第一煉軋廠方坯機組固定擋板設計改造

南利甫

（安鋼集團冶金設計有限責任公司，河南安陽 455000）

第一煉軋廠方坯機組固定擋板設計改造

南利甫

（安鋼集團冶金設計有限責任公司，河南安陽 455000）

針對第一煉軋廠方坯機組在生產中固定擋板存在的問題，提出使用環形彈簧式緩沖器組成的固定擋板替代原設計剛性聯接的固定擋板的解決方法，較好地解決了生產問題，避免安全隱患，保證安全生產。

方坯機組；固定擋板；環形彈簧；緩沖器；剛性聯接

1 問題與原因分析

一煉軋方坯機組固定擋板位于冷床區輥道的終端，鑄坯和固定擋板相碰撞停止后，由移坯裝置送至吊具吊運區域。

固定擋板原設計為一根斷面150mm×150mm方坯焊接在底座上，鑄坯和固定擋板進行硬碰接觸時，因為鑄坯具有較大動能，固定擋板底座經常開焊和撕裂，需投入大量人力、物力進行加固才能維持正常生產。由于原來方坯熱送比小，維修進度能夠趕上生產節奏；現在方坯的熱送比大大增加，原來設計不能滿足現場實際工作需求，而且維修及維護跟不上生產節奏，不能保證正常生產的進行。固定擋板一旦開焊或撕裂，固定擋板就會失效，存在鑄坯竄出等較大安全隱患，為保證安全生產需要進行改造［1］。

2 固定擋板設計

原設計固定擋板，當鑄坯和固定擋板剛性碰撞時，因為時間短、動能較大，瞬時碰撞產生的撞擊力是相當大的。撞擊力是導致底座開焊和撕裂的直接原因。本次設計是將原有的方坯和底座焊接組合成的固定擋板改為有彈簧做緩沖器的固定擋板。鑄坯與固定擋板相撞時，鑄坯靠慣性減速前進，最終使鑄坯精確停位，彈簧緩沖器會降低鑄坯對擋板的沖擊，進而降低維護和維修頻率，延長固定擋板的使用壽命。

連鑄連軋設備生產常用的緩沖器主要有液壓式緩沖器、圓柱形彈簧式緩沖器、橡膠式緩沖器、彈性阻尼式緩沖器和環形彈簧式緩沖器等。根據生產現場實際情況，由于環形彈簧的緩沖減振能力強，單位體積材料儲存能量的能力比其他類型彈簧大，又能滿足現場環境溫度高的要求，本設計選用環形彈簧緩沖器。

環形彈簧是由多個內外圓環組成，圓環磨損或者損壞后，更換個別失效的圓環就能恢復彈簧功效，修理比較容易，也比較經濟。環形彈簧維護也比較方便，一般在環形彈簧的圓錐面接觸面加入潤滑劑，常用的潤滑劑有石墨潤滑脂等。

本設計固定擋板由兩部分組成，如圖1所示，部件1為擋板部件，部件2為環形彈簧緩沖器部件。設計中，固定擋板的中心高比鑄坯中心高低5mm，以增加鑄坯與固定擋板撞擊時的穩定性。

圖1 固定擋板示意圖

3 緩沖器的設計

已知鑄坯斷面150mm×150mm，鑄坯定尺長度12m，擋板質量約為480kg，輥道速度0.57m/s。本設計中，單套固定擋板可以擋3流鑄坯，鑄坯中心線間距1 250mm，1流和3流鑄坯位于分別對應于緩沖器中心，2流鑄坯位于擋板中心。

設鑄坯質量為m1，則m1=3×0.15×0.15×12×7.85×103= 6 358.5kg；設擋板質量為m2，則m2=490kg。鑄坯與擋板相碰前的鑄坯的動量T1=m1v=6 358.5×0.57=3 624.3（kg·m）/ s；鑄坯與擋板相碰后的鑄坯和擋板的動量T2=（m1+m2）u=（6 358.5+480）u=6 838.5u。根據動量守恒定律：T1= T2→m1v=（m1+m2）u，即u=m1v/（m1+m2）=3 624.3/6 838.5= 0.53m/s。

