板坯連鑄結(jié)晶器自動加渣機(jī)的研制

薛偉鋒 張文增 羅利華 馬獻(xiàn)德 徐濟(jì)民

(1.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司連鑄事業(yè)部，重慶 400013;2.清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京 100084)

結(jié)晶器保護(hù)渣是連鑄生產(chǎn)中不可或缺的冶金輔助材料，向結(jié)晶器內(nèi)加入保護(hù)渣，可潤滑結(jié)晶器壁，防止鋼液氧化，提高鋼坯質(zhì)量。

傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中，由工人用小鏟加入保護(hù)渣。渣料加入量及加入時(shí)間全憑工人的經(jīng)驗(yàn)決定，加渣比較隨意，渣料消耗大，工人勞動強(qiáng)度高;而且加料過程中渣料容易揚(yáng)塵，造成浪費(fèi)，污染環(huán)境，對工人身體也有傷害［2］。開發(fā)能夠代替工人勞動的自動加渣裝置成為連鑄生產(chǎn)自動化的迫切需要。

在20世紀(jì)70年代以前，各國連鑄領(lǐng)域均采用人工方式加入保護(hù)渣。之后，隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，開始逐步采用自動加入保護(hù)渣方法。目前國外已開發(fā)出多種類型的板坯結(jié)晶器自動加渣技術(shù)［3］，寶鋼、太鋼等國內(nèi)大中型鋼廠已引進(jìn)并投入使用國外進(jìn)口的自動加渣機(jī)。國內(nèi)也已開始對板坯結(jié)晶器自動加渣裝置進(jìn)行了多年的研發(fā)，但在應(yīng)用上還處于起步階段。

目前，我國除極少數(shù)鋼鐵企業(yè)采用進(jìn)口的保護(hù)渣自動給料裝置外，絕大多數(shù)鋼鐵企業(yè)都采用人工加渣。進(jìn)口的保護(hù)渣自動給料機(jī)價(jià)格昂貴，此外，目前國內(nèi)外的加渣設(shè)備均從結(jié)晶器前方(內(nèi)弧側(cè))加入保護(hù)渣，該區(qū)域是工人安裝結(jié)晶器液面自動控制裝置、更換浸入式水口、觀察澆注情況及出現(xiàn)結(jié)渣時(shí)進(jìn)行撈渣等操作的位置，自動加渣機(jī)在此處安裝必然會影響工人的正常工作。

針對傳統(tǒng)單自由度移動式自動加渣機(jī)適應(yīng)范圍有限、影響結(jié)晶器澆注位其他正常操作、保護(hù)渣添加頻繁等不足，本文研制了一種新型的兩自由度側(cè)方固定安裝式保護(hù)渣自動加入裝置。

1 自動加渣機(jī)的設(shè)計(jì)要求與難點(diǎn)

(1)該裝置可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)渣全封閉(防止雜質(zhì)侵入、防水、環(huán)保)順暢地輸送到結(jié)晶器中，輸送量可調(diào)，工作時(shí)無粉塵污染，與人工加渣相比，在結(jié)晶器口附近不會產(chǎn)生過多揚(yáng)塵。

(2)該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，能夠布置在中間罐車側(cè)位且不影響工人現(xiàn)行操作習(xí)慣，能夠沿著預(yù)先編程的平面路徑(如“8 字形”)自動運(yùn)動，將保護(hù)渣少加、勤加、均勻地加到結(jié)晶器內(nèi)，行程、速度可調(diào)。

保護(hù)渣層的厚度、均勻性等對板坯成形質(zhì)量影響大。結(jié)晶器內(nèi)不同位置的渣層由于溫度場、熔化速度的區(qū)別，單位時(shí)間所需保護(hù)渣量不同。自動加渣機(jī)能滿足對渣層厚度、布渣速度等的要求。

(3)適應(yīng)多種規(guī)格板坯要求，最大寬度為2 500 mm，最大厚度為450 mm;適應(yīng)多種粉末型、實(shí)心型和中空型顆粒保護(hù)渣使用。與人工加渣相比，提高渣料利用率，易換渣。

(4)該裝置操作簡便、運(yùn)行可靠、安全，機(jī)械效率高、耗電少、噪音小;設(shè)計(jì)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)合理，易于系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，成本低。

2 自動加渣原理分類與加渣機(jī)選型

通過對國內(nèi)外各類保護(hù)渣自動加入裝置的調(diào)研，可以歸納分析出以下多種保護(hù)渣自動加渣機(jī)的原理:

(1)按保護(hù)渣輸送和布料的動力來源分為:重力輸送、螺旋輸送、氣力輸送以及上述幾種輸送方式的混合。

(2)按適應(yīng)對象分為:方坯、圓坯加渣機(jī)和板坯加渣機(jī)。

(3)按裝置移動靈活性分為:移動式和固定式加渣機(jī)。

(4)按布料機(jī)構(gòu)運(yùn)動形式分為:一維平移型、一維轉(zhuǎn)動型、二維直角坐標(biāo)型、二維極坐標(biāo)型和三維等布料機(jī)構(gòu)。

