结晶原理

关键词：

结晶原理（精选三篇）

结晶原理 篇1

结晶器是连铸机核心部件,其安装精度直接影响铸坯质量。结晶器宽面足辊与弯曲段的扇形上部第一根支承辊(以下简称第一支承辊)的对弧精度是影响铸坯表面质量的一个重要因素,而且对弧偏差超限,还会导致漏钢这类严重的生产安全事故发生[1,2,3]。目前炼钢厂连铸机的关键技术及其装备多由国外钢铁公司引进,对对弧精度给出了明确的要求,并提供了专用的手动对弧检测杆。如图1所示,该手动对弧检测杆,完全靠手动及目测,通过目测酒精水平仪的水泡位置判断是否对中,无法显示足辊和第一支承辊之间位置偏差的数值,难以准确定位结晶器,调整时间长工作量大。

针对以上不足,本文研究设计了一种全自动控制的对弧检测装置,该装置能直接高效、高精度地给出结晶器宽面足辊与第一支承辊的对弧精度,并能指导对弧调整,显著节省了安装调整时间,可改善铸坯的表面质量,减少漏钢事故的发生。本文从测量原理着手,根据足辊与第一支承辊的空间位置关系确定了测量方案,之后对测控和机械两部分进行设计,最后介绍了装置的使用方法。

2 测量原理及方案

如图1所示,结晶器的对弧问题可作为空间两圆柱的对齐问题来解决。以第一支承辊为基准,结晶器对弧要求为通过调整足辊的空间位置保证其圆周面切线与第一支承辊的圆周面切线的水平距离小于0.3mm,而传统的对弧检测杆无法给出这个值。本文提出使用非接触传感器[4]从上至下依次测量出其到足辊的距离和到第一支承辊的距离,根据这两个数据来指导结晶器的对弧。

2.1 单传感器方案

采用单个传感器从上至下分别测量传感器到足辊及第一支承辊圆周母线的距离。如果足辊和第一支承辊轴线平行,在传感器发射线与轴线接近垂直的前提下,采用单传感器方案基本可行[5,6]。

如果足辊和第一支承辊轴线不平行,如图2所示,传感器发出的射线与第一支承辊的径向夹角为α,测得距离足辊母线的距离为L1,测得距离第一支承辊圆周母线的距离为L1',已知条件为L1和L1',无法求出径向夹角α,更无法求出足辊与第一支承辊之间的夹角θ。单个传感器测量时,尽管可以在两个不同的位置去测量,但是很难保证两次安装时传感器的平行度等问题,这样会增加测量的误差。所以用一个传感器测量的方法是行不通的。

2.2 双传感器方案

如图3(a)所示,采用双传感器从上至下分别测量其到足辊及第一支承辊圆周母线的距离,可求出夹角α和β,根据θ值进行调整,使足辊与第一支承辊二者轴线平行。但是调整平行后,传感器会随着结晶器一起运动,如图3(b)所示,夹角会随之变化,设变化后为γ,因此,必须在调整平行后重新进行测量。根据前后两次测量的数据,实现结晶器对弧要求。

2.2.1 第一次测量

图3(a)中由几何原理得:

式(1)中:α为第一次测量中传感器发射线与第一支承辊圆周母线垂直线的夹角;β为传感器1发射线与射线源到足辊圆周母线的垂线的夹角,θ为足辊与第一支承辊的夹角。

式(2)、(3)中:l1、l1'为传感器1发射源分别到足辊和第一支承辊圆周母线的最小距离;l2、l2'为传感器2发射源到足辊和第一支承辊圆周母线的最小距离;d为两传感器间距。

则由式(1)、(2)、(3)式可得:

2.2.2 第二次测量

在图3(b)中,由几何关系得:

式(5)中:γ为第二次测量中传感器发射线与第一支承辊圆周母线的夹角;l3为传感器1发射源到足辊圆周母线的最小距离;l4为传感器2发射源到足辊圆周母线的最小距离。

式(6)、(7)中:l3'、l3分别为传感器1到足辊圆周母线和第一支承辊圆周母线的垂直距离;Δ1为传感器1发射线到足辊圆周母线的最小距离;Δ2为传感器1发射线到第一支承辊圆周母线的最小距离。

由(6)、(7)可得足辊圆周母线与第一支承辊圆周母线之间的最小距离:

