異型坯連鑄扇形段四合一對(duì)中臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)

孟廣兵，曹栢聞

(大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司，遼寧 大連 116013)

0 前言

異型坯連鑄生產(chǎn)是近終形連鑄生產(chǎn)工藝。國(guó)際上，德國(guó)西馬克(SMS)公司、瑞士康卡斯特(CONCAST)公司、意大利達(dá)涅利(DANIELI)公司、奧地利(PRIMETALS)公司、日本住友(SHI)公司、日本三菱重工(MDH)分別開(kāi)發(fā)了各自的異型坯連鑄生產(chǎn)工藝。國(guó)內(nèi)，中冶南方連鑄公司、中冶賽迪工程公司、大西洋連鑄公司也分別開(kāi)發(fā)了各自的異型坯連鑄生產(chǎn)工藝。其中，異型坯連鑄扇形段對(duì)中臺(tái)的對(duì)弧原理大同小異，設(shè)備的組成和結(jié)構(gòu)，各個(gè)公司都有各自不同的特點(diǎn)。

扇形段對(duì)中臺(tái)布置于連鑄車(chē)間的主機(jī)設(shè)備離線檢修區(qū)域，在連鑄扇形段進(jìn)行檢修和更換設(shè)備時(shí)，對(duì)其進(jìn)行離線對(duì)弧操作。扇形段結(jié)構(gòu)形式的不同使其擁有的受力機(jī)制，其對(duì)弧精度直接影響著連鑄產(chǎn)品的質(zhì)量及生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本[1]。扇形段對(duì)弧精度差，造成鑄坯變形量增大，鑄坯鼓肚或擠壓變形，導(dǎo)致連鑄機(jī)拉坯阻力過(guò)大，影響連鑄機(jī)的生產(chǎn)效率以及對(duì)連鑄機(jī)弧度精度和扇形段等設(shè)備的機(jī)械構(gòu)造損傷較大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)滯坯，只能停機(jī)作業(yè)[2]。提高扇形段精度，對(duì)扇形段輥縫和對(duì)弧進(jìn)行嚴(yán)格控制，能有效減少鑄坯中心偏析和鑄坯表面質(zhì)量問(wèn)題[3]。扇形段各導(dǎo)輥弧度精度由線外測(cè)量保證，最主要的工具為扇形段對(duì)中臺(tái)及線外對(duì)弧樣板[4]。

1 扇形段設(shè)備組成及主要故障

1.1 設(shè)備組成

扇形段對(duì)中臺(tái)為框架式結(jié)構(gòu)，其作用為對(duì)扇形段進(jìn)行支承、定位、調(diào)弧對(duì)中[5]。主要結(jié)構(gòu)包括：導(dǎo)向框架、導(dǎo)向輥、支撐框架、支承輥等。支承輥上設(shè)有滑動(dòng)環(huán)。在調(diào)弧對(duì)中作業(yè)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)環(huán)的位置，配合相應(yīng)的線外對(duì)弧樣板，對(duì)同一規(guī)格的扇形段的各種導(dǎo)輥分別進(jìn)行定位[6]。

異型坯(H型鋼)扇形段根據(jù)斷面形狀和尺寸可劃分為：BBⅠ扇形段、BBⅡ扇形段、BBⅢ扇形段三種規(guī)格。當(dāng)對(duì)異型坯(H型鋼)扇形段進(jìn)行調(diào)弧作業(yè)時(shí)，配合異型坯連鑄線外對(duì)弧樣板，依次對(duì)不同斷面形狀和尺寸的三種異型坯(H型鋼)扇形段的左側(cè)、右側(cè)外弧翼板導(dǎo)輥、外弧腹板導(dǎo)輥、左側(cè)、右側(cè)內(nèi)弧翼板導(dǎo)輥、內(nèi)弧腹板導(dǎo)輥和左側(cè)、右側(cè)翼板側(cè)導(dǎo)輥進(jìn)行對(duì)中操作和位置檢測(cè)。而對(duì)雙流板坯扇形段進(jìn)行調(diào)弧作業(yè)時(shí)，則需對(duì)其外弧導(dǎo)輥、內(nèi)弧導(dǎo)輥和單邊側(cè)導(dǎo)輥進(jìn)行對(duì)中檢測(cè)。以對(duì)弧樣板為基礎(chǔ)，進(jìn)行調(diào)弧對(duì)中作業(yè)，微調(diào)扇形段上所有位置的導(dǎo)輥，達(dá)到對(duì)扇形段各種導(dǎo)輥調(diào)弧對(duì)中的目的[7]，如圖1所示。

