弧形连铸机五辊拉矫机的研究

D0I:10.13374/i.issn1001053x.1988.01.010 北京钢铁学院学报 第10卷第1期 Journal of Beijing University Vol,10 No.1 1988年1月 of Iron and Steel Technology Jan.1988 弧形连铸机五辊拉矫机的研究 黄宏忠 董绍华雷知行 肖秀文 (机械系) (金工教研室) 摘 要 本文介绍了五辊拉矫机的结构特点。试验研究方法，拉辊矫直机的理论分析及 实测结果，以及常温和高温下拉辊摩擦系数的试验方法和结果，为设计拉辊矫直 机提供了计算方法及数据。 关键词：拉矫机，矫直力，率，弯曲力炬 A Research on Five-Rollor Straightener in Billete Caster Huang Hongzhong Xiao Xiuwen Dong Shaohua Lei Zhixing Abstract In this report,the researches on five-rollor straightener have been discussed in detail. The characteristics of the straightener's structure,the methods used for measurements and analysis,are proposed,The results obtained from the measurements and analysis on the straightening forces of the straigh- tener,and the frictional coefficients between the rollor and the billet under thenormal and high temperature conditions are all introduced. These researches and results will be helpful to the designs of billet caster straightener. key words:withdrawal and straightener unit,straightening force, curvity,bending moment 63

第 卷第 期 年 月 北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 弧形连铸机五辊拉矫机的研究 黄宏 忠 董绍华 雷知行 肖秀文 机械系 金工教研室 摘 要 本文介绍 了五辊拉矫机的 结构特点 。 试验研究方法 ， 拉辊矫直机的 理论分析及 实测结果 ， 以及常温和高温下拉辊摩擦系数的试验方法和结果 ， 为设计拉辊矫直 机提供了计算方法及数据 。 关键词 拉矫机 ， 矫直力 ， 曲率 ， 弯 力 矩 一 ” 切 ” 人 仑 公 戈 玄” 夕 ， 五 一 ， ， ， ， 住 ， ， DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1988．01．010

1拉矫机的结构 图1是一台建立在三辊矫直理论上的五辊钳式拉矫机。它是由拉坯机I,矫直机 Ⅱ，独立的中下辊Ⅲ所组成。其特点是： (1)拉矫机布置在水平段上。拉矫机的下辊表面与连铸机的弧形段相切，通过上 辊来调节与下辊的距离，以适应浇注不同断面的要求。采用这种布置，使拉矫机的全部 辊子可以通用。部件归一是其设计思想之一。 (2)传动系统放在拉矫机的上方。没有采用常规方法，把传动系统布置在水平位 置而是把它放在拉矫机的上方，采用立式马达，可大大减小各流铸坯间距，并且共用一 个中间罐，使结构显得紧读。 (3)采用整体快速更换机构，缩短检修时间以提高铸机的生产能力。拉矫机通过 楔块整体安装在基础上，这样可以实现 “离线检修，快速吊装”。各类的拉矫机可 11 互相通用，以减少备件的数量。 拉辊矫直机分别由机架、上辊传动系 9 统和上辊压下系统所组成。传动系统、电 机、减速器以及被驱动的上辊都相应固定 在一端与压下气缸的话塞相联，另一端较 接在A点的上横梁上。在气缸压下或提升时， 整个传动系统随上横梁一起绕A点转动， 而传动系统与下辊之间没有相对运动，运 动的传递不受压下系统影响，在经常调速 的情况下，减少了传动系统的冲击，可改 图1五辊拉矫机 善传动零件的工作状态。 Fig.1 Five-rollor straightener 2拉矫机力能参数的测试方法 拉矫机的设计参数、力能参数的测试包括：铸坯在不同温度下的矫直力；拉矫机的 拉坯力矩；铸坯在矫直过程中的温度及其变化以及常温和高温下拉辊摩擦系数的测定 等。 (1)力能参数的测定 在矫直过程中，铸坯受力如图2所示。图中P:、R:为拉坯机上、下辊上的作用力， P为中辊上作用力，P2、R2为矫直机上、下辊上的作用力。它们之间的关系为： P=(P1-R:)+(P2R) (1) P·a=(PRg)·L (2) 中辊上的矫直力P是通过安装在中辊底座上的正力传感器来测定的，P:、P®是通过安 装在气缸上、下盖板的联接螺栓上的传感器来测定的。对P:、P:P的测试都是采川 64

