板坯結晶器跑錐的理論分析與研究

王文學，趙 敏，雷 華，楊超武，侯小光，劉作林，楊 光

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032;2.廣東廣青金屬科技有限公司，廣東 陽江 529500;3.振石集團東方特鋼股份有限公司，浙江 嘉興 315004)

1 前言

板壞結晶器的錐度通過調寬裝置調整后，由夾緊裝置夾緊和固定。錐度在正常連鑄生產過程中不允許發生變化，否則會改變鑄坯的冷卻效果。但是對于機械調寬，結晶器的跑錐問題一直都存在，影響鑄坯質量，嚴重時會發生角裂和鼓肚型漏鋼，損害連鑄設備且降低連鑄機作業率和結晶器的使用壽命［1-2］。

本文系統地分析了結晶器跑錐的各種主要原因，并通過理論計算和分析，得出和制定了調寬裝置動作方法，將結晶器跑錐控制在最小的狀態，保證結晶器錐度在澆鋼過程的穩定性與可靠性，保證整個連鑄生產的順暢。

2 板坯結晶器跑錐的原因分析

板坯連鑄結晶器機械式調寬裝置機構內部之間關系機械圖如圖1所示［1］。整個調寬裝置結構為:半壓塊a和半壓塊b將上調寬裝置3、下調寬裝置8固定在水箱2上，窄面銅板6和調寬裝置3、8分別通過銷軸5連接，窄面足輥7固定在窄面銅板6上，通過調整調寬裝置來控制上下鉸接點和結晶器中心距離的不同，達到對結晶器上下口的開口度以及窄面錐度的控制。

結晶器跑錐主要是窄面銅板6和窄面足輥7的跑錐，跑錐的本質是傳動設計需要的間隙和裝配精度不夠產生的間隙造成的，對于機械裝配間隙是必須存在的，如何消除間隙至關重要。

圖1 板坯連鑄結晶器調寬裝置機構Fig.1 Width adjusting mechanism of slab continuous casting mold

2.1 調寬設計和裝配精度不夠產生的間隙

調寬裝置通過傳動機構驅動窄面裝置前后移動，所以設計時要考慮相對移動必要的間隙，但是該間隙必須保證零件安裝的方便和零件相對運動的順暢。

以機械裝置舉例分析，電動調寬裝置 (或手動調寬裝置)，由電機 (或手動輪+離合器)－蝸輪副－齒輪箱－絲杠副－鉸鏈連接軸等組成。調寬裝置必要間隙［2］見表1。

表1 調寬裝置設計必要的間隙值Tab.1 Necessary gap values for design of width adjusting mechanism

參考圖1分析表1數據如下:

(1)調寬裝置3、8和窄面插入件6通過銷軸5連接的配合為間隙配合，設計間隙配合是一個范圍，因此制造廠在執行時未必按照最小值加工和安裝。

(2)調寬裝置3、8內部傳動副要求的間隙比較小，運動副要求運動靈活，這就要求內部間隙必須存在，因此制造廠在執行時可能會擴大間隙，保證運動的順暢。

(3)調寬裝置3、8安裝在結晶器水箱2上，半壓塊b和調寬裝置為緊配合，制造廠在裝配時比較困難，就會對半壓塊進行打磨保證安裝的順暢。

2.2 調寬裝置長期使用磨損的間隙

傳動機構隨著長時間的工作，零件會出現磨損和環境腐蝕，部件配合間隙就會逐漸增大，或者各處長期使用潤滑保養不到位，使得配合處間隙變大。例如調寬裝置3、8和銷軸5、窄面銅板6配合之間隨著長期使用磨損、銹蝕和經常拆裝，使鉸鏈連接銷軸和銷孔之間出現較大間隙。

2.3 窄面足輥對弧不合理

窄面足輥對弧尺寸根據鋼種冷卻收縮系數計算而得，可以單獨在維修區進行理論對弧［3］。如圖2所示，D值的取值至關重要。

圖2 窄面足輥和窄面銅板對孤Fig.2 Alignment of foot roll and copper at narrow side

如果窄面足輥對弧尺寸與鑄坯冷卻收縮量不吻合，鑄坯出結晶器窄面銅板后，窄面足輥不僅僅起到導向作用，更重要起到擠壓窄面，類似于軋輥。當擠壓力大于每個足輥的碟簧預緊力，窄面足輥就會整體帶著窄面銅板退讓，遠離結晶器中心線，引起跑錐。國內某廠澆鑄斷面180×1500、304不銹鋼時，拉速穩定在1～1.1 m/min，D值調整后，跑錐有所改善，見表2。但是窄面退讓跑錐還是由于調整裝置內部存在間隙造成的。

