謝序淵 陳德亮

（梅山鋼鐵公司煉鋼廠 江蘇南京 210039）

1 前言

直彎段是板坯連鑄機(jī)的主要組成部分，它位于結(jié)晶器與1＃弧形段之間，采取多點(diǎn)或連續(xù)彎曲的壓力變形工藝把鑄坯從直坯頂成弧形坯。在此壓力變形過程中鑄坯變形抗力反作用在直彎段框架上，再傳導(dǎo)至導(dǎo)向座（約束反力）。在設(shè)計(jì)穩(wěn)定工況下導(dǎo)向座約束反力在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和彈性應(yīng)變導(dǎo)致功能精度偏差進(jìn)而引起鑄機(jī)功能精度劣化是在允許范圍內(nèi)的［1］。但是在鑄機(jī)起步、急停后再起步、更換中包、漏鋼滯坯等非穩(wěn)定工況下，鑄坯溫降過大、彈性模量上升、壓力變形抗力急劇增大導(dǎo)致直彎段的導(dǎo)向座彈性變形增大甚至產(chǎn)生塑性變形，進(jìn)而惡化鑄機(jī)功能精度，最終導(dǎo)致板坯質(zhì)量缺陷［2］。由于現(xiàn)場的作業(yè)空間和作業(yè)時(shí)間的限制，簡單的割、焊、烤等機(jī)修方法既難矯正導(dǎo)向座的塑性變形又難以提升導(dǎo)向座的結(jié)構(gòu)剛度。

為了長期保持鑄機(jī)在非穩(wěn)定工況下（超載）的功能精度、減少設(shè)備原因造成的質(zhì)量缺陷、消除導(dǎo)向座塑性變形的機(jī)修工作量和時(shí)間；首先采用三維有限元方法對原直彎段導(dǎo)向座結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變分析，并求出對應(yīng)塑性變形的極限載荷；然后對導(dǎo)向座結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；最后通過三維有限元方法校核優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)。

考慮鑄機(jī)檢修工期和現(xiàn)場條件，通過制定在線完成直彎段導(dǎo)向座的結(jié)構(gòu)優(yōu)化解決直彎段的導(dǎo)向座塑性變形的問題。

2 直彎段導(dǎo)向座結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 原直彎段導(dǎo)向座應(yīng)力和應(yīng)變分析

在鑄坯過程中板坯的變形抗力是通過直彎段下耳軸傳遞給導(dǎo)向座，直彎段下耳軸與導(dǎo)向座的導(dǎo)向塊線接觸，導(dǎo)向塊通過螺栓與焊接在導(dǎo)向座的導(dǎo)向塊背板連接。為了減少計(jì)算過程，對結(jié)構(gòu)做了必要的簡化，去除結(jié)構(gòu)中的倒角和小的臺階并假設(shè)載荷通過導(dǎo)向塊均勻作用在導(dǎo)向塊背板上。對原有導(dǎo)向座結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，利用有限元軟件仿真計(jì)算。運(yùn)算結(jié)果參見圖1，在主力板兩側(cè)導(dǎo)向塊各加載60t載荷時(shí)直彎段導(dǎo)向座發(fā)生屈服變形，應(yīng)力最大位置位于直彎段立板與導(dǎo)向塊背板的焊接處，最大應(yīng)力為350MPa，此時(shí)導(dǎo)向座箱體結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)未到達(dá)屈服變形量。

分析導(dǎo)向座在60t載荷的形變情況，導(dǎo)向座的變形主要是兩個(gè)方向，在受力方向被拉長，垂直受力方向張開，類似外八字型。導(dǎo)向座導(dǎo)向塊背板中心的位移將直接影響直彎段的位置，因此通過軟件計(jì)算導(dǎo)向座導(dǎo)向塊背板中心的X方向位移（受力方向），Z方向（垂直受力張開方向）位移以及合位移（圖1）。計(jì)算結(jié)果顯示導(dǎo)向座在60t載荷作業(yè)下X 方向位移3.2mm，Z 方向位移8.1mm，合位移為8.7mm。X方向（徑向）的位移將直接影響直彎段內(nèi)外弧位置改變、惡化鑄機(jī)的對弧精度。結(jié)論：原設(shè)計(jì)導(dǎo)向座結(jié)構(gòu)立板較薄、強(qiáng)度和剛度都較低、過載狀態(tài)下直彎段對弧精度超過允許范圍。

