大方坯連鑄機拉矯機的設(shè)計計算

趙 麗，張文玲，陳宏軍

(1．鞍山市技師學(xué)院，遼寧 鞍山114010;2．鞍鋼集團工程技術(shù)有限公司，遼寧 鞍山114021)

大方坯連鑄機拉矯機的設(shè)計計算

趙 麗1，張文玲2，陳宏軍2

(1．鞍山市技師學(xué)院，遼寧 鞍山114010;2．鞍鋼集團工程技術(shù)有限公司，遼寧 鞍山114021)

鞍鋼大方坯連鑄機是國內(nèi)第1套國產(chǎn)化連鑄拉矯機，本文介紹了該連鑄拉矯機的設(shè)備組成，分析了其結(jié)構(gòu)特點;并對拉坯力、電機功率進行了計算，確定了拉矯機矯直段基本半徑、鑄坯最大變形率、矯直變形次數(shù)等主要參數(shù)。

拉矯機;矯直半徑;拉坯力;油氣潤滑

0 前言

為提高市場占有率，滿足大H型鋼生產(chǎn)的需要，鞍鋼集團建設(shè)了一條大方坯連鑄生產(chǎn)線，生產(chǎn)最大連鑄坯的斷面為280 mm×380 mm，年產(chǎn)量為80萬t。拉矯機是大方坯連鑄生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)計參數(shù)的選擇直接影響其性能。

1 鞍鋼拉矯機的結(jié)構(gòu)

拉矯機由以下幾個部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(1)機架。機架為鉗式，構(gòu)件均為箱形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部通水冷卻，以防機體在熱狀態(tài)下變形。

(2)驅(qū)動裝置。拉矯機主傳動電機采用矢量控制型變頻電動機，有四象限運行功能，適應(yīng)連續(xù)工作、高溫、頻繁啟動和制動要求，低速時轉(zhuǎn)矩平滑，無爬行現(xiàn)象。

(3)輥子裝置。輥子裝置可分為主動輥與從動輥。拉矯輥采用熱疲勞強度高的25CrMn4鋼制造，提高了使用壽命。采用自動調(diào)以雙排滾子軸承支承，輥子中心通水冷卻，上下輥安裝要求嚴(yán)格，保證平行和對中。

(4)冷卻系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)。為了解決拉矯機長時間處于高溫輻射下，其構(gòu)件將發(fā)生高溫蠕變。該設(shè)備使用了大量的水冷構(gòu)件。上、下橫梁、拉桿及輥子都采用內(nèi)部通水冷卻，傳動系統(tǒng)也采取了防熱措施。壓下裝置由一個可繞固定軸擺動的框架和一個固定在框架頂端的液壓缸組成，壓力分冷壓和熱壓兩種:冷壓用于各流拉矯機傳動輥壓下缸送裝引錠桿和用引錠桿拉坯，為液壓室內(nèi)機側(cè)手動調(diào)節(jié);熱壓用于拉矯機傳動輥壓下缸連續(xù)鑄造拉坯，可機側(cè)手動調(diào)節(jié)，也可在主控室內(nèi)遠程電動調(diào)節(jié)并監(jiān)視，具有備用的調(diào)壓回路。為了防止由于管路泄漏造成事故，設(shè)置旁路安全閥裝置，保證生產(chǎn)順利進行。

(5)油氣潤滑系統(tǒng)。拉矯機處于高溫、潮濕的惡劣環(huán)境下，干油在高溫下會很快碳化，根本不能起潤滑作用。因此本設(shè)備采用了具有國際先進水平的德國萊伯斯油氣潤滑技術(shù)用于軸承和鏈潤滑。

圖1 拉矯機Fig.1 Withdrawal-straighteningmachine

2 拉矯機拉坯力計算

拉矯機的設(shè)計主要是計算拉坯力，如圖2所示。從弧形鑄機的輥列中拉出鑄坯所受到的阻力(包括幫助拉坯的下滑力)，統(tǒng)稱為拉坯阻力，拉坯阻力是設(shè)計鑄機驅(qū)動系統(tǒng)的基本依據(jù)，包括結(jié)晶器內(nèi)的阻力、二次支撐裝置的阻力、鑄坯矯直阻力、鑄坯自重下滑力和其它阻力。

圖2 拉坯阻力示意圖Fig.2 Sketch of billet-withdrawal resistance

2.1 結(jié)晶器內(nèi)的阻力F1

鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的阻力主要包含鑄坯與結(jié)晶器內(nèi)壁的粘結(jié)力和鑄坯運動的摩擦阻力兩部分，該阻力的大小與結(jié)晶器的內(nèi)腔尺寸、制造安裝精度、變形情況、潤滑條件及振動方式有關(guān)，按式(1)計算。

