连铸钢包长水口机械手改造

马宝利，吴 玮，闫 涛，苗 峰

（天津钢管集团股份有限公司，天津 300301）

连铸钢包长水口机械手改造

马宝利，吴 玮，闫 涛，苗 峰

（天津钢管集团股份有限公司，天津 300301）

针对特钢公司三区生产的钢坯对有害气体的含量未能控制在理想范围内的问题，通过过对各个工位的采样分析，发现有害气体只有在连铸中间包取试样时有明显增加。分析出其产生的原因是现有配重式的钢包长水口机械手，不能提供足够的压力将保护套管与滑板机构的水口嘴密封住，造成有害气体混入钢水。通过对现场配种式机械手进行升级改造，有效地控制了钢坯内有害气体的含量，提高了工作效率。

钢坯；有害气体；试样；机械手

1 引言

钢包长水口位于钢包与中间包之间，保护钢流不受二次氧化,防止钢流飞溅以及敞开浇注的钢水卷渣问题,对提高钢水质量有明显效果。使用长水口还可以减少中间包钢水温降,对合理控制钢水过热度改善铸坯低倍组织结构有重要作用。

2 存在问题

钢包长水口机械手的主要作用就是辅助操作工人能够自由、方便的安装、拆卸、清理长水口。在安装好钢包长水口后，长水口受到机械手输出正压力，使长水口与钢包滑板机构水口能够紧密贴合，避免在浇铸过程中有害气体混入到钢水中影响钢水质量。钢包长水口机械手的安装形式如图1所示。

我厂现有的机械手具有如下缺点：

图1 钢包长水口安装示意

（1）配重式的钢包长水口机械手，不能提供足够的压力将保护套管与钢包滑板机构的水口嘴密封住，造成有害气体混入钢水。通过对连铸中间包内的钢水取样，有害气体较精炼区域取样有明显的增加。

（2）配重式的钢包长水口机械手，由于自身重量较大，在操作过程中往往需要2～3名操作工人，一起完成操作。典型的笨重型设备耗时耗力影响工作效率。

出于对提高钢水质量的目的，厂里决定对现有的机械手进行升级改造。

3 钢包长水口机械手的设备选型分析

3.1 配重式机械手输出压力计算

如图2可知，横臂支点到长水口距离为2 680mm，两组配重到达横臂支点的距离分别为1 283.5 mm，1 729.4 mm，重量分别为 200kg，198.5 kg钢包长水口自重45 kg，横臂自重84.7 kg重心距离支点的距离为553 mm，钢包长水口自重45 kg，钢水流经长水口在长水口属于典型的紊流，其产生的摩擦力，依据现有条件无法测定钢水与长水口间沿程阻力系数等值，但依据耐材厂家提供的长水口尺寸参数，且假定钢水与长水口产生最大的摩擦力以至于钢水无法由长水口靠自重流出，则长水口内滞留的钢水的重力形成了对长水口压紧钢包滑板水嘴的反作用力。已知钢包长水口内经ø85 mm，长度1 120mm，可知长水口内钢水重量为49.5 kg。依据杠杆原理可知；

F=1 112 N，相当于长水口承受111.2 kg的正压力。

图2 配重式机械手

目前广泛应用的钢包长水口机械手主要有两种驱动方式：气动驱动和液压驱动。

3.2 气动输出压力计算

气动的驱动方式相比之下具有改造成本低、驱动介质使用廉价等特点。

结构形式如图3所示。

图3 气动驱动机械手

钢包长水支架的上下运动可以通过控制操作面板上的“up0down”选择开关，操作人员可以操作机械手在水平面内任意旋转。当操作机械手使长水口位于钢包滑板机构水嘴下方时，可以选“casting on”按钮，机械手产生向上推力，使长水口与滑板机构水嘴紧密贴合。此时禁止操作机械手。当此炉钢水浇铸完成需要更换新的钢水包，选择“casting end”按钮，气缸泄压，横臂缓慢下降操作人员可以进行拆卸、清理长水口等操作。机械手的驱动能源为外部提供0.6～0.8 MPa的压缩空气，进入到控制阀柜内的过滤器，当抬升电信号控制三位四通电磁阀得电后，压缩空通过电磁阀，然后经过安全阀，进入到气缸无杆腔，推动气缸向上运动压紧长水口。其中安全阀的主要作用是，释放回转台下降实现长水口侵入式浇铸过程中，油缸无杆腔积蓄的压力。避免损坏设备及管线。

3.3 气动机械手产生的压力计算

已知横臂支点到长水口的距离为4028 mm，气缸支点到横臂支点的距离为753 mm，气缸0.6 MPa压缩空气的作用下实际输出16.5 kN的力。如图4机械手横臂重心位置距离支点2 614 mm，自重178 kg，气缸与垂直位置夹角13°。

