（机械制造及其自动化专业论文）铝锭连铸机的输送链稳定性分析.pdf

硕士学位论文 摘要 电解铝行业重熔铝锭的铸造绝大多数都采取连续铸造的方法，1 6 t h 铝锭连铸 机就是专门用于普通重熔铝锭连续铸造的自动化生产线。该设备生产的铝锭表面 存在比较明显的“水波纹 现象，影响铝锭的表面质量。 本文针对铝锭表面的“水波纹”问题，从输送链运行平稳性入手，采用数学建 模和动力学分析方法，通过对铸锭机输送链运行平稳性的分析，得出链的多边形 效应、滚轮摩擦力的变化是影响输送链运行平稳性的主要因素，对找出的主要因 素提出一些改进方法或意见，为提高输送链运行平稳性提供了理论依据。本文主 要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 考虑链的多边形效应和附加动载荷，对输送链紧边进行受力分析，找出 影响输送链受力变化的主要因素： ( 2 ) 建立紧边输送链的动力学模型，对其进行动力学分析，得出输送链系统 的临界速度，并找出其影响因素； ( 3 ) 分析电机的脉动转矩、脱模和打印机构的冲击载荷对输送链平稳性的影 响； ( 4 ) 对影响输送链运行平稳性的主要因素提出一些改进方法或意见。 关键词：铝锭；连续铸造机；铸模；水波纹；平稳性；振动 a 山s t r a c t t h ev a s tm a j 。r i t y 。ft h ee l e c t r 。1 y t i c “u m i n u m i n d u s t r i e s m e l 。i n g a l u m m ：l m i n 9 0 t sc a s t i n g h a st a k e n t h ec 。n t i n u o u sc a s t i n gm e t h o d t h “6 “n o n n 眦? u 8 竺g m i c h i n eism ea u t 。m a t e dp r 。d u c t i 。n 1 i n et h a td e v o t e t 0c a s m eg e n 盯? 1 ? n 1 i | g a l u m i n u mi n g 。t s t h e r ei s 。b v i 。u s ”w a t e rr i p p l e ”p h e n 。m e n 。n 。fa l u m i ：l u ? 1 i ：g 。s p r 。d u c t e db yt h ee q u i p m e n t ，t h a t a f 诧c t e dt h eq u a l i t y 。ft h es u r f a c e 。fa l u m l n u m 。i nt h i sp a p e r ，t 。t h ep r o b l e mo ft h e w a t c rr i p p l c 0 n a l u m i n u mi n 9 0 l s s u ，? e s t a r tf r 。mr u n n i n gs m 。t h n e s s 。ft h ec 。n v e y e rc h a i n ，u s i n g m a t h e m a t i c a lm 。d 三1 ：g a n dd y n a m i ca n a l y s i sw a y ，t h r o u g ht h ea n a l y s i s 0 ft h en l n n i n gs m o o t 鼍n t s s 。乏：三e c o n v e e r c h a i n 。ni n 9 0 t - c a s t i n gm a c h i n e ，缸d o u t t h e p 0 1 y 9 0 ne f f e c t0 fc h a j n a n 竺e w h e e l ：sf r i c t i o nc h a n g i n ga r et h em a i nf a c t 。r s a f 诧c tt h er u n n i n gs m 0 0 t h n e s so t i ：e c 。n v e y e rc h a i n ，t a k es o m ei m p r 。v e m e n tw a y 0 ra d v i c ef o rm em a i nf a c t o r 豇p r ( ：v ? e t h et h e o r e t i c a lb a s i sf o re n h a n c i n gt h er u n n i n gs m o o m n e s s o ft h ec o n v e y e rc h a l n t b j sd a d e r ，ss t u d yi n c l u d et h ef 0 1 1 0 w i n g a s p e c t s ： ( ：话o n s i d e rt h ep o l y g 。ne f f c c ta n d a d d i t i o 彻l d y n 撇i cl o a d ，a n a l y s 懿 m c t o r c c o ft 二e 。