吹氬連鑄結(jié)晶器液面波動(dòng)行為的時(shí)頻分析
劉淼，劉中秋，吳穎東，雷琪安，李寶寬
(東北大學(xué)冶金學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110819)
摘要：時(shí)頻分析是一種研究波動(dòng)信號(hào)特征、揭示波動(dòng)現(xiàn)象內(nèi)在機(jī)理的有效方法。將時(shí)頻分析方法應(yīng)用于吹氬連鑄結(jié)晶器內(nèi)的液面波動(dòng)特性研究，采用水模型試驗(yàn)獲取液面波動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分析，研究吹氬量、拉速、水口浸入深度和結(jié)晶器寬度等工藝參數(shù)對(duì)液面波動(dòng)行為的影響，探究液面波動(dòng)的內(nèi)在機(jī)理。結(jié)果表明，振幅較高的頻率集中在0~2.5 Hz，其中振幅最大的主頻率位于0.1 Hz附近，此外1.5 Hz和2.5 Hz處也存在較高的峰值；通過時(shí)域分析發(fā)現(xiàn)，增大吹氬量和拉速、或減小水口浸入深度和結(jié)晶器寬度將加劇液面波動(dòng)；通過頻域分析發(fā)現(xiàn)，拉速、水口浸入深度、結(jié)晶器寬度與液面波動(dòng)主頻率有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，說(shuō)明三者均與液面波動(dòng)的主要振動(dòng)源高度相關(guān)。
關(guān)鍵詞：連鑄結(jié)晶器； 時(shí)頻分析； 液面波動(dòng)； 主頻率； 水模型試驗(yàn)
1 引言
連鑄結(jié)晶器是控制鑄坯品質(zhì)的最后環(huán)節(jié)，鋼液在結(jié)晶器中冷卻凝固形成截面形狀一定的鑄坯。結(jié)晶器的液面波動(dòng)情況會(huì)影響初生坯殼的均勻生長(zhǎng)，初生坯殼上若存在局部厚度過小的區(qū)域，將在射流沖擊下形成表面裂紋，直接影響生產(chǎn)效率及質(zhì)量。因此，探究不同工藝參數(shù)對(duì)結(jié)晶器液面波動(dòng)的影響能夠在生產(chǎn)實(shí)踐中起到指導(dǎo)作用，具有一定實(shí)際意義。
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞連鑄結(jié)晶器液面波動(dòng)問題開展了大量研究工作，由于鋼液具有溫度高、能耗大、危險(xiǎn)性強(qiáng)、難以觀察和測(cè)量的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)室中通常采用數(shù)值模擬方法或水模型試驗(yàn)進(jìn)行連鑄過程的相關(guān)研究。其中，LI Y等提出采用一種新型磁場(chǎng)布置方式抑制結(jié)晶器中的液面波動(dòng)，并通過數(shù)值模擬詳細(xì)研究了該磁場(chǎng)對(duì)液面波動(dòng)的抑制作用。薛瑞、伍旋等采用數(shù)值模擬方法分析了工藝參數(shù)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)的影響，表明拉速變化對(duì)液面流速的影響最為顯著，并通過水模型試驗(yàn)驗(yàn)證了模擬結(jié)果。馬超、YU S和WU Y等分析了水口傾角、水口結(jié)構(gòu)、拉速、吹氬量等參數(shù)對(duì)結(jié)晶器內(nèi)流場(chǎng)和液面波動(dòng)的影響，揭示了結(jié)晶器中流場(chǎng)、氣泡運(yùn)動(dòng)及分布的主要影響因素和機(jī)理。胡群、田貴昌等研究了不同浸入式水口結(jié)構(gòu)對(duì)液面波動(dòng)及卷渣行為的影響，發(fā)現(xiàn)采用凹底、矩形、20°傾角水口時(shí)不易發(fā)生卷渣現(xiàn)象，并表明5孔水口在浸入深度為170 mm的大方坯結(jié)晶器中的使用效果優(yōu)于直通水口。吳穎東等通過水模型試驗(yàn)研究了拉速、吹氬量等工藝參數(shù)對(duì)結(jié)晶器液面波動(dòng)和卷渣頻率的影響，發(fā)現(xiàn)吹氬量為0.8 L/min時(shí)的卷渣頻率最低。王志國(guó)等采用水模型試驗(yàn)研究了不同角部形狀的板坯結(jié)晶器角部鋼液受工藝參數(shù)改變的影響，表明結(jié)晶器倒角的存在將增大角部鋼液流動(dòng)速度，改善鑄坯質(zhì)量。