史亞軍 張文增 畢新承

(1.陜西黃河集團(tuán)有限公司，陜西710043;

2.清華大學(xué)機(jī)械工程系摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

固定尺寸板坯連鑄結(jié)晶器自動(dòng)加渣機(jī)的設(shè)計(jì)

史亞軍1張文增2畢新承2

(1.陜西黃河集團(tuán)有限公司，陜西710043;

2.清華大學(xué)機(jī)械工程系摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

針對(duì)傳統(tǒng)二維行走型自動(dòng)加渣機(jī)運(yùn)動(dòng)路徑復(fù)雜、成本昂貴的不足，設(shè)計(jì)了一種新型自動(dòng)加渣機(jī)。該加渣機(jī)主要包括機(jī)架、螺旋給料機(jī)、第一電機(jī)和行走傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中螺旋給料機(jī)包括第二電機(jī)、料斗、雙輸出軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、兩根螺旋絲和兩根給料管。該裝置中，第二電機(jī)通過(guò)雙輸出軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)螺旋絲轉(zhuǎn)動(dòng)，逐漸將料斗里的保護(hù)渣推送到給料管口外，灑落于結(jié)晶器的鋼水表面，同時(shí)第一電機(jī)通過(guò)單自由度的帶輪行走機(jī)構(gòu)帶動(dòng)螺旋給料機(jī)整體作回旋運(yùn)動(dòng)，從而兩個(gè)給料管分別在結(jié)晶器兩側(cè)走相同的路徑。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，控制容易，成本低，特別適用于固定尺寸結(jié)晶器的板坯連鑄使用。

連鑄;自動(dòng)加渣機(jī);螺旋給料機(jī);結(jié)晶器;板坯

向結(jié)晶器中均勻鋪撒保護(hù)渣是連鑄技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。在鋼水表面上鋪撒保護(hù)渣起到了隔絕空氣、防止氧化的作用，同時(shí)降低鋼水與結(jié)晶器壁的吸附，提高連鑄件的質(zhì)量［1］。

長(zhǎng)期以來(lái)的傳統(tǒng)加渣方式是人工加渣，加渣量與加渣時(shí)間全憑操作工人根據(jù)經(jīng)驗(yàn)決定，難以保證加渣的均勻程度，造成連鑄件質(zhì)量不高［2］。人工加渣勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率也低。與此同時(shí)加保護(hù)渣時(shí)所產(chǎn)生的渣塵對(duì)人的健康有危害［3］。日本和歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研制結(jié)晶器自動(dòng)加渣機(jī)。目前已有多種類(lèi)型的保護(hù)渣自動(dòng)加入裝置被研制出來(lái)，技術(shù)已比較成熟［4］。近十年來(lái)我國(guó)不僅在新建的連鑄機(jī)上采用了進(jìn)口的自動(dòng)加渣機(jī)，還開(kāi)始自主研制結(jié)晶器自動(dòng)加渣機(jī)，有些產(chǎn)品已經(jīng)被成功開(kāi)發(fā)出來(lái)。

采用結(jié)晶器自動(dòng)加渣有以下優(yōu)勢(shì)［5］:加料均勻，確保連鑄件質(zhì)量;封閉加料，減少揚(yáng)塵對(duì)人體危害，防止保護(hù)渣受潮;減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

中冶賽迪集團(tuán)和清華大學(xué)曾合作開(kāi)發(fā)出一種固定安裝在中間罐車(chē)側(cè)下方的自動(dòng)加渣機(jī)［6］，采用螺旋給料機(jī)供料，并且用兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)直角坐標(biāo)式的二維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜二維運(yùn)動(dòng)。采用PLC作為控制器［7］。該裝置的不足為:直線單元較長(zhǎng)，采用編程控制運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)軌跡有兩個(gè)自由度導(dǎo)致需要兩個(gè)行走電機(jī)，成本高。本文將針對(duì)現(xiàn)有自動(dòng)加渣機(jī)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種新型的低成本、易操作、加渣均勻的自動(dòng)加渣機(jī)。

1 自動(dòng)加渣機(jī)的技術(shù)要求

(1)撒渣均勻

撒渣的厚度和均勻性等對(duì)于連鑄件的質(zhì)量有著極大的影響［8］。在撒渣過(guò)程中要盡可能保持渣層厚度均勻一致。在運(yùn)動(dòng)方向或速度發(fā)生變化時(shí)同樣如此。這將加大自動(dòng)加渣機(jī)設(shè)計(jì)的難度。