t i g h ts i d e ，i d e n t i f yt h em a i n f a c t 。r sa f f e c t e dt h ef o r c e - c h a n g i n g “t h e c 。n v c y c r c h a i n ； ( 2 ) e s t a b l i s ht h ed ) ，i l 锄i c m o d e lo ft i g h t c o n v e y e rc h a i n ，a n dd o t h ed y l l 锄i c a n a l y s i s ，s e e ko u tt h ec r i t i c a l s p e e do ft h ec o n v e y e rc h a i ns y s t e m ，a n di d e n t i f y i t s 砷p 黑之：纛0 t o r t o r q u e 咖l e ，t h ei m p a c t l 。a d 。f s t r i p p i n g a n d p r i n t i n g ( 3 ) a n a l y s e sm o t o rt o r q u er i p p l e ，t h e 1 m p a c t1 0 a q 0 1 s u l p i ，儿1 与4 “”r 一。 a g 鼍景竺竺们= 篡竺三= 罴= ：瓮袖甜撇。m e ( 4 ) t a k es o m ei m p r o v e m e n tw a y o ra d v l c ei o r 【i l e1 1 1 m 儿1 4 v l 。一 1 1 l n n i n gs m 0 0 t h n e s so f t h ec o n v e y e rc h a i n k e yw 。r d s ：a l u m i n i 啪i n 9 0 t ；t h e c 。n t i n u 。u sc a s t i n gm a c h i n e ；c a s t i n g 。m 。l d ；w ，a t e r r i p p l e ；s m o o t h n e s s ；v i b r a t i o n 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作：嗣乞分啸垆毛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：阀舍重日期：册名月。日 导师签名：渤l 嗍加年6 月，讶 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景、意义 铝( a 1 ) 是最重要的轻金属。具有特殊的化学、物理特性，不仅重量轻，质 地坚，而且具有很多特殊物理性质，其化合物在自然界中分布极广，在金属品种 中，仅次于钢铁，为第二大类金属。铝及铝合金是需求量大、应用面广的基础材 料，广泛用于航天航空、军工、交通运输、民用建筑、电子、电力等领域。 随着我国国民经济持续健康快速的发展，相关行业对铝这一重要原材料的需 求量日益加大，促进了铝工业的快速发展。根据中国有色金属工业协会的资料， 中国电解铝产量逐年持续增长，2 0 0 3 年电解铝产量达到5 5 6 万吨，2 0 0 4 年产量 6 6 7 万吨，2 0 0 5 年产量7 8 0 万吨，2 0 0 6 年产量9 3 5 万吨。自2 0 0 1 年起我国已经 成为全球最大的原铝生产国【2 】。为了满足国民经济快速发展对铝需求量的不断增 加这一要求，也为了提高我国铝工业的国际竞争力，加快发展和研制先进的铝生 产设备是当前铝工业的重要任务。 铝锭连续铸造机组是专门用于普通重熔用铝锭连续铸造的自动化生产线，是 有色工业电解铝生产中的关键设备。上世纪8 0 年代，昆明重型机器厂和贵阳铝镁 设计研究院引进日本三菱公司铝锭连续铸造机的生产技术，并组织设计院、国内 设备制造厂进行联合攻关，消化吸收关键设备的制造技术，并率先在国内研发同 类装备，研制了2 0 k g 铝锭连续铸造机组，并逐步实现了国产化，在一定程度上缓 解了我国铝工业装备相对落后的矛盾。目前，国内大部铝厂装配的1 6 t h 铝锭连 铸机就是8 0 年代国外连铸机的改进型。随着电解铝行业对铝锭连铸机这一关键设 备在性能、生产效率方面要求的不断提高，研究和开发铝锭连铸机的队伍也在不 断壮大，而且也取得了一些突破。比如兰州理工大学近年来专注于铝锭连铸机的 研制，从最初研制的5 t h 、1 6 t h 铝锭连铸机，到现在研制成功的2 2 t h 新型连 铸机，在机组的性能和生产效率的提高方面都取得了巨大的成绩。但是由于长期 以来缺乏对引进技术的进一步消化、吸收、提升和再创新，致使连铸机国产化进 程中一些关键性的技术难题未能得到很好地解决，比如机组的可靠性，传动系统 的平稳性等。目前国外一些国家电解铝厂已经配备2 8 t h 连铸机，而且生产出来 的铝锭表面基本没有明显的“水波纹。