機械畢業設計-寬1400厚220連鑄機結晶器振動裝置設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 設計，既減少了拉坯阻力，還有利于形成更加均勻一致的坯殼。應用這種結 晶器，澆鑄 115 115mm 方坯時，拉坯可以從 2～ 3m/min 提高到5m/min以上，并且鑄坯質量良好，經濟效益顯著。 達涅利開發的是自適應型結晶器，它與傳統結晶器最大差別在于其壁厚偏薄，且能借助冷卻水壓使銅管緊貼住鑄坯，從而適應并調整其自身的原始錐度，適應鑄坯收縮。對 130 130mm的鋼種，拉速可達 ，當將結晶器加長到 1000mm 后，可將拉速提高到 。 CONCAST 公司設計出 CONVEX 結晶器銅管，內壁面為凸面形，在長度方向上緩慢變成平面。通過形狀的改變，使鑄坯收縮力和靜壓 力的作用相互抵消。這種結晶器錐度，使坯殼角部和其它部位一樣，緊貼內壁以同樣的速度生長，且生長速度加快。應用這種新型結晶器，能提高拉速 50%～ 100%，達到 4～ 5m/min。 隨著全連鑄生產廠的增加 , 以及連鑄技術的發展 , 高速連鑄技術已成為傳統連鑄的發展方向。小方坯連鑄結晶器有了很大發展 , 近年來開發的利用結晶器和電磁力支撐鋼液 , 減少坯殼和結晶器之間的接觸壓力的“軟接觸結晶器” , 也取得了可喜的工藝效果 , 其形成的鑄坯表面沒有振痕 , 近乎鏡面 , 極大地改善了鑄坯表面質量。 點 最初人們采用推－拉－停的結晶器振動模式，后來，英國鋼鐵研究機構（ RISRA）采用了安裝在彈簧上的振動結晶器，隨后又出現了驅動的結晶器振動機構，這樣就促使了其振動方式不斷發展與變化。大致可以分為以下幾個階段，如圖 所示： （ 1） 同步式振動（矩形波振動） 這種振動規律是最早出現的一種振動方式。這種由凸輪機構實現的振動曲線如圖 中曲線 1 所示。在這種振動方式中，結晶器下降時與鑄坯保持同步運動，使拉裂的坯殼在此階段得以愈合，其愈合時間大約占整個運動周期的 75%；然后鑄坯以 3 倍的拉坯速度 上升。由于振動減小了拉坯阻力，漏鋼事故明顯減少，鑄坯質量有所改善，因而在連鑄結晶器振動應用早期采用很廣。但實現運動規律的凸輪加工制造比較麻煩，同時為了實現嚴格的同步運動，結晶器振動機構和拉坯機構之間要進行嚴格的電氣聯鎖；此外在向下與向上振動的轉折處速度變化很快，理論上的加速度等于無窮大，因而在機構中會產生很大的沖擊力，進而影響結晶器振動的平穩性，對于鑄坯質量和設備的正常運轉都很不利。 （ 2） 負滑脫振動（梯形波振動） 在該振動曲線中（如圖 中曲線 2 所示）， 第 6 頁 結晶器在向下運動的過程中有一段時間 其速度稍大于拉坯速度，即所定義的“負滑動”運動，從而使鑄坯在結晶器內下降過程承受一定的壓力，有利于使拉裂坯殼更有效地愈合，同時也有利于脫模；在結晶器下降和上升的轉折點處，速度的變化較同步式有所緩和，使運動的平穩性有所提高。該振動方式仍保留同步式振動愈合時間較長的特點，愈合時間約占整個周期的 66%～ 71%，此種振動模式也需由凸輪機構來實現。 