連鑄機(jī)精度提高方法的研究

劉 洋，蔡繼紅，嚴(yán)開勇，魯新義，楊東明，鐘 毅

（1武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司研究院，湖北 武漢430080；2武鋼股份有限公司煉鋼總廠四分廠，湖北 武漢430081；3武鋼股份有限公司煉鋼總廠四分廠，湖北 武漢430081）

武鋼煉鋼總廠三分廠3＃連鑄機(jī)是從奧鋼聯(lián)引進(jìn)的寬板坯直弧形連鑄機(jī)，其設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為300萬t，鑄坯規(guī)格為230mm×（1 370～2 250）mm，澆鑄半徑為9 500mm，主要生產(chǎn)汽車面板等高性能用鋼.由于汽車用鋼等高性能鋼對(duì)潔凈度要求很高，所以對(duì)連鑄機(jī)設(shè)備的精度提出了很高要求，而連鑄機(jī)扇形段作為連鑄機(jī)的核心設(shè)備，其輥縫精度對(duì)板坯質(zhì)量有著決定性影響［1］.目前，隨著高強(qiáng)鋼產(chǎn)量的增加，連鑄機(jī)的負(fù)荷進(jìn)一步加重，連鑄機(jī)的精度直線下滑，導(dǎo)致漏鋼、滯坯、斷輥等生產(chǎn)操作事故時(shí)有發(fā)生，板坯因邊角裂、內(nèi)裂等各類質(zhì)量事故而引起的報(bào)廢有所增加.為此，找到連鑄機(jī)精度下降的原因，并拿出措施解決這一問題十分必要.

1 連鑄機(jī)精度的定義

連鑄機(jī)共分為兩流，每一流分別由結(jié)晶器、零段和扇形段組成.每一流的扇形段共有14臺(tái)，即1－14段.其中1－6段為弧線段，7、8段為矯直段，9－14段為直線段.每一個(gè)扇形段（圖1）主要由壓下液壓缸、夾緊缸、內(nèi)弧框架、內(nèi)弧分節(jié)輥、外弧分節(jié)輥和外弧框架組成.壓下液壓缸主要是用來控制扇形段最中間的一對(duì)內(nèi)外弧分節(jié)輥（驅(qū)動(dòng)輥）的升降；4個(gè)夾緊缸分別安裝在外弧框架4個(gè)角落的位置，用來調(diào)整扇形段內(nèi)外弧框架之間的距離；每一個(gè)上下對(duì)應(yīng)的內(nèi)弧分節(jié)輥和外弧分節(jié)輥組成一對(duì)夾輥，而每一個(gè)扇形段具有多對(duì)夾輥.

圖1 扇形段結(jié)構(gòu)

連鑄機(jī)的鑄機(jī)精度主要由兩個(gè)方面組成.一個(gè)方面是輥縫精度.從1段到14段輥縫（每對(duì)夾輥之間的距離）是逐漸減小的，所以在線使用的扇形段其每一對(duì)夾輥之間的距離都不一樣，但每一對(duì)固定位置夾輥的輥縫值是固定的（設(shè)定值），因而每一對(duì)夾輥的實(shí)際輥縫與理論輥縫之間的偏差就是輥縫精度.另一方面就是對(duì)弧精度.就立彎式連鑄機(jī)而言，結(jié)晶器銅板、結(jié)晶器腳輥，二次冷卻段多點(diǎn)彎曲起始點(diǎn)之前的各導(dǎo)輥應(yīng)嚴(yán)格安裝在垂直位置.多點(diǎn)彎曲區(qū)和多點(diǎn)矯直區(qū)的各導(dǎo)輥雖然有各自不同的彎曲半徑和矯直半徑，但它們（包括垂直區(qū)和水平區(qū)的各導(dǎo)輥）與基本圓弧區(qū)的各導(dǎo)輥的基本圓弧應(yīng)有良好的接弧狀態(tài)，也就是說結(jié)晶器銅板表面與各導(dǎo)輥頂部的實(shí)際包絡(luò)線與理論包絡(luò)線之間的誤差就稱為對(duì)弧精度［2］.

