赵晓斌

摘要：本文对某炼钢厂直弧型连铸机结晶器宽面夹紧装置出现的事故进行了深入分析，对其设计及工作原理进行了研究，结合现场具体工况进行了分析和计算，准确调整了结晶器宽面铜板处夹紧装置的预紧力，较好地解决了浇钢过程中结晶器铜板过载打开的故障，避免产生结晶器接缝超标及跑锥等问题，保证生产的正常运行。

关键词：结晶器;夹紧装置;碟形弹簧;调整

一、前言

2001年以来，某炼钢厂先后从奥钢联引进了3台直弧型连铸机，直弧型连铸机是当前冶金行业的发展趋势，该机型的连铸机有很多的优点，尤其是该机型的结晶器具有在线调宽、液压结合碟簧锁紧等功能，具有世界先进水平。从该炼钢厂直弧型连铸机投产初期的实际生产情况来看，直弧型结晶器的宽面活动侧铜板多次出现正常浇钢过程中自动打开的现象。而在浇钢过程中，结晶器活动侧铜板一旦打开，宽面铜板与窄面铜板之间的接缝就会变大，接缝增大后，钢水可能进入铜板接缝中，轻则中止浇钢、中断生产，重则引发漏钢事故。导致这种现象的最根本原因是：奥钢联设计的结晶器夹紧装置锁紧力设计偏小。从结晶器的实际锁紧动作来看，动作疲软无力，结晶器夹紧装置的夹紧力无法克服钢水的静压力，导致结晶器活动侧铜板自动打开，浇钢过程中，结晶器活动侧铜板一旦打开，其漏钢的比例将高达95%，所造成的经济损失非常之大，不仅不能保证浇铸的板坯质量，而且烧坏大量设备，打乱正常生产节奏。

结晶器夹紧装置是控制结晶器活动侧宽面铜板打开与锁紧的一个关键装置。本文在对其原理进行深入研究的基础上，結合现场工况，通过对结晶器活动侧铜板的受力进行分析计算，在保证设备主要零件使用寿命的前提下，确定了结晶器夹紧装置的合适预紧力，通过合理的方式进行调整，杜绝结晶器活动侧铜板在浇钢过程中自动打开的现象，从而避免由此产生漏钢等重大生产事故。

二、夹紧装置预紧力的分析计算

板坯连铸机结晶器由宽边两块铜板、窄边两块铜板组成。宽边铜板分为活动侧和固定侧铜板，其中宽面的固定侧上口有2个液压缸，下口有2个液压缸，通过这4个液压缸及锁紧丝杠与活动侧构成夹紧装置，以控制宽面铜板的打开和关闭，共同确定板坯的厚度，其结构所示。固定侧拉杆端用螺母压在内弧侧宽边水箱的箱体上，活动侧通过碟形弹簧将外弧侧宽边水箱夹紧，同时通过4个夹紧油缸的预紧力将窄边铜板夹紧，防止钢水流出。窄面的两块铜板通过伺服比例阀控制调宽油缸，从而达到控制结晶器的宽度和锥度，这种夹紧方式特点是结构简单、易操作，可以实现在线调宽，有效减少连铸机停开机次数，提高连铸机的作业率。

结晶器在线调宽的过程中，宽面活动侧铜板需要打开，正常的浇钢过程中，宽面铜板是需要锁紧的，锁紧力小了，宽面活动侧铜板打开，钢水进入宽面铜板和窄面铜板之间的缝隙中，极易造成漏钢事故，对正常生产构成严重威胁，锁紧力大了，调宽功能无法实现，影响生产节奏。因此控制好宽面铜板的锁紧力显得尤为重要。

根据现场连铸工艺的实际情况，结晶器铜板的高度为900mm，一般情况下钢水在结晶器上口下100mm的位置，加上宽面足辊的距离80mm，由此可以确定钢水在结晶器里的有效实际深度为。由图1可知钢水的静压力通过结晶器铜板及水箱传递到四个夹紧油缸，结晶器夹紧装置。

