Steel Continuous Casting Engineering Technology Research Center , Tangshan 063210, China; 3. North China University of Science and Technology, College of Economics, Tangshan 063210, China)

Abstract: In the continuous casting process, the liquid friction of the slag plays a vital role in the lubrication between the slab and the mold. By establishing crystallizer synchronous vibration model, the waveform deviation rate and vibration frequency are changed, and the liquid friction is controlled. Within a reasonable range, thereby improving the surface quality of the slab and reducing the leakage. The results show that the increase of the waveform deviation rate , the speed, the vibration frequency and the vibration increase the tensile stress of the slab during the ascent of the mold, while the slope of the waveform and the speed during the falling process. The increase will cause the compressive stress on the shell to be reduced, and the compressive stress under the other two parameters is increased.

Key words: crystallizer synchronous vibration model; non-sinusoidal vibration; liquid friction

結晶器振動與保護渣潤滑是促進連鑄快速發展的基礎技術，為穩定、連續、高效地生產優質鑄坯提供了技術支持。液態摩擦力對結晶器與鑄坯之間的潤滑起著至關重要的作用，結晶器振動與液態保護渣兩者之間應當滿足一定的關系，否則，連鑄過程中易導致事故或鑄坯缺陷。因此，研究振動參數對液態摩擦力的影響就顯得十分重要。

本文基于某鋼廠小方坯連鑄結晶器非正弦振動波形，建立非正弦振動控制模型，分析振頻、波形偏斜率α等對液態摩擦力的影響，闡述結晶器非正弦振動參數對液態摩擦力的影響規律。

1模型建立

1.1非正弦振動簡介

非正弦振動不僅引入了正弦振動的因素[2]，還突破了正弦振動的限制，使結晶器振動具有最佳模式，能夠有效減少鑄坯與結晶器間的摩擦力，從而減輕鑄坯振痕，提高鑄坯質量。并且增加了獨立振動參量——波形偏斜率α，增大了波形曲線調節能力，該參數有利于鑄坯的脫模和潤滑，從而彌補了正弦振動的頻率、振幅不能同時滿足脫模和潤滑的不足。

式中，tm為非正弦振動最大位移相對于正弦振動最大位移在時間上的滯后，s；T為振動周期，s。

非正弦振動主要特點[3-5]有：

（1）一個振動周期里，非正弦振動相比于正弦振動在相同的振幅和頻率下，非正弦向下運動平均速度快、加速度大、時間短。

（2）在正滑動時間里結晶器振動速度v與拉坯速度vc之差減小。因此，作用在彎月面下坯殼的拉應力減��；

（3）在負滑動時間里v與vc之差較大，因此作用于坯殼上的壓應力增大，有助于鑄坯脫模；

（4）負滑動時間短，鑄坯表面振痕淺。

1.2 同步振動模型建立

構建適合此鋼種vc－f、h結晶器振動同步控制模型[6]。通過VB編程進行數學模擬，利用該模型模擬結晶器振動參數中的波形偏斜率α和振動頻率對保護渣消耗量的影響。

vc—f、h同步控制模型的一般表達式為式（2）：

圖2 非正弦振動的tN-NS曲線圖[4]

Fig.2  The tN-NS curves of non-sinusoidal vibration

在圖2中，過tN=0.1s點作一條水平線，分別與設計拉速范圍內Z=4.7時的交點，對應的負滑動時間曲線上的兩點，其橫坐標分別對應在固定拉速下同步控制模型的臨界頻率和最高頻率，然后由Z=h/vc及同步控制模型的拉速數值計算振程h。依據各參數間對應關系將所得數據代入式(2)，解方程組，即可建立需要同步控制模型。

基于上述對同步控制模型特點的分析，運用各參數間的對應關系，可進一步建立合理的vc—f、h同步控制模型。通過圖2與各參數間的對應關系得出，可進一步建立合理的vc—f、h同步控制模型。對模型所做的基本假設為：不改變拉速，振幅，只改變結晶器振動參數中的波形偏斜率α以及振動頻率，并且假設保護渣黏度及鋼種類型，尺寸，非正弦同步控制。因此通過式(2)—(5)計算：推導出非正弦振動模型如式(6)，

vc－f、h同步控制模型的特點是[7]：振程h隨拉速vc的增加而增加，頻率f隨vc的增加而降低，同時tN近似恒定。tp隨vc增加而增加。

2 不同振動參數下液態摩擦力比較

通過同步振動模型以及摩擦力計算公式，改變振動頻率以及波形偏斜率α，分析兩個參數對液態摩擦力的影響，獲得兩個參數較為合適的數值，保證鑄坯表面質量，減少鑄坯缺陷，增加金屬收得率。

2.1 工藝條件

對非正弦反向振動，在拉速，保護渣確定情況下液態摩擦力與振動參數有關。下表為國內某鋼廠的主要振動參數：

表1計算所用主要工藝參數

Table 1 Main technical parameters for calculating in the lubrication model

2.2 液態摩擦力的理論分析及計算方法

由牛頓黏性定律可知，鑄坯和結晶器間的摩擦受到渣膜中液渣層的流動及分布的很大影響[8,9]。因此，液渣的流入速度對于計算結晶器和鑄坯間的液態摩擦力有直接的作用。從而對結晶器潤滑有影響，使鑄坯質量受到影響。

