組合式結晶器倒錐度跑錐問題分析與排除

楊 剛，王 娟，孫香慶

（天津天鐵冶金集團熱軋板有限公司，河北涉縣056404）

組合式結晶器倒錐度跑錐問題分析與排除

楊 剛，王 娟，孫香慶

（天津天鐵冶金集團熱軋板有限公司，河北涉縣056404）

分析了天鐵熱軋板坯連鑄機組合式結晶器倒錐度跑錐問題的產生原因。對跑錐結晶器進行拆解、檢查、調整、維修更換易損件、裝配、潤滑，解決了跑錐問題，倒錐度指標符合技術規范要求，保證了結晶器的正常使用。

組合式結晶器；倒錐度；調寬裝置；跑錐

1 引言

天鐵熱軋板公司一號板坯連鑄機（兩流）由中冶賽迪股份有限公司設計建造，于2007年4月投入生產，一直穩定運行。其組合式結晶器調寬裝置采用了當時比較先進的機械式調寬裝置，由內制動電機驅動結晶器蝸輪蝸桿箱進行錐度調整，通過結晶器夾緊裝置夾緊和固定。

組合式結晶器是由4塊復合壁板組合而成。每塊復合壁板都是由銅質內壁和鋼制外殼組成。在與鋼殼接觸的銅板面上銑出許多溝槽形成中間水縫。復合壁板用雙螺栓連接固定，冷卻水從下部進入，流經水縫后從上部排出。4塊壁板有各自獨立的冷卻水系統。在4塊復合壁板內壁相結合的角部，墊上厚3～5 mm并帶45°倒角的銅片，以防止鑄坯角裂。

2 存在問題

2.1 跑錐問題

自2015年5月初，1號板坯連鑄機組合式結晶器7套周轉套件在使用過程中陸續發生跑錐問題，嚴重影響了1號板坯連鑄機的正常生產。

組合式結晶器倒錐度的設置和調整依據主要包括澆鑄鋼種和斷面尺寸。調寬驅動電機通過驅動結晶器左、右側蝸輪蝸桿機構來實現對結晶器窄邊銅板內腔上、下口寬度尺寸的設定和調整。在開澆前、后，崗位操作人員會利用錐度測量儀對結晶器倒錐度按照工藝技術要求、當班澆鑄鋼種、澆鑄板坯斷面尺寸等信息進行設定、調整和校驗。

結晶器倒錐度一旦超過技術要求規定，輕者會影響板坯的冷卻效果，引發鑄坯邊角部縱裂紋、窄面鼓肚、窄邊局部凹陷等缺陷，嚴重時會發生角裂和鼓肚型漏鋼，損壞設備、造成停澆事故。

表1中詳細記錄了1號板坯連鑄機自2015年5月發生跑錐問題的具體情況。

結晶器鑄斷面900～1 250 mm，共有8套周轉件，編號依次從1#到8#；結晶器錐度是采用錐度測量儀分別測量結晶器左側、右側錐度變化；跑錐與正常是相對于表2中對應鋼種和斷面錐度值要求得出的結果；調寬焊接是指焊接結晶器同一側上、下調寬驅動球籠聯軸器；更換調寬指更換結晶器調寬裝置或調整修復調寬裝置。

表2是結晶器錐度設定、調整和判斷澆鑄過程中是否跑錐的依據；下口尺寸A=板坯尺寸×對應鋼種收縮系數；上口尺寸A1=對應鋼種A+0．9%A，其中0．9%是錐度設定系數；對應鋼種和板坯尺寸理論錐度值B=0．5（A1-A）。

表1 結晶器跑錐數據跟蹤表

表2 結晶器倒錐度表

2.2 結論

從表1、2中可以看出：

（1）2015年5月4日1流8#、2流3#結晶器左、右側出現嚴重跑錐問題，理論鋼種和斷面錐度6．8 mm，誤差范圍±0．3 mm。

（2）2015年5月5日對1、2流3#、8#跑錐結晶器采用應急處置辦法，焊接固定結晶器同一側上、下驅動球籠萬向聯軸器后澆后測量錐度改善明顯，但未完全達到要求錐度值。