拉矫机的结构 图 是 一 台建立在 三辊矫直理论上 的五辊钳式 拉矫机 。 它 是 由拉坯机 工 ， 矫 直 机 ， 独立 的 中下辊 所组成 。 其特 点是 拉矫机布置在水平段上 。 拉矫机的下辊 表面与连 铸机的弧形 段相 切 ， 通 过上 辊来调 节与下辊 的 距离 ， 以适应浇注不 同断面的 要求 。 采用 这种布置 ， 使 拉矫机 的 全部 辊 子可以 通 用 。 部件归 一是其 设计 思想 之一 。 传动 系 统放在 拉矫机的上方 。 没有采用 常规 方法 ， 把传动 系统布置在水 平位 置而 是把它 放在拉矫 机灼上方 ， 采用 立式马达 ， 可大大减小 各流铸坯 间距 ， 并且 共用 一 个 中 间罐 ， 使结 构显得 紧凑 。 采 用 整体快速更换机构 ， 缩 短检修时 间以提高铸 机的生 产能力 。 拉矫 机通 过 楔块整体安装在基础上 ， 这样 可 以 实 现 “ 离 线检修 ，快速 吊装” 。 各类的 拉矫机可 互相通用 ， 以 减少备件 的数量 。 拉辊矫直机分别 由机架 、 上辊传动 系 统和上辊压 一 下系统所组成 。 传动 系统 、 电 机 、 减速 器以 及被驱动 的上辊都相应 固定 在一端与压下气缸的活 塞相联 ， 另一端铰 接在 点的上横梁上 。 在气缸压 卜或提升时 ， 整个传动 系统 随上横梁一起绕 点转动 ， 而传动系统与下辊之 间没有相对 运动 ， 运 动 的 传递 不 受压下系统影响 ， 在经 常调速 的情 况 下 ， 减 少 了传动 系统 的 冲击 ， 可 改 善传动零件 的 工 作 状态 。 月牛二月 匕 牛二书 亘西 刃 刃 产 厂 ， 予 图 五辊拉矫机 丫 一 昌 ‘ 拉矫机 力能参数的测试方法 拉矫 机的设计参 数 、 力能参数 的测试包括 铸坯在不 同温 度下的 矫直力 拉矫 机的 拉坯力 矩 铸坯在矫 直过程 中的温度 及 其变化 以 及常温 和 高温 下拉辊 摩擦 系 数 的 测 定 等 。 力 能参数 的测定 在 矫 直过程 中 ， 铸坯受力如 图 所示 。 图 中尸 、 为拉坯 机上 、 下辊 上 的作用 力 ， 尸为 中辊 上 作用 力 ， 尸 、 为矫直 机上 、 下辊上 的 作用 力 。 它 们 之 间的关 系 为 尸 〕 一 ， 一 尸 · 尸 公 一 · 中辊 的矫 直 力尸是 通 过安 装在 中辊底 座上 的压 力传感 器来测 定 的 ， 尸 ， 、 尸 是通 过 安 装在 气缸上 、 一 下盖 板 的联接 螺 检上 的传感 器来侧 定 的 。 对尸 、 尸 和尸的测 试 都是 采 用

环形传感器。这种结构的传感器加工方便， 结构简单，在外载荷作用下有较好的线性特 性。试验是采用直接的标定方法。 (2)电参数的测定 用光线示波器记录电流、电压、速度信 号时，采用了分流器，电流、电压、速度的 标定都采用直接标定方法，以保证试验精 度。 (3)矫直温度的测量 用红外线测温仪测定铸坯进人拉矫机前 图2矫直区内各辊受力 的温度，并将温度信号引到光线示波器，连 Fig.2 Force of rollers in the 续记录铸坯的矫直温度及其变化，温度的标 straightening zone 定是用红外测温仪的温度读数直接对光高进行标定。 3 拉矫机矫直力的理论分析及测试结果 3,1矫直力的理论公式 浇注过程中，铸坯通过结晶器和二冷区，形成一定半径的弧形铸坯，铸坯通过矫直 机后，发生弯曲变形而被矫直。其矫直过程可简化为一简支梁模型。由于铸坯的厚度与 矫直支点之间的距离相比，要小得多，因此剪力可忽略。 根据矫直理论，铸坯的矫直是属子弹塑 性范围内的弯曲。当铸坯的头部进到矫直机 时，在外力作用下，铸坯开始弯曲，在中辊 处变形量最大，并使外层纤维发生塑性变 形。塑性变形区域不断向中性层扩展，但在 铸坯中性层附近仍保持在弹性范围内；铸坯 出拉矫机后，弹性变形被恢复，而保留了塑 性变形部分。从直观看，铸坯被矫直。视拉 矫机调整状态，铸坯矫直过程也可能发生全 塑性变形。 由铸坯的矫直过程，可建立铸坯的变形 与外载荷之间的关系。由图3可看出，铸坯 在外力矩作用下，在横断面上产生拉应力和 压应力。由静力平衡条件并根据弹塑性矫直 图3铸还上断面应力分布图 过程，得 Fig.3 Schematic presentation of sectional stree distribution of the billet M=) o·dF·Z (3) 65