現(xiàn)有產(chǎn)品的輸送動力多為重力式和螺旋式，部分采用氣力或振動。大多固定安裝，少數(shù)采用移動小車。

按照上述分類標(biāo)準(zhǔn)，所研制的新型加渣機(jī)具有以下特點(diǎn):采用重力輸送與螺旋輸送相混合的方式，適應(yīng)不同規(guī)格板坯的加渣，是一種固定式加渣機(jī)，且一臺加渣機(jī)對一個(gè)結(jié)晶器，帶有二維直角坐標(biāo)型布料機(jī)構(gòu)。

3 自動加渣機(jī)的工作原理

3.1 總體布局與操作

所研制的自動加渣機(jī)組成如圖1 所示，包括控制系統(tǒng)和由大料倉、輸送管道、布料機(jī)構(gòu)組成的加渣系統(tǒng)。其中大料倉位于鋼水罐操作平臺上，控制系統(tǒng)位于澆注平臺，布料機(jī)構(gòu)安裝在中間罐車的側(cè)面底部，輸送管道將大料倉與布料機(jī)構(gòu)相連通起來。每臺中間罐車均有一套布料機(jī)構(gòu)和相應(yīng)的輸送管道，每若干臺中間罐車可以共用一套大料倉和控制系統(tǒng)。當(dāng)更換中間罐車時(shí)，將輸送管道上的快換接頭、控制系統(tǒng)上的航插接頭取下，另一臺中間罐車移動到位后，再接上快換接頭和航插接頭。

3.2 加渣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的組成與加渣工作原理

加渣系統(tǒng)組成如圖2 所示，包括大料倉、電動蝶閥、軟管、螺旋輸送機(jī)和二維直角坐標(biāo)加渣機(jī)構(gòu)。其中，大料倉固定于鋼水罐操作平臺上，機(jī)構(gòu)安裝于中間罐車側(cè)面下方，機(jī)構(gòu)末端安裝著帶小料斗和彎曲導(dǎo)料管的螺旋輸送機(jī)，大料倉與小料斗之間通過電動蝶閥和軟管相連通。

加渣機(jī)的控制系統(tǒng)包括PLC、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、變頻器、繼電器陣列、文本顯示器、控制面板、接口電路等。

加渣工作原理為:PLC 控制二維直角坐標(biāo)加渣機(jī)構(gòu)的直流步進(jìn)電機(jī)帶動螺旋輸送機(jī)按預(yù)設(shè)的“8”字形路徑運(yùn)動，布料路徑如圖3所示。同時(shí)通過變頻器驅(qū)動螺旋輸送機(jī)上的交流電機(jī)旋轉(zhuǎn)輸送保護(hù)渣。

圖1 加渣機(jī)總體布局及與結(jié)晶器、中間罐車的位置示意(俯視)Figure 1 Schematic sketch of entire distribution of flux feeder and correspondence positions of mold and middle tank cars(planform)

圖2 加渣系統(tǒng)的組成示意Figure 2 Schematic sketch of flux feeder system constitutes

4 自動加渣機(jī)的重要功能

4.1 加渣路徑調(diào)節(jié)

工作路徑上預(yù)定了若干個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，利用加渣機(jī)構(gòu)行走的X、Y 方向上共6 個(gè)極限與歸零行程開關(guān)來指定這些關(guān)鍵點(diǎn)。操作人員可根據(jù)實(shí)際不同板坯規(guī)格、鋼種和保護(hù)渣等情況通過文本顯示器修改內(nèi)部變量參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對布料路徑和加料時(shí)段的實(shí)時(shí)調(diào)控。

4.2 料位檢測

小料斗內(nèi)的低位料位計(jì)檢測到小料斗缺料時(shí)，系統(tǒng)開啟電動蝶閥，大料倉中的部分保護(hù)渣通過重力下落到小料斗中;小料斗內(nèi)的高位料位計(jì)檢測到料已加滿后，系統(tǒng)關(guān)閉電動蝶閥。

大料倉內(nèi)的低位料位計(jì)檢測到大料倉缺料時(shí)，系統(tǒng)給出警告提示工人給大料倉加料;多個(gè)料位計(jì)檢測到大料倉可能結(jié)拱時(shí)，系統(tǒng)開啟電磁閥通入壓縮空氣(或氮?dú)?到大料倉中，防止結(jié)拱。

