多流扁坯连铸机中钩钢机的设计及应用

时间：2024-09-03

叶炜垚秦文彬

(中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆401122)

在国内，多流扁坯连铸机在钢厂得到普遍的应用，扁坯连铸机机型多采用垂直弯曲型，连铸机半径大多在8 m～9 m，连铸机的流数一般大于2流，铸坯宽度多在500 mm～900 mm，A钢厂四流扁坯连铸机的基本工艺参数，见表1。由于受到厂房和投资的限制，大多数钢厂多采用铸坯横移设备与热送辊道等设备的组合共同完成最后的出坯工序。钩钢机是一种非常典型的铸坯横移设备，钩钢机具有升降和横向走行功能，通过铸坯吊钩将流线上的铸坯逐一钩离到指定工位；钩钢机在工作过程中不需要其他辅助设备的配合，在钩取铸坯的过程中不会造成铸坯底面的划痕，尤其适用于高碳钢和合金钢等对表面划痕敏感的钢种，而且由于扁坯断面宽度相对于方坯要宽，更适合采用钩钢机作为铸坯横移设备。出坯区运用钩钢机的典型工艺流程如图1所示。需要下线的铸坯，通过钩钢机，由各流的出坯辊道运送到铸坯台架，然后铸坯等待下线；需要热送的铸坯，通过钩钢机，由各流的出坯辊道运送到热送辊道，然后热送铸坯。可见，钩钢机是多流扁坯连铸机出坯区的核心设备，钩钢机稳定且高效地运行是满足生产需要的必要条件。因此结合具体的工程项目，合理设计和应用钩钢机，对于钩钢机的高效稳定运行至关重要。以A钢厂四流扁坯连铸机的钩钢机为例，详细阐述钩钢机的设计及应用。

表1 A钢厂四流扁坯连铸机基本工艺参数Table 1 Basic technical parameters of four-strand slab billet continuous caster in A steel plant

图1 A钢厂四流扁坯连铸机的出坯区工艺流程图Figure 1 Process flow chart of four-stand slab billet continuous caster billet discharging zone in A steel plant

1 来坯周期及钩钢机工作周期

钩钢机需要将位于不同流线的出坯辊道上的铸坯逐一钩离到指定工位，指定工位根据工艺需要，可以是铸坯台架或热送辊道等。来坯周期是指平均每流的最短来坯时间，可以根据铸坯最大拉速和铸坯最小定尺长度来确定，如表1所示，铸坯最大拉速为1.6 mmin，铸坯最小定尺长度为7 m，所以示例的A钢厂四流扁坯连铸机的平均每流最短来坯时间T为262.5 s。

钩钢机钩取铸坯至少包括上坯、卸坯和走行三个动作环节，上坯时间包括无坯下降时间、进钩时间、有坯上升时间；卸坯时间包括有坯下降时间、退钩时间、无坯上升时间；走行时间可以通过总的走行距离和平均走行速度确定。

钩钢机的一个完整工作周期包括从初始位开始，走行至第一流线的出坯辊道，上坯，带铸坯走行至指定工位，卸坯，走行至下一流线的出坯辊道，上坯，带铸坯走行至存放工位，卸坯，直到逐一将每一流线的出坯辊道的一块铸坯钩至存放工位后，走行至初始位。所以钩钢机的工作周期应该满足：

n×∑(t1+t2)+t3≤T

式中，n为铸机流数，如表1所示为4；t1为钩钢机的上坯时间，根据工程经验可取t1=15 s；t2为钩钢机的卸坯时间，根据工程经验可取t2=15 s；t3为钩钢机从第一流待机位开始依次钩取各流的铸坯至指定工位后回到第一流待机位的时间。

钩钢机依次钩取各流的铸坯完成一个周期的走行距离(l)可以根据连铸机每流的流间距和第一流的钩钢机待机位至指定工位的距离得到：

式中，l1为第一流的钩钢机待机位至指定工位的距离；l2为流间距。l1可以根据具体连铸机的车间布置图得到，由A钢厂四流扁坯连铸机的车间布置图可知l1=8.5 m；由表1可知，流间距l2=2.8 m；经过计算可得l=101.6 m。

