Dao động: Kiểm soát chuyển động quan trọng trong đúc và cán liên tục

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Dao động trong ngành công nghiệp thép đề cập đến chuyển động qua lại có kiểm soát được áp dụng cho khuôn hoặc thiết bị trong quá trình đúc hoặc cán liên tục. Chuyển động cơ học này liên quan đến mô hình dịch chuyển qua lại tuần hoàn với biên độ, tần số và đặc điểm dạng sóng cụ thể. Dao động rất quan trọng để ngăn ngừa sự dính giữa bề mặt thép đông đặc và khuôn, giảm ma sát và kiểm soát chất lượng bề mặt của sản phẩm cuối cùng.

Trong quá trình chế biến luyện kim, dao động đại diện cho một tham số điều khiển quy trình cơ bản kết nối các nguyên tắc kỹ thuật cơ khí với khoa học vật liệu. Kỹ thuật này đã phát triển từ một giải pháp cơ học đơn giản thành một biến số tinh vi, được kiểm soát chính xác, có tác động đáng kể đến sự phát triển cấu trúc vi mô, chất lượng bề mặt và năng suất trong các hoạt động sản xuất thép hiện đại.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Tại giao diện giữa thép đông đặc và bề mặt khuôn, dao động tạo ra một điều kiện biên động làm thay đổi định kỳ cơ học tiếp xúc. Trong thời gian dải âm (khi vận tốc khuôn vượt quá tốc độ đúc), khuôn tách ra khỏi vỏ đông đặc, cho phép bột khuôn thấm vào khe hở. Sự thấm này tạo ra một lớp màng bôi trơn làm giảm ma sát và ngăn thép đông đặc dính vào thành khuôn.

Chu kỳ dao động tạo ra các trường ứng suất cục bộ lan truyền qua lớp vỏ đông đặc. Các ứng suất tuần hoàn này ảnh hưởng đến các mô hình phát triển của dendrite trong quá trình đông đặc, ảnh hưởng đến quá trình hình thành hạt và động học phát triển. Các sửa đổi vi cấu trúc kết quả có thể được quan sát thấy dưới dạng các vết dao động trên bề mặt sản phẩm đúc, biểu thị biểu hiện vật lý của chu kỳ dao động.

Mô hình lý thuyết

Mô hình lý thuyết cơ bản mô tả dao động trong quá trình đúc liên tục là hàm dịch chuyển hình sin, lần đầu tiên được Takeuchi và Brimacombe chính thức hóa vào những năm 1980. Mô hình này mô tả chuyển động của khuôn như sau:

$s(t) = \frac{s_0}{2}(1-\cos(2\pi ft))$

Trong khi các phương pháp tiếp cận trước đây coi dao động là một nhu cầu cơ học đơn giản, các mô hình hiện đại kết hợp động lực học chất lưu, động học đông đặc và tương tác ma sát tại giao diện thép-khuôn.

Các phương pháp tiếp cận lý thuyết hiện đại bao gồm các mô hình dao động phi sin tối ưu hóa thời gian dải âm trong khi giảm thiểu lực tác động. Các mô hình tính toán hiện tích hợp các tham số dao động với truyền nhiệt, dòng chảy chất lỏng và hiện tượng đông đặc trong các mô phỏng quy trình toàn diện.

Cơ sở khoa học vật liệu

Dao động ảnh hưởng trực tiếp đến hình thái mặt trận đông đặc ở quy mô vi mô. Sự thay đổi định kỳ về áp suất và điều kiện bôi trơn ảnh hưởng đến khoảng cách và hướng của cánh tay dendrite, đặc biệt là trong vùng hình thành vỏ ban đầu. Mối quan hệ này trở nên rõ ràng trong cấu trúc hạt và sự phân bố của pha sơ cấp và thứ cấp.

Tại ranh giới hạt, trường ứng suất do dao động gây ra có thể thúc đẩy hoặc ức chế sự phân tách các nguyên tố hợp kim. Tác động cơ học tuần hoàn này sửa đổi tốc độ làm mát cục bộ và các mô hình phân phối lại chất tan trong quá trình đông đặc. Các hiệu ứng vi cấu trúc này lan truyền qua các bước xử lý tiếp theo, ảnh hưởng đến các đặc tính cơ học cuối cùng.

