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2018.04

316L不銹鋼飲用水管“高效連鑄”關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用

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  燕山大學(xué)國(guó)家冷軋工程中心
 
  創(chuàng)新成果展(一)
 
  “國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心”(以下簡(jiǎn)稱“中心”)依托燕山大學(xué),于2011年由科技部批準(zhǔn)組建,2014年通過驗(yàn)收,并以該中心為依托建設(shè)有“河北省現(xiàn)代軋制技術(shù)與先進(jìn)鋼鐵材料協(xié)同創(chuàng)新中心”和科技部“面向先進(jìn)高強(qiáng)鋼板帶產(chǎn)業(yè)的科技服務(wù)業(yè)試點(diǎn)”。中心主要圍繞“產(chǎn)品質(zhì)量精確控制”、“機(jī)械設(shè)備高效可靠”、“生產(chǎn)過程節(jié)能環(huán)保”三大主題,在板形板厚和表面質(zhì)量控制、軋機(jī)裝備智能化、帶鋼深加工及先進(jìn)鋼鐵材料制備等方向開展相關(guān)基礎(chǔ)性和工程化技術(shù)研究,重點(diǎn)推進(jìn)“核心技術(shù)突破、成熟技術(shù)升級(jí)、新技術(shù)推廣示范”三個(gè)方面的工作,取得了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的科研創(chuàng)新成果,部分研究成果填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。中心建有軋制/測(cè)控中試生產(chǎn)線、材料物理模擬、定量結(jié)構(gòu)表征(中-丹聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、YSU-FEI聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室)和重型機(jī)械智造工程超算中心四大科研平臺(tái),承擔(dān)了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)及企業(yè)重大項(xiàng)目等大批研究與開發(fā)任務(wù),是一個(gè)集工程化技術(shù)研發(fā)、科技成果中試與轉(zhuǎn)化、標(biāo)準(zhǔn)化與檢測(cè)、人才培訓(xùn)與信息交流為一體的技術(shù)創(chuàng)新與公共服務(wù)平臺(tái)。
 
大銘不銹鋼
316L不銹鋼飲用水管
 
 
  “高效連鑄”關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用
 
  1概述
 
  從20世紀(jì)90年代開始,燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心高效連鑄技術(shù)團(tuán)隊(duì),對(duì)控制連鑄坯裂紋的產(chǎn)生和減輕鑄坯表面振痕技術(shù)進(jìn)行了深入研究,先后研發(fā)出了連鑄坯等應(yīng)變速率固定輥連續(xù)矯直技術(shù)、結(jié)晶器橢圓齒輪非正弦振動(dòng)技術(shù)以及伺服電機(jī)非正弦振動(dòng)技術(shù)等多項(xiàng)核心技術(shù),提出了連鑄坯蠕變彎曲矯直理論及機(jī)型設(shè)計(jì)方法。這些技術(shù)大大降低了連鑄坯在彎曲矯直過程中產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險(xiǎn),減輕了鑄坯表面振痕深度。結(jié)晶器非正弦振動(dòng)技術(shù)及連續(xù)彎曲矯直技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用在邯鋼、濟(jì)鋼、首鋼、鞍鋼等多家大型鋼鐵公司,提高了鑄坯的質(zhì)量和連鑄機(jī)的生產(chǎn)率,取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益,其技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。
 
  2連鑄坯彎曲矯直技術(shù)
 
  2.1彎曲矯直技術(shù)發(fā)展
 
  伴隨著當(dāng)今高效連鑄的發(fā)展,矯直技術(shù)也從單點(diǎn)的固相矯直發(fā)展到多點(diǎn)、連續(xù)的帶液芯矯直。連鑄機(jī)單點(diǎn)矯直方法使連鑄坯在矯直點(diǎn)附近的應(yīng)變和應(yīng)變速率都很大,并且在矯直點(diǎn)處達(dá)到最大值,如果再考慮拉坯力和導(dǎo)向輥不對(duì)中所引起的變形,很有可能使總變形超過極限應(yīng)變,而提高鑄坯產(chǎn)生裂紋缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。多點(diǎn)矯直雖然將一點(diǎn)的矯直應(yīng)變分布在多個(gè)矯直輥,相應(yīng)地降低了每個(gè)輥的矯直應(yīng)變,但是多點(diǎn)矯直方法的連鑄機(jī)機(jī)型曲線在每個(gè)矯直點(diǎn)的曲率半徑存在突變,鑄坯的變形并不連續(xù),在每個(gè)矯直輥處存在應(yīng)變突變,接觸點(diǎn)的應(yīng)變速率仍然很高,這一定程度上會(huì)對(duì)鑄坯質(zhì)量產(chǎn)生影響。燕山大學(xué)國(guó)家冷軋板帶裝備及工藝工程技術(shù)研究中心高效連鑄技術(shù)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了等應(yīng)變速率固定輥連續(xù)矯直技術(shù),降低了鑄坯矯直應(yīng)變速率,已應(yīng)用于多家鋼鐵公司。
 
