連鑄機彎曲段耳軸座力學性能分析與故障診斷實踐

陳開義，陳德亮，王學慶，陸彪

（1.上海梅山鋼鐵有限公司煉鐵廠，江蘇 南京 210039；2.安徽工業大學，安徽 馬鞍山 243000）

從鋼鐵工業的生產流程特點來看，連鑄設備是鋼鐵企業中連接上游工序（煉鋼）和下游工序（軋鋼）非常關鍵的生產設備。另外，我國鋼鐵工業生產過程的連鑄比已經達到了99%以上。可見，連鑄設備運行正常與否，對整個鋼鐵生產流程來說，有著極其重要的影響。連鑄機一旦發生故障而導致停產，將會影響整個流程的順暢運行，造成重大生產事故。

目前，針對連鑄機故障分析的研究，主要分為理論計算與分析和在線監測分析。理論計算與分析：為防止事故的發生，可采用有限元計算分析法先對連鑄機的關鍵部件進行建模分析，并提出優化改造建議。吳海波以連鑄機彎曲段為研究對象，建立了包括彎曲段前后框架、拉桿和輥子及其支座等部件的模型，采用有限元方法計算，為其結構設計提供參考和依據。潘高偉在考慮實際生產工況和熱-機耦合效應，以及零部件之間的相互接觸關系的情況下，建立了連鑄機三維非線性有限元模型，并驗證了連鑄機彎曲段耳軸座高應力區的存在。在線監測分析：隨著科技的發展，先進的自動化技術和計算機技術不斷被應用在生產設備的故障診斷和分析中。運用這類技術可以實現各種設備故障的預警，極大地降低了設備的故障率，提高了產品質量。王洪興運用輥縫儀對連鑄機扇形段輥縫、導輥對弧和二冷噴淋情況進行在線監測，并利用HMI實時監控扇形段驅動輥扭矩，綜合判斷扇形段故障位置，保障設備正常運行。

某鋼廠導向座彎曲段，連鑄生產過程中，由于設備故障、生產品種調整等各種原因，導致生產節奏變緩，進而引起鑄坯逐漸變冷、變硬。此時，連鑄機的鑄坯牽引機構依然牽引鑄坯前行，引起彎曲段耳軸座的受力會急劇增大。嚴重時，會引起彎曲段耳軸座發生不可逆的塑性形變，引起重大生產

事故。

1 彎曲段耳軸座的力學性能分析

1．1 彎曲段耳軸座有限元模型基本信息

圖1 分析模型圖

圖2 Q345材料本構關系

單元類型采用20節點實體單元；材料彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.28；板厚35～50mm屈服強度為295MPa，板厚100mm屈服強度為275MPa，抗拉強度為526MPa；材料模型選用隨動強化多線性模型。材料的本構關系如圖2所示。

1．2 彎曲段耳軸座的力學性能分析

考慮到模型節點數量和計算效率，按對稱面取耳軸座的一半進行分析。對稱面上施加對稱約束，部件4（如圖1所示）處施加固定約束，部件3（如圖1所示）處施加面壓，用來模擬鋼坯被電機拖動時，承擔的支承力。分析過程中采用同時考慮了材料非線性和幾何非線性，收斂控制精度為0.5%。因非線性的存在將導致計算結果難于收斂，故加載步采用自適應步長。

通過對彎曲段耳軸座的非線性力學分析，可得耳軸座在失效狀態下的側向變形與應力分布。加載過程中，部件1（如圖1所示）側向變形與支承力和MISES應力關系曲線分別如圖3所示。

圖3 側向變形與支承力關系曲線

由圖3可知，當支承力達到1200kN時，部件3和部件1連接處的局部MISES應力最大，已達340MPa，超過了Q345B鋼板材料的屈服強度，但該部件尚未失效尚可繼續工作；當支承力達到2400kN時（尚未達到由驅動電機換算出的額定支承力的一半，即3000kN），最大MISES應力出現在部件1和部件2中，且其變形已達110mm。當拉速降至0.5m/s以下時，鋼坯會過冷變硬，耳軸座處所受支承力將超過極限，部件將產生與上述分析結果相符的較大塑性變形，與現場出現的失效破壞模式基本吻合。因此，部件1和部件2是薄弱位置。因此，需要設計出合理的故障診斷系統，預防異常生產情況下，事故的發生。

2 耳軸座故障診斷系統

2．1 故障診斷

如上分析，在異常生產情況下（如鋼坯過冷變硬等），若牽引電機持續輸出驅動力，會引起耳軸座受到較大支承力，進而超過極限，產生塑性變形，最終導致生產事故的發生。通過以上分析可知，無論在何種情況下，耳軸座端部的變形量最大。因此，可實時檢測耳軸座端部的變形，通過圖3的受力分析對比，實時判定該部位的受力情況。另外，根據實際需要，設置不同狀態的報警區域，如表1所示。

2．2 故障診斷效果

在正常生產時，在耳軸座的端部產生約1mm的變形量。而在停產生產時（鑄機拉坯力為0kN），在耳軸座的端部產生未產生變形量。進而可以通過耳軸座端部變形量的實時檢測，進一步判定在異常生產行為。因此，運用該診斷平臺，實時檢測耳軸座端部的變形量，可實現鑄機高效的故障診斷。

表1 耳軸座報警區域劃分

4 結語

（1）彎曲段耳軸座的有限元力學分析表明，在鋼坯過冷時，部件1和部件2（如圖2所示）在耳軸座處產生受到較大支承力作用，將產生較大塑性側向變形，導致其失效破壞，屬薄弱部位，可能導致的生產事故發生。

（2）本文利用激光檢測裝置，實時檢測耳軸座端部變形量，并利用力學分析結果，建立鑄機故障診斷平臺，實時判定鑄機運行狀態，保證生產正常運行。