（3）2015年5月7日將1流8#跑錐結晶器更換為4#結晶器后澆后測量錐度值符合表2中錐度值要求。經查結晶器修復檔案4#結晶器是自2007年1號板坯連鑄機投產以來唯一整套檢修更換過結晶器調寬裝置的結晶器。2流3#結晶器焊接固定錐度值依然超出許用范圍。

（4）2015年5月26日上線試用8#結晶器，測量澆鑄后結晶器左、右側錐度值，均在技術要求范圍。8#結晶器是跑錐問題結晶器，根據4#結晶器不跑錐案例，離線對8#結晶器調寬裝置進行調整、修復，更換損壞件后上線試用。3#結晶器雖然采取焊接固定應急辦法，但右側依然跑錐嚴重。

（5）從上述結論及表1中可以看出結晶器跑錐問題和結晶器調寬裝置關系密切，經過對調寬裝置調整、修復或整套更換跑錐問題可以得到解決，焊接固定結晶器同一側上、下驅動球籠萬向聯軸器的應急做法不可靠。

3 原因探討

組合式結晶器的調寬裝置主要包括驅動部分、蝸輪蝸桿機構、螺旋機構和連接部分，這里對結晶器跑錐問題的探討也主要集中在這幾個部分，見圖1。

3.1 驅動部分

結晶器調寬裝置的驅動部分主要由帶內制動器、編碼器的減速電機（左上、左下、右上、右下）通過球籠式萬向聯軸器傳動來驅動結晶器調寬裝置工作。在2015年5月發生結晶器跑錐問題初期排查過程中，首先檢查了減速電機制動器得電打開、失電抱死狀態是否可靠運行，在抱死狀態下脫開球籠聯軸器與結晶器調寬連接模擬結晶器開澆工作狀態負載反作用于電機，結果電機制動器可靠抱死。

圖1 結晶器調寬裝置

從計算機控制系統中調取了2015年5月4日0點到23點區間1流發生跑錐結晶器澆鑄狀態下四個驅動減速電機實時得電、失電及對應抱閘工作狀態圖。

結合當日開澆區間，可發現1流結晶器調寬驅動4個減速電機，左上、左下、右上、右下均處于制動狀態。

3．2 蝸輪蝸桿機構（見圖2）

圖2 蝸輪蝸桿機構

（1）自鎖性的確定

在移動副中，如果作用于滑塊上的驅動力作用在其摩擦角之內則發生自鎖，這就是移動副發生自鎖的條件。蝸輪蝸桿機構屬于移動副，當蝸桿的導程角小于嚙合輪齒間的當量摩擦角ψv時，蝸輪蝸桿機構反行程具有自鎖性。在此情況下只能由蝸桿帶動蝸輪，而不能由蝸輪帶動蝸桿。在結晶器跑錐問題其它影響因素或組成部分不會出現影響結晶器跑錐隱患的前提下，如果蝸輪蝸桿機構具有反向自鎖性，那么結晶器就不會發生跑錐問題。在此我們可以討論下現有的結晶器調寬裝置主要組成機構的蝸輪蝸桿副是否具有自鎖性。

查圖紙可知跑錐問題發生的機械式調寬結晶器選用的蝸桿為ZA型阿基米德蝸桿，其模數m= 10，齒數z1=2，導程角=14．03°，標準齒形角α=20°，螺旋方向右。

根據蝸輪蝸桿副摩擦力的分析方法可知當量摩擦角φv=arctan fv，其值可根據滑動速度1/s，由普通圓柱蝸桿傳動的vs、fv、φv值標準表選取[2]。蝸桿傳動的滑動速度可由下式計算：

式中，v1為蝸桿分度圓的圓周速度，m/s；d1為蝸桿分度圓直徑，mm；經查圖紙可知，蝸桿分度圓直徑80 mm；n1為蝸桿的轉速，r/min，經查圖紙可知，蝸桿轉速101 r/min；導程角y1=14．03°。

