連鑄異形坯結晶器開口度檢測解決方案*

孟 強 閆 炯 孫勝勇

(1.包頭職業技術學院 教務處,內蒙古 包頭 014035; 2.內蒙古北方重工業集團有限公司,內蒙古 包頭014030)

結晶器是鋼鐵企業煉鋼廠連鑄生產過程中的核心設備,又稱連鑄機的“心臟”主要作用是把液態鋼水快速、連續不斷地凝固,最終成型為一定長度的鋼坯。結晶器的工作性能直接影響鑄坯的質量、生產效率、安全生產等方面,其中結晶器的錐度參數是影響性能最重要的指標。連鑄結晶器錐度計算的通用公式為:結晶器錐度=(上口尺寸-下口尺寸)/(上口尺寸×結晶器高度值)×100%,從錐度計算公式可知結晶器上、下口尺寸(又稱開口度)對錐度影響較大,也是連鑄生產中比較關心的參數。常見結晶器的連續錐度如板坯、方坯、圓坯可以通過錐度測量儀器直接測得。因異形坯結晶器截面較復雜,如“工”字形結晶器,如圖1所示,空間狹窄、形狀尺寸較多一般無法直接通過錐度測量儀器測得,只能通過測量上、下口尺寸(開口度)、高度值,經公式計算得到。目前,國內異形坯生產廠家大多還在采用傳統的鋼板尺、卷尺等低精度量具工具測量上下口尺寸,無法保證測量精度,導致結晶器錐度參數的設定存在較大誤差,影響鑄坯生產效率及質量,甚至會引嚴重的漏鋼事故。

圖1 “工”字形結晶器

1 開口度檢測解決方案的背景與意義

目前,企業生產正向著智能化、數字化、高精度、易操作、通用性方面發展。改變異形坯生產過程中的傳統測量方式已成為必然,也是實際生產過程中的迫切需要。但是,市場上還沒有針對異形坯結晶器開口度檢測的專業設備,針對此情況,本文提出有效的解決方案,設計出方便使用的高精度檢測設備。

本方案是以企業生產實踐需要為出發點,提出了連鑄異形坯結晶器開口度檢測設備設計的思路,本方案的實際意義在于,異形坯結晶器開口度檢測設備的應用可以有效提高結晶器上下口尺寸測量精度、保證結晶器錐度設定的準確度、提高生產效率、改善鑄坯質量、降低生產事故風險、提高企業經濟效益。設備設計考慮到異形坯結晶器形狀尺寸較多的情況,具有多位置通用的功能,即一臺設備就可以完成所有位置尺寸測量,有效降低企業采購成本,減少設備的維護工作量,設備數字顯示方便工人使用。對于設備生產廠家來說,可以擴大產品種類,增加銷售額,為企業帶來經濟效益,人無我有,提高企業競爭力。

本方案的理論意義在于對異形坯連鑄結晶器關鍵尺寸測量方法提出了新的思路和方法,對其他類型專業檢測設備的設計具有指導意義。帶動設備生產企業及使用企業運用科技創新方法,找到增加效益的新思路。

2 開口度檢測設備設計思路

針對鋼鐵企業生產過程中異形坯結晶器開口度檢測存在的實際問題,本文提出如下設計思路:

可變支撐機構設計。由于異形坯結晶器截面較為復雜,各位置尺寸變化較大,且邊部位置空間狹窄,所以設備支撐機構必須可變適應不同位置的要求,同時不影響測量精度。可變支撐機構設計為本科題難點,是實現多位置測量的前提。[1]

垂直度對正機構設計。為了保證測量數值的準確性,即測量值為兩銅板間的最短距離,設備主體必須與結晶器銅板內表面垂直,要求垂直度對正機構操作簡單方便實用,并具備不接觸報警功能。垂直度對正機構的設計也是難點,要結構簡單、可靠、實用。