Nguyên lý khoa học vật liệu cơ bản làm nền tảng cho dao động là sự kết hợp giữa lực cơ học và động học chuyển pha trong quá trình đông đặc. Sự kết hợp này xác định mức độ hiệu quả của các thông số dao động có thể được điều chỉnh để kiểm soát quá trình hình thành khuyết tật, chất lượng bề mặt và cấu trúc bên trong của các sản phẩm thép đúc.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Phương trình cơ bản mô tả chuyển động dao động hình sin là:

$s(t) = \frac{s_0}{2}(1-\cos(2\pi ft))$

Ở đâu:
- $s(t)$ là độ dịch chuyển tại thời điểm $t$ [mm]
- $s_0$ là hành trình (biên độ đỉnh-đỉnh) [mm]
- $f$ là tần số [Hz]
- $t$ là thời gian [s]

Công thức tính toán liên quan

Thời gian dải âm (NST), một tham số quan trọng trong điều khiển dao động, được tính như sau:

$NST = \frac{1}{2\pi f}\cos^{-1}(1-\frac{2v_c}{s_0 \pi f})$

Ở đâu:
- $NST$ là thời gian dải âm [s]
- $v_c$ là tốc độ đúc [mm/giây]

Khoảng cách dải âm (NSD) được xác định bởi:

$NSD = \frac{s_0}{2}(1-\cos(2\pi f \cdot NST)) - v_c \cdot NST$

Độ sâu của dấu dao động có thể được ước tính bằng cách sử dụng:

$d = C \cdot \frac{NSD^2}{t_s}$

Ở đâu:
- $d$ là độ sâu của dấu dao động [mm]
- $C$ là hằng số thực nghiệm
- $t_s$ là độ dày vỏ tại mặt khum [mm]

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này áp dụng cụ thể cho các mẫu dao động hình sin và giả định hành vi khuôn cứng mà không có biến dạng đàn hồi. Các mô hình trở nên kém chính xác hơn ở tần số rất cao (>500 Hz) khi các hiệu ứng quán tính trở nên đáng kể.

Tính toán thời gian dải âm giả định điều kiện bôi trơn hoàn hảo và co nhiệt đồng đều. Trong thực tế, sự thay đổi trong tính chất bột khuôn và độ dốc nhiệt có thể gây ra sai lệch so với dự đoán lý thuyết.

Các mô hình toán học này thường bỏ qua các tác động của các biến thể áp suất tĩnh sắt và hiện tượng phồng xảy ra trong các hoạt động đúc thực tế. Có thể cần các hệ số hiệu chỉnh bổ sung khi áp dụng các công thức này cho các mẫu dao động không phải hình sin.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

• ISO 13404:2007 - Đúc liên tục thép - Phương pháp đo dao động khuôn
• ASTM A1030 - Thực hành tiêu chuẩn để đo đặc tính độ phẳng của các sản phẩm tấm thép
• JIS G 0415 - Phương pháp đo dấu dao động trên các tấm đúc liên tục

ISO 13404 cung cấp các quy trình toàn diện để đo các thông số dao động trong môi trường công nghiệp. ASTM A1030 đề cập đến việc đánh giá chất lượng bề mặt liên quan đến các hiệu ứng dao động. JIS G 0415 tập trung cụ thể vào việc định lượng các đặc điểm của dấu dao động.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (LVDT) thường được sử dụng để đo độ dịch chuyển thực tế của khuôn trong quá trình dao động. Các cảm biến này cung cấp dữ liệu dịch chuyển có độ chính xác cao với thời gian phản hồi micro giây.

Máy đo gia tốc gắn trên cụm khuôn đo các đặc điểm rung động và có thể phát hiện độ lệch so với các mẫu dao động mong muốn. Nguyên lý dựa trên việc chuyển đổi dữ liệu gia tốc thành độ dịch chuyển thông qua tích hợp kép.