2.3 对弧要求的实现

根据第一次、第二次测量得到数值,按式(4)和(8)进行计算,得出的结果按以下方法调整,可以实现任意情况下的对弧要求。

如图4为调整足辊与第一支承辊平行示意图。选定结晶器上偏心轴A为调整基点,L为偏心轴A和偏心轴B的间距,S为偏心轴B的调整长度,S可以通过L·sinθ求出,调整偏心轴B,使足辊与第一支撑辊平行。

图5为调整足辊与第一支承辊对齐示意图。根据Δ的值同时调整偏心轴A、B即可实现对齐要求。

3对弧检测装置的开发设计

根据确定的双传感器的测量方案,对弧检测装置可分为测控部分和机械部分。测控部分包括:传感器和传动部分以及PLC、数显表、驱动器、步进电机;机械部分主要包括:支撑调整装置(三脚架及云台等)和测量杆。图6为该装置的总体示意图。

3.1 测控部分的设计

本装置采用非接触测量的激光传感器,其具有测量速度快、精度高、抗干扰能力强、测量点小,适用于测量对象是足辊和第一支承辊这样的圆柱体的特点。

如图6所示,传感器获得模拟信号后,通过连接电缆传送到计算机采集系统中并转换成数字信号,再根据式(4)和式(8)编写程序,程序中还包括了自动获取从上至下测量过程中传感器发射源到足辊和第一支承辊的圆周母线的最小距离的子程序;由程序可计算出足辊与第一支承辊之间的夹角及距离,指导结晶器的调整。

本装置选择如图7所示的滚珠丝杆模组作为传动机构。滚珠螺杆伸出端与步进电机相连,通过步进电机带动滚珠螺杆转动,使安装在滚珠螺杆上的滑块上下运动。滚珠丝杠的底面上有深孔,与直角固定块安装在一起。

驱动器、控制机及步进电机连接方式如图8所示。通过步进电机使装置内的丝杠转动,带动滑块上下运动;通过PLC控制步进电机的开关、暂停、归位,间接控制测量杆的运动状态;电机的转动轴与丝杠连接,电源由驱动器提供,内部的开关电源设计可以适应较宽的电压范围。驱动器除了为步进电机提供直流电源,还通过四个端口与电机相连,发出信号,控制电机的运转状态。PLC作为控制机,控制整个驱动机构,向驱动器中输入信号,间接控制步进电机的运转状态。

3.2 机械部分的设计

如图6,三脚架及云台作为整个对弧检测装置的安装平台,起到支撑调整作用。直角固定块成L型,短端与云台表面贴合,长端通过螺栓连接滚珠丝杆模组,短端与长端有垂直度精度要求。

在直角固定块的短端相互垂直的两边各安装了一个酒精水平仪,通过调整三脚架及云台使两水平仪中水泡均处于中间,实现其长端面同大地平面(根据现场实际情况,即为第一支承辊所在基准水平面,见图1)垂直。

测量杆上端通过螺栓连接滚珠丝杠的滑块,下端平行固定安装两个相同型号的激光传感器,通过滑块的上下运动带动测量杆,实现传感器测量的目的。测量杆的总长根据有效的测量范围及结晶器的尺寸(如图1所示)来确定,同时基于重量轻、刚度高的要求,采用铝合金板材来制造测量杆。

4 对弧检测装置的使用方法

安装和调整好后,便可直接进行测量。对弧检测装置的使用方法如下。

(1)给传感器供电,启动伺服电机,使测量杆向下运动,进行第一次测量,根据测量数据,由计算机求出足辊与第一支承辊的夹角θ和结晶器单边调整长度S。

(2)根据θ及S调整足辊轴线与第一支承辊轴线平行。如果θ>0,则固定结晶器一端,旋动另一端的调整螺母,使其顺时针前进长度为S;如果θ<0,则使其逆时针前进长度为S。

(3)再次启动伺服电机,进行第二次测量,根据测量数据,由计算机求出足辊母线与第一支承辊母线的距离Δ。

(4)根据Δ的正负及数值来调整结晶器平行调整的方向和调整量,实现对弧要求。

通过现场测试,该装置测量精度满足对弧工艺要求。

5 结论

本文开发了集控制、传动、采集于一体的全自动对弧检测装置,解决了传统对弧检测方法的不足之处。在对测量原理深入研究的基础上,采用平行安装的双传感器实现非接触测量;通过数学模型的建立及计算机信号分析处理,使得检测结果更加精确;采用了伺服电机和滚珠丝杆模组,保证了装置传动过程的高精度自动控制。通过现场试验,该装置满足对弧工作要求。

参考文献

[1]李应强.冶金生产工艺及设备[M].北京:冶金工业出版社,1998.

