單缸結晶器液壓振動裝置的改進設計

李新強，何博，宋美娟，梁子福，涂家佳

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安，710032)

單缸結晶器液壓振動裝置的改進設計

李新強，何博，宋美娟，梁子福，涂家佳

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安，710032)

針對單缸結晶器液壓振動裝置在現場使用過程中出現的活塞桿側向撕裂性問題，對原裝置中的驅動部分進行了改進設計，將螺栓螺母直連方式改進為鉸接式結構，提高了液壓缸的使用壽命，同時采用反向同步階梯模型，在提高拉速的同時保證了負滑脫時間，減小了振痕深度。

液壓振動；驅動改造；負滑脫時間

0 前言

結晶器液壓振動裝置目的是防止鋼液在結晶器中凝固過程中與結晶器銅壁發生粘結而出現粘掛或拉漏事故,進而減少鑄坯的摩擦阻力,提高鑄坯表面質量和連鑄機的作業率[1]。小方坯連鑄機普遍采用結晶器電磁攪拌式全弧形連鑄機型，為適應這種連鑄機負荷較大、流數多、流間距小的特點，本文設計開發了一種單缸結晶器液壓振動裝置，并在多臺連鑄機生產中應用。

在該裝置初期使用過程中，液壓缸活塞桿發生側向撕裂性磨損，液壓缸使用壽命不能得到保證。中重院對振動裝置液壓缸連接方式進行改造設計，有效地解決了該問題。

由于業主在初期使用過程中受到機械振動的影響，在振動模型的選擇上依然采用恒振幅，變振頻的模式，當拉速提高到一定程度之后，負滑脫時間不能得到有效保證；在采用了中重院提供的反向同步階梯模型之后，拉速和負滑脫時間得到了良好的匹配。

1 系統簡介

結晶器液壓振動裝置具有振動參數在線可調、可實現正弦和非正弦曲線運動等特點。與機械式振動裝置相比在對鋼種的適用性、提高產品質量、提高產量及作業率等方面具有明顯優勢；同時還具有機械結構簡單，重量輕等優點。

小方坯結晶器液壓振動裝置主要由振動固定底座、振動工作臺、結晶器支座、液壓缸驅動裝置、緩沖機構以及導向機構等組成。

結晶器液壓振動裝置通過振動固定座、振動工作臺、液壓缸驅動裝置、導向機構、緩沖裝置及結晶器支座等來固定支撐結晶器并使結晶器產生設定的曲線運動。其中結晶器支座上設有接水用平面橡膠密封圈，可實現與結晶器自動水連接；其上活節螺栓和對中銷軸可實現結晶器的固定和自動對中。

結晶器液壓振動裝置的主要性能參數見表1。

表1 液壓振動裝置性能參數

2 驅動裝置改造設計

早期設計中裝置振動架與液壓缸連桿采用螺母擰緊直連方式(圖1)，液壓缸法蘭與裝置固定架螺栓螺母連接(圖2)。

圖1 原設備連桿與振動架連接方式

圖2 原設備液壓缸與固定架連接方式

采用該連接方式，對設備的加工精度及裝配精度要求很高。連桿如果承受周期性的徑向載荷，就會導致液壓缸活塞桿與油缸內腔產生周期性摩擦。如果不能保證對油缸的周期性檢修，長時間的摩擦就會導致活塞桿的撕裂性磨損，液壓缸壽命就會大大降低。小方坯連鑄機還存在流間距小，布置緊湊等特點，如果將振動裝置布置在鑄機內弧側，密封室外側，那么在線檢修液壓缸的可能性幾乎沒有。因此，如果液壓缸頻繁產生上述問題，大部分情況下必須下線檢修，這樣就會大大影響鑄機的作業率。

針對上述存在的問題，將液壓振動裝置的驅動部分由原來的直連式結構改進為鉸接式結構。改造后振動架與活塞桿采用鉸接式連接，即在振動架與活塞桿連接處采用徑向球面滑動軸承GE70ES-2RS(圖3)，液壓缸缸體與固定架連接處采用鑲嵌式固體自潤滑軸承(JFB 60)鉸接(圖4)。

圖3 改造后活塞桿與振動架連接方式

圖4 改造后缸體與固定架連接方式

改造方案可以使驅動裝置在使用過程中有一定的徑向角度補償，有效地避免了硬連接磨損情況的出現。

經改造后，振動裝置上線使用近1年半，未下線檢修，沒有出現液壓缸滲漏及活塞桿磨損現象，極大地延長了液壓缸的使用壽命。

3 工藝模型改進設計

改進后的液壓振動裝置投入使用在東北某大型鋼鐵集團二煉鋼新建2#方圓坯連鑄機上，該鑄機的相關參數如表2所示。

表2 連鑄機主要參數

結晶器振動基本參數包括頻率f、行程h和波形偏斜率α，描述振動的行為；振動工藝參數包括負滑脫時間tn、正滑脫時間tp、保護渣消耗量MPC等,對鑄坯脫模及表面質量有著直接、重要影響的參數，其取值反映了振動的工藝效果。因此工藝模型選取的是否合理，對于提高鑄坯質量，保證鑄機拉速有著重要的意義。