扇形段對(duì)中臺(tái)采用設(shè)置不同的基準(zhǔn)墊塊，并在支承框架前、后支承輥上設(shè)計(jì)雙層滑動(dòng)環(huán)的型式。通過(guò)調(diào)節(jié)雙層滑動(dòng)環(huán)以及相應(yīng)軸向定位銷(xiāo)的鎖緊，配合相應(yīng)的線外弧形對(duì)弧樣板，達(dá)到針對(duì)不同規(guī)格及斷面形狀的活動(dòng)段扇形段在一臺(tái)調(diào)弧對(duì)中裝置上進(jìn)行調(diào)弧作業(yè)的目的[8]。

圖1 異型坯(H型鋼)扇形段及板坯扇形段對(duì)弧操作示意圖

1.2 扇形段對(duì)中臺(tái)主要故障

(1)扇形段對(duì)中臺(tái)在調(diào)弧作業(yè)時(shí)，扇形段與扇形段支承輥的定位基準(zhǔn)是通過(guò)裝配保證的，累積公差加劇，大幅降低了扇形段各導(dǎo)輥的對(duì)弧精度[5]。

(2)扇形段對(duì)中臺(tái)支撐框架、支承輥剛度不佳，變形較大，難以保證扇形段各種導(dǎo)輥的對(duì)弧精度[9]。

(3)支承輥滑動(dòng)環(huán)沿支撐輥軸移動(dòng)時(shí)，負(fù)荷較大。同時(shí)由于滑動(dòng)摩擦，容易造成兩個(gè)滑動(dòng)環(huán)磨損，導(dǎo)致對(duì)弧基準(zhǔn)偏差，影響扇形段的對(duì)弧精度[10]。

(4)扇形段對(duì)中臺(tái)下部空間緊張，在對(duì)扇形段外弧導(dǎo)輥進(jìn)行調(diào)弧作業(yè)時(shí)，操作十分困難[11]。

鑒于扇形段對(duì)中臺(tái)存在的問(wèn)題，本文研發(fā)一種新型結(jié)構(gòu)，通過(guò)安裝不同的基準(zhǔn)墊塊以及調(diào)節(jié)支承框架上前、后支承輥的雙層滑動(dòng)環(huán)并配合相應(yīng)的軸向定位銷(xiāo)，再通過(guò)線外對(duì)弧樣板進(jìn)行調(diào)弧對(duì)中作業(yè)的型式，來(lái)解決傳統(tǒng)技術(shù)中設(shè)備對(duì)弧精度差、框架和支承輥的剛度不佳、操作空間緊張等難點(diǎn)問(wèn)題[12]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 異型坯-板坯四合一對(duì)中臺(tái)

本文中扇形段對(duì)中臺(tái)為異型坯-板坯四合一結(jié)構(gòu)型式，適用于多種規(guī)格的異型坯(H型鋼)扇形段&板坯扇形段的復(fù)合型式。主要結(jié)構(gòu)包括：導(dǎo)向框架、導(dǎo)向輥、支承框架、前支承輥、后支承輥、坯料扇形段和對(duì)弧樣板等[13]，如圖2～圖4所示。

