特厚板坯連鑄機(jī)零號段設(shè)備設(shè)計研究

李廣源，王小哲，劉俊平

(1.陜西理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723000；2.空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安 710051；3.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

國內(nèi)外一直采用傳統(tǒng)的模鑄鋼錠和電渣重熔錠來實現(xiàn)特厚特寬板的軋制、鍛造和擠壓。模鑄鋼錠受其澆鑄工藝的制約，給大型鑄鍛件質(zhì)量造成先天不足。

零號段是立式特厚板坯連鑄機(jī)的重要設(shè)備，布置在結(jié)晶器下方，是對凝固過程中的鑄坯進(jìn)行支撐和導(dǎo)向的關(guān)鍵組成設(shè)備，其結(jié)構(gòu)設(shè)計對于連鑄過程的順利進(jìn)行和鑄坯質(zhì)量的嚴(yán)格保證具有重要影響。對于生產(chǎn)大于500 mm的特厚板坯，普通的零號段結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足鑄坯質(zhì)量要求，會出現(xiàn)窄邊鼓肚、內(nèi)部組織缺陷等嚴(yán)重問題。

本文闡述了立式特厚板坯連鑄機(jī)零號段的結(jié)構(gòu)組成，二冷工藝設(shè)計，為優(yōu)化零號段的設(shè)計，提高框架的使用壽命和可靠性提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

立式連鑄機(jī)澆鑄和鑄坯凝固全部過程都是在垂直狀態(tài)中進(jìn)行的。這種連鑄機(jī)的中間罐、結(jié)晶器、二冷區(qū)、拉矯機(jī)、切割設(shè)備以及接受定尺鑄坯等一系列設(shè)備和操作均布置在一條垂直的中心線上。鋼水從中間罐注入結(jié)晶器后，初凝鑄坯經(jīng)二冷區(qū)加速凝固，由拉坯機(jī)以設(shè)定的拉速拉出，經(jīng)切割后，定尺鑄坯進(jìn)入翻鋼斗中，翻斗接受鑄坯后將鑄坯放至水平狀態(tài)由輸送輥道運出(地坑式鑄機(jī)有提升機(jī)將鑄坯提至地坪面上后再由地面輥道輸出)，或者由翻鋼斗傾斜倒到斜式履帶運輸機(jī)，由履帶運輸機(jī)將鑄坯送到地面上由地面輥道輸出，再由拉鋼(或推鋼)機(jī)將鑄坯推到集中冷床上。

鋼液從中間罐注入直立的結(jié)晶器，鋼液中大顆粒夾雜物及部分小夾雜有可能上浮到表面，使用保護(hù)渣澆注時，夾雜可被保護(hù)渣吸收，而殘留在鑄坯內(nèi)的夾雜物分布較均勻，不會出現(xiàn)弧型連鑄時鑄坯內(nèi)夾雜物在內(nèi)弧面積聚現(xiàn)象。鑄坯的冷卻均勻，凝固組織對稱性好。

零號段是立式特厚板坯連鑄機(jī)的重要設(shè)備，布置在結(jié)晶器下方，是對凝固過程中的鑄坯進(jìn)行支撐和導(dǎo)向的關(guān)鍵組成設(shè)備，其結(jié)構(gòu)設(shè)計對于連鑄過程的順利進(jìn)行和鑄坯質(zhì)量的嚴(yán)格保證具有重要影響。對于生產(chǎn)大于500 mm的特厚板坯，普通的零號段結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足鑄坯質(zhì)量要求，會出現(xiàn)窄邊鼓肚、內(nèi)部組織缺陷等嚴(yán)重問題。

圖1 立式特厚板坯連鑄機(jī)零號段裝置

立式特厚板坯連鑄機(jī)零號段裝置如圖1所示，包括外弧框架、內(nèi)弧框架、夾緊裝配、寬面輥子裝配、窄面輥子裝配、寬面輥子調(diào)整裝置、窄面輥子調(diào)整裝置、設(shè)備冷卻水配管、干油潤滑配管、寬面噴淋冷卻配管及窄面噴淋冷卻配管等。

外弧框架和內(nèi)弧框架為焊接結(jié)構(gòu)件，外弧框架是零號段的基本。寬面輥子裝配通過寬面輥子調(diào)整裝置分別安裝在外弧框架和內(nèi)弧框架上。窄面輥子裝配通過窄面輥子調(diào)整裝置固定在外弧框架上。夾緊裝置將外弧框架和內(nèi)弧框架夾緊并組成設(shè)備主體。液芯鑄坯靠寬面輥子裝配和窄面輥子裝配動態(tài)支撐。

在外弧框架上部兩側(cè)各有一個帶鋼套的耳軸(一)用來將零號段的重量支撐在土建基礎(chǔ)上；下部兩側(cè)同樣有兩個帶鋼套的耳軸(二)用來限制零號段的擺動。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 鑄坯窄面支撐輥

鑄坯由于鋼水靜壓力而產(chǎn)生的鼓肚力，作用于輥子上，經(jīng)軸承座傳遞到框架立板上。在零號段窄邊分別設(shè)置12對窄邊輥子用以支撐鑄坯窄邊。厚度為500 mm、700 mm時，零號段窄邊所受到的鼓肚力,分別如表1、表2所示?？紤]到大于500 mm的特厚鑄坯在進(jìn)行澆鑄的過程中，窄邊會發(fā)生鼓肚，進(jìn)而導(dǎo)致鑄坯內(nèi)部組織缺陷，因此在進(jìn)行設(shè)備設(shè)計的過程中，在窄邊設(shè)置有不同規(guī)格的導(dǎo)向輥進(jìn)行支撐，解決該問題。在立式鑄機(jī)零號段左右側(cè)設(shè)置鑄坯窄面支撐輥，如圖2所示,窄邊支撐輥結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 鑄坯窄面支撐輥布置示意圖

