板坯結(jié)晶器跑錐機理分析及優(yōu)化

高振強

（河鋼唐鋼不銹鋼公司，唐山，063000）

摘  要：唐鋼不銹鋼公司1#板坯連鑄機生產(chǎn)過程中結(jié)晶器窄邊錐度變化較大，影響鑄坯拉速及質(zhì)量，通過對結(jié)晶器跑錐機理的分析，科學(xué)使用FMEA等工管理工具，對窄面調(diào)寬裝置進行優(yōu)化和完善，穩(wěn)定了1#板坯連鑄機的生產(chǎn)，提高了板坯質(zhì)量，延長了結(jié)晶器的使用壽命。

關(guān)鍵詞：窄面調(diào)寬裝置；錐度；結(jié)晶器；鎖緊裝置

1 前言

唐鋼不銹鋼公司1#板坯連鑄機是中冶京城設(shè)計的常規(guī)板坯組合式直型結(jié)晶器，于2007年9月正式投入使用，結(jié)構(gòu)形式為組合式，由4塊銅板組合而成，輔以連續(xù)錐度，具有線下冷調(diào)寬功能，配以渦輪蝸桿機構(gòu)、梯形螺紋副絲杠（圖1）。寬度和錐度調(diào)整時，旋轉(zhuǎn)窄面調(diào)整裝置渦輪副，推動由絲杠和套筒組成的伸縮裝置，帶動窄面銅板前后移動。

2 跑錐的機理分析

機理分析是通過對系統(tǒng)內(nèi)部原因（機理）的分析研究，從而找出其發(fā)展變化規(guī)律的一種科學(xué)研究方法。設(shè)備維護中常針對導(dǎo)致設(shè)備失效的物理、化學(xué)的成因展開分析。

結(jié)晶器錐度是生產(chǎn)工藝的一個重要技術(shù)參數(shù)，通常在澆注前根據(jù)生產(chǎn)鋼種和鑄坯斷面進行合適的設(shè)定。如果在澆注過程中錐度變大，鑄坯與結(jié)晶器窄面銅板間的作用力增大．鑄坯前進阻力增大．鑄坯易產(chǎn)生腳步裂紋和三角區(qū)裂紋。如果在澆注過程中錐度變小，結(jié)晶器銅板與坯殼之間會產(chǎn)生較大氣隙，削弱了坯殼通過結(jié)晶器銅板的傳熱冷卻效果，坯殼會較快回溫，易發(fā)生鑄坯鼓肚，嚴(yán)重時發(fā)生漏鋼。因此從改善鑄坯質(zhì)量提高連鑄機作業(yè)率和延長結(jié)晶器使用壽命來說，必須保證生產(chǎn)中結(jié)晶器錐度值的穩(wěn)定。

在連鑄生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)停機后實測結(jié)晶器窄面錐度經(jīng)常發(fā)生變化，這種“跑錐度”在國內(nèi)各大鋼廠較為普遍，屬于連鑄生產(chǎn)中的焦點和難點問題。

跑錐代表的是結(jié)晶器銅板傾斜角度、位置發(fā)生變化，且變化量大于使用標(biāo)準(zhǔn)的情況。角度、位置的變化，通常是結(jié)晶器在使用過程的承受鋼水靜壓力、拉矯力或異常外力大于結(jié)晶器本體各保錐裝置的支撐力導(dǎo)致的。

以不銹鋼公司1#板坯連鑄機結(jié)晶器最大允許設(shè)計參數(shù)為樣本，即1600mm斷面、200mm鑄坯厚度、高強汽車鋼品種、1.4m/min拉速，通過有限元分析（圖2），得出極限條件下窄面集中應(yīng)力為97.6MPa。

圖2 有限元分析

設(shè)計并制作測試液壓千斤頂（圖3），千斤頂內(nèi)部配有位置傳感器，使用預(yù)緊壓力頂住結(jié)晶器兩側(cè)銅板，直至位移傳感器數(shù)值不發(fā)生變化；改用2.5倍安全系數(shù)壓力對結(jié)晶器兩側(cè)銅板施力，測量位置傳感器數(shù)值變化。