圖2 異型坯(H型鋼)扇形段調(diào)弧對(duì)中裝置主視圖

圖3 板坯扇形段調(diào)弧對(duì)中裝置主視圖

圖4 異型坯-板坯四合一扇形段調(diào)弧對(duì)中裝置俯視圖

2.2 聚四氟乙烯膠輥導(dǎo)向輥

導(dǎo)向輥由導(dǎo)向輥、聚四氟乙烯膠輥、軸承座、調(diào)心輥?zhàn)虞S承等組成，如圖5所示。導(dǎo)向輥采用聚四氟乙烯膠輥，而非剛性輥。采用聚四氟乙烯膠輥，既能保證線外弧形對(duì)弧樣板沿著外弧基準(zhǔn)線的導(dǎo)入，同時(shí)也能降低對(duì)線外弧形對(duì)弧樣板的剛性碰撞，避免對(duì)線外弧形對(duì)弧樣板的對(duì)中精度損傷[14]。對(duì)弧樣板作為異型坯(H型鋼)扇形段以及板坯扇形段導(dǎo)輥排列的基準(zhǔn)，決定著線外離線對(duì)中操作的成敗。一旦對(duì)弧樣板的對(duì)中精度受到損傷，則不能保證扇形段導(dǎo)輥排列的對(duì)中精準(zhǔn)性，導(dǎo)致連鑄生產(chǎn)的鑄坯出現(xiàn)尺寸超差的問(wèn)題。嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)發(fā)生漏鋼現(xiàn)象以及人身安全事故[15]。

圖5 導(dǎo)向輥裝配示意圖

2.3 雙層滑動(dòng)環(huán)支承輥

本文中的支承輥采用雙層滑動(dòng)環(huán)，并配合相應(yīng)的軸向定位銷(xiāo)，以及可對(duì)其鎖緊的結(jié)構(gòu)形式。雙層滑環(huán)可以將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦，減少對(duì)支承輥上相關(guān)部件的磨損。支承輥鎖緊裝置可以在不同工序下，使支承輥處于不同狀態(tài)，更精準(zhǔn)的完成扇形段調(diào)弧對(duì)中操作。

支承輥包括支承軸、定位套、固定套、滑動(dòng)環(huán)、圓柱滾子、手柄、軸承座、調(diào)心輥?zhàn)虞S承、潤(rùn)滑油杯和鎖緊銷(xiāo)，如圖6所示，支承軸四周開(kāi)有凹槽，凹槽內(nèi)布置有成排的圓柱滾子，固定套以及定位套套裝在布置圓柱滾子部分的外部，并做好潤(rùn)滑及密封處理；滑動(dòng)環(huán)為多個(gè)均套裝在固定套外部，且滑動(dòng)環(huán)內(nèi)孔及固定套外部有相對(duì)應(yīng)的凹槽，且在凹槽內(nèi)布置相應(yīng)的圓柱滾子實(shí)現(xiàn)相對(duì)滾動(dòng)，設(shè)置油脂潤(rùn)滑和密封機(jī)構(gòu)；定位套為成對(duì)設(shè)置分別位于固定套兩側(cè)，且定位套近固定套側(cè)設(shè)置有用于滑動(dòng)環(huán)套裝的導(dǎo)向滑槽；導(dǎo)向滑槽外部開(kāi)有與固定套對(duì)應(yīng)的凹槽，配合滑動(dòng)環(huán)套裝。支承輥、定位套、固定套和滑動(dòng)環(huán)，均設(shè)置有徑向能夠?qū)ξ坏膱A孔，此處圓孔對(duì)位后，用于徑向裝配手柄或鎖緊銷(xiāo)。后支承輥的結(jié)構(gòu)與前支承輥的結(jié)構(gòu)相同，區(qū)別在于后支承輥的后滑動(dòng)環(huán)和前支承輥的滑動(dòng)環(huán)外徑不同；支承輥端部均設(shè)置有能夠徑向鎖緊對(duì)應(yīng)支承輥的支承輥鎖緊裝置?；鶞?zhǔn)墊塊鎖緊裝置包括：基準(zhǔn)墊塊、立板、螺母和鎖緊螺栓。

圖6 支承輥裝配示意圖

2.4 出口側(cè)定位立板

支承框架包括：定位立板、調(diào)整座、基準(zhǔn)座、機(jī)架、前支承部、后支承部，如圖7所示，在扇形段調(diào)弧對(duì)中裝置出口側(cè)，設(shè)置定位立板，作為剛性定位止擋，可以保證線外弧形對(duì)弧樣板的定位精度，避免線外弧形對(duì)弧樣板的出位?；鶞?zhǔn)座為扇形段的定位基準(zhǔn)，通過(guò)在基準(zhǔn)座的定位以及在調(diào)整座設(shè)置不同的調(diào)整墊塊來(lái)保證對(duì)中臺(tái)對(duì)不同規(guī)格及截面形狀的扇形段進(jìn)行調(diào)弧作業(yè)的精準(zhǔn)度。

