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文獻(xiàn)綜述
題 目： 結(jié)晶器齒輪差動(dòng)振動(dòng)器設(shè)計(jì)
學(xué) 院：
專 業(yè)：
班 級(jí)：
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一、結(jié)晶器應(yīng)用領(lǐng)域
1.連鑄機(jī)機(jī)型分類，特點(diǎn)及演變
目前連鑄機(jī)已在鋼廠廣泛采用，形式多種，用途各異。對(duì)連鑄機(jī)的叫法也很不一致?，F(xiàn)按一般習(xí)慣介紹連鑄機(jī)的分類方法：
(1)接連鑄機(jī)外形分類有：立式連鑄機(jī)、立彎式連鑄機(jī)、弧形連鑄機(jī)、超低頭(橢圓形)連鑄機(jī)、水平連鑄機(jī)，輪式連鑄機(jī)等。
(2)按澆注鑄坯斷面分類有
表1 國 內(nèi) 連 鑄 機(jī) 統(tǒng) 計(jì)
機(jī)型
臺(tái)數(shù)/臺(tái)
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(jì)
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(jì)
551
1749
29204.75
有幾家方案未確定者（如廣東、福建等）尚未計(jì)入
(3) 按拉速分類有：高拉速連鑄機(jī)和低拉速連鑄機(jī)。它們的主要區(qū)別在于：高拉速時(shí)鑄坯帶液芯矯直，低拉速時(shí)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(jī)如立式、立彎式連鑄機(jī)。靜壓力較小的叫低頭連鑄機(jī)如弧形、橢圓、水平連鑄機(jī)。
2.連續(xù)鑄鋼的工藝流程及設(shè)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(dòng)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(dòng)裝置后，連鑄才能成功。結(jié)晶器振動(dòng)的目的是防止拉坯坯殼與結(jié)晶器粘結(jié)，同時(shí)獲得良好的鑄坯表面，因而結(jié)晶器向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(yīng)力，使鑄坯表面出現(xiàn)裂紋;而當(dāng)結(jié)晶器向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，借助摩擦，在坯殼上施加一定的壓力，愈合結(jié)晶器上升時(shí)拉出的裂痕，這就要求向下的運(yùn)動(dòng)速度大于拉坯速度，形成負(fù)滑脫。
機(jī)械振動(dòng)的振動(dòng)裝置由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過萬向聯(lián)軸器，分兩端傳動(dòng)兩個(gè)蝸輪減速機(jī)，其中一端裝有可調(diào)節(jié)軸套，蝸輪減速機(jī)后面再通過萬向聯(lián)軸器，連接兩個(gè)滾動(dòng)軸承支持的偏心軸，在每個(gè)偏心輪處裝有帶滾動(dòng)軸承的曲柄，并通過帶橡膠軸承的振動(dòng)連桿支撐振動(dòng)臺(tái)，產(chǎn)生振動(dòng)。
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(dòng)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(yīng)用情況表明，采用連鑄結(jié)晶器非正弦伺服振動(dòng)，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(dòng)控制裝置和傳統(tǒng)的結(jié)晶器振動(dòng)裝置相比，可以方便地實(shí)現(xiàn)多種波形振動(dòng)、實(shí)現(xiàn)連鑄過程監(jiān)督和實(shí)時(shí)顯示振動(dòng)波形，并能在線修改非振動(dòng)方式及振動(dòng)頻率和幅值等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制過程的平穩(wěn)過度。
三、結(jié)晶器振動(dòng)器的發(fā)展
最初的連鑄機(jī)結(jié)晶器是靜止不動(dòng)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(dòng)”或拉漏鋼水的事故發(fā)生。因此，靜止不動(dòng)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(dòng)裝置，并成功地將它應(yīng)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(dòng)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(tái)方坯連鑄試驗(yàn)機(jī)上采用了振動(dòng)結(jié)晶器。與此同時(shí)，容漢斯振動(dòng)結(jié)晶器又被西德曼內(nèi)斯(Mannesmann)公司胡金根廠的一臺(tái)連續(xù)鑄鋼試驗(yàn)連鑄機(jī)上成功應(yīng)用結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)在這兩臺(tái)連鑄機(jī)上的成功應(yīng)用，為結(jié)晶器振動(dòng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
四、結(jié)晶器振動(dòng)器國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