所以，目前我国自主研制的铝锭连铸机在 生产效率和机组性能方面与国外的相比还是有一定的差距。目前，国内研制的铝 锭连铸机生产出来的铝锭表面存在比较明显的“水波纹”，影响铝锭质量，造成了 波纹大的铝锭的回炉烧损，也降低了生产效率。铝锭在储存和运输过程中，尘土 铝锭铸造机“水波纹”问题的分析 和水很容易积存于裂纹中而不易清除，在重熔过程中会污染铝液，降低金属铝的 纯度和纯净度。 因此，如何减少和消除铝锭表面的“水波纹 ，是目前国内自行研发和生产的 铝锭铸造机亟待解决的关键问题之一【3 】。解决铝锭表面水波纹问题，有助于获得 高质量表面的铝锭，提升成品品质，增强企业的竞争力；有助于提高我国现有1 6 t h 大型铝锭连续浇铸机的技术性能，缩小与国外铸机的技术差距，提高国产铸造机 组的市场竞争力，扭转我国铝锭连铸生产线有可能重新依赖进口的不利局面，同 时有助于更大产能的铸造机组的研制。 本文拟对铝锭表面的“水波纹 现象进行深入分析，探寻“水波纹 现象的 成因，对部分主要因素提出一定改进，为解决“水波纹 现象做出点滴贡献。 1 2 “水波纹”现象及其研究状况 1 2 1 “水波纹”现象 铝锭质量分为三方面：化学成分、外观质量及锭重锭形。这三者中间，化学 成分的含量直接决定了铝锭的相应品级( 牌号) ，它通过在混合炉中经过净化、澄 清等工艺过程来保证，不在本文中讨论。而锭形由铝锭模确定，锭重则通过控制 模中铝液深浅程度，准确地调整液流，凭经验不断修正偏差实现h 1 。实际上，用 户在指定相应牌号的铝锭后，电解铝厂更为关注的是铝锭铸造过程的质量，即以 表面“水波纹 为代表的外观质量。这是因为，随着近年来电解铝行业的持续高 速发展，竞争已高度市场化，用户对铝锭外观质量要求极为严格，因此，研究影 响铝锭表面波纹的有关原因，直接关系到消减表面波纹的技术手段，对国内诸多 电解铝厂有着极大的现实意义。 铝锭常见的缺陷有：气孑l 、夹渣、飞边、裂纹、波纹哺1 。 气孔是由于浇铸温度过高，铝液中气体含量较大，在铝锭凝固过程中析出的 气泡来不及排除，在铸锭内形成的圆形或椭圆形的球形小洞。表面气孔( 针孔) 多， 会使表面发暗，严重时产生热裂纹。 夹渣是由于铝液净化处理不干净，或者是浇铸工艺控制不当，使金属液体中 的熔渣或铸模上的杂质凝固在铸锭上，但这些熔渣或杂质既不可能和金属液体中 的元素形成金属间化合物，也不能溶解于基体金属固溶体中，因此称之为夹渣。 飞边，主要是操作不精细，放出铝液流时冲击过猛，使铝液冲出铸模外边凝 固而成；或扒扎时渣铲的速度过快，将铝液带出铸模外而凝固。 冷裂纹主要是浇铸温度过低，致使铝锭结晶不致密，造成疏松甚至裂纹。热 裂纹则由浇铸温度偏高引起。 2 硕士学位论文 波纹，一般认为是由铸造机组运行不稳定所致。当然，偶然因素产生的严重 波纹只要及时检修还是易于处理的。如轨道上有凝固铝或有铝锭卡住，都会引起 铸造机振动，使未凝固的铝锭表面产生波纹。轻微的波纹是不可避免的，对铸锭 的质量并不影响，是允许的。 通过以上分析，铝锭表面缺陷的产生可分为三方面： 一一铸造温度不合适造成的缺陷，如气孔、裂纹，这类问题在新建厂投产之 初经常存在，重熔用铝锭在铸锭过程中最重要的技术条件就是浇铸温度，在浇铸 过程中必须严格控制浇铸温度，一般在6 8 0 7 2 0 ，高于铝液凝固温度3 0 5 0 。 一一操作不当造成的缺陷，如夹渣、飞边，这类问题则经过严格管理完全可 以避免。 一一铸造机组设计、制造、原理方面的缺陷造成的铝锭缺陷，如波纹，则需 对铸造机组进行研究改进，也是本文主要研究的内容。 常见的铝锭表面波纹有同心圆状、泡状和两端沟槽状3 种状态1 。 ( a )( b )( c ) 图1 1 铝锭表面波纹形态 同心圆状的水波纹是液态铝通过分配器进入铝锭模冷却凝固后形成的，它是 在铝锭表面上以某一处为中心，以波纹状向四面扩散的形状。 泡状水波纹是液态铝冷却成型后，在铝锭表面形成的凸起或浮块状波纹，这种 波纹形成后，使铝锭表面凹凸不平，从截面看，有时会形成夹层。 两端沟槽状波纹是铸模内的液态铝在冷却过程中由于铸模振动，使成型后的 铝锭表面出现波纹，其形态是在铝锭表面形成较深的沟槽状波纹，并且中间最深， 两端较浅。 通常这3 种波纹相互交织，共同存在。其中第3 种波纹对外观质量影响最大，也 是本文研究的问题。 1 2 2 国内“水波纹”问题的研究概况 目前国内铝厂应用的铸造机大体上有1 6 t h 、2 0 t h 、2 2 t h 铝锭铸造机组三种 规格。在实际的应用中，普遍都存在铝锭表面“水波纹 大的问题。2 0 世纪8 0 年 3 铝锭铸造机“水波纹”问题的分析 代，日本以及其他发达国家的有色金属连续铸造实际上也正处于初级发展阶段， 更偏向于追求连铸机的生产效率上，所以在设计和制造上对于铸造产品的质量并 没有给予很高的重视。而我们国家在当时引进日本全套预焙阳极电解铝厂装备， 实际上目的也是在于追求铝锭连续铸造机的生产效率和更高的自动化程度，在引 进日本铝锭连铸机以前，国内铝厂使用的连续式铝锭铸造机生产的铝锭表面“水 波纹”相对是比较小的，但最大的缺陷是速度太慢，产能一般才3 6 8 t h ，这样 的产能远不能满足当时铝行业的需求，也严重制约了相关行业的发展。