圖3 鑄坯窄面支撐輥布置結(jié)構(gòu)示意圖

鑄坯窄面支撐輥主要由支撐架、固定銷、芯軸、軸套、疊環(huán)、定距環(huán)、軸承、固定環(huán)、定距套、輥套、環(huán)、防松墊片、圓螺母、連接銷、大螺栓、碟簧組、固定螺母、防松螺母組、固定架組成。

輥套裝在軸套和軸承外側(cè),芯軸一端軸脖子伸入到支撐架、軸套、軸承中，通過固定銷將芯軸一端配合固定到支撐架上；通過定距環(huán)，固定環(huán)和環(huán)將軸承和輥套沿軸向固定；連接銷與支撐架配合，伸入到軸套中，防止轉(zhuǎn)動；圓螺母和防松墊片固定到芯軸端部，固定整個軸向。

表1 厚度為500 mm時窄邊鼓肚力/N

表2 厚度為700 mm時窄邊鼓肚力/N

窄邊導(dǎo)向輥裝配完畢后，通過大螺栓，碟簧組，固定螺母，防松螺母組連接到固定架上；碟簧組用于調(diào)節(jié)窄邊導(dǎo)向輥隨鑄坯鼓肚的大小。固定架通過螺栓，螺母，調(diào)整墊片組連接到外弧框架窄邊；通過調(diào)整墊片組進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制板坯的寬度方向尺寸。芯軸端面設(shè)置有潤滑油孔，在使用過程中通過該潤滑油孔，將干油輸送到軸承處，保證軸承的潤滑。窄邊導(dǎo)向輥裝置設(shè)置有可調(diào)碟簧組。在裝配過程中，將碟簧組預(yù)緊，單組碟簧的預(yù)緊值為6.5 kN。在鑄坯通過時，導(dǎo)向輥需要抵消鑄坯一定的鼓肚力，因此設(shè)置碟簧組的調(diào)節(jié)最大余量為3 mm，滿足生產(chǎn)工藝要求。

圖4 環(huán)形槽示意圖

同時，在輥套上間隔布置有環(huán)形槽，每個環(huán)形槽平行，間距為40 mm，環(huán)形槽為弧形面，弧形面的半徑為2.5 mm，角度為60°，環(huán)形槽的寬度為6.93 mm，深度為3.5 mm，如圖4所示。鑄坯上粘結(jié)的渣皮以及冷卻水沿鑄坯向下運動，到達(dá)輥套時，順著開槽向下流，不會聚集在鑄坯和輥套之間，防止積水造成鑄坯表面的冷卻不均勻性造成的裂紋。

2.2 窄邊噴淋冷卻配管

在零號段合理設(shè)置窄邊噴淋冷卻配管，如圖5所示。零號段窄面噴淋冷卻配管共分為三個冷卻區(qū)：第一個冷卻區(qū)為純水冷卻，布置在零號段的上部；第二和第三個冷卻區(qū)，全部采用氣水冷卻方式，分別布置在零號段的中部和下部，保證鑄坯窄面的凝固收縮。

當(dāng)零號段安裝完成之后，所有的水氣將自行接通。零號段窄面噴淋冷卻水配管用螺栓固定在外弧框架上，方便拆卸。

圖5 窄邊噴淋冷卻配管布置示意圖

2.3 鑄坯窄邊二冷水設(shè)置

針對特厚鑄坯拉速低的特點，設(shè)置合理的鑄坯二次冷卻噴嘴布置。在澆鑄700 mm厚度的鑄坯時，窄邊設(shè)置兩個噴嘴，如圖6所示。在澆鑄700 mm以下鑄坯時，窄邊設(shè)置一個噴嘴，居中布置，如圖7所示。

圖6 700 mm厚度時零號段窄邊噴嘴布置示意圖

圖7 500 mm厚度時零號段窄邊噴嘴布置示意圖

3 效果分析

基于上述的噴嘴布置，針對700 mm×1 500 mm斷面的鑄坯，在澆鑄溫度為1535℃的工況條件下進(jìn)行模擬仿真，如圖8、圖9所示。

根據(jù)仿真結(jié)果可知，鑄坯凝固早期坯殼生長均勻，四邊坯殼厚度基本相同，但是由于鑄坯的角部位置為雙向散熱，因此角部的坯殼生長速度比其他部位要快。在窄邊設(shè)置導(dǎo)向輥及二次冷卻噴淋配管，有效地防止了鼓肚及角裂的發(fā)生，保證了鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量，組織良好。

圖8 鑄坯剛進(jìn)入零號段時的截面溫度場分布示意圖

圖9 鑄坯的坯殼厚度分布示意圖

4 結(jié)束語

本文針對特厚板坯連鑄，提出立式連鑄零號段連鑄技術(shù)，在零號段窄邊設(shè)置導(dǎo)向輥，可有效地解決鑄坯窄邊鼓肚、內(nèi)部組織缺陷等嚴(yán)重問題。在零號段窄邊設(shè)置合理的二冷噴嘴，可以有效地控制特厚板坯角部裂紋，仿真結(jié)果表明該技術(shù)有效防止鼓肚及角裂的發(fā)生，科學(xué)地保證了鑄坯窄面的凝固收縮。