一種新型帶材鑄軋機的設(shè)計與研究

高 林，孫斌煜，王 立(太原科技大學(xué)重型機械教育部工程研究中心，太原 030024)

至今為止，帶材鑄軋技術(shù)的發(fā)展已有150多年。主要有水平式、傾斜式、下注式三種。相對下注式而言，水平式雙輥鑄軋機和傾斜式雙輥鑄軋機在操作、調(diào)試和檢修上都具有明顯的優(yōu)點。因此，以后的生產(chǎn)廠家一般都選擇水平式或傾斜式雙輥鑄軋機[1]。

我國對雙輥帶材鑄軋機的研究始于1964年，累計投產(chǎn)的雙輥帶材鑄軋機多達100多套。其中有從法國引進的皮希涅(Pechiney)3C水平式帶材鑄軋機，有從英國引進的戴維(Davy)公司雙輥傾斜式帶材鑄軋機，更多是中外合資和我國自行研制的設(shè)備[1]。

1 常用鑄軋機及其優(yōu)劣性

1.1 鑄軋機的特點

雙輥鑄軋技術(shù)是冶金成型領(lǐng)域內(nèi)的一項前沿技術(shù)，它以兩個逆向旋轉(zhuǎn)的鑄軋輥作為結(jié)晶器，將熔融狀態(tài)下的金屬液體澆入熔池中，直接鑄軋成薄帶的工藝(如圖1所示)。該工藝是鑄造和熱軋的統(tǒng)一，在狹小的空間和較短的時間內(nèi)完成從液態(tài)金屬到固態(tài)帶材的全部過程，取消了傳統(tǒng)的熱軋工序[2]。

鑄軋生產(chǎn)的優(yōu)點在于投資成本低、能耗??；工作效率高，工作流程短，并且成品率提高[3]。對合金的工業(yè)化生產(chǎn)具有深遠意義和巨大現(xiàn)實利益[4-6]。

圖1 上注式雙輥鑄軋金屬帶材示意圖

1.2 目前常用鑄軋機類型

由于下注式帶材鑄軋機在換輥、調(diào)試等方面不太方便，因此，迄今為止，常用帶材鑄軋機一般分為水平式和傾斜式(如圖2，3所示)。

圖2 水平式鑄軋機

圖3 傾斜式鑄軋機

圖2為水平式帶材鑄軋機，水平式帶材鑄軋機具有換輥方便的優(yōu)勢，然而，由于鑄軋過程中金屬液體無法完全充滿熔池，致使鑄軋帶材的鑄軋質(zhì)量略有下降，但是，水平式帶材鑄軋機的鑄軋速度較快，為快速鑄軋?zhí)峁┝吮Ｕ稀?/p>

圖3為傾斜式帶材鑄軋機，通常鑄軋輥中心連線與地面夾角為75°(即傾斜15°)。它兼有下注式帶材鑄軋機鑄軋帶材質(zhì)量高的優(yōu)勢以及水平式帶材鑄軋機的鑄軋速度優(yōu)勢，其缺點在于換輥及調(diào)試等相對水平式帶材鑄軋機而言仍有不足之處，也為工作人員帶來了一定的難度。

1.3 各種鑄軋機的優(yōu)劣性及解決思路

從下注式帶材鑄軋機與水平式帶材鑄軋機在鑄軋帶材質(zhì)量以及鑄軋速度的對比中我們不難看出：從下注式鑄軋到水平式鑄軋，隨著傾斜角度減小，鑄軋帶材質(zhì)量方面會略有下降，鑄軋速度會不斷提高，因此，在傾斜角度從90°到0°的變化過程中，必然存在一個最佳鑄軋傾斜角度，這個鑄軋傾斜角度既可以實現(xiàn)較高速度的鑄軋，又可以滿足帶材高質(zhì)量的要求。

對于現(xiàn)有的傾斜式帶材鑄軋機，只能實現(xiàn)15°傾斜角的鑄軋。至今為止，從無報道可以證實，是否15°傾斜角是鑄軋的最佳鑄軋角度。由于不同鑄軋材料物理性能差異很大，從上注式鑄軋機能夠生產(chǎn)鋼鐵卻無法生產(chǎn)有色金屬可以推測等案例可推測，不同鑄軋材料的最佳鑄軋傾斜角度也極有可能是不相同的。因此這也需要我們通過試驗進一步來考證。

