連鑄機精度提高方法的研究

劉 洋，蔡繼紅，嚴開勇，魯新義，楊東明，鐘 毅

（1武漢鋼鐵（集團）公司研究院，湖北 武漢430080；2武鋼股份有限公司煉鋼總廠四分廠，湖北 武漢430081；3武鋼股份有限公司煉鋼總廠四分廠，湖北 武漢430081）

武鋼煉鋼總廠三分廠3＃連鑄機是從奧鋼聯引進的寬板坯直弧形連鑄機，其設計生產能力為300萬t，鑄坯規格為230mm×（1 370～2 250）mm，澆鑄半徑為9 500mm，主要生產汽車面板等高性能用鋼.由于汽車用鋼等高性能鋼對潔凈度要求很高，所以對連鑄機設備的精度提出了很高要求，而連鑄機扇形段作為連鑄機的核心設備，其輥縫精度對板坯質量有著決定性影響［1］.目前，隨著高強鋼產量的增加，連鑄機的負荷進一步加重，連鑄機的精度直線下滑，導致漏鋼、滯坯、斷輥等生產操作事故時有發生，板坯因邊角裂、內裂等各類質量事故而引起的報廢有所增加.為此，找到連鑄機精度下降的原因，并拿出措施解決這一問題十分必要.

1 連鑄機精度的定義

連鑄機共分為兩流，每一流分別由結晶器、零段和扇形段組成.每一流的扇形段共有14臺，即1－14段.其中1－6段為弧線段，7、8段為矯直段，9－14段為直線段.每一個扇形段（圖1）主要由壓下液壓缸、夾緊缸、內弧框架、內弧分節輥、外弧分節輥和外弧框架組成.壓下液壓缸主要是用來控制扇形段最中間的一對內外弧分節輥（驅動輥）的升降；4個夾緊缸分別安裝在外弧框架4個角落的位置，用來調整扇形段內外弧框架之間的距離；每一個上下對應的內弧分節輥和外弧分節輥組成一對夾輥，而每一個扇形段具有多對夾輥.

圖1 扇形段結構

連鑄機的鑄機精度主要由兩個方面組成.一個方面是輥縫精度.從1段到14段輥縫（每對夾輥之間的距離）是逐漸減小的，所以在線使用的扇形段其每一對夾輥之間的距離都不一樣，但每一對固定位置夾輥的輥縫值是固定的（設定值），因而每一對夾輥的實際輥縫與理論輥縫之間的偏差就是輥縫精度.另一方面就是對弧精度.就立彎式連鑄機而言，結晶器銅板、結晶器腳輥，二次冷卻段多點彎曲起始點之前的各導輥應嚴格安裝在垂直位置.多點彎曲區和多點矯直區的各導輥雖然有各自不同的彎曲半徑和矯直半徑，但它們（包括垂直區和水平區的各導輥）與基本圓弧區的各導輥的基本圓弧應有良好的接弧狀態，也就是說結晶器銅板表面與各導輥頂部的實際包絡線與理論包絡線之間的誤差就稱為對弧精度［2］.

2 連鑄機精度不高的原因分析

2.1 扇形段設計參數

通過對奧鋼聯扇形段設計參數的分析，發現標準參數值偏大，由于輥組精度要求很高（±0.1 mm），而設計的參數沒有考慮機械累積誤差的影響（包括輥子的跳動誤差、軸承的游隙、輥面的磨損和軸承座的塑性變形等），當輥組受到外力的作用時，精度無法保證.為了方便事故狀態下處理冷坯，奧鋼聯設計的輥子芯軸，軸承座材質強度偏小，只能滿足汽車板等高性能用鋼的生產需求.但隨著高強鋼產量的進一步提高，輥芯和軸承的問題進一步突出，導致芯軸易彎曲變形，軸承座底部受外力作用而變形開裂，大大降低了扇形段的使用壽命，所以扇形段參數設計不滿足生產需要是導致連鑄機精度不高的主要原因.

