6200kN连铸飞剪机的剪切力

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1991.s1.012 第13卷第4(1)期 北京科技大学学报 Vol.13No.4(1) 1991年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jnly 1991 6200kN连铸飞剪机的剪切力 徐立刚·雷知行· 摘要：根据某钢厂小方坯连铸机的6200kN飞剪机在正常生产情况下测得的剪切力参 数，对该剪机的受力情况、工作负荷进行了分析，同时对连铸方坯截面的温度分布及铸坯 剪切裁面的平均温度进行了分析计算。在此基础上，探讨用简单公式或图表计算剪切截面 的平均温度和最大剪切力的方法。 关键词：飞剪，剪切力、铸坯载面的平均温应 The 6200 kN Flying Force Shears Used for Continuous Casting Xu Ligang'Lei Zhixing ABSTRACT:The 6200 kN billet flying shears,which is used for continuous ca- sting in a steel plant,has been analyzed for the structure and working load according to the measurement of shear force parameter in the normal case of production.At same time,the temperature distribution on the cross-section of the billet and the average temperature of the cross-section which is sheared haso also been analyzed and calculated.On 'the basis of above,the methods of calcu- lating maximum shear force and the average temperature with simple formula or diagram are put forward. KEY WORDS:flying shears,shear force,average temperature of billet cross- section 1991-05-06收稿 机械工程系(Department of Mechanica】Engincering) 77

第 卷第 一溯 北 京 科 技 大 学 学 报 叭 一 。 。 年 月 一 。 。 飞剪机的剪切力 徐立 刚 ’ 雷知 行 ’ 扣肠 摘 要 根据某 钢厂小 方坯 连铸 机 的 飞 剪机 在正常 生 产情祝 下测得 的剪切 力参 数 ， 对该 剪机 的受 力 情况 、 工 作 负荷进行 了分 析 ， 同时对连铸 方坯 截面的温度 分布及 铸坯 剪切 裁面的平均温度进行 了分析计算 。 在此基础上 ，探讨 用简单公 式或 图表计算剪切截 面 的 平均 温度和最大剪切力的 方法 。 关键词 飞 剪 ， 剪切 力 、 铸坯 截面的 平均温度 臼‘ 夕 夕 ‘ 夕 卜 ， ， 。 扭 ， 住 一 五 一 。 ’ ， 田 丫 ， ， 一 一 收稿 · 机 械工 程 系 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1991．s1．012

对于连铸机的机械剪切设备来说，剪切力是一个很重要的参数。由于影响剪切力大小的 因素很多，因此在生产中如何比较准确、简便地确定剪切力的数值是很有意义的。本文以某 厂小方坯连铸机的6200kN45°摆式飞剪机为对象，通过对该剪机的力能参数测试，着重分析 了：（1)飞剪机的结构及工作负荷：(2)铸坯横截面的温度分布，并由此确定铸坯剪切截面 的平均温度；(3)探讨比较准确、简便地计算剪切力数值的方法。 1设备结构 某钢厂小方坯连铸机的切割设备采用45°液压摆式飞剪，图1为其剪切机构示意图。 飞剪机的主要技术参数如下： 最大剪切力：6200kN;最大剪切断面：200mm×200mn。 剪切温度：≥800℃；剪机吊挂半径：3405mm。 型式：对自式剪刃， 图1飞剪机剪切机构示意图 1框架 2下剪刃3下刀架4上剪刃5上刀架6活塞杆7活塞8剪切油缸 9剪机剪切后位置10剪机剪切前位置11油管12摆动角 Fig.1 Schematic diagram of shear mechanism of the flying shears 该飞剪机由剪机主体及液压站和控制系统组成。剪机主体吊挂在横跨铸机出坯辊道上方 的横梁上，由摆动液压缸带动，能绕支撑轴承线实现-3°到+7°的摆动（以铅垂位置为0°） 由于摆动半径远大于摆动弧线，所以其摆动弧非常接近于直线。剪机主体为框架结构，下刀 刃及剪切油缸都固定在框架上，油缸的活塞杆与在框架上的导轨中滑动的上刀架相连，剪芦 为上切式。为了实现对角剪切，剪机体倾斜成45°角，用于多流连铸机时，剪机须交错布置° 剪机工作方式如下：当待切铸坯碰到定尺开关（即达到设定的长度）后，剪切油缸的活塞推 动上刀架沿框架中的导轨由45°方向向下剪刃移动，实现对街坯的对角剪切。与此同时，剪 主体在摆动液压缸及铸坯摩擦力的带动下，·沿铸坯前进方向绕支撑轴承线摆动，以此实现 与铸坯同步。剪切完后，上刀及剪机主体都返回初始位置，等待下一次剪切。 78

