方坯连铸机分钢装置滑轨支架改进

霍建国， 王国稳， 许 瑞

（首钢集团长治钢铁有限公司， 山西 长治 046031）

1 8 号连铸机分钢装置改进背景

首钢集团长治钢铁有限公司（以下简称长钢）8号连铸机于2014 年投产，以生产150 mm×150 mm×12 000 mm 的方坯为主。分钢装置是该连铸机生产作业系统中重要的过渡装置，将储坯台输送的钢坯通过该装置将其分离及运输至下一工序。在实际生产中，分钢装置滑轨底座每月都会出现6~10 次断裂现象，导致分钢装置功能失效，钢坯滞留，影响生产正常秩序，还需组织大量的人力物力进行抢修，打乱了正常生产和维修工作的总体安排，因此决定对分钢装置进行攻关改造。

2 8 号连铸机分钢装置概况

2.1 组成

该装置由滑轨、支架、连杆、扇形板、油缸等构件组合构成，该装置具有占地面积小、启动平稳、操作灵活、效率高、即时性好等特点（见图1）。

图1 8 号连铸机分钢装置组成图

2.2 相关技术参数

铸坯规格：150 mm×150 mm×12 000 mm；铸坯质量：2.120 t；受坯根数：4 根；支架材料：ZG 270-500，屈服强度σs=270 MPa，抗拉强度σB=500 MPa

2.3 存在问题及原因分析

在生产过程中，分钢装置滑轨底座频繁出现断裂现象，导致该连铸机出现非计划停机次数增多，经技术人员分析，判断引起该故障的较大原因是由于滑轨支架倾斜角度过大，钢坯在滑落过程中速度增量大，钢坯下滑与底端碰撞后，对底座弯折处造成冲击力度大，因此导致故障频发。为证实该推断观点成立，因此考虑减缓滑轨支架倾斜角度来降低冲击力。

3 改进对策及相关计算

3.1 改进对策

根据支架原结构设计，该滑轨倾斜角度α 为35°，下滑导轨支架总长为1 180 mm。

受力分析图如图2 所示。

图2 受力分析图

由图2 可知，在忽略空气阻力及工作环境等因素的情况下，适当减小角α 的度数，只要重力G在平行于滑轨x轴方向分力F=G·sinα 略大于钢坯下滑时产生的摩擦力f，钢坯既可顺利滑落又可将钢坯滑落时产生的冲力降至最小。

3.2 计算钢坯下滑临界角度（即α 的最小值）

根据分析，当μGcosα=G·sinα，即μcosα=sinα时，钢坯处于临界状态。

在生产中，当钢坯运送至翻钢装置时温度在

500~600 ℃之间。

查阅文献[2]钢坯温度对摩擦系数影响（见下页表1）。

根据表1，当钢坯温度在500~600 ℃时，可取摩擦系数μ=0.55 即0.55cosα=sinα

表1 钢坯温度对摩擦系数影响

利用反正切函数：

arc tan0.55≈28.8°即临界角度为28.8°。

当滑轨支架倾斜角度α＞28.8°的情况下，钢坯即可利用自身重力下滑。

考虑到钢坯温度和摩擦力的关系、不合格产品的运输、实施过程中存在的误差等因素，为防止钢坯在下滑过程中不能下滑而滞留在滑轨上的情况的发生，因此在临界角度的基础上加大1.2°，选定α 角度为30°。

3.3 变动角度前后钢坯滑落冲量对比

3.3.1 改进前

当翻钢装置将第一根钢坯翻起后，第二、三、四根钢坯会同时下落。第二、三、四根钢坯将沿滑轨下滑行程x=150 mm，起始速度v0=0 受力分析如图3所示。

图3 起始速度受力分析图

重力：G=mg=2 120×3×9.8=62 328 N（g取9.8 N/kg）；支持力：FN=Gcos35°=62 328cos35°=51 056；摩擦力：f=μFN=0.55×51 056；自身质量分力：F=G·sin35°=62 328sin35°=35 749.8 N；平行于滑轨x轴方向向下钢坯所受合力为：

根据牛顿第二定律F=ma可得钢坯在倾斜滑轨上滑落时的加速度a：a=F/m=7 669/6 360≈1.21 m/s2。

根据v2-v02=2ax得v=0.60 m/s

下滑时间：t=v/a=0.60/1.21≈0.50 s

冲量计算，利用冲量定理：I=Ft。

当翻钢装置将第一根钢坯翻起后，第二、三、四根钢坯下落时间t=0.50 s

则这三根钢坯冲量：I合=Ft=7 669×0.50=3 834.5 Ns

因此长钢在进行改进前后的冲量对比时，针对三根钢坯同时下滑产生的冲量进行对比计算。

3.3.2 改进后

经过改进，滑轨支架倾斜角度改进为30°，长钢针对改进前同情况进行对比计算。

受力分析如图4 所示。

图4 改进后受力分析图

支持力：FN=G·cos30°=62 328·cos30°=53 977.6；摩擦力：f=μFN=0.55×53 977.6=2 967.7 N；重力分力：

在平行于滑轨x轴方向向下钢坯所受合力为：

此时钢坯在倾斜滑轨上滑落时产生的加速度为：a=F/m=1 476.3/6 360≈0.23 m/s2。

根据v2-v02=2ax可得v合≈0.26 m/s。

下滑时间：t=v/a=0.26/0.23=1.13 s

冲量计算。利用冲量定理I=Ft，此时钢坯冲量I合后=Ft=1 476.3×1.13=1 668.2 Ns，对比可知：I合后=1 668.2 Ns＜I合前=3 834.5 Ns，经改进，钢坯下滑产生的冲量缩小到了原先的45%.

根据将滑轨支架倾斜角度改进为30°后相关计算，可以从改进前后钢坯下滑至底端产生的冲量大小的比值中看出，同种情况改进后钢坯下滑产生的冲量得到了明显降低，因此该推测成立，改进方案可以采取实施。

4 结语

通过改进后在实际生产中观察统计，滑轨支架使用寿命相比改进前使用寿命提高了2 倍左右，有效的降低了分钢装置故障率，分钢装置滑轨支架断裂故障降至为零，提高了铸坯质量，降低了工人劳动强度。