燕山大學國家冷軋工程中心
創(chuàng)新成果展（一）
“國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心”（以下簡稱“中心”）依托燕山大學，于2011年由科技部批準組建，2014年通過驗收，并以該中心為依托建設有“河北省現(xiàn)代軋制技術與先進鋼鐵材料協(xié)同創(chuàng)新中心”和科技部“面向先進高強鋼板帶產(chǎn)業(yè)的科技服務業(yè)試點”。中心主要圍繞“產(chǎn)品質(zhì)量精確控制”、“機械設備高效可靠”、“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、軋機裝備智能化、帶鋼深加工及先進鋼鐵材料制備等方向開展相關基礎性和工程化技術研究，重點推進“核心技術突破、成熟技術升級、新技術推廣示范”三個方面的工作，取得了一系列具有自主知識產(chǎn)權的科研創(chuàng)新成果，部分研究成果填補了國內(nèi)空白。中心建有軋制/測控中試生產(chǎn)線、材料物理模擬、定量結構表征（中-丹聯(lián)合實驗室、YSU-FEI聯(lián)合實驗室）和重型機械智造工程超算中心四大科研平臺，承擔了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金重點及企業(yè)重大項目等大批研究與開發(fā)任務，是一個集工程化技術研發(fā)、科技成果中試與轉(zhuǎn)化、標準化與檢測、人才培訓與信息交流為一體的技術創(chuàng)新與公共服務平臺。
“高效連鑄”關鍵技術的研發(fā)與應用
1概述
從20世紀90年代開始，燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心高效連鑄技術團隊，對控制連鑄坯裂紋的產(chǎn)生和減輕鑄坯表面振痕技術進行了深入研究，先后研發(fā)出了連鑄坯等應變速率固定輥連續(xù)矯直技術、結晶器橢圓齒輪非正弦振動技術以及伺服電機非正弦振動技術等多項核心技術，提出了連鑄坯蠕變彎曲矯直理論及機型設計方法。這些技術大大降低了連鑄坯在彎曲矯直過程中產(chǎn)生裂紋的風險，減輕了鑄坯表面振痕深度。結晶器非正弦振動技術及連續(xù)彎曲矯直技術已經(jīng)成功地應用在邯鋼、濟鋼、首鋼、鞍鋼等多家大型鋼鐵公司，提高了鑄坯的質(zhì)量和連鑄機的生產(chǎn)率，取得了顯著的經(jīng)濟效益，其技術指標達到了國際先進水平。
2連鑄坯彎曲矯直技術
2.1彎曲矯直技術發(fā)展
伴隨著當今高效連鑄的發(fā)展，矯直技術也從單點的固相矯直發(fā)展到多點、連續(xù)的帶液芯矯直。連鑄機單點矯直方法使連鑄坯在矯直點附近的應變和應變速率都很大，并且在矯直點處達到最大值，如果再考慮拉坯力和導向輥不對中所引起的變形，很有可能使總變形超過極限應變，而提高鑄坯產(chǎn)生裂紋缺陷的風險。多點矯直雖然將一點的矯直應變分布在多個矯直輥，相應地降低了每個輥的矯直應變，但是多點矯直方法的連鑄機機型曲線在每個矯直點的曲率半徑存在突變，鑄坯的變形并不連續(xù)，在每個矯直輥處存在應變突變，接觸點的應變速率仍然很高，這一定程度上會對鑄坯質(zhì)量產(chǎn)生影響。燕山大學國家冷軋板帶裝備及工藝工程技術研究中心高效連鑄技術團隊開發(fā)了等應變速率固定輥連續(xù)矯直技術，降低了鑄坯矯直應變速率，已應用于多家鋼鐵公司。
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，對于金屬而言，當溫度大于自身熔點的0.4倍時，蠕變特征非常明顯。在目前的連鑄機彎曲矯直設計過程中，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行鑄坯彎曲和矯直的連鑄機機型設計方法。
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)下即使矯直應力低于屈服應力也會產(chǎn)生永久變形，因此團隊提出設計連鑄機機型曲線時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，利用蠕變變形實現(xiàn)鑄坯矯直，降低矯直應力，控制內(nèi)部矯直裂紋的產(chǎn)生，提高鑄坯質(zhì)量。連鑄機機型曲線具備以下兩個方面的特點：
1）盡量縮短甚至取消基本圓弧段，顯著延長彎曲段和矯直段弧長，增加連鑄坯蠕變變形的時間；
2）彎曲段和矯直段曲線設計時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變速率，當彎曲矯直應變速率低于蠕變速率時，此時連鑄坯的彎曲矯直變形全部依靠蠕變變形，實現(xiàn)蠕變彎曲矯直。
2.3連鑄坯蠕變彎曲矯直機型曲線介紹
根據(jù)鋼的高溫蠕變試驗結果，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）曲率隨弧長滿足五次奇次多項式規(guī)律的曲線，作為連續(xù)彎曲連續(xù)矯直曲線。