圖7 支承框架主視圖

在設(shè)計(jì)扇形段調(diào)弧對(duì)中臺(tái)時(shí)，考慮到生產(chǎn)實(shí)際情況以及人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)導(dǎo)向框架以及支承框架的定位高度以及剛度進(jìn)行優(yōu)化，有利于進(jìn)行扇形段調(diào)弧對(duì)中裝置外弧導(dǎo)輥的對(duì)中操作，可以在一定程度上，縮短在離線維修區(qū)的作業(yè)時(shí)間，提高調(diào)弧作業(yè)以及連鑄生產(chǎn)的工作效率。

3 改進(jìn)技術(shù)的扇形段對(duì)中調(diào)弧操作方法

改進(jìn)技術(shù)主要采用活動(dòng)段調(diào)弧對(duì)中裝置支承輥的雙層滑動(dòng)環(huán)并配合相應(yīng)的軸向定位銷(xiāo)型式，并配合相應(yīng)的線外弧形對(duì)弧樣板。既可對(duì)不同斷面形狀和規(guī)格尺寸的異型坯(H型鋼)扇形段(BBⅠ扇形段、BBⅡ扇形段、BBⅢ扇形段)的左側(cè)、右側(cè)外弧翼板導(dǎo)輥、外弧腹板導(dǎo)輥、左側(cè)、右側(cè)內(nèi)弧翼板導(dǎo)輥、內(nèi)弧腹板導(dǎo)輥和左側(cè)、右側(cè)翼板導(dǎo)輥進(jìn)行對(duì)中操作和位置檢測(cè)，也可對(duì)雙流板坯扇形段的外弧導(dǎo)輥、內(nèi)弧導(dǎo)輥和單邊側(cè)導(dǎo)輥進(jìn)行對(duì)中操作和位置檢測(cè)，保證板坯扇形段的外弧導(dǎo)輥、內(nèi)弧導(dǎo)輥和側(cè)導(dǎo)輥的對(duì)中精度[16]。

3.1 定位裝置

設(shè)計(jì)2個(gè)基準(zhǔn)墊塊鎖緊裝置(基準(zhǔn)墊塊鎖緊裝置、基準(zhǔn)墊塊鎖緊裝置Ⅰ)，如圖8所示，布置在對(duì)中臺(tái)支承框架上，分別作為異型坯(H型鋼)扇形段(BBⅠ扇形段、BBⅡ扇形段、BBⅢ扇形段)和板坯扇形段在調(diào)弧作業(yè)中的定位裝置。利用吊環(huán)螺釘與鎖緊螺母將斜墊板(基準(zhǔn)墊塊、基準(zhǔn)墊塊Ⅰ)鎖緊。

圖8 基準(zhǔn)墊塊鎖緊裝置示意圖

3.2 雙層滑環(huán)的調(diào)整

在對(duì)不同斷面形狀和尺寸的異型坯(H型鋼)扇形段(BBⅠ扇形段、BBⅡ扇形段、BBⅢ扇形段)或雙流板坯扇形段進(jìn)行調(diào)弧作業(yè)時(shí)，需要分別將定位套移動(dòng)到L1、L2、L3、L4的位置，如圖4所示。即利用手柄先分別將定位環(huán)移動(dòng)到適當(dāng)?shù)奈恢?，并插入鎖緊銷(xiāo)固定。再調(diào)整扇形段對(duì)中臺(tái)支承輥上各滑動(dòng)環(huán)位置，使其位置達(dá)到對(duì)不同扇形段的不同輥進(jìn)行調(diào)弧作業(yè)時(shí)的要求，如圖9所示。調(diào)整好滑動(dòng)環(huán)位置后，利用鎖緊銷(xiāo)將其鎖緊。