2 連鑄機(jī)精度不高的原因分析

2.1 扇形段設(shè)計(jì)參數(shù)

通過對(duì)奧鋼聯(lián)扇形段設(shè)計(jì)參數(shù)的分析，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值偏大，由于輥組精度要求很高（±0.1 mm），而設(shè)計(jì)的參數(shù)沒有考慮機(jī)械累積誤差的影響（包括輥?zhàn)拥奶鴦?dòng)誤差、軸承的游隙、輥面的磨損和軸承座的塑性變形等），當(dāng)輥組受到外力的作用時(shí)，精度無法保證.為了方便事故狀態(tài)下處理冷坯，奧鋼聯(lián)設(shè)計(jì)的輥?zhàn)有据S，軸承座材質(zhì)強(qiáng)度偏小，只能滿足汽車板等高性能用鋼的生產(chǎn)需求.但隨著高強(qiáng)鋼產(chǎn)量的進(jìn)一步提高，輥芯和軸承的問題進(jìn)一步突出，導(dǎo)致芯軸易彎曲變形，軸承座底部受外力作用而變形開裂，大大降低了扇形段的使用壽命，所以扇形段參數(shù)設(shè)計(jì)不滿足生產(chǎn)需要是導(dǎo)致連鑄機(jī)精度不高的主要原因.

2.2 扇形段安裝情況

連鑄機(jī)是由多臺(tái)扇形段組成的，當(dāng)某一臺(tái)扇形段的精度出現(xiàn)問題時(shí)，為了保證鑄機(jī)整體精度就必須對(duì)該臺(tái)扇形段進(jìn)行更換.由于連鑄機(jī)是立彎式結(jié)構(gòu)，扇形段具體位置不同，其安裝角度不同.其中直線段的安裝較為簡單，只需將扇形段垂直提起，然后將新扇形段垂直放下，即可完成安裝，因此直線段的安裝質(zhì)量有保證，而且由于直線段位于鑄坯成形后期，其輥?zhàn)邮芰ο鄬?duì)較小，所以直線段的精度一般較好，使用壽命相對(duì)較長；而弧線段及矯直段的安裝較為復(fù)雜，必須利用扇形段機(jī)械手將扇形段調(diào)整到合適角度才能進(jìn)行安裝，特別是1段、2段的安裝，其安裝角度幾乎與平臺(tái)垂直（與地面平行），而且扇形段內(nèi)空間狹小，安裝人員的視野和作業(yè)區(qū)域受到限制，安裝難度很大.在弧線段的起吊和安裝過程中，會(huì)有大量的雜質(zhì)往下落，一部分雜質(zhì)散落在扇形段的安裝基座上，會(huì)導(dǎo)致扇形段安裝基準(zhǔn)面的高度發(fā)生變化，進(jìn)一步導(dǎo)致對(duì)弧精度降低；另一部分雜質(zhì)落入到扇形段主進(jìn)水管內(nèi)，當(dāng)扇形段安裝完畢進(jìn)行使用時(shí)，主水管里面的雜質(zhì)在壓力的作用下會(huì)進(jìn)入到扇形段的二冷水系統(tǒng)，造成噴嘴堵塞或冷卻強(qiáng)度達(dá)不到要求，進(jìn)一步導(dǎo)致鑄坯收縮變形不一致，從而使夾輥沿水平方向上的受力不均，輥?zhàn)幽p量也不一樣，使扇形段精度會(huì)進(jìn)一步降低.

2.3 連鑄機(jī)傳動(dòng)穩(wěn)定性

隨著連鑄技術(shù)的發(fā)展，拉坯速度日益提高，液相長度相應(yīng)延長，對(duì)連鑄機(jī)傳動(dòng)負(fù)荷分配的平衡性要求越來越高［3］.連鑄機(jī)傳動(dòng)負(fù)荷分配的不平衡，會(huì)導(dǎo)致鑄坯產(chǎn)生內(nèi)部裂紋，嚴(yán)重影響鑄坯質(zhì)量，并對(duì)減速機(jī)等運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)面影響［4］.如果一旦連鑄機(jī)傳動(dòng)不穩(wěn)定，扇形段驅(qū)動(dòng)輥在傳動(dòng)過程中就會(huì)形成沖擊載荷，加速驅(qū)動(dòng)輥與板坯之間的磨損，驅(qū)動(dòng)輥的使用壽命會(huì)明顯變短，而且在澆鑄的初期，驅(qū)動(dòng)輥轉(zhuǎn)動(dòng)的不連續(xù)性會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致扇形段內(nèi)鑄坯行走的不連續(xù)性，從而也加速了扇形段其它夾輥的磨損程度，造成鑄機(jī)精度下降.通過對(duì)扇形段驅(qū)動(dòng)輥系統(tǒng)的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，萬向軸連接螺栓松動(dòng)情況較為普遍，每臺(tái)連鑄機(jī)年均更換連接螺栓126根，而且驅(qū)動(dòng)輥的電機(jī)電流平均波幅達(dá)到10A，說明連鑄機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差.所以連鑄機(jī)傳動(dòng)穩(wěn)定性差也是導(dǎo)致鑄機(jī)精度不高的一個(gè)重要原因.

