燕山大學(xué)國(guó)家冷軋工程中心
創(chuàng)新成果展（一）
“國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心”（以下簡(jiǎn)稱“中心”）依托燕山大學(xué)，于2011年由科技部批準(zhǔn)組建，2014年通過驗(yàn)收，并以該中心為依托建設(shè)有“河北省現(xiàn)代軋制技術(shù)與先進(jìn)鋼鐵材料協(xié)同創(chuàng)新中心”和科技部“面向先進(jìn)高強(qiáng)鋼板帶產(chǎn)業(yè)的科技服務(wù)業(yè)試點(diǎn)”。中心主要圍繞“產(chǎn)品質(zhì)量精確控制”、“機(jī)械設(shè)備高效可靠”、“生產(chǎn)過程節(jié)能環(huán)保”三大主題，在板形板厚和表面質(zhì)量控制、軋機(jī)裝備智能化、帶鋼深加工及先進(jìn)鋼鐵材料制備等方向開展相關(guān)基礎(chǔ)性和工程化技術(shù)研究，重點(diǎn)推進(jìn)“核心技術(shù)突破、成熟技術(shù)升級(jí)、新技術(shù)推廣示范”三個(gè)方面的工作，取得了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科研創(chuàng)新成果，部分研究成果填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。中心建有軋制/測(cè)控中試生產(chǎn)線、材料物理模擬、定量結(jié)構(gòu)表征（中-丹聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、YSU-FEI聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室）和重型機(jī)械智造工程超算中心四大科研平臺(tái)，承擔(dān)了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)及企業(yè)重大項(xiàng)目等大批研究與開發(fā)任務(wù)，是一個(gè)集工程化技術(shù)研發(fā)、科技成果中試與轉(zhuǎn)化、標(biāo)準(zhǔn)化與檢測(cè)、人才培訓(xùn)與信息交流為一體的技術(shù)創(chuàng)新與公共服務(wù)平臺(tái)。
“高效連鑄”關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用
1概述
從20世紀(jì)90年代開始，燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心高效連鑄技術(shù)團(tuán)隊(duì)，對(duì)控制連鑄坯裂紋的產(chǎn)生和減輕鑄坯表面振痕技術(shù)進(jìn)行了深入研究，先后研發(fā)出了連鑄坯等應(yīng)變速率固定輥連續(xù)矯直技術(shù)、結(jié)晶器橢圓齒輪非正弦振動(dòng)技術(shù)以及伺服電機(jī)非正弦振動(dòng)技術(shù)等多項(xiàng)核心技術(shù)，提出了連鑄坯蠕變彎曲矯直理論及機(jī)型設(shè)計(jì)方法。這些技術(shù)大大降低了連鑄坯在彎曲矯直過程中產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn)，減輕了鑄坯表面振痕深度。結(jié)晶器非正弦振動(dòng)技術(shù)及連續(xù)彎曲矯直技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用在邯鋼、濟(jì)鋼、首鋼、鞍鋼等多家大型鋼鐵公司，提高了鑄坯的質(zhì)量和連鑄機(jī)的生產(chǎn)率，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，其技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。
2連鑄坯彎曲矯直技術(shù)
2.1彎曲矯直技術(shù)發(fā)展
伴隨著當(dāng)今高效連鑄的發(fā)展，矯直技術(shù)也從單點(diǎn)的固相矯直發(fā)展到多點(diǎn)、連續(xù)的帶液芯矯直。連鑄機(jī)單點(diǎn)矯直方法使連鑄坯在矯直點(diǎn)附近的應(yīng)變和應(yīng)變速率都很大，并且在矯直點(diǎn)處達(dá)到最大值，如果再考慮拉坯力和導(dǎo)向輥不對(duì)中所引起的變形，很有可能使總變形超過極限應(yīng)變，而提高鑄坯產(chǎn)生裂紋缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。多點(diǎn)矯直雖然將一點(diǎn)的矯直應(yīng)變分布在多個(gè)矯直輥，相應(yīng)地降低了每個(gè)輥的矯直應(yīng)變，但是多點(diǎn)矯直方法的連鑄機(jī)機(jī)型曲線在每個(gè)矯直點(diǎn)的曲率半徑存在突變，鑄坯的變形并不連續(xù)，在每個(gè)矯直輥處存在應(yīng)變突變，接觸點(diǎn)的應(yīng)變速率仍然很高，這一定程度上會(huì)對(duì)鑄坯質(zhì)量產(chǎn)生影響。燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心高效連鑄技術(shù)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了等應(yīng)變速率固定輥連續(xù)矯直技術(shù)，降低了鑄坯矯直應(yīng)變速率，已應(yīng)用于多家鋼鐵公司。
2.2蠕變彎曲矯直理論
