馬寶利，吳 瑋，閆 濤，苗 峰

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301）

連鑄鋼包長(zhǎng)水口機(jī)械手改造

馬寶利，吳 瑋，閆 濤，苗 峰

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301）

針對(duì)特鋼公司三區(qū)生產(chǎn)的鋼坯對(duì)有害氣體的含量未能控制在理想范圍內(nèi)的問題，通過過對(duì)各個(gè)工位的采樣分析，發(fā)現(xiàn)有害氣體只有在連鑄中間包取試樣時(shí)有明顯增加。分析出其產(chǎn)生的原因是現(xiàn)有配重式的鋼包長(zhǎng)水口機(jī)械手，不能提供足夠的壓力將保護(hù)套管與滑板機(jī)構(gòu)的水口嘴密封住，造成有害氣體混入鋼水。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)配種式機(jī)械手進(jìn)行升級(jí)改造，有效地控制了鋼坯內(nèi)有害氣體的含量，提高了工作效率。

鋼坯；有害氣體；試樣；機(jī)械手

1 引言

鋼包長(zhǎng)水口位于鋼包與中間包之間，保護(hù)鋼流不受二次氧化,防止鋼流飛濺以及敞開澆注的鋼水卷渣問題,對(duì)提高鋼水質(zhì)量有明顯效果。使用長(zhǎng)水口還可以減少中間包鋼水溫降,對(duì)合理控制鋼水過熱度改善鑄坯低倍組織結(jié)構(gòu)有重要作用。

2 存在問題

鋼包長(zhǎng)水口機(jī)械手的主要作用就是輔助操作工人能夠自由、方便的安裝、拆卸、清理長(zhǎng)水口。在安裝好鋼包長(zhǎng)水口后，長(zhǎng)水口受到機(jī)械手輸出正壓力，使長(zhǎng)水口與鋼包滑板機(jī)構(gòu)水口能夠緊密貼合，避免在澆鑄過程中有害氣體混入到鋼水中影響鋼水質(zhì)量。鋼包長(zhǎng)水口機(jī)械手的安裝形式如圖1所示。

我廠現(xiàn)有的機(jī)械手具有如下缺點(diǎn)：

圖1 鋼包長(zhǎng)水口安裝示意

（1）配重式的鋼包長(zhǎng)水口機(jī)械手，不能提供足夠的壓力將保護(hù)套管與鋼包滑板機(jī)構(gòu)的水口嘴密封住，造成有害氣體混入鋼水。通過對(duì)連鑄中間包內(nèi)的鋼水取樣，有害氣體較精煉區(qū)域取樣有明顯的增加。

（2）配重式的鋼包長(zhǎng)水口機(jī)械手，由于自身重量較大，在操作過程中往往需要2～3名操作工人，一起完成操作。典型的笨重型設(shè)備耗時(shí)耗力影響工作效率。

出于對(duì)提高鋼水質(zhì)量的目的，廠里決定對(duì)現(xiàn)有的機(jī)械手進(jìn)行升級(jí)改造。

3 鋼包長(zhǎng)水口機(jī)械手的設(shè)備選型分析

3.1 配重式機(jī)械手輸出壓力計(jì)算

如圖2可知，橫臂支點(diǎn)到長(zhǎng)水口距離為2 680mm，兩組配重到達(dá)橫臂支點(diǎn)的距離分別為1 283.5 mm，1 729.4 mm，重量分別為 200kg，198.5 kg鋼包長(zhǎng)水口自重45 kg，橫臂自重84.7 kg重心距離支點(diǎn)的距離為553 mm，鋼包長(zhǎng)水口自重45 kg，鋼水流經(jīng)長(zhǎng)水口在長(zhǎng)水口屬于典型的紊流，其產(chǎn)生的摩擦力，依據(jù)現(xiàn)有條件無法測(cè)定鋼水與長(zhǎng)水口間沿程阻力系數(shù)等值，但依據(jù)耐材廠家提供的長(zhǎng)水口尺寸參數(shù)，且假定鋼水與長(zhǎng)水口產(chǎn)生最大的摩擦力以至于鋼水無法由長(zhǎng)水口靠自重流出，則長(zhǎng)水口內(nèi)滯留的鋼水的重力形成了對(duì)長(zhǎng)水口壓緊鋼包滑板水嘴的反作用力。已知鋼包長(zhǎng)水口內(nèi)經(jīng)?85 mm，長(zhǎng)度1 120mm，可知長(zhǎng)水口內(nèi)鋼水重量為49.5 kg。依據(jù)杠桿原理可知；

F=1 112 N，相當(dāng)于長(zhǎng)水口承受111.2 kg的正壓力。

圖2 配重式機(jī)械手

目前廣泛應(yīng)用的鋼包長(zhǎng)水口機(jī)械手主要有兩種驅(qū)動(dòng)方式：氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)。

3.2 氣動(dòng)輸出壓力計(jì)算

氣動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式相比之下具有改造成本低、驅(qū)動(dòng)介質(zhì)使用廉價(jià)等特點(diǎn)。