圖1 原直彎段導(dǎo)向座應(yīng)力及變形分析

2.2 直彎段導(dǎo)向座結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為增加導(dǎo)向座的強(qiáng)度和剛度，增加導(dǎo)向座立板的強(qiáng)度，使導(dǎo)向座立板的強(qiáng)度稍低于原箱體強(qiáng)度。新設(shè)計(jì)的導(dǎo)向座立板參見圖2，增加直彎段導(dǎo)向座立板的厚度，新立板厚度由50mm改為100mm，為增加導(dǎo)向座的剛度在立板后面增加2根L型加強(qiáng)筋板。在立板上方增加兩個(gè)定位塊，方便現(xiàn)場焊接時(shí)高度方向的定位。原導(dǎo)向塊連接螺栓孔是沉孔，現(xiàn)場常年處于高溫高濕環(huán)境，螺栓孔易腐蝕導(dǎo)致拆卸困難，為方便立板上的導(dǎo)向塊位置調(diào)整，將原有的沉孔螺栓改為對穿孔內(nèi)六角螺栓，且在外露的螺栓增加防護(hù)蓋。在箱體內(nèi)部東西側(cè)各增加一塊加強(qiáng)筋板增強(qiáng)導(dǎo)向座筋板的強(qiáng)度。

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化校核

對新立板直彎段導(dǎo)向座進(jìn)行三維建模，然后利用有限元軟件進(jìn)行受力分析。同樣在主力板兩側(cè)導(dǎo)向塊各加載60t載荷時(shí)（計(jì)算結(jié)果見圖3），新導(dǎo)向座的最大應(yīng)力為151MPa，最大應(yīng)力下降57%；導(dǎo)向座導(dǎo)向塊背板中心的X方向位移（受力方向）0.67mm，Z方向（垂直受力張開方向）0.87mm，合位移為1.01mm。對直彎段弧度影響較大的X方向位移下降約80%。另外通過軟件計(jì)算新導(dǎo)向座發(fā)生屈服變形時(shí)負(fù)載情況（計(jì)算結(jié)果見圖4），計(jì)算結(jié)構(gòu)顯示當(dāng)負(fù)載達(dá)到160t時(shí)新導(dǎo)向座發(fā)生屈服變形，導(dǎo)向座最大應(yīng)力為345MPa，此時(shí)導(dǎo)向座導(dǎo)向塊背板中心的X方向位移（受力方向）1.57mm，Z方向（垂直受力張開方向）1.98mm，合位移為2.54mm。新導(dǎo)向座強(qiáng)度提升了約2.7倍，剛度更是提升了約4.8倍，達(dá)到了預(yù)期效果。結(jié)論：優(yōu)化后的導(dǎo)向座單側(cè)屈服載荷由60t提升到160t（滯坯強(qiáng)拉過載達(dá)不到160t），導(dǎo)向座不再發(fā)生塑性變形；在60t載荷下彈性變形對連鑄機(jī)對弧精度的影響（0.67mm）很小。

3 在線結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)踐

由于檢修工期緊和現(xiàn)場條件限制，與離線加工的整體新備件更換的方法比較（綜合考慮工期、成本、質(zhì)量、作業(yè)空間），選擇在線更換導(dǎo)向座立板實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向座的強(qiáng)度和剛度提升的工藝方法。

3.1 直彎段導(dǎo)向座定位基準(zhǔn)選定與投測

由于是在線修復(fù)導(dǎo)向座，立板的定位是修復(fù)的關(guān)鍵步驟，直接影響直彎段的定位精度。直彎段上下耳軸在同一條垂線上，上下耳軸中心線距離結(jié)晶器外弧線420mm，距離直彎段導(dǎo)向座立板的邊緣線的距離是770mm，即通過直彎段上耳軸座的位置可確定直彎段導(dǎo)向座的位置。由于直彎段上耳軸座中心距離結(jié)晶器外弧線的距離會(huì)定期檢測調(diào)整，因此選用直彎段上耳軸座為直彎段導(dǎo)向座的定位基準(zhǔn)［3］。

圖4 新直彎段導(dǎo)向座應(yīng)力及變形分析（負(fù)載160t）

3.2 舊直彎段導(dǎo)向座保護(hù)性拆除

原導(dǎo)向座立板和箱體梁之間是角焊縫未打坡口，將割槍口對著焊縫處成42度角割除，割除舊立板注意不能傷到箱體母材，一并將箱體打上全坡口。割除后對箱體焊接坡口用磨光機(jī)進(jìn)行修磨，并在箱體內(nèi)部東西側(cè)100mm處各加焊一塊加強(qiáng)筋板。利用磨光機(jī)將箱體東西兩側(cè)斷面修磨平整并用卷尺檢測箱體的長度，復(fù)測結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求（導(dǎo)向座箱體未發(fā)生屈服變形），立板焊接時(shí)只需將立板與箱體梁端部貼緊即可滿足寬度的定位。利用磨光機(jī)修磨箱體的上部立板定位塊區(qū)域，修磨后利用水準(zhǔn)儀檢測箱體上部兩側(cè)的高度偏差，現(xiàn)場檢測高度偏差滿足設(shè)計(jì)要求，因此利用新立板上的定位塊即可實(shí)現(xiàn)高度方向的精確定位。

3.3 新直彎段（優(yōu)化后）在線安裝與質(zhì)量控制

通過直彎段上耳軸座與直彎段導(dǎo)向座的位置關(guān)系實(shí)現(xiàn)直彎段導(dǎo)向座主力板的安裝定位，具體定位步驟如下。

3.3.1 導(dǎo)向座立板畫線

在新制導(dǎo)向座立板上按圖5畫線，由于直彎段耳軸中心距離立板邊緣770mm，耳軸直徑為205mm，因此直線L1-L2與直線L3-L4即為直彎段耳軸的左右2根切線。