3.1 原工藝模型

在設備投入使用初期，受到原機械振動的影響，在振動模型的選擇上依然采用恒振幅，變振頻的模式。

(1)

振幅h=8 mm。該振動模型低拉速時頻率恒定，振幅恒定；拉速大于1 m/min后，頻率線性遞增，振幅不變。以正弦振動為例，計算該模型的工藝參數。

將基本參數代入公式(2)、(3)、(4)[2]中可計算出采用正弦模型的振動工藝參數，見表3。(保護渣消耗量計算前提是鋼種[C]含量在0.08%以下)。

(2)

tp=T-tn

(3)

(4)

式中，T為周期,s；tn為負滑動時間,s；tp為正滑動時間,s；MPC為保護渣消耗量，kg/m2；η為保護渣在1300℃時的粘度，Pa·s。

表3 原模型正弦振動工藝參數計算部分結果

圖5、6反應了各工藝參數與拉速之間的對應關系。

圖5 原模型中tn、tp、T與拉速Vc對應關系

圖6 原模型中保護渣消耗量MPC與拉速Vc關系

從模型計算結果中可以看出

(1)當拉速提高剛超過1 m/min時，頻率從130次/min到180次/min發生跳變，負滑脫時間從0.185 s突降到0.138 s，模型不夠平滑，會對澆鑄產生一定的影響。

(2)當拉速大于3.2 m/min后，負滑脫時間小于0.08 s，保護渣消耗量下降到0.2 kg/m2以下。負滑脫時間過小，保護渣未能達到一定的消耗量，都會增加鑄坯的脫模難度，使得鑄坯振痕加深，影響鑄坯質量。

3.2 改進工藝模型

針對上述存在的問題，對工藝模型進行改進設計。在振動模型的選擇上采用變振頻，變振幅的反向同步階梯模型，如式(5)所示。

(5)

如圖7、圖8所示，該振動模型拉速小于3 m/min時頻率線性遞減，振幅遞增；拉速大于3 m/min后，頻率恒定，振幅遞增。以正弦振動為例，計算該模型的工藝參數。

圖7 改進模型中f與拉速Vc對應關系

圖8 改進模型中h與拉速Vc對應關系

將基本參數代入公式(2)、(3)、(4)[2]中可計算出采用正弦模型的振動工藝參數，如表4所示。

表4 改進模型正弦振動工藝參數計算部分結果

圖9、10反應了各工藝參數與拉速之間的對應關系。

圖9 改進模型中tn、tp、T與拉速Vc對應關系

圖10 改進模型中保護渣消耗量MPC與拉速Vc關系

從模型計算結果中可以看出：

隨著拉速的提高，負滑脫時間保證在0.08～0.16 s之間，保護渣消耗量也維持在正常水平。采用反向振動模型的主要優點是負滑脫時間近似于常數，正滑脫時間隨著拉速的增加而顯著的增加，這樣可以在整個澆鑄過程中獲得良好、穩定的鑄坯表面質量，保持適宜的保護渣消耗量，使坯殼在結晶器中獲得良好的潤滑。

4 結論

振動裝置可實現結晶器精確仿弧運動。在采用了鉸接式驅動結構之后，經實際測試表明，沿鑄流方向和垂直鑄流方向偏擺誤差均在設計和生產要求的范圍內，減小了液壓缸活塞桿的徑向磨損，從而保證了液壓缸的使用壽命。

結晶器振動將在鑄坯表面產生振痕，振痕主要由負滑脫時間控制；對于不同的鋼種，負滑脫時間的最優值為0.1 s左右。在采用了改進模型之后，負滑脫時間得到了很好的保證，從而有效地減小鑄坯振痕，提高了鑄坯質量。

(3)小方坯連鑄結晶器液壓振動裝置以其結構簡單、運行平穩、使用壽命長、維護量小等諸多優點發展前景看好，必將得到廣泛應用。

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Improvement design for hydraulic vibration device of single mould

LI Xin-qiang，HE Bo，SONG Mei-juan，LIANG Zi-fu，TU Jia-jia

(China National Heavy Machinery Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710032， China)

This paper made an improvement design for original driving part, the associated mode of bolts& nuts has turned to an articulated vehicle. It bored the lateral tearing issue of piston rod, while it also prolonged the cylinder serving life. The reverse synchronous step mode ensured negative strip time, and quicken the speed, while reduced the depth of oscillation mark.

hydraulic vibration；drive modification; negative strip time

2016-10-14；

2016-11-10

李新強(1983-)，男，中國重型機械研究院股份公司高級工程師，主要研究方向冶金設備。

TF777

A

1001-196X(2017)02-00012-05