由于傳統(tǒng)水模型試驗(yàn)經(jīng)常受主觀因素與部分異常波動(dòng)的干擾，近年來(lái)，時(shí)頻法成為了研究氣液兩相流波動(dòng)特性的高效方法之一，其基本思想是通過設(shè)計(jì)時(shí)域和頻域的聯(lián)合函數(shù)來(lái)描述不同時(shí)間和頻率下波動(dòng)值的能量密度或強(qiáng)度，分析得出各個(gè)時(shí)刻的瞬時(shí)頻率及其幅值。該方法提供了時(shí)域和頻域的聯(lián)合分布信息，闡明了波高頻率隨時(shí)間變化的關(guān)系，有效降低了傳統(tǒng)波高法的主觀性，能夠更為直觀、深入地揭示波動(dòng)行為與不同工藝參數(shù)間的聯(lián)系。REN L等采集了結(jié)晶器表面流速、液面波動(dòng)和夾雜物數(shù)量密度等相關(guān)數(shù)據(jù)，通過對(duì)比研究揭示了液面波動(dòng)與表面缺陷之間的關(guān)聯(lián)。DU M等采集了氣液兩相流場(chǎng)中的波動(dòng)信號(hào)，通過AOF-TFR時(shí)頻法提取了不同流態(tài)下的總能和時(shí)頻熵，發(fā)現(xiàn)總能和時(shí)頻熵對(duì)流態(tài)敏感，可作為流場(chǎng)流態(tài)的判據(jù)。JIANG Z等采用電磁傳感器和iba-Analyzer分析了大量不同鋼種的包晶鋼板坯連鑄過程在不同拉速、板坯寬度、保護(hù)渣物性下的結(jié)晶器液面波動(dòng)數(shù)據(jù)，揭示了時(shí)頻信號(hào)主頻、等效振幅與鋼種碳含量、拉速、保護(hù)渣表面張力之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)結(jié)晶器液面的異常波動(dòng)為板坯鼓肚經(jīng)過足輥區(qū)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)頻率接近結(jié)晶器中鋼液的自然頻率時(shí)引起的共振。
以往研究表明對(duì)液面波動(dòng)進(jìn)行時(shí)頻分析能更好了解工藝參數(shù)的影響，但研究工作大部分針對(duì)單一工況進(jìn)行，且更關(guān)注工藝參數(shù)對(duì)液面波動(dòng)的定性分析，缺乏定量研究。本文建立了吹氬連鑄結(jié)晶器水模型試驗(yàn)系統(tǒng)，使用波高儀和高速攝像機(jī)采集不同工況下的液面波動(dòng)數(shù)據(jù)并進(jìn)行時(shí)頻分析，進(jìn)而揭示液面波動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理及不同工藝參數(shù)的影響規(guī)律。
2 精選圖表
3 結(jié)論
基于水模型試驗(yàn)，采用時(shí)頻分析方法從時(shí)域、頻域2個(gè)方面分析了吹氬量、拉速、水口浸入深度、結(jié)晶器寬度等參數(shù)對(duì)連鑄結(jié)晶器液面波動(dòng)特性的影響規(guī)律，得到結(jié)論如下：
(1) 液面波動(dòng)信號(hào)的時(shí)域、頻域波形圖能夠直觀地反映監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的波動(dòng)情況，相較傳統(tǒng)波高法降低了主觀因素的影響，方便研究者對(duì)特定現(xiàn)象(如異常波動(dòng))做出分析。
(2) 工藝參數(shù)的改變會(huì)影響結(jié)晶器內(nèi)上回流流動(dòng)狀態(tài)與氣泡上浮過程，進(jìn)而影響液面波動(dòng)。通過時(shí)域分析可以發(fā)現(xiàn)，增大吹氬量和拉速或減小水口浸入深度和結(jié)晶器寬度將加劇液面波動(dòng)，與頻域分析結(jié)果相吻合。
(3) 通過頻域分析可以發(fā)現(xiàn)，振幅較高的頻率集中在0~2.5 Hz，其中振幅最大的主頻率位于0.1 Hz附近，此外1.5 Hz和2.5 Hz處也存在較高的峰值。拉速、水口浸入深度、結(jié)晶器寬度與液面波動(dòng)主頻率具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，說(shuō)明三者均與液面波動(dòng)的主要振動(dòng)源高度相關(guān)。
