張偉健

(馬鋼集團設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，安徽 馬鞍山 243000)

1 研究背景與設(shè)計目的

在連鑄設(shè)備中，引錠桿是連鑄機的重要裝置之一。引錠桿由引錠頭、過渡件和桿身組成。澆鑄前，引錠頭和部分過渡件進入結(jié)晶器，形成結(jié)晶器可活動的“內(nèi)底”，澆鑄開始后，鋼水凝固，與引錠頭凝結(jié)在一起，由拉矯機牽引著引錠桿，把鑄坯連續(xù)地從結(jié)晶器拉出，直到引錠頭通過拉矯機后，通過脫引錠裝置將引錠桿與鑄坯分離，最后進入引錠桿存放裝置。

在連鑄機中，引錠桿裝入方式通常有上裝式和下裝式兩種。引錠桿從結(jié)晶器上口進入的稱為上裝式，反之稱為下裝式。下裝式引錠系統(tǒng)和上裝式引錠系統(tǒng)優(yōu)缺點比較見表1[1]。

表1 下裝式引錠系統(tǒng)和上裝式引錠系統(tǒng)比較Table 1 Comparison of upper-fixing dummy bar system and lower-fixing dummy bar system

從表1所列的優(yōu)缺點中可以看出：上裝式引錠系統(tǒng)最大的優(yōu)點就是極大地縮短了連鑄機的準(zhǔn)備時間，提高了連鑄機的作業(yè)率。由于上裝式引錠桿系統(tǒng)具有表1所列各項優(yōu)點，使得其在板坯連鑄機、大規(guī)格圓坯連鑄機、大規(guī)格異型坯連鑄機中得到廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計的安全鎖緊裝置就是應(yīng)用在上裝式引錠系統(tǒng)中。

上裝式引錠系統(tǒng)的工作流程為：裝載有引錠桿的引錠桿車從引錠桿收集位通過電機驅(qū)動行駛到引錠桿裝入位，此時引錠桿車上的傳送鏈條開始工作，鏈條通過電機驅(qū)動將引錠桿慢慢的送入結(jié)晶器內(nèi)，直到引錠桿尾部到達扇形段尾部夾送輥的位置，夾送輥緊緊夾持住引錠桿，防止引錠桿下滑，然后引錠桿車再返回到引錠桿收集位，此時連鑄機準(zhǔn)備開澆。連鑄機開始澆鑄后，引錠桿在扇形段夾送輥的夾持驅(qū)動下，按提前設(shè)置好的拉速將鑄坯從結(jié)晶器中緩慢拉出，引錠桿和鑄坯依次會通過扇形段、拉矯機、切割前輥道、火焰切割機。在切割前輥道中設(shè)置有脫引錠裝置，當(dāng)引錠桿頭部到達此位置時，脫引錠裝置開始工作，脫引錠輥在液壓缸的驅(qū)動下迅速升起，將引錠桿與鑄坯脫開，此時卷揚裝置的吊鉤勾住引錠桿的尾部，通過電機驅(qū)動卷揚將引錠桿慢慢提升起來，當(dāng)引錠桿被提升到一定的高度時，引錠桿尾部將通過傳送鏈條被送到引錠桿車上的鏈條勾頭上，然后引錠桿車上鏈條開始運轉(zhuǎn)，最終將引錠桿收集在引錠桿車上，以備下一個澆次使用。

在將引錠桿尾部從卷揚勾頭移送到引錠桿車輸送鏈條勾頭的過程中，電氣控制系統(tǒng)失效或者引錠桿車上的鏈條斷裂，重達十多噸的引錠桿就可能突然墜落，造成大量機械設(shè)備的毀壞，甚至人員傷亡等重大事故?？刂葡到y(tǒng)或者設(shè)備的故障時有發(fā)生，如何在發(fā)生故障時確保設(shè)備和人員安全，是本文研究的重點。

本研究目的在于設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、能有效地防止連鑄機上裝式引錠系統(tǒng)的引錠桿在提升過程中意外墜落的裝置。一旦引錠桿提升裝置在提升引錠桿的過程出現(xiàn)意外導(dǎo)致引錠桿墜落，這時該裝置可以自動鎖緊引錠桿，使其停止在空中等待事故處理。當(dāng)事故處理完后，通過機構(gòu)自動打開引錠桿的安全鎖緊裝置，使引錠桿恢復(fù)正常工作。