Các hệ thống tiên tiến sử dụng giao thoa kế laser để đo không tiếp xúc các thông số dao động với độ chính xác dưới micron. Kỹ thuật này sử dụng mẫu giao thoa của ánh sáng laser phản xạ để xác định độ dịch chuyển với độ chính xác đặc biệt.

Yêu cầu mẫu

Đối với phân tích dấu dao động, bề mặt mẫu thép phải được chuẩn bị bằng cách mài nhẹ để loại bỏ vảy trong khi vẫn giữ nguyên hình dạng dấu. Kích thước mẫu chuẩn thường là các phần 100mm × 100mm cắt vuông góc với hướng đúc.

Chuẩn bị bề mặt đòi hỏi phải đánh bóng dần dần đến độ hoàn thiện 1μm để kiểm tra bằng kính hiển vi các vết dao động. Khắc bằng dung dịch nital 2% thường được thực hiện để tăng khả năng hiển thị vết.

Các mẫu phải được lấy từ các vùng đúc ổn định, tránh các vùng chuyển tiếp nơi các thông số dao động đang thay đổi.

Thông số thử nghiệm

Các phép đo tiêu chuẩn được thực hiện ở nhiệt độ phòng (20-25°C) với độ ẩm được kiểm soát dưới 60% để ngăn ngừa quá trình oxy hóa bề mặt. Đối với thử nghiệm nóng, các phép đo phải tính đến hiệu ứng giãn nở nhiệt.

Tốc độ thu thập dữ liệu thường vượt quá 1000 Hz để nắm bắt chính xác các thành phần dao động tần số cao. Thời gian đo phải kéo dài ít nhất 100 chu kỳ dao động hoàn chỉnh để có giá trị thống kê.

Cần phải xác minh hiệu chuẩn bằng các tiêu chuẩn tham chiếu trước và sau các buổi đo để đảm bảo độ chính xác.

Xử lý dữ liệu

Dữ liệu dịch chuyển thô trải qua phân tích Fourier để trích xuất các thành phần tần số và xác định độ lệch so với các mẫu dao động mong muốn. Lọc kỹ thuật số loại bỏ nhiễu tần số cao trong khi vẫn bảo toàn tính toàn vẹn của tín hiệu dao động.

Xử lý thống kê bao gồm tính toán số liệu về độ ổn định tần số, độ đột quỵ trung bình và độ nhất quán của dạng sóng. Độ lệch chuẩn của các tham số dao động cung cấp thông tin chi tiết về độ ổn định của quy trình.

Các số liệu về chất lượng dao động cuối cùng được tính toán bằng cách so sánh các thông số đã đo được với các giá trị mục tiêu, đặc biệt chú ý đến tính nhất quán của thời gian dải âm.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Phạm vi dao động điển hình (mm)	Dải tần số điển hình (Hz)	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Tấm Carbon Thấp	5-10	60-180	Tốc độ đúc 1.0-1.8 m/phút	Tiêu chuẩn ISO 13404
Phôi Carbon trung bình	3-7	120-300	Tốc độ đúc 2.0-3.5 m/phút	Tiêu chuẩn ISO 13404
Thanh thép cacbon cao	2-5	200-400	Tốc độ đúc 3.0-5.0 m/phút	Tiêu chuẩn JIS G 0415
Tấm thép không gỉ	6-12	50-150	Tốc độ đúc 0,8-1,5 m/phút	Tiêu chuẩn ASTM A1030

Sự khác biệt trong mỗi phân loại thường là kết quả của sự khác biệt về kích thước tiết diện, tốc độ đúc và đặc tính bột khuôn. Kích thước tiết diện lớn hơn thường yêu cầu giá trị hành trình lớn hơn để đảm bảo bôi trơn đầy đủ.

Khi diễn giải các giá trị này, các kỹ sư phải xem xét mối quan hệ giữa các thông số dao động và tốc độ đúc. Tỷ lệ thời gian dải âm (thường là 15-30% chu kỳ) thường quan trọng hơn các giá trị tần số hoặc hành trình tuyệt đối.