在引进日 本的连铸机以后，国内学者、相关企业也对其进行充分的研究和消化吸收，从而 实现了1 6 t h 铝锭连铸机的国产化，但是在这个引进一吸收一消化的过程，对于铝 锭表面“水波纹 大的问题一直没有得到有效地改善和解决方法。目前国产的铝 锭连铸机生产的铝锭表面“水波纹 现象仍然比较明显，和国外的瑞士麦茨高奇、 加拿大奥托昆普等厂家的铝锭连续铸造机相比，无论是生产效率还是产品质量都 存在较大的差距。 在国内，对于铝锭表面“水波纹 大的问题一直没有给予透彻的分析和深入 的研究。只有一些铝锭铸造机的设计和研发人员对该问题有些初步的定性分析和 研究，这些研究基本上是从设计、制造、安装以及操作环节入手，对产生“水波 纹现象的原因进行了分析。对研究该问题的相关文献总结如下： 一、同心圆状水波纹产生的主要原因是：液态铝在浇铸时，含有少量的废渣。 废渣的来源主要有几个方面：1 ) 工艺残留。液态铝经溜槽流向分配器，为了防止 液态铝粘接在槽道内壁，生产上采用将滑石粉涂抹在槽道内壁，使液态铝在滑石 粉铺成的槽道内流动，部分滑石粉末无法避免地随铝液进入铝锭模腔。2 ) 氧化渣 积聚。由于溜槽经常积聚大量的氧化渣，它随着铝液流入铸模内，未及时扒出就 凝固从而造成积渣。产生大量氧化膜积渣的原因，一是炉子铝液流出口过小，使 高压铝液流速过大，容易冲破包裹铝液流的氧化膜所至；二是铝液温度过低，使 铝液和渣子分离不清；三是炉子流出口不规则或周围有结渣造成铝液分成数小股 流出，使铝液氧化面积增大；四是液流落差过大，氧化膜经常被冲破。另外液态 铝在保温炉内高温下二次氧化和保温炉除渣不干净，也是产生渣滓的原因之一。 二、泡状水波纹产生的原因：刚开始浇铸时，铸模温度较低，液态铝进入铸模 后温度迅速升高，这时若急冷铸模，会对铸模产生较大的破坏。在实际生产中， 铝液在浇铸时由于采用上表面直接空气冷却，其它表面间接水冷却的方式使铝液 凝固，这样，铝在结晶温度6 6 0 左右，还处于半凝固状态，因水和铝温差很大， 铝锭表层因水冷却而凝固，由于铸模内残留水分，高温铝液注入铸模后必然产生水 蒸汽，在铝液凝固过程中气体从内部逸出到表面起泡而形成泡状水波纹。另外从 保温炉中流出的铝水含氢量较大，在铝水凝固过程中大量氢气体逸出形成气泡， 4 硕士学位论文 这样也会使铝锭表面形成泡状水波纹。 三、两端沟槽状水波纹产生的原因：1 ) 设计环节。输送链的多边形效应造成 的运行不平稳对铝锭表面质量存在影响；铸造机机架的刚度对水波纹产生也能造 成影响；脱模机构和打印机的冲击和振动对水波纹也有一定的影响：铸模形状、 脱模剂、冷却速度对水波纹都存在一定的影响。2 ) 制造安装环节。链条、链轮、 导轨的制造和安装精度对铸造机的振动、运行都有一定的影响，从而影响铝锭表 面“水波纹 哺 1 引。 国内相关专业的人士对铝锭表面3 种波纹产生的原因进行了分析研究，这些 研究定性地找出了影响“水波纹”产生的因素，对改善铝锭表面“水波纹”现象 有一定的帮助。但是这些研究基本上是从直观现象中入手所做的定性分析。只对 “水波纹”的成因做了概述性的讨论，而对于各个因素具体如何影响“水波纹 并没有进行深入研究，因此没有能够真正找出影响“水波纹”的主要因素以及这 些因素的影响方式和主次，致使“水波纹 问题依然没有得到彻底和有效的解决。 1 2 3 国外“水波纹”问题的研究概况 连续浇铸是一项把金属液直接铸成坯锭的工艺。铝锭连铸就是把铝液直接铸 成铝锭的工艺。近几十年来，连续浇铸工艺己经成为有色金属冶炼过程中广泛采 用的一种先进工艺，是有色金属生产的一次重大变革。1 9 4 3 年，德国人容汉斯 ( j u n g h a n s ) 建成第一台连铸机，并采用了结晶器水冷、结晶器振动、浸入式水口 和结晶器加保护渣等技术n4 1 。1 9 7 0 年，亨特法连续铸造技术n 朝的提高了铸造速度， 纯铝为1 1 5 m m i n 、合金为o 6 0 9 m m i n 。进入2 0 世纪9 0 年代，铝板坯连续铸 轧技术取得重大发展，主要体现在：铸轧速度大为提高、铝熔体凝固速度大大加 快；实现了更大程度上的自动化n6 。1 9 5 1 年法国的c h a n l e sa r m a n d 和p u a la n 9 1 e y s 获得了水平连续铸造铝锭的专利权。水平连续铸锭技术的特点是：铸造过程可完 全连续，生产效率高；凝固过程主要靠水冷，所以减少了表面偏析；铸锭的铸造 长度可以随意控制n 7 叫9 1 。随着电解铝行业的发展，重熔用铝锭的连续铸造技术应 然而生。2 0 世纪6 0 年代，前苏联和日本等国家研制了铝锭连续铸造机，最初的铝 锭连续铸造机生产效率比较低乜叫乜，一般为4 6 t h 。 经济的发展促使工业用铝量的不断增加，铝锭连铸机向高速、高稳定性方向 发展迫在眉睫。如何提高铝锭连铸机的生产效率成了当时的铝锭连铸机研制要解 决的第一问题。1 2t h 、1 6t h 铝锭连铸机的研制成功大大提高了机组的生产效 率。但是由于效率的提高，要求机组各个环节的运行速度加快、机组的自动化程度 提高。