式中，μ為結(jié)晶器銅壁和熱坯之間的摩擦系數(shù)，μ=0.5;γ為鋼水的密度，7.0 g/cm3;Bmax=38 cm;D為結(jié)晶器厚度，D=28 cm;h0為結(jié)晶器液面至下口的垂直距離，h0=70 cm。

2.2 二次支撐裝置的阻力F2

阻力F2包括:鑄坯坯殼與二次支撐裝置夾輥間及夾輥軸承中的摩擦阻力，鑄坯“鼓肚”或冷卻不均勻引起鑄坯變形以及鑄坯冷縮時產(chǎn)生的阻力等。該阻力可按經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取。

式中，K為系數(shù)，K=12 kg/cm3;S為在二次冷卻支承裝置內(nèi)的鑄坯斷面積，S=28 cm×38 cm。

2.3 鑄坯的矯直阻力F3

當(dāng)鑄坯通過矯直區(qū)時受到矯直力的計算方法如下。

(1)矯直阻力。在正常拉坯條件下，鑄坯所受的矯直力對拉坯產(chǎn)生兩方面的阻力，一是矯直力在矯直輥處引起的摩擦阻力，二是矯直力在鑄坯運動方向所產(chǎn)生的矯直阻力。

式中，n為矯直輥數(shù);μ1為矯直輥與鑄坯間的滾動摩擦系數(shù)，μ1=0.024～0.03;θi為i號矯直輥與鑄機水平中心線的夾角;θ1=72.6264°，θ2=84.0856°，θ3=90°;ZDK為液壓缸加在矯直輥上的壓力，ZDK=490 000 N。

將各值代入式(3)得F31max=211 505 N

(2)摩擦阻力的計算。

式中，n為矯直輥數(shù)，n=3;μ1為矯直輥與鑄坯間的滾動摩擦系數(shù)，μ1=0.024～0.03;Pi為i號矯直輥上的矯直反力，270 335 N。

將Ls=135 cm，σs=500 MPa，B=38 cm，D=28 cm各值代入式(4)得F32max=8 110，N。

2.4 鑄坯自重下滑力F4

在二次冷卻區(qū)內(nèi)的鑄坯因其自重而下滑，這有助于拉坯。

根據(jù)諸力對o點力矩的平衡條件，鑄坯自重產(chǎn)生的下滑力F4為

2.5 其他阻力F5

其他阻力主要包括切割阻力和有關(guān)的輥道阻力，計算時可按各種阻力之和的10%選取。

綜上所述，在正常拉坯條件下，從結(jié)晶器拉出至鑄坯被切斷為止，總的拉坯阻力F為

3 拉矯機電動機功率的確定

3.1 拉坯功率

式中，F(xiàn)為拉坯阻力，N;υp為最大拉速，υp=1 m/min;η為總效率，η=90%

由于受力不同，速度不同，傳動輥在拉坯時的功率和送引錠桿時的功率是不同的，應(yīng)分別計算，最后取計算的最大值作為選擇電動機的依據(jù)。

3.2 送引錠桿的功率

式中，Pc為送引錠桿的阻力，包括傳動輥的摩擦力、引錠桿自重產(chǎn)生的下滑力、引錠桿自重產(chǎn)生的摩擦力;Pc=106 036 N;υd為送引錠桿的最大速度，υd=4 m/min;η為總功率，η=90%。

以上計算均為正常拉坯和正常送引錠桿時所需的電機功率。如果考慮到事故狀態(tài)，F(xiàn)事故(拉坯阻力)=3F，則N1'=3 N1，3輥傳動，則每輥電機功率為5.2 kW;考慮到送引錠桿需要點動控制，則N2'=2 N2，3輥傳動，則每輥電機功率為5.1 kW。

由于現(xiàn)場還有許多未知因素，因此該拉矯機的電動機功率值取為6.6 kW，電動機轉(zhuǎn)100 r/min/1 000 r/min/2 000 r/min;拉坯時，電動機轉(zhuǎn)速在額定基礎(chǔ)上往下調(diào)(恒轉(zhuǎn)矩);送引錠桿時，電動機轉(zhuǎn)數(shù)在額定基礎(chǔ)上上調(diào)(恒功率)。

