熱鍍鋅線上鋅鍋升降裝置的優化設計

惠世民

(上海西重所公司重型機械成套有限公司，上海 201900)

0 前言

熱鍍鋅板材在汽車板、家電板、建筑民用板等領域的用途越來越廣泛，而且因其生產成本較低、防腐性能高受到許多生產企業的青睞。隨著我國熱鍍鋅技術的發展，最近又出現了鍍鋁鋅硅生產線和鍍鋅鋁生產線、生產高表面質量純鋅和合金化熱鍍鋅產品的新建熱鍍鋅機組，通常采用可移動或提升更換的雙鋅鍋系統來替代鍍液轉換，以減少采用單個鋅鍋系統在進行產品切換時產生的大量鋅渣缺陷，提高產品表面質量，同時也有利于鋅鍋溫度和鋁含量的穩定控制。

在熱鍍鋅生產線上，鋅鍋提升裝置是處在最低位的一臺設備，與在線的主要設備比較，顯得無足輕重，但是在實際生產中，設置有兩個鋅鍋卻至關重要。熱鍍鋅機組中最重要的工藝段為鍍鋅段，鍍鋅段的關鍵設備就是鋅鍋。而鍍鋅作業時，鋅鍋必須從待機位橫移到工作最低位，經鋅鍋升降裝置提升至工作位，鍍鋅機組才能順利生產。

1 鋅鍋升降裝置類型確定

目前在國內熱鍍鋅線上使用的鋅鍋升降裝置有兩種形式:一種為液壓升降系統，一種是機械升降系統。國外進口和國內廠家生產的液壓頂升裝置均能滿足用戶需求。截止2011 年，機械式鋅鍋提升裝置全部為進口設備，國內沒有設計成套的供貨企業。2011 年寶鋼冷軋熱鍍鋅線改造，由于受到安裝空間和其它客觀原因的限制，經過國內外考察，委托上海西重所公司重型機械成套有限公司設計開發機械式鋅鍋升降的機電一體化裝置。經對比可知，這兩種升降裝置存在著不同的特點(見表1)。

表1 鋅鍋提升裝置類型及其特點對照Tab.1 the zinc pot lifting device types and characteristics

從表1 中可看出，由于液壓頂升系統中為了四個液壓缸同步，液壓系統必須使用比例伺服閥，同步調整比較困難，而且在平時的運行中會發生閥芯堵塞、損壞、系統軟管泄漏等問題，而現場由于要對鋅鍋表面進行清渣，難免偶爾有鋅液滴落，所以存在有安全隱患，必須經常進行維護或更換有關元件。通過對國內外類似機組調研和從長期生產的運行成本分析，采用機械式鋅鍋升降裝置比較低，而且運行安全、可靠，除定期檢查更換設備潤滑油以外，基本上屬于免維護型。所以，無論現有單鋅鍋機組改造，還是新上的雙鍋熱鍍鋅線，采用機械式鋅鍋升降的機電一體化裝置是最佳的方案。

2 鋅鍋升降裝置技術要求

由于鋅鍋體積比較龐大，長寬高分別約為5800 ×6300 ×4300(含行走車輪)，在裝滿鋅液時總重約480t，而且鋅鍋內熔融狀態鋅液的溫度高達500℃以上。同時鋅鍋(裝滿鋅液)及升降裝置等設備總重約550t。在這樣的工況下，要將鋅鍋控制在水平度誤差范圍內，提升到生產工藝高度，存在著一定的難度和較大風險。同時按照實際工藝過程需要，用戶對設備的承載和運行精度有嚴格的要求(見表2):

表2 設備性能和精度保證值Tab.2 The equipment performance and precision value

從上述可知，要保證以上的工藝要求，該升降裝置無論從設備結構設計還是自動化控制方法都有較高的要求。設備的結構不僅要滿足強度、剛性要求，還應滿足大型結構件在運行中變形量在可控范圍內。要求該裝置提升過程中保證一定的速度且運行平穩，控制上停位準確，無故障率≥99%。

3 機械式鋅鍋升降裝置的優化設計

鋅鍋升降裝置結構如圖1 所示。

圖1 鋅鍋升降裝置Fig.1 Scheme of zinc pot lifting device

該裝置主要由1 升降導向機構、2 升降架本體、3 翻轉立柱、4 傳動系統、5 固定立柱、電控系統等組成。其中最關鍵的部件為升降架本體、傳動裝置和電控系統。因此在設計中，不僅對其結構和控制工藝進行優化，而且要考慮各種工作狀態時的安全保障措施。

3.1 升降架的優化設計

結合安裝現場工況分析，升降架(圖2)本體是鋅鍋升降裝置承上啟下的關鍵部件，機械設備設計中，在滿足工藝功能的要求下，進行了以下幾方面的優化:

(1)該部件上面要承載鋅鍋、鋅液及其各種附件近500 t 的載荷，下部要承受相應的頂升力，必須具有滿足要求的強度和剛性，為此在完成升降架本體的結構設計后，建立三維模型，按照實際架體受力狀態進行受力分析，利用ANSYS 有限元軟件對升降架計算校核，分析其危險斷面的強度是否滿足要求，計算其大梁變形是否超出要求。