這個最佳鑄軋傾斜角度的探索工作，需要一臺可以實現(xiàn)鑄軋傾斜角度任意變換的鑄軋機，并通過大量的試驗對各種推測來進行驗證。這種鑄軋機在以后的帶材生產(chǎn)過程中，也將適用于多種合金的鑄軋。

2 一種新型帶材鑄軋機的設(shè)計

2.1 可傾斜鑄軋機的提出

曾有人提出過可轉(zhuǎn)動式帶材鑄軋機的概念，并欲求通過牌坊一端安裝固定軸，另一端用液壓缸推動的方式來實現(xiàn)帶材鑄軋機的傾動(如圖4右)。但是，在實施過程中有兩個問題至今未曾得到解決：

第一個問題：帶材鑄軋機傾動過程中，上下鑄軋輥中心位置偏移量太大，由于萬向接軸的最佳適應(yīng)偏轉(zhuǎn)角度是在0°～5°的范圍內(nèi)，所以與鑄軋輥相對接的萬向接軸無法進行大角度的偏轉(zhuǎn)調(diào)整以適應(yīng)與鑄軋輥的對接。

第二個問題：帶材鑄軋機傾動過程中，鑄軋中心(如圖4右)的偏移量過大。整個鑄軋過程需要澆注系統(tǒng)的鑄嘴與鑄帶材鑄軋機之間的配合來完成，當(dāng)鑄軋輥輥縫偏移量過大時，澆注系統(tǒng)需要進行整體的移動調(diào)整來實現(xiàn)再次對接。但是鑄軋過程需要極強的穩(wěn)定性，澆注系統(tǒng)的移動對于液體金屬的穩(wěn)定性有很大的影響，對帶材質(zhì)量及鑄軋速度都極為不利，所以這種移動性的調(diào)整不被認可。

2.2 新型帶材鑄軋機設(shè)計優(yōu)勢

本文設(shè)計的新型帶材鑄軋機(如圖5)可以實現(xiàn)帶材鑄軋機在0°～30°的范圍內(nèi)任意傾斜角度的調(diào)整。

圖4 新型鑄軋機與繞軸旋轉(zhuǎn)鑄軋機傾斜對比

該新型帶材鑄軋機同時解決了上述兩個至今仍未解決的問題(如圖4)，其中圖4(左)為新型帶材鑄軋機示意圖，圖4(右)為曾經(jīng)提出而至今仍未能實現(xiàn)的可轉(zhuǎn)動帶材鑄軋機示意圖。從圖4的對比中可以看出，在傾斜前后的過程中，新型帶材鑄軋機的上下鑄軋輥中心相對而言變化很小，完全可以實現(xiàn)萬向接軸在偏轉(zhuǎn)5°范圍內(nèi)的自適應(yīng)；鑄軋中心在傾斜前后的位置始終保持不變，鑄軋中心位置的穩(wěn)定性解決了澆注系統(tǒng)的移動問題，只需要對鑄嘴方向加以調(diào)整，澆注系統(tǒng)完全可以處于穩(wěn)定狀態(tài)。這兩個問題的解決自然也為合金帶材最佳鑄軋傾斜角度的探索帶來了契機。

1.底座；2.連桿1；3.壓力傳感器(鑄軋力的測量)；4.壓力傳感器(預(yù)應(yīng)力的測量)；5.中間承壓件；6.自鎖式液壓缸；7.連桿2；8.平衡板

圖5新型傾動機座帶材鑄軋機

Fig.5Thenew-typecasterwithinclinablebase

作為一臺帶材鑄軋機的試驗機(本結(jié)構(gòu)已經(jīng)申請國家發(fā)明專利)，該鑄軋機克服了傳統(tǒng)帶材鑄軋機的缺陷，這種帶材鑄軋機可以通過傾斜角度的調(diào)整變化，以大量的試驗研究為基礎(chǔ)，來探索出各種合金材料在鑄軋過程中的最佳鑄軋傾斜角度，實現(xiàn)鑄軋帶材質(zhì)量和鑄軋速度的最佳化，具有比傾斜式鑄軋機更大的優(yōu)勢。在換輥、調(diào)試、檢修等方面，該帶材鑄軋機也具有水平式帶材鑄軋機的優(yōu)勢，只需將傾斜的帶材鑄軋機恢復(fù)到初始水平位置即可。

2.3 傾動機座的工作原理及穩(wěn)定性

新型帶材鑄軋機可傾動機座采用四連桿機構(gòu)原理，欲求以最簡單的機構(gòu)來完成復(fù)雜而繁瑣的角度變換動作。通過機構(gòu)分析與計算，該機構(gòu)自由度為：

