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文獻綜述
題 目： 結(jié)晶器齒輪差動振動器設計
學 院：
專 業(yè)：
班 級：
學 號：
學生姓名：
起訖日期：
指導教師： 職稱：
學院院長：
審核日期：
一、結(jié)晶器應用領域
1.連鑄機機型分類，特點及演變
目前連鑄機已在鋼廠廣泛采用，形式多種，用途各異。對連鑄機的叫法也很不一致。現(xiàn)按一般習慣介紹連鑄機的分類方法：
(1)接連鑄機外形分類有：立式連鑄機、立彎式連鑄機、弧形連鑄機、超低頭(橢圓形)連鑄機、水平連鑄機，輪式連鑄機等。
(2)按澆注鑄坯斷面分類有
表1 國 內(nèi) 連 鑄 機 統(tǒng) 計
機型
臺數(shù)/臺
流數(shù)/流
年產(chǎn)能/萬t
說明
小方坯
211
783
8983.50
≤150mm×150mm
方、矩坯
218
781
9902
>150mm×150mm
板坯
91
120
8383
板方兼用者按板坯計
薄板坯
10
10
1262
薄板坯連鑄連軋
圓坯
20
52
511.25
以生產(chǎn)圓坯為主者按圓坯
異型坯
1
3
63
?
合計
551
1749
29204.75
有幾家方案未確定者（如廣東、福建等）尚未計入
(3) 按拉速分類有：高拉速連鑄機和低拉速連鑄機。它們的主要區(qū)別在于：高拉速時鑄坯帶液芯矯直，低拉速時鑄坯全凝固矯直。
(4)按鋼水靜壓頭分類：靜壓力較大的叫高頭型連鑄機如立式、立彎式連鑄機。靜壓力較小的叫低頭連鑄機如弧形、橢圓、水平連鑄機。
2.連續(xù)鑄鋼的工藝流程及設備
圖 1-1 煉鋼生產(chǎn)工藝流程簡圖
圖1-2 連鑄工藝圖
二、結(jié)晶器振動器簡介
在連鑄技術(shù)的發(fā)展過程中，只有采用了結(jié)晶器振動裝置后，連鑄才能成功。結(jié)晶器振動的目的是防止拉坯坯殼與結(jié)晶器粘結(jié)，同時獲得良好的鑄坯表面，因而結(jié)晶器向上運動時，減少新生的坯殼與銅壁產(chǎn)生粘結(jié)，以防止坯殼受到較大的應力，使鑄坯表面出現(xiàn)裂紋;而當結(jié)晶器向下運動時，借助摩擦，在坯殼上施加一定的壓力，愈合結(jié)晶器上升時拉出的裂痕，這就要求向下的運動速度大于拉坯速度，形成負滑脫。
機械振動的振動裝置由直流電動機驅(qū)動，通過萬向聯(lián)軸器，分兩端傳動兩個蝸輪減速機，其中一端裝有可調(diào)節(jié)軸套，蝸輪減速機后面再通過萬向聯(lián)軸器，連接兩個滾動軸承支持的偏心軸，在每個偏心輪處裝有帶滾動軸承的曲柄，并通過帶橡膠軸承的振動連桿支撐振動臺，產(chǎn)生振動。
在新型連鑄生產(chǎn)工藝中，采用帶有數(shù)字波形發(fā)生器的結(jié)晶器電液伺服振動控制是保證連鑄生產(chǎn)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。國外的應用情況表明，采用連鑄結(jié)晶器非正弦伺服振動，能夠有效地減少鑄坯與結(jié)晶器間的摩擦力，從而防止坯殼與結(jié)晶器粘結(jié)而被拉裂，減小鑄坯振痕，提高鑄坯質(zhì)量川一〔9l。帶有數(shù)字波形發(fā)生器的結(jié)晶器電液伺服振動控制裝置和傳統(tǒng)的結(jié)晶器振動裝置相比，可以方便地實現(xiàn)多種波形振動、實現(xiàn)連鑄過程監(jiān)督和實時顯示振動波形，并能在線修改非振動方式及振動頻率和幅值等參數(shù)，實現(xiàn)控制過程的平穩(wěn)過度。