圖3 測試裝置原理圖

使用此方法對不銹鋼公司6臺周轉(zhuǎn)結(jié)晶器進行了測量，得出偏差最大結(jié)晶器偏差值4.9mm，偏差最小結(jié)晶器偏差值0.9mm。

通過以上測試，可以得出唐鋼不銹鋼公司部分結(jié)晶器本體各保錐裝置支撐力無法滿足工藝需求的推斷。

3 失效的潛在原因分析

對唐鋼不銹鋼公司1#板坯連鑄機結(jié)晶器歷史跑錐數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計（表1），發(fā)現(xiàn)跑錐具有普遍性；使用方差統(tǒng)計跑錐數(shù)值，數(shù)據(jù)波動大，呈非穩(wěn)態(tài)。

    表1 歷史跑錐數(shù)據(jù)統(tǒng)計

對結(jié)晶器維修流程及維修現(xiàn)場展開調(diào)查，使用FMEA總結(jié)出28項失效的潛在原因，并對RPN值（風(fēng)險優(yōu)先系數(shù)）進行評估，識別出四大缺陷：

3.1設(shè)計方面

窄面調(diào)整裝置使用單向軸承進行鎖緊，設(shè)計時未考慮現(xiàn)場工況及受力情況，上線后由于結(jié)晶器振動、水氣、雜物等影響，單向軸承極易發(fā)生損壞失效，導(dǎo)致窄面調(diào)整裝置失去約束，澆注過程中受力發(fā)生跑錐。

3.2備件方面

結(jié)晶器銅板耐磨性差，銅板壽命中期即發(fā)生平面度超差，并體現(xiàn)在錐度變化上。經(jīng)過測量，3萬噸過鋼量的銅板，錐度儀在900mm范圍內(nèi)上下移動，測量的錐度偏差達(dá)到1.2，超過單側(cè)小于0.5的錐度偏差允許范圍。

3.3裝配方面

由于維護水平達(dá)不到要求，導(dǎo)致結(jié)晶器整體裝配精度低，機械間隙較大（表2）。拆解跑錐結(jié)晶器，對所有部件精度進行測量，發(fā)現(xiàn)蝸輪蝸桿機構(gòu)空轉(zhuǎn)行程最大達(dá)到1.5mm，絲杠銷軸間隙最大達(dá)到2mm，銅板及把持板間隙最大達(dá)到1.1mm。結(jié)晶器累計最大間隙4.6mm，遠(yuǎn)超圖紙標(biāo)準(zhǔn)，線上一旦受力即發(fā)生跑錐。

3.4線上方面

跟蹤1#板坯連鑄機送引錠過程，發(fā)現(xiàn)連鑄機引錠桿對中精度不達(dá)標(biāo)。引錠桿送至最終位置時，引錠頭同連鑄中心線偏差可達(dá)100mm，導(dǎo)致引錠頭同結(jié)晶器窄面導(dǎo)向裝置發(fā)生碰撞，結(jié)晶器在澆鋼前即存在跑錐風(fēng)險；引錠桿到位后，桿身同連鑄中心線存在20°夾角，連鑄機生產(chǎn)時，鑄坯拉矯使結(jié)晶器承受斜向拉矯力，導(dǎo)致生產(chǎn)過程中結(jié)晶器跑錐，同時造成單面銅板異常磨損，加劇跑錐造成的影響。

4 技術(shù)改進方案

4.1 調(diào)整裝置鎖緊裝置改造

優(yōu)化前使用單向軸承進行鎖緊，設(shè)備穩(wěn)定性差；設(shè)計并制造結(jié)晶器鎖緊裝置(圖4)，在絲杠段部加裝一個定位盤，定位盤上加工一個90°鎖緊槽，使用螺栓緊固，增強結(jié)晶器的自鎖性能，保證結(jié)晶器在線使用過程中錐度的穩(wěn)定性。

圖4 結(jié)晶器鎖緊裝置示意圖

4.2 銅板鍍層優(yōu)化

由于結(jié)晶器銅板鍍層在使用過程中存在磨損不均勻、過鋼量低及渣線位置異常浸蝕等問題，要求供應(yīng)商對當(dāng)前質(zhì)量波動銅板的生產(chǎn)過程、原材料、工藝變更記錄情況進行了分析并制定了相應(yīng)的改進措施，包含定位鍵標(biāo)高調(diào)整、水箱平面度修復(fù)、銅板平面度保證措施等。