钩钢机的最小平均走行速度可由下式确定：

V平均=l[T-n×∑(t1+t2)]=43 mmin

2 钩钢机结构形式设计

钩钢机的走行都是采用电驱动的形式，主要分为集中传动和单独传动两种类型。采用集中传动的传动方案，各个驱动轮的同步是通过机械同步实现的，同步性能好，同步控制简单，由于钩钢机的跨度都比较大，一般均要超过10 m，集中传动部分会比较庞大，设备重量重，考虑到惯性及停位精度，设备重量重也进一步限制了钩钢机最大走行工作速度的提高；采用单独传动的传动方案，设备重量轻，钩钢机最大走行工作速度高，但是各个驱动轮需要进行同步控制。

钩钢机的升降类型主要分为液压提升式和电动提升式两种类型，液压提升式的优点是结构简单，维护方便，起吊能力大，设备重量轻，其不足是高压液压软管无法走电缆滑车，而采用拖链，最大走行速度一般不大于30 mmin，有的工程会将液压站设置在钩钢机的走行车体上，但需要为液压站配置专用的冷却系统。电动提升式钩钢机克服了液压提升式钩钢机的上述缺点，其不足是相对于液压提升式钩钢机，电动提升式钩钢机的提升传动机构复杂。

钩钢机的走行位置控制一般多采用编码器或激光测距仪。编码器具有精度高，功能多，寿命长，成本低的优点，但在钩钢机的应用环境下，编码器的信号保护非常重要，否则被振动或电磁信号干扰；激光测距仪是一种非接触式检测类型，具有测距精度高，抗干扰性强，通信简单，安装方便等优点，而且运用在钩钢机中的激光测距仪的电源和信号线不用通过电缆滑车，直接设置在钩钢机走行轨道的支撑梁上，提高了激光测距仪的安装维护性和信号的稳定性[1]。因此越来越多的钩钢机的走行位置控制采用激光测距仪。

根据A钢厂四流扁坯连铸机的实际情况，钩钢机走行方案为采用四个独立的减速电机分别驱动四个走行支撑轮的单独传动方案，提升方案采用电动提升式。为了确保提升的同步性，提升驱动采用集中传动的形式，使用一台提升电机(带外置制动器)，通过万向联轴器和减速器，同时驱动两侧的传动齿轮轴，进而带动两侧的齿条和升降装置动作，如图2和图3所示。钩钢机的走行控制采用激光测距仪，安全限位采用碰撞开关。

图2 钩钢机本体俯视图Figure 2 Top view of cross transfer manipulator

3 钩钢机主要性能参数设计

钩钢机的主要性能参数是钩钢机设计需要满足的基本参数，主要包括起吊能力，工作走行速度，升降行程，有坯升降速度和无坯升降速度。工作走行速度需要考虑到钩钢机的走行时启动和停止因数的影响以及相应的富裕度，钩钢机的工作走行速度可由下式确定：

V工作=M1M2V平均≈60 mmin=1 ms

式中，M1为钩钢机的走行启动停止影响因子；M2为出坯时间富裕度。根据工程经验M1可取1.2，M2可取1.15。

图3 钩钢机本体侧视图Figure 3 Side view of cross transfer manipulator

4 钩钢机主要部件设计

4.1 车轮设计

钩钢机车轮多采用铸钢件制造，车轮的强度计算按点接触考虑，通过计算车轮的轮压进行强度校核。车轮强度校核准则为P实

式中，P许为车轮的许用压力，单位N；K1材料系数，单位MPa；R曲率半径，单位mm，取车轮曲率半径和轨面曲率半径较大值；m由车轮的曲率半径与轨道顶的曲率半径之比所确定的系数；C1转速系数；C2工作级别系数。

A钢厂四流扁坯连铸机的钩钢机车轮材料采用ZG42CrMo钢，配QU100型轨道，初选钩钢机走行车轮的直径为D=450 mm，QU100型轨道的轨道顶的曲率半径为450 mm，所以R=450 mm；车轮材料系数K1取为0.245 MPa；根据车轮的曲率半径与轨道顶的曲率半径之比，取m为0.49；转速系数取为0.965；工作级别系数取为0.8；将上述参数代入可得P许=325 552 N；钩钢机在走行过程中由4个直径450 mm的车轮承重，负载在车架中心对称，每个车轮的最大负荷为：

