热镀锌线上锌锅升降装置的优化设计

惠世民

(上海西重所公司重型机械成套有限公司，上海 201900)

0 前言

热镀锌板材在汽车板、家电板、建筑民用板等领域的用途越来越广泛，而且因其生产成本较低、防腐性能高受到许多生产企业的青睐。随着我国热镀锌技术的发展，最近又出现了镀铝锌硅生产线和镀锌铝生产线、生产高表面质量纯锌和合金化热镀锌产品的新建热镀锌机组，通常采用可移动或提升更换的双锌锅系统来替代镀液转换，以减少采用单个锌锅系统在进行产品切换时产生的大量锌渣缺陷，提高产品表面质量，同时也有利于锌锅温度和铝含量的稳定控制。

在热镀锌生产线上，锌锅提升装置是处在最低位的一台设备，与在线的主要设备比较，显得无足轻重，但是在实际生产中，设置有两个锌锅却至关重要。热镀锌机组中最重要的工艺段为镀锌段，镀锌段的关键设备就是锌锅。而镀锌作业时，锌锅必须从待机位横移到工作最低位，经锌锅升降装置提升至工作位，镀锌机组才能顺利生产。

1 锌锅升降装置类型确定

目前在国内热镀锌线上使用的锌锅升降装置有两种形式:一种为液压升降系统，一种是机械升降系统。国外进口和国内厂家生产的液压顶升装置均能满足用户需求。截止2011 年，机械式锌锅提升装置全部为进口设备，国内没有设计成套的供货企业。2011 年宝钢冷轧热镀锌线改造，由于受到安装空间和其它客观原因的限制，经过国内外考察，委托上海西重所公司重型机械成套有限公司设计开发机械式锌锅升降的机电一体化装置。经对比可知，这两种升降装置存在着不同的特点(见表1)。

表1 锌锅提升装置类型及其特点对照Tab.1 the zinc pot lifting device types and characteristics

从表1 中可看出，由于液压顶升系统中为了四个液压缸同步，液压系统必须使用比例伺服阀，同步调整比较困难，而且在平时的运行中会发生阀芯堵塞、损坏、系统软管泄漏等问题，而现场由于要对锌锅表面进行清渣，难免偶尔有锌液滴落，所以存在有安全隐患，必须经常进行维护或更换有关元件。通过对国内外类似机组调研和从长期生产的运行成本分析，采用机械式锌锅升降装置比较低，而且运行安全、可靠，除定期检查更换设备润滑油以外，基本上属于免维护型。所以，无论现有单锌锅机组改造，还是新上的双锅热镀锌线，采用机械式锌锅升降的机电一体化装置是最佳的方案。

2 锌锅升降装置技术要求

由于锌锅体积比较庞大，长宽高分别约为5800 ×6300 ×4300(含行走车轮)，在装满锌液时总重约480t，而且锌锅内熔融状态锌液的温度高达500℃以上。同时锌锅(装满锌液)及升降装置等设备总重约550t。在这样的工况下，要将锌锅控制在水平度误差范围内，提升到生产工艺高度，存在着一定的难度和较大风险。同时按照实际工艺过程需要，用户对设备的承载和运行精度有严格的要求(见表2):

表2 设备性能和精度保证值Tab.2 The equipment performance and precision value

从上述可知，要保证以上的工艺要求，该升降装置无论从设备结构设计还是自动化控制方法都有较高的要求。设备的结构不仅要满足强度、刚性要求，还应满足大型结构件在运行中变形量在可控范围内。要求该装置提升过程中保证一定的速度且运行平稳，控制上停位准确，无故障率≥99%。

3 机械式锌锅升降装置的优化设计

锌锅升降装置结构如图1 所示。

图1 锌锅升降装置Fig.1 Scheme of zinc pot lifting device

该装置主要由1 升降导向机构、2 升降架本体、3 翻转立柱、4 传动系统、5 固定立柱、电控系统等组成。其中最关键的部件为升降架本体、传动装置和电控系统。因此在设计中，不仅对其结构和控制工艺进行优化，而且要考虑各种工作状态时的安全保障措施。

3.1 升降架的优化设计

结合安装现场工况分析，升降架(图2)本体是锌锅升降装置承上启下的关键部件，机械设备设计中，在满足工艺功能的要求下，进行了以下几方面的优化:

(1)该部件上面要承载锌锅、锌液及其各种附件近500 t 的载荷，下部要承受相应的顶升力，必须具有满足要求的强度和刚性，为此在完成升降架本体的结构设计后，建立三维模型，按照实际架体受力状态进行受力分析，利用ANSYS 有限元软件对升降架计算校核，分析其危险断面的强度是否满足要求，计算其大梁变形是否超出要求。

(2)在满足强度和刚度的条件下，为了尽量减少该部件本身的重量，减少提升装置的载荷，降低传动能耗，采用箱型结构大梁，减小焊接大梁的钢板厚度，修改三维模型重新计算，对于受力较大、变形较大的位置设置筋板加固。