机组运行速度和自动化的程度提高却带来了新的问题一铝锭表面出现明显 的“水波纹”现象。由于运行速度很慢，最初5t h 铝锭半自动铸造机铸造的铝锭 5 铝锭铸造机“水波纹”问题的分析 表面基本没有“水波纹 。为了解决“水波纹 问题，研究人员采用定性研究和 对比试验的方法。主要从改善控制方法和改进结构方面着手，以提高输送链系统 的运行平稳性来解决铝锭表面的“水波纹”问题。日本将交流变频调速技术应用 于铝铸造机，它具有变频装置体积小，控制线路简单，保护功能齐全，调节范围 宽，精度高，速度稳定，线速度数码显示直观，调节方便等优点心2 2 3 1 ，大大提高 了输送链的运行平稳性。瑞士研制的铝锭连铸机使用脉冲数作为参量进行铝锭长 度计算和铸造速度计算，有效地解决了铸造出的铝锭长度出现的随机偏差和铸造 速度不稳定等主要问题乜4 26 1 ，在一定程度上提高了输送链运行的平稳性。瑞士麦 茨高慈铝业有限公司开发的铝锭连铸机，采用了新型的输送链结构，对滚轮做了 特殊的改进，使得输送链平稳性得到大幅提高，目前瑞士研制的最新的2 8 t h 铝锭 连铸机已经在很大程度上减少了铝锭表面的“水波纹。通过使用液压系统和p l c 控制系统来提高铸锭机控制的准确性，一定程度上也提高了铸锭机系统的动态稳 定性。 对于铝锭表面“水波纹”问题，国内外一直都没有系统的研究，都只是通过 定性分析和经验判断的方法来认识和发现产生“水波纹 的因素，然后对某些因 素进行结构设计方面的改进，以到达减小“水波纹 的目的。 1 ：3 研究的内容 国内大部分铝厂现在使用的1 6 t h 铝锭连铸机，虽然经过不断改造，但机组 性能改进不大，铝锭表面“水波纹 现象仍然比较明显。减少和消除铸造机铝锭 表面波纹是国内诸多电解铝厂亟待解决的问题。 对铝锭表面波纹的产生原因进行研究分析，有助于获得高质量表面的铝锭， 提升成品品质，增强企业的竞争力；有助于提高我国现有1 6 t h 大型铝锭连续浇 铸机的技术性能，缩小与国外铸机的技术差距，提高国产铸造机组的市场竞争力， 扭转我国铝锭连铸生产线有可能重新依赖进口的不利局面，同时有助于更大产能 的铸造机组的研制。 本文主要针对铝锭表面的“水波纹 问题，通过对输送链系统建模和动力学 分析，找出影响输送链运行不平稳的主要因素，然后对某些因素提出一定的改进 措施或建议。 6 硕士学位论文 第2 章铝锭连铸机的主要组成及铝锭凝固成型 铝锭的铸造一般采用连续浇铸工艺，也就是把铝液直接浇到模子里，待其冷 却、结晶后脱模成为固体铝锭的过程。铝锭质量的好坏主要就在浇注到冷却成形 这一过程，而且整个铸造工艺，也是以这一过程最为关键。铝锭连铸机就是实现 普通铝锭连续铸造的生产线。铝锭连铸机整体结构如图2 1 所示。 1234 专 乇 卜。兰鞴一耳。 一曲。目已，章。l 。为 辔 严守嗍if1 。l 。li l 。”，1 f 。 h l 一 1 _ it-r i 一 一1 - l l j 1 一铸锭机2 一冷却运输机3 一堆垛机4 一成品运输机 图2 1 铝锭连铸机整体结构图 2 1 铝锭连铸机的主要参数及其构成 2 1 1 1 6 t l l 铝锭连铸机的主要参数 1 6 t h 铝锭连续铸造机是实现普通铝锭、合金锭连续铸造的自动化生产线。金 属铝液自电解槽中抽取出来加入混合炉中经均质除渣后通过溜槽和分配器注入水 平式的铸造机上铸模而凝固成型。铸锭、 堆垛后采用气动打捆机对铝锭进行打捆， 1 主要技术参数： ( 1 ) 产品重量及尺寸 冷却及堆垛等工序全部为自动化操作， 完成铝液到成品的转变。 铝锭重量：2 0 1 5 k g 铝锭尺寸：8 0 5 18 4 8 5 ( l w h ) ( 2 ) 相关部分温度 铝液温度：7 1 0 7 5 0 自铸造机排出时温度：5 0 0 堆垛及成品输送机的温度：6 0 7 铝锭铸造机“水波纹”问题的分析 2 主要尺寸参数： ( 1 ) 机组外形尺寸：4 2 0 0 0 6 3 0 0 4 2 0 0m m ( 2 ) 水平铸锭机外形尺寸：2 1 7 0 0 4 4 3 0 2 6 2 6 ( 3 ) 铸模移动速度：v = 3 8 3 m m i n ( 4 ) 溜槽浇铸点高度：1 5 5 0m m ( 5 ) 溜槽流动能力：1 6 t h ( 6 ) 供电电压：3 8 0 v 总用量：3 8 k w 2 1 21 6 t h 铝锭连铸机的主要结构及功能描述 1 6 t h 铝锭连铸机为固定式设备，从混合炉中流出的铝液经出铝溜槽和浇铸溜 槽流入分配器，从而使铝水均匀的注入安装在水平链式铸锭机的铸模内。对铸模 的底部进行水浴冷却，直到使受到间接冷却的铝锭内部达到充分冷却而凝固后， 再移到冷却输送机上进行二次直接水冷却。然后把2 0 蚝重的成品锭按规定的排列 形状自动地堆成垛，在成品运输机上用气动打捆机进行打捆，然后入库。 1 机组组成 1 6 讹铝锭连续铸造机组包括：水平铸锭机、打印机构、脱模机构、冷却运输 机、堆垛机、成品输送机以及液压系统、气动系统和电器控制系统等辅助部分。 【1 】水平铸锭机 水平铸锭机是直线连续输送式铸锭机，包括如下主要部分： 铸机分配器：分配器架、分配轮、浇嘴、汽缸等 倾动式船形溜槽 。 