為了進一步提高鍍層高溫狀態(tài)下的耐磨性及耐腐蝕性，還將鍍層材質(zhì)由原來的NiCo（Ni:80-90%、Co:10-20%）改進為CoNi（Co:80-90%、Ni:10-20%），保證結(jié)晶器壽命周期內(nèi)銅板平面度滿足使用要求，消除結(jié)晶器銅板錐度偏差過大對生產(chǎn)及產(chǎn)品質(zhì)量的影響。

4.3 消除調(diào)整裝置機械間隙

①使用錐度儀比對測量方法，對渦輪蝸桿間隙大的調(diào)整裝置進行更換；

②使用塞尺對絲杠銷軸間隙進行測量，對于間隙超差的結(jié)晶器，更換銷軸，修復(fù)銷軸孔，保證間隙符合圖紙標(biāo)準(zhǔn)；

③對銅板同把持板間隙超差的結(jié)晶器，清理銅板背板及把持板加工面，保證露出金屬本色，平面度偏差小于0.1mm；使用標(biāo)準(zhǔn)螺栓及力矩扳手安裝銅板，保證緊固力矩。

4.4 引錠桿改進

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，唐鋼不銹鋼原使用的引錠桿厚度147mm，僅適用于澆注150mm厚度鑄坯，而不銹鋼公司當(dāng)前僅生產(chǎn)200mm厚度鑄坯產(chǎn)品。連鑄機送引錠過程時，由于桿身厚度同扇形段開口度差距過大，引錠桿無法同扇形段外弧良好貼合，最終導(dǎo)致了引錠桿不對中的故障。      

針對此問題，重新設(shè)計出一種197mm厚度的引錠桿，使引錠桿桿身厚度同扇形段開口度差距控制在10mm以內(nèi)，防止送引錠過程的碰撞及澆注過程的斜向拉矯力，消除線上設(shè)備精度低造成的結(jié)晶器跑錐。

4.5 其他改進

①取消結(jié)晶器“窄邊固定焊死”工藝，使用四條絲杠進行替代，等同于為結(jié)晶器增加了一套調(diào)整裝置，加強結(jié)晶器整體剛度。

②恢復(fù)足輥碟簧功能，使結(jié)晶器窄面導(dǎo)向裝置具備退讓功能，一旦發(fā)生意外碰撞，可最大限度減少錐度變化。

5 技術(shù)創(chuàng)新

1）液壓千斤頂測試裝置可以模擬線上結(jié)晶器受力情況，對維修完成的結(jié)晶器進行裝配精度測試，提前發(fā)現(xiàn)精度超差項目，達(dá)到預(yù)防性維修的目的。

2）絲杠加強裝置

當(dāng)老舊結(jié)晶器剛度降低、不滿足工藝需求，或當(dāng)前結(jié)晶器剛度無法滿足公司品種開發(fā)需求時，提供了一種成本低、見效快的設(shè)備改造方案，具備良好的推廣價值。

3）使用機理分析、FMEA等管理工具，對設(shè)備的失效原因進行系統(tǒng)性分析，并制定切實有效的措施，改善公司管理、經(jīng)營水平。

6 結(jié)語

唐鋼不銹鋼公司1#板坯連鑄機結(jié)晶器，合理的使用管理工具，創(chuàng)新結(jié)晶器剛度測量方法，并有針對性的提出措施并整改，結(jié)晶器整體精度提升明顯。優(yōu)化后的結(jié)晶器投入使用后效果良好，2018年2月至7月，連續(xù)6個月線上事故為0，跑錐率為0，所有結(jié)晶器使用后錐度變化值均小于0.5標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了行業(yè)領(lǐng)先水平，有效的減少了結(jié)晶器的檢修次數(shù)和檢修時間，降低了生產(chǎn)成本，提高了連鑄機的作業(yè)率及鑄坯質(zhì)量。

參考文獻

[1] 成大先.機械設(shè)計手冊[M]北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2004