寬厚板坯連鑄機(jī)垂直段的設(shè)計優(yōu)化與改進(jìn)

涂家佳，張曙光，王文學(xué)，陳東琳，陳 征

( 1.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.五礦營口中板有限責(zé)任公司，遼寧 營口 115000)

0 前言

支撐導(dǎo)向段作為板坯連鑄機(jī)鑄坯誘導(dǎo)的關(guān)鍵設(shè)備之一，前端與結(jié)晶器相連，后端與二冷扇形段相連，其主要功能是支撐并引導(dǎo)在結(jié)晶器內(nèi)初步形成具有一定坯殼厚度的鑄坯[1]，并對液芯鑄坯表面進(jìn)行強(qiáng)制噴水冷卻，使坯殼厚度不斷增加，最大程度的避免因鋼水靜壓力引起鼓肚或漏鋼事故。對直弧形板坯連鑄機(jī)而言，支撐導(dǎo)向段正好處于從直線到圓弧線的彎曲區(qū)域，因此支撐導(dǎo)向段也起著將直線鑄坯彎曲成圓弧形鑄坯的作用。

支撐導(dǎo)向段所處的環(huán)境極其惡劣，大部分漏鋼事件都發(fā)生在結(jié)晶器出口處，一旦漏鋼，支撐導(dǎo)向段便會受到鋼水侵蝕。支撐導(dǎo)向段的結(jié)構(gòu)主要有兩段式和整體式兩種。兩段式即上部是直線段，下部是彎曲段，形成各自獨立的單元體結(jié)構(gòu)。整體式，即上下合并為一體形成較長的導(dǎo)向段，主要由內(nèi)、外弧框架，輥子裝配、夾緊裝置等組成。

國內(nèi)某鋼廠在2006年由歐洲板坯供貨商設(shè)計了一套板坯連鑄機(jī)設(shè)備，其支撐導(dǎo)向段便是采用了兩段式結(jié)構(gòu)，主要生產(chǎn)(250/350)×2 600 mm規(guī)格鑄坯。在生產(chǎn)過程中，主要存在兩個問題：

(1)結(jié)晶器和垂直段在對弧完成后，待生產(chǎn)一段時間后，對弧偏差增大，約±0.5～0.6 mm；

(2)垂直段和彎曲段在對弧完成后，待生產(chǎn)一段時間后，對弧偏差增大，約±0.5～0.6 mm。

結(jié)晶器和垂直段之間的對弧以及垂直段和彎曲段之間的對弧對鑄坯的質(zhì)量至關(guān)重要[2]。通常要求對弧誤差在±0.2 mm內(nèi)，否則將造成拉坯阻力增大，進(jìn)而使鑄坯裂紋增多而影響鑄坯質(zhì)量[3]。

基于用戶需要，要求在輥子裝配、配管利舊的基礎(chǔ)上，對垂直段進(jìn)行改造，以解決上述的對弧問題。

1 原連鑄機(jī)存在問題及原因分析

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研進(jìn)行理論分析，原連鑄機(jī)結(jié)晶器、垂直段以及彎曲段間的安裝關(guān)系如圖1所示，垂直段通過外弧下部的定位軸坐在彎曲段外弧頂部相應(yīng)的軸座內(nèi)，垂直段內(nèi)弧下部平板結(jié)構(gòu)直接搭在彎曲段內(nèi)弧頂部支撐面上，相當(dāng)于彎曲段完全背負(fù)著垂直段，并無機(jī)械鎖定連接。

圖1 國外原設(shè)計示意圖

結(jié)晶器自身的安裝與垂直段并無關(guān)系，但結(jié)晶器的對弧導(dǎo)柱插在垂直段外弧頂部兩導(dǎo)輪間，生產(chǎn)中的結(jié)晶器是高頻次小振幅上下振動，而振動設(shè)備的狀態(tài)和橫向偏擺的難以避免，生產(chǎn)中結(jié)晶器導(dǎo)柱將橫向力或多或少傳遞給垂直段，同時，高頻次小振幅振動對結(jié)晶器兩個導(dǎo)柱與垂直段兩對導(dǎo)輪造成的不確定部位的局部磨損，這種不受控也加劇了生產(chǎn)中垂直段上與結(jié)晶器足輥、下與彎曲段首輥的接弧偏差。

