板坯連鑄機(jī)結(jié)晶器錐度偏差分析及改進(jìn)措施

劉占鋒 郭世晨 楊春寶 張會良

(首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司 河北唐山063200)

1 序言

結(jié)晶器錐度是板坯連鑄機(jī)生產(chǎn)中的主要參數(shù)，對生產(chǎn)穩(wěn)定和鑄坯質(zhì)量有很大影響，在澆鋼過程中結(jié)晶器錐度與設(shè)定值偏差大時，會影響鑄坯對結(jié)晶器的傳熱，增加拉坯阻力和結(jié)晶器銅板的磨損，甚至拉裂坯殼造成漏鋼［1－4］。首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司有3 臺達(dá)涅利設(shè)計的板坯連鑄機(jī)、1 臺自主創(chuàng)新的板坯連鑄機(jī)，其結(jié)晶器在使用過程中經(jīng)常發(fā)生跑錐的現(xiàn)象:即停澆后錐度與開澆前錐度發(fā)生變化，最大曾出現(xiàn)近4mm 的偏差，還曾發(fā)生過因錐度偏差大造成的漏鋼事故，影響倒角結(jié)晶器及在線調(diào)寬功能的投入，對企業(yè)生產(chǎn)和效益造成很大影響。本文結(jié)合生產(chǎn)運(yùn)行中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，從設(shè)計、安裝維護(hù)和測量方法等方面提出了保證錐度的改進(jìn)措施，保證了結(jié)晶器錐度的穩(wěn)定，為倒角結(jié)晶器的使用及在線調(diào)寬功能的投入提供了保障，對提高鑄坯質(zhì)量問題有著重要意義。

2 跑錐現(xiàn)狀統(tǒng)計

由于在生產(chǎn)過程中發(fā)生過因錐度偏差大造成的漏鋼事故，因此要求在鑄機(jī)開澆前和停澆后分別對結(jié)晶器的錐度進(jìn)行測量，跟蹤澆注前后的錐度偏差值。改善前統(tǒng)計的錐度偏差的流程能力分析如圖1 所示，其中規(guī)格上、下限根據(jù)工藝要求按±1mm 設(shè)定:

式中 σ—錐度偏差數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差;

USL—規(guī)格上限;

LSL—規(guī)格下限;

Cp—流程能力;

CPL—對規(guī)格下限的流程能力;

CPU—對規(guī)格上限的流程能力;

Cpk—規(guī)格下限和規(guī)格上限流程能力的最小值。

從過程能力分析結(jié)果看，錐度偏差均值－0.34mm，流程能力Cp為0.98、Cpk為0.65，說明整個流程中錐度偏差值波動較大甚至超出控制線，亟需改善。

圖1 結(jié)晶器改善前錐度偏差的過程能力分析圖

3 調(diào)寬系統(tǒng)組成及錐度計算方法

結(jié)晶器調(diào)寬系統(tǒng)常用的有液壓式和減速機(jī)絲杠式兩種，絲杠式結(jié)晶器調(diào)寬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖2 所示，調(diào)寬系統(tǒng)的驅(qū)動部分為伺服電機(jī)，傳動部分包括萬向聯(lián)軸器、蝸輪蝸桿減速機(jī)、滾柱絲杠等。調(diào)寬過程中伺服電機(jī)通過萬向聯(lián)軸器驅(qū)動蝸輪蝸桿減速機(jī)，蝸輪蝸桿減速機(jī)驅(qū)動滾柱絲杠將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器窄邊的調(diào)寬功能。

減速機(jī)絲杠式調(diào)寬系統(tǒng)靠伺服電機(jī)編碼器數(shù)值根據(jù)調(diào)寬系統(tǒng)幾何尺寸計算結(jié)晶器窄邊銅板的錐度，不考慮由于傳動系統(tǒng)本身間隙、誤差造成的錐度偏差，同時也無法檢測運(yùn)行過程中結(jié)晶器銅板實(shí)際錐度的變化，絲杠式結(jié)晶器調(diào)寬系統(tǒng)錐度T 及伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)對錐度的影響Δt 計算方法分別如式(5)和(6)所示:

圖2 結(jié)晶器調(diào)寬系統(tǒng)組成

式中 NU—上傳動電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，r/min;

NL—下傳動電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，r/min;

H2—上下絲杠中心距，mm;

H—銅板長度，mm;

I—蝸輪蝸桿減速機(jī)速比;