[2]蔡开科.连铸结晶器[M].北京:冶金工业出版社,2008.

[3]张金柱.薄板坯连铸装备及生产技术[M].北京:冶金工业出版社,2007.

[4]Du-Ming Tsai,Tse-Yun Huang.Tutomated surfaceinspection for statistical textures[J].Image and VisionComputing,2003,V20(4).

[5]蒋夏林译.光电测距仪[M].北京:中国工业出版社,1963.

结晶原理 篇2

【关键词】组合坯结晶器；窄面连接水管；弧形窄面铜板

1.概述

连续铸钢技术（简称连铸）是目前钢铁工业中普遍采用的主体技术，它具有收得率高、节约能源、产品质量好、便于实现机械化、自动化等优点。衡量一个国家连铸生产技术发展水平的重要指标是连铸比，即连铸坯产量占粗钢总产量的比例。我国2003年连铸比已达到93%，这一指标已列国际先进水平。

连铸机的核心部件是结晶器，钢水通过连铸机结晶器迅速凝固成钢坯。连铸生产效率的高低、产品质量的好坏、结晶器使用寿命高低等都与结晶器设计和制造密切相关。结晶器从设计、制造到安装、调试、检修等过程涉及到流体力学、固体物理学、钢铁冶炼、机械设计及制造、电磁学、金属学、计算机科学等多门学科，它的制造过程需要一些高性能的设备，如精密数控机床等，因此，结晶器是一种高新技术产品。

随着连铸技术的发展，连铸中起关键作用的结晶器也演变成几种模式：1、管式结晶器；2、组合坯结晶器；3、板坯结晶器。我公司这几种都有设计和加工。这里就对组合坯结晶器的设计原理及加工作以简单介绍与分析。

2.组合坯结晶器的设计原理

组合坯结晶器有直弧型和弧型两种，设计考虑：第一、结晶器的外弧基准线与整个连铸机外弧基准线保持一致，然后根据振动台的位置以及钢厂的位置空间定外形尺寸。第二、根据拉速、拉钢种以及拉坯尺寸定结晶器的内部结构，包括锥度。组合坯结晶器一般由以下几部分组成：外弧铜板、内弧铜板、左侧铜板、右侧铜板、外弧水箱、内弧水箱、窄面水箱、座板、喷淋等几大部分组成。其中座板是整个组合坯结晶器的支撑并为结晶器的冷却提供水资源，其余都安装在座板上，然后固定在振动台上。下面介绍几种关键件的设计与制造。

3.窄面连接水管（窄面水箱与座板连接用的水管）设计改进

窄面水箱与座板连接用的水管，就是组合坯结晶器设计过程中的一个关键点，由于组合坯的特殊性，组合坯优于管式结晶器的其中一点就是能够调整结晶器浇铸范围，由于浇铸腔体是由四块铜板（外弧铜板、内弧铜板、左侧铜板、右侧铜板）组成的，通过移动左右侧铜板相对与内外弧铜板的位置改变浇铸腔体的大小，满足用户拉坯的不同要求。由于左右窄面铜板需要移动，进而窄面水箱也需随着移动（窄面铜板把合在窄面水箱上），与窄面水箱连接的进、出水水管相对与座板的位置就是变化的（座板提供窄面铜板的冷却水）。因此设计窄面连接水管就是我们设计人员的关键所在。下面就对窄面冷却水管的设计过程作以分析。