F=3n-2p1-ph

(1)

其中，活動構(gòu)件個數(shù)n為3，低副個數(shù)p1為4，高副個數(shù)ph為0，由公式(1)可知，此機構(gòu)的自由度為1.即運動機構(gòu)是確定的，只需推動連桿2即可調(diào)整鑄軋機架的角度。同時，由自鎖式液壓缸、連桿2及底座構(gòu)成的三角形結(jié)構(gòu)具有極強的穩(wěn)定性，當(dāng)液壓缸自鎖后，鑄軋裝置就會處于整體穩(wěn)定狀態(tài)，為合金的順利鑄軋?zhí)峁┝吮Ｕ稀?/p>

2.4 新型帶材鑄軋機的工作過程

在考慮鑄軋輥彈性壓扁的前提下，利用中間承壓件對鑄軋輥輥縫進行調(diào)節(jié)，然后通過預(yù)應(yīng)力液壓缸產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，通常為鑄軋力的1.2倍。預(yù)應(yīng)力達到要求后，對測鑄軋力壓力傳感器的壓力顯示數(shù)字歸零，以方便鑄軋過程中鑄軋力的測量與控制。然后由液壓泵站為自鎖式液壓缸提供液壓動力，使機架進行整體角度偏轉(zhuǎn)。當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度達到指定要求后，需等到帶材鑄軋機整體穩(wěn)定，然后將自鎖式液壓缸自鎖，液壓泵站停止供油，完成鑄軋前的準(zhǔn)備工作。

3 鑄軋機傾斜角度測量

采用新型帶材鑄軋機可傾動機座所面臨的問題是機架角度調(diào)整時偏轉(zhuǎn)角度的測量問題。由于機座采用四連桿機構(gòu)，無固定的旋轉(zhuǎn)軸，無法直接對轉(zhuǎn)動角度進行適時的測量及控制，這也是需要解決的關(guān)鍵問題。

此問題首先需建立數(shù)學(xué)模型，設(shè)機架水平時的位置如圖6所示，并在水平位置建立直角坐標(biāo)系，兩連桿分別繞(0，0)點和(a，0)點做旋轉(zhuǎn)運動，建立如下模型來計算鑄軋機機架傾斜角度：

圖6 機架傾斜過程坐標(biāo)系示意圖

設(shè)桿1與機架連接處的坐標(biāo)為(x0,y0)，桿2與機架連接處的坐標(biāo)為(x1,y1).

在旋轉(zhuǎn)以后可得:

由此可得：

(2)

旋轉(zhuǎn)后對于桿1可得:

由此可得：

(3)

(4)

旋轉(zhuǎn)后對桿2可得：

由此可得：

(5)

(6)

將式(3)～式(6)代入式(2)可得：

(7)

由式(7)所示，輸出的角度β即為鑄軋機機架的傾斜角度。

4 結(jié)束語

鑄軋機具有縮短生產(chǎn)周期，簡化生產(chǎn)工序，節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本等優(yōu)勢，同時鑄軋出的帶材可得到理想的微觀組織和良好的力學(xué)性能。因此，鑄軋技術(shù)的不斷發(fā)展與進步將成為帶材生產(chǎn)的主流之一。

新型帶材鑄軋機的設(shè)計優(yōu)勢如下：

1)從實用性方面來考慮，新型帶材鑄軋機集換輥方便、鑄軋速度快、鑄軋帶材質(zhì)量高、方便于檢修和調(diào)試等優(yōu)勢于一身，為各種合金的鑄軋?zhí)峁┝吮憬荩?/p>

2)從經(jīng)濟方面考慮，采用新型帶材鑄軋機可以實現(xiàn)多種合金的鑄軋，節(jié)省投資成本；

3)從研究與探索方面來考慮，需要通過大量試驗對不同合金的最佳鑄軋傾斜角度進行探索和總結(jié)，以實現(xiàn)高質(zhì)量、高速度合金帶材的鑄軋。該新型帶材鑄軋機為當(dāng)前所面臨的研究與探索提供了平臺。也為實現(xiàn)合金帶材鑄軋質(zhì)量和鑄軋速度綜合效率最大化的探索提供了可能；

4)從操作方面來考慮，應(yīng)用最簡單的結(jié)構(gòu)安裝來實現(xiàn)鑄軋機機架角度調(diào)整的整個操作過程，具有操作簡單的優(yōu)勢。

參考文獻：

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