安鋼2800mm機組出鋼機優(yōu)化設計

王 軍

(安陽鋼鐵股份有限公司)

0 前言

出鋼機在熱軋板材工藝中發(fā)揮著極其重要的作用，其穩(wěn)定運行關系到整個軋鋼工藝的后續(xù)進行。出鋼機工作坯料規(guī)格為:(150 ～230)mm ×(1500 ～1600)mm × (1600 ～2600)mm，單重為4． 59 t ～7．51 t，但實際使用中料桿式出鋼機出鋼桿托起3．5 t坯料時，就會產(chǎn)生“⌒”形狀的彈性變形，進而引起機體晃動，并且隨著坯料單重的增大，變形磨損也增大［1］。

近年來，鋼鐵市場競爭日益激烈，大單重及品種板坯料的比重不斷增大，對設備的要求也越來越高。嚴峻的生產(chǎn)形勢和復雜的生產(chǎn)規(guī)格，超出了出鋼機設計能力，導致出鋼機故障頻發(fā)，使出鋼桿的在線使用壽命平均僅為3 個月左右。更換和修復出鋼桿周期長、費用高，設備使用成本居高不下且不能滿足生產(chǎn)需求。為了滿足使用要求，為該設備做了相應的優(yōu)化設計。

1 設備參數(shù)及原理

安鋼2800 mm 機組采用的料桿式出鋼機位于板坯加熱爐出爐側，由傳動箱、升降傳動及升降裝置、橫移傳動機構、出鋼桿部件等組成，該設備的運行正常與否和出鋼能力的大小直接關系到四輥軋機的正常生產(chǎn)，影響到該廠的重要經(jīng)濟指標。其基本參數(shù)如表1。

表1 生產(chǎn)工藝及設備參數(shù)

料桿式出鋼機的工作原理是靠橫移傳動機構將出鋼桿伸入爐內后由升降機構升起，將加熱好的板坯托起移出爐外，然后出鋼桿下降，將板坯放在送料輥道上，由輥道運輸，經(jīng)高壓水除鱗后送往粗軋機軋制。它的優(yōu)點是機械傳動效率高、出鋼速度比較快、工作可靠。

2 存在的問題及原因分析

2．1 存在問題

1)導軌板松動脫落，螺栓孔銹蝕。

2)托輪內部軸承損壞，托輪卡死。

3)沖擊和振動，齒條松動和磨損。

4)限位編碼器異常，齒條脫齒。

2．2 原因分析

1)目前出鋼桿導軌板與出鋼桿的連接，是通過導軌板邊緣M12 ×100 mm 的T 形螺栓和導軌板(如圖1 所示)中間的M30 ×70 mm 的栽絲螺栓來固定的，由于出鋼桿承重大且工況環(huán)境高溫多水，隨著鋼坯重量規(guī)格的加大和生產(chǎn)節(jié)奏的加快，原有的設計不能滿足生產(chǎn)的需求，經(jīng)常出現(xiàn)固定螺栓松動，進而引起導軌板松動甚至脫落，出鋼桿上的栽絲孔銹蝕，無法使用，備件下線每次都需要外修，嚴重影響了出鋼桿備件的使用壽命，還制約了生產(chǎn)的順行。

圖1 導軌板示意圖

2)出鋼桿下的托輪內部的軸承采用的是深溝球軸承，耐沖擊性和振動性能差，不能承受較重軸向載荷。在使用過程中由于沖擊載荷較大，經(jīng)常發(fā)生軸承損壞的情況，從而導致托輪卡死或者出鋼桿傾斜不穩(wěn)，托鋼時鋼坯傾斜，無法正常完成出鋼工序，這時必須停車更換托輪，造成設備故障停機，擾亂生產(chǎn)秩序。

3)當出鋼桿伸入到加熱爐到達最大行程4450 mm時，出鋼桿下的齒條便會接觸到托輪裝置，由于齒條的高度大于托輪上凹槽的深度，易帶來較大的沖擊和振動，造成出鋼過程不穩(wěn)定，也加速了齒條和導軌板相接觸位置的磨損。

4)出鋼桿的前后移動行程，在正常情況下是通過編碼器來控制的［3］。但是，如果編碼器出現(xiàn)異常，引起出鋼桿前進過程失常，與傳動齒輪脫齒，使出鋼桿停留在加熱爐內無法退回，導致出鋼桿頭部加速燒毀，造成故障停車。若要退回出鋼桿就必須將兩根出鋼桿的傳動箱打開，再用行車將出鋼桿吊裝就位，然后合箱緊固螺栓，整個過程費時費力，極大的影響了出鋼機的運行。

3 改進措施

1)在出鋼桿上原有栽絲孔的位置距下邊緣120 mm的地方開120 mm ×100 mm 方型孔，為防止應力集中，將方孔的四個角倒角為R30mm 的圓角，并從出鋼桿底部將原來的栽絲孔鉆至新開的方孔處，形成通孔，這樣就可以采用M30 ×180 mm 的螺栓來緊固導軌板和出鋼桿。使得出鋼桿與導軌板之間的固定更加牢固可靠，滿足生產(chǎn)的需求，大大降低出鋼桿備件的消耗率。當M30 ×180 mm 螺栓出現(xiàn)松動時，不用更換出鋼桿，只要在線更換螺栓就可以滿足使用要求，同樣在導軌板磨損到需要更換的時候，利用停車檢修時間可以完成在線更換，從而使出鋼桿備件修復更加省時與簡便。改造前、后的出鋼桿如圖2 所示。

