结晶器窄面足辊结构及其框架应力分析.pdf

2023.05 设备监理38检验与技术I n s p e c t i o n a n d T e c h n o l o g y作者简介：龚进娟（1980 )，女，本科，工程师，从事连铸设备方面研究工作。通讯作者：龚进娟，E-mail:。（收稿日期：2023-08-15）结晶器窄面足辊结构及其框架应力分析龚进娟 郑顺荣（宝武装备智能科技有限公司 上海 201900）摘 要：结晶器是连铸生产中最主要的工艺设备。文章根据结晶器窄面足辊的实际工作情况，介绍窄面足辊装配组件的结构设计原理及功能。以窄面足辊在板坯调整宽度由宽变窄即载荷最大时，对窄面足辊框架结构进行焊缝优化设计，并施加工作载荷进行应力分析，分析结果表明焊缝优化设计安全，并经实践应用效果良好，提高了生产效率，降低了维修强度。关键词：窄面足辊 鼓肚力 工作载荷 工作应力Description of the Structure and Frame Stress Analysis for the Narrow Foot Roller of the Crystallization Device Gong Jinjuan Zheng Shunrong(Baowu Equipment Intelligent Technology CO.,Ltd.Shanghai 201900)Abstract Crystallization device is the most important process equipment in continuous casting production.In this paper,the structure design principle and function of the assembly of the narrow foot roller are introduced according to the actual working situation of the narrow foot roller of the crystallization device.When the width of the slab is adjusted from width and the load is maximum,the frame structure of the narrow foot roller is optimized,and the working load is applied to the stress analysis.The analysis results show that the weld optimization design is safe,and the practical application effect is good,which improves the production efficiency and reduces the maintenance strength.Keywords Narrow foot roller Bulging force Working load Working stress中图分类号：TB497 文献标志码：B文章编号：2095-2465(2023)10-0038-04 DOI:10.19919/j.issn.2095-2465.2023.10.010结晶器是连铸生产中最主要的工艺设备，是连铸机的“心脏”。钢水由钢包经中间包稳流后进入结晶器，经结晶器冷却凝固成一定厚度的坯壳后进入二冷区继续冷却。窄面足辊是结晶器的重要组成部分，在初生凝固坯壳出结晶器后，对铸坯窄面进行必要的支撑和冷却，以减少铸坯鼓肚的发生。1 现状窄面足辊装置设置于结晶器窄面铜板下部，支撑导向出结晶器下口的铸坯。因长期受热应力、铸坯鼓肚力、铸坯摩擦力等因素影响，窄面足辊装置会产生位移甚至变形。窄面足辊的有效支撑是确保结晶器锥度变化、三角区裂纹产生、铸坯质量的主要因素。因基本设计参数的限定，即窄面足辊结构、安装位置、调整间隙等维持原参数。实际生产时根据生产需求的冷坯宽度和厚度、浇铸的速度需设计合理的结晶器锥度。在线调宽时，窄面足辊装置整体随窄面铜板移动。同一结晶器在不同的断面宽度下，窄面足辊的移动量不同。铸坯出结晶器时冲击载荷或长期变载荷（脉动或交变）、锥度设定、高温环境等各因素影响，窄面足辊易产生位移，足辊框架易产生变形甚至破坏。