(2)在滿足強度和剛度的條件下，為了盡量減少該部件本身的重量，減少提升裝置的載荷，降低傳動能耗，采用箱型結構大梁，減小焊接大梁的鋼板厚度，修改三維模型重新計算，對于受力較大、變形較大的位置設置筋板加固。

(3)由于該裝置安裝于地面下～8 m 的地坑內，而且地坑上口小，下部大，類似壇狀結構，為了方便設備吊裝和運輸，節約運輸成本，再次優化升降架的結構，將整體焊接的升降架，設計成可拆裝的組裝部件，減小部件的總體尺寸，并且對分解后的兩件大梁和中間聯結架，每個部件按照加工工藝要求和運輸支撐要求進行單獨的工藝支撐，防止加工和運輸過程中變形。

(4)為了在安裝現場方便組裝，組裝后的整體不能發生變形，其承載能力與整體焊接件一致。將整體結構拆分為三個部件，在聯結面處加裝大型平鍵，采用螺栓聯結，安裝現場組裝后再采用斷續焊縫焊接。具體如圖2 所示。

圖2 升降架Fig.2 Lifting frame

3.2 傳動系統的優化

從表2 中可以看出，鋅鍋升降過程中平穩性要求較高，采用集中傳動方式:一臺電機集中傳動四臺升降機，保證提升過程中四臺升降機同步。經過分析計算傳動有關技術參數如下。

提升能力:最大550 t

升降機數量:4 臺

傳動方式:集中傳動

電機功率:90 kW

提升速度:～82 mm/min

工作提升行程:800～1500 mm(根據用戶工藝要求確定)。

升降機總行程:950～1780 mm(工藝參數與所選升降機結構確定)。

傳動系統組成由電機、主減速機、2 臺轉向器、4 臺升降機組成，如圖3 所示。

圖3 傳動系統Fig.3 Transmission system

(1)將傳動設備按照對稱方式布置。傳動系統設備按照最理想的對稱扭矩分配方案布置，保證了傳動過程中各升降機的受力狀態基本一致，可消除不對稱負載分布對絲杠升降機同步性能的不利影響，提高了每臺升降機壽命。

(2)盡量減少設備之間的聯結件。電機與主減速機之間采用法蘭直接聯接，省去聯軸器;減少出故障環節。

(3)傳動連接軸與兩端聯軸器配對成套定制。主減速機與轉向器之間、轉向器與升降機之間采用球籠式連接軸，且連接軸兩端自帶配對聯軸器(見圖3)，可使連接軸與聯軸器之間的配合在出廠前就調整到最佳狀態，減少使用現場安裝引起的傳動系統問題。

(4)升降機在待機位和長期工作位時處于卸載狀態。設置固定立柱和翻轉立柱，使得升降機只在提升鋅鍋的運行過程中受力，其余狀態不受任何載荷。在升降架處于最低位時設置固定立柱，承受鋅鍋小車由基礎移動到升降架上時的沖擊力，承受在待機時鋅鍋、鋅液、提升架等全部的重力載荷。工作位時，鋅鍋處于相對長期的生產狀態，翻轉立柱處于垂直位置，由四根立柱承受長期的工作狀態載荷，四臺升降機卸載，從而有效的保護了四臺升降機的升降絲桿及其相關傳動件，延長其使用壽命。

(5)將升降機箱體中潤滑油溫度的檢測、報警與主傳動電機控制聯鎖，使升降機渦輪蝸桿在設定油溫狀態下工作。由于升降機采用的蝸輪蝸桿傳動效率低，傳動熱損耗較大。對于升降機在連續提升起550 t 的負載時，有時會因為傳動溫升過高破壞了潤滑，引起傳動損壞。采用對潤滑油溫度的在線實時檢測、顯示，并將升降機箱體中油溫的檢測和報警與主傳動電機聯鎖控制，當油溫高于報警值時傳動電機自動停止運行，此時系統處于鎖定狀態，確保了保設備運行的安全性。

通過以上對傳動系統的優化，實現了四臺升降機同步精度≤±1mm;無故障率≥99%。消除了四臺升降機絲杠處于長期受載的不利狀態，保證了升降機總的傳動效率，充分保證了設備運行中的安全性，提高了設備的使用壽命，完成后的鋅鍋升降裝置如圖4 所示。

圖4 鋅鍋升降裝置Fig.4 The zinc pot lifting device

4 結束語

上海西重所重型機械成套有限公司自主設計成套的首臺機械式鋅鍋升降機電一體化裝置，已于2011 年11 月在寶鋼的熱鍍鋅機組改造中投入運行，填補了國內鋼鐵行業鍍鋅機組機械式鋅鍋提升裝置的空白。2013 年為湖南婁底某汽車板廠提供的第二臺設備，于2014 年正式投入生產。兩臺設備至今運行正常，基本上屬于免維護型，降低了設備維護人員的勞動強度，節約了維護成本，擴大了鍍鋅機組的產品種類，提高產品表面質量，為用戶提高了鍍鋅板的經濟效益。2015年又為寶鋼提供了第三臺設備，用于熱鍍鋅(108)機組改造，目前正在安裝調試。

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