2 設(shè)計技術(shù)方案

本研究設(shè)計應(yīng)用在馬鋼新區(qū)雙流板坯連鑄機的上裝式引錠系統(tǒng)(見圖1)中，該系統(tǒng)的設(shè)備主要由以下幾部分組成：

(1)引錠桿

引錠桿用來在開澆時引導(dǎo)鑄坯，并將鑄坯拉出二冷區(qū)。其主要結(jié)構(gòu)特點是引錠桿為鏈?zhǔn)?，鏈?jié)之間用銷軸連接，每節(jié)鏈只能向一個方向彎曲。為適應(yīng)不同規(guī)格的鑄坯，引錠桿頭部設(shè)計成可隨鑄坯規(guī)格變化。頭部可安裝多功能自動輥縫檢測儀，具有檢測輥縫、輥子外形(變形，不對中，轉(zhuǎn)動)、二冷水噴嘴狀況的功能。

主要技術(shù)參數(shù)：

鑄坯斷面尺寸：厚度230 mm，寬度900～1600 mm

引錠頭尺寸：寬度950～1610 mm

引錠桿長度：～9100 mm

桿身厚度：～196 mm

桿鏈長度：～1500 mm

引錠頭存放架：焊接鋼結(jié)構(gòu)框架

1—結(jié)晶器；2—引錠桿車裝入引錠位；3—引錠桿車收集引錠位；4—卷揚系統(tǒng)；5—安全鎖緊裝置；6—引錠桿；7—脫引錠裝置。圖1 上裝式引錠系統(tǒng)Figure 1 Upper-fixing dummy bar system

(2)引錠桿車

引錠桿車布置在澆鑄平臺上，在澆鑄過程中，用來接收引錠桿提升裝置提升上來的引錠桿并將其存放在車上，在開澆前將引錠桿運送到結(jié)晶器上方并通過結(jié)晶器插入二冷段。

引錠桿車主要由以下幾部分組成：帶行走驅(qū)動裝置的小車、傳送鏈條及鏈條驅(qū)動裝置、鋼結(jié)構(gòu)支撐、對中裝置、引錠桿提升卷揚系統(tǒng)。

a)帶行走驅(qū)動裝置的小車

小車行走在提前設(shè)置好的軌道上，由特殊的馬達驅(qū)動。驅(qū)動系統(tǒng)包括電機、減速機、編碼器、制動器組成。

主要技術(shù)參數(shù)：

小車行走速度：0.6～15 m/min

電機功率：7.5 kW

送引錠速度：0.25～5 m/min

介質(zhì)供應(yīng)：拖纜

對中形式：液壓

b)傳送鏈條及鏈條驅(qū)動裝置

傳送鏈系統(tǒng)由兩股帶間隔腹板的鏈條組成，并包括引錠桿轉(zhuǎn)接掛鉤。鏈條驅(qū)動裝置由一個組合蝸輪蝸桿減速機、制動盤、鉗式制動器組成?？蓴[動的引錠桿鎖作為支承引錠桿的板片在被制動器的驅(qū)動導(dǎo)向輥夾緊之前。

c)鋼結(jié)構(gòu)支撐

鋼結(jié)構(gòu)支撐框架用于驅(qū)動裝置的管線布置支撐。

d)對中裝置

通過對中裝置的兩個勾頭保證引錠桿在引錠桿車上的對中定位。勾頭與引錠桿結(jié)合，并沿著引錠桿車上的導(dǎo)向輥拖動引錠桿，并保持引錠桿始終處于居中狀態(tài)。這些勾頭也用于從引錠桿車上勾住引錠桿，防止引錠桿掉入結(jié)晶器內(nèi)。

e)提升卷揚系統(tǒng)

提升卷揚系統(tǒng)用于將在引錠桿從輥道上收集提升到引錠桿車上。卷揚系統(tǒng)包括電機、減速機、制動器、卷筒。

引錠桿卷揚提升行程：15500 mm

提升速度：0～5.0 m/min

電機功率：22 kW

(3)脫引錠裝置

該裝置位于水平扇形段出口處。脫引錠裝置用于脫離鑄坯和引錠桿。該裝置可全自動操作，也可手動操作。脫引錠裝置由頂升頭、頂升液壓缸和框架組成。頂升頭是一個可沿框架上下移動的輥子，由頂升液壓缸驅(qū)動，框架為焊接鋼結(jié)構(gòu)。

