板坯結(jié)晶器跑錐的理論分析與研究

王文學(xué)，趙 敏，雷 華，楊超武，侯小光，劉作林，楊 光

(1.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.廣東廣青金屬科技有限公司，廣東 陽江 529500;3.振石集團(tuán)東方特鋼股份有限公司，浙江 嘉興 315004)

1 前言

板壞結(jié)晶器的錐度通過調(diào)寬裝置調(diào)整后，由夾緊裝置夾緊和固定。錐度在正常連鑄生產(chǎn)過程中不允許發(fā)生變化，否則會(huì)改變鑄坯的冷卻效果。但是對(duì)于機(jī)械調(diào)寬，結(jié)晶器的跑錐問題一直都存在，影響鑄坯質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生角裂和鼓肚型漏鋼，損害連鑄設(shè)備且降低連鑄機(jī)作業(yè)率和結(jié)晶器的使用壽命［1-2］。

本文系統(tǒng)地分析了結(jié)晶器跑錐的各種主要原因，并通過理論計(jì)算和分析，得出和制定了調(diào)寬裝置動(dòng)作方法，將結(jié)晶器跑錐控制在最小的狀態(tài)，保證結(jié)晶器錐度在澆鋼過程的穩(wěn)定性與可靠性，保證整個(gè)連鑄生產(chǎn)的順暢。

2 板坯結(jié)晶器跑錐的原因分析

板坯連鑄結(jié)晶器機(jī)械式調(diào)寬裝置機(jī)構(gòu)內(nèi)部之間關(guān)系機(jī)械圖如圖1所示［1］。整個(gè)調(diào)寬裝置結(jié)構(gòu)為:半壓塊a和半壓塊b將上調(diào)寬裝置3、下調(diào)寬裝置8固定在水箱2上，窄面銅板6和調(diào)寬裝置3、8分別通過銷軸5連接，窄面足輥7固定在窄面銅板6上，通過調(diào)整調(diào)寬裝置來控制上下鉸接點(diǎn)和結(jié)晶器中心距離的不同，達(dá)到對(duì)結(jié)晶器上下口的開口度以及窄面錐度的控制。

結(jié)晶器跑錐主要是窄面銅板6和窄面足輥7的跑錐，跑錐的本質(zhì)是傳動(dòng)設(shè)計(jì)需要的間隙和裝配精度不夠產(chǎn)生的間隙造成的，對(duì)于機(jī)械裝配間隙是必須存在的，如何消除間隙至關(guān)重要。

圖1 板坯連鑄結(jié)晶器調(diào)寬裝置機(jī)構(gòu)Fig.1 Width adjusting mechanism of slab continuous casting mold

2.1 調(diào)寬設(shè)計(jì)和裝配精度不夠產(chǎn)生的間隙

調(diào)寬裝置通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)窄面裝置前后移動(dòng)，所以設(shè)計(jì)時(shí)要考慮相對(duì)移動(dòng)必要的間隙，但是該間隙必須保證零件安裝的方便和零件相對(duì)運(yùn)動(dòng)的順暢。

以機(jī)械裝置舉例分析，電動(dòng)調(diào)寬裝置 (或手動(dòng)調(diào)寬裝置)，由電機(jī) (或手動(dòng)輪+離合器)－蝸輪副－齒輪箱－絲杠副－鉸鏈連接軸等組成。調(diào)寬裝置必要間隙［2］見表1。

表1 調(diào)寬裝置設(shè)計(jì)必要的間隙值Tab.1 Necessary gap values for design of width adjusting mechanism

參考圖1分析表1數(shù)據(jù)如下:

(1)調(diào)寬裝置3、8和窄面插入件6通過銷軸5連接的配合為間隙配合，設(shè)計(jì)間隙配合是一個(gè)范圍，因此制造廠在執(zhí)行時(shí)未必按照最小值加工和安裝。

