單缸結(jié)晶器液壓振動(dòng)裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)

李新強(qiáng)，何博，宋美娟，梁子福，涂家佳

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安，710032)

單缸結(jié)晶器液壓振動(dòng)裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)

李新強(qiáng)，何博，宋美娟，梁子福，涂家佳

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安，710032)

針對(duì)單缸結(jié)晶器液壓振動(dòng)裝置在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中出現(xiàn)的活塞桿側(cè)向撕裂性問(wèn)題，對(duì)原裝置中的驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，將螺栓螺母直連方式改進(jìn)為鉸接式結(jié)構(gòu)，提高了液壓缸的使用壽命，同時(shí)采用反向同步階梯模型，在提高拉速的同時(shí)保證了負(fù)滑脫時(shí)間，減小了振痕深度。

液壓振動(dòng)；驅(qū)動(dòng)改造；負(fù)滑脫時(shí)間

0 前言

結(jié)晶器液壓振動(dòng)裝置目的是防止鋼液在結(jié)晶器中凝固過(guò)程中與結(jié)晶器銅壁發(fā)生粘結(jié)而出現(xiàn)粘掛或拉漏事故,進(jìn)而減少鑄坯的摩擦阻力,提高鑄坯表面質(zhì)量和連鑄機(jī)的作業(yè)率[1]。小方坯連鑄機(jī)普遍采用結(jié)晶器電磁攪拌式全弧形連鑄機(jī)型，為適應(yīng)這種連鑄機(jī)負(fù)荷較大、流數(shù)多、流間距小的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種單缸結(jié)晶器液壓振動(dòng)裝置，并在多臺(tái)連鑄機(jī)生產(chǎn)中應(yīng)用。

在該裝置初期使用過(guò)程中，液壓缸活塞桿發(fā)生側(cè)向撕裂性磨損，液壓缸使用壽命不能得到保證。中重院對(duì)振動(dòng)裝置液壓缸連接方式進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，有效地解決了該問(wèn)題。

由于業(yè)主在初期使用過(guò)程中受到機(jī)械振動(dòng)的影響，在振動(dòng)模型的選擇上依然采用恒振幅，變振頻的模式，當(dāng)拉速提高到一定程度之后，負(fù)滑脫時(shí)間不能得到有效保證；在采用了中重院提供的反向同步階梯模型之后，拉速和負(fù)滑脫時(shí)間得到了良好的匹配。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

結(jié)晶器液壓振動(dòng)裝置具有振動(dòng)參數(shù)在線可調(diào)、可實(shí)現(xiàn)正弦和非正弦曲線運(yùn)動(dòng)等特點(diǎn)。與機(jī)械式振動(dòng)裝置相比在對(duì)鋼種的適用性、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)量及作業(yè)率等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)；同時(shí)還具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕等優(yōu)點(diǎn)。

小方坯結(jié)晶器液壓振動(dòng)裝置主要由振動(dòng)固定底座、振動(dòng)工作臺(tái)、結(jié)晶器支座、液壓缸驅(qū)動(dòng)裝置、緩沖機(jī)構(gòu)以及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等組成。

結(jié)晶器液壓振動(dòng)裝置通過(guò)振動(dòng)固定座、振動(dòng)工作臺(tái)、液壓缸驅(qū)動(dòng)裝置、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、緩沖裝置及結(jié)晶器支座等來(lái)固定支撐結(jié)晶器并使結(jié)晶器產(chǎn)生設(shè)定的曲線運(yùn)動(dòng)。其中結(jié)晶器支座上設(shè)有接水用平面橡膠密封圈，可實(shí)現(xiàn)與結(jié)晶器自動(dòng)水連接；其上活節(jié)螺栓和對(duì)中銷軸可實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器的固定和自動(dòng)對(duì)中。

結(jié)晶器液壓振動(dòng)裝置的主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 液壓振動(dòng)裝置性能參數(shù)

2 驅(qū)動(dòng)裝置改造設(shè)計(jì)