铸锭机机架：头尾及中间机架，轨道 铸锭驱动装置、铸锭链张紧装置 铸锭链条及组装好的铝锭模具 冷却水系统 打印装置 过桥、走台等其他部件 【2 】打印机构 在铝锭生产的工艺中，国家标准规定每块铝锭都要求打印生产日期和批号。打 印机构就是专门用于打印生产日期和批号的装置。 【3 】脱模机构 脱模机构实际上就是对铸模产生一个冲击力，使铝锭很快从铸模中脱离的装 置。 硕士学位论文 【4 】冷却运输机 冷却运输机的主要组成： 驱动链轮组、张紧链轮组、中间链轮组 水槽、轨道等 链条、连接件 步进器、信号装置 【5 】堆垛机 堆垛机是一个将冷却运输机送来的铝锭按照事先规定好的程序进行堆垛的 自动化装置。堆垛机的主要组成： 同步翻转装置 拉锭机构 堆垛台、整列机构 移动小车 堆垛夹具及机架等 【6 】成品运输机 成品运输机主要组成： 驱动链轮、张紧链轮 传动装置 链条及附件 信号装置 气动打包机 2 1 6 t h 连铸机关键结构的功能描述 【1 】出铝溜槽 出铝溜槽是为了将从混合炉流出的铝液引向铸造机而设置的，混合炉的出口 处一般设有铝液流量的自动控制装置，为了使铝液在溜槽中能顺利的流动，将溜 槽安装成一定的斜度。 流量调节器：在出铝溜槽出口和船形浇铸溜槽之间设有流量自动调节器，它 是一个浮子杠杆装置。其原理是利用杠杆原理和液体浮力，通过对流量的检测， 自动控制出铝溜槽出口的大小，从而使铝液流量稳定、均匀。 【2 】水平铸锭机 水平铸锭机采用水平鳞板运输机形式，来自出铝溜槽的铝水经船形溜槽和分 配器连续不断的注入铝锭铸造机的铸模内，并使之冷却、凝固而成型。铸模的底 部浸在水中，以达到对铝锭进行间接冷却的目的。铸锭机的组成大致可分为铸模、 运输、冷却、打印、脱模等几部分。输送部分主要部件的参数如下： 9 铝锭铸造机“水波纹”问题的分析 输送链条节距：2 6 5 m m 输送链轮齿数：z = 2 0 链轮节圆直径：巾8 4 7 m m 减速机电机转速：1 4 5 0 印m ( 变频调速) 速比：i = 9 7 8 6 0 【3 】船形浇铸溜槽和回转分配器 船形浇铸溜槽安装在铸造机的机架上，正常工作情况下，铝液流向分配器。 紧急情况下，可在气缸的作用下进行倾翻，使铝液改向，流入铸机侧面的金属容 器内。 回转分配器是一个圆形的金属结构件，通过中心部位设有的轴孑l ，将其架设 在铸造机之上，在铸模的带动下作回转运动。安装与底部框架的支撑销轴和汽缸 连接，使回转分配器可以通过气缸落至铸造位置或者提升至维护位置。当分配器 降至铸造位置时，铸造链通过铸模驱动回转分配器，使分配器的旋转运动与铸造 链条同步，并使铝液连续不断、均匀而又平稳的流入铸模。分配器和浇铸嘴是用 专门的耐磨、耐高温铸铁制成的。 【4 】铸模 铸模被安装在运输机链条的附件上，是一个接受铝液并使其冷却凝固的容器， 它为2 0 k g 铸锭专用模。 铸模材料为铸铁，用钢模浇铸而成，表面光滑，尺寸准确。每个铸模的重量 约为6 8 k g ，每台铸造机用铸模1 6 2 个，总重约1 1 0 t 。 【5 】运输机 运输机是使安装在链条附件上的铸模做平移运动的装置，平移速度可根据铸 造机产能的大小而调整。操作者可以在操作盘上调整电机转速，而从获得在规定 范围内的任意铸造速度。 传动装置为变频减速电机，直接套装在铸造机的驱动轴上。 3 机组的工作程序 ( 1 ) 机组正常情况下的运行顺序：分别接通动力电源和控制电源：打开压缩空 气总管阀门；打开液压系统冷却水阀；启动液压系统，使油泵运转；将打印机选 择手动工作方式，打印臂抬起； ( 2 ) 将铸造机选择手动工作方式，操作铸机运行； ( 3 ) 船形溜槽处于浇注状态；对船形溜槽、回转分配器和铸模进行预热； ( 4 ) 浇铸开始，向铸模内注入铝液后方可打开铸造机及冷却输送机的冷却水 阀，并等到铸造水槽有溢流水后才准按下铸造机内循环冷却水泵的启动按钮； ( 5 ) 将堆垛机选择手动工作方式并调整到初始位置，并按启动检查按钮，待“堆 l o 硕士学位论文 垛启动正常指示灯”亮后调节计数器： ( 6 ) 分别将堆垛机、事故排锭和铸造机选择自动工作方式； ( 7 ) 当铸模中的铝锭通过了打印位置时，将打印机选择为自动工作方式进行打 印； ( 8 ) 堆垛完成后，成品输送机自动运行一个工位； ( 9 ) 用半自动打捆机进行打捆；捆好的铝锭垛及时用叉车运走。 2 2 连续浇铸工艺和铝锭的凝固成型 2 2 1 连续浇注工艺 连续浇铸可分为混合炉浇铸和外铸两种方式。均使用连续铸造机。混合炉浇 铸是将铝液装入混合炉后，由混合炉进行浇铸，主要用于生产重熔用铝锭和铸造 合金。外铸是由抬包直接向铸造机浇铸，主要是在铸造设备不能满足生产，或来 料质量太差不能直接入炉的情况下使用。由于无外加热源，所以要求抬包具有一 定的温度，一般夏季在6 9 0 7 4 0 ，冬季在7 0 0 7 6 0 ，以保证铝锭获得较好的 外观。 混合炉浇铸，首先要经过配料，然后倒人混合炉中，搅拌均匀，再加入熔剂 进行精炼。浇铸合金锭必须澄清3 0 m i n 以上，澄清后扒渣即可浇铸。