圖 結晶器振動方式 （ 3）正弦振動 該振動曲線如圖 中曲線 3 所示。這種振動方式的基本出發點是：結晶器在整個運動過程中雖沒有穩定速度階段（同步 運動階段），但仍有一小段負滑動，因此具有脫模作用；由于速度是按正弦規律變化的，其加速度必然按余弦規律變化，所以過度比較平穩，沒有很大沖擊；又由于加速度較小，可以提高振動頻率，減輕鑄坯表面振痕的深度 ；另外，正弦振動可以通過偏心軸或曲柄連桿來實現，它具有加工制造比較容易，操作維護簡單的特點；同時，既然結晶器與鑄坯之間沒有嚴格的速度關系，就沒有必要采用速度聯鎖系統，因而簡化了驅動裝置的布置，可完成交流電機的變頻控制。 第 7 頁 (4) 非正弦振動 非正弦振動方式具有上升運動時間比下降運動時間長的特點（如圖 中 曲線 4 所示），即具有較長正滑動時間，結晶器振動速度 Vm 與拉坯速度 Vc 之間的速度差減?。ㄏ蛏献畲笏俣扰c Vc 之差），增加了保護渣的消耗量，液態摩擦減小，液態保護渣膜的潤滑范圍向結晶器出口擴展，從而可減小坯殼中的拉應力；負滑動時間短，有利于減輕鑄坯表面振痕深度。所以對于實現高速拉坯，非正弦式振動的效果十分理想。 從連鑄發展的歷史上看，每當結晶器采用了一種新的較過去更為合理的振動規律時，都對連鑄坯的澆鑄、表面質量及拉坯速度的提高產生了重大的影響。 從連鑄結晶器振動方式的 研究進展可以看出，采用非正弦振動是目前結晶器振動的最佳方式。本文由橢圓齒輪變速器來實現非正弦振動，通過對板坯連鑄結晶器的傳動裝置的改進，使板坯連鑄結晶器采用合適的非正弦振動方式，可增大板坯連鑄結晶器的負滑動率，從而減少連鑄板坯表面的振痕深度，減少坯殼與板坯結晶器壁面間的摩擦力，明顯提高鑄坯的表面質量和實現高速連鑄。 應用結晶器非正弦振動技術在工藝上具有降低結晶器與初始凝固坯殼之間的摩擦力、降低漏鋼率、提高拉速和鑄坯表面質量等優點，在設備上具有大幅度降低振動頻率、提高振動裝置的使用壽命、減少維護等優點，因此應 用機械驅動結晶器非正弦振動及控制技術具有十分重要的意義。 第 8 頁 2．板坯連鑄結晶器總體方案設計 結晶器參數的設計對連鑄機的正常生產和保證鑄坯質量是至關重要的，結晶器斷面尺寸與鑄坯的最終幾何形狀有直接聯系，與鑄坯的最終規格有關。結晶器長度不僅影響最小坯殼厚度，是產生漏鋼的直接原因，同時影響拉坯速度和結晶器銅板的磨損。結晶器的錐度是結晶器的冷卻效果和鑄坯質量的影響因素，因此在結晶器的設計中，要充分考慮各技術參數對連鑄機生產的不同影響，正確合理地確定結晶器斷面尺寸、結 晶器長度和結晶器錐度，只有這樣才能保證結晶器使用性能，保證結晶器正常運行，保證連鑄機安全可靠的生產。 板坯連鑄結晶器的性能要求 設計結晶器時，從鑄坯成形的基本熱工過程出發，結合生產工藝的基本要求，對結晶器提出以下主要要求： （ 1）良好的導熱性能使鋼液快速凝固，每 1kg 鋼水澆注成坯并冷卻到室溫，放出的熱量約為 1340kJ/kg，而結晶器約帶走 5～ 10%，即 67~134kJ/kg，若板坯尺寸為 250 1700mm，拉速為 1m/min時，結晶器每分鐘帶走的熱量多達 20 萬 kJ/kg，而結晶器長度又較短， 一般不超過 1m，在這樣短的距離內要帶走大量的熱量，要求它必須具有良好的導熱性能，若導熱性較差，會使出結晶器的鑄坯坯殼變薄，為防止拉漏，只好降低拉速，因此結晶器具有良好的導熱性是實現高拉速的重要前提。 （ 2）結構剛性要好，結晶器內壁與高溫金屬接觸，外壁通冷卻水，而它的壁厚又很薄（僅有 10～ 20mm），因此在它的厚度方向溫度梯度極大，熱應力相當可觀，其結構必須具有較大的剛性，以適應大的熱應力。 （ 3）裝拆和調整方便，為了能快速改變鑄坯尺寸或快速修理結晶器，以提高連鑄機的生產能力，現代結晶器都采用了整體吊裝或在線 調寬技術。 （ 4）工作壽命長，結晶器在高溫狀況下伴隨有鑄坯和結晶器內壁之間的滑動摩擦，因此結晶器內壁的材質應有良好的耐磨性和較高的再結晶溫度。 （ 5）振動時慣性力要小，為提高鑄坯表面質量，結晶器的振動廣泛采用高頻率小振幅，最高已達 400 次 /min，在高頻振動時，慣性力不可忽視，過大的慣性力不僅影響到結晶器的強度和剛度，進而也影響到結晶器運動軌跡的精度。 第 9 頁 板坯連鑄結晶器長度的確定 結晶器的長度主要取決于澆注速度、結晶器的冷卻強度和鑄坯出結晶器下口時的最小坯殼厚度 。最小坯殼厚度與鑄坯斷面尺寸有關， 根據試驗結果和生產經驗，對于大斷面鑄坯要求最小坯殼厚度大于 15 mm，小斷面鑄坯要求最小坯殼厚度 8～ 10 mm。通常一般的板坯連鑄機結晶器長度取 700～ 900 mm，薄板坯連鑄機取 1 000～ 1 200mm。低速鑄機采用短結晶器 ，高速鑄機采用長結晶器。結晶器長度增加后可提高鑄機拉速，增加鑄坯產量。但結晶器加長，會增加拉坯阻力加劇銅板磨損，鋼液的靜壓力也隨之增加。 設計時結晶器長度可按以下公式進行初取，在凝固計算時進行精確的理論計算，保證鑄坯出結晶器下口時的最小坯殼厚度。 39。L? cV 2a???（ ） （ ） 式中， 39。L 一結晶器長度（ mm）； ? 一鑄坯出結晶器下口處的坯殼厚度（ mm）； aK — 凝固系數（ mm / min ） 板坯連鑄機一般取（ 17～ 20）； cV 一拉坯速度（ mm / min）。 考慮到澆鑄操作時結晶器內液面的波動，通常在鋼液面與結晶器頂面之間要留出80～ 120 的空位。故結晶器的實際長度 L為： 39。 80 ~ 120LL?? （ ） 盡管如此，結晶器的長度在世界各國還是 很不一致。一般結晶器的長度為 500～1200mm。康卡斯特設計的結晶器長度為 300～ 700mm，我國使用的結晶器長度為 600～800mm，蘇聯一般采用的結晶器長度為 1200～ 1500mm，總的趨勢是使用短結晶器。由于實行高速澆鑄，結晶器還需適當加長，但過長既會延緩鑄坯的進一步冷卻凝固又會造成浪費。 根據上述所說本次設計板坯連鑄結晶器的長度取 700mm。 板坯連鑄結晶器的斷面尺寸及銅板厚度 結晶器的斷面尺寸對于板坯連鑄機來說是指結晶器的寬邊銅板和窄邊銅板所圍成的長方形孔型的上、下口尺寸，結晶器的斷 面尺寸通常是按照所生產鑄坯在冷態下的公稱尺寸來確定的。