早期設(shè)計(jì)中裝置振動(dòng)架與液壓缸連桿采用螺母擰緊直連方式(圖1)，液壓缸法蘭與裝置固定架螺栓螺母連接(圖2)。

圖1 原設(shè)備連桿與振動(dòng)架連接方式

圖2 原設(shè)備液壓缸與固定架連接方式

采用該連接方式，對(duì)設(shè)備的加工精度及裝配精度要求很高。連桿如果承受周期性的徑向載荷，就會(huì)導(dǎo)致液壓缸活塞桿與油缸內(nèi)腔產(chǎn)生周期性摩擦。如果不能保證對(duì)油缸的周期性檢修，長(zhǎng)時(shí)間的摩擦就會(huì)導(dǎo)致活塞桿的撕裂性磨損，液壓缸壽命就會(huì)大大降低。小方坯連鑄機(jī)還存在流間距小，布置緊湊等特點(diǎn)，如果將振動(dòng)裝置布置在鑄機(jī)內(nèi)弧側(cè)，密封室外側(cè)，那么在線檢修液壓缸的可能性幾乎沒(méi)有。因此，如果液壓缸頻繁產(chǎn)生上述問(wèn)題，大部分情況下必須下線檢修，這樣就會(huì)大大影響鑄機(jī)的作業(yè)率。

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，將液壓振動(dòng)裝置的驅(qū)動(dòng)部分由原來(lái)的直連式結(jié)構(gòu)改進(jìn)為鉸接式結(jié)構(gòu)。改造后振動(dòng)架與活塞桿采用鉸接式連接，即在振動(dòng)架與活塞桿連接處采用徑向球面滑動(dòng)軸承GE70ES-2RS(圖3)，液壓缸缸體與固定架連接處采用鑲嵌式固體自潤(rùn)滑軸承(JFB 60)鉸接(圖4)。

圖3 改造后活塞桿與振動(dòng)架連接方式

圖4 改造后缸體與固定架連接方式

改造方案可以使驅(qū)動(dòng)裝置在使用過(guò)程中有一定的徑向角度補(bǔ)償，有效地避免了硬連接磨損情況的出現(xiàn)。

經(jīng)改造后，振動(dòng)裝置上線使用近1年半，未下線檢修，沒(méi)有出現(xiàn)液壓缸滲漏及活塞桿磨損現(xiàn)象，極大地延長(zhǎng)了液壓缸的使用壽命。

3 工藝模型改進(jìn)設(shè)計(jì)

改進(jìn)后的液壓振動(dòng)裝置投入使用在東北某大型鋼鐵集團(tuán)二煉鋼新建2#方圓坯連鑄機(jī)上，該鑄機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 連鑄機(jī)主要參數(shù)

結(jié)晶器振動(dòng)基本參數(shù)包括頻率f、行程h和波形偏斜率α，描述振動(dòng)的行為；振動(dòng)工藝參數(shù)包括負(fù)滑脫時(shí)間tn、正滑脫時(shí)間tp、保護(hù)渣消耗量MPC等,對(duì)鑄坯脫模及表面質(zhì)量有著直接、重要影響的參數(shù)，其取值反映了振動(dòng)的工藝效果。因此工藝模型選取的是否合理，對(duì)于提高鑄坯質(zhì)量，保證鑄機(jī)拉速有著重要的意義。

3.1 原工藝模型

在設(shè)備投入使用初期，受到原機(jī)械振動(dòng)的影響，在振動(dòng)模型的選擇上依然采用恒振幅，變振頻的模式。

(1)

振幅h=8 mm。該振動(dòng)模型低拉速時(shí)頻率恒定，振幅恒定；拉速大于1 m/min后，頻率線性遞增，振幅不變。以正弦振動(dòng)為例，計(jì)算該模型的工藝參數(shù)。

將基本參數(shù)代入公式(2)、(3)、(4)[2]中可計(jì)算出采用正弦模型的振動(dòng)工藝參數(shù)，見(jiàn)表3。(保護(hù)渣消耗量計(jì)算前提是鋼種[C]含量在0.08%以下)。

(2)

tp=T-tn

(3)

(4)

式中，T為周期,s；tn為負(fù)滑動(dòng)時(shí)間,s；tp為正滑動(dòng)時(shí)間,s；MPC為保護(hù)渣消耗量，kg/m2；η為保護(hù)渣在1300℃時(shí)的粘度，Pa·s。

表3 原模型正弦振動(dòng)工藝參數(shù)計(jì)算部分結(jié)果

圖5、6反應(yīng)了各工藝參數(shù)與拉速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖5 原模型中tn、tp、T與拉速Vc對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖6 原模型中保護(hù)渣消耗量MPC與拉速Vc關(guān)系