圖2 出鋼桿

2)將原來使用的深溝球軸承更換為圓錐滾子軸承。圓錐滾子軸承既能承受徑向載荷又能承受因傳動不平穩(wěn)或鋼坯與出鋼機對中不良引起的軸向載荷，大大提高了軸承的使用壽命。

3)將托輪直徑為Φ370 mm 的凹槽外圓改成托輪直徑為Φ350 mm 的凹槽外徑。生產(chǎn)過程中即使出鋼桿伸長到最大位置時齒條也不會再接觸到托輪，有效的去除了因齒條與托輪接觸而引起的沖擊和振動，同時避免了因振動和沖擊造成的齒條和壓條松動以及齒條磨損的問題。出鋼桿運行時非常平穩(wěn)，振動和磨損得到改善。改造前、后的托輪如圖3所示。

圖3 托輪

4)針對編碼器出現(xiàn)故障的問題，在本次設計中，在出鋼桿最后端焊接一個撞擊塊，在傳動箱體上安裝一個撞擊式行程開關，在編碼器出現(xiàn)異常時，出鋼桿繼續(xù)前進，當撞擊塊碰到行程開關時，系統(tǒng)斷電，出鋼桿停止運行，確保出鋼桿不脫齒，徹底解決因出鋼桿脫齒引起的生產(chǎn)事故。

4 改造后出鋼桿的強度校核

由于改造后的出鋼桿橫截面積發(fā)生了變化，因此需對橫截面積發(fā)生變化的地方進行強度校核，看看能否滿足使用要求。出鋼桿為矩形梁，材質為Q345B，寬度b 為200 mm，高度h 為530 mm。開孔后的最小界面處寬度b 為200 mm，高度h 為430 mm。由于有兩根出鋼桿，近似地認為每根出鋼桿平均承擔鋼坯一半的重量，按照最大出鋼重量為10 t 的情況來計算校核。由于A 處的剪切應力最大，故只對A 處做強度校核［2］，出鋼桿受力如圖4 所示。

圖4 出鋼桿受力示意圖

由靜力平衡方程:

式中:P—單根出鋼桿承受鋼坯重力，KN;YA—A 點支反力，KN;YB—B 點支反力，KN;MA—A 點彎矩，KN·m;MB—B 點彎矩，KN·m;l—A，B 支點間距離;a—鋼坯與A 點間距離;b—鋼坯與B 點間距離。

求支座反力:

P = 10t ÷2 = 50 KN

P × (6805 + 4645)－ YA× 4645 = 0，YA=123．25 KN

P ×6805 + YB×4645 = 0，YB= －73．25 KN

校核:ΣY = 0，ΣY = YA+ YB－ P = 123．25 －73．25 －50 = 0，反力無誤。

出鋼桿材質為Q345B，其屈服強度σs=345 MPa，

［σ］= σs÷1．5 =345 ÷1． 5 =230MPa，［τ］=0．5 ～0．7［σ］，取最大0．7，則［τ］=0．7 ×230 =161 MPa，，根據(jù)彎曲虎克定律［4］得:

τmax= 1． 5 × 123． 25 × 1000/(20 × 43)= 143 MPa ＜［τ］

式中:Q—A 截面剪力，Q =123．25 KN;A—截面面積，cm2。

故出鋼桿的強度滿足使用要求。

5 改進效果

1)滿足了生產(chǎn)需求。通過以上方法對出鋼機改進以來，適應了大坯料生產(chǎn)的要求，加快了生產(chǎn)的節(jié)奏，保證了高附加值鋼板的軋制。

2)降低了備件消耗。改造前出鋼桿平均使用周期約為3月，每年需要更換出鋼桿約25 臺次。改造后平均12 個月更換1 臺次，每年需要更換出鋼桿約8 臺次。每換一次出鋼桿需要外修費用為0．5 萬元，導軌板備件費0．4 萬元，改進后每年可節(jié)省備件費約15．3 萬元。改造前出鋼桿托輪的平均使用壽命為4 個月，每年需更換托輪約25 臺次，改造后托輪跟換臺次減少到約10 臺次，每個托輪的外修費用為0．6 萬元，改進后每年可節(jié)省備件費用9 萬元。從而大大降低了出鋼桿備件費用，提高了設備使用率和作業(yè)率。

3)減輕了維修工工作量。改造后出鋼桿的使用壽命達到了1年以上，在導軌板磨損的情況下，直接可以利用檢修時間更換導軌板，減輕了維修勞動強度，使得工人能夠更加全身心的投入到設備的維保工作中，使整個維修工作進入良性循環(huán)。

6 結束語

針對中板廠出鋼機在使用過程中出現(xiàn)的問題，找出癥結進行完善修改，解決了諸多實際問題，改造后各項技術性能可靠，運行穩(wěn)定，使用效果良好，達到了使用要求。經(jīng)實踐證明，出鋼機的優(yōu)化設計是成功的。

［1］朱紅一，韋山． 2800 mm 中板出鋼機的改造［J］． 冶金設備，2002(3):65 －66．

［2］彭榮濟． 現(xiàn)代綜合機械設計手冊上［M］． 北京:北京出版社，1998:95 －135．

［3］盛解平，徐祖敦．加熱爐出鋼機的優(yōu)化設計［J］．清遠職業(yè)技術學院學報，2010，3 (6):64 －67．

［4］劉鴻文．材料力學Ⅰ［M］．北京:高等教育出版杜．2004:116 －123．