S—絲杠導(dǎo)程，mm。

實(shí)際設(shè)計中蝸輪蝸桿減速機(jī)速比I=0.01，滾柱絲杠導(dǎo)程S=10mm，銅板長度H=900mm，上下絲杠中心距H2=550mm，下部絲杠距銅板下沿的距離H1=125mm、上部絲杠距銅板上沿的距離H3=225mm，則傳動系統(tǒng)中電機(jī)每轉(zhuǎn)動一圈，滾柱絲杠行程0.1mm，對錐度影響值Δt 為0.16mm，同樣傳動系統(tǒng)每0. 1mm 間隙對錐度的影響可達(dá)0.16mm。

4 跑錐原因分析

通過結(jié)晶器調(diào)寬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及對錐度偏差大的結(jié)晶器解體分析的結(jié)果表明，造成結(jié)晶器跑錐的原因主要有設(shè)計因素和安裝維護(hù)兩方面。

4.1 影響錐度的設(shè)計因素

調(diào)寬系統(tǒng)包括上部傳動系統(tǒng)和下部傳動系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)各部件之間的配合間隙如表1 所示。

由表1 可知:上部傳動系統(tǒng)最小和最大間隙分別為0.04mm 和0.19mm，下部傳動系統(tǒng)最小和最大間隙分別為0.04mm 和0.39mm。在完全符合圖紙?jiān)O(shè)計公差要求的條件下，如果調(diào)寬過程最后上部向內(nèi)、下部向外調(diào)整時，理論極限間隙狀態(tài)下即上部傳動部分累計間隙為0.19mm、下部間隙為0.39mm 時，按照設(shè)計尺寸每0.1mm 間隙對錐度的影響0. 16mm 計算，錐度偏差最大可達(dá)0.93mm。

4.2 影響錐度的安裝維護(hù)因素

1)調(diào)寬減速機(jī)經(jīng)過長期使用后，由于蝸桿、軸承磨損造成蝸桿軸向間隙增大，最大到0.4mm ～0.5mm;

2)滾柱絲杠(圖2 中件4 所示)M140 ×3 的鎖母松動，現(xiàn)場檢查鎖母松動最大在1/6 圈，折合絲杠軸向間隙約為0.5mm;

3)窄邊背板下部方孔與滑動方套變形，窄邊背板與滾柱絲杠之間靠銷軸和滑動方套連接，滑動方套的外形尺寸850－0.1與窄邊背板方孔的外形尺 寸85+0.10尺寸之間的間隙理論最大值為0.2mm，實(shí)際使用后方套和背板方孔都存在變形現(xiàn)象，最大間隙達(dá)2mm;

4)窄邊水箱與窄邊背板之間靠圖2 中件7 所示的連接螺栓和下部的燕尾槽固定，在線使用后由于燕尾槽部分的磨損銹蝕，造成窄邊水箱與窄邊背板下部產(chǎn)生間隙，現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)可達(dá)0.2mm～0.3mm。

5 保精度穩(wěn)定的改進(jìn)措施

5.1 調(diào)寬減速機(jī)精度測量方法改進(jìn)

前期使用過程中蝸輪蝸桿減速機(jī)在間隙控制上缺乏標(biāo)準(zhǔn)和測量方法，為了保證減速機(jī)的精度，在結(jié)晶器修復(fù)流程中增加調(diào)寬減速機(jī)間隙的測量調(diào)整工序，通過解體分析減速機(jī)的結(jié)構(gòu)及尺寸超標(biāo)情況，制訂了減速機(jī)間隙的測量調(diào)整方案，調(diào)整減速機(jī)蝸輪及蝸桿軸向間隙，減速機(jī)蝸桿軸向間隙調(diào)整示意圖如圖3 所示。

圖3 減速機(jī)蝸桿軸向間隙調(diào)整示意圖

如圖3 所示，調(diào)整過程中先拆除A 所示的護(hù)罩，在蝸桿端部B 所示的位置用百分表檢測蝸桿的軸向間隙，調(diào)整時松開E 所示的緊固螺釘拆除端蓋D 及軸端密封F，通過調(diào)整墊片C 使蝸桿軸向間隙小于0.05mm，同樣方法對蝸輪軸向間隙進(jìn)行調(diào)整，使蝸輪軸向間隙小于0.03mm，保證減速機(jī)本身的精度滿足調(diào)寬使用條件。

5.2 滾柱絲杠精度改進(jìn)措施

滾柱絲杠主要間隙產(chǎn)生位置在圖2 中件4 所示的M140 ×3 鎖母，制作了專用連接扳手結(jié)合力矩扳手用固定力矩對鎖母進(jìn)行緊固，防止產(chǎn)生間隙。同時其套筒與背板連接部位的尺寸為φ65H7，銷軸尺寸為φ65g6，要求結(jié)晶器修復(fù)時解體檢測銷軸及連接孔的尺寸，對間隙超差部位通過補(bǔ)焊修復(fù)保證間隙要求。