  2.2蠕變彎曲矯直理論
 
  目前的連鑄坯彎曲矯直技術(shù)均沒有充分利用鋼的高溫蠕變特性。連鑄坯在彎曲矯直過程中處于800-1400℃的高溫,對(duì)于金屬而言,當(dāng)溫度大于自身熔點(diǎn)的0.4倍時(shí),蠕變特征非常明顯。在目前的連鑄機(jī)彎曲矯直設(shè)計(jì)過程中,往往只考慮塑性變形,而忽略了蠕變變形的影響。燕山大學(xué)張興中教授基于鋼的高溫蠕變特性,提出了新的連鑄坯蠕變彎曲矯直理論及依靠蠕變變形進(jìn)行鑄坯彎曲和矯直的連鑄機(jī)機(jī)型設(shè)計(jì)方法。
 
  由于鋼在連鑄過程中顯著的蠕變特性,連鑄坯在高溫狀態(tài)下即使矯直應(yīng)力低于屈服應(yīng)力也會(huì)產(chǎn)生永久變形,因此團(tuán)隊(duì)提出設(shè)計(jì)連鑄機(jī)機(jī)型曲線時(shí)利用鋼的高溫蠕變特性,使連鑄坯在矯直過程中發(fā)生盡可能多的蠕變變形,利用蠕變變形實(shí)現(xiàn)鑄坯矯直,降低矯直應(yīng)力,控制內(nèi)部矯直裂紋的產(chǎn)生,提高鑄坯質(zhì)量。連鑄機(jī)機(jī)型曲線具備以下兩個(gè)方面的特點(diǎn):
 
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316L不銹鋼飲用水管
 
  1)盡量縮短甚至取消基本圓弧段,顯著延長(zhǎng)彎曲段和矯直段弧長(zhǎng),增加連鑄坯蠕變變形的時(shí)間;
 
  2)彎曲段和矯直段曲線設(shè)計(jì)時(shí)采用曲率變化率低的曲線,這樣可以降低連鑄坯在彎曲矯直過程中的應(yīng)變速率,當(dāng)彎曲矯直應(yīng)變速率低于蠕變速率時(shí),此時(shí)連鑄坯的彎曲矯直變形全部依靠蠕變變形,實(shí)現(xiàn)蠕變彎曲矯直。
 
  2.3連鑄坯蠕變彎曲矯直機(jī)型曲線介紹
 
  根據(jù)鋼的高溫蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果,建議滿足要求的幾種連續(xù)彎曲矯直曲線如下:
 
  1)多段漸開線及三次方曲線作為連續(xù)彎曲矯直曲線;
 
  2)曲率隨弧長(zhǎng)滿足正弦規(guī)律變化的曲線,作為連續(xù)彎曲連續(xù)矯直曲線;
 
  3)曲率隨弧長(zhǎng)滿足五次奇次多項(xiàng)式規(guī)律的曲線,作為連續(xù)彎曲連續(xù)矯直曲線。
 
  設(shè)計(jì)例:針對(duì)目前的R9300直弧型板坯連鑄機(jī),利用蠕變彎曲矯直理論對(duì)機(jī)型曲線進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。在新機(jī)型曲線中,彎曲段采用曲率正弦規(guī)律變化曲線,矯直段采用曲率按五次奇次多項(xiàng)式規(guī)律變化曲線,彎曲段與矯直段直接光滑連接,取消了基本圓弧段。通過試驗(yàn)可以看出,新機(jī)型可以依靠鑄坯的蠕變變形實(shí)現(xiàn)彎曲和矯直,這將有效避免鑄坯內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生。
 
  2.4連續(xù)矯直技術(shù)應(yīng)用
 
  燕山大學(xué)國(guó)家冷軋工程中心開發(fā)的等應(yīng)變速率固定輥連續(xù)矯直技術(shù),采用固定輥代替康卡斯特的浮動(dòng)輥,使矯直區(qū)與基本圓弧區(qū)光滑連接,矯直應(yīng)變速率線性變化,降低了矯直力及矯直應(yīng)變速率。此技術(shù)先后應(yīng)用于邯鋼、濟(jì)鋼、首鋼等多家鋼鐵公司,取得明顯的工藝效果和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)于鞍鋼二煉鋼2號(hào)板坯連鑄機(jī)第三流的連續(xù)矯直改造,采用光滑連接的一段漸開線和三次方曲線作為矯直曲線。改造后與未經(jīng)改造的第四流相比,鑄坯質(zhì)量明顯改善,后將第四流也進(jìn)行了改造。
 
  改造后,從原來曲率存在突變的多點(diǎn)矯直,實(shí)現(xiàn)了曲率連續(xù)、線性變化的連續(xù)矯直,并使鑄坯固液相界面處的應(yīng)變速率保持低值、恒定。硫印結(jié)果表明:板坯中間裂紋得到明顯控制。
 
  3結(jié)晶器非正弦振動(dòng)技術(shù)
 