將以上各數值帶入公式（1）中計算可得蝸桿傳動的滑動速度為0．44 m/s，查圖紙可知在用蝸輪蝸桿副中蝸輪齒圈材料為ZCuSn10Pb1，屬錫青銅，蝸桿齒面硬度最大值為25．5 HRC，小于45 HRC，故結合普通圓柱蝸桿傳動的vs、fv、φv值標準表[2]，利用插入法求得當量摩擦系數fv為0．068，從而可以計算出蝸輪蝸桿副當量摩擦角φv=arctanfv=3．89°。

根據蝸輪蝸桿副自鎖性發生的條件：y1= 14．03°，φv=3．89°，從而可得到蝸桿的導程角y1大于蝸輪蝸桿副嚙合輪齒間的當量摩擦角φv，因而可以判定跑錐結晶器窄邊調寬裝置中蝸輪蝸桿機構反行程不具有自鎖性。

（2）蝸輪蝸桿副摩擦、磨損與潤滑

蝸桿傳動由于效率低，所以工作時發熱量大。在閉式傳動中，如果產生的熱量不能及時散逸，將因油溫不斷升高而使潤滑油稀釋，從而增大摩擦損失，甚至發生膠合。

在對跑錐結晶器維修過程中，拆解窄邊調寬裝置蝸輪蝸桿機構，蝸桿部分沒有明顯的磨損。檢查發現蝸輪表面有磨損痕跡且呈現不規則分布，部分摩擦表面分布有少量積渣或是磨粒。蝸輪蝸桿副潤滑情況不是很充分，油液粘稠度、顏色等不是很正常，更為嚴重的是調寬裝置的另一組成部分螺旋機構潤滑脂竄到本該是潤滑油潤滑的蝸輪蝸桿副部位，導致該部位摩擦積熱不能及時散逸出去，加劇了磨損的程度。

（3）蝸輪蝸桿副的軸承間隙

蝸輪蝸桿副是按照軸向、徑向約束軸系運動，其中軸承安裝、調整間隙對運動副的運動軌跡產生至關重要的影響。

結晶器跑錐問題在蝸輪蝸桿機構中形成的重要影響因素就是軸承間隙。在蝸輪蝸桿副安裝、調整過程中，如果沒有按照設計規定的間隙安裝調整，必然要發生軸系約束失效或部分失效，出現運動受阻或運動跑偏現象。在對所有跑錐問題結晶器進行拆解分析蝸輪蝸桿機構的過程中，發現部分存在推力軸承間隙過緊或過松的問題，有些還出現由于軸承調整間隙不合理導致機構無法運動的問題。

3．3 螺旋機構

結晶器窄邊調寬裝置螺旋機構主要由絲桿、螺套、導向桿、導向管、調整墊、螺釘等組成。

從螺旋機構的組成可以看出，影響結晶器跑錐的因素主要包括絲桿軸向間隙、導向桿軸向間隙、絲桿螺套副的磨損及潤滑。

從跑錐結晶器拆解的情況來看其螺旋機構的影響占比較大，可能是產生結晶器跑錐問題的主要影響因素。

（1）絲桿軸向間隙

從圖3中可以看出絲桿和固定在機架上的導向管之間的間隙是通過推力軸承端面調整墊來約束，調整墊理論厚度0．3 mm，間隙允許范圍0．01～0．025 mm。實際在對跑錐結晶器這部分進行拆解分析的過程中發現，由于固定螺栓預緊力失效、推力軸承損壞、調整墊本身等原因，該部分間隙沒有在許用公差范圍以內。

（2）導向桿軸向間隙

圖3 絲桿軸向間隙測量及調整示意圖

從圖4中可以看出可通過擰緊螺釘并增減調整墊來實現導向桿相對于絲桿的軸向間隙調整，調整間隙許用范圍0～0．1 mm。在實際拆解跑錐結晶器這部分結構的過程中，發現部分跑錐結晶器導向桿擰緊螺釘預緊力失效，調整墊損壞或定位鍵約束失效等都會導致螺旋機構不能按照既定運動軌跡精確運動。