繼續(xù)日本將液壓伺服振動(dòng)結(jié)晶器應(yīng)用于連鑄之后，法國IRSID[2]與CLECIM合作進(jìn)行了相應(yīng)的研究工作。于1987年公布了其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。研究結(jié)果表明，應(yīng)用非正弦振動(dòng)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(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，IRSID與CLECIM又新設(shè)計(jì)制造了兩臺(tái)液壓振動(dòng)工業(yè)實(shí)驗(yàn)裝置，分別安裝在了索拉克廠的２流板坯連鑄機(jī)的2號(hào)機(jī)和Unimecal Normandie廠的8流小方坯連鑄機(jī)的一流上。首先他們?cè)谶@兩個(gè)裝置上采用了與機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)相同的正弦波形及控制方式，應(yīng)用于各自的鑄機(jī)上進(jìn)行長期的工業(yè)試驗(yàn)。結(jié)果表明鑄坯表面質(zhì)量和機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)相同，同時(shí)也驗(yàn)證了液壓振動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。隨后在SOLLAC廠進(jìn)行了非正弦振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，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(yīng)用液壓振動(dòng)仍進(jìn)行了正弦振動(dòng)試驗(yàn)，但是在控制上對(duì)正弦振動(dòng)模型進(jìn)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(shè)計(jì)制造了一臺(tái)工業(yè)性液壓振動(dòng)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(yīng)性。該設(shè)備液壓源壓力為18Mpa，電動(dòng)機(jī)功率為110KW，于1993年3月安裝在SOLLAC廠2號(hào)板坯連鑄機(jī)上，目前該連鑄機(jī)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(yīng)用非正弦振動(dòng)，其振痕深度比用正弦振動(dòng)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。現(xiàn)在，該廠一直采用給正弦振動(dòng)進(jìn)行生產(chǎn)，并計(jì)劃改造另一流板坯振動(dòng)系統(tǒng)。
英國的Stocksbridge工程鋼廠的圓方坯連鑄機(jī)主要生產(chǎn)特殊鋼，應(yīng)用液壓振動(dòng)改造后，生產(chǎn)實(shí)踐表明，用液壓非正弦振動(dòng)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(shí)，德馬克公司在阿維迪薄板坯連鑄機(jī)上，開發(fā)成功了薄板坯液壓振動(dòng)系統(tǒng)。日本住友在其90-120mm×1000mm試驗(yàn)連鑄機(jī)上采用了液壓振動(dòng)技術(shù)，起普碳鋼的試驗(yàn)拉速為5m/min；中碳鋼等鋼種的試驗(yàn)拉速為3m/min。奧鋼聯(lián)已經(jīng)在其薄板坯連鑄機(jī)上，盧森堡則在其方坯以異形坯連鑄機(jī)上開始裝備液壓振動(dòng)系統(tǒng)，并開始了自帶振動(dòng)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(dòng)的研究。
五、振動(dòng)方式類型
結(jié)晶器振動(dòng)方式是指結(jié)晶器運(yùn)動(dòng)速度的變化規(guī)律，有三種：
A 同步振動(dòng)
同步式振動(dòng)是最早的振動(dòng)形式，其速度變化規(guī)律特點(diǎn)是：結(jié)晶器在下降時(shí)與鑄坯作同步運(yùn)動(dòng)，然后以三倍的拉速上升。上升和下降都是等速運(yùn)動(dòng)。這種振動(dòng)方式需要采取凸輪機(jī)構(gòu)，加工制造比較麻煩。同時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生沖擊力，影響結(jié)晶器振動(dòng)的平穩(wěn)性，對(duì)鑄坯質(zhì)量和設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)都是不利的。
B 負(fù)滑脫振動(dòng)
負(fù)滑脫振動(dòng)是同步振動(dòng)的改進(jìn)形式，其主要特點(diǎn)是：
1）結(jié)晶器的下降速度稍大于拉坯速度，有一個(gè)參數(shù)稱為負(fù)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(fù)滑差率太大，容易在鑄坯表面上產(chǎn)生振動(dòng)痕跡，所以，一般取其值在5到10之間。優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)結(jié)晶器下降時(shí)使坯殼中產(chǎn)生壓應(yīng)力，以促進(jìn)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(diǎn)處，速度變化比較緩和，利于提高運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。
在結(jié)晶器上升時(shí)，坯殼承受拉應(yīng)力，下降時(shí)承受壓應(yīng)力，因此在確定振動(dòng)參數(shù)時(shí)，應(yīng)使開始下降時(shí)的加速度大些，開始上升時(shí)的加速度取小些。
負(fù)滑脫式振動(dòng)是一種較好的振動(dòng)形式，但是也是靠凸輪來實(shí)現(xiàn)的。
C 正弦式振動(dòng)
正弦式振動(dòng)時(shí)，結(jié)晶器的運(yùn)動(dòng)速度是按正弦規(guī)律變化的。其特點(diǎn)是：
1）由于正弦振動(dòng)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(yùn)動(dòng)階段，但有一西歐啊段負(fù)滑脫階段，有利于促使坯殼愈合。