对于连铸机的机械剪切设备来 说， 剪切力是一个很重要的参数 。 由于影响剪切力大小的 因素很多 ， 因此在生产 中如何比较准确 、 简便地确定剪切力 的 数值是很有意 义的 。 本文 以某 厂 小方坯连铸机的 “ 摆式飞剪机为对象 ， 通过对该剪机的 力 能参数侧试 ， 着重分析 了 飞剪机的结 构及工作负荷 铸 坯横截面的温度分 布 ， 并 由此确定铸坯剪切截面 的 平均温度 探讨 比较准 确 、 简便地计算剪切力数值的 方法 。 设 备 结 构 某钢厂 小 方坯连铸机的 切割设备采用 “ 液压摆式飞剪 ， 图 为其剪 切机构示意图 。 飞剪机的主要技 术参数如下 最大剪切力 最大剪切断 面 又 。 剪切温度 妻 ℃ 剪机吊挂半径 。 型 式 对 直 戈容刀 。 框 架 图 飞剪机剪切 机构示 意 图 下 剪刃 下刀架 上 剪刃 上 刀架 活塞杆 活塞 剪切油缸 剪机 剪切后位置 剪机 剪切前位置 油管 摆动 角 三 。 位 该飞剪机由剪机 主体及液压站和控制 系统组成 。 剪机 主体吊挂在横跨铸机 出坯辊道上方 二 的横梁上 ， 由摆动液压缸带动 ， 能绕支撑轴承线实现 一 。 到 了 。 的摆动 以铅垂位置为 。 由于摆动半径远大于摆动弧线 ， 所以其摆 动弧非 常接近于直线 。 剪机主体为框架结构 ， 下刀 刃及剪切油缸都 固定在框架上 ， 油缸的活塞杆与 在框架上 的导轨 中滑动的上 刀架相连 ， 剪食 为上 切式 。 为 了实现对 角剪切 ， 剪机体倾斜成 。 角 ， 用 于多流连 铸机时 ， 剪机须 交错布置 “ 剪机工作方式如下 当待切铸坯碰到定尺开关 即达到设 定的长度 后 ， 剪切 油缸的活塞推 动上刀架沿框架 中的导轨 由 “ 方向向下剪 刃移动 ， 实现对铸坯的对角剪切 。 与此 同时 ， 剪 主体 在摆动液压缸及铸坯摩 擦力 的 带 动下 ， ， 沿铸坯前进方向绕支撑轴承线摆动 ， 以此 实现 与铸坯 同步 。 剪 切完后 ， 上 刀 及剪机主体都返回初始位置 ， 等待下一 次剪切

2实验方法 2.1剪切力的测置 该剪机的特点为吊挂的框架结构。图2为机构受力简图。由图2可看出，剪切力P通过 下刀架1，上刀架2，活塞杆3，活塞4，剪 切油缸5和框架6形成力的封闭系统，与输入 剪切油缸的液压力相平衡。因此，只要测出活 塞杆受的力P。,就可以得到剪切力。不难看 出，P.不仅大小与P相等，且方向也一致因 此决定在活塞杆上贴电阻应变片测剪切力，应 6 变片位置见图2。根据虎克定律，剪切力为： Strain gages 2 P=P,=Fg=FeE (1) 式中：F一潮点处的截面积；ε一测点处的应 变值；E一活塞杆材料的弹性模量。 图2飞剪机受力简图 由式(1)可知，只需测出贴应变片处的应变值， Fig.2 Force diagram of the flying 就可计算出剪切力。在实测中，考虑到测点 shears 距铸坯较近，为消除温度的影响，选用了北京科技大学机械测试研究室研制的温度互补型中 温电阻应变片贴在话塞杆上，应变信号通过Y6DL-1型动态电阻应变仪放大后用SC20型光线 示波器记录，并用应变梁法、并电阻法和仪器给定应变三种方法〔1)进行了标定。 2.2铸还剪切温度的测量 采用上海卫星仪表厂出品的GD光电测温仪，逐刀测量了铸坯剪切截面上不同位置及铸坯 表面的温度。 3 测试结果与分析 在现场生产工艺计划的安排下，实测时对60Si2Mn钢种，180mm×180mm断面的铸坯测 试了6炉钢水，取得了大量的数据。 3.1铸还剪切截面平均温度 由于在剪切截面上，铸坯心部与表面的温差较大，由实测可知，180mm×180mm截面 的铸坯，其温差可达100~150℃。而剪切时的铸坯温度又随拉坯速度、冷却条件等工艺参数 的不同而变化。为了准确地确定铸坯剪切截面的平均温度，就必须得到铸坯剪切截面的温度 分布规律。 连铸坯的实际传热过程非常复杂，影响因素很多。为了便于计算机模拟连铸坯的凝固过 程，做了如下假设【2？：(1)铸坯的传热主要是沿周边进行，忽略拉坯方向的传热：(2)铸坯 沿中心面对称，认为其温度分布也沿中心面对称；(3)钢的热物理性能（如K、P、C)均为 79