2.4 輥縫儀的使用情況

由于連鑄機(jī)精度要求比較高，人工測(cè)量難度較大，所以必須借助輥縫儀來對(duì)連鑄機(jī)精度進(jìn)行測(cè)量.輥縫儀是一種由充電電池供電、由計(jì)算機(jī)控制、用來自動(dòng)測(cè)量連鑄機(jī)物理參數(shù)的測(cè)量裝置［5］，它是反映連鑄機(jī)精度最直接的儀器，如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)漂移或失真，那將會(huì)給連鑄機(jī)精度調(diào)整帶來災(zāi)難性后果，所以對(duì)其維護(hù)、保養(yǎng)、校準(zhǔn)都十分重要.為了規(guī)范輥縫儀的使用，現(xiàn)場(chǎng)不僅安排有專人負(fù)責(zé)輥縫儀的校準(zhǔn)和維護(hù)，而且對(duì)于輥縫儀的使用也有相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn).為了改善輥縫儀輥縫測(cè)量傳感器的工作環(huán)境，消除高溫對(duì)傳感器準(zhǔn)確性的影響，澆鑄完成后必須利用二冷水對(duì)扇形段夾輥進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，只有當(dāng)冷卻時(shí)間超過20min之后才能利用輥縫儀對(duì)連鑄機(jī)精度進(jìn)行測(cè)量，這樣就有效降低了測(cè)量時(shí)的環(huán)境溫度，為輥縫儀傳感器的正常工作提供了一個(gè)良好的環(huán)境.而且通過手動(dòng)測(cè)量的方式對(duì)輥縫儀測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)手動(dòng)測(cè)量結(jié)果與輥縫儀測(cè)量數(shù)據(jù)一致，這也進(jìn)一步說明了輥縫儀在測(cè)量準(zhǔn)確度和精度上不存在問題，不是導(dǎo)致鑄機(jī)精度不高的原因.

綜上所述，連鑄機(jī)精度不高是由多方面原因造成的，其中扇形段的設(shè)計(jì)參數(shù)不合理是主要原因，扇形段更換安裝不規(guī)范、連鑄機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定性差也是其重要原因.

3 改進(jìn)方案和措施

3.1 扇形段設(shè)計(jì)參數(shù)和修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化

將零段入口的輥縫尺寸由原來的241.5mm改為241mm，而且按比例將1－14段輥縫值分別降低，使整個(gè)連鑄機(jī)的輥縫整體成比例降低.縮小輥縫尺寸之后，減小了板坯鼓肚的可能性，降低拉坯阻力；將輥?zhàn)有据S的材質(zhì)由45＃鋼改為16Mn，軸承座材質(zhì)由35＃鋼改為45＃鋼，有效提高了扇形段心軸和軸承座的強(qiáng)度和剛度，解決了其容易變形的問題.而且為了進(jìn)一步提高扇形段的修復(fù)質(zhì)量，保障扇形段的在線維護(hù)質(zhì)量，不僅修訂了扇形段修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)，還改造了扇形段在線潤滑系統(tǒng)，完善了設(shè)備維護(hù)規(guī)程（表1），使扇形段的使用壽命大幅度提高.

表1 扇形段修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程優(yōu)化情況

3.2 扇形段安裝程序優(yōu)化

在舊弧線段的拆卸過程中，當(dāng)扇形段沿扇形段安裝導(dǎo)軌上升200mm時(shí)（扇形段與進(jìn)水口脫離時(shí)），停止扇形段的起吊工作.用鐵板蓋住扇形段進(jìn)出水口后，方可繼續(xù)起吊扇形段；在新的扇形段安裝過程中，當(dāng)扇形段沿著安裝導(dǎo)軌下降至離安裝面300mm時(shí)，拿下位于扇形段進(jìn)出水口處的鐵板，然后繼續(xù)安裝扇形段，這樣有效防止了雜質(zhì)掉入扇形段進(jìn)水口中，大幅度改善了二冷水的冷卻效果；為了提高扇形段的安裝質(zhì)量，采用“二次安裝”的方法安裝扇形段，即首先利用扇形段機(jī)械手將扇形段沿著導(dǎo)軌一次性落在安裝基礎(chǔ)面上（與原安裝方法一樣），然后將扇形段再次提起，使扇形段的安裝面與基礎(chǔ)面脫離并產(chǎn)生30mm間隙，接著安裝人員利用干凈棉布擦拭扇形段的安裝面和機(jī)架的基礎(chǔ)面，最后下落扇形段，完成扇形段的安裝.采用該方法有效解決了扇形段安裝面和基座基準(zhǔn)面之間有雜質(zhì)的問題，從而保障了扇形段的安裝質(zhì)量，提高了鑄機(jī)的對(duì)弧精度.

