方坯連鑄機分鋼裝置滑軌支架改進

霍建國， 王國穩(wěn)， 許 瑞

（首鋼集團長治鋼鐵有限公司， 山西 長治 046031）

1 8 號連鑄機分鋼裝置改進背景

首鋼集團長治鋼鐵有限公司（以下簡稱長鋼）8號連鑄機于2014 年投產(chǎn)，以生產(chǎn)150 mm×150 mm×12 000 mm 的方坯為主。分鋼裝置是該連鑄機生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)中重要的過渡裝置，將儲坯臺輸送的鋼坯通過該裝置將其分離及運輸至下一工序。在實際生產(chǎn)中，分鋼裝置滑軌底座每月都會出現(xiàn)6~10 次斷裂現(xiàn)象，導(dǎo)致分鋼裝置功能失效，鋼坯滯留，影響生產(chǎn)正常秩序，還需組織大量的人力物力進行搶修，打亂了正常生產(chǎn)和維修工作的總體安排，因此決定對分鋼裝置進行攻關(guān)改造。

2 8 號連鑄機分鋼裝置概況

2.1 組成

該裝置由滑軌、支架、連桿、扇形板、油缸等構(gòu)件組合構(gòu)成，該裝置具有占地面積小、啟動平穩(wěn)、操作靈活、效率高、即時性好等特點（見圖1）。

圖1 8 號連鑄機分鋼裝置組成圖

2.2 相關(guān)技術(shù)參數(shù)

鑄坯規(guī)格：150 mm×150 mm×12 000 mm；鑄坯質(zhì)量：2.120 t；受坯根數(shù)：4 根；支架材料：ZG 270-500，屈服強度σs=270 MPa，抗拉強度σB=500 MPa

2.3 存在問題及原因分析

在生產(chǎn)過程中，分鋼裝置滑軌底座頻繁出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，導(dǎo)致該連鑄機出現(xiàn)非計劃停機次數(shù)增多，經(jīng)技術(shù)人員分析，判斷引起該故障的較大原因是由于滑軌支架傾斜角度過大，鋼坯在滑落過程中速度增量大，鋼坯下滑與底端碰撞后，對底座彎折處造成沖擊力度大，因此導(dǎo)致故障頻發(fā)。為證實該推斷觀點成立，因此考慮減緩滑軌支架傾斜角度來降低沖擊力。

3 改進對策及相關(guān)計算

3.1 改進對策

根據(jù)支架原結(jié)構(gòu)設(shè)計，該滑軌傾斜角度α 為35°，下滑導(dǎo)軌支架總長為1 180 mm。

受力分析圖如圖2 所示。

圖2 受力分析圖

由圖2 可知，在忽略空氣阻力及工作環(huán)境等因素的情況下，適當減小角α 的度數(shù)，只要重力G在平行于滑軌x軸方向分力F=G·sinα 略大于鋼坯下滑時產(chǎn)生的摩擦力f，鋼坯既可順利滑落又可將鋼坯滑落時產(chǎn)生的沖力降至最小。

3.2 計算鋼坯下滑臨界角度（即α 的最小值）

根據(jù)分析，當μGcosα=G·sinα，即μcosα=sinα?xí)r，鋼坯處于臨界狀態(tài)。

在生產(chǎn)中，當鋼坯運送至翻鋼裝置時溫度在

500~600 ℃之間。

查閱文獻[2]鋼坯溫度對摩擦系數(shù)影響（見下頁表1）。

根據(jù)表1，當鋼坯溫度在500~600 ℃時，可取摩擦系數(shù)μ=0.55 即0.55cosα=sinα

表1 鋼坯溫度對摩擦系數(shù)影響

利用反正切函數(shù)：

arc tan0.55≈28.8°即臨界角度為28.8°。

當滑軌支架傾斜角度α＞28.8°的情況下，鋼坯即可利用自身重力下滑。

考慮到鋼坯溫度和摩擦力的關(guān)系、不合格產(chǎn)品的運輸、實施過程中存在的誤差等因素，為防止鋼坯在下滑過程中不能下滑而滯留在滑軌上的情況的發(fā)生，因此在臨界角度的基礎(chǔ)上加大1.2°，選定α 角度為30°。

3.3 變動角度前后鋼坯滑落沖量對比

3.3.1 改進前

當翻鋼裝置將第一根鋼坯翻起后，第二、三、四根鋼坯會同時下落。第二、三、四根鋼坯將沿滑軌下滑行程x=150 mm，起始速度v0=0 受力分析如圖3所示。

圖3 起始速度受力分析圖

重力：G=mg=2 120×3×9.8=62 328 N（g取9.8 N/kg）；支持力：FN=Gcos35°=62 328cos35°=51 056；摩擦力：f=μFN=0.55×51 056；自身質(zhì)量分力：F=G·sin35°=62 328sin35°=35 749.8 N；平行于滑軌x軸方向向下鋼坯所受合力為：

根據(jù)牛頓第二定律F=ma可得鋼坯在傾斜滑軌上滑落時的加速度a：a=F/m=7 669/6 360≈1.21 m/s2。

根據(jù)v2-v02=2ax得v=0.60 m/s

下滑時間：t=v/a=0.60/1.21≈0.50 s

沖量計算，利用沖量定理：I=Ft。

當翻鋼裝置將第一根鋼坯翻起后，第二、三、四根鋼坯下落時間t=0.50 s

則這三根鋼坯沖量：I合=Ft=7 669×0.50=3 834.5 Ns

因此長鋼在進行改進前后的沖量對比時，針對三根鋼坯同時下滑產(chǎn)生的沖量進行對比計算。

3.3.2 改進后

經(jīng)過改進，滑軌支架傾斜角度改進為30°，長鋼針對改進前同情況進行對比計算。

受力分析如圖4 所示。

圖4 改進后受力分析圖

支持力：FN=G·cos30°=62 328·cos30°=53 977.6；摩擦力：f=μFN=0.55×53 977.6=2 967.7 N；重力分力：

在平行于滑軌x軸方向向下鋼坯所受合力為：

此時鋼坯在傾斜滑軌上滑落時產(chǎn)生的加速度為：a=F/m=1 476.3/6 360≈0.23 m/s2。

根據(jù)v2-v02=2ax可得v合≈0.26 m/s。

下滑時間：t=v/a=0.26/0.23=1.13 s

沖量計算。利用沖量定理I=Ft，此時鋼坯沖量I合后=Ft=1 476.3×1.13=1 668.2 Ns，對比可知：I合后=1 668.2 Ns＜I合前=3 834.5 Ns，經(jīng)改進，鋼坯下滑產(chǎn)生的沖量縮小到了原先的45%.

根據(jù)將滑軌支架傾斜角度改進為30°后相關(guān)計算，可以從改進前后鋼坯下滑至底端產(chǎn)生的沖量大小的比值中看出，同種情況改進后鋼坯下滑產(chǎn)生的沖量得到了明顯降低，因此該推測成立，改進方案可以采取實施。

4 結(jié)語

通過改進后在實際生產(chǎn)中觀察統(tǒng)計，滑軌支架使用壽命相比改進前使用壽命提高了2 倍左右，有效的降低了分鋼裝置故障率，分鋼裝置滑軌支架斷裂故障降至為零，提高了鑄坯質(zhì)量，降低了工人勞動強度。