吹氬連鑄結(jié)晶器液面波動行為的時頻分析
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 110819)
摘要：時頻分析是一種研究波動信號特征、揭示波動現(xiàn)象內(nèi)在機理的有效方法。將時頻分析方法應(yīng)用于吹氬連鑄結(jié)晶器內(nèi)的液面波動特性研究，采用水模型試驗獲取液面波動數(shù)據(jù)進行時頻分析，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)對液面波動行為的影響，探究液面波動的內(nèi)在機理。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；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主頻率有較強的關(guān)聯(lián)性，說明三者均與液面波動的主要振動源高度相關(guān)。
關(guān)鍵詞：連鑄結(jié)晶器； 時頻分析； 液面波動； 主頻率； 水模型試驗
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)晶器的液面波動情況會影響初生坯殼的均勻生長，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)對結(jié)晶器液面波動的影響能夠在生產(chǎn)實踐中起到指導(dǎo)作用，具有一定實際意義。
近年來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞連鑄結(jié)晶器液面波動問題開展了大量研究工作，由于鋼液具有溫度高、能耗大、危險性強、難以觀察和測量的特點，實驗室中通常采用數(shù)值模擬方法或水模型試驗進行連鑄過程的相關(guān)研究。其中，LI Y等提出采用一種新型磁場布置方式抑制結(jié)晶器中的液面波動，并通過數(shù)值模擬詳細(xì)研究了該磁場對液面波動的抑制作用。薛瑞、伍旋等采用數(shù)值模擬方法分析了工藝參數(shù)對結(jié)晶器內(nèi)流場的影響，表明拉速變化對液面流速的影響最為顯著，并通過水模型試驗驗證了模擬結(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)對結(jié)晶器內(nèi)流場和液面波動的影響，揭示了結(jié)晶器中流場、氣泡運動及分布的主要影響因素和機理。胡群、田貴昌等研究了不同浸入式水口結(jié)構(gòu)對液面波動及卷渣行為的影響，發(fā)現(xiàn)采用凹底、矩形、20°傾角水口時不易發(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研究了拉速、吹氬量等工藝參數(shù)對結(jié)晶器液面波動和卷渣頻率的影響，發(fā)現(xiàn)吹氬量為0.8 L/min時的卷渣頻率最低。王志國等采用水模型試驗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速度，改善鑄坯質(zhì)量。由于傳統(tǒng)水模型試驗經(jīng)常受主觀因素與部分異常波動的干擾，近年來，時頻法成為了研究氣液兩相流波動特性的高效方法之一，其基本思想是通過設(shè)計時域和頻域的聯(lián)合函數(shù)來描述不同時間和頻率下波動值的能量密度或強度，分析得出各個時刻的瞬時頻率及其幅值。該方法提供了時域和頻域的聯(lián)合分布信息，闡明了波高頻率隨時間變化的關(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、液面波動和夾雜物數(shù)量密度等相關(guān)數(shù)據(jù)，通過對比研究揭示了液面波動與表面缺陷之間的關(guān)聯(lián)。DU M等采集了氣液兩相流場中的波動信號，通過AOF-TFR時頻法提取了不同流態(tài)下的總能和時頻熵，發(fā)現(xiàn)總能和時頻熵對流態(tài)敏感，可作為流場流態(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、保護渣物性下的結(jié)晶器液面波動數(shù)據(jù)，揭示了時頻信號主頻、等效振幅與鋼種碳含量、拉速、保護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為板坯鼓肚經(jīng)過足輥區(qū)時產(chǎn)生的振動頻率接近結(jié)晶器中鋼液的自然頻率時引起的共振。
以往研究表明對液面波動進行時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單一工況進行，且更關(guān)注工藝參數(shù)對液面波動的定性分析，缺乏定量研究。本文建立了吹氬連鑄結(jié)晶器水模型試驗系統(tǒng)，使用波高儀和高速攝像機采集不同工況下的液面波動數(shù)據(jù)并進行時頻分析，進而揭示液面波動產(chǎn)生機理及不同工藝參數(shù)的影響規(guī)律。
2 精選圖表
3 結(jié)論
基于水模型試驗，采用時頻分析方法從時域、頻域2個方面分析了吹氬量、拉速、水口浸入深度、結(jié)晶器寬度等參數(shù)對連鑄結(jié)晶器液面波動特性的影響規(guī)律，得到結(jié)論如下：
(1) 液面波動信號的時域、頻域波形圖能夠直觀地反映監(jiān)測點處的波動情況，相較傳統(tǒng)波高法降低了主觀因素的影響，方便研究者對特定現(xiàn)象(如異常波動)做出分析。
(2) 工藝參數(shù)的改變會影響結(jié)晶器內(nèi)上回流流動狀態(tài)與氣泡上浮過程，進而影響液面波動。通過時域分析可以發(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，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主頻率具有較強的關(guān)聯(lián)性，說明三者均與液面波動的主要振動源高度相關(guān)。