(2)便于操作

在自動(dòng)加渣機(jī)加渣的同時(shí)，工人能夠方便地進(jìn)行其他操作。加渣時(shí)同樣要保持結(jié)晶器前方工作區(qū)的通暢。

(3)粉塵污染小

當(dāng)保護(hù)渣從高處落下到鑄件表面時(shí)，不可避免的要揚(yáng)起粉塵，加渣機(jī)在設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮到將粉塵的污染控制到最小，以保護(hù)工人的健康，同時(shí)減少保護(hù)渣的浪費(fèi)，降低成本。

(4)成本低

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要將加渣機(jī)設(shè)計(jì)的盡可能的簡(jiǎn)單，以降低成本，使之能夠投入到實(shí)際生產(chǎn)中。

2 新型自動(dòng)加渣機(jī)設(shè)計(jì)

針對(duì)已有產(chǎn)品的不足，本文設(shè)計(jì)出如下的新型加渣機(jī)，如圖1～圖3所示。

該加渣機(jī)主要包括機(jī)架、螺旋給料機(jī)、第一電機(jī)和行走傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中螺旋給料機(jī)包括第二電機(jī)、料斗、雙輸出軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、兩根螺旋絲和兩根給料管。該裝置中，第二電機(jī)通過(guò)雙輸出軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)螺旋絲轉(zhuǎn)動(dòng)，逐漸將料斗里的保護(hù)渣推送到給料管口外，灑落于結(jié)晶器的鋼水表面，同時(shí)第一電機(jī)通過(guò)單自由度的帶輪行走機(jī)構(gòu)帶動(dòng)螺旋給料機(jī)整體作回旋運(yùn)動(dòng)，從而兩個(gè)給料管分別在結(jié)晶器兩側(cè)走相同的路徑。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，控制容易，成本低，特別適用于固定尺寸結(jié)晶器的板坯連鑄使用。

料斗分為上料斗和下料斗。第二電機(jī)通過(guò)第二減速機(jī)與下料斗固接，電機(jī)的動(dòng)力由減速機(jī)輸入，通過(guò)雙輸出軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)螺旋絲旋轉(zhuǎn)。給料管中的螺旋絲穿過(guò)下料斗，將保護(hù)渣帶出并輸送至給料管出料口。第一電機(jī)和第一減速機(jī)固定在機(jī)架上，將動(dòng)力輸入給帶輪行走機(jī)構(gòu)。帶輪行走機(jī)構(gòu)包括主動(dòng)輪、主動(dòng)軸、從動(dòng)輪、從動(dòng)軸、傳動(dòng)件和連接件等組成，連接件固定在傳動(dòng)件上，并與螺旋給料管固連。通過(guò)控制帶輪行走機(jī)構(gòu)上一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而控制螺旋給料管的運(yùn)動(dòng)。

該裝置的具體實(shí)現(xiàn)方式為:

將保護(hù)渣加入上料斗中，依靠重力落入下料斗。第二電機(jī)提供動(dòng)力，經(jīng)第二減速機(jī)傳遞給雙輸出軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使穿過(guò)小料斗下部的兩個(gè)螺旋絲轉(zhuǎn)動(dòng)并推送保護(hù)渣。同時(shí)，第一電機(jī)通過(guò)行走減速機(jī)控制兩根螺旋輸料管的運(yùn)動(dòng)，完成布渣。

圖1 自動(dòng)加渣機(jī)的主視圖Figure 1 Front view of automatic flux feeder

圖2 自動(dòng)加渣機(jī)的立體圖Figure 2 Three dimensional plan of automatic flux feeder

圖3 自動(dòng)加渣機(jī)的仰視圖Figure 3 Bottom view of automatic flux feeder

該加渣機(jī)特點(diǎn)為采用雙螺旋絲輸送機(jī)構(gòu)，從而避開(kāi)了繞過(guò)水口的繁瑣操作，實(shí)現(xiàn)了單自由度控制的簡(jiǎn)化處理。由于是單自由度控制，在運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力上只需要一個(gè)電機(jī)。同時(shí)，將直線運(yùn)動(dòng)單元的長(zhǎng)度縮減為單螺旋輸送管時(shí)的一半，有效的降低了成本。此外，雙螺旋輸送管為兩處同時(shí)布渣，使布渣更為均勻。通過(guò)雙電機(jī)分別控制行走機(jī)構(gòu)和螺旋給料機(jī)，能精確控制給料速度，實(shí)現(xiàn)閉合曲線路徑的自動(dòng)撒渣。