3.3.2 架設(shè)測量軸

將測量軸吊裝至直彎段上耳軸座上，在測量軸的軸頸端面處放2根線墜（圖7），為提高測量精度線墜選用0.2mm的細(xì)鋼線。

3.3.3 立板初步定位

將新制的立板吊裝在箱體處，定位塊與箱體上表面接觸，立板與箱體側(cè)面貼緊實(shí)現(xiàn)初步定位。

3.3.4 立板定位調(diào)整及焊接

通過測量軸及線墜調(diào)整導(dǎo)向座立板（圖6），使測量軸一側(cè)的2根線墜與導(dǎo)向座立板畫線相重合，2根線墜至立板L1、L2、L3、L4四個(gè)點(diǎn)的距離相等。如有偏差利用預(yù)加工的墊片進(jìn)行微調(diào)，調(diào)整完成后將導(dǎo)向座定位焊接，然后由兩名焊工同步對稱焊接2條立板與箱體間的縱向焊縫，然后同步對稱焊接橫向焊縫。焊接過程中跟蹤立板變形情況，如有變形及時(shí)調(diào)整焊接步驟。

圖5 新立板畫定位線

圖6 測量軸吊裝圖

圖7 直彎段導(dǎo)向座立板定位原理圖

3.5 在線導(dǎo)向座導(dǎo)向塊精細(xì)調(diào)整

鑄坯中直彎段下耳軸受力較大且與導(dǎo)向座導(dǎo)向塊是線型接觸，因此為滿足直彎段對弧精度要求現(xiàn)場需定期調(diào)整導(dǎo)向塊墊片［4］。原來直彎段的對弧過程工作量較大且對弧精度和檢修效率偏低，現(xiàn)在利用直彎段上耳軸座可實(shí)現(xiàn)下耳軸的定位，利用其特點(diǎn)設(shè)計(jì)一款直彎段下耳軸定位裝置，完成直彎段導(dǎo)向座導(dǎo)向塊現(xiàn)場快速調(diào)整。

圖8 直彎段下耳軸定位塊定位示意圖

直彎段下耳軸定位裝置由上下耳軸連接板、水平板、上耳軸套、下耳軸套、固定板1、固定板2、連接螺栓、螺母、調(diào)節(jié)螺母、調(diào)節(jié)螺釘?shù)攘悴考M成。水平板、上耳軸套、下耳軸套是先粗加工并留有加工余量后焊接到上下耳軸連接板上的，焊接后再上機(jī)床精加工。加工后上耳軸套與下耳軸套的外徑尺寸及同軸度及距離滿足直彎段圖紙中上下耳軸的定位及外形精度要求。水平板的上表面為機(jī)加工面，加工面與上耳軸套下耳軸套的軸心線所在平面相垂直。固定板1焊接到上下耳軸連接板上，對弧裝置通過固定板2、連接螺栓、螺母固定在直彎段上耳軸座上。調(diào)節(jié)螺母焊接在上下耳軸連接板上位于下耳軸套的下方，通過調(diào)節(jié)螺釘可完成水平板水平度的微調(diào)。

將定位裝置的上耳軸套裝到直彎段上耳軸座上。利用水平儀和調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)水平板的水平度。水平調(diào)節(jié)完成后，將對弧裝置通過固定板2、連接螺栓、螺母固定在直彎段上耳軸座上。定位完成后利用塞尺可以測得直彎段下耳軸套與定位塊之間的間隙，得到定位塊的兩邊調(diào)節(jié)墊片需調(diào)整的量。通過測得數(shù)據(jù)調(diào)整完調(diào)節(jié)墊片厚度后即完成了直彎段下耳軸定位塊地精準(zhǔn)定位。實(shí)踐證明直彎段導(dǎo)向座在線修復(fù)是可行的，通過在線修復(fù)將變形的直彎段導(dǎo)向座立板進(jìn)行了更換及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

4 結(jié)論

通過三維有限元仿真計(jì)算，揭示原導(dǎo)向座設(shè)計(jì)強(qiáng)度和剛度都偏弱，校核優(yōu)化后的新導(dǎo)向座在強(qiáng)度和剛度都有足夠大的提升，并且提高了導(dǎo)向座對惡劣工況的容忍度，提高了直彎段熱態(tài)對弧精度（動(dòng)態(tài)）。在線修復(fù)后的優(yōu)化導(dǎo)向座能充分滿足直彎段的冷態(tài)和熱態(tài)定位精度要求，直彎段與1＃段的在線對弧精度能穩(wěn)定達(dá)到±0.3mm，完全滿足了工藝要求。經(jīng)過生產(chǎn)考核，未見新導(dǎo)向座發(fā)生塑性變形，且多次更換直彎段的重復(fù)對弧精度滿足工藝要求。