板坯結晶器跑錐機理分析及優化

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#板坯連鑄機生產過程中結晶器窄邊錐度變化較大，影響鑄坯拉速及質量，通過對結晶器跑錐機理的分析，科學使用FMEA等工管理工具，對窄面調寬裝置進行優化和完善，穩定了1#板坯連鑄機的生產，提高了板坯質量，延長了結晶器的使用壽命。

關鍵詞：窄面調寬裝置；錐度；結晶器；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計的常規板坯組合式直型結晶器，于2007年9月正式投入使用，結構形式為組合式，由4塊銅板組合而成，輔以連續錐度，具有線下冷調寬功能，配以渦輪蝸桿機構、梯形螺紋副絲杠（圖1）。寬度和錐度調整時，旋轉窄面調整裝置渦輪副，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內部原因（機理）的分析研究，從而找出其發展變化規律的一種科學研究方法。設備維護中常針對導致設備失效的物理、化學的成因展開分析。

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

在連鑄生產中，發現停機后實測結晶器窄面錐度經常發生變化，這種“跑錐度”在國內各大鋼廠較為普遍，屬于連鑄生產中的焦點和難點問題。

跑錐代表的是結晶器銅板傾斜角度、位置發生變化，且變化量大于使用標準的情況。角度、位置的變化，通常是結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晶器本體各保錐裝置的支撐力導致的。

以不銹鋼公司1#板坯連鑄機結晶器最大允許設計參數為樣本，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力為97.6MPa。

圖2 有限元分析

設計并制作測試液壓千斤頂（圖3），千斤頂內部配有位置傳感器，使用預緊壓力頂住結晶器兩側銅板，直至位移傳感器數值不發生變化；改用2.5倍安全系數壓力對結晶器兩側銅板施力，測量位置傳感器數值變化。

圖3 測試裝置原理圖

使用此方法對不銹鋼公司6臺周轉結晶器進行了測量，得出偏差最大結晶器偏差值4.9mm，偏差最小結晶器偏差值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#板坯連鑄機結晶器歷史跑錐數據進行統計（表1），發現跑錐具有普遍性；使用方差統計跑錐數值，數據波動大，呈非穩態。

   表1 歷史跑錐數據統計

對結晶器維修流程及維修現場展開調查，使用FMEA總結出28項失效的潛在原因，并對RPN值（風險優先系數）進行評估，識別出四大缺陷：

3.1設計方面

窄面調整裝置使用單向軸承進行鎖緊，設計時未考慮現場工況及受力情況，上線后由于結晶器振動、水氣、雜物等影響，單向軸承極易發生損壞失效，導致窄面調整裝置失去約束，澆注過程中受力發生跑錐。

3.2備件方面

結晶器銅板耐磨性差，銅板壽命中期即發生平面度超差，并體現在錐度變化上。經過測量，3萬噸過鋼量的銅板，錐度儀在900mm范圍內上下移動，測量的錐度偏差達到1.2，超過單側小于0.5的錐度偏差允許范圍。

3.3裝配方面

由于維護水平達不到要求，導致結晶器整體裝配精度低，機械間隙較大（表2）。拆解跑錐結晶器，對所有部件精度進行測量，發現蝸輪蝸桿機構空轉行程最大達到1.5mm，絲杠銷軸間隙最大達到2mm，銅板及把持板間隙最大達到1.1mm。結晶器累計最大間隙4.6mm，遠超圖紙標準，線上一旦受力即發生跑錐。

3.4線上方面

跟蹤1#板坯連鑄機送引錠過程，發現連鑄機引錠桿對中精度不達標。引錠桿送至最終位置時，引錠頭同連鑄中心線偏差可達100mm，導致引錠頭同結晶器窄面導向裝置發生碰撞，結晶器在澆鋼前即存在跑錐風險；引錠桿到位后，桿身同連鑄中心線存在20°夾角，連鑄機生產時，鑄坯拉矯使結晶器承受斜向拉矯力，導致生產過程中結晶器跑錐，同時造成單面銅板異常磨損，加劇跑錐造成的影響。

4 技術改進方案

4.1 調整裝置鎖緊裝置改造

優化前使用單向軸承進行鎖緊，設備穩定性差；設計并制造結晶器鎖緊裝置(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，增強結晶器的自鎖性能，保證結晶器在線使用過程中錐度的穩定性。

圖4 結晶器鎖緊裝置示意圖

4.2 銅板鍍層優化

由于結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，要求供應商對當前質量波動銅板的生產過程、原材料、工藝變更記錄情況進行了分析并制定了相應的改進措施，包含定位鍵標高調整、水箱平面度修復、銅板平面度保證措施等。

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

4.3 消除調整裝置機械間隙

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，對于間隙超差的結晶器，更換銷軸，修復銷軸孔，保證間隙符合圖紙標準；

③對銅板同把持板間隙超差的結晶器，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；使用標準螺栓及力矩扳手安裝銅板，保證緊固力矩。

4.4 引錠桿改進

通過調查發現，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，而不銹鋼公司當前僅生產200mm厚度鑄坯產品。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，最終導致了引錠桿不對中的故障。      

針對此問題，重新設計出一種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，防止送引錠過程的碰撞及澆注過程的斜向拉矯力，消除線上設備精度低造成的結晶器跑錐。

4.5 其他改進

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

②恢復足輥碟簧功能，使結晶器窄面導向裝置具備退讓功能，一旦發生意外碰撞，可最大限度減少錐度變化。

5 技術創新

1）液壓千斤頂測試裝置可以模擬線上結晶器受力情況，對維修完成的結晶器進行裝配精度測試，提前發現精度超差項目，達到預防性維修的目的。

2）絲杠加強裝置

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

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

6 結語

唐鋼不銹鋼公司1#板坯連鑄機結晶器，合理的使用管理工具，創新結晶器剛度測量方法，并有針對性的提出措施并整改，結晶器整體精度提升明顯。優化后的結晶器投入使用后效果良好，2018年2月至7月，連續6個月線上事故為0，跑錐率為0，所有結晶器使用后錐度變化值均小于0.5標準，達到了行業領先水平，有效的減少了結晶器的檢修次數和檢修時間，降低了生產成本，提高了連鑄機的作業率及鑄坯質量。

參考文獻

[1] 成大先.機械設計手冊[M]北京：化學工業出版社.2004