2）由于速度是按正弦運(yùn)動(dòng)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(dòng)頻率，利于提高脫模作用，消除粘接現(xiàn)象。
4）正弦式振動(dòng)是通過偏心輪來實(shí)現(xiàn)的，制造比較容易。
5）因結(jié)晶器和鑄坯之間沒有嚴(yán)格的相對(duì)速度關(guān)系，所以，當(dāng)拉坯速度變化范圍不太大時(shí)，振動(dòng)機(jī)構(gòu)和拉坯機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)型式
結(jié)晶器的振動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)基本部分：實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器運(yùn)動(dòng)軌跡的部分和實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器振動(dòng)的部分。
按照結(jié)晶器運(yùn)動(dòng)軌跡（弧線）的實(shí)現(xiàn)方式分為：導(dǎo)軌式、長臂式、復(fù)合差動(dòng)式、短臂四連桿式和四偏心輪式。
小方坯連鑄機(jī)用短臂四連桿振動(dòng)機(jī)構(gòu)常安裝在內(nèi)弧側(cè)，大板坯連鑄機(jī)四連桿機(jī)構(gòu)常裝在外弧側(cè)。四偏心輪振動(dòng)機(jī)構(gòu)在最近新建設(shè)的大型板坯連鑄機(jī)上采用的也很多，多用來實(shí)現(xiàn)高頻振動(dòng)。
按照結(jié)晶器振動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方式分為強(qiáng)迫振動(dòng)、彈簧自由振動(dòng)、復(fù)合式振動(dòng)和液壓振動(dòng)或伺服振動(dòng)。本設(shè)計(jì)題目采用帶有氣囊減震的強(qiáng)迫振動(dòng)。
A導(dǎo)軌式振動(dòng)機(jī)構(gòu)
導(dǎo)軌式振動(dòng)機(jī)構(gòu)是通過具有一定半徑的弧形導(dǎo)軌和滑輪來使結(jié)晶器實(shí)現(xiàn)弧線運(yùn)動(dòng)的。由于振動(dòng)行程很小，弧形導(dǎo)軌也可以用兩段折線來代替，以便簡化加工。導(dǎo)軌可以故地在澆注平臺(tái)的鋼結(jié)構(gòu)上，也可以固定在二次冷卻裝置的機(jī)架上，這樣便于對(duì)弧。滑輪也可以用滑塊代替。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(dòng)機(jī)構(gòu)
長臂式振動(dòng)機(jī)構(gòu)是通過一根長臂來實(shí)現(xiàn)弧線運(yùn)動(dòng)，長臂的工作長度等于圓弧半徑，一端為支點(diǎn)，即連鑄機(jī)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(diǎn)做弧線擺動(dòng)。長臂是通過振動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上下振動(dòng)的。長臂式振動(dòng)裝置能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)弧線運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)也比較簡單，這種振動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)拆裝二次冷卻裝置及拉坯矯直機(jī)不太方便，現(xiàn)已淘汰。
C 復(fù)合差動(dòng)式振動(dòng)機(jī)構(gòu)
復(fù)合差動(dòng)式機(jī)構(gòu)是我國自行開發(fā)的一種振動(dòng)機(jī)構(gòu)。結(jié)晶器固定在由彈簧支撐的振動(dòng)框架上，用凸輪和偏心輪強(qiáng)迫框架下降，利用彈簧的反力使其上升。該振動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡精確，機(jī)構(gòu)簡單，運(yùn)動(dòng)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(xiǎn)大大下降，還能使有關(guān)運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)
四連桿機(jī)構(gòu)中的連桿CD在某一瞬時(shí)的運(yùn)動(dòng)是繞瞬時(shí)中心O作弧線運(yùn)動(dòng)的，圓弧半徑為OD。因此，只要恰當(dāng)?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(jī)的圓弧半徑R，使結(jié)晶器處在CD桿的位置，，便可以實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器的弧線運(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)誤差在理論上很小，不大于0.1mm，可以忽略。
圖2.1 四連桿機(jī)構(gòu)
E 四偏心輪振動(dòng)機(jī)構(gòu)
四偏心輪振動(dòng)機(jī)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(jìn)的一種振動(dòng)機(jī)構(gòu)。結(jié)晶器的弧線運(yùn)動(dòng)是利用兩對(duì)偏心距不同的偏心輪及連桿機(jī)構(gòu)而產(chǎn)生的。結(jié)晶器運(yùn)動(dòng)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(dòng)，而不能產(chǎn)生前后左右的位移。適當(dāng)選擇彈簧的長度，可以使運(yùn)動(dòng)軌跡誤差不大于0.02mm。
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