相碰后鑄坯和擋板的動能E=1/2×（m1+m2）u2=1/2×（6 358.5+480）×0.532=960.5N·m。緩沖器彈簧所做的功W=1/2×（P1+P2）×h，其中P1為彈簧的預加載荷，N；P2為彈簧的工作壓力，N；h為彈簧在工作壓力下的壓縮量，mm。相碰撞后的動能由2臺彈簧緩沖器承擔，假設緩沖器動能被2臺緩沖器均勻分攤。根據能量守恒定律E=2× W，即E=2×（1/2）×（P1+P2）×h=960.5N·m

為了保證鑄坯的準確定位，鑄坯的慣性力應大于鑄坯與輸送輥道間的摩擦力，即F＞F′。其中，F為鑄坯的慣性力，N；F′為鑄坯與輥道間的摩擦力，按紅坯滑動摩擦考慮，F′=0.3G1=0.3×m1×g=0.3×6 358.5×9.81= 18 713N。為了減少沖擊，鑄坯的慣性力應略大于P1，即F≥P1。取P1=9 400N，設h=40mm，則P2=E/h-P1=960.5/ 0.04-9 400=14 612.5N。

沖擊系數k1=1.5，載荷不均勻系數k2=1.5，則彈簧最大工作負荷Pmax=P2k1k2=14 612.5×1.5×1.5=32 878N。

4 環形彈簧選用及驗算

根據《彈簧設計手冊》選擇環形彈簧參數：外徑D2= 102mm；內徑D1=89.5mm；彈簧的節距t=22mm；外圓環厚度a=5.0mm；外圓環邊緣厚度b=2.5mm；內圓環厚度a1= 4.5mm；內圓環邊緣厚度b1=2.0；圓環高度h=17mm；外環許用應力［σ2］=920MPa；內環許用應力［σ1］=1 100MPa。

則：①圓環圓錐半角β=arctan［2×（a-b）/h）=arctan（2×（5.0-2.5）/17］=16.4°；②摩擦系數fμ=0.16，對應摩擦角ρ= 9°；③內外圓環的截面積A2=h×b+（h2×tanβ）/4=17×2.5+ 172×tan（16.4°）/4=64mm2，A1=h×b1+（h2×tanβ）/4=17×2.0+ 172×tan（16.4°）/4=55mm2；④彈簧中徑D=1/2×［（D2-2b）+（D1+2b1）］=1/2×［（102-2×2.5）+（89.5+2×2.0）］=95.25mm；⑤系數γ=tan（β+ρ）=tan（16.4°+9°）=0.475；⑥材料的泊松比μ=0.3；⑦彈簧間距δ0=t-h=22-17=5mm；⑧外圓環最大應力σ2=Pmax×［1+2×A2/(μD（h-δ0）×（1-fμ×tanβ)）］/（π×A2× γ）=32 878×{1+2×64/［0.3×95.25×（17-5）×（1-0.16× 0.294）］}/（3.14×64×0.475）=479Mpa＜［σ2］=920MPa；⑨內圓環最大應力σ1=Pmax/（π×A1×γ）=32 878/（3.14×55× 0.475）=401MPa＜［σ1］=1 100Mpa。

根據計算數據，選用最大荷載為85KN（計摩擦fμ= 0.16），環形彈簧配合長度52.5mm，單臺緩沖器能量為990J。

5 結語

第一煉軋廠方坯機組固定擋板自改造以來使用效果良好，使用壽命較原固定擋板有很大提高，滿足了生產需要，達到了固定擋板設計改造的目的。

［1］張英會，劉輝航，王德成.彈簧手冊［M］.2版.北京：機械工業出版社，2008.

Design of Fixed Damper of First Refined Rolled Billet Unit

Nan Lifu

（Metallurgical Design Co.Ltd.of Anyang Iron and Steel Group，Anyang Henan 455000）

Aiming at the problems of fixed damper in the production of billet unit in the first rolling smelting factory, a method was proposed that the rigid connection fixed damper was replaced by the fixed baffle plate composed of an?nular spring buffer.This method can solve the production problem,avoid the hidden trouble and guarantee the safe production.

billet unit；fixed damper；ring spring；buffer；rigid coupling

TG333

A

1003-5168（2017）02-0063-02

2017-01-11

南利甫（1980-），男，在職碩士，工程師，研究方向：機械設計。