定位及制動機構設計。設備支撐機構及垂直度對正機構工作完成后,要求定位及制動機構把設備主體鎖至,以免測量過程中發生晃動現象影響實用。

電控系統設計。電控系統為設備的大腦,主要組成有,單片機、傳感器、數據采集、測量結果顯示端等組成。要實現如下功能,測量精度滿足現場要求(±0.02mm),內置鋰電池供電方便使用,人機界面設計友好,操作簡單。

位移傳感器。一般大量程位移傳感器精度不夠高,且價格高昂,選用合適的位移傳感器是設備設計成功與否的保證。本文選用光柵尺作為位置傳感器,具備精度高、成本低的優點。

輕量化設計。由于設備為人力移動設備,要求設備設計過程中要充分考慮輕量化,減輕工人勞動強度,同時保證設備的結構強度。

3 樣機結構設計

綜合考慮設備實際使用工況及設計思路,設計設備結構如圖2所示,具體包含直線導軌1、右側滑塊2、碰觸頭支架3、支點安裝架4、滑塊聯接板5、機架6、支撐輪7、導向輪8、支撐輪架10、磁性吸盤11、電氣控制系統及觸控屏12、光柵尺13、觸頭14、光柵尺聯接板15、制動片16、手輪17、左側滑塊18、中間滑塊19、“L”形支架20。

樣機各部分結構布置如下:直線導軌1固定在機架6的下側,直線導軌1從左至右依次滑動聯接有左側滑塊18、中間滑塊19和右側滑塊2;其中,左側滑塊18的前側面通過滑塊聯接板5固定聯接有制動片16,制動片16上通過螺紋聯接有手輪17,手輪17的內端活動抵觸在機架6的側面上;滑塊聯接板5的下表面固定聯接有磁性吸盤11;上述中間滑塊19的側面固定聯接有電氣控制系統及觸控屏12,中間滑塊19的下表面固定聯接有碰觸頭支架3,碰觸頭支架3的下端左右兩側均固定聯接有觸頭14;碰觸頭支架3的上端背側固定聯接有光柵尺聯接板15,光柵尺聯接板15上固定聯接有光柵尺的活動端,光柵尺的固定端固定聯接在機架6的背側,且光柵尺13的活動端固定在該光柵尺聯接板15上,光柵尺13的固定端固定聯接在機架6的背側;上述光柵尺與電氣控制系統及觸控屏12之間通過電纜連接;上述右側滑塊2的底表面固定聯接有“L”形支架2,“L”形支架20的水平段下表面固定聯接有支撐輪架10,支撐輪架10的下側安裝有支撐輪7;“L”形支架20的下端固定聯接有支點安裝架4,支點安裝架4的前后兩端均安裝有導向輪8。[2]因設備中間及左右滑塊可以移動,所以設備可適用于異形坯結晶器多種形狀尺寸的特點。

圖2 設備結構圖

4 技術難點分析與處理

設備樣機在實際使用過程中發現環境溫度的變化對設備測量精度有很大影響,經過分析是因為設備機架與安裝在其上的導軌發生了熱彎曲變形導致。為模擬機架與導軌部件的熱彎曲變形,掌握其實際變形情況,首先,根據設備實際結構尺寸,應用Solidworks建立了機架與導軌部件三維模型。其次,在simulation模塊下依據實際溫度變化情況進行了熱變形模擬,并得到模擬結果。最后,根據分析模擬結果數后給出了結構改進意見,并對改進后的結構再進行熱變形模擬,結果顯示改進方法有效。

4.1 設備機架與導軌部件結構

此設備的機架與導軌組成的部件截面圖如圖3所示,機架與導軌長度都為1230mm,二者通過多根螺栓固定聯接。其中機架為40×40mm鋁合金型材制造,導軌為軸承鋼制造的標準直線導軌。機架用于支撐設備導軌等其他零部件,導軌上安裝有滑塊,滑塊可以在導軌上在一定范圍內往復直線運動,儀器測頭固定在滑塊上,并聯接有位移傳感器,通過數據處理用于檢測結晶器上下口尺寸,測量數值最終通過顯示終端顯示。因此,如機架與導軌部件發生彎曲變形將直接影響儀器測量精度。