三、結(jié)晶器振動器的發(fā)展
最初的連鑄機結(jié)晶器是靜止不動的，在拉坯的過程中坯殼很容易與結(jié)晶器內(nèi)壁產(chǎn)生粘結(jié)，從而出現(xiàn)坯殼“拉不動”或拉漏鋼水的事故發(fā)生。因此，靜止不動的結(jié)晶器限制了連鑄生產(chǎn)的工業(yè)化發(fā)展。直到1933年現(xiàn)代連鑄的奠基人一德國的西格弗里德?容漢斯開發(fā)了結(jié)晶器振動裝置，并成功地將它應用于有色金屬黃銅的連鑄。
1949年S?容漢斯的合伙人美國的艾爾文?羅西(Irving Rossi )獲得了容漢斯結(jié)晶器振動技術(shù)專利的使用權(quán)，并首次在美國約阿?勒德隆鋼公司廠的一臺方坯連鑄試驗機上采用了振動結(jié)晶器。與此同時，容漢斯振動結(jié)晶器又被西德曼內(nèi)斯(Mannesmann)公司胡金根廠的一臺連續(xù)鑄鋼試驗連鑄機上成功應用結(jié)晶器振動技術(shù)在這兩臺連鑄機上的成功應用，為結(jié)晶器振動技術(shù)的廣泛應用打下了堅實的基礎。
四、結(jié)晶器振動器國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
繼續(xù)日本將液壓伺服振動結(jié)晶器應用于連鑄之后，法國IRSID[2]與CLECIM合作進行了相應的研究工作。于1987年公布了其實驗結(jié)果。研究結(jié)果表明，應用非正弦振動可以有效地減少結(jié)晶器內(nèi)的摩擦力，使振痕深度減輕，鑄坯表面質(zhì)量得以明顯改善。在前面實驗的基礎上，IRSID與CLECIM又新設計制造了兩臺液壓振動工業(yè)實驗裝置，分別安裝在了索拉克廠的２流板坯連鑄機的2號機和Unimecal Normandie廠的8流小方坯連鑄機的一流上。首先他們在這兩個裝置上采用了與機械振動系統(tǒng)相同的正弦波形及控制方式，應用于各自的鑄機上進行長期的工業(yè)試驗。結(jié)果表明鑄坯表面質(zhì)量和機械振動系統(tǒng)相同，同時也驗證了液壓振動系統(tǒng)的可靠性。隨后在SOLLAC廠進行了非正弦振動實驗，其金相分析結(jié)果表明，生產(chǎn)的低碳鋼的振痕深度至少減少了25%,在UN廠，雖然他們應用液壓振動仍進行了正弦振動試驗，但是在控制上對正弦振動模型進行了優(yōu)化控制，結(jié)果表明，低碳鋼方坯的表面缺陷減少了75%。
CLECIM后來又為SOLLAC廠設計制造了一臺工業(yè)性液壓振動裝置，采用全數(shù)字控制方式，在控制上具有更大的靈活性和適應性。該設備液壓源壓力為18Mpa，電動機功率為110KW，于1993年3月安裝在SOLLAC廠2號板坯連鑄機上，目前該連鑄機主要生產(chǎn)超低碳鋼，C含量為0.025%及小于0.01%。生產(chǎn)結(jié)果表明，應用非正弦振動，其振痕深度比用正弦振動至少減少了30%，并且可以減少凝固鉤的數(shù)量，顯著減少皮下缺陷，從而大大提高了最后軋制成品的表面質(zhì)量?，F(xiàn)在，該廠一直采用給正弦振動進行生產(chǎn)，并計劃改造另一流板坯振動系統(tǒng)。