2 窄面足辊结构组成及功能整体窄面足辊装配通过 2 个 T 型螺栓紧固在窄面支撑架上，安装调整到位后旋转 T 型螺栓 90，通过上部的螺母锁紧，连接窄面足辊装配至窄面，形成窄面支撑结构，实现垂直方向的固定。在浇铸平台上进PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2023.0539检验与技术I n s p e c t i o n a n d T e c h n o l o g y行结构更换时，可通过松开上部螺母，窄面足辊装配整体与窄面支撑快速脱离。足辊装配后部设置的调整螺母，当初次安装时或使用后窄面铜板有磨损减薄，螺母松开沿铸坯宽度方向调整整体窄面足辊装配，确保 1#辊与铜板面间隙为 00.1 mm，2#辊、3#辊根据生产调整间隙。调整到位后锁紧螺母，实现宽度方向的固定。窄面足辊装配如图 1 所示。图 1 窄面足辊装配T?1#?2#?3#?1?2?窄足紧固元件组装根据所浇铸铸坯的厚度布置 3对，其数量主要与铸造速度和足辊结构尺寸有关。随着铜板材质的提高和表面镀层技术的进步，铜板改削一次的过钢量有了很大提高。为了使足辊的寿命能够与之相匹配，采取了提高足辊材质、表面堆焊耐磨不锈钢和使用分节辊等措施。此处，窄足辊子采用合金钢堆焊不锈钢，窄足紧固元件组装在足辊框架上，辊子装配型式从上到下设置为：分节辊（1#辊）、单辊（2#辊、3#辊）。所有辊子由内部的轴承进行支撑，不同断面宽度位移变化的补偿由足辊组件内部的碟簧控制，同时碟簧也起到过载保护作用。碟簧的压缩量，根据理论窄面鼓肚力的大小设置，内部结构有调整垫片组，通过垫片组的厚度调整可实现消除加工误差。3 排辊子支撑长度的设置，因为 1#辊的位置距离窄面铜板底部最近，此处相对于 2#辊、3#辊位置，铸坯坯壳厚度最薄且温度最高。1#辊设置为分节辊，宽度匹配铸坯出结晶器时的厚度，尽量大的支撑铸坯窄面，防止初生铸坯鼓肚引起的边部裂纹产生。足辊与铜板的对中，由生产工艺根据实际浇铸钢种、拉速等工艺参数给定。厚度方向的铸坯、窄面足辊辊面的冷却，从窄面铜板底面至 1#辊之间，并在每组辊组之间设置，单侧设置 5 个喷嘴进行冷却，匹配铸坯拉速、浇铸钢种、喷嘴型式喷射角度等工艺参数及窄面足辊型式，设置合理的位置，达到最优化冷却喷雾效果提供铸坯表面的冷却。框架背板设置干油分配器，对每组足辊组件进行内部独立供油。所有润滑油孔均应无杂质，注油时将轴承内充满油脂，确保足辊转动，无卡阻现象。从窄面足辊布置在结晶器的位置及其装配的结构可以看出，当铸坯经过结晶器下口至窄面足辊位置，铸坯鼓肚力通过支撑的 1#辊、2#辊、3#辊，实现窄面的支撑及导向作用，来自铸坯的鼓肚力传递到足辊框架。足辊框架整体材料选用 Q345B（抗拉强度大于470 630 MPa，屈服强度大于 275 MPa，伸长率大于21%）1。框架主体部分主要由板 1、板 2 焊接成 T型框架结构用以布置3排辊。框架焊接设计如图2所示。(a)原设计(b)新设计图 2 框架焊接设计对比1018045PT此处的焊缝为四周焊，在通过焊缝形心的拉力、压力作用下：正面或反面角焊缝（作用力垂直于焊缝长度方向）的应力f见式(1)2：2023.05 设备监理40检验与技术I n s p e c t i o n a n d T e c h n o l o g y(1)?fe wffw?Nh lf侧面角焊缝（作用力平行于焊缝长度方向）的应力f见式(2)2：(2)?fe wfw?Nh lf式中：N轴心拉力或轴心压力，N；f 按焊缝有效截面（helw）计算，垂直于焊缝长度方向的应力，N/mm2；f 按焊缝有效截面计算，沿焊缝长度方向的剪应力，N/mm2；he 直角角焊缝的计算厚度，mm，当两焊件间隙 b 1.5 mm 时，he=0.7hf；hf=焊脚尺寸；lw 角焊缝的计算长度，mm，对每条焊缝取实际长度减去 2hf；ffw 角焊缝的强度设计值，N/mm2；f 正面角焊缝的强度设计值增大系数，对承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构，f=1.2；对直接承受动力荷载的结构，f=1.0。由于实际生产过程中，此处的焊缝受力后极易发生撕裂现象，影响生产效率，需进行焊缝加强。该框架焊接焊丝采用 ER50-6（按 GB/T 81102008气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝,抗拉强度大于 500 MPa，屈服强度大于 420 MPa，伸长率大于 22%），属于低碳结构钢类焊丝具有优良的塑性、韧性和抗裂性能，尤其低温冲击韧性较高，其常用于Q345 等低碳结构钢焊接。