結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手

鋼包長(zhǎng)水支架的上下運(yùn)動(dòng)可以通過控制操作面板上的“up0down”選擇開關(guān)，操作人員可以操作機(jī)械手在水平面內(nèi)任意旋轉(zhuǎn)。當(dāng)操作機(jī)械手使長(zhǎng)水口位于鋼包滑板機(jī)構(gòu)水嘴下方時(shí)，可以選“casting on”按鈕，機(jī)械手產(chǎn)生向上推力，使長(zhǎng)水口與滑板機(jī)構(gòu)水嘴緊密貼合。此時(shí)禁止操作機(jī)械手。當(dāng)此爐鋼水澆鑄完成需要更換新的鋼水包，選擇“casting end”按鈕，氣缸泄壓，橫臂緩慢下降操作人員可以進(jìn)行拆卸、清理長(zhǎng)水口等操作。機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)能源為外部提供0.6～0.8 MPa的壓縮空氣，進(jìn)入到控制閥柜內(nèi)的過濾器，當(dāng)抬升電信號(hào)控制三位四通電磁閥得電后，壓縮空通過電磁閥，然后經(jīng)過安全閥，進(jìn)入到氣缸無桿腔，推動(dòng)氣缸向上運(yùn)動(dòng)壓緊長(zhǎng)水口。其中安全閥的主要作用是，釋放回轉(zhuǎn)臺(tái)下降實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)水口侵入式澆鑄過程中，油缸無桿腔積蓄的壓力。避免損壞設(shè)備及管線。

3.3 氣動(dòng)機(jī)械手產(chǎn)生的壓力計(jì)算

已知橫臂支點(diǎn)到長(zhǎng)水口的距離為4028 mm，氣缸支點(diǎn)到橫臂支點(diǎn)的距離為753 mm，氣缸0.6 MPa壓縮空氣的作用下實(shí)際輸出16.5 kN的力。如圖4機(jī)械手橫臂重心位置距離支點(diǎn)2 614 mm，自重178 kg，氣缸與垂直位置夾角13°。

圖4 機(jī)械手實(shí)際工作位置

根據(jù)杠桿原理可計(jì)算出機(jī)械手對(duì)長(zhǎng)水口產(chǎn)生的實(shí)際壓力，

F=1 269.68 N，相當(dāng)于長(zhǎng)水口承受127 kg的正壓力。在壓力輸出上與配重式機(jī)械手沒有明顯優(yōu)勢(shì)，只是節(jié)省了人力。

3.4 液壓機(jī)械手產(chǎn)生的壓力計(jì)算

已知油缸的活塞直徑為100mm，缸桿直徑45 mm系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)范圍為1～18 MPa，因此可知油缸產(chǎn)生的最大拉力為：F（拉）=112.7 kN，如圖 5 所示液壓機(jī)械手的橫臂自重152 kg，重心距離支點(diǎn)1.74 m，其余參數(shù)同上。

圖5 液壓機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

因此可以計(jì)算出作用在長(zhǎng)水口上的壓力，

F=5 390N液壓機(jī)械手最大可輸出539 kg的工作壓力。

通過計(jì)算可知通過減壓閥控制壓力的液壓機(jī)械手相比于氣動(dòng)機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)的壓力調(diào)節(jié)，輸出更高的壓力，以滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際使用需求。

液壓機(jī)械手改造時(shí)充分借鑒了氣動(dòng)機(jī)械手的控制方式，將一些控制形式和安全連鎖條件融入到液壓機(jī)械手的控制方式上，如操作回轉(zhuǎn)臺(tái)事故旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過安全連鎖信號(hào)控制液壓機(jī)械手泄壓并做下降運(yùn)動(dòng)，防止回轉(zhuǎn)臺(tái)事故旋轉(zhuǎn)時(shí)將緊壓在滑板機(jī)構(gòu)下面的機(jī)械手拉斷損壞，起到了很好的設(shè)備保護(hù)作用。

4 設(shè)備調(diào)試

待改造完成后的調(diào)試階段，應(yīng)該依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際狀況確定一個(gè)合理的壓力值，以滿足現(xiàn)場(chǎng)的使用要求，主要的考慮因素有兩點(diǎn)：

（1）機(jī)械手輸出的壓力值不應(yīng)超過長(zhǎng)水口的抗壓強(qiáng)度，否則損壞長(zhǎng)水口。雖然長(zhǎng)水口在安裝完成后，是由透氣環(huán)與機(jī)械手接觸，透氣環(huán)是個(gè)薄壁鐵殼內(nèi)部包裹著長(zhǎng)水口本體，有增加長(zhǎng)水口強(qiáng)度的作用，但是在實(shí)際使用時(shí)，長(zhǎng)水口的依舊與滑板機(jī)構(gòu)水口接觸，依據(jù)廠家提供的長(zhǎng)水口數(shù)據(jù)（見表1）可知，長(zhǎng)水口的理論抗壓，抗折強(qiáng)度20MPa，所以機(jī)械手輸出的壓力不能超過20MPa的壓力。