环形 传感器 。 这 种结构的传感 器加 工方便 ， 结构 简单 ， 在外载荷作用 一 有较好的线 性 特 性 。 试 验 是采用直接的标定方法 。 电参数的测 定 用 光线示波 器记录电流 、 电压 、 速度信 号时 ， 采用 了分流器 ， 电流 、 电压 、 速度 的 标定都采用 直接 标定方法 ， 以保 证 试 验 精 度 。 矫直温度 的测量 用 红 外 线测 温 仪测 定铸坯进 人拉矫 机前 的温度 ， 并将温度信号弓 到光 线 示波 器 ， 连 续记 录铸坯的矫 直温度 及其变化 ， 温度的标 一节犷一 匕 图 矫直区 内各辊受力 ， ， 定 是 用 红外测 温 仪 的温 度读 数 直接对光 高进行 标 定 。 拉矫机矫 直力的理论分析及测试结果 。 矫直力的理论公 式 浇注 过程 中 ， 铸 坯通过结 晶器 和二冷区 ， 形成一定 半径的弧形铸坯 ， 铸 坯通 过矫直 机后 ， 发 生 弯曲变形而被矫直 。 其矫直过程可 简化为一简支梁模 型 。 由于铸坯 的厚度与 矫直 支 点之 间的距离相 比 ， 要 小得 多 ， 因此剪力 可忽略 。 根据矫直理 论 ， 铸 坯的矫直是属 于 弹 塑 性范 围 内的 弯 曲 。 当铸坯 的头 部进 到矫直机 时 ， 在外力 作用 下 ， 铸 坯开 始 弯曲 ， 在 中辊 处 变形量 最大 ， 并使外层纤维发 生 塑 性 变 形 。 塑性变形 区域不断 向 中陀层 扩展 ， 但在 铸坯 中性 层附近仍保 持在弹性范 围 内 铸坯 出拉矫机后 ， 弹性 变形被 恢 复 ， 而保 留 了塑 性 变形部分 。 从直观看 ， 铸坯被矫直 。 视拉 矫机调整状 态 ， 铸坯矫直过程也可 能发 生 全 塑性变形 。 由铸 坯的矫直过程 ， 可 建 立铸 坯的变形 与外载荷之 间的关 系 。 由图 可看 出 ， 铸坯 在 外力 矩作用 下 ， 在横断面上产生拉应力和 压应力 。 由静力平衡条件 并根据弹 塑性矫直 过 程 ， 得 葺 】 份】 丫 少 图 铸坯上断面应力分布图 ， 。 · 尸 ·

(3)式的积分项由塑性变形力矩和弹性变形力矩组成，得(4)式 M=2 Eεz·Z.b·dZ+2 J。o…6.2.dz Cb/s (4 式中： E一一矫直温度下的弹性模量，N/mm2; εz一一弹性变形范围内的应变值； b一铸坯的宽度，mm, h一铸坯的高度，mm; o.一矫直温度下铸坯的屈服限，N/mm2, Z-一积分变量，积分限为0一h/2; h。—弹塑性变形分界处。 由铸坯矫直时的应变与曲率变形关系可得： e=Z(1-1一) (5) Po P1 式中： p。一铸坯的原始曲率，mm; p!一矫直后铸坯的曲率，mm, 由矫直条件，(5)式可写成(6)式： ea.=he(1--1) 由变形的物理方程 e.--6 (7 将(6)、(7)式的关系代入(4)式，积分后得 M=2/3E6h(,-:)+60,(-4-) 4 由图2，求得弯矩方程 当0≤X<a时M(X)=是P:X (9) 当a≤X<L时M(X)=P,6-L·X+P·a L 由于拉矫机三个下辊布置在一个水平面上，矫直后的曲率p1=∝，原始曲率p。=5250 mm,最大力矩发生在B点，结合该拉矫机的具体参数，最大力矩为 M=366.93P (10) 1 最大矫直力近似为P=1467,73·6·h2·o, (11) 山(11)式可知，铸坯的矫直力与铸坯的几何尺寸和高温机械性能有关。σ，的数值可 从有关资料中查得。 66