组合坯结晶器窄面冷却水管最初设计的思路是：根据用户的拉坯尺寸的不同要求，分别设计不同连接水管，根据拉坯尺寸更换连接水管。由于结构的特殊性，在装配过程中连接水管的相对位置需要有一个微调的量，从而经过查资料、查样本确定用波纹管（如图一）连接，經过在钢厂试用，达到使用效果。但是由于根据拉坯大小每次更换波纹管也给用户带来一定的不便之处，而且波纹管壁厚薄，特别容易扭伤、烧伤从而漏水，使用寿命短。所以思考着更换结构，重新设计改造为现有这种结构（如图二），伸缩套管式，里面的套管连接窄面水箱，外面的套管连接座板，两套管通过密封圈密封，两水管可以相对移动，从而可以调整拉坯面大小，使用寿命长，以后设计都按此方案执行。既节省费用也方便使用。

4.弧形窄面铜板的设计与加工工艺改进

弧形铜板也是设计的一个关键点，外弧铜板弧与连铸机外弧基准线重合，内弧铜板根据拉坯厚度以及计算锥度设计，然后左右侧窄面铜板确定。内外弧铜板由于只有一个弧面，在数控机床相对好加工，而左右侧窄面铜板由于两侧全是弧面，给加工带来一定的难度。为了提高过钢量铜板表面都需镀层，加工好后的铜板经过镀后，两弧面都为镀层面，无法测量出镀层实际厚度及工件是否找正，所以有时加工过程中侧面镀层去量不均匀，使窄面铜板单边露铜，导致锥度不和，造成反复镀，增加工作强度、各种费用以及推迟交货工期。在经过几次的失败后，总结经验，改进工艺，编制新的工艺要求：（1）在装夹时，垫出窄面铜板图纸所要求的锥度。（2）表面用百分表大致找一下，记下数值，将铜板端面拉直，先找出粗加工基准。第三、在铜板两侧约450处返Y值中心，要求两侧面吃刀要均匀。先用φ32插铣刀（S400 F100.）将两端面镀层去掉，然后再在表面四个角点各见光一刀，要求两头尺寸一致，看是否留量与图纸相符，如不相符，适当调整锥度及胎具，调好后用φ200刀盘（S100 F80.）将表面加工到工艺要求尺寸后，开始加工两侧面。用φ50镶齿硬质合金刀在两侧面各光一刀，基本上应该为凸弧中间先加工到，凹弧两头先加工到。加工到两侧面各留黑皮后再抬起Z值，先加工侧面一半，两侧均匀去量，加工到要求尺寸后，再加工侧面下半部，直到上下面接平为止。这样还可以及时发现侧面镀层是否镀的均匀。经过以上工艺顺序加工后，铜板合格率提高。

5.结束语

结晶原理 篇3

1 实验

根据所要制备的冻胶体系称取超高分子量聚丙烯(分子量5×105g/mol,等规度98%,韩国工业研究院提供)、超高分子量聚乙烯(分子量5×106g/mol,由德国Ticona公司提供)、抗氧化剂、助抗氧化剂以及石蜡油(市售),混合均匀,溶胀5～6h,充分溶解后制得均匀的UHMWPP/UHMWPE冻胶体系。然后通过冻胶纺丝、萃取、干燥、超倍热拉伸、热定型制得样品纤维。

用Modulated DSC 2910型差示扫描量热仪研究此合金纤维的非等温结晶动力学过程。先将不同配比的纤维样品快速升温至230℃,在230℃保温3min消除热历史,然后以10,20,30,40℃/min的降温速率降至20℃,氮气流量为80mL/min。

2 结果与讨论

2.1 合金纤维结晶活化能研究

Ozawa[4]发展了Avrami方程用于处理非等温结晶过程,推导出等式

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莫志深等[5,6]将Avrami方程和Ozawa方程结合起来,以处理非等温结晶过程。得到

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在某一相同的结晶度下以lgθ对lgt作图,得到截距为lgF(T),斜率为-α的直线(见图1)。一些学者[7,8]认为,非等温结晶过程的结晶活化能(ΔE/kJ·mol-1)可按下式表述

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其中:θ是降温速率;Tp是等速降温过程的峰值温度;ΔE是结晶活化能;R是气体常数。

(a)UHMWPP/0%UHMWPE;(b)UHMWPP/1%UHMWPE;(c)UHMWPP/3%UHMWPE;(d)UHMWPP/6%UHMWPE (a)UHMWPP/0%UHMWPE;(b)UHMWPP/1%UHMWPE;(c)UHMWPP/3%UHMWPE;(d)UHMWPP/6%UHMWPE