实 验 方 法 剪切 力的浦最 该剪机的特点 为吊挂 的框架 结构 。 图 为机构受力简 图 。 由图 可看 出 ， 剪切力 尸 通过 下刀架 ， 上刀架 ， 活塞 杆 ， 活塞 ， 剪 切 油缸 和框架 形 成 力的 封闭 系统 ， 与输人 剪切 油缸的液压 力相平衡 。 因此 ， 只要测 出活 塞 杆受的力尸 。 ， 就 可以得到剪切 力 。 不 难 看 出 ， 不 仅大小与尸 相 等 ， 且方 向也一致 。 因 此决 定在活塞杆上贴电阻应变片测剪切 力 ， 应 变片 位置见图 。 根据虎克 定律 ， 剪 切 力为 尸 尸 二 丁 ￡ 式 中 一 测点处 的截面积 。 一测点处 的 应 变值 一活塞 杆材料 的弹性模 量 。 由式 可知 ， 只 需测 出贴 应变片处 的应变值 ， 就可计算出剪切力 。 在实测 中 ， 考 虑 到 测 点 图 飞 剪机受力 简图 。 血 公 距铸坯较 近 ， 为消除温度的影响 ， 选 用 了北京科技 大学机械测试研究室研制的温度互补型 中 温电阻 应变片贴 在活塞杆上 ， 应变信号通过 一 型 动 态 电阻 应变仪放大后 用 型 光线 示波器记录 ， 并用应变梁法 、 并 电阻法和仪器给定应变三种方法 〔 ” 进行了标 定 。 。 铸坯剪切 温 度的 浦最 采用上海卫星仪表厂 出品 的 光 电测温仪 ， 逐 刀 测量 了铸坯剪切截面上 不同位置及铸坯 表 面的温度 。 在现场生产工艺计划 的安排下 ， 试 了 炉钢水 ， 取得 了大量的数据 。 测试结果与分析 实测时 对 钢 种 ， 断面的铸坯测 。 铸坯 剪切 截面平 均温 度 由于在剪切 截面上 ， 铸坯 心部与表面的温差较 大 ， 由实测 可知 ， 截 面 的铸坯 ， 其温差 可达 一 ℃ 。 而剪切时 的铸坯温度又随拉坯速度 、 冷却条件等工艺参数 的 不同而变化 。 为了淮 确地确定铸坯剪切 截面的 平均温度 ， 就必须得到铸坯剪切截面的温度 分布规律 。 连铸坯 的实际传热过程非 常 复杂 ， 影 响因素很多 。 为了便于计算机模拟连铸坯的凝固过 程 ， 做了如下假设 ‘ ’ 〕 铸坯的 传热主要是沿周边进 行 ， 忽略拉坯方 向的 传热 铸坯 沿 中心面对称 ， 认为其温度分布也沿 中心面对称 钢的热物理性能 如 、 尸 、 均 为