浇铸时，混 合炉的炉眼对准铸造机的第二、第三个铸模，这样可保证液流发生变化和换模时 有一定的机动性。炉眼和铸造机用流槽联接，流槽短一些较好，这样可以减少铝 的氧化，避免造成涡旋和飞溅，铸造机停用4 8 h 以上时，重新启动前，要将铸模 预热4 h 。铝液经流槽流入铸模中，用铁铲将铝液表面的氧化膜除去，称为扒渣。 流满一模后，将流槽移向下一个铸模，铸造机是连续前进的。铸模依次前进，铝 液逐渐冷却，到达铸造机中部时铝液已经凝固成铝锭，由打印机打上熔炼号。当 铝锭到达铸造机顶端时，已经完全凝固成铝锭，此时铸模翻转，经过脱模机构， 铝锭脱模而出，落在自动接锭装置上，由堆垛机自动堆垛、打捆即成为成品铝锭。 铸造机由喷水冷却，但必须在铸造机开动转满一圈后方可给水。每吨铝液大约消 耗8 1 0 t 水，夏季有时还需附吹风进行表面冷却。铸锭属于平模浇铸，铝液的凝 固方向是自下而上的，上部中间最后凝固，留下一条沟形缩陷。铝锭各部位的凝 固时间和条件不尽相同，因而其化学成分也将各异，但其整体上是符合标准的。 2 2 2 铝锭的凝固成型 液态成形是将液态金属浇入铸型后，经凝固和冷却后获得具有一定形状和性 能的铸件和铸锭的加工方法。液态金属具有流动性、粘性、表面张力等特性，这 也决定了金属液体凝固成型后成为金属坯锭的质量和相关特性乜7 1 。 铝锭铸造机“水波纹”问题的分析 铝锭铸造机的的铸锭环节其原理实际上就是铝液的液态成型过程。铝液从溜 槽流出，按规定浇注满铸模。因为铝液本身的流动性，使得铝液在浇注的过程中， 就自动充满整个铸模型腔。铝液充满铸模后，接下来就开始冷却凝固了，铝液的 凝固阶段是自然冷却的，然后进行二次直接水冷却。铸锭属于平模浇铸，铝液的 凝固方向是自下而上的，自外向内的，上部中间部分最后凝固。铝液充满铸模后， 最先凝固的铝液就已经形成了凝固层。在连续铸锭过程中，铝液的浇注和凝固是 同时连续进行的，铝锭的凝固在连续运行的铸模内完成。在凝固过程中，如果铸 模作匀速运动，铝锭凝固层的固液界面在空间的位置保持不动。如果铸模做变速 运动，铝液、凝固层和铸模之间产生相对运动。 铸模固定在输送链上。假设某时刻气输送链以速度v ( 乙) 向前运行。则铸模与 已经凝固的铝液层同样以速度v ( f o ) 运行。设气之后的时刻，输送链的速度为v ( ) ， 因为输送链运行的不平稳性，若v ( 气) v ( ) ，则当 ，( 气) ，( ) 时，未凝固的铝液由 于惯性，会有一个向前的加速度口i ，使得铝液向前晃动；当“f o ) ，( ) 时，未凝固 的铝液由于惯性，会有一个向后的加速度硝，使得铝液向后晃动。当口l ：塑丛型 一气 越大时，铝液晃动就越剧烈。 所以研究铝锭表面产生的“水波纹 ，关键就是研究铝液在凝固过程期间铸模 的稳定性。铸造过程中，铝锭表面出现“水波纹 或其他缺陷，都是在铝锭的凝 固过程中形成的。在铝锭未完成凝固之前，铸模运行的不平稳会造成铸模内铝液 的晃动。 由于输送链( 铸模) 运行的不平稳性，引起铝液的整体或局部晃动是铝锭表 面产生“水波纹的直接原因。本文将从输送链运行平稳性角度研究铝锭连铸机 的“水波纹 问题。 2 3 本章小结 本章介绍了1 6 t h 铝锭连铸机的主要结构以及功能；分析了输送链运行的不 平稳性是产生铝锭表面“水波纹 的直接原因。 1 2 硕士学位论文 第3 章输送链系统运行稳定性分析 两端沟槽状水波纹是本文要研究的水波纹，这类水波纹产生的主要原因是由 于铸模的运行不平稳和铸模的振动。因为铸模是固定在输送链上的，所以铸模运 行的不平稳，实际上是由于输送链运行的不平稳性引起的。 因此分析铸模运行的平稳性实际上就是研究输送链运行的平稳性情况。本文 研究的输送链采用的是滚子链，链条水平布置，链条的滚轮安装在链的外侧，滚 轮以导轨为依托，铸模固联在两排平行链上，布置如图3 1 所示。 6 543 2 1 屯 参| lf lj l参 ， 竺c ， 、 ll 工； i 謦 、 k r 一、”二、”正 l 一i l kj吣 1 一驱动装置2 一主动链轮3 一链条4 一铸模5 一导轨6 一从动链轮 图3 1 铸造机输送链 3 1 套筒滚子链的理论基础 3 1 1 链条的结构 链条是各种机械上使用十分广泛的基础件之一。滚子链主要由内外链板、销轴、套 筒、滚子五部分组成，本文所研究的输送链使用的滚子链如图3 2 所示，比普通滚子链多 了附件部分( 固定铸模部分和滚轮) 。在连接中，外链板与销轴、内链板与套筒均为过 盈配合，组成牢固的矩形框架构件。靠外链节的销轴插入内链节的套筒内，把一定数量 的内外链节组成的链条，通过接头链节组成封闭状。工作时内外链板间可以相对挠曲， 套筒则绕销轴自由转动。为了减少销轴套筒的磨损，在它们之间应进行润滑。滚子活套 在套筒外面，啮合时滚子沿链轮齿廓滚动，以减少链条与链轮轮齿间的磨损。销轴直径 铝锭铸造机“水波纹”问题的分析 和套筒内径基本尺寸相同，通过控制公差带保证实现间隙配合，以组成内外链节能相对 回转的铰链副。滚轮依托与导轨，与导轨构成转动副。铸模固定在图3 2 所示的结构6 上。 