3 自動(dòng)加渣機(jī)的功能

3.1 加渣速度調(diào)節(jié)

不同溫度不同鋼種對(duì)于保護(hù)渣的消耗速度不同。通過(guò)給料減速機(jī)調(diào)節(jié)加渣速度，以控制在結(jié)晶器槽口中保護(hù)渣的總量充足。

3.2 移動(dòng)速度調(diào)節(jié)

在一處的保護(hù)渣消耗完之前，螺旋給料管必須已行走一周并對(duì)該處繼續(xù)加渣，才能保證對(duì)于該處連鑄件的有效保護(hù)。通過(guò)行走減速機(jī)調(diào)節(jié)主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，從而控制螺旋給料管運(yùn)動(dòng)的速度，以達(dá)到全面保護(hù)的效果。

3.3 料位檢測(cè)

通過(guò)料位開(kāi)關(guān)，對(duì)下料斗里保護(hù)渣的量進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)?shù)陀谙孪拗档臅r(shí)候自動(dòng)打開(kāi)開(kāi)關(guān)，使上料斗中的保護(hù)渣憑借重力下落到下料斗中。當(dāng)達(dá)到上限值的時(shí)候，自動(dòng)關(guān)閉開(kāi)關(guān)，避免保護(hù)渣在上料斗與下料斗之間的連接軟管中堵塞。同時(shí)減少了工人人工監(jiān)視下料斗中保護(hù)渣量的負(fù)擔(dān)。

4 自動(dòng)加渣機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1 主動(dòng)輪與從動(dòng)輪直徑Dwh

螺旋給料管做平動(dòng)。其上每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡相同。由于螺旋給料管通過(guò)連接件固連在傳動(dòng)件上，所以，傳動(dòng)件的形狀與鋪撒保護(hù)渣的閉合曲線路徑相同。如圖4、圖5所示。

板坯結(jié)晶器槽口長(zhǎng)度為L(zhǎng)m，寬度為Wm，水口直徑為Dw(含壁厚)。鋪撒保護(hù)渣的閉合曲線路徑長(zhǎng)度為 Lcl，寬度為 Wcl。螺旋給料管直徑為Dst。

因?yàn)閭鲃?dòng)件形狀的寬度等于主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的直徑，所以

4.2 主動(dòng)軸與從動(dòng)軸之間距離Sa1

圖4 結(jié)晶器加渣路徑Figure 4 Flux feeding route ofmould

因?yàn)閭鲃?dòng)件形狀的長(zhǎng)度等于主動(dòng)軸和從動(dòng)軸之間的距離與主動(dòng)輪直徑的和，所以

4.3 雙輸出軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比i12

螺旋件轉(zhuǎn)一圈送出保護(hù)渣的量為hsmm，結(jié)晶器槽口內(nèi)消耗保護(hù)渣的速度為Vcomm/min，所以螺旋件的轉(zhuǎn)速:

圖5 行走傳動(dòng)機(jī)構(gòu)Figure 5 Running transmission mechanism

給料減速機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速為ωfrrad/min，則雙輸出軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比(如圖6所示):

4.4 螺旋給料管傾角φ1

螺旋給料管彎曲段長(zhǎng)度為Ssa，能提供要求推力的最小半徑為ρsmin，故彎曲部分轉(zhuǎn)過(guò)的角度最大為

圖6 雙輸出軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)Figure 6 Dual output shaft transmission mechanism

4.5 布渣速度v

設(shè)結(jié)晶器槽口內(nèi)消耗保護(hù)渣的速度為Vcomm/min，則布渣速度為vwa=LWVcomm/min。

4.6 行走速度vm

設(shè)保護(hù)渣的最大高度差為h，出現(xiàn)最大高度差的地方是布渣處與其前方即將布渣處。螺旋給料管行走一圈的路成為S1，時(shí)間為t。每平方米單位時(shí)間消耗保護(hù)渣的高度為hv，則