表1 長(zhǎng)水口性能參數(shù)表

（2）機(jī)械手輸出的壓力通過長(zhǎng)水口直接作用到鋼包滑板機(jī)構(gòu)上，壓力過大影響滑板機(jī)構(gòu)的開關(guān)。

已知滑板機(jī)構(gòu)的原理如圖6所示。

圖6 滑板機(jī)構(gòu)原理圖

鋼包滑動(dòng)水口機(jī)構(gòu)由：底座、支架、滑塊、彈簧組件及驅(qū)動(dòng)組件等組成。機(jī)構(gòu)以上、下滑板為界面分開，底座、支架是固定部分，滑塊是活動(dòng)部分。上水口磚、上滑板磚固定在底座，內(nèi)不動(dòng)，下滑板磚、下水口磚固定在滑塊內(nèi)，滑塊可以在支架內(nèi)往復(fù)滑動(dòng)。活動(dòng)界面通過彈簧組件建立恒定、均勻的界面壓力，動(dòng)力源通過油缸組件驅(qū)動(dòng)滑塊作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼水的節(jié)流。依靠螺栓將整套滑板固定到鋼包底部，在安裝完成后螺栓需要達(dá)到額定的預(yù)緊力，以保證插板與水口之間形成良好的密封性能，避免鋼水外竄，如果機(jī)械手輸出壓力過大就會(huì)影響到滑板機(jī)構(gòu)的正常動(dòng)作。

目前現(xiàn)場(chǎng)使用的滑板機(jī)構(gòu)液壓缸活塞直徑100mm，缸桿45 mm,系統(tǒng)設(shè)定最大壓力18 MPa[2]，油缸輸出拉力112.7 kN力，已知機(jī)械手能夠輸出的最大力壓力為5.39 kN,滑板機(jī)構(gòu)的材質(zhì)為復(fù)合Al2O3-SiC-C，材料特性與石墨類似，因此靜態(tài)摩擦系數(shù)為0.16，因此可知由于機(jī)械手輸出壓力造成的摩擦力增加0.86 kN，相比于油缸輸出拉力（包含安全系數(shù)），因此不會(huì)給系統(tǒng)造成影響。

因此依據(jù)3.1得出的結(jié)論，以盡量低于200kg的抗壓強(qiáng)度，并高于配重式機(jī)械手輸出的111.2 kg的最低壓力進(jìn)行考慮，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況，既不影響長(zhǎng)水口的使用壽命，又能達(dá)到良好的密封效果，依據(jù)取樣檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行判斷，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)得出輸出140kg的壓力比較合理，因此可計(jì)算出油缸輸出拉力要求，得出系統(tǒng)調(diào)定壓力：

140×10×3.48=F（拉）×cos40°×0.286×-（45+49.5）×3.48×10-152×1.74×10

F（拉）=49.1 kN，得出系統(tǒng)調(diào)定壓力為 8 MPa，就能滿足使用要求。

5 改造后的效果

改造完成后，通過對(duì)鑄坯質(zhì)量的不斷跟蹤與記錄，得到表2所示的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)與比較，液壓機(jī)械手改造后鋼水中氮含量相比于改造前降低了25.8%，基本達(dá)到了改造目的。

表2含氮量統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)三種機(jī)械手形式的分析與對(duì)比，對(duì)這三種機(jī)械手的工作原理、控制方式都有深入了解和認(rèn)識(shí)。為將來機(jī)械手的升級(jí)改造打下了基礎(chǔ)。改造后的新式液壓機(jī)械手提高了工作效率，避免之前需要多人操作，占用勞動(dòng)力。

特別是液壓機(jī)械手在工作過程中更加平穩(wěn)無振動(dòng)，能夠輸出更大范圍的壓力，使長(zhǎng)水口與滑板機(jī)構(gòu)水口之間形成良好的密封性，對(duì)于生產(chǎn)品種鋼時(shí)，抑制鋼水在連續(xù)澆鑄過程中有害氣體的增加起到了明顯的效果，達(dá)到了理論聯(lián)系實(shí)際的效果，為今后由于密封性問題造成的鋼水有害氣體含量增加提供了解決依據(jù)。

[1] 車麗平.連鑄滑動(dòng)水口液壓系統(tǒng)分析與改進(jìn)[J].天津冶金，2009（2）：21.

Modification of Manipulator of Ladle Shroud at CCM

MA Baoli,WU Wei,YAN Tao and MIAO Feng

(Tianjin Pipe[Group]Corporation,Tianjin 300301,China)

Aiming at the problem that the content of harmful gases in bloom was not controlled within a satisfactory range,samples were taken at all working positions and analyzed at Area 3 of Special Steel Company.It was found that harmful gases only increased obviously during sampling at tundish.Analysis was made and found the cause was counterweight type ladle shroud manipulator,which could not supply enough pressure to provide sealing between protection tube and slide gate nozzle and caused harmful gases to mix with liquid steel.After the existing manipulator was upgraded and modified,the content of harmful gases in bloom was effectively controlled and working efficiency improved.

bloom;harmful gas;sample;manipulator

10.3969/j.issn.1006-110X.2014.02.039

2013-09-15

2013-10-12

馬寶利（1984—），男，工程師主要從事連鑄設(shè)備方面的研究工作。