國內(nèi)某設(shè)計院曾針對此問題對原設(shè)計做了改造，如圖2所示，取消垂直段與彎曲段間軸與軸座的定位方式，對垂直段下部、彎曲段上部局部結(jié)構(gòu)改造，在兩者之間的四個部位采用便于安裝的螺栓把合方式進(jìn)行安裝固定，同時，取消原垂直段下部坐軸，增設(shè)偏心軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，用于垂直段與彎曲段安裝時的對弧調(diào)整，垂直段上部與結(jié)晶器的關(guān)系予以保留。

圖2 國內(nèi)某設(shè)計院改造示意圖

實踐證明，改造后并沒有改善垂直段跑弧現(xiàn)象，根本原因在于沒有從根源上解決對弧跑偏，即垂直段的安裝定位和結(jié)晶器振動引起垂直段的跑弧。

2 垂直段優(yōu)化改造及模擬計算

2.1 安裝方式的確定

基于存在的問題及分析，要解決垂直段生產(chǎn)中跑弧的問題，需將垂直段的安裝與結(jié)晶器、彎曲段獨立開來，擬取消垂直段背負(fù)在彎曲段上且與結(jié)晶器導(dǎo)柱關(guān)聯(lián)的方式，采用在垂直段外弧上部兩側(cè)設(shè)懸掛用支撐軸，將垂直段懸掛在連鑄機(jī)振動底座(固定式，不參與振動)的軸座內(nèi)，內(nèi)弧仍采用類似原設(shè)計：下部直接搭在彎曲段內(nèi)弧頂部支撐面上，將平板改為弧板。

這就要求對垂直段的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)做改造設(shè)計：取消外弧上部、下部復(fù)雜的軸輪配合結(jié)構(gòu)，這6處軸輪結(jié)構(gòu)代之以厚壁鋼管焊接，以增強(qiáng)框架的剛度，增設(shè)2處支撐軸結(jié)構(gòu)。由于鑄機(jī)整體結(jié)構(gòu)上的需要，支撐軸距外弧線比原設(shè)計的定位軸距外弧線距離大了20%，需要對垂直段整體機(jī)械結(jié)構(gòu)做有限元計算分析。

改造后的垂直段支撐軸至外弧線距離在維修區(qū)調(diào)整到位，線上支撐軸座到外弧線的距離精度在設(shè)備安裝時一次調(diào)整到位，確保垂直段落位一次精確到位。

2.2 有限元分析

2.2.1 有限元模型的建立

運用solidworks軟件構(gòu)建了垂直段主體框架結(jié)構(gòu)，經(jīng)適量簡化后，主要由外弧框架、左右側(cè)框架及內(nèi)弧框架組成，如圖3所示。

圖3 垂直段主體框架三維實體模型

2.2.2 定義約束

定義邊界條件時首先定義零部件間接觸，定義全局接觸為“結(jié)合”，使各裝配零件作為一個整體處理。應(yīng)用固定夾具，將垂直段外弧兩懸掛軸徑向的兩個面定義夾具“固定幾何體”，同時定義內(nèi)弧螺栓把合面為“使用參考幾何體”，方向豎直向上。

2.2.3 框架受力分析

垂直段主體框架主要受以下三個力的作用

(1)框架自重引起的載荷?？蚣芩袖摪宀馁|(zhì)選用1023碳鋼板，自重G為120 000 N；

(2)輥子裝配、螺栓、緊固件等產(chǎn)生的重力，約為59 000 N；

(3)拉坯力。拉坯力在垂直段上引起的載荷應(yīng)大于或等于拉坯時垂直段輥子對鑄坯的阻力，該阻力包括每個輥子對鑄坯的摩擦阻力、輥子的回轉(zhuǎn)阻力和鑄坯的下滑力，約為25 000 N。

2.2.4 網(wǎng)格劃分與結(jié)果分析

Simulation對網(wǎng)格的劃分提供了不同的劃分方法[21]。由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，為了便于計算，選用了基于混合曲率的網(wǎng)格劃分形式對所建立的垂直段結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