3.3 連鑄機(jī)傳動(dòng)穩(wěn)定性的提高

連鑄機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)主要由電機(jī)、輪胎接手、減速機(jī)、萬向軸和驅(qū)動(dòng)輥組成.其中電機(jī)、輪胎接手、減速機(jī)的問題較少，主要問題集中在萬向軸和驅(qū)動(dòng)輥上.為了解決這兩個(gè)問題，采取了一系列措施：通過將萬向軸法蘭盤螺栓孔改型的方式（圖2），提高了萬向軸連接螺栓的剪切強(qiáng)度和安全系數(shù)；合理優(yōu)化了萬向軸的結(jié)構(gòu)尺寸，使萬向軸內(nèi)外齒部分從環(huán)境復(fù)雜的二冷室改造到常溫的大氣中，大幅度改善了萬向軸的工作環(huán)境，有效避免了雜質(zhì)進(jìn)入到萬向軸內(nèi)，降低了萬向軸運(yùn)行阻力.

圖2 萬向軸法蘭盤的孔型結(jié)構(gòu)圖

在萬向軸上加裝加油孔，并制定嚴(yán)格的加油周期，保證了萬向軸良好的潤滑狀況，降低了螺栓松動(dòng)的情況；通過優(yōu)化驅(qū)動(dòng)輥內(nèi)接手結(jié)構(gòu)尺寸，并將其材質(zhì)由45＃鋼換成了42CrMn，而且采用鑄滲的方法將高硬度、高穩(wěn)定性的陶瓷顆粒（Al2O3、WG）復(fù)合于內(nèi)接手接觸面，使內(nèi)接手的抗磨性得到大幅度提高，延長了內(nèi)接手的使用壽命，最后使連鑄機(jī)驅(qū)動(dòng)輥電機(jī)電流的平均波幅從10A降低到2A，大幅度提高了連鑄機(jī)傳動(dòng)的穩(wěn)定性.

4 效果分析

表2 改造前后效果比較

從表2中可以看到，通過一系列措施的實(shí)施，使連鑄機(jī)的對(duì)弧精度≤0.5mm的比率從95%提高到98.7%，連鑄機(jī)的輥縫精度≤0.5mm的比率從97.2%提高到99.3%，鑄機(jī)整體精度得到大幅度提升.而且隨著鑄機(jī)精度的提高，備件壽命大幅度提升，扇形段每年的更換量從18臺(tái)下降至5臺(tái)，萬向軸螺栓每年的更換量由原來的126個(gè)降低至24個(gè)，年均降低備件成本245萬元，成效顯著.

5 結(jié)論

1）通過調(diào)研分析，找出了扇形段的設(shè)計(jì)參數(shù)不合理這一導(dǎo)致連鑄機(jī)精度不高的主要原因，除此之外，扇形段更換安裝不規(guī)范、連鑄機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定性差，也在一定程度上進(jìn)一步影響了連鑄機(jī)精度；

2）通過改進(jìn)扇形段材質(zhì)，修訂扇形段修復(fù)和在線維護(hù)規(guī)范，優(yōu)化設(shè)計(jì)扇形段萬向軸結(jié)構(gòu)尺寸等方式，進(jìn)一步提高了扇形段的修復(fù)質(zhì)量和安裝質(zhì)量，增強(qiáng)了連鑄機(jī)傳動(dòng)穩(wěn)定性；

3）改造后運(yùn)行效果良好，連鑄機(jī)精度以及備件壽命得以大幅度提升.

［1］ 劉 洋，嚴(yán)開勇，魯新義.輥縫測(cè)量儀在連鑄機(jī)上的應(yīng)用［J］.鋼鐵研究，2011，39（2）：122－127.

［2］ 王隆壽，董 涌.保證連鑄機(jī)對(duì)弧精度的技術(shù)［J］.冶金設(shè)備，1998，2：15－19.

［3］ 姜 鵬，陳朝陽.多電機(jī)負(fù)荷分配技術(shù)在連鑄機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，25（2）：171－175.

［4］ 劉 洋，王福華，嚴(yán)開勇，等.連鑄機(jī)扇形段傳動(dòng)系統(tǒng)提高穩(wěn)定性的措施［J］.機(jī)械管理開發(fā)，2012，128（4）：9－11.

［5］ 王 覃，刁紅敏.輥縫儀傳感器的設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用［J］.可編程控制器與工廠自動(dòng)化（PLC FA），2009，（2）：84－86.