連鑄鋼包長水口機械手改造

馬寶利，吳 瑋，閆 濤，苗 峰

（天津鋼管集團股份有限公司，天津 300301）

連鑄鋼包長水口機械手改造

馬寶利，吳 瑋，閆 濤，苗 峰

（天津鋼管集團股份有限公司，天津 300301）

針對特鋼公司三區生產的鋼坯對有害氣體的含量未能控制在理想范圍內的問題，通過過對各個工位的采樣分析，發現有害氣體只有在連鑄中間包取試樣時有明顯增加。分析出其產生的原因是現有配重式的鋼包長水口機械手，不能提供足夠的壓力將保護套管與滑板機構的水口嘴密封住，造成有害氣體混入鋼水。通過對現場配種式機械手進行升級改造，有效地控制了鋼坯內有害氣體的含量，提高了工作效率。

鋼坯；有害氣體；試樣；機械手

1 引言

鋼包長水口位于鋼包與中間包之間，保護鋼流不受二次氧化,防止鋼流飛濺以及敞開澆注的鋼水卷渣問題,對提高鋼水質量有明顯效果。使用長水口還可以減少中間包鋼水溫降,對合理控制鋼水過熱度改善鑄坯低倍組織結構有重要作用。

2 存在問題

鋼包長水口機械手的主要作用就是輔助操作工人能夠自由、方便的安裝、拆卸、清理長水口。在安裝好鋼包長水口后，長水口受到機械手輸出正壓力，使長水口與鋼包滑板機構水口能夠緊密貼合，避免在澆鑄過程中有害氣體混入到鋼水中影響鋼水質量。鋼包長水口機械手的安裝形式如圖1所示。

我廠現有的機械手具有如下缺點：

圖1 鋼包長水口安裝示意

（1）配重式的鋼包長水口機械手，不能提供足夠的壓力將保護套管與鋼包滑板機構的水口嘴密封住，造成有害氣體混入鋼水。通過對連鑄中間包內的鋼水取樣，有害氣體較精煉區域取樣有明顯的增加。

（2）配重式的鋼包長水口機械手，由于自身重量較大，在操作過程中往往需要2～3名操作工人，一起完成操作。典型的笨重型設備耗時耗力影響工作效率。

出于對提高鋼水質量的目的，廠里決定對現有的機械手進行升級改造。

3 鋼包長水口機械手的設備選型分析

3.1 配重式機械手輸出壓力計算

如圖2可知，橫臂支點到長水口距離為2 680mm，兩組配重到達橫臂支點的距離分別為1 283.5 mm，1 729.4 mm，重量分別為 200kg，198.5 kg鋼包長水口自重45 kg，橫臂自重84.7 kg重心距離支點的距離為553 mm，鋼包長水口自重45 kg，鋼水流經長水口在長水口屬于典型的紊流，其產生的摩擦力，依據現有條件無法測定鋼水與長水口間沿程阻力系數等值，但依據耐材廠家提供的長水口尺寸參數，且假定鋼水與長水口產生最大的摩擦力以至于鋼水無法由長水口靠自重流出，則長水口內滯留的鋼水的重力形成了對長水口壓緊鋼包滑板水嘴的反作用力。已知鋼包長水口內經?85 mm，長度1 120mm，可知長水口內鋼水重量為49.5 kg。依據杠桿原理可知；

F=1 112 N，相當于長水口承受111.2 kg的正壓力。

圖2 配重式機械手

目前廣泛應用的鋼包長水口機械手主要有兩種驅動方式：氣動驅動和液壓驅動。

3.2 氣動輸出壓力計算

氣動的驅動方式相比之下具有改造成本低、驅動介質使用廉價等特點。

結構形式如圖3所示。

圖3 氣動驅動機械手

鋼包長水支架的上下運動可以通過控制操作面板上的“up0down”選擇開關，操作人員可以操作機械手在水平面內任意旋轉。當操作機械手使長水口位于鋼包滑板機構水嘴下方時，可以選“casting on”按鈕，機械手產生向上推力，使長水口與滑板機構水嘴緊密貼合。此時禁止操作機械手。當此爐鋼水澆鑄完成需要更換新的鋼水包，選擇“casting end”按鈕，氣缸泄壓，橫臂緩慢下降操作人員可以進行拆卸、清理長水口等操作。機械手的驅動能源為外部提供0.6～0.8 MPa的壓縮空氣，進入到控制閥柜內的過濾器，當抬升電信號控制三位四通電磁閥得電后，壓縮空通過電磁閥，然后經過安全閥，進入到氣缸無桿腔，推動氣缸向上運動壓緊長水口。其中安全閥的主要作用是，釋放回轉臺下降實現長水口侵入式澆鑄過程中，油缸無桿腔積蓄的壓力。避免損壞設備及管線。

3.3 氣動機械手產生的壓力計算

已知橫臂支點到長水口的距離為4028 mm，氣缸支點到橫臂支點的距離為753 mm，氣缸0.6 MPa壓縮空氣的作用下實際輸出16.5 kN的力。如圖4機械手橫臂重心位置距離支點2 614 mm，自重178 kg，氣缸與垂直位置夾角13°。

圖4 機械手實際工作位置

根據杠桿原理可計算出機械手對長水口產生的實際壓力，

F=1 269.68 N，相當于長水口承受127 kg的正壓力。在壓力輸出上與配重式機械手沒有明顯優勢，只是節省了人力。

3.4 液壓機械手產生的壓力計算

已知油缸的活塞直徑為100mm，缸桿直徑45 mm系統壓力調節范圍為1～18 MPa，因此可知油缸產生的最大拉力為：F（拉）=112.7 kN，如圖 5 所示液壓機械手的橫臂自重152 kg，重心距離支點1.74 m，其余參數同上。