圖9 滑動(dòng)鎖緊示意圖

(1)當(dāng)對(duì)異型坯(H型鋼)扇形段(BBⅠ扇形段、BBⅡ扇形段、BBⅢ扇形段)的外弧導(dǎo)輥和側(cè)導(dǎo)輥進(jìn)行對(duì)中檢測(cè)時(shí)，需要分別將滑動(dòng)環(huán)移動(dòng)到設(shè)計(jì)的定位位置，并利用圓柱銷(xiāo)鎖緊，如圖10～圖12所示，固定套上，共有4個(gè)滑動(dòng)環(huán)，當(dāng)對(duì)異型坯(H型鋼)扇形段(BBⅠ扇形段、BBⅡ扇形段、BBⅢ扇形段)的外弧導(dǎo)輥及側(cè)導(dǎo)輥進(jìn)行對(duì)中檢測(cè)時(shí)，則將4個(gè)滑動(dòng)環(huán)全部移動(dòng)到固定套中間位置。)

(2)當(dāng)對(duì)異型坯(H型鋼)扇形段(BBⅠ扇形段、BBⅡ扇形段、BBⅢ扇形段)的內(nèi)弧導(dǎo)輥及側(cè)導(dǎo)輥進(jìn)行對(duì)中檢測(cè)時(shí)，則需要將2個(gè)滑動(dòng)環(huán)移動(dòng)到固定套中間位置，另外2個(gè)滑動(dòng)環(huán)分別滑動(dòng)到左右定位套上，并利用圓柱銷(xiāo)鎖緊，如圖10～圖12所示。

圖10 BBⅠ扇形段調(diào)弧對(duì)中示意圖

圖11 BBⅡ扇形段調(diào)弧對(duì)中示意圖

圖12 BBⅢ扇形段調(diào)弧對(duì)中示意圖

(3)當(dāng)對(duì)板坯扇形段的內(nèi)弧導(dǎo)輥及側(cè)導(dǎo)輥進(jìn)行對(duì)中檢測(cè)時(shí)，則需要將4個(gè)滑動(dòng)環(huán)分開(kāi)布置在相應(yīng)的位置，如圖13所示，最左側(cè)及最右側(cè)滑動(dòng)環(huán)固定在左、右兩個(gè)定位套上，另外2個(gè)滑動(dòng)環(huán)分別與最左側(cè)和最右側(cè)的滑動(dòng)環(huán)相距一個(gè)板坯扇形段的寬度的距離。由圖13可以看出，在對(duì)板坯扇形段進(jìn)行對(duì)中檢測(cè)時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)環(huán)的位置，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)板坯扇形段進(jìn)行雙流板坯連鑄生產(chǎn)的調(diào)弧作業(yè)。

圖13 板坯扇形段調(diào)弧對(duì)中示意圖

3.3 線外對(duì)弧樣板的導(dǎo)入

將線外對(duì)弧樣板沿著對(duì)弧基準(zhǔn)線從導(dǎo)向框架外側(cè)插入到扇形段中，直到支承框架上的定位立板。在導(dǎo)入時(shí)，確保線外對(duì)弧樣板與支承輥上滑動(dòng)環(huán)貼緊到位[17]。其中，導(dǎo)向輥外側(cè)采用聚四氟乙烯膠輥，降低對(duì)線外弧形對(duì)弧樣板的剛性碰撞，避免對(duì)線外弧形對(duì)弧樣板的對(duì)中精度損傷。

3.4 支承輥鎖緊裝置的設(shè)計(jì)