常数。根据传热学原理3)，凝固热传导的泛定方程为： pc(船+v昭)=(x股）+(KS)+(K股) (2) 式中：K一钢的导热系数；p一钢的密度；C一钢的比热；V一拉坯速度；T一温度；t一时 间；x、y、2一铸坯三个方向的尺度。考虑到以上三个假设后，式(2)可简化为： DcF=2(k股）+9(K8S） (3) 对铸坯截面温度场进行数值计算，就是求在给定初始条件和边界条件下方程(3)的数值解。 方程(3)是二维非稳态偏微分方程，可用差分法来求解‘4)。计算时取半个铸坯，把计算域划 分成若干大小相等的矩形网格，通过对式(3)进行积分，就可得到铸坯截面的温度分布，见 图3。在铸坯剪切截面的中心线上，温度呈近似抛物线分布，在整个截面上，温度呈近似旋 转抛物面分布，与实测数据基本吻合。因此，剪切截面的平均温度可由下式算出： 表1飞剪机工作负荷 110 Table 1 The working load of the flying shears 900 钢 种，坯尺寸剪切温度最大剪切力Px×10% mm2 Pmax,kN 6200 7 0.00.2 0.40.6 0.81.0 低温坯 (<750℃) 3827 61.7 Dimensicnless width of the billet 800 3035 49.0 60Si2Mn180×180850 2580 图3钱坯剪切截面的温度分布 41.6 900 2201 Fig.3 The temperature distribution on 35.5 950 1869 the cross-section of the billet 30.1 T (x、y、z)d0/S (4) ≈T1+80℃ (5) 式中f(x、y、2)一抛物面方程；S一铸坯截面积；T1一铸坯上表面中点处的温度。 由式(5)知，只要测出剪切时铸坯上表面中点处的温度T:,就可得到此时铸坯还截面的平均 温度。利用实测数据，分别用式(4)、(5)计算平均温度，误差小于1%。本文所给的铸坯平 均温度数据均为根据实测T1通过式(5)计算得到的数值。 3.2飞剪机的负荷分析 (1)飞剪机的负荷现状根据对大量剪切力实测示波图的加工，得到了在不同剪切温度 下剪切180mm×180mm截面60Si2Mn铸坯的剪切力数据，见表1。 从表1可看出，在现行的剪切条件和制度下，剪切力的峰锋值为1870~2580kN,约占设计 能力6200kN的(30~42)%，即使在铸机出现故障后剪切低温坯(<750℃)时，其最大剪切力也 80

常数 。 式 中 间 ‘ 、 根据传热 学原理 〔 ’ ， 凝固热传导的泛定方程为 ， 器 、 臀 丢 豁 十 命 芸 晶 器 一钢的 导热系数 一钢的密度 一 钢的 比 热 犷一拉 坯速 度 一温度 卜时 、 二 一铸 坯三个方 向的尺度 。 考虑到 以上 三个假设后 ， 式 可简化为 ， 誓 聂 给 · 命 给 对铸坯截面温度场进行数值计算 ， 就是求在给定初始条 件和边 界条 件下方程 的数值解 。 方程 是二维非稳态偏微分方程 ， 可用差分法来 求解 〔 〕 。 计算时取半个铸 坯 ， 把计算域 划 分成若 干大 小相等的矩形网 格 ， 通过对式 进行积分 ， 就可得到铸 坯截面的 温度分布 ， 见 ‘ 图 。 在铸坯剪切截 面的 中心线上 ， 温度呈 近似抛物线分布 ， 在整个截面上 ， 温度呈 近似旋 转抛物面分 布 ， 与实测数据 基本 吻合 。 因此 ， 剪切截 面的平均温度可由下式算出 一下二二 ‘ 门一 表 飞 剪机工 作负荷 二 种 铸坯尺寸 剪切温度 最大剪切力 奥黔梦、 ℃ 二 ， ‘ 〔 日 低 温 坯 ℃ 、 一 少 、 〕 七 图 铸还剪切 截面 的温度分布 丁 一 一 。 。 。 只︸只一曰口 甘 一八甘”﹄ 、 卜口 日 、 ︵心 曰 · ，‘二 、 ， 、 · ，‘ ” 、 ℃ 式 中 、 、 一抛物面方程 一 铸 坯截面积 ， 一铸坯上 表面 中点处的温度 。 叫 由式 知 ， 只要测 出剪切 时铸 坯上 表面 中点处的 温度 ， 就可得到此 时 铸 坯截 面的平均 温度 。 利 用实测 数据 ， 分别用式 、 计算平均 温度 ， 误差 小于 肠 。 本 文所给的铸坯平 均温度数据均为根据实测 通过式 计算得到的数值 。 飞 剪机的 负荷 分析 飞剪机 的 负荷现状 根据对大量剪 切 力实侧示波 图的加 工 ， 得到 了在不 同剪切温度 下剪切 截面 铸坯 的剪切 力数据 ， 见 表 。 从表 可看 出 ， 在现 行的剪切条 件和 制度 下 ，剪切 力的峰值 为 。 一 ， 约 占设 计 能力 的 ， 即使在铸机 出现故障后剪 切低温坯 ℃ 时 ， 其最大剪切 力也

