趙 麗，張文玲，陳宏軍

(1．鞍山市技師學(xué)院，遼寧 鞍山114010;2．鞍鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司，遼寧 鞍山114021)

大方坯連鑄機(jī)拉矯機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算

趙 麗1，張文玲2，陳宏軍2

(1．鞍山市技師學(xué)院，遼寧 鞍山114010;2．鞍鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司，遼寧 鞍山114021)

鞍鋼大方坯連鑄機(jī)是國(guó)內(nèi)第1套國(guó)產(chǎn)化連鑄拉矯機(jī)，本文介紹了該連鑄拉矯機(jī)的設(shè)備組成，分析了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn);并對(duì)拉坯力、電機(jī)功率進(jìn)行了計(jì)算，確定了拉矯機(jī)矯直段基本半徑、鑄坯最大變形率、矯直變形次數(shù)等主要參數(shù)。

拉矯機(jī);矯直半徑;拉坯力;油氣潤(rùn)滑

0 前言

為提高市場(chǎng)占有率，滿足大H型鋼生產(chǎn)的需要，鞍鋼集團(tuán)建設(shè)了一條大方坯連鑄生產(chǎn)線，生產(chǎn)最大連鑄坯的斷面為280 mm×380 mm，年產(chǎn)量為80萬(wàn)t。拉矯機(jī)是大方坯連鑄生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇直接影響其性能。

1 鞍鋼拉矯機(jī)的結(jié)構(gòu)

拉矯機(jī)由以下幾個(gè)部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(1)機(jī)架。機(jī)架為鉗式，構(gòu)件均為箱形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部通水冷卻，以防機(jī)體在熱狀態(tài)下變形。

(2)驅(qū)動(dòng)裝置。拉矯機(jī)主傳動(dòng)電機(jī)采用矢量控制型變頻電動(dòng)機(jī)，有四象限運(yùn)行功能，適應(yīng)連續(xù)工作、高溫、頻繁啟動(dòng)和制動(dòng)要求，低速時(shí)轉(zhuǎn)矩平滑，無(wú)爬行現(xiàn)象。

(3)輥?zhàn)友b置。輥?zhàn)友b置可分為主動(dòng)輥與從動(dòng)輥。拉矯輥采用熱疲勞強(qiáng)度高的25CrMn4鋼制造，提高了使用壽命。采用自動(dòng)調(diào)以雙排滾子軸承支承，輥?zhàn)又行耐ㄋ鋮s，上下輥安裝要求嚴(yán)格，保證平行和對(duì)中。

(4)冷卻系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)。為了解決拉矯機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于高溫輻射下，其構(gòu)件將發(fā)生高溫蠕變。該設(shè)備使用了大量的水冷構(gòu)件。上、下橫梁、拉桿及輥?zhàn)佣疾捎脙?nèi)部通水冷卻，傳動(dòng)系統(tǒng)也采取了防熱措施。壓下裝置由一個(gè)可繞固定軸擺動(dòng)的框架和一個(gè)固定在框架頂端的液壓缸組成，壓力分冷壓和熱壓兩種:冷壓用于各流拉矯機(jī)傳動(dòng)輥壓下缸送裝引錠桿和用引錠桿拉坯，為液壓室內(nèi)機(jī)側(cè)手動(dòng)調(diào)節(jié);熱壓用于拉矯機(jī)傳動(dòng)輥壓下缸連續(xù)鑄造拉坯，可機(jī)側(cè)手動(dòng)調(diào)節(jié)，也可在主控室內(nèi)遠(yuǎn)程電動(dòng)調(diào)節(jié)并監(jiān)視，具有備用的調(diào)壓回路。為了防止由于管路泄漏造成事故，設(shè)置旁路安全閥裝置，保證生產(chǎn)順利進(jìn)行。

(5)油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)。拉矯機(jī)處于高溫、潮濕的惡劣環(huán)境下，干油在高溫下會(huì)很快碳化，根本不能起潤(rùn)滑作用。因此本設(shè)備采用了具有國(guó)際先進(jìn)水平的德國(guó)萊伯斯油氣潤(rùn)滑技術(shù)用于軸承和鏈潤(rùn)滑。

圖1 拉矯機(jī)Fig.1 Withdrawal-straighteningmachine

2 拉矯機(jī)拉坯力計(jì)算

拉矯機(jī)的設(shè)計(jì)主要是計(jì)算拉坯力，如圖2所示。從弧形鑄機(jī)的輥列中拉出鑄坯所受到的阻力(包括幫助拉坯的下滑力)，統(tǒng)稱為拉坯阻力，拉坯阻力是設(shè)計(jì)鑄機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本依據(jù)，包括結(jié)晶器內(nèi)的阻力、二次支撐裝置的阻力、鑄坯矯直阻力、鑄坯自重下滑力和其它阻力。