從模型計(jì)算結(jié)果中可以看出

(1)當(dāng)拉速提高剛超過(guò)1 m/min時(shí)，頻率從130次/min到180次/min發(fā)生跳變，負(fù)滑脫時(shí)間從0.185 s突降到0.138 s，模型不夠平滑，會(huì)對(duì)澆鑄產(chǎn)生一定的影響。

(2)當(dāng)拉速大于3.2 m/min后，負(fù)滑脫時(shí)間小于0.08 s，保護(hù)渣消耗量下降到0.2 kg/m2以下。負(fù)滑脫時(shí)間過(guò)小，保護(hù)渣未能達(dá)到一定的消耗量，都會(huì)增加鑄坯的脫模難度，使得鑄坯振痕加深，影響鑄坯質(zhì)量。

3.2 改進(jìn)工藝模型

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，對(duì)工藝模型進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。在振動(dòng)模型的選擇上采用變振頻，變振幅的反向同步階梯模型，如式(5)所示。

(5)

如圖7、圖8所示，該振動(dòng)模型拉速小于3 m/min時(shí)頻率線性遞減，振幅遞增；拉速大于3 m/min后，頻率恒定，振幅遞增。以正弦振動(dòng)為例，計(jì)算該模型的工藝參數(shù)。

圖7 改進(jìn)模型中f與拉速Vc對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖8 改進(jìn)模型中h與拉速Vc對(duì)應(yīng)關(guān)系

將基本參數(shù)代入公式(2)、(3)、(4)[2]中可計(jì)算出采用正弦模型的振動(dòng)工藝參數(shù)，如表4所示。

表4 改進(jìn)模型正弦振動(dòng)工藝參數(shù)計(jì)算部分結(jié)果

圖9、10反應(yīng)了各工藝參數(shù)與拉速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖9 改進(jìn)模型中tn、tp、T與拉速Vc對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖10 改進(jìn)模型中保護(hù)渣消耗量MPC與拉速Vc關(guān)系

從模型計(jì)算結(jié)果中可以看出：

隨著拉速的提高，負(fù)滑脫時(shí)間保證在0.08～0.16 s之間，保護(hù)渣消耗量也維持在正常水平。采用反向振動(dòng)模型的主要優(yōu)點(diǎn)是負(fù)滑脫時(shí)間近似于常數(shù)，正滑脫時(shí)間隨著拉速的增加而顯著的增加，這樣可以在整個(gè)澆鑄過(guò)程中獲得良好、穩(wěn)定的鑄坯表面質(zhì)量，保持適宜的保護(hù)渣消耗量，使坯殼在結(jié)晶器中獲得良好的潤(rùn)滑。

4 結(jié)論

振動(dòng)裝置可實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器精確仿弧運(yùn)動(dòng)。在采用了鉸接式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)之后，經(jīng)實(shí)際測(cè)試表明，沿鑄流方向和垂直鑄流方向偏擺誤差均在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)要求的范圍內(nèi)，減小了液壓缸活塞桿的徑向磨損，從而保證了液壓缸的使用壽命。

結(jié)晶器振動(dòng)將在鑄坯表面產(chǎn)生振痕，振痕主要由負(fù)滑脫時(shí)間控制；對(duì)于不同的鋼種，負(fù)滑脫時(shí)間的最優(yōu)值為0.1 s左右。在采用了改進(jìn)模型之后，負(fù)滑脫時(shí)間得到了很好的保證，從而有效地減小鑄坯振痕，提高了鑄坯質(zhì)量。

(3)小方坯連鑄結(jié)晶器液壓振動(dòng)裝置以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)量小等諸多優(yōu)點(diǎn)發(fā)展前景看好，必將得到廣泛應(yīng)用。

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Improvement design for hydraulic vibration device of single mould

LI Xin-qiang，HE Bo，SONG Mei-juan，LIANG Zi-fu，TU Jia-jia

(China National Heavy Machinery Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710032， China)

This paper made an improvement design for original driving part, the associated mode of bolts& nuts has turned to an articulated vehicle. It bored the lateral tearing issue of piston rod, while it also prolonged the cylinder serving life. The reverse synchronous step mode ensured negative strip time, and quicken the speed, while reduced the depth of oscillation mark.

hydraulic vibration；drive modification; negative strip time

2016-10-14；

2016-11-10

李新強(qiáng)(1983-)，男，中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司高級(jí)工程師，主要研究方向冶金設(shè)備。

TF777

A

1001-196X(2017)02-00012-05