(3)由于该装置安装于地面下～8 m 的地坑内，而且地坑上口小，下部大，类似坛状结构，为了方便设备吊装和运输，节约运输成本，再次优化升降架的结构，将整体焊接的升降架，设计成可拆装的组装部件，减小部件的总体尺寸，并且对分解后的两件大梁和中间联结架，每个部件按照加工工艺要求和运输支撑要求进行单独的工艺支撑，防止加工和运输过程中变形。

(4)为了在安装现场方便组装，组装后的整体不能发生变形，其承载能力与整体焊接件一致。将整体结构拆分为三个部件，在联结面处加装大型平键，采用螺栓联结，安装现场组装后再采用断续焊缝焊接。具体如图2 所示。

图2 升降架Fig.2 Lifting frame

3.2 传动系统的优化

从表2 中可以看出，锌锅升降过程中平稳性要求较高，采用集中传动方式:一台电机集中传动四台升降机，保证提升过程中四台升降机同步。经过分析计算传动有关技术参数如下。

提升能力:最大550 t

升降机数量:4 台

传动方式:集中传动

电机功率:90 kW

提升速度:～82 mm/min

工作提升行程:800～1500 mm(根据用户工艺要求确定)。

升降机总行程:950～1780 mm(工艺参数与所选升降机结构确定)。

传动系统组成由电机、主减速机、2 台转向器、4 台升降机组成，如图3 所示。

图3 传动系统Fig.3 Transmission system

(1)将传动设备按照对称方式布置。传动系统设备按照最理想的对称扭矩分配方案布置，保证了传动过程中各升降机的受力状态基本一致，可消除不对称负载分布对丝杠升降机同步性能的不利影响，提高了每台升降机寿命。

(2)尽量减少设备之间的联结件。电机与主减速机之间采用法兰直接联接，省去联轴器;减少出故障环节。

(3)传动连接轴与两端联轴器配对成套定制。主减速机与转向器之间、转向器与升降机之间采用球笼式连接轴，且连接轴两端自带配对联轴器(见图3)，可使连接轴与联轴器之间的配合在出厂前就调整到最佳状态，减少使用现场安装引起的传动系统问题。

(4)升降机在待机位和长期工作位时处于卸载状态。设置固定立柱和翻转立柱，使得升降机只在提升锌锅的运行过程中受力，其余状态不受任何载荷。在升降架处于最低位时设置固定立柱，承受锌锅小车由基础移动到升降架上时的冲击力，承受在待机时锌锅、锌液、提升架等全部的重力载荷。工作位时，锌锅处于相对长期的生产状态，翻转立柱处于垂直位置，由四根立柱承受长期的工作状态载荷，四台升降机卸载，从而有效的保护了四台升降机的升降丝杆及其相关传动件，延长其使用寿命。

(5)将升降机箱体中润滑油温度的检测、报警与主传动电机控制联锁，使升降机涡轮蜗杆在设定油温状态下工作。由于升降机采用的蜗轮蜗杆传动效率低，传动热损耗较大。对于升降机在连续提升起550 t 的负载时，有时会因为传动温升过高破坏了润滑，引起传动损坏。采用对润滑油温度的在线实时检测、显示，并将升降机箱体中油温的检测和报警与主传动电机联锁控制，当油温高于报警值时传动电机自动停止运行，此时系统处于锁定状态，确保了保设备运行的安全性。

通过以上对传动系统的优化，实现了四台升降机同步精度≤±1mm;无故障率≥99%。消除了四台升降机丝杠处于长期受载的不利状态，保证了升降机总的传动效率，充分保证了设备运行中的安全性，提高了设备的使用寿命，完成后的锌锅升降装置如图4 所示。

图4 锌锅升降装置Fig.4 The zinc pot lifting device

4 结束语

上海西重所重型机械成套有限公司自主设计成套的首台机械式锌锅升降机电一体化装置，已于2011 年11 月在宝钢的热镀锌机组改造中投入运行，填补了国内钢铁行业镀锌机组机械式锌锅提升装置的空白。2013 年为湖南娄底某汽车板厂提供的第二台设备，于2014 年正式投入生产。两台设备至今运行正常，基本上属于免维护型，降低了设备维护人员的劳动强度，节约了维护成本，扩大了镀锌机组的产品种类，提高产品表面质量，为用户提高了镀锌板的经济效益。2015年又为宝钢提供了第三台设备，用于热镀锌(108)机组改造，目前正在安装调试。

［1］张理扬，李俊，左良.带钢连续热镀锌工艺技术的发展现状〔J〕.轧钢，2005，422(2):38－42.

［2］边军，刘相华，王国栋，等.我国热镀锌钢板生产现状及展望［J］.钢铁研究，126(3):57－59.

［3］徐灏主编.机械设计手册(4－2 版)［M］.北京:机械工业出版社，2000:35－210.

［4］张理扬，李俊，左良.新型带钢连续热镀锌机组的发展［J］.钢铁研究学报，2005(4).

［5］吕军.带钢连续热镀锌机组镀层控制系统数模初探［J］.轧钢，1999(2).

［6］江萍，宋晓冬.宝钢带钢连续热镀锌机组及汽车用镀锌板生产［J］.轧钢，2006(12).