4 拉矯機矯直段主要參數(shù)的確定

現(xiàn)代大方坯連鑄機大部分采用帶液相進行矯直，為了保證鑄坯質(zhì)量，防止鑄坯內(nèi)裂，采用的主要方法是多點矯直技術(shù)。

4.1 基本半徑的確定

連鑄機的基本半徑主要與鑄坯厚度有關(guān)，根據(jù)經(jīng)驗，一般合金鋼大方坯取鑄坯厚度的40～50倍作為基本半徑。也可用下式計算初定基本半徑。

式中，R為初定基本半徑，計算結(jié)果可取為50的整倍數(shù)，mm;a為鑄坯厚度，a=280 mm;S為鋼種系數(shù)，普碳鋼S=1，高碳鋼S=2，低合金鋼S=3;υ為拉坯速度，υ=1 000 mm/min。

4.2 鑄坯最大變形率

為使大方坯連鑄機在拉矯過程中的矯直變形率降低到＜0.1%甚至＜0.05%，需采取多點矯直。

式中，S為坯殼厚度，0.115 m(S取矯直區(qū)內(nèi)的平均值)。

計算結(jié)果εmax=0.211＞0.1～0.2%，因此應(yīng)進行多點矯直。

4.3 矯直變形次數(shù)計算

式中，ε'=0.1%按產(chǎn)品假設(shè)每次的變形率＜0.1%是可以滿足要求的。

計算結(jié)果應(yīng)分3次進行矯直，每次的變形率為0.065%左右。

4.4 矯直半徑的計算

式中，ε為矯直點處坯殼的變形率，取0.065%;S為矯直區(qū)內(nèi)凝固坯殼厚度，根據(jù)經(jīng)驗公式，取S=0.110～0.120 m;D為鑄坯厚度，D=0.28 m。

將上述值代入式(11)，得

5 拉矯機的特點

(1)采用了國際先進的鉗式結(jié)構(gòu)，重量輕，使用、調(diào)整、維修方便;

(2)拉矯機主傳動減速機采用螺旋傘齒輪行星減速機，采用外殼和內(nèi)部同時冷卻新工藝，以適應(yīng)高溫多塵的工作環(huán)境;

(3)三點矯直，鑄坯經(jīng)拉矯機后，不會產(chǎn)生表面裂紋和內(nèi)部裂紋;

(4)選用了德國萊伯斯油氣潤滑技術(shù)，減少設(shè)備的故障率，大幅度提高軸承的使用壽命;

(5)主傳動系統(tǒng)采用立式安裝電機和防熱措施，富有新意，得當(dāng)合理，效果顯著;

(6)機架布置安裝方便，檢修容易，對弧準(zhǔn)確。更換備品時，只須打出定位銷軸和拆開快換接頭，大大提高了作業(yè)率，降低了工人的勞動強度;

(7)冷卻水系統(tǒng)最低點設(shè)置排水閥和空氣吹掃，以及冷卻管路的保溫防凍，使本機達到盡善盡美的程度。

6 結(jié)論

鞍鋼第一煉鋼廠大方坯連鑄機自2000年1月2日第一次熱負荷試車成功至今，拉矯機工作順利可靠，本拉矯機無論在結(jié)構(gòu)上和性能上均可達到國外引進的同類產(chǎn)品性能，是當(dāng)時國內(nèi)第1套國產(chǎn)化的大方坯拉矯機，為國家節(jié)約了外匯。

［1］曹廣疇．現(xiàn)代板坯連鑄［M］，北京:冶金工業(yè)出版社，1994．

［2］北京鋼鐵設(shè)計研究院編．小方坯連鑄［M］，北京:冶金工業(yè)出版社，1984．

［3］羅振才．煉鋼機械［M］，北京:冶金工業(yè)出版社，1984．

［4］陳家祥．連續(xù)鑄鋼手冊［M］，北京:冶金工業(yè)出版社，1994．

Design and caculation for CC w ithdrawal-straightening machine

ZHAO Li1，ZHANGWen-ling2，CHEN Hong-jun2
(1．Anshan Technician Institute，Anshan 114034，China;2．Ansteel Engineeding Technology Co．，Ltd．，Anshan 114021，China)

The big square-billet continuous casting mill is the first localization CC withdrawal-straightening machine at home．The composition of CC withdrawal-straightening machine is introduced，and its structure characteristics are analyzed．The billet-withdrawn force and motor power were calculated．Somemain parameters(such as the basic radius in the straightening segment of the withdrawal-straighteningmachine，maximum defoemation rate of billet and deformation straightening times)were confirm．

withdrawal-straighteningmachine;straightening radius;billet-withdrawn force;oil-gas lubrication

TF777

A

1001－196X(2012)04－0076－04

2012－05－02;

2012－05－13

趙麗(1973－)，女，鞍山市技師學(xué)院。