4.3 原點(diǎn)設(shè)置和位置校正

系統(tǒng)初始運(yùn)行時(shí)，需設(shè)定工作原點(diǎn)(即A 點(diǎn))對工作路徑進(jìn)行定位。以Y1 點(diǎn)為基準(zhǔn)，設(shè)定A點(diǎn)到Y(jié)1 點(diǎn)的距離。若需改變A 點(diǎn)位置，工人可通過文本顯示器修改相應(yīng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖3 加渣機(jī)的布料路徑設(shè)計(jì)Figure 3 Material route design of flux feeder

現(xiàn)場各種干擾和步進(jìn)電機(jī)丟步現(xiàn)象的發(fā)生，使布料機(jī)構(gòu)運(yùn)行一段時(shí)間后，工作原點(diǎn)可能已偏離最初標(biāo)定的A 點(diǎn)。偏離誤差積累過大將導(dǎo)致系統(tǒng)故障。因此，給定一個(gè)保守的估計(jì)值n(比如n=5)，認(rèn)為系統(tǒng)運(yùn)行n 個(gè)周期后，其原點(diǎn)位置已不可信，強(qiáng)制系統(tǒng)重新歸零，即回到Y(jié)1 點(diǎn)(該點(diǎn)位置由行程開關(guān)決定，是精確的)。再根據(jù)PLC中存儲的工作原點(diǎn)坐標(biāo)值，回到A 點(diǎn)，重新將A點(diǎn)設(shè)為工作原點(diǎn)，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

4.4 換水口、換中間罐車操作

換水口時(shí)，可以手動控制本系統(tǒng)停止加渣，出料管向中間罐車后方移動到極限位置，等待換水口工作完成后，再恢復(fù)正常工作。

換中間罐車時(shí)，關(guān)閉電動蝶閥，脫開布料機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)的航插和快換接頭。移開此臺中間罐車，移入另一臺中間罐車。再接上航插和快換接頭，等待澆注開始后正常工作。

此外，工人可在結(jié)晶器前方完成現(xiàn)行其他操作，該裝置的增加并不影響工人以前的操作習(xí)慣和操作內(nèi)容的完成。

5 自動加渣機(jī)的分析計(jì)算

5.1 大料倉容積VB與下部的錐角α

保護(hù)渣的安息角為θ=40°，保護(hù)渣堆積密度取為ρ=800 kg/m3。

生產(chǎn)所需保護(hù)渣的最大量為Qmax=200 kg/h。對大料倉按一次加料滿足半個(gè)班4 h 需求量計(jì)算，Q=800 kg。

故所需保護(hù)渣體積V0=Q/ρ=1 m3，考慮一定的余量，取VB=1.2 m3。則αmax=2θ=80°。

考慮一定的余量，取α=60°。

5.2 小料斗容積VS

保護(hù)渣每小時(shí)輸送的最大量(體積)為

設(shè)定每小時(shí)大料倉往小料斗加料10 次，則小料斗的容積至少為

考慮一定的余量，取VS=30 L。

5.3 輸送管徑?與水平傾角β

設(shè)當(dāng)小料斗缺料時(shí)，須在t=30 s 內(nèi)從大料倉將占小料斗容積90%的保護(hù)渣輸送到小料斗中。保護(hù)渣在管道中的下落速度為v=0.5 m/s，則

故?=48 mm。

βmin=90°-θ=50°，考慮一定的余量，取β=60°。

5.4 出料管熱強(qiáng)性與剛度

出料管(如圖4 所示)為3 m 長的水平管道，前端有半徑為1.59 m 的弧形彎曲。由于鋼管不承受重載，只要在該溫度下具有一定持久強(qiáng)度即可，且現(xiàn)場溫度不超過400℃，故而選用含Mo 的低合金鋼［6］，提高熱強(qiáng)度。而選用含Cr 的合金鋼，可以有效提高抗氧化性。故選用15CrMog 鋼管，其在500℃的10 萬小時(shí)持久強(qiáng)度仍為σ105=145 MPa，可滿足使用要求。

圖4 出料管與結(jié)晶器口Figure 4 Discharge steel pipe and mold mouth

為計(jì)算方便，不妨把出料管視為長L=3.2 m，外徑R=83 mm，內(nèi)徑r=73 mm 的直管，可算得出料管在自重及滿料管下末端撓度w 為w=(mgL3)/(8EI)。

式中，m 為出料管質(zhì)量，m=πρ'(R2-r2)L，出料管材質(zhì)密度ρ'=7 900 kg/m3;g 為重力加速度;g=9.8 m/s2;E 為出料管材料的彈性模量E=206 GPa，出料管截面相對中性軸的慣性矩I=π(R4-r4)/4。代入上式得撓度w=1.6 mm?？紤]到出料管內(nèi)有螺旋鋼絲、陶瓷襯墊和保護(hù)渣，因此，撓度w 估計(jì)達(dá)到3 mm，此撓度不影響加渣機(jī)正常工作，因此所設(shè)計(jì)出料管是可行的。