2.2 扇形段安裝情況

連鑄機是由多臺扇形段組成的，當某一臺扇形段的精度出現問題時，為了保證鑄機整體精度就必須對該臺扇形段進行更換.由于連鑄機是立彎式結構，扇形段具體位置不同，其安裝角度不同.其中直線段的安裝較為簡單，只需將扇形段垂直提起，然后將新扇形段垂直放下，即可完成安裝，因此直線段的安裝質量有保證，而且由于直線段位于鑄坯成形后期，其輥子受力相對較小，所以直線段的精度一般較好，使用壽命相對較長；而弧線段及矯直段的安裝較為復雜，必須利用扇形段機械手將扇形段調整到合適角度才能進行安裝，特別是1段、2段的安裝，其安裝角度幾乎與平臺垂直（與地面平行），而且扇形段內空間狹小，安裝人員的視野和作業區域受到限制，安裝難度很大.在弧線段的起吊和安裝過程中，會有大量的雜質往下落，一部分雜質散落在扇形段的安裝基座上，會導致扇形段安裝基準面的高度發生變化，進一步導致對弧精度降低；另一部分雜質落入到扇形段主進水管內，當扇形段安裝完畢進行使用時，主水管里面的雜質在壓力的作用下會進入到扇形段的二冷水系統，造成噴嘴堵塞或冷卻強度達不到要求，進一步導致鑄坯收縮變形不一致，從而使夾輥沿水平方向上的受力不均，輥子磨損量也不一樣，使扇形段精度會進一步降低.

2.3 連鑄機傳動穩定性

隨著連鑄技術的發展，拉坯速度日益提高，液相長度相應延長，對連鑄機傳動負荷分配的平衡性要求越來越高［3］.連鑄機傳動負荷分配的不平衡，會導致鑄坯產生內部裂紋，嚴重影響鑄坯質量，并對減速機等運行產生負面影響［4］.如果一旦連鑄機傳動不穩定，扇形段驅動輥在傳動過程中就會形成沖擊載荷，加速驅動輥與板坯之間的磨損，驅動輥的使用壽命會明顯變短，而且在澆鑄的初期，驅動輥轉動的不連續性會進一步導致扇形段內鑄坯行走的不連續性，從而也加速了扇形段其它夾輥的磨損程度，造成鑄機精度下降.通過對扇形段驅動輥系統的進一步研究發現，萬向軸連接螺栓松動情況較為普遍，每臺連鑄機年均更換連接螺栓126根，而且驅動輥的電機電流平均波幅達到10A，說明連鑄機傳動系統的穩定性較差.所以連鑄機傳動穩定性差也是導致鑄機精度不高的一個重要原因.

2.4 輥縫儀的使用情況

由于連鑄機精度要求比較高，人工測量難度較大，所以必須借助輥縫儀來對連鑄機精度進行測量.輥縫儀是一種由充電電池供電、由計算機控制、用來自動測量連鑄機物理參數的測量裝置［5］，它是反映連鑄機精度最直接的儀器，如果出現數據漂移或失真，那將會給連鑄機精度調整帶來災難性后果，所以對其維護、保養、校準都十分重要.為了規范輥縫儀的使用，現場不僅安排有專人負責輥縫儀的校準和維護，而且對于輥縫儀的使用也有相應的規范和標準.為了改善輥縫儀輥縫測量傳感器的工作環境，消除高溫對傳感器準確性的影響，澆鑄完成后必須利用二冷水對扇形段夾輥進行強制冷卻，只有當冷卻時間超過20min之后才能利用輥縫儀對連鑄機精度進行測量，這樣就有效降低了測量時的環境溫度，為輥縫儀傳感器的正常工作提供了一個良好的環境.而且通過手動測量的方式對輥縫儀測量數據進行對比，發現手動測量結果與輥縫儀測量數據一致，這也進一步說明了輥縫儀在測量準確度和精度上不存在問題，不是導致鑄機精度不高的原因.

綜上所述，連鑄機精度不高是由多方面原因造成的，其中扇形段的設計參數不合理是主要原因，扇形段更換安裝不規范、連鑄機傳動系統穩定性差也是其重要原因.

3 改進方案和措施

3.1 扇形段設計參數和修復標準的優化

將零段入口的輥縫尺寸由原來的241.5mm改為241mm，而且按比例將1－14段輥縫值分別降低，使整個連鑄機的輥縫整體成比例降低.縮小輥縫尺寸之后，減小了板坯鼓肚的可能性，降低拉坯阻力；將輥子芯軸的材質由45＃鋼改為16Mn，軸承座材質由35＃鋼改為45＃鋼，有效提高了扇形段心軸和軸承座的強度和剛度，解決了其容易變形的問題.而且為了進一步提高扇形段的修復質量，保障扇形段的在線維護質量，不僅修訂了扇形段修復標準，還改造了扇形段在線潤滑系統，完善了設備維護規程（表1），使扇形段的使用壽命大幅度提高.