图2 即为不同UHMWPE含量的合金纤维的ln(θ/Tundefined)-1/Tp关系曲线。所求出的活化能ΔE,F(T)和a的值如表1所示。对表1的分析可知,不同相对结晶度下a的平均值始终维持在一组比较接近的值,表明莫志深法具有很好的适用性。无论合金纤维中两种聚合物的比例如何,每组中a的平均值都比较接近。表明使用Ozawa方法具有很好的合理性。由于F(T)=[K(T)/Zt]1/m表示单位结晶时间里达到一定结晶度所需要的降温速率,反映了聚合物在一定时间内达到某一结晶度的难易程度,通过表1可以看出,随着相对结晶度的提高,F(T)增大,表明聚合物结晶随着相对结晶度的提高结晶难度也越来越大。由表1中的活化能数据,合金纤维结晶时的活化能随着UHMWPE含量的增加而降低,说明UHMWPP/UHMWPE的结晶变得更加容易,再次证明UHMWPE确实起到了成核剂作用。

2.2 合金纤维的结晶行为对熔融行为的影响

图3是升温速率分别为10℃/min, 30℃/min时纤维的升温熔融DSC曲线。可以看出,加入UHMWPE后,合金纤维的熔融温度都出现了不同程度的降低。可以从晶片厚度与熔点的关系解释为何UHMWPE的加入会降低复合体系的熔点,通常聚合物的熔点随着晶片厚度的增加而增加,较大的晶片厚度表现出较高的熔融温度、分子链规整度和结晶度。

(a) θ=10℃/min; (b) θ=30℃/min (a) θ=10℃/min; (b) θ=30℃/min

Smook认为[9],晶片厚度对晶体熔融行为的影响与结晶的表面能有关,晶片厚度越小,单位体积内的晶体比完善的单晶具有更高的表面能,因此晶片厚度较小的和较不完善的晶体比较大的和较完善的晶体的熔点低些。当向UHMWPP基体中添加一定量的UHMWPE后,在基体中就存在一定数量的晶核,从而提高了UHMWPP大分子的结晶能力,但当UHMWPE添加量进一步增加,虽然结晶时晶体的数目增加,但导致晶粒尺寸变小,所以晶片的厚度也随之变小,熔点降低。

3 结论

(1)纯UHMWPP和UHMWPP/UHMWPE合金纤维的F(T)值都随相对结晶度的提高而增大,表明聚合物随着相对结晶度的提高结晶越来越困难。

(2)UHMWPP/UHMWPE合金纤维结晶时的活化能ΔE值随着UHMWPE含量的增加而降低,表明UHMWPE起到了成核剂的作用,使UHMWPP/UHMWPE合金纤维结晶更加容易,熔融温度降低。

参考文献

[1]IVAN′KOVA E,KRUMOVA M,MYASNIKOVA L,et al.Time-resolved X-ray scattering studies of creep in oriented UH-MWPE film[J].Polymer,2006,47(15):5623-5629.

[2]KRISTIANSEN M,TERVOORT T,SMITH P.Synergistic ge-lation of solutions of isotactic polypropylene and bis-(3,4-dime-thyl benzylidene)sorbitol and its use in gel-processing[J].Poly-mer,2003,44(19):5885-5891.

[3]KRISTIANSEN M,TERVOORT T,SMITH P,et al.Mechani-cal properties of sorbitol-clarified isotactic polypropylene:Influ-ence of additive concentration on polymer structure and yield be-haviour[J].Macromolecules,2005,38:10461-10465.

[4]OZAWA T.Kinetics of non-isothermal crystallization[J].Poly-mer,1971,12(3):150-158.

[5]刘结平,莫志深,綦玉臣,等.聚氧化乙烯(PEO)/聚双酚A羟基醚(PBHE)共混体系的非等温结晶动力学[J].高分子学报,1993,1:1-6.

[6]LIU T,MO Z,WANG S,et al.Nonisothermal melt and coldcrystallization kinetics of poly(aryl ether ether ketone ketone)[J].Polymer Engneering and Science,1997,37(3):568-575.

[7]KISSINGER H.Variation of peak temperature with heating ratein differential thermal analysis[J].Journal of Research of theNational Bureau of Standards,1956,57(4):217-221.

[8]杨柳.β型成核剂对PP结晶行为的影响[J].合成树脂及塑料,2007,24(2):5-9.