板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器錐度偏差分析及改進(jìn)措施

劉占鋒 郭世晨 楊春寶 張會(huì)良

(首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司 河北唐山063200)

1 序言

結(jié)晶器錐度是板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)中的主要參數(shù)，對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)定和鑄坯質(zhì)量有很大影響，在澆鋼過(guò)程中結(jié)晶器錐度與設(shè)定值偏差大時(shí)，會(huì)影響鑄坯對(duì)結(jié)晶器的傳熱，增加拉坯阻力和結(jié)晶器銅板的磨損，甚至拉裂坯殼造成漏鋼［1－4］。首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司有3 臺(tái)達(dá)涅利設(shè)計(jì)的板坯連鑄機(jī)、1 臺(tái)自主創(chuàng)新的板坯連鑄機(jī)，其結(jié)晶器在使用過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生跑錐的現(xiàn)象:即停澆后錐度與開(kāi)澆前錐度發(fā)生變化，最大曾出現(xiàn)近4mm 的偏差，還曾發(fā)生過(guò)因錐度偏差大造成的漏鋼事故，影響倒角結(jié)晶器及在線調(diào)寬功能的投入，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)和效益造成很大影響。本文結(jié)合生產(chǎn)運(yùn)行中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，從設(shè)計(jì)、安裝維護(hù)和測(cè)量方法等方面提出了保證錐度的改進(jìn)措施，保證了結(jié)晶器錐度的穩(wěn)定，為倒角結(jié)晶器的使用及在線調(diào)寬功能的投入提供了保障，對(duì)提高鑄坯質(zhì)量問(wèn)題有著重要意義。

2 跑錐現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)

由于在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生過(guò)因錐度偏差大造成的漏鋼事故，因此要求在鑄機(jī)開(kāi)澆前和停澆后分別對(duì)結(jié)晶器的錐度進(jìn)行測(cè)量，跟蹤澆注前后的錐度偏差值。改善前統(tǒng)計(jì)的錐度偏差的流程能力分析如圖1 所示，其中規(guī)格上、下限根據(jù)工藝要求按±1mm 設(shè)定:

式中 σ—錐度偏差數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差;

USL—規(guī)格上限;

LSL—規(guī)格下限;

Cp—流程能力;

CPL—對(duì)規(guī)格下限的流程能力;

CPU—對(duì)規(guī)格上限的流程能力;

Cpk—規(guī)格下限和規(guī)格上限流程能力的最小值。

從過(guò)程能力分析結(jié)果看，錐度偏差均值－0.34mm，流程能力Cp為0.98、Cpk為0.65，說(shuō)明整個(gè)流程中錐度偏差值波動(dòng)較大甚至超出控制線，亟需改善。

圖1 結(jié)晶器改善前錐度偏差的過(guò)程能力分析圖

3 調(diào)寬系統(tǒng)組成及錐度計(jì)算方法

結(jié)晶器調(diào)寬系統(tǒng)常用的有液壓式和減速機(jī)絲杠式兩種，絲杠式結(jié)晶器調(diào)寬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2 所示，調(diào)寬系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分為伺服電機(jī)，傳動(dòng)部分包括萬(wàn)向聯(lián)軸器、蝸輪蝸桿減速機(jī)、滾柱絲杠等。調(diào)寬過(guò)程中伺服電機(jī)通過(guò)萬(wàn)向聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿減速機(jī)，蝸輪蝸桿減速機(jī)驅(qū)動(dòng)滾柱絲杠將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器窄邊的調(diào)寬功能。

減速機(jī)絲杠式調(diào)寬系統(tǒng)靠伺服電機(jī)編碼器數(shù)值根據(jù)調(diào)寬系統(tǒng)幾何尺寸計(jì)算結(jié)晶器窄邊銅板的錐度，不考慮由于傳動(dòng)系統(tǒng)本身間隙、誤差造成的錐度偏差，同時(shí)也無(wú)法檢測(cè)運(yùn)行過(guò)程中結(jié)晶器銅板實(shí)際錐度的變化，絲杠式結(jié)晶器調(diào)寬系統(tǒng)錐度T 及伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)對(duì)錐度的影響Δt 計(jì)算方法分別如式(5)和(6)所示:

圖2 結(jié)晶器調(diào)寬系統(tǒng)組成

式中 NU—上傳動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，r/min;

NL—下傳動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，r/min;

H2—上下絲杠中心距，mm;

H—銅板長(zhǎng)度，mm;

I—蝸輪蝸桿減速機(jī)速比;

S—絲杠導(dǎo)程，mm。

實(shí)際設(shè)計(jì)中蝸輪蝸桿減速機(jī)速比I=0.01，滾柱絲杠導(dǎo)程S=10mm，銅板長(zhǎng)度H=900mm，上下絲杠中心距H2=550mm，下部絲杠距銅板下沿的距離H1=125mm、上部絲杠距銅板上沿的距離H3=225mm，則傳動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，滾柱絲杠行程0.1mm，對(duì)錐度影響值Δt 為0.16mm，同樣傳動(dòng)系統(tǒng)每0. 1mm 間隙對(duì)錐度的影響可達(dá)0.16mm。

