板坯連鑄直彎段導向座機構優化

謝序淵 陳德亮

（梅山鋼鐵公司煉鋼廠 江蘇南京 210039）

1 前言

直彎段是板坯連鑄機的主要組成部分，它位于結晶器與1＃弧形段之間，采取多點或連續彎曲的壓力變形工藝把鑄坯從直坯頂成弧形坯。在此壓力變形過程中鑄坯變形抗力反作用在直彎段框架上，再傳導至導向座（約束反力）。在設計穩定工況下導向座約束反力在設計范圍內，產生的結構應力和彈性應變導致功能精度偏差進而引起鑄機功能精度劣化是在允許范圍內的［1］。但是在鑄機起步、急停后再起步、更換中包、漏鋼滯坯等非穩定工況下，鑄坯溫降過大、彈性模量上升、壓力變形抗力急劇增大導致直彎段的導向座彈性變形增大甚至產生塑性變形，進而惡化鑄機功能精度，最終導致板坯質量缺陷［2］。由于現場的作業空間和作業時間的限制，簡單的割、焊、烤等機修方法既難矯正導向座的塑性變形又難以提升導向座的結構剛度。

為了長期保持鑄機在非穩定工況下（超載）的功能精度、減少設備原因造成的質量缺陷、消除導向座塑性變形的機修工作量和時間；首先采用三維有限元方法對原直彎段導向座結構進行應力和應變分析，并求出對應塑性變形的極限載荷；然后對導向座結構進行優化；最后通過三維有限元方法校核優化后的結構。

考慮鑄機檢修工期和現場條件，通過制定在線完成直彎段導向座的結構優化解決直彎段的導向座塑性變形的問題。

2 直彎段導向座結構優化

2.1 原直彎段導向座應力和應變分析

在鑄坯過程中板坯的變形抗力是通過直彎段下耳軸傳遞給導向座，直彎段下耳軸與導向座的導向塊線接觸，導向塊通過螺栓與焊接在導向座的導向塊背板連接。為了減少計算過程，對結構做了必要的簡化，去除結構中的倒角和小的臺階并假設載荷通過導向塊均勻作用在導向塊背板上。對原有導向座結構進行三維建模，利用有限元軟件仿真計算。運算結果參見圖1，在主力板兩側導向塊各加載60t載荷時直彎段導向座發生屈服變形，應力最大位置位于直彎段立板與導向塊背板的焊接處，最大應力為350MPa，此時導向座箱體結構遠未到達屈服變形量。

分析導向座在60t載荷的形變情況，導向座的變形主要是兩個方向，在受力方向被拉長，垂直受力方向張開，類似外八字型。導向座導向塊背板中心的位移將直接影響直彎段的位置，因此通過軟件計算導向座導向塊背板中心的X方向位移（受力方向），Z方向（垂直受力張開方向）位移以及合位移（圖1）。計算結果顯示導向座在60t載荷作業下X 方向位移3.2mm，Z 方向位移8.1mm，合位移為8.7mm。X方向（徑向）的位移將直接影響直彎段內外弧位置改變、惡化鑄機的對弧精度。結論：原設計導向座結構立板較薄、強度和剛度都較低、過載狀態下直彎段對弧精度超過允許范圍。

圖1 原直彎段導向座應力及變形分析

2.2 直彎段導向座結構優化

為增加導向座的強度和剛度，增加導向座立板的強度，使導向座立板的強度稍低于原箱體強度。新設計的導向座立板參見圖2，增加直彎段導向座立板的厚度，新立板厚度由50mm改為100mm，為增加導向座的剛度在立板后面增加2根L型加強筋板。在立板上方增加兩個定位塊，方便現場焊接時高度方向的定位。原導向塊連接螺栓孔是沉孔，現場常年處于高溫高濕環境，螺栓孔易腐蝕導致拆卸困難，為方便立板上的導向塊位置調整，將原有的沉孔螺栓改為對穿孔內六角螺栓，且在外露的螺栓增加防護蓋。在箱體內部東西側各增加一塊加強筋板增強導向座筋板的強度。

2.3 結構優化校核

對新立板直彎段導向座進行三維建模，然后利用有限元軟件進行受力分析。同樣在主力板兩側導向塊各加載60t載荷時（計算結果見圖3），新導向座的最大應力為151MPa，最大應力下降57%；導向座導向塊背板中心的X方向位移（受力方向）0.67mm，Z方向（垂直受力張開方向）0.87mm，合位移為1.01mm。對直彎段弧度影響較大的X方向位移下降約80%。另外通過軟件計算新導向座發生屈服變形時負載情況（計算結果見圖4），計算結構顯示當負載達到160t時新導向座發生屈服變形，導向座最大應力為345MPa，此時導向座導向塊背板中心的X方向位移（受力方向）1.57mm，Z方向（垂直受力張開方向）1.98mm，合位移為2.54mm。新導向座強度提升了約2.7倍，剛度更是提升了約4.8倍，達到了預期效果。結論：優化后的導向座單側屈服載荷由60t提升到160t（滯坯強拉過載達不到160t），導向座不再發生塑性變形；在60t載荷下彈性變形對連鑄機對弧精度的影響（0.67mm）很小。

3 在線結構優化實踐

由于檢修工期緊和現場條件限制，與離線加工的整體新備件更換的方法比較（綜合考慮工期、成本、質量、作業空間），選擇在線更換導向座立板實現導向座的強度和剛度提升的工藝方法。