設計例：針對目前的R9300直弧型板坯連鑄機，利用蠕變彎曲矯直理論對機型曲線進行重新設計。在新機型曲線中，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。通過試驗可以看出，新機型可以依靠鑄坯的蠕變變形實現(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)矯直技術應用
燕山大學國家冷軋工程中心開發(fā)的等應變速率固定輥連續(xù)矯直技術，采用固定輥代替康卡斯特的浮動輥，使矯直區(qū)與基本圓弧區(qū)光滑連接，矯直應變速率線性變化，降低了矯直力及矯直應變速率。此技術先后應用于邯鋼、濟鋼、首鋼等多家鋼鐵公司，取得明顯的工藝效果和顯著的經(jīng)濟效益。對于鞍鋼二煉鋼2號板坯連鑄機第三流的連續(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，后將第四流也進行了改造。
改造后，從原來曲率存在突變的多點矯直，實現(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變速率保持低值、恒定。硫印結果表明：板坯中間裂紋得到明顯控制。
3結晶器非正弦振動技術
結晶器非正弦振動相比正弦振動有以下特點：負滑動時間短，有利于減輕鑄坯表面的振痕；正滑動時間較長，可增加保護渣的消耗量，有利于結晶器的潤滑；結晶器向上的運動速度與鑄坯向下的運動速度差較小，可減小結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力，減小拉裂；負滑脫作用強，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，因此結晶器非正弦振動是實現(xiàn)高效連鑄的關鍵技術之一。
結晶器振動是由振動裝置來實現(xiàn)的，振動機構是振動裝置的核心。目前工業(yè)上應用的非正弦振動裝置按驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理主要分為三種，液壓驅(qū)動系統(tǒng)、伺服電動缸驅(qū)動系統(tǒng)和機械驅(qū)動裝置。液壓驅(qū)動系統(tǒng)可實現(xiàn)振幅、頻率、波形偏斜率在線調(diào)節(jié)，但系統(tǒng)復雜，建造及維護費用高。伺服電動缸驅(qū)動裝置可以實現(xiàn)振幅、頻率、波形偏斜率在線調(diào)節(jié)，但伺服電機頻繁正、反轉(zhuǎn)，影響系統(tǒng)的控制精度，同時滾珠絲杠易產(chǎn)生局部磨損。機械驅(qū)動裝置結構簡單、成本低、便于維護、可靠性好，其波形偏斜率不容易調(diào)節(jié)，但振幅停機可調(diào)，頻率在線可調(diào)，可以很好地滿足生產(chǎn)的需要。
3.1結晶器非正弦振動技術
燕山大學高效連鑄技術團隊開發(fā)了幾種機械驅(qū)動非正弦振動裝置，其中有代表性的為橢圓齒輪驅(qū)動結晶器非正弦振動技術。該技術在原正弦振動驅(qū)動系統(tǒng)中增加一個橢圓齒輪箱，如圖1所示。橢圓齒輪箱由一對形狀完全相同的橢圓齒輪組成，其將驅(qū)動電機的勻速轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)槠妮S的變角速度轉(zhuǎn)動，通過連桿推動振動臺實現(xiàn)結晶器非正弦振動。目前，該技術已成功應用于新興鑄管、首鋼二煉鋼、濟鋼二煉鋼、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)濟效益顯著。
3.2結晶器非正弦振動裝置
針對全板簧導向的板坯連鑄結晶器振動，研究了雙伺服電機驅(qū)動結晶器非正弦振動系統(tǒng)。目前應用的振動驅(qū)動裝置為兩個伺服液壓缸，分別驅(qū)動振動臺兩側(cè)，通過液壓伺服控制實現(xiàn)結晶器振動。本裝置采用兩個伺服電機同步驅(qū)動兩個偏心軸，實現(xiàn)結晶器振動臺振動。其工作原理如圖2所示。工作時，伺服電機通過減速器驅(qū)動偏心軸旋轉(zhuǎn)，偏心軸通過連桿驅(qū)動結晶器振動臺振動。通過控制兩個伺服電機同步勻速或者變角速度運動，可使結晶器振動臺產(chǎn)生正弦或非正弦振動。采用緩沖彈簧平衡振動臺及結晶器等構件的重力和運動時的慣性力，減小電機的驅(qū)動功率，節(jié)約能源。該裝置適用于直弧形、弧形連鑄機，波形偏斜率和頻率在線可調(diào)，振幅停機可調(diào)，可實現(xiàn)正弦波和非正弦波自動切換。通過控制伺服電機的轉(zhuǎn)速變化規(guī)律可實現(xiàn)任意的正弦和非正弦振動波形。該裝置具有傳動系統(tǒng)簡單、傳動鏈短、結構緊湊、占用空間小、承載能力大、抗沖擊能力強、能夠在線調(diào)節(jié)波形和優(yōu)化振動參數(shù)等優(yōu)點。
4結語
蠕變彎曲矯直和結晶器非正弦振動技術是實現(xiàn)高效連鑄的兩項關鍵技術，對于改善連鑄坯質(zhì)量，提高連鑄生產(chǎn)作業(yè)率有著積極的作用。燕山大學高效連鑄技術團隊經(jīng)過多年的研究攻關，對連鑄坯的彎曲矯直和結晶器振動提出了多項創(chuàng)新技術，推動了高效連鑄技術的發(fā)展，具有廣闊的應用前景。（張興中）
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