目前的連鑄坯彎曲矯直技術(shù)均沒有充分利用鋼的高溫蠕變特性。連鑄坯在彎曲矯直過程中處于800-1400℃的高溫，對(duì)于金屬而言，當(dāng)溫度大于自身熔點(diǎn)的0.4倍時(shí)，蠕變特征非常明顯。在目前的連鑄機(jī)彎曲矯直設(shè)計(jì)過程中，往往只考慮塑性變形，而忽略了蠕變變形的影響。燕山大學(xué)張興中教授基于鋼的高溫蠕變特性，提出了新的連鑄坯蠕變彎曲矯直理論及依靠蠕變變形進(jìn)行鑄坯彎曲和矯直的連鑄機(jī)機(jī)型設(shè)計(jì)方法。
由于鋼在連鑄過程中顯著的蠕變特性，連鑄坯在高溫狀態(tài)下即使矯直應(yīng)力低于屈服應(yīng)力也會(huì)產(chǎn)生永久變形，因此團(tuán)隊(duì)提出設(shè)計(jì)連鑄機(jī)機(jī)型曲線時(shí)利用鋼的高溫蠕變特性，使連鑄坯在矯直過程中發(fā)生盡可能多的蠕變變形，利用蠕變變形實(shí)現(xiàn)鑄坯矯直，降低矯直應(yīng)力，控制內(nèi)部矯直裂紋的產(chǎn)生，提高鑄坯質(zhì)量。連鑄機(jī)機(jī)型曲線具備以下兩個(gè)方面的特點(diǎn)：
1）盡量縮短甚至取消基本圓弧段，顯著延長(zhǎng)彎曲段和矯直段弧長(zhǎng)，增加連鑄坯蠕變變形的時(shí)間；
2）彎曲段和矯直段曲線設(shè)計(jì)時(shí)采用曲率變化率低的曲線，這樣可以降低連鑄坯在彎曲矯直過程中的應(yīng)變速率，當(dāng)彎曲矯直應(yīng)變速率低于蠕變速率時(shí)，此時(shí)連鑄坯的彎曲矯直變形全部依靠蠕變變形，實(shí)現(xiàn)蠕變彎曲矯直。
2.3連鑄坯蠕變彎曲矯直機(jī)型曲線介紹
根據(jù)鋼的高溫蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果，建議滿足要求的幾種連續(xù)彎曲矯直曲線如下：
1）多段漸開線及三次方曲線作為連續(xù)彎曲矯直曲線；
2）曲率隨弧長(zhǎng)滿足正弦規(guī)律變化的曲線，作為連續(xù)彎曲連續(xù)矯直曲線；
3）曲率隨弧長(zhǎng)滿足五次奇次多項(xiàng)式規(guī)律的曲線，作為連續(xù)彎曲連續(xù)矯直曲線。
設(shè)計(jì)例：針對(duì)目前的R9300直弧型板坯連鑄機(jī)，利用蠕變彎曲矯直理論對(duì)機(jī)型曲線進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。在新機(jī)型曲線中，彎曲段采用曲率正弦規(guī)律變化曲線，矯直段采用曲率按五次奇次多項(xiàng)式規(guī)律變化曲線，彎曲段與矯直段直接光滑連接，取消了基本圓弧段。通過試驗(yàn)可以看出，新機(jī)型可以依靠鑄坯的蠕變變形實(shí)現(xiàn)彎曲和矯直，這將有效避免鑄坯內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生。
2.4連續(xù)矯直技術(shù)應(yīng)用
燕山大學(xué)國(guó)家冷軋工程中心開發(fā)的等應(yīng)變速率固定輥連續(xù)矯直技術(shù)，采用固定輥代替康卡斯特的浮動(dòng)輥，使矯直區(qū)與基本圓弧區(qū)光滑連接，矯直應(yīng)變速率線性變化，降低了矯直力及矯直應(yīng)變速率。此技術(shù)先后應(yīng)用于邯鋼、濟(jì)鋼、首鋼等多家鋼鐵公司，取得明顯的工藝效果和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于鞍鋼二煉鋼2號(hào)板坯連鑄機(jī)第三流的連續(xù)矯直改造，采用光滑連接的一段漸開線和三次方曲線作為矯直曲線。改造后與未經(jīng)改造的第四流相比，鑄坯質(zhì)量明顯改善，后將第四流也進(jìn)行了改造。
改造后，從原來曲率存在突變的多點(diǎn)矯直，實(shí)現(xiàn)了曲率連續(xù)、線性變化的連續(xù)矯直，并使鑄坯固液相界面處的應(yīng)變速率保持低值、恒定。硫印結(jié)果表明：板坯中間裂紋得到明顯控制。
3結(jié)晶器非正弦振動(dòng)技術(shù)
結(jié)晶器非正弦振動(dòng)相比正弦振動(dòng)有以下特點(diǎn)：負(fù)滑動(dòng)時(shí)間短，有利于減輕鑄坯表面的振痕；正滑動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，可增加保護(hù)渣的消耗量，有利于結(jié)晶器的潤(rùn)滑；結(jié)晶器向上的運(yùn)動(dòng)速度與鑄坯向下的運(yùn)動(dòng)速度差較小，可減小結(jié)晶器施加給鑄坯向上作用的摩擦力，即可減小坯殼中的拉應(yīng)力，減小拉裂；負(fù)滑脫作用強(qiáng)，有利于鑄坯的脫模和拉裂坯殼的愈合，有利于提高拉坯速度，因此結(jié)晶器非正弦振動(dòng)是實(shí)現(xiàn)高效連鑄的關(guān)鍵技術(shù)之一。
結(jié)晶器振動(dòng)是由振動(dòng)裝置來實(shí)現(xiàn)的，振動(dòng)機(jī)構(gòu)是振動(dòng)裝置的核心。目前工業(yè)上應(yīng)用的非正弦振動(dòng)裝置按驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理主要分為三種，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、伺服電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)振幅、頻率、波形偏斜率在線調(diào)節(jié)，但系統(tǒng)復(fù)雜，建造及維護(hù)費(fèi)用高。伺服電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)裝置可以實(shí)現(xiàn)振幅、頻率、波形偏斜率在線調(diào)節(jié)，但伺服電機(jī)頻繁正、反轉(zhuǎn)，影響系統(tǒng)的控制精度，同時(shí)滾珠絲杠易產(chǎn)生局部磨損。機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、便于維護(hù)、可靠性好，其波形偏斜率不容易調(diào)節(jié)，但振幅停機(jī)可調(diào)，頻率在線可調(diào)，可以很好地滿足生產(chǎn)的需要。
