吹氩连铸结晶器液面波动行为的时频分析
刘淼，刘中秋，吴颖东，雷琪安，李宝宽
(东北大学冶金学院， 辽宁 沈阳 110819)
摘要：时频分析是一种研究波动信号特征、揭示波动现象内在机理的有效方法。将时频分析方法应用于吹氩连铸结晶器内的液面波动特性研究，采用水模型试验获取液面波动数据进行时频分析，研究吹氩量、拉速、水口浸入深度和结晶器宽度等工艺参数对液面波动行为的影响，探究液面波动的内在机理。结果表明，振幅较高的频率集中在0~2.5 Hz，其中振幅最大的主频率位于0.1 Hz附近，此外1.5 Hz和2.5 Hz处也存在较高的峰值；通过时域分析发现，增大吹氩量和拉速、或减小水口浸入深度和结晶器宽度将加剧液面波动；通过频域分析发现，拉速、水口浸入深度、结晶器宽度与液面波动主频率有较强的关联性，说明三者均与液面波动的主要振动源高度相关。
关键词：连铸结晶器； 时频分析； 液面波动； 主频率； 水模型试验
1 引言
连铸结晶器是控制铸坯品质的最后环节，钢液在结晶器中冷却凝固形成截面形状一定的铸坯。结晶器的液面波动情况会影响初生坯壳的均匀生长，初生坯壳上若存在局部厚度过小的区域，将在射流冲击下形成表面裂纹，直接影响生产效率及质量。因此，探究不同工艺参数对结晶器液面波动的影响能够在生产实践中起到指导作用，具有一定实际意义。
近年来，国内外学者围绕连铸结晶器液面波动问题开展了大量研究工作，由于钢液具有温度高、能耗大、危险性强、难以观察和测量的特点，实验室中通常采用数值模拟方法或水模型试验进行连铸过程的相关研究。其中，LI Y等提出采用一种新型磁场布置方式抑制结晶器中的液面波动，并通过数值模拟详细研究了该磁场对液面波动的抑制作用。薛瑞、伍旋等采用数值模拟方法分析了工艺参数对结晶器内流场的影响，表明拉速变化对液面流速的影响最为显著，并通过水模型试验验证了模拟结果。马超、YU S和WU Y等分析了水口倾角、水口结构、拉速、吹氩量等参数对结晶器内流场和液面波动的影响，揭示了结晶器中流场、气泡运动及分布的主要影响因素和机理。胡群、田贵昌等研究了不同浸入式水口结构对液面波动及卷渣行为的影响，发现采用凹底、矩形、20°倾角水口时不易发生卷渣现象，并表明5孔水口在浸入深度为170 mm的大方坯结晶器中的使用效果优于直通水口。吴颖东等通过水模型试验研究了拉速、吹氩量等工艺参数对结晶器液面波动和卷渣频率的影响，发现吹氩量为0.8 L/min时的卷渣频率最低。王志国等采用水模型试验研究了不同角部形状的板坯结晶器角部钢液受工艺参数改变的影响，表明结晶器倒角的存在将增大角部钢液流动速度，改善铸坯质量。由于传统水模型试验经常受主观因素与部分异常波动的干扰，近年来，时频法成为了研究气液两相流波动特性的高效方法之一，其基本思想是通过设计时域和频域的联合函数来描述不同时间和频率下波动值的能量密度或强度，分析得出各个时刻的瞬时频率及其幅值。该方法提供了时域和频域的联合分布信息，阐明了波高频率随时间变化的关系，有效降低了传统波高法的主观性，能够更为直观、深入地揭示波动行为与不同工艺参数间的联系。REN L等采集了结晶器表面流速、液面波动和夹杂物数量密度等相关数据，通过对比研究揭示了液面波动与表面缺陷之间的关联。DU M等采集了气液两相流场中的波动信号，通过AOF-TFR时频法提取了不同流态下的总能和时频熵，发现总能和时频熵对流态敏感，可作为流场流态的判据。JIANG Z等采用电磁传感器和iba-Analyzer分析了大量不同钢种的包晶钢板坯连铸过程在不同拉速、板坯宽度、保护渣物性下的结晶器液面波动数据，揭示了时频信号主频、等效振幅与钢种碳含量、拉速、保护渣表面张力之间的关系，发现结晶器液面的异常波动为板坯鼓肚经过足辊区时产生的振动频率接近结晶器中钢液的自然频率时引起的共振。
以往研究表明对液面波动进行时频分析能更好了解工艺参数的影响，但研究工作大部分针对单一工况进行，且更关注工艺参数对液面波动的定性分析，缺乏定量研究。本文建立了吹氩连铸结晶器水模型试验系统，使用波高仪和高速摄像机采集不同工况下的液面波动数据并进行时频分析，进而揭示液面波动产生机理及不同工艺参数的影响规律。
2 精选图表
3 结论
基于水模型试验，采用时频分析方法从时域、频域2个方面分析了吹氩量、拉速、水口浸入深度、结晶器宽度等参数对连铸结晶器液面波动特性的影响规律，得到结论如下：
(1) 液面波动信号的时域、频域波形图能够直观地反映监测点处的波动情况，相较传统波高法降低了主观因素的影响，方便研究者对特定现象(如异常波动)做出分析。
(2) 工艺参数的改变会影响结晶器内上回流流动状态与气泡上浮过程，进而影响液面波动。通过时域分析可以发现，增大吹氩量和拉速或减小水口浸入深度和结晶器宽度将加剧液面波动，与频域分析结果相吻合。
(3) 通过频域分析可以发现，振幅较高的频率集中在0~2.5 Hz，其中振幅最大的主频率位于0.1 Hz附近，此外1.5 Hz和2.5 Hz处也存在较高的峰值。拉速、水口浸入深度、结晶器宽度与液面波动主频率具有较强的关联性，说明三者均与液面波动的主要振动源高度相关。