P实=(Q额+P本)gC3×10004

式中，P本为钩钢机本体的重量，单位t；g为重力加速度，取g=9.8 ms2；C3为载荷不均匀系数。

根据同类工程估算，取P本=97 t，取载荷不均匀系数C3为1.2，得到P实=317520 N，P实

4.2 走行传动设计

钩钢机在走行时的阻力可按正常均速走行状况和加速走行状况分别进行分析，走行阻力包括摩擦阻力，坡度阻力和惯性阻力。钩钢机的运行摩擦阻力[2]可以按滚动摩擦计算：

式中，W1为运行摩擦阻力，单位N；μ为轴承摩擦系数；f1为车轮滚动摩擦系数，单位mm；d为与轴承配合处车轮轴的最小直径，单位mm；β为轮缘附加阻力系数。

取轴承摩擦系数为0.02，车轮滚动摩擦系数为0.6 mm，与轴承配合处车轮轴的最小直径取∅110 mm，轮缘附加阻力系数取为1.5，得到运行摩擦阻力W1=11 995 N。

可以得出钩钢机在走行时的坡度阻力[2]为：

W2=φ(Q额+P本)g×1000=1058 N

式中，W2为轨道梁变形引起的坡度阻力，单位N；φ为坡度阻力系数，取坡度阻力系数为0.001。

钩钢机在走行时的启动惯性阻力为：

式中，W3为惯性阻力，单位N；t启为启动时间，单位s，取启动时间为4.5 s。

所以钩钢机正常运行时阻力为：

W静=W1+W2=13053 N

钩钢机启动加速运行时阻力为：

W启=W1+W2+W3=37053 N

钩钢机正常走行时需要克服正常运行时阻力W静，因此钩钢机正常走行驱动需要的电机静功率[2]为：

式中，V工作为工作走行速度，单位mmin；η1为机械效率；α为走行驱动电机数量。根据上文可知工作走行速度为60 mmin，取机械效率η1为0.85，走行驱动电机数量为4。

钩钢机走行启动时需要克服启动加速运行阻力W启，因此钩钢机走行驱动启动需要的电机启动功率可计算为：

故走行电机功率选择7.5 kW的电机，电机过载能力1.5，共4台。

4.3 升降传动设计

升降传动需要克服钩钢机提升装置本体的重量和铸坯的重量，因此升降电机的静功率[2]可计算为：

式中，P提为钩钢机提升装置本体的重量，单位t；V提为提升速度；η2为机械效率。

根据同类工程估算，取钩钢机提升装置本体的重量为13 t，根据前文可知有坯升降速度为15 mmin，即提升速度为0.25 ms，取提升驱动装置的机械效率为0.77，经过计算可得升降电机的静功率。

升降电机的启动功率可以按下式确定：

式中，a1为钩钢机提升加速度，单位ms2；取启动时间为1 s，则钩钢机提升加速度等于钩钢机提升速度除以启动时间，所以有a1=0.25 ms2。

故升降电机功率选择为90 kW电机一台，过载系数为2，电机额定力矩为877 N·m。

5 钩钢机车架强度校核

钩钢机车架跨度一般由铸坯最长定尺以及车间布置综合确定，跨度都比较大，因此在结构设计完成后需要对车架本体进行力学分析，优选采用有限元的方法对车架进行强度和挠度校核。

5.1 有限元模型建立

A钢厂四流扁坯连铸机钩钢机的车架跨度为12.25 m，通过Solidworks对钩钢机车架进行三维建模，定义接触关系，车架两端与车轮架接触的面固定约束，压下力施加在钩钢横梁支撑面，压下力为额定起吊能力加上提升机构设备重量，额定起吊能力Q额为11 t。提升机构设备包括提升装置本体和升降驱动装置，预估提升机构设备重量为20 t；对车架进行网格划分，如图4所示。

图4 钩钢机车架Figure 4 Frame of cross transfer manipulator

5.2 计算结果及分析

钩钢机车架应力分布如图5所示，最大应力为46.5 MPa，出现在车架两侧；钩钢机车架位移分布如图6所示，最大位移为1.686 mm，出现在车架中间；可按下列经验公式确定安全裕度：

QsQ≥S1

KLk≤S2

式中，Q为钩钢机车架的最大应力，单位MPa；Qs为钩钢机车架所用钢板材料的最大屈服应力，单位MPa；K为钩钢机车架的最大位移，单位mm；Lk为钩钢机车架的车架跨度，单位m；S1、S2为安全系数，一般取S1≥3，S2≤0.5。

图5 钩钢机车架应力分布Figure 5 Stress distribution of cross transfer manipulator frame 图6 钩钢机车架位移分布Figure 6 Displacement distribution of cross transfer manipulator frame

由上述分析可知，对于A钢厂四流扁坯连铸机的钩钢机车架，其强度和挠度符合要求，车架具有足够的刚性。