板坯连铸机扇形段辊子的选择与设计.pdf

收稿日期 2010 04 21 修订日期 2010 05 01 作者简介 周保鸿 1975 男 硕士 中冶京诚工程技术有 限公司炼钢工程技术所工程师 板坯连铸机扇形段辊子的选择与设计 周保鸿 中冶京诚工程技术有限公司 北京 100176 摘 要 常规板坯连铸机扇形段辊子装配按其结构可分为整体辊 芯轴结构辊子 分段组合辊 子 本文通过对这几种形式的辊子详细地做了结构分析 受力分析 提出各种辊子的优缺点及适用的 场合 为辊子的设计及选型提供依据 关键词 板坯连铸 扇形段 辊子 设计 中图分类号 TF777 文献标识码 A 文章编号 1001 196X 2010 S1 0208 04 Selectionseg ment roller design 1 前言 板坯连铸机依靠辊子把结晶器内形成的具 有一定厚度坯壳的板坯 沿导向段将铸坯拉 出 坯子表面质量及内部质量的好坏与铸坯导 向段的设计有直接关系 铸坯导向段在结晶器 和出坯辊道之间 主要由结晶器足辊 弯曲 段 弧形扇形段 矫直水平段等组成 这些段 上支承铸坯的是大量的密排辊子 如韶关松山 四号板坯连铸机 300mm 2 300 mm 铸坯导向 段在线有 102对各种辊子 图 1为其扇形段上 分段辊的典型布置图 提高连铸辊子的使用寿 命是直接影响连铸设备作业率和炼钢生产成本 的一个重要课题 辊子设计的是否合理会直接 影响到铸坯的质量及铸机的使用 以韶关松山 四号板坯连铸机工程设计的实例 对扇形段辊 子结构和受力进行分析比较 并提出在扇形段 辊子设计中应注意的问题及计算方法等 图 1 扇形段分段辊布置图 2 辊子的受力情况 铸坯导向段的受力比较复杂 但作用在辊子 208 重 型 机 械 2010 S1 上的载荷主要是机械和热的合成载荷 机械方面 的载荷包括 辊子的自重 铸坯变形产生的反 力 铸坯的重量 驱动扭矩 对于驱动辊 在 这些载荷中 反力是主要的 其他各项除特殊情 况外 则可忽略不计 而辊子的反力包括 钢水 静压产生的鼓肚力 矫直力 拉坯力和轻压下轧 制力 影响辊子的热载荷主要是铸坯传给辊子的 热量 下面计算一下辊子所受到的最主要的力 钢水静压力和轻压下轧制力 设钢水静压力为 Q 见图 2 图 2 钢水静压力简图 Q W 2ti Hia 式中 W 为铸坯宽度 为钢水密度 Hi为计算 处的钢液压头高度 a为辊子节距 ti为凝固层 厚度 ti KL v K 为凝固系数 L 为从结晶 器液面到计算点的弧线长度 v为拉坯速度 设轻压下轧制力为 P 我们设计的扇形段有 四个夹紧活塞缸 轻压下时 有杆腔进油进行轻 压下 P D 2 d 2 p 式中 p为轻压下时液压系统的压力 D 为夹紧 液压缸的活塞直径 d 为夹紧液压缸的活塞杆 直径 对于矫直辊 辊子所受主要外力应为矫直 力 钢水静压力及轻压下轧制力的合力 3 辊子的结构分类 辊子根据其结构及支承形式可分为几种 下 面分别介绍 3 1 整体辊 辊子根据支承形式可分为两种 整体辊和整 体式分段辊 早期的整体辊就是指一个辊子只有 一段且只在两端有轴承支承 这种辊子的轴承受 力大 辊子的挠度大 辊径大 辊间距也大 铸 坯的质量差 寿命短 维修量大 为了实现较高 的浇注速度 并提高铸坯的质量 这种整体辊逐 渐被分段辊代替 板坯连铸机上现在已没有这种 单一的整体辊 分段辊由于支承点比较多 受力 情况好 挠度也小 而且允许利用较小直径的辊 子 因此减少了辊子的间距和挠度引起的板坯的 鼓肚变形 由单一的整体辊优化出整体式分段 辊 参见图 3 这种结构的辊子一般只用在驱动 辊上 能传递较大的扭矩 其轴承的受力情况与 芯轴式辊的情况基本一样 参见下面的芯轴式辊 的受力分析 这种结构的辊子刚度好 受力情 况较好 但辊子加工要求高 装配容易形成过定 位 采用剖分式轴承 安装拆卸容易 但造价 高 使用和维修成本高 图 3 整体式分段辊 3 2 芯轴式辊 I STAR 驱动辊和自由辊都有采用这种形式的 几段 辊套用键与一根芯轴连接 轴承安装在支点上 其中只有一端轴承固定 其余各轴承均为游动 端 受热时向游动端膨胀 辊套通过平键与芯轴 固定在一起 并与芯轴一起转动 图 4为其结构 和受力分析 图 4 芯轴式辊子结构及受力分析图 P1 P2为各段辊子所承受的钢水静压力 F1 F2为各轴承座所承受的载荷 