方坯结晶器振动装置设计（全套设计及CAD及三维图纸）
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内蒙古科技大学毕业设计说明书 (毕业论文 ) I 摘要 结晶器是连铸机的心脏部件。它的主要作用就是对结晶器中的钢水提供快速而且均匀的冷却环境，促使坯壳的快速均匀生长，以形成质量良好的坯壳，保证连铸过程正常而稳定的进行。在浇注钢水时，若结晶器静止不动，坯壳容易与结晶器内壁产生粘结，这就增大了拉坯时的阻力，导致出现坯壳“拉不动”或者钢水被拉漏事故发生，很难进行浇注。而当结晶器以一定的规律振动时，这就能使其内壁获得比较良好的润滑条件，从而减少了摩擦阻力又能防止钢水和结晶器内壁的粘结，同时还可以改善铸坯的表面质量，因此结晶器振动装置具有重要的作用。 本文通过对连铸 发展历史，以及结晶器振动技术的发展和结晶器振动方式的改进进行了阐述，提出了电液伺服装置驱动，并对其振动规律及工作原理做出了分析。然后绘制了机械简图，并对其工艺参数和运动参数进行了分析计算，最终完成了本次设计。 本文主要的设计内容包括： 通过负滑脱量、频率和周期、结晶器运动的速度和加速度以及负滑脱时间的计算，来确定铸坯的工艺参数。 设计校核了双摇杆机构的主要部分，并根据经验推出机架结构。 由系统所需动力选择恰当的液压缸及液压泵 。并对系统的辅助原件进行了计算和选择，同时提出了同步回路电液伺服系统。 关键词： 连铸；结晶器；振动装置；振动规律；电液伺服装置 内蒙古科技大学毕业设计说明书 (毕业论文 ) he is of is to in to a of In in to a to of or is it is to in is in of is of an on of of to of to of of of of to of of of of y by of of of 蒙古科技大学毕业设计说明书 (毕业论文 ) ey 毕业论文 ) 录 摘要 . I . 一章 绪论 . 1 么是连铸 . 1 内连铸的重要性 . 1 国连铸发展的主要成就 . 2 界连铸技术的发展及我国存在的差距 . 3 铸机振动系统应注意的部分问题 . 4 第二章 结晶器振动技术 . 6 晶器振动技术发展的历史 . 6 铸机结晶器振动简介 . 6 晶器振动规律的演变 . 7 晶器振动和润滑的关系 . 10 第三章 结晶器振动方案的选择 . 14 课题研究的目的 . 14 题研究内容 . 14 备发展状况 . 15 边设备简介 . 15 术方案介绍 . 15 动机构的选择 . 19 第四章 结晶器正弦振动的参数分析 . 22 滑脱量计算 . 22 率与周期 . 22 晶器的运动速度和加速度 . 23 滑脱时间的确定 . 24 第五章 结晶器振动装置机械设计 . 26 力分析 . 26 度校核 . 27 的校核 . 27 的校核 . 30 承校核 . 34 第六章 结晶器振动装置伺服系统的设计 . 35 制方案 . 35 计计算 . 36 压缸设计计算 . 36 缸的设计原则 . 36 缸的设计 . 37 缸参数计算 . 37 的选择计算 . 39 的选择计算原则 . 39 统流量计算 . 39 量计算 . 39 的参数计算 . 40 内蒙古科技大学毕业设计说明书 (毕业论文 ) V 的选择计算 . 40 助元件的选择计算 . 42 路 . 42 能器的选择 . 44 箱的设计计算 . 45 箱设计原则 . 45 箱参数设计计算 . 45 箱容量的计算 . 