主要技術(shù)參數(shù)：

液壓缸缸徑：?80 mm

活塞桿直徑：?56 mm

行程：150 mm

最大壓力：20 MPa

(4)引錠桿導(dǎo)向保護裝置

該裝置主要用于引錠提升裝置下落或提升已與鑄坯頭部脫離開的引錠桿上升時對引錠桿進行導(dǎo)向和提升引錠桿時進行安全保護。引錠桿導(dǎo)向由擺框架和擺動液壓缸等組成；保護裝置為焊接鋼結(jié)構(gòu)框架。

主要技術(shù)參數(shù)：

液壓缸缸徑：?125 mm

活塞桿直徑：?80 mm

行程：600 mm

工作壓力：20 MPa

(5)安全裝置

引錠桿安全裝置又叫防落裝置，是一種特殊的安全裝置。

2.1 設(shè)計方案

本次設(shè)計的引錠桿安全鎖緊裝置采用平行四邊形機構(gòu)原理[2]，主要由底座、引錠桿導(dǎo)向架、支撐座、導(dǎo)向座、電動缸、鎖緊頭、鎖緊頭支座、連桿、推桿和連接桿等組成，如圖2和圖3所示。

圖2 引錠桿安全鎖緊裝置機構(gòu)簡圖Figure 2 Safety locking device mechanism of dummy bar system

底座為焊接加工件，底座用10個M20 mm×850 mm穿心地腳螺栓安裝在固定平臺基礎(chǔ)上，底座的安裝精度直接影響防墜自鎖裝置的質(zhì)量，要求中心線尺寸和位置尺寸嚴(yán)格控制。

1—底座；2—引錠桿導(dǎo)向架；3—支撐座；4—鎖緊頭；5—鎖緊頭支座；6—電動缸；7—連桿；8—推桿；9—連接桿；10—導(dǎo)向座。圖3 引錠桿安全鎖緊裝置示意圖Figure 3 Safety locking device of dummy bar system

兩組引錠桿導(dǎo)向架和導(dǎo)向座通過螺栓和墊片裝配在底座上，用于提升引錠桿時的導(dǎo)向，引錠桿導(dǎo)向架和導(dǎo)向座垂直度要滿足一定要求和對稱度要求，中心線尺寸和位置尺寸滿足設(shè)計要求，利于引錠桿順利提升運行，防止產(chǎn)生額外阻力。

支撐座和鎖緊頭支座固定裝配在底座上，鎖緊頭通過自身轉(zhuǎn)軸和軸承裝配在鎖緊頭支座上，鎖緊頭轉(zhuǎn)動自如，兩組支撐座和鎖緊頭平行布置，引錠桿提升時在兩組支撐座和鎖緊頭之間，兩組支撐座和鎖緊頭以引錠桿為軸心對稱布置，嚴(yán)格控制兩組支撐座和鎖緊頭中心線尺寸和位置尺寸，并控制兩者的間隔尺寸，支撐座和鎖緊頭安裝精度直接影響自鎖效果。支撐座和鎖緊頭引錠桿提升時貼合引錠桿，當(dāng)引錠桿下墜時，鎖緊頭在摩擦力作用下旋轉(zhuǎn)并鎖緊，它能防止連鑄中上裝式引錠系統(tǒng)的引錠桿在提升過程中意外墜落。一旦出現(xiàn)意外，該裝置可以自動鎖緊引錠桿，使其停止在空中等待事故處理。

電動缸固定裝配在底座上，電動缸通過銷軸與連桿互相連接，連桿通過裝配在連接桿滑槽中銷軸與連接桿連接，連接桿通過螺紋連接頭推桿連接，推桿通過銷軸與鎖緊頭互相連接，當(dāng)引錠桿在空中事故處理完后，通過電動缸工作，帶動推桿、連桿和連接桿等，使鎖緊頭動作，打開引錠桿的鎖緊。