  結(jié)晶器非正弦振動(dòng)相比正弦振動(dòng)有以下特點(diǎn):負(fù)滑動(dòng)時(shí)間短,有利于減輕鑄坯表面的振痕;正滑動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng),可增加保護(hù)渣的消耗量,有利于結(jié)晶器的潤(rùn)滑;結(jié)晶器向上的運(yùn)動(dòng)速度與鑄坯向下的運(yùn)動(dòng)速度差較小,可減小結(jié)晶器施加給鑄坯向上作用的摩擦力,即可減小坯殼中的拉應(yīng)力,減小拉裂;負(fù)滑脫作用強(qiáng),有利于鑄坯的脫模和拉裂坯殼的愈合,有利于提高拉坯速度,因此結(jié)晶器非正弦振動(dòng)是實(shí)現(xiàn)高效連鑄的關(guān)鍵技術(shù)之一。
 
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316L不銹鋼飲用水管
 
  結(jié)晶器振動(dòng)是由振動(dòng)裝置來實(shí)現(xiàn)的,振動(dòng)機(jī)構(gòu)是振動(dòng)裝置的核心。目前工業(yè)上應(yīng)用的非正弦振動(dòng)裝置按驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理主要分為三種,液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、伺服電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)振幅、頻率、波形偏斜率在線調(diào)節(jié),但系統(tǒng)復(fù)雜,建造及維護(hù)費(fèi)用高。伺服電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)裝置可以實(shí)現(xiàn)振幅、頻率、波形偏斜率在線調(diào)節(jié),但伺服電機(jī)頻繁正、反轉(zhuǎn),影響系統(tǒng)的控制精度,同時(shí)滾珠絲杠易產(chǎn)生局部磨損。機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、便于維護(hù)、可靠性好,其波形偏斜率不容易調(diào)節(jié),但振幅停機(jī)可調(diào),頻率在線可調(diào),可以很好地滿足生產(chǎn)的需要。
 
  3.1結(jié)晶器非正弦振動(dòng)技術(shù)
 
  燕山大學(xué)高效連鑄技術(shù)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了幾種機(jī)械驅(qū)動(dòng)非正弦振動(dòng)裝置,其中有代表性的為橢圓齒輪驅(qū)動(dòng)結(jié)晶器非正弦振動(dòng)技術(shù)。該技術(shù)在原正弦振動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中增加一個(gè)橢圓齒輪箱,如圖1所示。橢圓齒輪箱由一對(duì)形狀完全相同的橢圓齒輪組成,其將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槠妮S的變角速度轉(zhuǎn)動(dòng),通過連桿推動(dòng)振動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器非正弦振動(dòng)。目前,該技術(shù)已成功應(yīng)用于新興鑄管、首鋼二煉鋼、濟(jì)鋼二煉鋼、臨鋼、河北文豐鋼鐵廠、大冶特鋼等鋼鐵公司,取得了較好的工藝效果,經(jīng)濟(jì)效益顯著。
 
  3.2結(jié)晶器非正弦振動(dòng)裝置
 
  針對(duì)全板簧導(dǎo)向的板坯連鑄結(jié)晶器振動(dòng),研究了雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)晶器非正弦振動(dòng)系統(tǒng)。目前應(yīng)用的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置為兩個(gè)伺服液壓缸,分別驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)兩側(cè),通過液壓伺服控制實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器振動(dòng)。本裝置采用兩個(gè)伺服電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)兩個(gè)偏心軸,實(shí)現(xiàn)結(jié)晶器振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)。其工作原理如圖2所示。工作時(shí),伺服電機(jī)通過減速器驅(qū)動(dòng)偏心軸旋轉(zhuǎn),偏心軸通過連桿驅(qū)動(dòng)結(jié)晶器振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)。通過控制兩個(gè)伺服電機(jī)同步勻速或者變角速度運(yùn)動(dòng),可使結(jié)晶器振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生正弦或非正弦振動(dòng)。采用緩沖彈簧平衡振動(dòng)臺(tái)及結(jié)晶器等構(gòu)件的重力和運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性力,減小電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率,節(jié)約能源。該裝置適用于直弧形、弧形連鑄機(jī),波形偏斜率和頻率在線可調(diào),振幅停機(jī)可調(diào),可實(shí)現(xiàn)正弦波和非正弦波自動(dòng)切換。通過控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化規(guī)律可實(shí)現(xiàn)任意的正弦和非正弦振動(dòng)波形。該裝置具有傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)鏈短、結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小、承載能力大、抗沖擊能力強(qiáng)、能夠在線調(diào)節(jié)波形和優(yōu)化振動(dòng)參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。
 
  4結(jié)語
 
  蠕變彎曲矯直和結(jié)晶器非正弦振動(dòng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高效連鑄的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),對(duì)于改善連鑄坯質(zhì)量,提高連鑄生產(chǎn)作業(yè)率有著積極的作用。燕山大學(xué)高效連鑄技術(shù)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年的研究攻關(guān),對(duì)連鑄坯的彎曲矯直和結(jié)晶器振動(dòng)提出了多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù),推動(dòng)了高效連鑄技術(shù)的發(fā)展,具有廣闊的應(yīng)用前景。(張興中)
 
  

 

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