英國的Stocksbridge工程鋼廠的圓方坯連鑄機主要生產(chǎn)特殊鋼，應用液壓振動改造后，生產(chǎn)實踐表明，用液壓非正弦振動系統(tǒng)不僅可以減少振痕深度，減少卷渣，提高鑄坯表面質(zhì)量，而且該廠的漏鋼率也從原來的3%下降到了1%。
與此同時，德馬克公司在阿維迪薄板坯連鑄機上，開發(fā)成功了薄板坯液壓振動系統(tǒng)。日本住友在其90-120mm×1000mm試驗連鑄機上采用了液壓振動技術(shù)，起普碳鋼的試驗拉速為5m/min；中碳鋼等鋼種的試驗拉速為3m/min。奧鋼聯(lián)已經(jīng)在其薄板坯連鑄機上，盧森堡則在其方坯以異形坯連鑄機上開始裝備液壓振動系統(tǒng)，并開始了自帶振動系統(tǒng)的結(jié)晶器的研制。另外，日本神戶、新日鐵、英國ECSC等都相繼開始液壓振動的研究。
五、振動方式類型
結(jié)晶器振動方式是指結(jié)晶器運動速度的變化規(guī)律，有三種：
A 同步振動
同步式振動是最早的振動形式，其速度變化規(guī)律特點是：結(jié)晶器在下降時與鑄坯作同步運動，然后以三倍的拉速上升。上升和下降都是等速運動。這種振動方式需要采取凸輪機構(gòu)，加工制造比較麻煩。同時，由于運動過程中產(chǎn)生沖擊力，影響結(jié)晶器振動的平穩(wěn)性，對鑄坯質(zhì)量和設備的正常運轉(zhuǎn)都是不利的。
B 負滑脫振動
負滑脫振動是同步振動的改進形式，其主要特點是：
1）結(jié)晶器的下降速度稍大于拉坯速度，有一個參數(shù)稱為負滑差率，用來表示結(jié)晶器下降速度和拉速之間的滑差率。如果負滑差率太大，容易在鑄坯表面上產(chǎn)生振動痕跡，所以，一般取其值在5到10之間。優(yōu)點是：當結(jié)晶器下降時使坯殼中產(chǎn)生壓應力，以促進斷裂的坯殼壓合，也有利于脫模。
2）結(jié)晶器在上升和下降的轉(zhuǎn)折點處，速度變化比較緩和，利于提高運動的平穩(wěn)性。
在結(jié)晶器上升時，坯殼承受拉應力，下降時承受壓應力，因此在確定振動參數(shù)時，應使開始下降時的加速度大些，開始上升時的加速度取小些。
負滑脫式振動是一種較好的振動形式，但是也是靠凸輪來實現(xiàn)的。
C 正弦式振動
正弦式振動時，結(jié)晶器的運動速度是按正弦規(guī)律變化的。其特點是：
1）由于正弦振動中沒有穩(wěn)定的速度階段，所以結(jié)晶器和鑄坯之間沒有同步運動階段，但有一西歐啊段負滑脫階段，有利于促使坯殼愈合。
2）由于速度是按正弦運動變化，加速度是按余弦規(guī)律變化，過渡比較平穩(wěn)，沒有很大的沖擊。
3）因加速度較小，有可能提高振動頻率，利于提高脫模作用，消除粘接現(xiàn)象。
4）正弦式振動是通過偏心輪來實現(xiàn)的，制造比較容易。
5）因結(jié)晶器和鑄坯之間沒有嚴格的相對速度關(guān)系，所以，當拉坯速度變化范圍不太大時，振動機構(gòu)和拉坯機構(gòu)之間的聯(lián)鎖的重要性也不大，可以簡化電氣系統(tǒng)。
六、振動機構(gòu)型式
結(jié)晶器的振動裝置的結(jié)構(gòu)包括兩個基本部分：實現(xiàn)結(jié)晶器運動軌跡的部分和實現(xiàn)結(jié)晶器振動的部分。