引錠桿安全鎖緊裝置主要技術(shù)參數(shù)：

驅(qū)動：電動缸

電動缸行程：400 mm

額定出力：10 kN

額定速度：117.5 mm/s

2.2 引錠桿安全鎖緊裝置結(jié)構(gòu)特點[2]

(1)上述連鑄機引錠系統(tǒng)安全鎖緊裝置，其特征在于：一旦引錠桿提升裝置在提升引錠桿的過程出現(xiàn)意外導(dǎo)致引錠桿墜落，這時該裝置可以自動鎖緊引錠桿，鎖緊的動力來自引錠桿和鎖緊頭之間的摩擦力，而且此摩擦力完全可以支承引錠桿的重力，整個裝置安全可靠性強。

(2)驅(qū)動型式采用平行四邊形機構(gòu)，保證鎖緊頭運行精準(zhǔn)。同時結(jié)構(gòu)型式簡單，連桿和推桿的受力較小，減少變形。

(3)采用電動缸驅(qū)動裝置運動，傳統(tǒng)型式采用液壓缸較多，液壓缸維護不方便，容易漏油，造成環(huán)境污染嚴(yán)重。電動缸驅(qū)動速度快，不需要單獨設(shè)計液壓站，維護簡單方便。

(4)在底座兩側(cè)上設(shè)計有引錠桿導(dǎo)向架，用于在卷筒提升引錠桿過程中導(dǎo)向引錠桿，防止跑偏，也很大程度上減少引錠桿在卷筒勾頭和引錠桿車鏈條勾頭轉(zhuǎn)換時脫落的幾率。

(5)由于板坯引錠桿寬度較寬，設(shè)計有平行布置的兩組支撐座和鎖緊頭，兩組支撐座和鎖緊頭以引錠桿為中心對稱布置，引錠桿在提升時處于兩組支撐座和鎖緊頭之間。設(shè)計考慮一旦一組支撐座和鎖緊頭出現(xiàn)故障，另一組支撐座和鎖緊頭的強度和剛度足以支承整個引錠桿，使引錠桿不至于下滑。

(6)設(shè)計的鎖緊頭與引錠桿貼合部分被加工成鋸齒形狀，鎖緊頭采用45鋼。鋸齒形表面要求淬火處理，淬火深度3～5 mm，硬度40～45HRC。鋸齒狀的表面可以增大鎖緊頭與引錠桿貼合摩擦力，提高鎖緊的可靠性，加工成本低，強度和剛度好。

(7)設(shè)計的鎖緊頭為偏心塊，重心處于引錠桿側(cè)，自由狀態(tài)時始終處于低頭狀態(tài)。在提升引錠桿時，鎖緊頭始終貼著引錠桿；當(dāng)引錠桿下墜時，鎖緊頭在摩擦力的作用下自動夾緊引錠桿，在這個過程中不需要電動缸驅(qū)動，靠機構(gòu)自身即可實現(xiàn)，當(dāng)事故處理完成，需要打開鎖緊頭時，電動缸才工作。

3 結(jié)束語

連鑄機上裝式引錠系統(tǒng)，為防止引錠桿在提升的過程發(fā)生意外，必須設(shè)置引錠防墜落裝置。本文從多個方面對傳統(tǒng)的引錠桿防墜裝置進行了優(yōu)化，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)型式簡單、操作方便、安全可靠的引錠桿安全鎖緊裝置。

該裝置采用了平行四邊形和凸輪設(shè)計原理，實現(xiàn)了上裝式引錠桿的自動鎖緊防墜和打開功能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本次研究的技術(shù)方案具有一下幾個優(yōu)點：

(1)底座用穿心地腳螺栓安裝固定平臺基礎(chǔ)上，占用空間較小，安全可靠；

(2)驅(qū)動單元選用的是電動缸，具有控制簡單，采購成本低、使用維護方便和安全可靠；

(3)整套裝置具有結(jié)構(gòu)和控制簡單、投資成本低、使用維護方便和運行安全可靠的優(yōu)點，可以有效地防止引錠桿墜落的情況發(fā)生，避免出現(xiàn)機械設(shè)備或人身傷害等安全事故的發(fā)生。

本次設(shè)計的引錠系統(tǒng)安全鎖緊裝置自投入使用以來，設(shè)備運行平穩(wěn)，使用情況良好，受到了用戶單位的一致好評。