圖2 拉坯阻力示意圖Fig.2 Sketch of billet-withdrawal resistance

2.1 結(jié)晶器內(nèi)的阻力F1

鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的阻力主要包含鑄坯與結(jié)晶器內(nèi)壁的粘結(jié)力和鑄坯運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力兩部分，該阻力的大小與結(jié)晶器的內(nèi)腔尺寸、制造安裝精度、變形情況、潤(rùn)滑條件及振動(dòng)方式有關(guān)，按式(1)計(jì)算。

式中，μ為結(jié)晶器銅壁和熱坯之間的摩擦系數(shù)，μ=0.5;γ為鋼水的密度，7.0 g/cm3;Bmax=38 cm;D為結(jié)晶器厚度，D=28 cm;h0為結(jié)晶器液面至下口的垂直距離，h0=70 cm。

2.2 二次支撐裝置的阻力F2

阻力F2包括:鑄坯坯殼與二次支撐裝置夾輥間及夾輥軸承中的摩擦阻力，鑄坯“鼓肚”或冷卻不均勻引起鑄坯變形以及鑄坯冷縮時(shí)產(chǎn)生的阻力等。該阻力可按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取。

式中，K為系數(shù)，K=12 kg/cm3;S為在二次冷卻支承裝置內(nèi)的鑄坯斷面積，S=28 cm×38 cm。

2.3 鑄坯的矯直阻力F3

當(dāng)鑄坯通過(guò)矯直區(qū)時(shí)受到矯直力的計(jì)算方法如下。

(1)矯直阻力。在正常拉坯條件下，鑄坯所受的矯直力對(duì)拉坯產(chǎn)生兩方面的阻力，一是矯直力在矯直輥處引起的摩擦阻力，二是矯直力在鑄坯運(yùn)動(dòng)方向所產(chǎn)生的矯直阻力。

式中，n為矯直輥數(shù);μ1為矯直輥與鑄坯間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，μ1=0.024～0.03;θi為i號(hào)矯直輥與鑄機(jī)水平中心線的夾角;θ1=72.6264°，θ2=84.0856°，θ3=90°;ZDK為液壓缸加在矯直輥上的壓力，ZDK=490 000 N。

將各值代入式(3)得F31max=211 505 N

(2)摩擦阻力的計(jì)算。

式中，n為矯直輥數(shù)，n=3;μ1為矯直輥與鑄坯間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，μ1=0.024～0.03;Pi為i號(hào)矯直輥上的矯直反力，270 335 N。

將Ls=135 cm，σs=500 MPa，B=38 cm，D=28 cm各值代入式(4)得F32max=8 110，N。

2.4 鑄坯自重下滑力F4

在二次冷卻區(qū)內(nèi)的鑄坯因其自重而下滑，這有助于拉坯。

根據(jù)諸力對(duì)o點(diǎn)力矩的平衡條件，鑄坯自重產(chǎn)生的下滑力F4為

2.5 其他阻力F5

其他阻力主要包括切割阻力和有關(guān)的輥道阻力，計(jì)算時(shí)可按各種阻力之和的10%選取。

綜上所述，在正常拉坯條件下，從結(jié)晶器拉出至鑄坯被切斷為止，總的拉坯阻力F為

3 拉矯機(jī)電動(dòng)機(jī)功率的確定

3.1 拉坯功率

式中，F(xiàn)為拉坯阻力，N;υp為最大拉速，υp=1 m/min;η為總效率，η=90%

由于受力不同，速度不同，傳動(dòng)輥在拉坯時(shí)的功率和送引錠桿時(shí)的功率是不同的，應(yīng)分別計(jì)算，最后取計(jì)算的最大值作為選擇電動(dòng)機(jī)的依據(jù)。

3.2 送引錠桿的功率

式中，Pc為送引錠桿的阻力，包括傳動(dòng)輥的摩擦力、引錠桿自重產(chǎn)生的下滑力、引錠桿自重產(chǎn)生的摩擦力;Pc=106 036 N;υd為送引錠桿的最大速度，υd=4 m/min;η為總功率，η=90%。

以上計(jì)算均為正常拉坯和正常送引錠桿時(shí)所需的電機(jī)功率。如果考慮到事故狀態(tài)，F(xiàn)事故(拉坯阻力)=3F，則N1'=3 N1，3輥傳動(dòng)，則每輥電機(jī)功率為5.2 kW;考慮到送引錠桿需要點(diǎn)動(dòng)控制，則N2'=2 N2，3輥傳動(dòng)，則每輥電機(jī)功率為5.1 kW。

由于現(xiàn)場(chǎng)還有許多未知因素，因此該拉矯機(jī)的電動(dòng)機(jī)功率值取為6.6 kW，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)100 r/min/1 000 r/min/2 000 r/min;拉坯時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在額定基礎(chǔ)上往下調(diào)(恒轉(zhuǎn)矩);送引錠桿時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)在額定基礎(chǔ)上上調(diào)(恒功率)。

4 拉矯機(jī)矯直段主要參數(shù)的確定

現(xiàn)代大方坯連鑄機(jī)大部分采用帶液相進(jìn)行矯直，為了保證鑄坯質(zhì)量，防止鑄坯內(nèi)裂，采用的主要方法是多點(diǎn)矯直技術(shù)。