4 跑錐原因分析

通過(guò)結(jié)晶器調(diào)寬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及對(duì)錐度偏差大的結(jié)晶器解體分析的結(jié)果表明，造成結(jié)晶器跑錐的原因主要有設(shè)計(jì)因素和安裝維護(hù)兩方面。

4.1 影響錐度的設(shè)計(jì)因素

調(diào)寬系統(tǒng)包括上部傳動(dòng)系統(tǒng)和下部傳動(dòng)系統(tǒng)，傳動(dòng)系統(tǒng)各部件之間的配合間隙如表1 所示。

由表1 可知:上部傳動(dòng)系統(tǒng)最小和最大間隙分別為0.04mm 和0.19mm，下部傳動(dòng)系統(tǒng)最小和最大間隙分別為0.04mm 和0.39mm。在完全符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)公差要求的條件下，如果調(diào)寬過(guò)程最后上部向內(nèi)、下部向外調(diào)整時(shí)，理論極限間隙狀態(tài)下即上部傳動(dòng)部分累計(jì)間隙為0.19mm、下部間隙為0.39mm 時(shí)，按照設(shè)計(jì)尺寸每0.1mm 間隙對(duì)錐度的影響0. 16mm 計(jì)算，錐度偏差最大可達(dá)0.93mm。

4.2 影響錐度的安裝維護(hù)因素

1)調(diào)寬減速機(jī)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用后，由于蝸桿、軸承磨損造成蝸桿軸向間隙增大，最大到0.4mm ～0.5mm;

2)滾柱絲杠(圖2 中件4 所示)M140 ×3 的鎖母松動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)檢查鎖母松動(dòng)最大在1/6 圈，折合絲杠軸向間隙約為0.5mm;

3)窄邊背板下部方孔與滑動(dòng)方套變形，窄邊背板與滾柱絲杠之間靠銷軸和滑動(dòng)方套連接，滑動(dòng)方套的外形尺寸850－0.1與窄邊背板方孔的外形尺 寸85+0.10尺寸之間的間隙理論最大值為0.2mm，實(shí)際使用后方套和背板方孔都存在變形現(xiàn)象，最大間隙達(dá)2mm;

4)窄邊水箱與窄邊背板之間靠圖2 中件7 所示的連接螺栓和下部的燕尾槽固定，在線使用后由于燕尾槽部分的磨損銹蝕，造成窄邊水箱與窄邊背板下部產(chǎn)生間隙，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可達(dá)0.2mm～0.3mm。

5 保精度穩(wěn)定的改進(jìn)措施

5.1 調(diào)寬減速機(jī)精度測(cè)量方法改進(jìn)

前期使用過(guò)程中蝸輪蝸桿減速機(jī)在間隙控制上缺乏標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量方法，為了保證減速機(jī)的精度，在結(jié)晶器修復(fù)流程中增加調(diào)寬減速機(jī)間隙的測(cè)量調(diào)整工序，通過(guò)解體分析減速機(jī)的結(jié)構(gòu)及尺寸超標(biāo)情況，制訂了減速機(jī)間隙的測(cè)量調(diào)整方案，調(diào)整減速機(jī)蝸輪及蝸桿軸向間隙，減速機(jī)蝸桿軸向間隙調(diào)整示意圖如圖3 所示。

圖3 減速機(jī)蝸桿軸向間隙調(diào)整示意圖

如圖3 所示，調(diào)整過(guò)程中先拆除A 所示的護(hù)罩，在蝸桿端部B 所示的位置用百分表檢測(cè)蝸桿的軸向間隙，調(diào)整時(shí)松開(kāi)E 所示的緊固螺釘拆除端蓋D 及軸端密封F，通過(guò)調(diào)整墊片C 使蝸桿軸向間隙小于0.05mm，同樣方法對(duì)蝸輪軸向間隙進(jìn)行調(diào)整，使蝸輪軸向間隙小于0.03mm，保證減速機(jī)本身的精度滿足調(diào)寬使用條件。

5.2 滾柱絲杠精度改進(jìn)措施

滾柱絲杠主要間隙產(chǎn)生位置在圖2 中件4 所示的M140 ×3 鎖母，制作了專用連接扳手結(jié)合力矩扳手用固定力矩對(duì)鎖母進(jìn)行緊固，防止產(chǎn)生間隙。同時(shí)其套筒與背板連接部位的尺寸為φ65H7，銷軸尺寸為φ65g6，要求結(jié)晶器修復(fù)時(shí)解體檢測(cè)銷軸及連接孔的尺寸，對(duì)間隙超差部位通過(guò)補(bǔ)焊修復(fù)保證間隙要求。