5.3 窄邊背板精度改進(jìn)措施

結(jié)晶器窄邊背板與水箱改進(jìn)圖如圖4 所示，為了減小窄邊背板與窄邊水箱之間在調(diào)寬過程中產(chǎn)生間隙，在窄邊背板與窄邊水箱之間增加螺栓連接(圖中件3 所示)，即在窄邊背板上增加兩個φ22 的通孔，并在窄邊水箱對應(yīng)位置增加M20 的螺孔，用兩條M20 ×70 的螺栓將窄邊水箱與窄邊背板下部緊固，保證在調(diào)寬過程中窄邊背板不會與窄邊水箱脫離產(chǎn)生間隙，從而避免對錐度的影響和漏水現(xiàn)象的發(fā)生。

圖4 結(jié)晶器窄邊背板與水箱改進(jìn)圖

同時由于在錐度調(diào)整過程中窄邊背板垂直角度變化會造成絲杠端部中心孔直線距離變大，因此在設(shè)計時背板下部使用方孔與滑動方套連接，滑動方套與窄邊背板方孔的間隙設(shè)計最大值為0.2mm。為了減少傳動部分的累積間隙在結(jié)晶器修復(fù)時將背板方孔恢復(fù)到原始尺寸，對方套進(jìn)行選配保證安裝后間隙在0.1mm 以內(nèi)。

5.4 傳動系統(tǒng)累積間隙測量方法

結(jié)晶器修復(fù)后為了測量調(diào)寬系統(tǒng)的累積間隙，提出了用百分表測量累積間隙的方法，即在圖2 中窄邊銅板A、B 位置及滾柱絲杠端部C、D 位置分別安裝百分表，轉(zhuǎn)動減速機(jī)，記錄兩塊百分表數(shù)據(jù)的變化，可以統(tǒng)計每個傳動系統(tǒng)的累積間隙及沿絲杠軸向的間隙。

同時為了避免由于寬邊夾緊摩擦力的作用下造成窄邊背板方孔變形，在測量時要求結(jié)晶器打開狀態(tài)時結(jié)晶器窄邊向外運(yùn)動，結(jié)晶器寬邊關(guān)閉狀態(tài)時結(jié)晶器窄邊向內(nèi)側(cè)運(yùn)動。

6 錐度測量方法標(biāo)準(zhǔn)化

結(jié)晶器窄邊銅板示意圖如圖5 所示，銅板設(shè)計為多錐度銅板，自身錐度分為A、B、C 三個區(qū)域，T1為A 處原始錐度，T2為C 處原始錐度，因此要求測量時錐度儀的擺放位置必須在B 區(qū)域。同時錐度儀在每次使用前必須使用校準(zhǔn)板進(jìn)行校準(zhǔn)，定期由專人進(jìn)行校核。通過對操作人員的培訓(xùn)，排出了測量方法及工具不準(zhǔn)引起的錐度偏差。

圖5 結(jié)晶器窄邊銅板示意圖

7 結(jié)論及展望

結(jié)晶器錐度的保持涉及到備件質(zhì)量、點(diǎn)檢維護(hù)及生產(chǎn)操作的各個環(huán)節(jié)，通過設(shè)備運(yùn)行中的經(jīng)驗(yàn)，提出了結(jié)晶器修復(fù)過程中精度的改進(jìn)及保證措施，規(guī)范了錐度測量的操作方法，通過以上措施保證了結(jié)晶器的精度，結(jié)晶器改善后半年的錐度偏差值過程能力分析如圖6 所示，從過程能力分析結(jié)果看，錐度偏差均值－0.22mm，流程能力Cp改善為2.07，Cpk改善為1.61，說明整個流程中錐度偏差值波動變小，更接近目標(biāo)值，有很大改善，為鑄機(jī)生產(chǎn)穩(wěn)定及結(jié)晶器在線調(diào)寬技術(shù)、倒角結(jié)晶器技術(shù)的應(yīng)用提供了設(shè)備保障，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 結(jié)晶器改善后錐度偏差的過程能力分析圖

下一步隨著在線調(diào)寬量的增加，對結(jié)晶器錐度要求更高，擬對調(diào)寬系統(tǒng)增加在線錐度監(jiān)測系統(tǒng)以進(jìn)一步提高設(shè)備精度。

［1］王文學(xué)，劉趙衛(wèi)，王受田等.板坯連鑄機(jī)組合式結(jié)晶器跑錐問題的分析與改進(jìn)［J］.重型機(jī)械，2010(4).

［2］蔡開科. 連鑄結(jié)晶器［M］. 北京:冶金工業(yè)出版社，2008.

［3］蔡開科. 連鑄坯質(zhì)量控制［M］. 北京:冶金工業(yè)出版社，2010.

［4］劉明延，李平，欒興家等. 板坯連鑄機(jī)設(shè)計與計算［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990.