4.1 基本半徑的確定

連鑄機(jī)的基本半徑主要與鑄坯厚度有關(guān)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般合金鋼大方坯取鑄坯厚度的40～50倍作為基本半徑。也可用下式計(jì)算初定基本半徑。

式中，R為初定基本半徑，計(jì)算結(jié)果可取為50的整倍數(shù)，mm;a為鑄坯厚度，a=280 mm;S為鋼種系數(shù)，普碳鋼S=1，高碳鋼S=2，低合金鋼S=3;υ為拉坯速度，υ=1 000 mm/min。

4.2 鑄坯最大變形率

為使大方坯連鑄機(jī)在拉矯過(guò)程中的矯直變形率降低到＜0.1%甚至＜0.05%，需采取多點(diǎn)矯直。

式中，S為坯殼厚度，0.115 m(S取矯直區(qū)內(nèi)的平均值)。

計(jì)算結(jié)果εmax=0.211＞0.1～0.2%，因此應(yīng)進(jìn)行多點(diǎn)矯直。

4.3 矯直變形次數(shù)計(jì)算

式中，ε'=0.1%按產(chǎn)品假設(shè)每次的變形率＜0.1%是可以滿足要求的。

計(jì)算結(jié)果應(yīng)分3次進(jìn)行矯直，每次的變形率為0.065%左右。

4.4 矯直半徑的計(jì)算

式中，ε為矯直點(diǎn)處坯殼的變形率，取0.065%;S為矯直區(qū)內(nèi)凝固坯殼厚度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，取S=0.110～0.120 m;D為鑄坯厚度，D=0.28 m。

將上述值代入式(11)，得

5 拉矯機(jī)的特點(diǎn)

(1)采用了國(guó)際先進(jìn)的鉗式結(jié)構(gòu)，重量輕，使用、調(diào)整、維修方便;

(2)拉矯機(jī)主傳動(dòng)減速機(jī)采用螺旋傘齒輪行星減速機(jī)，采用外殼和內(nèi)部同時(shí)冷卻新工藝，以適應(yīng)高溫多塵的工作環(huán)境;

(3)三點(diǎn)矯直，鑄坯經(jīng)拉矯機(jī)后，不會(huì)產(chǎn)生表面裂紋和內(nèi)部裂紋;

(4)選用了德國(guó)萊伯斯油氣潤(rùn)滑技術(shù)，減少設(shè)備的故障率，大幅度提高軸承的使用壽命;

(5)主傳動(dòng)系統(tǒng)采用立式安裝電機(jī)和防熱措施，富有新意，得當(dāng)合理，效果顯著;

(6)機(jī)架布置安裝方便，檢修容易，對(duì)弧準(zhǔn)確。更換備品時(shí)，只須打出定位銷軸和拆開(kāi)快換接頭，大大提高了作業(yè)率，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度;

(7)冷卻水系統(tǒng)最低點(diǎn)設(shè)置排水閥和空氣吹掃，以及冷卻管路的保溫防凍，使本機(jī)達(dá)到盡善盡美的程度。

6 結(jié)論

鞍鋼第一煉鋼廠大方坯連鑄機(jī)自2000年1月2日第一次熱負(fù)荷試車成功至今，拉矯機(jī)工作順利可靠，本拉矯機(jī)無(wú)論在結(jié)構(gòu)上和性能上均可達(dá)到國(guó)外引進(jìn)的同類產(chǎn)品性能，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)第1套國(guó)產(chǎn)化的大方坯拉矯機(jī)，為國(guó)家節(jié)約了外匯。

［1］曹廣疇．現(xiàn)代板坯連鑄［M］，北京:冶金工業(yè)出版社，1994．

［2］北京鋼鐵設(shè)計(jì)研究院編．小方坯連鑄［M］，北京:冶金工業(yè)出版社，1984．

［3］羅振才．煉鋼機(jī)械［M］，北京:冶金工業(yè)出版社，1984．

［4］陳家祥．連續(xù)鑄鋼手冊(cè)［M］，北京:冶金工業(yè)出版社，1994．

Design and caculation for CC w ithdrawal-straightening machine

ZHAO Li1，ZHANGWen-ling2，CHEN Hong-jun2
(1．Anshan Technician Institute，Anshan 114034，China;2．Ansteel Engineeding Technology Co．，Ltd．，Anshan 114021，China)

The big square-billet continuous casting mill is the first localization CC withdrawal-straightening machine at home．The composition of CC withdrawal-straightening machine is introduced，and its structure characteristics are analyzed．The billet-withdrawn force and motor power were calculated．Somemain parameters(such as the basic radius in the straightening segment of the withdrawal-straighteningmachine，maximum defoemation rate of billet and deformation straightening times)were confirm．

withdrawal-straighteningmachine;straightening radius;billet-withdrawn force;oil-gas lubrication

TF777

A

1001－196X(2012)04－0076－04

2012－05－02;

2012－05－13

趙麗(1973－)，女，鞍山市技師學(xué)院。