5.3 窄邊背板精度改進(jìn)措施

結(jié)晶器窄邊背板與水箱改進(jìn)圖如圖4 所示，為了減小窄邊背板與窄邊水箱之間在調(diào)寬過(guò)程中產(chǎn)生間隙，在窄邊背板與窄邊水箱之間增加螺栓連接(圖中件3 所示)，即在窄邊背板上增加兩個(gè)φ22 的通孔，并在窄邊水箱對(duì)應(yīng)位置增加M20 的螺孔，用兩條M20 ×70 的螺栓將窄邊水箱與窄邊背板下部緊固，保證在調(diào)寬過(guò)程中窄邊背板不會(huì)與窄邊水箱脫離產(chǎn)生間隙，從而避免對(duì)錐度的影響和漏水現(xiàn)象的發(fā)生。

圖4 結(jié)晶器窄邊背板與水箱改進(jìn)圖

同時(shí)由于在錐度調(diào)整過(guò)程中窄邊背板垂直角度變化會(huì)造成絲杠端部中心孔直線距離變大，因此在設(shè)計(jì)時(shí)背板下部使用方孔與滑動(dòng)方套連接，滑動(dòng)方套與窄邊背板方孔的間隙設(shè)計(jì)最大值為0.2mm。為了減少傳動(dòng)部分的累積間隙在結(jié)晶器修復(fù)時(shí)將背板方孔恢復(fù)到原始尺寸，對(duì)方套進(jìn)行選配保證安裝后間隙在0.1mm 以內(nèi)。

5.4 傳動(dòng)系統(tǒng)累積間隙測(cè)量方法

結(jié)晶器修復(fù)后為了測(cè)量調(diào)寬系統(tǒng)的累積間隙，提出了用百分表測(cè)量累積間隙的方法，即在圖2 中窄邊銅板A、B 位置及滾柱絲杠端部C、D 位置分別安裝百分表，轉(zhuǎn)動(dòng)減速機(jī)，記錄兩塊百分表數(shù)據(jù)的變化，可以統(tǒng)計(jì)每個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的累積間隙及沿絲杠軸向的間隙。

同時(shí)為了避免由于寬邊夾緊摩擦力的作用下造成窄邊背板方孔變形，在測(cè)量時(shí)要求結(jié)晶器打開(kāi)狀態(tài)時(shí)結(jié)晶器窄邊向外運(yùn)動(dòng)，結(jié)晶器寬邊關(guān)閉狀態(tài)時(shí)結(jié)晶器窄邊向內(nèi)側(cè)運(yùn)動(dòng)。

6 錐度測(cè)量方法標(biāo)準(zhǔn)化

結(jié)晶器窄邊銅板示意圖如圖5 所示，銅板設(shè)計(jì)為多錐度銅板，自身錐度分為A、B、C 三個(gè)區(qū)域，T1為A 處原始錐度，T2為C 處原始錐度，因此要求測(cè)量時(shí)錐度儀的擺放位置必須在B 區(qū)域。同時(shí)錐度儀在每次使用前必須使用校準(zhǔn)板進(jìn)行校準(zhǔn)，定期由專人進(jìn)行校核。通過(guò)對(duì)操作人員的培訓(xùn)，排出了測(cè)量方法及工具不準(zhǔn)引起的錐度偏差。

圖5 結(jié)晶器窄邊銅板示意圖

7 結(jié)論及展望

結(jié)晶器錐度的保持涉及到備件質(zhì)量、點(diǎn)檢維護(hù)及生產(chǎn)操作的各個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)設(shè)備運(yùn)行中的經(jīng)驗(yàn)，提出了結(jié)晶器修復(fù)過(guò)程中精度的改進(jìn)及保證措施，規(guī)范了錐度測(cè)量的操作方法，通過(guò)以上措施保證了結(jié)晶器的精度，結(jié)晶器改善后半年的錐度偏差值過(guò)程能力分析如圖6 所示，從過(guò)程能力分析結(jié)果看，錐度偏差均值－0.22mm，流程能力Cp改善為2.07，Cpk改善為1.61，說(shuō)明整個(gè)流程中錐度偏差值波動(dòng)變小，更接近目標(biāo)值，有很大改善，為鑄機(jī)生產(chǎn)穩(wěn)定及結(jié)晶器在線調(diào)寬技術(shù)、倒角結(jié)晶器技術(shù)的應(yīng)用提供了設(shè)備保障，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 結(jié)晶器改善后錐度偏差的過(guò)程能力分析圖

下一步隨著在線調(diào)寬量的增加，對(duì)結(jié)晶器錐度要求更高，擬對(duì)調(diào)寬系統(tǒng)增加在線錐度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以進(jìn)一步提高設(shè)備精度。

［1］王文學(xué)，劉趙衛(wèi)，王受田等.板坯連鑄機(jī)組合式結(jié)晶器跑錐問(wèn)題的分析與改進(jìn)［J］.重型機(jī)械，2010(4).

［2］蔡開(kāi)科. 連鑄結(jié)晶器［M］. 北京:冶金工業(yè)出版社，2008.

［3］蔡開(kāi)科. 連鑄坯質(zhì)量控制［M］. 北京:冶金工業(yè)出版社，2010.

［4］劉明延，李平，欒興家等. 板坯連鑄機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990.