（一）钢水对结晶器铜板的静压力

结晶器的实际有效截面积越大，钢水对铜板的静压力就越大，根据某炼钢厂的生产实际，按照最大板坯截面计算。根据结晶器结构型式，钢水对宽面铜板的静压力F为：

（二）上下夹紧装置分力

假设结晶器宽面铜板与窄面铜板接触但不受力，结晶器铜板受力分析示意图如图3所示，O1、O2分别为上下油缸轴线，结晶器内钢水重心位置为C点所示，对铜板静压力F作用于C，同时铜板受到两夹紧油缸的作用力R1、R2，点O1、C、O2高度方向上尺寸分别为h1，H，h2，铸坯宽度为h。

取结晶器铜板的形心C高度[6]，对点C合力矩平衡得：

（2）

根据工艺参数及结晶器实际尺寸取，，，由式（2）可得：，。则如图4所示，活动侧宽面铜板对应得上、下夹紧油缸各有两个，分别与R1，R2平衡，四个夹紧油缸各自所受作用力为：

（三）计算夹紧装置油缸预紧力

为便于测量夹紧装置分力，转化为对应夹紧油缸预紧压强：

（3）

式中Fn为第n个油缸所承受钢水静压力的分力;S为夹紧油缸的有效面积，取4个油缸直径D=110mm，活塞杆直径d=50mm，。代入式（3）得：;。即保证承载钢水静压力时宽面活动侧铜板不会自动打开下，夹紧装置应该提供的预紧力的最小值。

三、故障原因分析及实施措施

对于结晶器夹紧油缸的预紧力，考虑现场的实际工况及安全性能。取安全系数为1.5[6]，则对应的油缸压强和预紧。

根据现场多次试验发现：结晶器上夹紧装置油缸压力达到75bar，结晶器下夹紧装置油缸压力达到125bar，结晶器活动侧铜板可以完全打开，由此可以近似地计算出对应的锁紧力，同时结合不同油缸压力下碟簧的预压量，就可以得到夹紧装置调整后碟簧预压量、油缸压力与碟簧压缩量三者之间关系曲线。

对比图5中两个曲线，可以发现，调整后的夹紧装置碟簧的预压量增大了，对应的预紧力比调整前的预紧力要大，因此结晶器活动侧铜板自动打开的根本原因在于夹紧油缸的预紧力过小。应按照分析计算的预紧力进行调整，但是预紧力不能无限制的增大，因为预紧力过大就可能无法打开活动侧铜板，造成无法实现结晶器在线调宽。通过现场多次实验和测试，同时结合计算得到的相关数据，把夹紧装置上油缸内碟形弹簧的预紧量由原来的2mm增加到现在的5mm，预紧力也由原来的10.1bar增加到现在的23.3bar;夹紧装置下油缸内碟形弹簧的预紧量由原来的6.6mm增加到现在的9.6mm，预紧力也由原来的36bar增加到现在的48bar。

现场采取在夹紧装置油缸内增大碟形弹簧的预紧量的方式以增大预紧力，具体实现办法为增加油缸内垫片厚度，通过多次调整油缸活塞杆动作并参考所对应的油缸压力，最终调整到所需要的油缸压力、叠簧预压量和预紧力。

四、小结

经过对现场实际生产情况的验证，改进后的结晶器夹紧装置很好地解决了结晶器浇钢过程中自动打开的难题，同时为现场工人制作结晶器提供了标准依据。并且在新连铸机结晶器夹紧装置预紧力的设计中，奥钢联按照我们所计算的预紧力，重新加大了结晶器锁紧装置的预紧力，在新结晶器使用过程中，取得了很好的效果。

参考文献

闫开宇，孙健.结晶器夹紧装置设计方案研究[J].一重技术，2007，（3）.

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李宗军，张玉镜.唐钢1700板坯连铸机结晶器跑锥度的原因与解决措施[J].科技资讯，2009，（2）.

郭玉山.结晶器调宽控制系统在连铸机中的应用[J].科技信息（科学教研），2008，（15）.

周立宏. CSP结晶器在线调宽调锥液压故障分析与排除[J].液压与气动，2005，（9）.

刘明延，李平.板坯连铸机设计与计算[J].北京：机械工业出版社，1990.