Một xu hướng đáng chú ý trên các loại thép là mối quan hệ nghịch đảo giữa hàm lượng carbon và biên độ đột quỵ tối ưu. Thép có hàm lượng carbon cao hơn thường được hưởng lợi từ tần số cao hơn và giá trị đột quỵ thấp hơn để giảm thiểu độ sâu của dấu dao động.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư phải cân bằng các thông số dao động với tốc độ đúc để duy trì thời gian dải âm thích hợp. Các hệ số an toàn 1,2-1,5 thường được áp dụng cho thời gian dải âm tối thiểu được tính toán để tính đến các biến thể của quy trình.

Thiết kế hệ thống dao động khuôn phải tính đến tải trọng động, có thể vượt quá tải trọng tĩnh gấp 2-3 lần trong quá trình vận hành. Tần số tự nhiên của hệ thống dao động phải cao hơn ít nhất ba lần so với tần số vận hành để tránh cộng hưởng.

Lựa chọn vật liệu cho các thành phần dao động ưu tiên khả năng chống mỏi và độ ổn định kích thước dưới tải trọng tuần hoàn. Hệ thống thủy lực được định cỡ với biên độ công suất 30-50% để đảm bảo kiểm soát chính xác trong các điều kiện tải khác nhau.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Trong quá trình đúc liên tục, dao động được tối ưu hóa ngăn ngừa nứt dọc và cải thiện chất lượng bề mặt. Các hệ thống hành trình biến thiên hiện đại điều chỉnh các thông số động dựa trên tốc độ đúc để duy trì thời gian dải âm nhất quán.

Đối với đúc tấm mỏng và đúc gần dạng lưới, dao động tần số cao (>300 Hz) với hành trình giảm (<3mm) cho phép tốc độ đúc cao hơn trong khi giảm thiểu độ sâu đánh dấu. Các ứng dụng này thường sử dụng dạng sóng không hình sin để tối đa hóa hiệu quả bôi trơn.

Trong sản xuất thép chuyên dụng, các thông số dao động được tinh chỉnh để kiểm soát sự phân bố tạp chất và ngăn ngừa các khuyết tật dưới bề mặt. Hệ thống kiểm soát dao động thích ứng điều chỉnh các thông số dựa trên phép đo lực ma sát khuôn theo thời gian thực.

Đánh đổi hiệu suất

Tần số dao động tăng cải thiện chất lượng bề mặt nhưng làm tăng ứng suất cơ học lên thiết bị và tăng yêu cầu bảo trì. Các thiết kế hiện đại kết hợp hệ thống ổ trục tiên tiến và các thành phần cấu trúc gia cố để giảm thiểu những tác động này.

Giá trị hành trình cao hơn làm tăng khả năng bôi trơn nhưng làm sâu thêm các vết dao động có thể cần xử lý bề mặt bổ sung. Các kỹ sư phải cân bằng các yếu tố cạnh tranh này dựa trên khả năng xử lý hạ nguồn và yêu cầu về sản phẩm cuối cùng.

Thách thức tối ưu hóa liên quan đến việc cân bằng năng suất (tốc độ đúc) với các số liệu chất lượng. Các thuật toán điều khiển tinh vi hiện kết hợp các kỹ thuật học máy để liên tục tối ưu hóa các tham số dao động dựa trên dữ liệu hiệu suất lịch sử.

Phân tích lỗi

Dao động không nhất quán có thể dẫn đến vỡ nhãn dán, khi lớp vỏ đông đặc bám vào thành khuôn và vỡ. Chế độ hỏng hóc thảm khốc này thường bắt đầu với thời gian dải âm không đủ và tiến triển qua quá trình làm mỏng lớp vỏ cho đến khi đột phá cuối cùng.