圖4 導向桿軸向間隙測量及調整示意圖

（3）絲桿螺套副的磨損及潤滑

絲桿螺套副屬于滑動螺旋傳動，其工作時主要承受轉矩及軸向拉力或壓力的作用。在絲桿和螺套的旋合螺紋間有較大的相對滑動，螺紋磨損是主要的失效形式。

螺旋傳動也具有自鎖性，當螺旋機構絲桿螺套副導程角小于其當量摩擦角時，螺旋傳動反行程具有自鎖性。根據圖紙已知該結晶器窄邊調寬裝置螺旋機構采用的是梯形螺紋（Tr65×10-7e），因此該螺紋的導程角（螺紋升角）可計算如下：

已知梯形螺紋α=30°，鋼制絲桿與銅制螺套在有潤滑狀態下的靜摩擦系數f=0．08，因此梯形螺紋的當量摩擦角φv計算如下：

故該螺旋機構絲桿螺套副滿足螺紋導程角y小于當量摩擦角φv的自鎖條件，具有反行程自鎖性。

從這個角度來看，螺旋機構的螺紋磨損可能是造成結晶器跑錐的一個重要影響因素。為了消除軸向間隙和補償螺旋機構旋合螺紋磨損，該螺旋機構選用了剖分螺套。

在對跑錐結晶器調寬裝置螺旋機構的拆解過程中還發現潤滑存在一定問題，主要表現在O型密封圈壓潰漏油，骨架密封圈失效出現的蝸輪蝸桿箱潤滑油竄到螺旋機構潤滑脂內，使得潤滑脂變性、硬化，降低傳動效率、加劇磨損。

3．4 連接部分

連接部分主要指結晶器窄邊調寬裝置和結晶器窄邊插入件之間的軸、套裝配，裝配關系?40H7/ d7，屬于間隙配合，間隙范圍0．08～0．13 mm。

連接部分主要的失效形式就是軸、套磨損以及固定塊支撐的失效。在實際檢查解剖這部分的時候，可以看到銅套磨損以及連接軸不同程度的變形和表面劃傷，固定塊固定螺栓偶爾也發現有松動跡象。這些影響因素無疑也是造成結晶器跑錐的直接原因。連接部分裝配關系見圖5。

圖5 連接部分裝配關系

3.5 其它影響因素

從解決結晶器跑錐問題的實踐經驗來看，造成結晶器跑錐現象的其它影響因素還包括寬、窄邊銅板與足輥的接弧、寬邊足輥與彎曲段的外弧接弧、寬邊夾緊裝置預緊狀態以及結晶器錐度、開口度設置等影響因素。

4 解決方案

4.1 潤滑是關鍵

從結晶器跑錐問題的原因探討來看，潤滑因素無疑是解決結晶器跑錐問題發生的最有效，也是最關鍵的解決方案。

蝸輪蝸桿機構是一種滑動運動副，由于是閉式傳動，當潤滑不良時產生的大量熱量如不能及時散逸，將因油溫不斷升高而使潤滑油稀釋，傳動效率將顯著下降，并且會帶來劇烈的磨損和產生膠合破壞的危險。

螺旋機構同樣屬于滑動運動副，滑動螺旋工作時主要承受轉矩及軸向拉力或壓力的作用，同時在絲桿和螺套的旋合螺紋間有較大的相對滑動，螺紋磨損是主要的失效形式。

驅動部分球籠式萬向聯軸器以及連接部分等等潤滑也是非常關鍵的影響因素，包括選用耐磨軸套等。

因此從以上影響結晶器跑錐的幾個關鍵運動機構或部件來看，合理選擇潤滑油牌號、潤滑方法、潤滑油量、潤滑周期以及根據不同工作環境、季節變化調整潤滑油粘度等至關重要。另外養成定期檢查、必要的話檢測或整體更換潤滑油、清洗運動機構各零部件的習慣也是十分必要的。