鑄坯從結晶器中的鋼液到出坯后的冷態要有凝固和冷卻收縮，因此， 第 10 頁 在設計結晶器斷面尺寸時要考慮鋼水凝固以及從高溫鑄坯到冷態鑄坯的熱收縮 ，同時要考慮不同規格鑄坯在矯直時產生的矯直變形（見圖 ）。在鑄機生產中根據鋼廠的生產使用經驗可作適當調整。結晶器的斷面尺寸寬邊和窄邊分別按照以下經驗公式計算： 圖 結晶器銅板孔型斷面圖 結晶器寬邊 00 (1 .5 % ~ 2 .5 % )B B B??上 （ ） 0 0 0(1. 5% ~ 2. 5% ) %B B B B B? ? ?下 寬 （ ） 式中， B上 一結晶器上口寬度（ mm）； B下 — 結晶器下口寬度（ mm）； 0B — 鑄坯公稱寬度（ mm）； B寬 一結晶器寬面錐度（ mm）。 結晶器窄邊 D上 = 0D (1+％ )+2 （ ） D下 = 0D (1+％－ K ％ )+2 （ ） 式中， D上 一結晶器上口厚度（ mm）； D下 一結晶器下口厚度（ mm） K 一結晶器窄面錐度（ mm）。 結晶器窄邊厚度尺寸，對于弧形或直弧形連機來說，由于拉坯和矯直的作用，鑄坯 第 11 頁 的厚度會相應減少，所以在設計時應在上式基礎上考慮加上厚度減薄量 2 mm。如果有液芯壓下或輕壓下應同時加上壓下量，實際中，要求結晶器的斷面尺寸應當比連鑄坯斷面的公稱尺寸大一些，通常約大 1～ 3%左右。 結晶器銅板是結晶 器的關鍵部件，作為連鑄從液態鋼水凝固成固態坯殼的重要導熱部件，它的技術性能將直接影響到連鑄坯的表面質量、連鑄機拉速、連鑄作業率等指標。 銅板厚度的選擇主要考慮結晶器結晶器安裝使用過程中的剛度和抵抗冷卻水壓力而不變形，同時也要考慮修復次數和壽命。但銅板厚度較厚，會造成成本加大，也不適合高拉速連鑄的要求。根據經驗銅板厚度一般為 35～ 45 mm，這次設計中取銅板厚度為40mm。 板坯連鑄結晶器倒錐度的要求及對倒錐度的改進 結晶器的錐度概念是指結晶器的上口尺寸與下口尺寸不同，形 成一個上大下小倒錐形的型。在連鑄機的澆注過程中，鋼水在結晶器中由于接觸水冷銅板，將熱量傳出，形成初生坯殼，但由于冷卻收縮的作用，坯殼會離開銅板形成空隙，這樣就會增加傳熱阻力，影響鑄坯的冷卻效果。因此，為了改善鑄坯的冷卻效果，避免氣隙的形成，必須將結晶器銅板孔型設計成倒錐形。對于板坯連鑄機來說，鑄坯寬面和窄面的錐度要求是不一樣的，由于板坯厚度方向寬面的面積大，坯殼的剛性較弱，在鋼水靜壓力的作用下，坯殼很容易貼向銅板，消除氣隙，所以厚度方向錐度可以小一些。寬度方向的窄面面積小，收縮量要大一些，坯殼剛度大，因而寬 度方向的窄面錐度要大一些。 結晶器的錐度或稱為倒錐度與鑄機的拉坯速度有關，拉坯速度高，傳熱時間短，導致鑄坯表面溫度升高，鑄坯收縮率減少，因而應采用較小的結晶器倒錐度。在設計結晶器的錐度時，要注意，在鑄機生產中，結晶器的錐度是不可調的，因此，應對于不同的生產規格，設計成相同的結晶器錐度，并適應不同的拉速范圍。 對于板坯連鑄機的結晶器，由于鑄坯厚度方向的收縮叫寬度方向的收縮小的多，為便于安裝找正，結晶器的寬面一般都做成平行的。這時錐度可按下式進行計算， K = 100%BBBL? ?下 上上 （ %/m） （ ） 式中 B上 、 B下 — 分別為