式的积 分项 由塑性 变形力 矩和弹性变形力 矩组成 ， 得 式 “ “ · … 小 丁 “ 。 小 ‘ · 式 中 －矫直温度 下的弹性模量 ， 。 。 －弹性 变形范 围内的应 变值 － 铸坯的 宽度 ， －铸坯 的高度 ， －矫直温 度下 铸坯 的屈 服 限 ， “ 一一一 积分变量 ， 积 分限为 。 一 － 弹塑性 变形 分界处 。 由铸 坯矫直时的应变与 曲率变形关 系可得 。 二 ， 三一 一卫一 式 中 。 － 铸坯的原始 曲率 ， －矫直后铸还的 曲率 ， 由矫直 条件 ， 式可写成 式 一 一 内 一 、 。 由变形 的 物理 方程 些 百 将 、 式 的关 系 代入 式 ， 积 分后得 ， ， ，。 。 ， ， ， ， 以 乙 乃 儿 石气 － 一 － 少 仃 ， － 一 由图 ， 求得弯矩方程 、 八 、 ， 。 二 ， ， ， 、 ， 、 一 二二」 之之之之 ，‘ 口」 丈、了 气 人 少 二 」 一二 一 ‘ 厂 人 乙 当 时 万 二 · 一 · 一卜尸 · 由于拉矫机三个下辊布置在一 个水平面 上 ， 矫直后的 曲率 二 二 ， ， 最 大力 矩发 生 在 点 ， 结 合该 拉矫 机的具 休参数 ， 最 大力矩 为 最大矫 直 力近似 为 尸 。 · · · 。 山 式 可知 ， 铸 坯 的矫直 力 与铸坯 的几 何尺寸和高温机械性 能 有关 。 ， 的 数 值 可 从有关 资料 中查得

3.2实测结果与理论计算公式比较 表1列出了不同矫直温度下120mm和150mm方坯实测的矫直力和按理论公式(11) 计算的结果。图4表示了理论计算的与实测的矫直力之间的关系。 从表1和图4可以看出，当矫直温度在1100~1150℃时，对120mm方坯，实测矫 直力为18197.55~15882.39N;对150mm方坯，矫直力为45165.24~35590.68N。而相 应条件下，理论计算所得的矫直力，分别为21944.97~17324.46N和42859.89~33834. 69N,理论计算的矫直力与实测值比较，其误差均小于9.5%。 表1断面为120,150mm2铸坯，不同温度下的矫直力 Table1 Straightening force under various temperature for billet sections of 120,150mm2 单位：N 温度 实测结果 理论计算值 120mm5 150mm 120mm2 150mm2 850 50217.4 91390.0 55436.3 108272.97 900 45940.2 75635.1 45047.5 87976,1 950 39367.5 68944.7 34648.9 67669,4 1000 31392,0 57849.6 28870.8 56397,7 1050 24044,3 54102.2 25407.9 49628.8 1100 18197,6 45165.2 21945.0 42859.9 1150 15882,4 35590.7 17324.5 33834.7 1200 14999.5 30048.0 16166.9 31578.4 100 80 60 150x150mm2 40 12Ux120mm o 800 900 1000 1100 1200 C,· 图4120,150mm:铸坏桥直力与温度关系 Fig.4 Straightening force relationship with temperature for billet Sections of 120,150mm* 67

匕 实测 结果与理论计算公 式 比较 表 列 出 了不 同矫直温度下 和 方坯实测 的矫直力和按理 论公式 计算的结果 。 图 表示 了理论计算的与实测 的矫直力 之 间的关系 。 从表 和图 可以看 出 ， 当矫直温度在 ℃时 ， 对 方坯 ， 实 测 矫 直 力为 对 。 方坯 ， 矫直力为 一 。 而相 应 条件 下 ， 理 论计算所得的矫直力 ， 分别 为 和 一 ， 理 论计算的矫直力与实测 值比较 ， 其误差均小于 。 表 断面 为 ， 铸坯 ， 不 同 温 度下 的 矫直力 ， 单位 温 度 实 测 结 果 理 论 计 算 值 位 岛 ， 艺 过 工 。 。 。 。 。 。 导 。 。 。 。 匀 。 。 。 苏 。 仑 。 。 。 。 。 。 一 。 。 。 。 。 。 一 。 。 一 一 要 、 … 叹 ， ’ 唯 喇 叱 。 。 蓝 卜 汉 味吧 、 ‘ ，气 、 门 ℃ 牛 图魂 。 ， 。 皿瓜 艺铸坯矫直力与温度关系 主 ，