基于振动微观机理的高品质钢连铸结晶器非正弦振动波形构造

构造连铸机结晶器非正弦振动波形依据的最佳振动模式特点通常源自对结晶器宏观振动效果的分析，缺乏对结晶器内直接影响连铸顺行和铸坯质量的微观过程行为的考察。本项目基于浇铸操作实际，建立描述结晶器内微观过程行为的数学模型，系统研究弯月面区摩擦、润滑和初凝坯壳变形等微观过程行为机理及振动参数对微观过程行为的影响规律。此外，通过设计的试验检测机构模拟振动结晶器，考察结晶器振动与拉坯阻力、渣道压力、渣耗量和液面波动等间的关系，以验证和修正理论分析结果。基于上述理论分析和试验研究，结合结晶器宏观振动效果及数学推导方法构造新的具有自主知识产权的高品质钢连铸结晶器非正弦振动波形，并提出振动参数确定和优化方法。本项目旨在全面深入揭示振动过程中结晶器内弯月面区微观过程行为机理，并基于此构造高品质钢连铸结晶器非正弦振动波形及提出振动参数确定和优化方法，促进高品质钢连铸关键基础理论研究和先进技术应用。

本研究以构造新型连铸结晶器非正弦振动波形为主线，通过建立描述振动结晶器弯月面区过程行为的数学模型和自行研制的结晶器振动模拟试验装置，系统分析结晶器内摩擦、润滑和初凝坯壳变形等过程现象及振动对摩擦力、渣道压力、渣耗量和液面波动等浇铸行为影响规律，将理论研究与测试试验相结合，揭示弯月面区浇铸过程行为机理，并基于此构造新型连铸结晶器振动波形，以促进连铸关键基础理论研究和先进技术应用。研究成果概述为：（1）开发“连铸振动结晶器模拟试验检测系统”，模拟检测振动结晶器弯月面区摩擦力、渣道压力、渣耗量和液面波动等，验证和完善理论研究；（2）提出液体摩擦新机理，指出连铸坯表面裂纹生成于临近负滑脱段的正滑脱段，改变通常认为表面裂纹生成于正滑脱最大速度时刻的观点；（3）提出液态渣消耗新机理，指出振动结晶器内液态渣抽吸进入渣道主要发生于振动负滑脱段，有别于通常认为正滑脱段是保护渣消耗期的观点；（4）基于热弹塑性模型，阐明结晶器传热、应力和应变等行为规律，为振动研究奠定热—力学基础；（5）提出渣膜厚度计算新方法，利用热电偶检测温度，实现渣膜厚度实时计算；（6）提出结晶器热流密度确定新方法，由热电偶位置温度和热流来确定结晶器铜板纵向和横向热流分布；（7）提出渣道压力计算新方法，综合分析液态渣物化特性，考虑适宜黏温和黏压系数，使计算结果更符合浇铸实际；（8）提出液体摩擦力计算新方法，整体反映结晶器内液体摩擦力变化规律，突破现有方法难以准确获取液态渣速度梯度的瓶颈，使结果更加精确；（9）构造新型连铸结晶器振动波形，提出新的结晶器非正弦振动模式及其模拟检测控制方法，并采用机械驱动方式实现结晶器非正弦振动，振动波形形式简单，操作控制灵活，振动工艺参数易于获取，具有良好动力学性能。基于本研究，已发表（录用）SCI检索（源）学术论文4篇次，EI检索（源）学术论文9篇次，授权国家发明专利5项、实用新型专利1项，申请并公开国家发明专利2项，获省部级自然科学学术成果奖一等奖1项、三等奖1项，培养博士研究生2人、硕士研究生4人，依托项目研究指导硕士学位论文《基于振动模拟试验的连铸结晶器渣道润滑机理研究》被评为东北大学优秀硕士学位论文，为2013年度钢铁冶金专业唯一获奖论文。截止目前，已圆满完成项目申请承诺的各项预期研究目标，源于本项目研究获取的大量计算和测试数据亟待深入整理和完善，将陆续发表相应高水平研究成果。