4.2 調整是手段

從結晶器跑錐問題的原因探討來看運動副之間超出許用范圍的間隙是造成結晶器發生跑錐問題的關鍵因素。

在線點檢過程中要定期、專門針對結晶器調寬裝置進行運行狀態下的檢查、維護、保養工作，尤其是對驅動部分球籠萬向聯軸器運動是否存在異響、間隙等，必要的話脫開球籠聯軸器連接，手動感受蝸桿轉動過程是否存在空行程問題。

離線在拆解、修復結晶器過程中不能因為窄邊調寬裝置不屬于易損件就長時間不去檢查、調整、潤滑等等。在拆解蝸輪蝸桿機構中應該對蝸輪蝸桿副間隙進行檢查、測量，利用圖4所示方法進行確認、調整，保障絲桿軸向間隙在許用范圍0．01～0．025 mm。螺旋機構在設計之初就選用了可調整絲桿和螺套軸向間隙的剖分螺套，利用圖5所示調整方法對磨損螺套與絲桿的運動間隙進行調整，保障導向桿運動軸向間隙在需用范圍0～0．1 mm。

對影響結晶器跑錐其它因素可采取定期檢查、測量和調整的方法進行解決。

4.3 更換與修復

從結晶器跑錐問題的原因探討來看如果潤滑、調整手段都不能奏效的前提下，可以選擇有針對性地更換易損件，切不可一發生跑錐問題就整套更換結晶器調寬裝置整套部件，既盲目，又低效，尤其是當下鋼鐵業不景氣的背景下。

結晶器調寬裝置易損件包括蝸輪、螺套、軸套以及O型圈、唇形密封圈、軸承等。選擇拆解、更換易損件、裝配調整手段修復整套結晶器調寬裝置無疑是既科學，又節約的好辦法，鍛煉了技術又降低了費用。表3為結晶器試用效果跟蹤表。

表3 結晶器試用效果跟蹤表

5 結束語

天鐵熱軋板公司連鑄車間結晶器跑錐問題自2015年5月份發生，經過半年多時間的研究，于2015年年底基本完成了1號連鑄機7臺組合式結晶器機械調寬裝置跑錐問題的治理工程。每臺跑錐結晶器經過拆解、檢查、調整、更換易損件、裝配、潤滑等工序，在線試用跟蹤后跑錐現象消失，詳見表3。

從表3中可以看出自2015年6月開始陸續在線試用，經過技術調整、維修更換等措施后的原跑錐結晶器跑錐現象消失，倒錐度指標基本符合技術規范要求。截至2015年12月底，根據結晶器跑錐研究成果以及試用案例，完成了天鐵熱軋板公司連鑄車間1號板坯連鑄機7套跑錐結晶器的治理工程，在線試用效果均滿足工藝生產要求。

跑錐問題是一個長期的、系統性問題，需要堅持不懈做好檢查、潤滑、調整和基礎性維修工作。

因此要想杜絕跑錐問題的發生，必須扎扎實實做好結晶器檢修、維護的各項技術基礎工作，維護到位、檢修到位、執行到位和監督到位。

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Cause Analysis and Elimination of Combined Mould Reverse Taper Deviation

YANG Gang,WANG Juan and SUN Xiang-qing
(Plate Hot Rolling Company Limited,Tianjin Tiantie Metallurgy Group,She County, Hebei Province 056404,China)

The reason for combined mould reverse taper deviation at the caster of Tiantie Hot Rolling Plate Mill was analyzed．The problem was solved through disassembling,inspection,technical adjustment,maintenance and part exchanging,assembling and lubrication for the taper changed mould．The reverse taper complied with the requirements by technical specification and the normal operation of mould was ensured．

combined mould;reverse taper;width adjustment device;taper deviation

10．3969/j．issn．1006-110X．2016．06．008

2016-09-18

2016-09-28

楊剛（1982—），男，工程師，主要從事設備技術管理工作。