(2)調(diào)寬裝置3、8內(nèi)部傳動(dòng)副要求的間隙比較小，運(yùn)動(dòng)副要求運(yùn)動(dòng)靈活，這就要求內(nèi)部間隙必須存在，因此制造廠在執(zhí)行時(shí)可能會(huì)擴(kuò)大間隙，保證運(yùn)動(dòng)的順暢。

(3)調(diào)寬裝置3、8安裝在結(jié)晶器水箱2上，半壓塊b和調(diào)寬裝置為緊配合，制造廠在裝配時(shí)比較困難，就會(huì)對(duì)半壓塊進(jìn)行打磨保證安裝的順暢。

2.2 調(diào)寬裝置長(zhǎng)期使用磨損的間隙

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)隨著長(zhǎng)時(shí)間的工作，零件會(huì)出現(xiàn)磨損和環(huán)境腐蝕，部件配合間隙就會(huì)逐漸增大，或者各處長(zhǎng)期使用潤滑保養(yǎng)不到位，使得配合處間隙變大。例如調(diào)寬裝置3、8和銷軸5、窄面銅板6配合之間隨著長(zhǎng)期使用磨損、銹蝕和經(jīng)常拆裝，使鉸鏈連接銷軸和銷孔之間出現(xiàn)較大間隙。

2.3 窄面足輥對(duì)弧不合理

窄面足輥對(duì)弧尺寸根據(jù)鋼種冷卻收縮系數(shù)計(jì)算而得，可以單獨(dú)在維修區(qū)進(jìn)行理論對(duì)?。?］。如圖2所示，D值的取值至關(guān)重要。

圖2 窄面足輥和窄面銅板對(duì)孤Fig.2 Alignment of foot roll and copper at narrow side

如果窄面足輥對(duì)弧尺寸與鑄坯冷卻收縮量不吻合，鑄坯出結(jié)晶器窄面銅板后，窄面足輥不僅僅起到導(dǎo)向作用，更重要起到擠壓窄面，類似于軋輥。當(dāng)擠壓力大于每個(gè)足輥的碟簧預(yù)緊力，窄面足輥就會(huì)整體帶著窄面銅板退讓，遠(yuǎn)離結(jié)晶器中心線，引起跑錐。國內(nèi)某廠澆鑄斷面180×1500、304不銹鋼時(shí)，拉速穩(wěn)定在1～1.1 m/min，D值調(diào)整后，跑錐有所改善，見表2。但是窄面退讓跑錐還是由于調(diào)整裝置內(nèi)部存在間隙造成的。

表2 窄面足輥對(duì)弧特點(diǎn)Tab.2 Alignment of narrow face roll

因此，通過分析如何消除在澆鋼過程中調(diào)寬裝置內(nèi)部間隙是一個(gè)主要問題。有的鋼廠每次調(diào)完結(jié)晶器開口尺寸和錐度后，上下均焊接一拉桿支撐窄面，防止窄面飄移，給工作人員帶來不便。實(shí)際上科學(xué)合理的調(diào)整方法就可以有效改善和減小窄面跑錐問題。因此上下兩組調(diào)寬裝置與窄面插入件之間的關(guān)系是“拉”還是“推”至關(guān)重要。有的鋼廠在調(diào)整結(jié)晶器寬度尺寸和錐度時(shí)采用“上下內(nèi)推”;有的是“上拉下推”等方式。下面就上下調(diào)寬裝置受力進(jìn)行分析。

3 板坯調(diào)寬裝置受力理論分析

計(jì)算和討論澆鑄過程中窄面插入件 (窄面銅板和窄面足輥總稱)承受的載荷和受力方向、總載荷分別作用在上下調(diào)寬裝置上的分力以及方向。計(jì)算過程中考慮鋼水液面高度為不變值，即為靜態(tài)分析，對(duì)于同一結(jié)構(gòu)結(jié)晶器，作用在上下調(diào)寬裝置的力是個(gè)常量，方向也是固定的，如圖3所示，計(jì)算如下:

式中，F(xiàn)為整個(gè)窄邊的鋼液靜壓力，N;D為窄面銅板寬度，m;γ為鋼水密度，7800 kg/m3;C為銅板頂面距液面距離，一般為0.1 m;g為重力加速度，9.8 m·s－2;L為液面距窄面末足輥中心的距離，m;h為合力距結(jié)晶器銅板頂面的高度，m;h1為上調(diào)寬裝置距結(jié)晶器銅板頂面的高度，m;h2為上、下調(diào)寬裝置之間高度差，m。

圖3 結(jié)晶器調(diào)寬裝置各部尺寸Fig.3 Sizes of each part of width adjusting mechanism in mold

根據(jù)結(jié)晶器結(jié)構(gòu)的不同，分析如下:

(1)當(dāng)h＞h1+h2(h1+h2為設(shè)備固有的參數(shù))，分析窄面插入件受力，利用力平衡計(jì)算得出上調(diào)寬裝置為“拉”的方向，下調(diào)寬裝置為“推”的方向;

(2)當(dāng)h1＜h＜h1+h2，分析窄面插入件受力，得出上下調(diào)寬裝置均為“推”的方向;

(3)當(dāng)h=h1+h2，分析窄面插入件受力，得出上調(diào)寬裝置為“自由狀態(tài)”(調(diào)整時(shí)考慮鋼液面波動(dòng)，根據(jù)液面波動(dòng)習(xí)慣設(shè)置為“推”或“拉”的狀態(tài))，下調(diào)寬裝置始終為“推”的方向。

4 防止結(jié)晶器跑錐的改進(jìn)措施

(1)保證調(diào)寬裝置、窄面插入件嚴(yán)格按照?qǐng)D紙要求加工和裝配，保證調(diào)寬裝置內(nèi)部配合、傳動(dòng)間隙以及調(diào)寬裝置和窄面插入件之間鉸鏈配合間隙控制在最小范圍。

(2)保證窄面插入件的每個(gè)足輥與窄面銅板的對(duì)弧嚴(yán)格遵守鑄坯在結(jié)晶器的冷卻工藝和收縮性能參數(shù)。

(3)最重要的是根據(jù)現(xiàn)有結(jié)晶器結(jié)構(gòu)計(jì)算調(diào)寬裝置受力，分析各個(gè)調(diào)寬裝置受力方向，選擇正確的調(diào)整方式，消除或減小因設(shè)計(jì)、制造和磨損造成的固有傳動(dòng)間隙，改善機(jī)械式調(diào)寬裝置固有的跑錐問題。

5 結(jié)論

東方特鋼、廣青連鑄均按照以上理論計(jì)算的結(jié)晶器調(diào)寬調(diào)整方式處理，并改善結(jié)晶器其他工藝參數(shù)后，效果顯著。

(1)結(jié)晶器跑錐數(shù)值明顯降低，每個(gè)澆次單側(cè)跑錐平均穩(wěn)定在0.1～0.4 mm，控制在連鑄工藝要求范圍之內(nèi)，澆鑄的鑄坯幾乎沒有因結(jié)晶器跑錐而引起的質(zhì)量問題。

(2)因結(jié)晶器跑錐引起的結(jié)晶器的調(diào)整和更換頻率明顯降低，同時(shí)減少了生產(chǎn)成本、降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度;更主要的是廣青投產(chǎn)幾個(gè)月以來澆鑄一直穩(wěn)定，用戶滿意。

［1］劉明延，李平，欒興家，等.板坯連鑄機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

［2］王文學(xué)，劉趙衛(wèi)，王受田，等.板坯連鑄機(jī)組合式結(jié)晶器跑錐問題的分析與改進(jìn) ［J］.重型機(jī)械，2010(4):62－67.

［3］李具中，喻承歡.武鋼新3#鑄機(jī)結(jié)晶器足輥安裝參數(shù)工藝優(yōu)化 ［J］.山東冶金，2004，26(2):16－17.