图4 机械手实际工作位置

根据杠杆原理可计算出机械手对长水口产生的实际压力，

F=1 269.68 N，相当于长水口承受127 kg的正压力。在压力输出上与配重式机械手没有明显优势，只是节省了人力。

3.4 液压机械手产生的压力计算

已知油缸的活塞直径为100mm，缸杆直径45 mm系统压力调节范围为1～18 MPa，因此可知油缸产生的最大拉力为：F（拉）=112.7 kN，如图 5 所示液压机械手的横臂自重152 kg，重心距离支点1.74 m，其余参数同上。

图5 液压机械手结构图

因此可以计算出作用在长水口上的压力，

F=5 390N液压机械手最大可输出539 kg的工作压力。

通过计算可知通过减压阀控制压力的液压机械手相比于气动机械手可以实现更大范围内的压力调节，输出更高的压力，以满足现场的实际使用需求。

液压机械手改造时充分借鉴了气动机械手的控制方式，将一些控制形式和安全连锁条件融入到液压机械手的控制方式上，如操作回转台事故旋转时，通过安全连锁信号控制液压机械手泄压并做下降运动，防止回转台事故旋转时将紧压在滑板机构下面的机械手拉断损坏，起到了很好的设备保护作用。

4 设备调试

待改造完成后的调试阶段，应该依据现场的实际状况确定一个合理的压力值，以满足现场的使用要求，主要的考虑因素有两点：

（1）机械手输出的压力值不应超过长水口的抗压强度，否则损坏长水口。虽然长水口在安装完成后，是由透气环与机械手接触，透气环是个薄壁铁壳内部包裹着长水口本体，有增加长水口强度的作用，但是在实际使用时，长水口的依旧与滑板机构水口接触，依据厂家提供的长水口数据（见表1）可知，长水口的理论抗压，抗折强度20MPa，所以机械手输出的压力不能超过20MPa的压力。

表1 长水口性能参数表

（2）机械手输出的压力通过长水口直接作用到钢包滑板机构上，压力过大影响滑板机构的开关。

已知滑板机构的原理如图6所示。

图6 滑板机构原理图

钢包滑动水口机构由：底座、支架、滑块、弹簧组件及驱动组件等组成。机构以上、下滑板为界面分开，底座、支架是固定部分，滑块是活动部分。上水口砖、上滑板砖固定在底座，内不动，下滑板砖、下水口砖固定在滑块内，滑块可以在支架内往复滑动。活动界面通过弹簧组件建立恒定、均匀的界面压力，动力源通过油缸组件驱动滑块作往复运动，从而实现对钢水的节流。依靠螺栓将整套滑板固定到钢包底部，在安装完成后螺栓需要达到额定的预紧力，以保证插板与水口之间形成良好的密封性能，避免钢水外窜，如果机械手输出压力过大就会影响到滑板机构的正常动作。

目前现场使用的滑板机构液压缸活塞直径100mm，缸杆45 mm,系统设定最大压力18 MPa[2]，油缸输出拉力112.7 kN力，已知机械手能够输出的最大力压力为5.39 kN,滑板机构的材质为复合Al2O3-SiC-C，材料特性与石墨类似，因此静态摩擦系数为0.16，因此可知由于机械手输出压力造成的摩擦力增加0.86 kN，相比于油缸输出拉力（包含安全系数），因此不会给系统造成影响。

因此依据3.1得出的结论，以尽量低于200kg的抗压强度，并高于配重式机械手输出的111.2 kg的最低压力进行考虑，根据现场使用情况，既不影响长水口的使用寿命，又能达到良好的密封效果，依据取样检测结果进行判断，经过反复试验得出输出140kg的压力比较合理，因此可计算出油缸输出拉力要求，得出系统调定压力：

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

F（拉）=49.1 kN，得出系统调定压力为 8 MPa，就能满足使用要求。

5 改造后的效果

改造完成后，通过对铸坯质量的不断跟踪与记录，得到表2所示的统计结果。经过长时间的统计与比较，液压机械手改造后钢水中氮含量相比于改造前降低了25.8%，基本达到了改造目的。

表2含氮量统计表

6 结束语

通过对三种机械手形式的分析与对比，对这三种机械手的工作原理、控制方式都有深入了解和认识。为将来机械手的升级改造打下了基础。改造后的新式液压机械手提高了工作效率，避免之前需要多人操作，占用劳动力。

特别是液压机械手在工作过程中更加平稳无振动，能够输出更大范围的压力，使长水口与滑板机构水口之间形成良好的密封性，对于生产品种钢时，抑制钢水在连续浇铸过程中有害气体的增加起到了明显的效果，达到了理论联系实际的效果，为今后由于密封性问题造成的钢水有害气体含量增加提供了解决依据。

[1] 车丽平.连铸滑动水口液压系统分析与改进[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

马宝利（1984—），男，工程师主要从事连铸设备方面的研究工作。