按照結(jié)晶器運動軌跡（弧線）的實現(xiàn)方式分為：導軌式、長臂式、復合差動式、短臂四連桿式和四偏心輪式。
小方坯連鑄機用短臂四連桿振動機構(gòu)常安裝在內(nèi)弧側(cè)，大板坯連鑄機四連桿機構(gòu)常裝在外弧側(cè)。四偏心輪振動機構(gòu)在最近新建設的大型板坯連鑄機上采用的也很多，多用來實現(xiàn)高頻振動。
按照結(jié)晶器振動的實現(xiàn)方式分為強迫振動、彈簧自由振動、復合式振動和液壓振動或伺服振動。本設計題目采用帶有氣囊減震的強迫振動。
A導軌式振動機構(gòu)
導軌式振動機構(gòu)是通過具有一定半徑的弧形導軌和滑輪來使結(jié)晶器實現(xiàn)弧線運動的。由于振動行程很小，弧形導軌也可以用兩段折線來代替，以便簡化加工。導軌可以故地在澆注平臺的鋼結(jié)構(gòu)上，也可以固定在二次冷卻裝置的機架上，這樣便于對弧?；喴部梢杂没瑝K代替。它們是固定在結(jié)晶器的外殼或框架上的。結(jié)構(gòu)比較簡單，早期使用較多。
B 長臂式振動機構(gòu)
長臂式振動機構(gòu)是通過一根長臂來實現(xiàn)弧線運動，長臂的工作長度等于圓弧半徑，一端為支點，即連鑄機的圓弧中心，它是鉸接在建筑結(jié)構(gòu)上的。另一端上裝著結(jié)晶器，可以繞支點做弧線擺動。長臂是通過振動機構(gòu)實現(xiàn)上下振動的。長臂式振動裝置能準確地實現(xiàn)弧線運動，結(jié)構(gòu)也比較簡單，這種振動機構(gòu)對拆裝二次冷卻裝置及拉坯矯直機不太方便，現(xiàn)已淘汰。
C 復合差動式振動機構(gòu)
復合差動式機構(gòu)是我國自行開發(fā)的一種振動機構(gòu)。結(jié)晶器固定在由彈簧支撐的振動框架上，用凸輪和偏心輪強迫框架下降，利用彈簧的反力使其上升。該振動機構(gòu)運動軌跡精確，機構(gòu)簡單，運動件及軸承較少，方便維修及快速更換。而且由于有彈簧支撐，不但使拉破坯殼的危險大大下降，還能使有關(guān)運動件及齒輪和齒條等嚙合件永不脫離嚙合。
D 短臂四連桿振動機構(gòu)
四連桿機構(gòu)中的連桿CD在某一瞬時的運動是繞瞬時中心O作弧線運動的，圓弧半徑為OD。因此，只要恰當?shù)剡x擇四連桿中各桿的尺寸參數(shù)，使OD正好等于連鑄機的圓弧半徑R，使結(jié)晶器處在CD桿的位置，，便可以實現(xiàn)結(jié)晶器的弧線運動。由于結(jié)晶器的振幅與圓弧半徑相比很小，因此瞬心位置變化造成的運動誤差在理論上很小，不大于0.1mm，可以忽略。
圖2.1 四連桿機構(gòu)
E 四偏心輪振動機構(gòu)
四偏心輪振動機構(gòu)是西德曼內(nèi)斯曼公司于70年代開發(fā)，80年代加以改進的一種振動機構(gòu)。結(jié)晶器的弧線運動是利用兩對偏心距不同的偏心輪及連桿機構(gòu)而產(chǎn)生的。結(jié)晶器運動的弧線定中是利用兩條板式彈簧使結(jié)晶器只作弧形擺動，而不能產(chǎn)生前后左右的位移。適當選擇彈簧的長度，可以使運動軌跡誤差不大于0.02mm。
參考資料：
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