表1 扇形段修復標準及規程優化情況

3.2 扇形段安裝程序優化

在舊弧線段的拆卸過程中，當扇形段沿扇形段安裝導軌上升200mm時（扇形段與進水口脫離時），停止扇形段的起吊工作.用鐵板蓋住扇形段進出水口后，方可繼續起吊扇形段；在新的扇形段安裝過程中，當扇形段沿著安裝導軌下降至離安裝面300mm時，拿下位于扇形段進出水口處的鐵板，然后繼續安裝扇形段，這樣有效防止了雜質掉入扇形段進水口中，大幅度改善了二冷水的冷卻效果；為了提高扇形段的安裝質量，采用“二次安裝”的方法安裝扇形段，即首先利用扇形段機械手將扇形段沿著導軌一次性落在安裝基礎面上（與原安裝方法一樣），然后將扇形段再次提起，使扇形段的安裝面與基礎面脫離并產生30mm間隙，接著安裝人員利用干凈棉布擦拭扇形段的安裝面和機架的基礎面，最后下落扇形段，完成扇形段的安裝.采用該方法有效解決了扇形段安裝面和基座基準面之間有雜質的問題，從而保障了扇形段的安裝質量，提高了鑄機的對弧精度.

3.3 連鑄機傳動穩定性的提高

連鑄機的傳動系統主要由電機、輪胎接手、減速機、萬向軸和驅動輥組成.其中電機、輪胎接手、減速機的問題較少，主要問題集中在萬向軸和驅動輥上.為了解決這兩個問題，采取了一系列措施：通過將萬向軸法蘭盤螺栓孔改型的方式（圖2），提高了萬向軸連接螺栓的剪切強度和安全系數；合理優化了萬向軸的結構尺寸，使萬向軸內外齒部分從環境復雜的二冷室改造到常溫的大氣中，大幅度改善了萬向軸的工作環境，有效避免了雜質進入到萬向軸內，降低了萬向軸運行阻力.

圖2 萬向軸法蘭盤的孔型結構圖

在萬向軸上加裝加油孔，并制定嚴格的加油周期，保證了萬向軸良好的潤滑狀況，降低了螺栓松動的情況；通過優化驅動輥內接手結構尺寸，并將其材質由45＃鋼換成了42CrMn，而且采用鑄滲的方法將高硬度、高穩定性的陶瓷顆粒（Al2O3、WG）復合于內接手接觸面，使內接手的抗磨性得到大幅度提高，延長了內接手的使用壽命，最后使連鑄機驅動輥電機電流的平均波幅從10A降低到2A，大幅度提高了連鑄機傳動的穩定性.

4 效果分析

表2 改造前后效果比較

從表2中可以看到，通過一系列措施的實施，使連鑄機的對弧精度≤0.5mm的比率從95%提高到98.7%，連鑄機的輥縫精度≤0.5mm的比率從97.2%提高到99.3%，鑄機整體精度得到大幅度提升.而且隨著鑄機精度的提高，備件壽命大幅度提升，扇形段每年的更換量從18臺下降至5臺，萬向軸螺栓每年的更換量由原來的126個降低至24個，年均降低備件成本245萬元，成效顯著.

5 結論

1）通過調研分析，找出了扇形段的設計參數不合理這一導致連鑄機精度不高的主要原因，除此之外，扇形段更換安裝不規范、連鑄機傳動系統穩定性差，也在一定程度上進一步影響了連鑄機精度；

2）通過改進扇形段材質，修訂扇形段修復和在線維護規范，優化設計扇形段萬向軸結構尺寸等方式，進一步提高了扇形段的修復質量和安裝質量，增強了連鑄機傳動穩定性；

3）改造后運行效果良好，連鑄機精度以及備件壽命得以大幅度提升.

［1］ 劉 洋，嚴開勇，魯新義.輥縫測量儀在連鑄機上的應用［J］.鋼鐵研究，2011，39（2）：122－127.

［2］ 王隆壽，董 涌.保證連鑄機對弧精度的技術［J］.冶金設備，1998，2：15－19.

［3］ 姜 鵬，陳朝陽.多電機負荷分配技術在連鑄機傳動系統中的應用［J］.安徽工業大學學報，2008，25（2）：171－175.

［4］ 劉 洋，王福華，嚴開勇，等.連鑄機扇形段傳動系統提高穩定性的措施［J］.機械管理開發，2012，128（4）：9－11.

［5］ 王 覃，刁紅敏.輥縫儀傳感器的設計原理與應用［J］.可編程控制器與工廠自動化（PLC FA），2009，（2）：84－86.