46 箱内工作介质体积估算 . 46 统发热功率计算 . 46 压泵的功率损失 . 46 的损失功率 . 46 路以及其它功率损失 . 47 滤器的选择 . 47 压工作介质的选取 . 48 第七章 三维建模 . 49 部件三维设计 . 49 晶器振动装置固定台 . 49 晶器振动装置活动台 . 49 杆 1 . 50 杆 2 . 50 轴 . 51 承 . 51 圈 . 51 承端盖 . 52 尼器气囊 . 52 水管 . 52 尼器进气管道 . 53 状活塞杆头 . 53 尼器支架 . 54 压缸 . 54 装配图 . 55 总结 . 56 致谢 . 57 参考文献 . 58 内蒙古科技大学毕业设计说 明书 (毕业论文 ) 1 第一章 绪论 连铸即为连续铸钢（英文， 简称。在钢铁厂生产各类钢铁产品过程中，使用钢水凝固成型有两种方法：传统的模铸法和连续铸钢法。而在二十世纪五十年代在欧美国家出现的连铸技术是一项把钢水直接浇注成形的先进技术。 与传统方法相比，连铸技术具有大幅提高金属收得率和铸坯质量，节约能源等显著优势。 连续铸钢的具体流程为：钢水不断地通过水冷结晶器，凝成硬壳后从结晶器下方出口连续拉出，经喷水冷却，全部凝固后切成坯料的铸造工艺过程。 从上世纪八十年代，连铸技术作为主导技术逐步完善，并在世界各地主要产钢国得到大幅应用，到了上世纪九十年代初，世界各主要产钢国已经实现了 90以上的连铸比。中国则在改革开放后才真正开始了对国外连铸技术的消化和移植；到九十年代初中国的连铸比仅为 30。 司作为中国最早的一家民营专业化连 铸技术公司，从 1992 年成立起就致力于中国连铸技术的发展和创新，为推动国内连铸钢铁业的迅速发展，提高国内连铸比贡献自己的一份力量。 铸铁水平连铸课题为国家“七五”攻关项目，铸铁经过水平连铸方法生产的型材，无砂型铸造经常出现的夹渣、缩松等缺陷，其表面平整，铸坯尺寸精度高 (土 L 0需表面粗加工，即可用于加工各种零件。特别是铸铁型材组织致密，灰铸铁型材石墨细小强度高，球铁型材石墨球细小园整，机械性能兼有高强度与高韧性结合的优点。目前国际上铸铁型材已广泛运用到制造液压阀体，高耐压零件，齿轮、轴、柱塞、印 刷机辊轴及纺织机零部件。在汽车、内燃机、液压、机床、纺织、印刷、制冷等行业有广泛用途。 新世纪以来，中国继续保持快速发展连铸的态势， 2007 年连铸坯产量达到 47430 万 t，钢铁工业连铸比已达 随着板、带、管材在钢材消费内蒙古科技大学毕业设计说 明书 (毕业论文 ) 2 结构中的比例大幅上升，数量众多的板坯、方坯、圆坯、异形坯及薄板坯连铸机在新世纪投入生产。这一过程不仅促进了炼钢生产设备的大型化，而且还促进了炼铁生产设备的大型化；同时由于连铸品种质量的稳定提高，高温、无缺陷铸坯技术的发展，使炼钢与轧钢工序通过连铸坯热送热装变 得更为紧凑。在中国，连铸的发展促进了钢铁生产流程的进一步优化。可以说新世纪以来，连铸技术不断推动着中国钢铁工业的快速发展。 1990 年中国连铸坯产量只有 1480 万 t，钢铁工业连铸比为 至2000 年，连铸坯产量达到 t，连铸比达到 在此期间，小方坯连铸发展尤为迅速。 1988 年中国拥有小方坯的流数为 206 流，而至 2000年则增加到 624 流，增幅达 远高于板坯连铸机流数的增幅，这主要取决于我国以长材为主的钢材消费结构。 如果说上 世纪 90 年代，中国连铸发展以小方坯连铸的强劲发展带动全国连铸产量、连铸比及全连铸钢厂的迅速发展为重要特征，那么新世纪以来，中国连铸发展又呈现出更新的特点和丰富的内涵。