圖3 機架與導軌部件1.機架;2.導軌

4.2 機架與導軌部件隨環境溫度變化彎曲原因

此設備機架與導軌在長度方向通過多根螺栓緊固在一起,其中機架材質為鋁合金,導軌材質為合金鋼。

由物體熱膨脹計算公式:(其中為物體長度變化量,為材料熱膨脹系數,為物體原長,為溫度變化量),又機架與導軌原長相等,所處環境溫度變化量相等,可知二者長度變化量大小取決于熱膨脹系數,又鋁合金熱膨脹系數(2.4×10-5/k)要大于合金鋼熱膨脹系數(1.3×10-5/k),所以機架熱膨脹量要大于導軌,進而導致整個部件會向導軌一側發生彎曲變形。

4.3 機架與導軌部件熱膨脹變形模擬邊界條件

依據機架與導軌的實際尺寸,應用Solidworks建立部件三維模型,并作為熱變形模擬的計算模型。

機架材質設置為鋁合金(熱膨脹系數為2.4×10-5/k、彈性模量為6.9×1010N/m2、泊松比為0.33),導軌材質設置為合金鋼(熱膨脹系數為2.4×10-5/k、彈性模量為2.4×1011N/m2、泊松比為0.28)。

機架一端面設置為“固定約束”,機架與導軌之間的接觸設置為“接合”。[3]

部件零應變溫度設置為25℃,環境溫度設置為35℃,即模擬環境溫度從25℃變化到35℃的情況。[3]

4.4 熱變形模擬結果

選取機架與導軌部件側向視圖做為觀察視向,即部件發生弓形彎曲的平面,如圖4所示,為便于觀察部件變形趨勢,云圖變形量已放大60倍。[4]

從圖4部件變形云圖可以看出,在環境溫度從25℃增加到35℃的情況下,部件整體變形最大值達到2mm,且向導軌一側彎曲,究其原因是因為在熱膨脹變形過程中,材質為鋁合金的機架伸長量大于材質為合金鋼的導軌,當部件發生彎曲變形后,安裝有測頭的滑塊運動軌跡也會隨之改變,進而影響儀器測量精度。因此,機架與導軌部件采用一側為機架,另一側為導軌的不對稱機構設計,且材質不同,在實際測量儀器設計過程中應予以避免。[5]

針對圖3結構的缺點,對部件結構進行改良設計如圖3所示,其是在圖3結構的基礎上在機架另一側安裝了相同的導軌,使得整個部件成為對稱結構,預計在熱變形過程中可以有效減少彎曲變形。

采取與圖4相同的視圖,相同的邊界條件,變形量放大580倍觀看,改良后結構的熱變形云圖如圖5所示。

圖4 機架與導軌部件變形云圖

圖5 改良后的機架與導軌部件變形云圖

從圖中可以看出在相同的條件下,改良后的部件最大變形量只有0.2mm,變形量極小,減少近十倍,幾乎無彎曲變形。因此,機架與導軌部件采用對稱結構設計可以很大程度上避免發生因溫度變化引起的彎曲變形,其中一導軌用于支撐滑塊往復運動,另一導軌用于限制整個部件發生彎曲變形。

綜上可知,合理的設計機架與導軌部件的結構,可以有效的避免其因溫度變化發生彎曲變形。

5 結論

本文設計的檢測設備結構適用于異形坯形狀尺寸測量,具備精度高,結構簡單,制造成本低,便于生產現場使用的優點。

在溫度變化的情況下,設備機架與導軌部件發生彎曲變形的情況需在設計過程中予以考慮,否則會影響儀器測量精度。

設備機架與導軌材質不同,且采用非對稱結構設計,在溫度變化的情況下,發生彎曲變形情況較為明顯,嚴重影響儀器測量精度。

設備機架與導軌材質不同,但采用對稱結構設計,在溫度變化的情況下,幾乎不發生彎曲變形,有利于提高儀器測量精度。