保護渣在結晶器彎月面處的行為，在初期階段對鋼液的凝固和鑄坯表面質量有很大的影響。所以對彎月面處的保護渣流入機制的研究是十分必要的。

結晶器與鑄坯之間有兩種渣膜形式：一種為固態渣膜，另一種是液態渣膜，其分布如圖3所示，故想要計算結晶器與鑄坯之間的摩擦力，就必須分別計算固態和液態渣膜的摩擦力。

鑄坯與結晶器間的總摩擦力等于鑄坯與結晶器間固態和液態摩擦力之和為式（7）：

式中：

Fl—單位面積液體摩擦力，Pa；

η—保護渣的黏度，Pa·s；

vm—結晶器運動速度，m/min；

vc—拉速，m/min；

dl—液渣層厚度，mm。

由上式可以得出，鑄坯與結晶器之間液體摩擦力Fl主要是由液體渣層的厚度、保護渣的黏度及結晶器振動速度和拉坯速度決定。

結晶器向上振動速度公式為式（9）：

通過某鋼廠提供的數據可知液渣層厚度為6~10mm，通過式（11）、（12）即可求出結晶器非正弦運動時上升和下降時結晶器的運動速度，再將結果代入式（8）可以求得液態摩擦力。

2.3 波形偏斜率α對液態摩擦力的影響規律

由式可以看出，波形偏斜率α對于結晶器振動起著重要的作用，因此，在確定vc=1.5m/min、f=160次/min、h=5.45mm下，改變波形偏斜率α，采用表中的工藝參數。通過式（8）、（11）和（12）計算得出，波形偏斜率α對結晶器上升和下降時的速度及受到的液態摩擦力的影響。

圖3所示當改變波形偏斜率α的情況下，波形偏斜率α與保護渣消耗量的關系圖。

通過圖3中可以看出，當振動時間為t=0時，為上升速度最大，隨著波形偏斜率α的提高，在上升時，結晶器振動速度和液態摩擦力呈現下降趨勢；當振動時間t=T/2時，下降速度最大時，呈現為上升趨勢。這是因為在式（11）、（12）中波形偏斜率α對上升速度和下降速度的影響是相反的。當拉速不變時，也就導致其對上升及下降液態摩擦力的影響是相反的。

2.4 振動頻率對液態摩擦力的影響規律

在α=0.1、vc=1.5/min、h=5.45mm條件下，改變振動頻率f，在頻率f=100~160次/min的情況下計算對結晶器上升和下降時的速度及受到的液態摩擦力的影響。

圖4所示為改變振動頻率f的情況下，振動頻率與振動速度、摩擦力之間關系圖。

通過圖4中可以看出，隨振動頻率f的增加，當振動時間t=T/2時，下降速度最大。此時，在結晶器上升與下降時，結晶器振動速度和液態摩擦力均表現為增加趨勢。這是因為在式（11）、（12）中振動頻率f是上升速度和下降速度的增函數。當拉速不變時，也就導致其對上升及下降液態摩擦力的影響趨勢是相同的。

2.5 拉速對液態摩擦力的影響規律

在α=0.1、f=160次/min、h=4.9mm下，改變拉速vc=1.0~2.0m/min的情況下，通過式（11）、（12）可知發現拉速vc與結晶期振動速度的快慢無關，因此只能觀察拉速vc的改變對液態摩擦力的影響。采用表中的工藝參數。

圖5所示當改變拉速vc的情況下，結晶器上升及下降時受到的液態摩擦力的關系圖。

通過圖5和式（8）中可以得出，當增加拉速vc時，結晶器振動時，受到的液態摩擦力逐漸減少。同時，當波形偏斜率α、振動頻率f、振程h一定時，可以得出結晶器上升及下降速度是一定的，因此液態摩擦力的大小只與拉速有關。

2.6 振程對液態摩擦力的影響規律

在α=0.1、vc=1.0m/min、f=160次/min，在改變振動沖程h=4.9~6.0m的情況下結晶器上升和下降時的速度及受到的液態摩擦力的影響。采用表中的工藝參數。

圖6所示當改變振動沖程h的情況下，振動沖程h與結晶器振動速度及摩擦力之間的關系圖。

其它條件不變，隨振程h增加，此時的上升與下降速度都是增大的，上升速度由1.998增大到2.447m/min，下降速度由2.734增加到3.351m/min，導致摩擦力增大，上升時摩擦力增大3.22Pa，下降時摩擦力增加到5.22Pa。

3 結論

1）當只改變波形偏斜率α，其他條件保持不變。隨著波形偏斜率α增大，結晶器上升速度與上升時的液態摩擦力均呈減小趨勢，而下降速度與下降時的液態摩擦力則成增加趨勢，所以，較大的波形偏斜率α對結晶器運動時時的摩擦力和坯殼凝固有影響；

2）其它條件不變，只改變拉速vc。因為結晶器振動速度與拉速無關，所以，拉速對結晶器振動速度沒有影響，但是拉速增大會使液態摩擦力減小，使坯殼受到的壓應力減�。�

3）當只改變振動頻率f，其他條件保持不變。當振動頻率增大時，結晶器振動速度在上升和下降時都是增大的，使得液態摩擦力都增大，對鑄坯受到的壓應力增大；

4）其它條件不變，隨振程h增加，此時的上升與下降速度都是增大的，導致摩擦力增大，是坯殼受到的拉應力減小。

因此，通過以上分析得出，波形偏斜率α、拉速vc、振動頻率f和振程h的增加對于結晶器上升過程中鑄坯受到的拉應力均增大，而在下降過程中波形偏斜率α與拉速的增加會導致坯殼受到的壓應力是減小的，其余兩個參數下的壓應力是增加的。

參考文獻

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