Độ sâu của dấu dao động quá mức tạo ra các điểm tập trung ứng suất có thể gây ra các vết nứt ngang trong quá trình xử lý tiếp theo. Các khuyết tật này lan truyền dọc theo ranh giới hạt austenit trước đó, đặc biệt là trong các cấp thép peritectic.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm theo dõi lực ma sát của khuôn theo thời gian thực để phát hiện hiện tượng dính mới, kiểm soát thích ứng các thông số dao động và tối ưu hóa các đặc tính của bột khuôn để đảm bảo bôi trơn đồng đều.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng cacbon ảnh hưởng đáng kể đến các thông số dao động tối ưu, với thành phần kiến ​​trúc (0,10-0,17% C) đặc biệt nhạy cảm với sự hình thành dấu dao động. Các loại này thường yêu cầu các mẫu dao động chuyên biệt để ngăn ngừa các khuyết tật bề mặt.

Lưu huỳnh và phốt pho ảnh hưởng đến hành vi làm ướt giữa thép và bột khuôn, ảnh hưởng đến hiệu quả bôi trơn trong giai đoạn dải âm. Thép có hàm lượng lưu huỳnh thấp hơn thường yêu cầu giá trị hành trình cao hơn để duy trì độ bôi trơn đầy đủ.

Các phương pháp tối ưu hóa bao gồm điều chỉnh các tham số dao động dựa trên nhóm cấp thép thay vì các thành phần riêng lẻ. Các hệ thống hiện đại kết hợp các thuật toán lựa chọn tham số dựa trên thành phần lấy từ cơ sở dữ liệu hiệu suất lịch sử.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Cấu trúc vỏ đông đặc ban đầu chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi các tham số dao động. Tần số cao hơn có xu hướng tạo ra các cấu trúc dạng cây mảnh hơn với khoảng cách giữa các nhánh chính giảm.

Sự phân bố pha trong lớp vỏ đông đặc bị ảnh hưởng bởi các biến đổi áp suất cục bộ do dao động gây ra. Những hiệu ứng này đặc biệt rõ rệt trong thép peritectic, nơi thời gian chuyển pha là rất quan trọng.

Các vùng đánh dấu dao động thường biểu hiện mật độ tạp chất và độ xốp vi mô cao hơn do điều kiện đông đặc cục bộ. Kiểm soát các thông số dao động có thể giúp phân phối các đặc điểm này đồng đều hơn để giảm thiểu tác động của chúng đến các đặc tính cuối cùng.

Xử lý ảnh hưởng

Xử lý nhiệt sau khi đúc có thể làm giảm một phần hiệu ứng vết dao động thông qua việc đồng nhất hóa cấu trúc vi mô. Tuy nhiên, các vết sâu có thể vẫn tồn tại dưới dạng các đặc điểm hình học ngay cả sau khi xử lý nhiệt.

Tỷ lệ giảm cán nóng phải đủ để loại bỏ các vết dao động thông qua biến dạng. Tỷ lệ giảm tối thiểu điển hình nằm trong khoảng từ 8:1 đến 12:1 tùy thuộc vào mức độ nghiêm trọng của vết.

Kiểm soát tốc độ làm mát trong quá trình đông đặc tương tác với các hiệu ứng dao động. Làm mát nhanh hơn thường đòi hỏi kiểm soát dao động chính xác hơn để ngăn ngừa khuyết tật, đặc biệt là ở các cấp hợp kim cao.

Các yếu tố môi trường

Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng đến độ nhớt của chất lỏng thủy lực trong các hệ thống dao động, có khả năng làm thay đổi các mẫu chuyển động thực tế. Các hệ thống hiện đại kết hợp bù nhiệt độ trong các thuật toán điều khiển.

Độ ẩm có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của bột khuôn, tác động đến điều kiện bôi trơn trong chu kỳ dao động. Môi trường đúc được kiểm soát khí hậu giúp duy trì điều kiện nhất quán.

Sự hao mòn lâu dài của các thành phần hệ thống dao động có thể dần dần thay đổi các thông số chuyển động thực tế. Các hệ thống bảo trì dự đoán theo dõi xu hướng hiệu suất để lên lịch can thiệp trước khi chất lượng bị ảnh hưởng.