1 导轨2 滚子3 外链板4 销轴5 内链板6 套筒7 铸模 图3 2 铸造机输送链的结构简图 滚子链链条可根据链条的工作条件设计成不同的形状。链条的结构差别主要表现在 三个基本方面： 张力元件 将载荷从前一个铰链副传到下一个铰链副的元件。这种元件一般为链板或链片。张 力元件可根据链条的工作条件设计成不同的形状。为了减轻输送链链板同导轨或托板间 的磨损，链板取直边形。 铰链副 链条啮入和啮出链轮时，使链节间能实现相对自由回转的运动副。为了提高链条强 度和延长使用寿命，铰链副应耐磨损、耐冲击、抗剪切与抗弯曲。对于低速、润滑条件 较差情况下工作的冷运机链条，可将铰链副尺寸加大，即增加接触压面以降低比压来保 证链条必要的磨损寿命。 啮合部位 在链条与链轮间实现载荷传递的部分。啮合部位通常只有铰链与链轮处。是铰链的 外层的滚子同链轮接触，滚子的作用不仅使链条与链轮齿每次啮合时的直接撞击部位不 在同一处，而且滚子与套筒之间贮存的润滑油还起着缓和链条同链轮接触瞬间冲击的作 用。此外，它使链条和链轮间的摩擦性质，从套筒链的滑动摩擦变为滚子链的连滚带滑 性质的摩擦，从而减轻滚子和链轮的磨损2 8 1 。 3 1 2 链轮的结构 链轮由齿圈、轮毂和轮辐三部分组成。输送链的链条与链轮的啮合均属非共轭啮合， 其链条中心线( 中心线指链条拉直时铰链中心的连线) 位置存在着周期性的变化，而且每 1 4 硕士学位论文 个链节与链轮的接触与脱离是在一瞬间完成的。 由于世界各国的工业标准并不统一，滚子链链轮的基准齿形归纳起来可分为两类： 一类是以美国为代表，链轮齿形是由不同半径的三段圆弧组成，通常称三圆弧一直线齿 形。另一类是以德国为代表，其滚刀基准齿形圆弧与齿侧直线齿形组成，用这种滚刀加 工的链轮齿形，通常称作渐开线齿形。冷运机采用的就是三圆弧一直线齿形。 链轮的齿形与齿轮齿形相比，齿廓曲线的几何形状有很大的灵活性。一个设计完善 的链轮齿形必须满足三个方面的要求，即啮合要求、使用要求、工艺性和精度。为了满 足这些要求，链轮齿形的设计必须遵循如下原则： 保证链条顺利地啮入和啮出 按照相对运动原理，链节与链轮地啮入过程可看成啮入链节的前一段铰链已正确就 位，啮入链节将以前者为中心、链节距为半径做转动而啮入链轮。链条铰链在啮入与啮 出时不能与轮齿发生干涉。 具有足够地容纳链条节距伸长的能力 由于链条在工作过程中不可避免地会磨损伸长，因此将使它与轮齿的接触点外移。 链轮齿形的工作区应能保证链节伸长后仍能使链条与轮齿保持正常接触。轮齿齿廓工作 段越长，则能容纳的链条节距伸长量就越多，从而推迟链条工作时掉链的发生，延长由 于磨损而限制的链条工作寿命。 具有合理的作用角 链轮作用角是决定链轮齿形的重要力学和几何参数。作用角越大，围齿区段内有比 较多的轮齿传递链条有效张力，但啮合冲击随之增大，并且容易发生跳齿。 齿廓曲线与链传动的工况相适应 链传动的工况相差很大，齿廓曲线应与它们的工况相适应。对于输送链，由于速度 低，链轮的制造精度允许降低；由于链轮大，可以取跨节距大的齿槽，以便于制造。 有利于啮入和防止因链条跳动而掉链 由于链传动多边形效应的存在，链条在紧边并不是做直线运动，而是在纵向或横向 都存在周期性的振动，为了能充分利用轮齿工作段，防止链条因波动而掉链，在轮齿工 作段外再延伸一段齿顶曲线，齿廓的齿顶曲线形状应有利于链条铰链的啮入和啮出。 3 2 链传动的运动特性及受力分析方法 3 2 1 链传动的多边形效应 1 多边形效应 链传动的运动可视为链绕在多边形轮上的情况。由于链条是刚性链节用销轴 铰接而成，当链绕在链轮上时，链节与链轮啮合区段的链条将曲折成正多边形的 铝锭铸造机“水波纹”问题的分析 一部分( 图3 3 ) 。视链轮为正多边形，其边长相当于链节距p ( 川m ) ，边数相当 于链轮齿数z 。传动时，链轮每转一周，链条转过z p 的长度，当两链轮转速( ，i i l i n ) 分别为q 和哆时，链条的平均速度为： v ：三l 翌竺：三2 翌竺( 3 1 ) 6 0 l o o6 0 1 0 0 平均传动比：江堕：垒 吃毛 ( 3 2 ) 式中q 、一主、从动链轮转速，l i l i n ； 乙、z 2 一主、从动链轮齿数。 实际上，由于链传动的多边形效应，其瞬时链速及瞬时传动比是不断地呈周 期性变化的。 从动轮 a ? y = rnn x 一 料佃 一何 科觚 万( ) 2 ， o ： l o 占 ，_ h 一 d c o sb 动轮 图3 3 链传动原理示惹图 如图3 3 所示，传动时，绕在链轮上的链条，其链节销轴中心b 沿着链轮分 度圆运动。当主动轮以等角速度。回转时，销轴中心b 的速度，即链轮分度圆的 圆周速度为r q 。为了便于说明问题，设传动时链的主动边( 上边) 始终处于 水平位置。这样，1 ，b 可分解为沿着链条方向的分速度v ( 即链速) 和垂直链条方 向的分速度1 ，( 链条上、下抖动速度) ，其值分别为 v = 蜀qc o s ( 3 3 ) v = 尺l 缈ls i n ( 3 4 ) 令一个链节所对的中心角为仍，鲲= 3 6 0 。刁。传动过程中，每一链节从进入 啮合到脱离啮合，角在要的范围内作周期变化，角从一詈变到o ，又从。变