原設(shè)計與改造方案的垂直段安裝及受力情況如圖4、圖5所示。

圖4 原設(shè)計的安裝及受力示意圖

圖5 改造方案的安裝及受力示意圖

兩種安裝方式的最大應(yīng)力及變形情況如表1所示。

表1 垂直段框架兩種安裝方式下的應(yīng)力及變形情況對比分析

由表1可以看出，原設(shè)計垂直段框架的最大位移和輥子處位移均較小，即變形量小，該種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，對鑄坯質(zhì)量的影響較小，但需基于垂直段框架免于結(jié)晶器振動的影響。改造方案成功避免了垂直段受結(jié)晶器振動影響，新布置的懸掛點也不影響彎曲段的檢修抽出，同時實現(xiàn)了結(jié)晶器、垂直段、彎曲段的相對獨立性。安裝位置同原設(shè)計相比有變化，導(dǎo)致變形量較大，如表2所示。

表2 原設(shè)計與改造方案安裝位置對照表

從該結(jié)果可以看出，安裝位置在三個方向上的跨度均增加是造成變形量增大的直接原因。因此需設(shè)法對改造方案中垂直段框架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛性做相應(yīng)的優(yōu)化。

2.3 垂直段框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

為了增大垂直段框架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，提出了4種方案。

方案1：將內(nèi)弧框架支撐點附近結(jié)構(gòu)改為箱型；

方案2：在方案1的基礎(chǔ)上，將內(nèi)、外弧框架輥子后部的支撐鋼板厚度由40 mm改為50 mm；

方案3：在方案1的基礎(chǔ)上，將內(nèi)、外弧框架輥子外側(cè)的框架主板(內(nèi)弧2塊，外弧4塊)厚度由40 mm改為50 mm；

方案4：在方案2的基礎(chǔ)上，將內(nèi)弧框架輥子外側(cè)的框架主板加厚到50，外弧該部位為雙板結(jié)構(gòu)，4塊主板厚度保持40不變。

對整個垂直段結(jié)構(gòu)而言，在支撐點處所受的載荷最大，故將內(nèi)弧支撐點附近結(jié)構(gòu)改為箱型，以增強(qiáng)其強(qiáng)度。從減小垂直段結(jié)構(gòu)變形量來說，框架主體的受力板自然越厚效果越好，但與此同時使得設(shè)備笨重，勢必增加設(shè)備用料及加工成本，不符合現(xiàn)代工業(yè)節(jié)能目標(biāo)。基于這樣的目的，提出了上述四種方案。

對四種方案分別做計算，約束條件、框架外部載荷以及網(wǎng)格劃分形式均同安裝方式的討論一樣。對比四種方案框架結(jié)構(gòu)的變形量，其計算結(jié)果如表3所示。

表3 垂直段框架結(jié)構(gòu)最大位移計算結(jié)果/mm

從表3可以看出，方案4框架結(jié)構(gòu)最大位移及內(nèi)、外弧框架輥子處位移均為最小，即框架的變形量最小，為四種方案中的最佳方案。因此將方案4定為垂直段框架結(jié)構(gòu)的最終方案。

3 改造實踐效果

圖6所示為改造后的鑄坯效果圖，連鑄機(jī)將結(jié)晶器與垂直段之間以及垂直段和彎曲段之間的對弧誤差由之前的±0.5～0.6 mm調(diào)整到±0.2 mm，在連鑄生產(chǎn)正常允許范圍內(nèi)，有效改善了原設(shè)備運行過程中結(jié)晶器振動引起垂直段以及彎曲段對弧誤差大的問題，從而為鑄坯質(zhì)量的改善提供了必要的設(shè)備保障。

圖6 改造后的鑄坯效果圖

4 結(jié)束語

安裝方式的改進(jìn)從根源解決了引起結(jié)晶器、垂直段和彎曲段之間對弧誤差大的問題，鑄坯質(zhì)量得以明顯改善。垂直段框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，保證其強(qiáng)度，減小框架變形量，增加使用壽命，原有車間的輥子裝配、配管等備件均能有效利用。目前生產(chǎn)穩(wěn)定，且鑄坯質(zhì)量優(yōu)良，各項技術(shù)性能指標(biāo)均達(dá)到用戶要求，為連鑄機(jī)關(guān)鍵部位設(shè)備改造的思路和方式在連鑄行業(yè)樹立了一個典范。