Phương pháp cải tiến

Các dạng sóng dao động không hình sin thể hiện sự tiến bộ về luyện kim, tối ưu hóa thời gian dải âm trong khi giảm thiểu lực tác động. Các mẫu chuyên biệt này có thể giảm độ sâu của dấu dao động xuống 30-50% so với chuyển động hình sin thông thường.

Hệ thống lai thủy lực-khí nén cung cấp khả năng kiểm soát chính xác hơn đối với các thông số dao động so với hệ thống thủy lực thuần túy. Các thiết kế này cung cấp thời gian phản hồi nhanh hơn và độ trung thực của dạng sóng tốt hơn.

Động lực học chất lỏng tính toán kết hợp với mô hình hóa quá trình đông đặc hiện cho phép tối ưu hóa dự đoán các thông số dao động dựa trên cấp thép và điều kiện đúc cụ thể. Các phương pháp dựa trên mô phỏng này làm giảm quá trình tối ưu hóa thử nghiệm và sai sót.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Thời gian dải âm đề cập đến phần chu kỳ dao động khi vận tốc khuôn vượt quá tốc độ đúc, tạo ra chuyển động hướng lên tương đối. Thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả bôi trơn và hình thành dấu dao động.

Dấu dao động là các vết lõm ngang định kỳ trên bề mặt sản phẩm đúc tương ứng với chu kỳ dao động. Độ sâu, khoảng cách và hình thái của chúng cung cấp thông tin chi tiết về hiệu quả dao động và các vấn đề tiềm ẩn về chất lượng.

Sự thấm bột khuôn mô tả quá trình mà xỉ lỏng đi vào khe hở giữa khuôn và vỏ đông đặc trong giai đoạn dải âm. Hiện tượng này rất cần thiết để cung cấp khả năng bôi trơn và kiểm soát truyền nhiệt.

Các thuật ngữ này tạo thành một khuôn khổ liên kết để hiểu các mối quan hệ phức tạp giữa chuyển động cơ học, động lực bôi trơn và hành vi đông đặc trong quá trình đúc liên tục.

Tiêu chuẩn chính

ISO 13404:2007 cung cấp các phương pháp toàn diện để đo lường và đánh giá các thông số dao động khuôn trong môi trường công nghiệp. Nó thiết lập các quy trình tham chiếu để hiệu chuẩn, đo lường và phân tích dữ liệu.

Tiêu chuẩn Châu Âu EN 14081 đề cập đến các yêu cầu an toàn đối với máy đúc liên tục, bao gồm các quy định cụ thể về thiết kế và giám sát hệ thống dao động. Tiêu chuẩn này nhấn mạnh đến khả năng vận hành an toàn và ứng phó khẩn cấp.

Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản JIS G 0415 có cách tiếp cận khác bằng cách tập trung vào việc đo lường và phân loại các dấu dao động thay vì bản thân quá trình dao động. Quan điểm hướng đến sản phẩm này bổ sung cho các tiêu chuẩn tập trung vào quy trình.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào các hệ thống điều khiển dao động thích ứng điều chỉnh các thông số động dựa trên phép đo thời gian thực của các điều kiện khuôn. Các hệ thống này sử dụng các cảm biến tiên tiến để phát hiện những thay đổi về ma sát, truyền nhiệt và hình thành vỏ.

Các công nghệ mới nổi bao gồm dao động điện từ, loại bỏ các thành phần cơ học bằng cách sử dụng các từ trường xen kẽ để tạo ra rung động có kiểm soát trong lớp vỏ đông đặc. Phương pháp này mang lại những lợi thế tiềm năng về độ chính xác và độ tin cậy.

Các phát triển trong tương lai có thể sẽ tích hợp điều khiển dao động với các sáng kiến ​​số hóa rộng hơn trong sản xuất thép. Các thuật toán học máy sẽ liên tục tối ưu hóa các thông số dựa trên kết quả chất lượng, tạo ra các hệ thống sản xuất tự cải thiện thích ứng với các điều kiện và vật liệu thay đổi.