按拉、压应力，剪应力公式，设计的焊缝 45 坡口从原来 10 mm（he=7.1），增加至 18 mm（he=12.7），即 he增大 1.79 倍，并按 PT 探伤进行验收，因此焊缝强度大大增加。3 窄面足辊框架应力分析结晶器正常浇铸或调宽时，相对于窄面铜板的位置对应着结晶器窄面铜板和凝固坯壳在宽度方向的受力。结晶器的锥度及足辊的位置应适应铸坯的外形尺寸，即窄面足辊在铸坯宽度方向两侧以 1#辊、2#辊、3#辊支撑导向。窄面足辊在连铸过程中所承受的机械载荷主要来自铸坯由窄面钢液静压力的作用，钢液的静压力的数值与距钢水弯月面的垂直距离成正比。进入二冷区之后，铸坯液心内钢液的静压力会随着远离弯月面的程度而越来越大，由此造成坯壳的横向压力也越来越大。若坯壳刚性不足或足辊支撑不够，坯壳在静压力的作用下会在 2 组相邻足辊间发生鼓肚现象。此时由坯壳的厚度增强了其刚性，可以部分抵消不断增高的钢液静压力。对足辊产生的鼓肚力作用在 1#辊、2#辊、3#辊上，引起窄面足辊表面的磨损及受力变形，窄面足辊框架承受来自鼓肚引起的作用力，通过其结构的稳定性来确保铸坯的有效支撑。铸坯厚度和宽厚比的增加都会使总应力增加，断面尺寸越大，坯壳表面中心与角部区域的温差有可能越大，由此也引起总应力的增加。调宽板坯宽度时，如图 3 所示，压入坯壳 如图 3(a)所示 时的反力最大。此时，作用在窄面上的载荷，有板坯压入反力Fsx、整个窄面（钢板+足辊）钢液静压力引起的鼓肚力 FDN、宽窄面铜板间的摩擦力 F1、沿铸造方向窄面和铸坯之间的摩擦阻力 F2，如图 4 所示。对于窄面足辊框架的应力分析，主要涉及整个窄面 FDN中的窄面足辊高度范围内的鼓肚力 Fdn，故仅计算分析 Fdn。图 3 某钢铁公司的板坯连铸机调宽时压入坯壳的反力3.253.8?806040200?kN?s20406080?755025?250?kN?s?45.340801200160?（a）宽变窄时（b）窄变宽时PLANT ENGINEERING CONSULTANTS 2023.0541检验与技术I n s p e c t i o n a n d T e c h n o l o g y图 4 宽度调小时作用在结晶器窄面的载荷F1FsxFDNh1hsxhDN?F2按结晶器窄面钢液静压力引起的鼓肚力 Fdn见式(3)3：(3)Fdn?D y yDhh0112?d=12式中：Fdn宽度调小时，窄足承受的鼓肚力，kN；钢液重度，70 kN/m3；D铸坯厚度，m；h1受力高度，m。按 实 际 参 数 值，代 入 式(3)分 别 计 算 出 3 组辊组各自所承受的鼓肚力：1#辊 Fdn1=5.150 kN；2#辊 Fdn2=6.237 kN；3#辊 Fdn3=24.397 kN。按在工作中所存在的实际工作载荷 Fc可用式(4)4表示：(4)Fc=KwFdn式中：Fc工作载荷，kN；Kw载荷系数，取 2；Fdn名义载荷，kN。按 鼓 肚 力 Fdn1、Fdn2、Fdn3，代 入 式(4)分 别 得出：1#辊 Fdn1=5.150 kN；2#辊 Fdn2=6.237 kN；3#辊Fdn3=24.397 kN。框架结构焊缝优化后，按实际工作位置加载机械载荷，得到：最大工作应力c=95.02 MPa，如图 5 所示。许用应力见式(5)4：(5)p=lim/S式中：p许用应力，MPa；lim材料强度的极限值，275 MPa；S安全系数，取 2。将窄面足辊框架设计值分别代入上式中，得出：p=275/2 MPa=137.5 MPa，cp，窄面足辊框架结构设计安全。图 5 窄面足辊框架应力图4 实施效果经实施应用于重钢、山钢等奥钢联机型连铸结晶器，此结构在保证铸坯工作载荷下，可有效支撑导向，窄面鼓肚、铸坯质量、跑锥现象均被有效控制，并大大延长了结晶器足辊的使用寿命，从而减少因足辊结构故障造成的生产、设备及质量事故，减少了快速更换台提前下线的次数，降低了维护成本和检修劳动强度，提高了生产效率。参考文献1 中国重型机械工业协会等.重型机械标准（第 5卷）M.昆明：云南科技出版社，2017.2 GB 500172017 钢结构设计标准 S.3 杨拉道,黄进春,李淑贤,等.直弧形板坯连铸设备（下）M.北京：冶金工业出版社，2017.4 成大先.机械设计手册（第1卷）M.北京：化学工业出版社，2017.