表2 窄面足輥對弧特點Tab.2 Alignment of narrow face roll

因此，通過分析如何消除在澆鋼過程中調寬裝置內部間隙是一個主要問題。有的鋼廠每次調完結晶器開口尺寸和錐度后，上下均焊接一拉桿支撐窄面，防止窄面飄移，給工作人員帶來不便。實際上科學合理的調整方法就可以有效改善和減小窄面跑錐問題。因此上下兩組調寬裝置與窄面插入件之間的關系是“拉”還是“推”至關重要。有的鋼廠在調整結晶器寬度尺寸和錐度時采用“上下內推”;有的是“上拉下推”等方式。下面就上下調寬裝置受力進行分析。

3 板坯調寬裝置受力理論分析

計算和討論澆鑄過程中窄面插入件 (窄面銅板和窄面足輥總稱)承受的載荷和受力方向、總載荷分別作用在上下調寬裝置上的分力以及方向。計算過程中考慮鋼水液面高度為不變值，即為靜態分析，對于同一結構結晶器，作用在上下調寬裝置的力是個常量，方向也是固定的，如圖3所示，計算如下:

式中，F為整個窄邊的鋼液靜壓力，N;D為窄面銅板寬度，m;γ為鋼水密度，7800 kg/m3;C為銅板頂面距液面距離，一般為0.1 m;g為重力加速度，9.8 m·s－2;L為液面距窄面末足輥中心的距離，m;h為合力距結晶器銅板頂面的高度，m;h1為上調寬裝置距結晶器銅板頂面的高度，m;h2為上、下調寬裝置之間高度差，m。

圖3 結晶器調寬裝置各部尺寸Fig.3 Sizes of each part of width adjusting mechanism in mold

根據結晶器結構的不同，分析如下:

(1)當h＞h1+h2(h1+h2為設備固有的參數)，分析窄面插入件受力，利用力平衡計算得出上調寬裝置為“拉”的方向，下調寬裝置為“推”的方向;

(2)當h1＜h＜h1+h2，分析窄面插入件受力，得出上下調寬裝置均為“推”的方向;

(3)當h=h1+h2，分析窄面插入件受力，得出上調寬裝置為“自由狀態”(調整時考慮鋼液面波動，根據液面波動習慣設置為“推”或“拉”的狀態)，下調寬裝置始終為“推”的方向。

4 防止結晶器跑錐的改進措施

(1)保證調寬裝置、窄面插入件嚴格按照圖紙要求加工和裝配，保證調寬裝置內部配合、傳動間隙以及調寬裝置和窄面插入件之間鉸鏈配合間隙控制在最小范圍。

(2)保證窄面插入件的每個足輥與窄面銅板的對弧嚴格遵守鑄坯在結晶器的冷卻工藝和收縮性能參數。

(3)最重要的是根據現有結晶器結構計算調寬裝置受力，分析各個調寬裝置受力方向，選擇正確的調整方式，消除或減小因設計、制造和磨損造成的固有傳動間隙，改善機械式調寬裝置固有的跑錐問題。

5 結論

東方特鋼、廣青連鑄均按照以上理論計算的結晶器調寬調整方式處理，并改善結晶器其他工藝參數后，效果顯著。

(1)結晶器跑錐數值明顯降低，每個澆次單側跑錐平均穩定在0.1～0.4 mm，控制在連鑄工藝要求范圍之內，澆鑄的鑄坯幾乎沒有因結晶器跑錐而引起的質量問題。

(2)因結晶器跑錐引起的結晶器的調整和更換頻率明顯降低，同時減少了生產成本、降低了工人的勞動強度;更主要的是廣青投產幾個月以來澆鑄一直穩定，用戶滿意。

［1］劉明延，李平，欒興家，等.板坯連鑄機設計與計算［M］.北京:機械工業出版社，1990.

［2］王文學，劉趙衛，王受田，等.板坯連鑄機組合式結晶器跑錐問題的分析與改進 ［J］.重型機械，2010(4):62－67.

［3］李具中，喻承歡.武鋼新3#鑄機結晶器足輥安裝參數工藝優化 ［J］.山東冶金，2004，26(2):16－17.