在調(diào)整好滑動(dòng)環(huán)位置，安放好異型坯(H型鋼)扇形段(BBⅠ扇形段、BBⅡ扇形段、BBⅢ扇形段)或雙流板坯扇形段后，插入線外對(duì)弧樣板。此時(shí)支承輥鎖緊裝置處于徑向釋放狀態(tài)，可以使線外對(duì)弧樣板更加順暢地插入到扇形段中。然后，將支承輥鎖緊裝置調(diào)整到鎖緊狀態(tài)，開(kāi)始調(diào)整輥列中出現(xiàn)偏差的導(dǎo)輥位置，使其與線外對(duì)弧樣板相接觸，從而保證扇形段輥列的對(duì)中性[18]。在插入對(duì)弧樣板時(shí)使支承輥鎖緊裝置處于徑向釋放狀態(tài)的目的是減少該過(guò)程中對(duì)弧樣板的磨損，保證其精度。進(jìn)行調(diào)弧作業(yè)前，調(diào)整前、后支承輥上的支承輥鎖緊裝置，使其處于鎖緊狀態(tài)。這樣可以更好的將前、后支承輥鎖緊固定，保證調(diào)弧對(duì)中作業(yè)的精準(zhǔn)性[19]，支承輥鎖緊裝置如圖14所示，通過(guò)在調(diào)弧作業(yè)中對(duì)支承輥不同狀態(tài)的調(diào)整，提高扇形段性能并對(duì)其離線檢修操作進(jìn)行優(yōu)化。

圖14 支承輥鎖緊裝置示意圖

4 結(jié)論

改進(jìn)后的扇形段對(duì)中臺(tái)，能更加精準(zhǔn)快速地進(jìn)行扇形段的調(diào)弧對(duì)中操作，具有突出優(yōu)點(diǎn)。

(1)扇形段對(duì)中臺(tái)為四合一結(jié)構(gòu)型式，僅用一臺(tái)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)四種異型坯-板坯扇形段的調(diào)弧對(duì)中作業(yè)。提高了設(shè)備利用率，降低了連鑄生產(chǎn)線離線檢修區(qū)的設(shè)備投資以及廠房的占地面積。設(shè)備的通用性增強(qiáng)，減少備品、備件數(shù)量。

(2)扇形段對(duì)中臺(tái)的導(dǎo)向輥采用聚四氟乙烯膠輥，既能保證線外弧形對(duì)弧樣板沿著外弧基準(zhǔn)線的導(dǎo)入，同時(shí)也能降低對(duì)線外弧形對(duì)弧樣板的剛性碰撞，避免對(duì)線外弧形對(duì)弧樣板對(duì)中精度的損傷。

(3)扇形段對(duì)中臺(tái)的支承輥采用雙層滑動(dòng)環(huán)，并配合相應(yīng)的軸向定位銷(xiāo)和鎖緊結(jié)構(gòu)。雙層滑動(dòng)環(huán)可以將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)摩擦，降低對(duì)支承輥上相關(guān)部件的磨損。支承輥鎖緊裝置針對(duì)不同的扇形段，使支承輥處于相應(yīng)的定位狀態(tài)，更精準(zhǔn)地完成不同扇形段的調(diào)弧對(duì)中操作。

(4)在扇形段對(duì)中臺(tái)的出口側(cè)，設(shè)置剛性定位立板，保證線外弧形對(duì)弧樣板的定位精度。扇形段對(duì)中臺(tái)設(shè)置扇形段定位基準(zhǔn)座，在基準(zhǔn)座設(shè)置不同的調(diào)整墊塊，保證扇形段對(duì)中臺(tái)對(duì)不同規(guī)格及截面形狀的異型坯-板坯扇形段進(jìn)行調(diào)弧作業(yè)的精準(zhǔn)度。

(5)采用扇形段對(duì)中臺(tái)支承輥的雙層滑動(dòng)環(huán)和相應(yīng)的軸向定位銷(xiāo)型式，并配合相應(yīng)的線外弧形對(duì)弧樣板,既可對(duì)不同斷面形狀和規(guī)格、尺寸的異型坯扇形段的左側(cè)、右側(cè)外弧翼板導(dǎo)輥、外弧腹板導(dǎo)輥、左側(cè)、右側(cè)內(nèi)弧翼板導(dǎo)輥、內(nèi)弧腹板導(dǎo)輥和左側(cè)、右側(cè)翼板導(dǎo)輥進(jìn)行位置檢測(cè)和對(duì)弧操作；也可對(duì)雙流板坯扇形段的外弧導(dǎo)輥、內(nèi)弧導(dǎo)輥和單邊側(cè)導(dǎo)輥進(jìn)行位置檢測(cè)和對(duì)弧操作。