首先是连铸产量和连铸比继续保持快速增长的态势；其次随着板、带、管钢材消费的增长，板坯、方坯、圆坯、异形坯等多种连铸机数量急剧增加。这期间尤其是薄板坯连铸 论生产规模还是相关技术经济指标，均达到了世界水平；在推进高效化连铸技术的同时，品种、质量得到很大改善和提高。继续遵循“开放引进与自主研发并重”的原则，自主设计、自主制造的国产连铸机的比 例越来越大。连铸坯产量、连铸比的快速增长新世纪以来，中国连铸继续保持快速增长的态势。 20002007 年，中国粗钢产量增加幅度为 而连铸坯产量的增幅为 连铸比在这期间继续保持了高速增长的趋势。至 2007年，中国钢铁工业连铸比已达到 可以说连铸的快速增长仍然是推动钢铁工业发展的技术动力。 新世纪中国连铸发展的另一个重要特征是，连铸机型改变了上世纪以发展小方坯机型为主的趋势，而向多样化发展，尤其是板坯、方坯、圆坯、异型坯、薄板坯等机型的数量增加远远超过小方坯连铸机的增幅。 内蒙古科技大学毕业设计说 明书 (毕业论文 ) 3 按连铸机流数统计，板坯铸机由 2000 年的 78 流增加到 2007 年 237 流，增幅达到 方坯铸机由 378 流增加到 1323 流，增幅达 250%；圆坯铸机由 40 流增加到 173 流，增幅达 异形坯铸机由 3 流增加到 15 流，增幅达 400%；而小方坯流数的增幅为 这充分说明了，中国钢材消费结构发生了巨大变化，即板、带、管材的消费大幅增加，改变了上世纪以长材为主流的钢材消费结构。图 6 示出了 2006 年中国钢材产品结构，另外，1998 年尚未有一台薄板坯连铸机正式投产，但至 2007 年已有 13 条薄板 坯连铸连轧生产线投产，其中薄板坯连铸机的流数为 28 流，发展速度很快。 连铸坯的吨数与总铸坯 (锭 )的吨数之比叫做连铸比，它是衡量一个国家或一个钢铁企业生产发展水平的重要标志之一，也是连铸设备、工艺、管理以及和连铸有关的各生产环节发展水平的综合体现。 1970 年至 1980 年，世界平均连铸比从 展到 中国的连铸比从 展到 至1990 年，世界和中国的连铸比分别发展到 到 2001 年，又分别发展到 2003 年，中国连铸比达到 右，估计世界平均连铸比 2003 年接近 90。从统计数字可以看出，中国的连铸技术在近 10 多年内得到了迅速发展。 世界上有许多连铸技术实力较强的公司，如西马克德马格、奥钢联、日本 司、达涅利 (包括戴维 )公司等。以板坯连铸机为例，西马克德马格公司从 1962 年至 2001 年新设计和改造板坯连铸机共约 370 台；奥钢联从 1959 年至 2000 年新建和改造板坯连铸机共约 181 台；日本 司截止2001 年新建并改造板坯连铸机共约 150 台；达涅利的戴维公司也设计了 10多台连铸机。 2001 年末，世界上共有各类投产的板坯连铸机约 550 台 800 流(有一些是重复改造的，按估计值未计入 )。 截止到 2002 年底，中国共有 551 台 (1749 流 )连铸机，其中板、方坯连铸机分别为 101 台 (130 流 )、 429 台 (1564 流 )，圆坯、异形坯连铸机分别为20 台 (52 流 )、 1 台 (3 流 )。这些统计中，绝大部分连铸机是立足于中国国内设计制造的。 内蒙古科技大学毕业设计说 明书 (毕业论文 ) 4 我国加入 ，人才、知识、科技与经济的全球化趋势越来越清晰地展现出来。由于历史及其他各方面原因，国外先进技术和管理方式显然具有竞争优势。