圖7 自動(dòng)加渣機(jī)的俯視圖Figure 7 Planform of automatic flux feeder

即螺旋給料管的最小行走速度為hvS1/h。

4.7 輸送能力Im

主軸直徑為D，物料的綜合特性參數(shù)為A，則主軸最大允許轉(zhuǎn)速［7］

螺旋主軸轉(zhuǎn)速n，螺距S，物料的堆積密度ρ，螺旋輸送機(jī)的傾角系數(shù)C，物料在輸送管中的填充系數(shù) ψ，輸送能力［7］

4.8 螺旋輸送電機(jī)功率

物料與機(jī)殼間的摩擦系數(shù)μ1，物料與螺旋件間的摩擦系數(shù)μ2，物料與機(jī)殼間的摩擦系數(shù)及物料與螺旋件間的摩擦系數(shù)的平均值

輸送機(jī)長(zhǎng)度為L(zhǎng)，物料內(nèi)部的顆粒磨擦及攪拌所引起阻力的系數(shù)為k0，與填充系數(shù)有關(guān)的系數(shù)為k1，止推或徑向阻力系數(shù)為軸功率［9］:

功率備用系數(shù)為kd，可彎曲螺旋輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的總效率為η2，電機(jī)功率

5 自動(dòng)加渣機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

5.1 單電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)

采用雙螺旋給料管，省去了在行走過(guò)程中繞過(guò)水口的繁瑣運(yùn)動(dòng)，使運(yùn)動(dòng)曲線成為兩個(gè)相同且規(guī)整的運(yùn)動(dòng)曲線。其路徑特別，等于帶輪傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)。將螺旋給料管通過(guò)連接件固定在傳動(dòng)件上，非常簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)螺旋給料管的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)降低了成本。

5.2 兩處同時(shí)布渣

采用雙螺旋給料管，在結(jié)晶器槽口上方的兩個(gè)地方同時(shí)布渣，比起單螺旋給料管，更為高效。在行走減速機(jī)輸出相同轉(zhuǎn)速，即單螺旋給料管和雙螺旋給料管同以vm的速度運(yùn)動(dòng)。單螺旋給料管行走一周的路程為s1，雙螺旋給料管每根管行走一周的路程為s2，則s1=2s2+L1。假設(shè)單螺旋給料管在繞過(guò)水口時(shí)候速度不變，單螺旋給料管完成一圈布渣所需要的時(shí)間

雙螺旋給料管完成一圈布渣所需要的時(shí)間為

所以t2＜t1/2。

即雙螺旋給料管完成一圈布渣的時(shí)間比單螺旋給料管完成一圈布渣時(shí)間的一半還少。

5.3 螺旋給料管有傾角

螺旋給料管直線部分在水平面上與下料斗的法線有大小為φ1的傾角，減小了螺旋給料管彎曲部分轉(zhuǎn)過(guò)的角度，因而縮短了彎曲部分的長(zhǎng)度，節(jié)約了空間。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的新型側(cè)裝式單自由度結(jié)晶器自動(dòng)加渣機(jī)，利用螺旋輸送完成保護(hù)渣的鋪撒，能夠?qū)崿F(xiàn)撒渣均勻、尺寸可調(diào)、利于操作、減少揚(yáng)塵的功能，并通過(guò)減少電機(jī)數(shù)量、縮短直線單元長(zhǎng)度、用帶輪傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律控制螺旋管運(yùn)動(dòng)軌跡成功地降低了成本，改善了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

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編輯 傅冬梅

Design of Automatic Flux Feeder for Continuous Casting Mould of Fixed Size Plate Blank

Shi Yajun，Zhang W enzeng，Bi Xincheng

Regarding to disadvantage of complexmovement route and high cost of conventionally two dimensional and walking automatic flux feeder，a new type automatic flux feeder has been designed.The automatic flux feeder consisted of framework，spiral feeder，the firstmotor and running transmissionmechanism，further the spiral feeder included the second motor，hopper，dual output shaft transmission mechanism，two spiralwires and two tubes.In the automatic flux feeder，the secondmotor operated two spiralwires to rotate through dualoutput shaft transmissionmechanism and gradually conveyed flux in hopper through feeder tube and spreaded overmolten steel surface inmould，meanwhile the firstmotormade entire spiral feeder turn around through single DOF pulley belt runningmechanism so that the two tubes would run along the same route at two sides ofmould.The new typemechanism is possessed of compact structure，simple control，low cost and especially suitable for continuous castingmould of fixed plate blank.

continuous casting;automatic flux feeder;spiral feeder;mould;plate blank

TP777.1;TH11;TP242.1

A

2013—09—12