则得 P1 Q b1 W P2 Q b2 W 209 2010 S1 重 型 机 械 轴承处的载荷为 F1 l1 a1 l1 P1 F2 l2 a2 l2 P2 计算出各支点的载荷后 选择合适的调心滚 子轴承 选择轴承时应考虑在保证满足受力的条 件下 兼顾设备的结构要求 结构尺寸确定后 应验算芯轴的刚度 3 3 分段组合式辊 整个辊子由若干段辊子组成 每段辊子分别支 承在两个轴承座上 由于两个辊子之间传递扭矩很 小或根本不能传递扭矩 因此这种辊子只能用在自 由辊上 两段辊子之间每段辊子都有一轴承 故这 种结构的两段相邻的辊子之间的距离很大 造成不 支承铸坯的跨度较大 会在一定程度上影响铸坯的 表面质量 分段组合式辊又有两种形式 图 5为这 种分段组合式辊的其中一种结构图 这种辊子结构 每段辊子相互独立 不能传递扭矩 只能用在两分 节辊上 每个辊子都有一个双路的旋转接头 图 6 是分段组合式辊的另一种结构图 这种辊子结构适 合三段以上的分节辊 每个辊都有一对轴承支承 两段辊子之间的水路通过一个带有 O形圈密封的套 管连通 这样的辊子装配只需用一对单路的旋转接 头 一端进水 另一端回水 扇形段本体上的水路 的设计简单 由于两段辊子之间有相对的转动 套 管上的密封 O圈磨损会使水泄漏至轴承座中 影响 轴承的使用寿命 这种辊子还有一种结构 在两段 辊子之间 两辊轴头相互咬合 能传递一定的转 矩 使每段辊子能同步转动 会提高铸坯的表面质 量 但这种结构的辊子在受到较大转矩时 会将咬 合处撕裂 由于辊子之间没有相对转动 套管上的 密封为静密封 O形圈几乎没有磨损 很少会出现漏 水现象 4 各种辊子的受力及挠度对比 芯轴辊和整体式分段辊的受力情况一样 三 分节可简化为三跨梁结构 如图 7a所示 而分 段式分节辊每段辊的受力可简化为三个简支梁结 构 如图 7b所示 整体辊 非分段 的受力可简 化为一个简支梁结构 如图 7c所示 图 7 芯轴式辊子 分段组合式辊子及整体辊的受力 分析图 a 三跨梁结构 b 三个简支梁结构 c 一个简支梁结构 假设每段辊的长度相等都为 L 每段辊的受 力一样都是 Q 均布载荷 每个轴承的受力计 算如下 F1 F4 0 4Q F2 F3 1 1Q F 1 2 Q F5 1 5 Q 每段辊的最大挠度如下 其中 E 为辊子材料 的弹性模量 I为辊子断面的惯性矩 f1m ax 0 006 8QL 3 EI f2m ax 0 000 5QL 3 EI fm ax 0 013 QL 3 EI f5max 1 054QL 3 EI 从受力情况可知 整体辊的两端轴承受力最 大 要选择承载能力大的轴承 芯轴式辊子中部 轴承的受力也很大 由于其中部只有一个轴承 应该选择承载能力较大的轴承 分段组合式辊子 210 重 型 机 械 2010 S1 的受力比芯轴式中部轴承受力的一半还要小 固 此轴承选择可以比芯轴式辊的轴承的承载能力要 小的 从轴承的受力来看 分段组合式辊的受力 最小 对轴承来说工作条件最好 轴承的寿命也 会相应增加 减少维修量 降低生产成本 从辊子的理论变形情况可以看出整体辊 非 分段 的挠度最大 变形越大 坯子的鼓肚越严 重 整体辊 非分段 现在已经没有使用在铸坯 导向段上 分段组合式辊的挠度比芯轴式辊的要 大 但其安装 装配容易 现在应用很广泛 图 8为这三种辊子的实际变形的典型图 从实际来 看 与理论上的分析相互吻合 芯轴式辊对安装 要求高 容易形成过定位问题 由于辊套套在芯 轴上 配合面较大 且受力较大 会产生变形 使辊套的拆装维修困难 需要要有专门的辊子拆 装台 现在的板坯连铸机 驱动辊都采用芯轴式 辊 自由辊可根据实际需要及用户要求可选择芯 轴式辊或分段组合式辊 韶钢松山 4号板坯连铸机的扇形段 根据设 计的需要及用户的要求 驱动辊选用芯轴式辊 参见图 4 自由辊采用分段组合式辊 参见图 6 通过近一年半的连续生产 没有发生漏钢 现象 也没有出现辊子非正常的事故 轻压下的 使用保证了铸坯的内部质量 用户对铸坯的表面 和内部质量都是十分满意 从生产实际上看 铸 坯导向段的设计十分成功 图 8 各种辊子变形对比典型图 5 结论 本文从理论上对辊子的结构及受力情况进行 分析 通过比较 指出每种结构的辊子适用的情 况及其优缺点 为扇形段辊子的设计提供依据 并通过韶钢 300 2