近几年，我国经 济发展较快，冶金企业投放的技改资金比较大，新上项目很多，连续铸钢项目也较多，但连铸机设备和技术大部分还是靠引进。我国薄板坯连铸连轧已经引进了将近 10 条生产线；从 2000 年开始，我国先后全部引进或引进核心部位设备与技术的常规板坯连铸机共有 24 台 27流，还有继续引进的趋势；中薄板坯连铸机、异型坯连铸机全部引进；大方坯连铸机也有引进的倾向。其原因主要是我国连铸技术与国外先进水平还存在一定差距。 图为某连铸机原振动系统，从整体上看传动环节太多，从局部上看则结构环节过多。动力由电 机传至外弧左偏心轮轴要经过减速机、联轴器、传动轴等 7 个环节，仅联轴器就用了 4 套。而运动传至内弧偏心则还要多一个环节。从局部看，为了实现振动机构振幅可调，在机构中增加了偏心套。从偏心轴至振动台需经过偏心轴、偏心套、轴承、连杆以及关节轴承等环节。由此可见，该振动装置的振动系统环节太多。 图 1 某连铸机原振动系 统 振动系统环节过多造成振动不稳定的原因可归结如下： 内蒙古科技大学毕业设计说 明书 (毕业论文 ) 5 (1)环节过多使系统刚度降低，从而导致系统固有频率降低。 (2)环节过多导致振动台四点振幅及相位误差增大。 (3)增加了系统存在间隙的机会。 所以我们在设计连铸机振动系统时应尽量避免以上问题的发生。 内蒙古科技大学毕业设计说 明书 (毕业论文 ) 6 第二章 结晶器振动技术 最初的连铸机结晶器是静止不动的，在拉坯的过程中坯壳很容易与结晶器内壁产生粘结，从而出现坯壳“拉不动”或拉漏钢水的事故发生。因此，静止不动的 结晶器限制了连铸生产的工业化发展。直到 1933年现代连铸的奠基人一德国的西格弗里德容汉斯开发了结晶器振动装置，并成功地将它应用于有色金属黄铜的连铸。 1949年 S容汉斯的合伙人美国的艾尔文罗西 (获得了容汉斯结晶器振动技术专利的使用权，并首次在美国约阿勒德隆钢公司厂的一台方坯连铸试验机上采用了振动结晶器。与此同时，容汉斯振动结晶器又被西德曼内斯 (司胡金根厂的一台连续铸钢试验连铸机上成功应用结晶器振动技术在这两台连铸机上的成功应用，为结晶器振动 技术的广泛应用打下了坚实的基础。 在连铸技术的发展过程中，只有采用了结晶器振动装置后，连铸才能成功。结晶器振动的目的是防止拉坯坯壳与结晶器粘结，同时获得良好的铸坯表面，因而结晶器向上运动时，减少新生的坯壳与铜壁产生粘结，以防止坯壳受到较大的应力，使铸坯表面出现裂纹 ;而当结晶器向下运动时，借助摩擦，在坯壳上施加一定的压力，愈合结晶器上升时拉出的裂痕，这就要求向下的运动速度大于拉坯速度，形成负滑脱。 机械振动的振动装置由直流电动机驱动，通过万向联轴器，分两端传动两个蜗轮 减速机，其中一端装有可调节轴套，蜗轮减速机后面再通过万向联轴器，连接两个滚动轴承支持的偏心轴，在每个偏心轮处装有带滚动轴承的曲柄，并通过带橡胶轴承的振动连杆支撑振动台，产生振动。 在新型连铸生产工艺中，采用带有数字波形发生器的结晶器电液伺服振动控制是保证连铸生产质量的关键技术之一。国外的应用情况表明，采用连铸结晶器非正弦伺服振动，能够有效地减少铸坯与结晶器间的摩擦力，从而防止坯壳与结晶器粘结而被拉裂，减小铸坯振痕，提高铸坯质量川一 9l。带有数字波形发生器的结晶器电液伺服振动控制装置和传统的结晶器振动 装置相比，可以方便地实现多种波形振动、实现连铸过程监督和实时显内蒙古科技大学毕业设计说 明书 (毕业论文 ) 7 示振动波形，并能在线修改非振动方式及振动频率和幅值等参数，实现控制过程的平稳过度。 