5.5 螺旋輸送電機(jī)功率計(jì)算

計(jì)算軸功率:

式中，k0為保護(hù)渣顆粒間磨擦及攪拌所引起阻力系數(shù)，查表得1.2;k1與填充系數(shù)有關(guān)，一般取0.7～0.9，填充系數(shù)較大，取0.9;μ外為物料與管壁間的摩擦系數(shù)及物料與螺旋面間的摩擦系數(shù)的平均值。

μ外=(μ1+μ2)/2，其中μ1是與螺旋間的摩擦系數(shù)，取為1，μ2是物料與管壁的摩擦系數(shù)，取0.7。故μ外=0.85，取為1。

η螺為螺旋效率。η螺=tanαL/tan(αL+γ)。

αL=atan(S/2πD)=atan(60/(2π×40))=9.043°

γ=atanμ1=45°，故計(jì)算得η螺=0.115。

η止為考慮止推或徑向的阻力系數(shù)，自由端不考慮，取1。可得:

電機(jī)功率Pd=kdP/η2。

式中，kd為功率備用系數(shù)，取1.4，η2為可彎曲螺旋輸送機(jī)驅(qū)動裝置的總效率，取0.78。則

Pd=kdP/η2=72.96 W

實(shí)際螺旋設(shè)備，由于螺旋絲與保護(hù)渣沉淀不斷摩擦，這部分損耗的功率難以預(yù)測，此外，由于導(dǎo)料管彎曲帶來較大的摩擦損耗，需采用較大的安全系數(shù)(此處取為10)，得到730 W。

另外，布料機(jī)構(gòu)還進(jìn)行了相應(yīng)的力學(xué)分析，包括出料管運(yùn)動后處于4 個(gè)極限位置時(shí)的縱向力矩平衡和橫向力矩平衡等的校核。經(jīng)過計(jì)算，所設(shè)計(jì)的布料機(jī)構(gòu)形式是安全可行的。

6 自動加渣機(jī)具體設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

側(cè)裝式自動加渣機(jī)布料部分的三維樣機(jī)設(shè)計(jì)如圖5 所示。所研制的自動加渣機(jī)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)機(jī)如圖6 所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的自動加渣機(jī)是有效的，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。新型自動加渣機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn):利用重力和螺旋輸送方式將保護(hù)渣從大料倉輸送到結(jié)晶器中，可以適應(yīng)不同規(guī)格板坯的加渣。

圖5 側(cè)裝式自動加渣機(jī)三維電子樣機(jī)Figure 5 Three dimension specimen machine for side mounting type automatic flux feeder

圖6 所研制的側(cè)裝式自動加渣機(jī)Figure 6 Developed side mounting type automatic flux feeder

目前還存在以下問題待進(jìn)一步優(yōu)化完善:(1)螺旋輸送機(jī)前端導(dǎo)料管的彎曲弧度優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。目前由于導(dǎo)料管彎曲，內(nèi)部彈簧絲的旋轉(zhuǎn)存在非周期的波動，且會造成一定的噪音污染，尤其是對加料均勻性存在影響。(2)導(dǎo)料管前端加料點(diǎn)比較集中希望能適當(dāng)分散加料點(diǎn)，以保證更好的少加、勤加和勻加。(3)大料倉堆積的保護(hù)渣時(shí)間長了可能會造成吸收空氣中的水分產(chǎn)生結(jié)拱現(xiàn)象。

7 結(jié)論

所研制的新型兩自由度側(cè)方固定安裝式保護(hù)渣自動加渣機(jī)，利用重力和螺旋輸送方式將保護(hù)渣從大料倉輸送到結(jié)晶器中，可以適應(yīng)不同規(guī)格鑄坯加渣，實(shí)現(xiàn)不同路徑的均勻加渣，加渣量可控，不影響工人前方(內(nèi)弧側(cè))其他正常操作，有利于提高鑄坯質(zhì)量和渣料利用率，降低操作者勞動強(qiáng)度。

［1］任吉堂，朱立光，王書桓.連鑄連軋理論與實(shí)踐［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2002.

［2］王瑩葉，李保才，王偉.板坯連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣自動加渣技術(shù)的探討［J］.2007，29(12):44-46.

［3］Alex Kwong.Stelco Hilton 廠板坯和方坯鑄機(jī)結(jié)晶器顆粒保護(hù)渣加入器的設(shè)計(jì)使用［J］.現(xiàn)代冶金，2005，2:27-30.

［4］http://www.ramon.com.cn/products_zw.aspx?newsId=20080701143008848，2011.5.10.

［5］周順深.低合金耐熱鋼.上海:上海人民出版社，1976.

［6］胡勇克，戴莉莉，皮亞南.螺旋輸送器的原理及設(shè)計(jì).南昌大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，22(4):29-33.