3.1 直彎段導向座定位基準選定與投測

由于是在線修復導向座，立板的定位是修復的關鍵步驟，直接影響直彎段的定位精度。直彎段上下耳軸在同一條垂線上，上下耳軸中心線距離結晶器外弧線420mm，距離直彎段導向座立板的邊緣線的距離是770mm，即通過直彎段上耳軸座的位置可確定直彎段導向座的位置。由于直彎段上耳軸座中心距離結晶器外弧線的距離會定期檢測調整，因此選用直彎段上耳軸座為直彎段導向座的定位基準［3］。

圖4 新直彎段導向座應力及變形分析（負載160t）

3.2 舊直彎段導向座保護性拆除

原導向座立板和箱體梁之間是角焊縫未打坡口，將割槍口對著焊縫處成42度角割除，割除舊立板注意不能傷到箱體母材，一并將箱體打上全坡口。割除后對箱體焊接坡口用磨光機進行修磨，并在箱體內部東西側100mm處各加焊一塊加強筋板。利用磨光機將箱體東西兩側斷面修磨平整并用卷尺檢測箱體的長度，復測結果滿足設計要求（導向座箱體未發生屈服變形），立板焊接時只需將立板與箱體梁端部貼緊即可滿足寬度的定位。利用磨光機修磨箱體的上部立板定位塊區域，修磨后利用水準儀檢測箱體上部兩側的高度偏差，現場檢測高度偏差滿足設計要求，因此利用新立板上的定位塊即可實現高度方向的精確定位。

3.3 新直彎段（優化后）在線安裝與質量控制

通過直彎段上耳軸座與直彎段導向座的位置關系實現直彎段導向座主力板的安裝定位，具體定位步驟如下。

3.3.1 導向座立板畫線

在新制導向座立板上按圖5畫線，由于直彎段耳軸中心距離立板邊緣770mm，耳軸直徑為205mm，因此直線L1-L2與直線L3-L4即為直彎段耳軸的左右2根切線。

3.3.2 架設測量軸

將測量軸吊裝至直彎段上耳軸座上，在測量軸的軸頸端面處放2根線墜（圖7），為提高測量精度線墜選用0.2mm的細鋼線。

3.3.3 立板初步定位

將新制的立板吊裝在箱體處，定位塊與箱體上表面接觸，立板與箱體側面貼緊實現初步定位。

3.3.4 立板定位調整及焊接

通過測量軸及線墜調整導向座立板（圖6），使測量軸一側的2根線墜與導向座立板畫線相重合，2根線墜至立板L1、L2、L3、L4四個點的距離相等。如有偏差利用預加工的墊片進行微調，調整完成后將導向座定位焊接，然后由兩名焊工同步對稱焊接2條立板與箱體間的縱向焊縫，然后同步對稱焊接橫向焊縫。焊接過程中跟蹤立板變形情況，如有變形及時調整焊接步驟。

圖5 新立板畫定位線

圖6 測量軸吊裝圖

圖7 直彎段導向座立板定位原理圖

3.5 在線導向座導向塊精細調整

鑄坯中直彎段下耳軸受力較大且與導向座導向塊是線型接觸，因此為滿足直彎段對弧精度要求現場需定期調整導向塊墊片［4］。原來直彎段的對弧過程工作量較大且對弧精度和檢修效率偏低，現在利用直彎段上耳軸座可實現下耳軸的定位，利用其特點設計一款直彎段下耳軸定位裝置，完成直彎段導向座導向塊現場快速調整。

圖8 直彎段下耳軸定位塊定位示意圖

直彎段下耳軸定位裝置由上下耳軸連接板、水平板、上耳軸套、下耳軸套、固定板1、固定板2、連接螺栓、螺母、調節螺母、調節螺釘等零部件組成。水平板、上耳軸套、下耳軸套是先粗加工并留有加工余量后焊接到上下耳軸連接板上的，焊接后再上機床精加工。加工后上耳軸套與下耳軸套的外徑尺寸及同軸度及距離滿足直彎段圖紙中上下耳軸的定位及外形精度要求。水平板的上表面為機加工面，加工面與上耳軸套下耳軸套的軸心線所在平面相垂直。固定板1焊接到上下耳軸連接板上，對弧裝置通過固定板2、連接螺栓、螺母固定在直彎段上耳軸座上。調節螺母焊接在上下耳軸連接板上位于下耳軸套的下方，通過調節螺釘可完成水平板水平度的微調。

將定位裝置的上耳軸套裝到直彎段上耳軸座上。利用水平儀和調節螺釘調節水平板的水平度。水平調節完成后，將對弧裝置通過固定板2、連接螺栓、螺母固定在直彎段上耳軸座上。定位完成后利用塞尺可以測得直彎段下耳軸套與定位塊之間的間隙，得到定位塊的兩邊調節墊片需調整的量。通過測得數據調整完調節墊片厚度后即完成了直彎段下耳軸定位塊地精準定位。實踐證明直彎段導向座在線修復是可行的，通過在線修復將變形的直彎段導向座立板進行了更換及結構優化。

4 結論

通過三維有限元仿真計算，揭示原導向座設計強度和剛度都偏弱，校核優化后的新導向座在強度和剛度都有足夠大的提升，并且提高了導向座對惡劣工況的容忍度，提高了直彎段熱態對弧精度（動態）。在線修復后的優化導向座能充分滿足直彎段的冷態和熱態定位精度要求，直彎段與1＃段的在線對弧精度能穩定達到±0.3mm，完全滿足了工藝要求。經過生產考核，未見新導向座發生塑性變形，且多次更換直彎段的重復對弧精度滿足工藝要求。