只有3827kN,为设计能力的61.7%，说明目前该剪机负荷基本属于中、低水平，尚有潜力。 (2)单位剪切阻力单位剪切阻力是金属材料本身抵抗剪切变形的能力，是决定总剪切 力的基本依据。单位剪切阻力曲线以剪切阻力与相对切人深度ε的关系x=f()表示，由实 验得到。根据大量剪切力的实测示波图经相应加工即可转换成单位剪切阻力曲线，转换关系 为： 瞬时剪切力P 下=铸还原始截面积了 MPa (6) 刀片切入深度Ah 8二铸坯截面原始高度=h (7) 图4为实测的单位剪切阻力曲线。 由图中可看出，单位剪切阻力随剪切温度和刀片切入铸坯的深度而变化，其最大值与剪 切力峰值相对应，整个变化过程体现了剪切负荷的变化规律。剪切温度愈低，愈早达到最大 剪切力，剪切延续过程愈短。 120 750℃ 100 2---800℃ 110 3---950℃ 80 4-=-900℃ 80 5--950℃ 60 40 0/ 750 850 950 1050 150 un 0 T℃ 605i2Mn 0.2 0.4 0.6D.8 Relative shear depth 图5尖峰单位剪切阻力与剪切温度的关系 图4单位剪切阻力曲线 Fig.5 Relation between the peak of Fig.4 The curves of unit shear resisra- unit shear resistance and the nce ar different temperatures shear temperatures 剪切力锋值可用尖峰单位剪切阻力x来度量，它与剪切温度T的关系如图5所示。当剪 切温度较低时，T随温度的下降有较快的增长，因此在生产中应尽量避免剪切低温坯。 3.3剪切负荷简易计算法 金属的剪断是金属在剪切面上滑移的结果。由于理论计算要做一些假设，这就与实际有 一定差异，因此剪切力的实验研究就非常必要了。下面以实测数据为基础，探讨简便计算剪 切力的方法，供参考使用。 (1)图解法求最大剪切力，如已知铸坯上表面中点处的温度T:,可利用图6求出最大剪 切力P。x在现场测试时，由于受生产计划所限，仅测试了60Si2Mn一个钢种的剪切力，当所 81

只有 ， 为设 计能力 的 ， 说明 目前该剪机 负荷基本属于 中 、 低水平 ， 尚有潜力 。 单位剪切阻 力 单 位剪 切阻 力是金属材料 本身抵抗剪切变形的能力 ， 是决定总剪 切 力的基本依据 。 单位剪 切阻 力 曲线 以剪切阻力了 与相 对切 入深 度 “ 的关系公 二 〔 ， 表示 ， 由实 验得 到 。 根据大量剪切 力的 实侧示波图经相 应加工即 可转换 成单位剪切阻力 曲线 ， 转换关系 为 一 尾覆曝磊职 刀片切 人途度 一一九 ‘八乙 一 铸玩音面原始高 度 一 一乙兰二』一二 二牛长‘ 亡卜‘ 屯兮兀二 巍黔薰瓢瓢黯耀翼 其最大值与剪 愈早达到最大 剪切力 ， 剪切延续过程愈短 。 升闷 卜、 卜 七， 、 几︸丫﹄口山 口 卜 厂 立。 卜月、 闷︶﹄厂 艺材叫口。的。 厂 少件，一 二习叫匀臼巴的二 图 。 么 丫 犷 七 。 口 飞 单位 剪切 阻 力曲 线 王 己 江 。 图 尖峰单位剪切阻力与 剪切温度的 关系 剪切力峰值可用 尖峰单 位剪切阻力 介来 度量 ， 它 与剪切 温度 的 关系如图 所示 。 当剪 切 温度较低时 ， 几随温度的下降有较快的增长 ， 因此在生产 中应尽量避免剪切低 温坯 。 。 剪切 负荷 简易 计算法 金属的剪断 是金 属在剪切面上滑移的结果 。 由于理论 计算要做一些假设 一定差异 ， 因此剪切 力的实验研究就非常必要 了 。 下面以实测数据为 基础 ， ， 这就与 实际有 探讨简便计算剪 切 力的方 法 ， 供参考使 用 。 图解法求最大剪 切 力 ， 如 已知铸坯上 表面 中点处的 温度 ，， 可利 用 图 求 出辈 切 力 二 。 二 。 在现场测试时 ， 由于受生产计划所限 ， 仅测试了 一 个钢种的剪切 力 当 所