3.1結(jié)晶器非正弦振動(dòng)技術(shù)
燕山大學(xué)高效連鑄技術(shù)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了幾種機(jī)械驅(qū)動(dòng)非正弦振動(dòng)裝置，其中有代表性的為橢圓齒輪驅(qū)動(dòng)結(jié)晶器非正弦振動(dòng)技術(shù)。該技術(shù)在原正弦振動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中增加一個(gè)橢圓齒輪箱，如圖1所示。橢圓齒輪箱由一對(duì)形狀完全相同的橢圓齒輪組成，其將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槠妮S的變角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，通過連桿推動(dòng)振動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器非正弦振動(dòng)。目前，該技術(shù)已成功應(yīng)用于新興鑄管、首鋼二煉鋼、濟(jì)鋼二煉鋼、臨鋼、河北文豐鋼鐵廠、大冶特鋼等鋼鐵公司，取得了較好的工藝效果，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
3.2結(jié)晶器非正弦振動(dòng)裝置
針對(duì)全板簧導(dǎo)向的板坯連鑄結(jié)晶器振動(dòng)，研究了雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)晶器非正弦振動(dòng)系統(tǒng)。目前應(yīng)用的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置為兩個(gè)伺服液壓缸，分別驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)兩側(cè)，通過液壓伺服控制實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器振動(dòng)。本裝置采用兩個(gè)伺服電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)兩個(gè)偏心軸，實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)。其工作原理如圖2所示。工作時(shí)，伺服電機(jī)通過減速器驅(qū)動(dòng)偏心軸旋轉(zhuǎn)，偏心軸通過連桿驅(qū)動(dòng)結(jié)晶器振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)。通過控制兩個(gè)伺服電機(jī)同步勻速或者變角速度運(yùn)動(dòng)，可使結(jié)晶器振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生正弦或非正弦振動(dòng)。采用緩沖彈簧平衡振動(dòng)臺(tái)及結(jié)晶器等構(gòu)件的重力和運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性力，減小電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率，節(jié)約能源。該裝置適用于直弧形、弧形連鑄機(jī)，波形偏斜率和頻率在線可調(diào)，振幅停機(jī)可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)正弦波和非正弦波自動(dòng)切換。通過控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化規(guī)律可實(shí)現(xiàn)任意的正弦和非正弦振動(dòng)波形。該裝置具有傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)鏈短、結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小、承載能力大、抗沖擊能力強(qiáng)、能夠在線調(diào)節(jié)波形和優(yōu)化振動(dòng)參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。
4結(jié)語
蠕變彎曲矯直和結(jié)晶器非正弦振動(dòng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高效連鑄的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于改善連鑄坯質(zhì)量，提高連鑄生產(chǎn)作業(yè)率有著積極的作用。燕山大學(xué)高效連鑄技術(shù)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年的研究攻關(guān)，對(duì)連鑄坯的彎曲矯直和結(jié)晶器振動(dòng)提出了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，推動(dòng)了高效連鑄技術(shù)的發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。（張興中）
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