圖5 液壓機械手結構圖

因此可以計算出作用在長水口上的壓力，

F=5 390N液壓機械手最大可輸出539 kg的工作壓力。

通過計算可知通過減壓閥控制壓力的液壓機械手相比于氣動機械手可以實現更大范圍內的壓力調節，輸出更高的壓力，以滿足現場的實際使用需求。

液壓機械手改造時充分借鑒了氣動機械手的控制方式，將一些控制形式和安全連鎖條件融入到液壓機械手的控制方式上，如操作回轉臺事故旋轉時，通過安全連鎖信號控制液壓機械手泄壓并做下降運動，防止回轉臺事故旋轉時將緊壓在滑板機構下面的機械手拉斷損壞，起到了很好的設備保護作用。

4 設備調試

待改造完成后的調試階段，應該依據現場的實際狀況確定一個合理的壓力值，以滿足現場的使用要求，主要的考慮因素有兩點：

（1）機械手輸出的壓力值不應超過長水口的抗壓強度，否則損壞長水口。雖然長水口在安裝完成后，是由透氣環與機械手接觸，透氣環是個薄壁鐵殼內部包裹著長水口本體，有增加長水口強度的作用，但是在實際使用時，長水口的依舊與滑板機構水口接觸，依據廠家提供的長水口數據（見表1）可知，長水口的理論抗壓，抗折強度20MPa，所以機械手輸出的壓力不能超過20MPa的壓力。

表1 長水口性能參數表

（2）機械手輸出的壓力通過長水口直接作用到鋼包滑板機構上，壓力過大影響滑板機構的開關。

已知滑板機構的原理如圖6所示。

圖6 滑板機構原理圖

鋼包滑動水口機構由：底座、支架、滑塊、彈簧組件及驅動組件等組成。機構以上、下滑板為界面分開，底座、支架是固定部分，滑塊是活動部分。上水口磚、上滑板磚固定在底座，內不動，下滑板磚、下水口磚固定在滑塊內，滑塊可以在支架內往復滑動?；顒咏缑嫱ㄟ^彈簧組件建立恒定、均勻的界面壓力，動力源通過油缸組件驅動滑塊作往復運動，從而實現對鋼水的節流。依靠螺栓將整套滑板固定到鋼包底部，在安裝完成后螺栓需要達到額定的預緊力，以保證插板與水口之間形成良好的密封性能，避免鋼水外竄，如果機械手輸出壓力過大就會影響到滑板機構的正常動作。

目前現場使用的滑板機構液壓缸活塞直徑100mm，缸桿45 mm,系統設定最大壓力18 MPa[2]，油缸輸出拉力112.7 kN力，已知機械手能夠輸出的最大力壓力為5.39 kN,滑板機構的材質為復合Al2O3-SiC-C，材料特性與石墨類似，因此靜態摩擦系數為0.16，因此可知由于機械手輸出壓力造成的摩擦力增加0.86 kN，相比于油缸輸出拉力（包含安全系數），因此不會給系統造成影響。

因此依據3.1得出的結論，以盡量低于200kg的抗壓強度，并高于配重式機械手輸出的111.2 kg的最低壓力進行考慮，根據現場使用情況，既不影響長水口的使用壽命，又能達到良好的密封效果，依據取樣檢測結果進行判斷，經過反復試驗得出輸出140kg的壓力比較合理，因此可計算出油缸輸出拉力要求，得出系統調定壓力：

140×10×3.48=F（拉）×cos40°×0.286×-（45+49.5）×3.48×10-152×1.74×10

F（拉）=49.1 kN，得出系統調定壓力為 8 MPa，就能滿足使用要求。

5 改造后的效果

改造完成后，通過對鑄坯質量的不斷跟蹤與記錄，得到表2所示的統計結果。經過長時間的統計與比較，液壓機械手改造后鋼水中氮含量相比于改造前降低了25.8%，基本達到了改造目的。

表2含氮量統計表

6 結束語

通過對三種機械手形式的分析與對比，對這三種機械手的工作原理、控制方式都有深入了解和認識。為將來機械手的升級改造打下了基礎。改造后的新式液壓機械手提高了工作效率，避免之前需要多人操作，占用勞動力。

特別是液壓機械手在工作過程中更加平穩無振動，能夠輸出更大范圍的壓力，使長水口與滑板機構水口之間形成良好的密封性，對于生產品種鋼時，抑制鋼水在連續澆鑄過程中有害氣體的增加起到了明顯的效果，達到了理論聯系實際的效果，為今后由于密封性問題造成的鋼水有害氣體含量增加提供了解決依據。

[1] 車麗平.連鑄滑動水口液壓系統分析與改進[J].天津冶金，2009（2）：21.

Modification of Manipulator of Ladle Shroud at CCM

MA Baoli,WU Wei,YAN Tao and MIAO Feng

(Tianjin Pipe[Group]Corporation,Tianjin 300301,China)

Aiming at the problem that the content of harmful gases in bloom was not controlled within a satisfactory range,samples were taken at all working positions and analyzed at Area 3 of Special Steel Company.It was found that harmful gases only increased obviously during sampling at tundish.Analysis was made and found the cause was counterweight type ladle shroud manipulator,which could not supply enough pressure to provide sealing between protection tube and slide gate nozzle and caused harmful gases to mix with liquid steel.After the existing manipulator was upgraded and modified,the content of harmful gases in bloom was effectively controlled and working efficiency improved.

bloom;harmful gas;sample;manipulator

10.3969/j.issn.1006-110X.2014.02.039

2013-09-15

2013-10-12

馬寶利（1984—），男，工程師主要從事連鑄設備方面的研究工作。