结晶器振动技术的发展过程来看，结晶器振动技术先后经历了矩形速度规律、梯形速度规律值到目前应用最广泛的正弦振动规律以及近几年更为先进的非正弦振动规律。 结晶器振动速度随时间的变化规律即为结晶器振动规律，结晶器振动规律是结晶器振动技术中最基本的内容。因为从结晶器振动技术发展的历史过程来看，每当结晶器采用了一种新的振动规律时，新的振动 规律都较过去的振动规律更为合理，而且都对铸坯的连续浇注、铸坯的表面质量及拉坯速度的提高产生了重大的影响。 (1)矩形速度规律 从结晶器振动技术发展历史来看，矩形速度规律是最早出现的一种结晶器振动方式，如图 2所示即为它速度变化规律 3。矩形速度规律的主要特点是 :结晶器在向下振动时与拉坯速度相同，即结晶器与铸坯做同步运动，然后结晶器又以 3倍的拉坯速度向上运动。其表达式如下： 式中： f 结晶器 振动频率 振幅 mm 拉坯速度 mm/ 2形振动规律 内蒙古科技大学毕业设计说 明书 (毕业论文 ) 8 生产实践证明，矩形振动方式对铸坯的脱模是有效的，相比静止不动的结晶器，这种振动方式大大提高了铸坯的表面质量，提高了连铸的生产效率，在早期得到广泛应用。但此种振动方式的存在的缺点是 :该振动规律的实现是用凸轮来实现的，但是凸轮的加工制造比较麻烦 ;为了保证结晶器与 铸坯之间速度严格的同步运动，结晶器振动机构与拉坯机构之间要实行严格的电器连锁 ;结晶器振动速度在上升和下降时的转折点处变化很大，其加速度在理论上等于无穷大。虽然凸轮曲线在上升和下降之间有过渡连接曲线使结晶器振动的加速度达不到无穷大，但是仍然很大。过大加速度对铸坯的表面质量和振动系统的正常运转都是不利的，将对设备产生强大的冲击，因而也不能采用高频率振动方式。 (2)梯形速度规律 梯形速度规律是在矩形速度规律的基础上进行了一些改进，如图 2所示即为梯形速度变化规律。梯形速度规律的主要特点是 :结晶器在 向下振动的过程中有一段较长时间其速度略大于铸坯的拉坯速速，即现在所称的“负滑动运动”。负滑动运动可以在坯壳中产生压应力，可以使结晶器里已经断裂的坯壳被压合，并且能够使粘结在结晶器内壁上的坯壳强制脱模 ;从图 可以看出结晶器振动速度在上升和下降的转折点处，变化比较缓和，这将有利于提高结晶器振动的平稳性。 生产实践证明，梯形速度规律是一种相对比较好的振动规律，因此这种振动规律被使用了许多年。后来才被更为合理的正弦振动规律所取代。 (3)正弦速度规律 正弦速度规律如图 2正弦速度与余弦 速度相同 )。之所以选择正弦规律的主要原因有两个 :一是正弦速度规律打破了前两种速度振动规律结晶器和铸坯之间有一定的速度关系的框架，重点发挥结晶器的脱模作用 ;二是速度规律的实现用偏心轮取代了之前使用的凸轮。 图 2弦和非正弦振动规律 内蒙古科技大学毕业设计说 明书 (毕业论文 ) 9 结晶器振动的正弦速度规律曲线的数学表达式为： m 602s 式中 结晶器运动的速度 m/h 振动冲程 （俩倍振幅） mm f 振动频率 1/图 2 1)结晶器与铸坯之间没有同步运动阶段，但结晶器仍然有一小段负滑动运动，这有利于拉裂坯壳的“愈合”和粘结坯壳的脱模。 2)由于结晶器振动速度是按正弦曲线变化，其加速度就是按照余弦曲线变化的。因此速度与加速度的变化都很平稳，这也使结晶器的振动很平稳。 3)由于结晶器振动的加速度较小，因此可以采用较高频率的振动，这有利于消除坯壳
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