板坯连铸结晶器气动加渣机的设计与实现.pdf

第 2期 总第 1 8 9期 2 0 1 5年 O 4月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAI ENGI NEERI NG ＆ AUT0MAT1 0N No ．2 Apr ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 5 0 2 0 1 2 9 ～ 0 2 板坯连铸结晶器 气动加渣机 的设计 与实现 栾本 言 ，孙首群 上海理工 大学 机 械3 - - 程学院 ，上海2 0 0 0 9 3 摘 要 分析 了国内 自动加渣机设计概况 ，根据保 护渣加渣的工艺要求 ，提 出 了一种具 有均匀加渣功能 的气动 式加渣机设计方案 ，包 括机械 系统、 电气 系统 两部分 。机械 系统 由储料装置 、搅拌装置 、输料装 置组成 ；电 气系统包括主 电路 、控 制回路和监控 系统 。连铸 生产 现场性 能测试表 明气动加 渣机 的机 械 系统设计 合理 ， 电 气 系 统 稳 定 有 效 。 关键词 板坯连铸 ；气 动加 渣机 ；设计 中图分类 号 TG 2 3 3 ． 6 文献标识码 A 0 引言 在连铸机浇注过程 中， 为 了提高钢坯质量 和保持 钢的成分， 防止钢液二次氧化 ， 并吸附钢液中的有害杂 质 ， 需要不断地向结晶器添加保护渣口 ] 。目前 ， 国内连 铸机厂家基本上采用人工加渣方式 ， 由于一次推人 的 保护渣过于集中， 保护渣的堆重容易在结 晶器钢液面 和熔渣层上形 成一个 凹形坑 ， 造成板坯 产品 的夹渣。 自动加渣装置的主要功能就是要替代人工加渣 ， 实现 保护渣均匀加入 ， 防止铸坯夹渣， 同时也是实现 自动化 浇注 的关 键设 备 之 一 。 目前 ， 国 内外 连 铸 保 护 渣 自动 加 渣装 置 的原 理 主要 有 重 力 加 渣 法 、 螺 旋 给 料 法 和 振 动给料法 。这些加 渣方法 的缺陷在 于设备体积 庞 大 、 保护渣粉化严重、 现场存 在加渣噪声 ， 且无法根据 结晶器液面特性两侧单独调整给料速度 。本文在 国内 外已有的 自动加渣机设计 的基 础上 ， 紧贴生产现场对 保护渣加入调整和控制的需求 ， 开发 了适用 于板坯连 铸 生产 的新 型气 动加 渣 机 。 1 气动 加 渣机 整体 结构 和 工作原 理 1 ． 1 气动加 渣机 整 体 结构 本气动加渣机采用氮气作为载流气体将保护渣输 送到 结 晶器 中 ， 这 种输 送 方式 对渣 料无 损 伤 ， 运 行无 噪 声 。输料装置采用气密计量泵 ， 它能有效阻 隔压缩空 气反吹料仓造成 的扬尘， 出料均匀性好 ] 。本设备可 以很好地满足板坯连铸机 由于断面宽、 作业复杂等原 因而对 加 渣过 程 提 出 的“ 勤加 、 少 加 、 均 匀 加 ” 的 要求 。 气动加渣机主要分 为机械系统 和电气 控制系统 两部 分 。机械系统包括储料装置、 搅拌系统和输料装置 ； 电 气系统包括主电路 、 控制 回路 和监控 系统 3部分 。气 动加渣机三维图如图 1所示 ， 其主要技术指标见表 1 。 1 ． 2气动 加渣 机 的 工作原 理 料仓中有远红外干燥设备可 以将保护渣烘干达到 加渣所要求的水分含量 ， 保护渣通过料仓 底部 的 自重 由落料 口落到气密计量泵 中， 电机带动 叶轮转动进而 将保护渣推送到渣料吹送器 ， 料 渣在气体 的作用下沿 输料管道被均匀输送到结晶器上。料仓上装有 自动破 袋刀， 可实现简易破袋 。料仓 中的搅拌装置可 以保证 料渣顺利地从料仓落到气密计量泵中， 且不发生堵塞现 象。气密叶片泵可以保证料渣定量地散布在结晶器内。 电气系统 中的主 电路控制电机转速 和方 向， 控制 回路主要反馈执行机构 的状态信息， 监控系统将运行 状态 可视 化 。在实 际 操 作 中， 气 动 加 渣 机通 过 手动 控 制和程序 自动控制相结合的方式实现作业 。 表 1 气动加渣 机主要技术指标 参数 数值 体积 mm 1 0 6 0 7 9 O 1 2 0 0 电源 3 8 0 V交流电源 适用板坯断面 mm 宽度 9 0 0 ～3 2 5 0 ； 厚度 2 1 0 ， 2 3 0 ， 2 5 0 ， 4 2 0 加渣能力 L ／ mi n 0 ． 2 5 ～2 根据连铸机发 出的控制信号 工作位置 铸造平台上 设计类型 气动式输送 2加渣 机机 械 系统 设计 2 ． 1 储 料装 置 储 料 装 置 包 括 料 仓 、 烘 干 装 置 、 破 袋 装 置 和过 滤 网 。料仓 固定 在搅 拌 装 置 上 ； 烘 干 装 置 为 远 红 外 加热 装置 ， 其功能是通过筒 内壁上涂 的高温远红外绝缘涂 料 和料 仓 内外 壁之 间 的环 形空 间安 装 的远红 外发 热件 配合实现的， 具有导热 系数低 、 升温快 、 加热时间短等 优点 ； 破袋刀采用导轨滑块式 ， 矩形渣料袋沿料仓上盖 进 料 口送入 料仓 ， 操 作 人 员 只 需 沿 导 轨方 向拉 动 把 手 即可开袋 ， 简单方便， 避免了人工手动破袋引起的粉尘 。 2 ． 2 搅拌 系统 搅拌方式为螺旋式 ， 由电机驱动通过传动轴带动 搅拌筐旋转 ， 从而维持了保护渣始终保持松散的状态 ， 不 至于 结块 。在 搅拌 系统 与烘 干 系统 的共 同作用 下 ， 收稿 日期 2 0 1 4 0 5 0 9 ；修订 日期 2 0 1 4 1 2 1 1 作 者简介 栾本言 1 9 8 8 一 ，男 ，黑龙江哈尔滨人 ，在读硕士研究生 ，主要研究方向 机电系统电热偶合效应及系统动力学 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 3 0 机 械工 程与自 动 化 2 0 1 5年 第 2期 使得仓 内保护渣 的水分含量和松散程度在送到结 晶器 之前完全达到浇铸的标准要求 ， 而且保证 了保护渣能 够顺 利地 下落 到输 送 系统 中。更 换 保 护 渣 时 ， 渣 料 在 螺旋 搅拌 筐 的作 用 下 可 以从 快 速 卸 料 口落 人 渣 料 槽 中 ， 避 免 了不 同种类 的渣 料混 合 。 2 ． 3 输料 系统 气动 输料 系统 共有 两套 ， 分别 安装 在机 架 的左 、 右 两侧 。单 套 的输料 系 统 由气 密计 量 泵 、 渣 料 吹 送 器 以 及伺 服驱 动 电机组 成 。气密 计量 泵可 以将 料仓 中 的保 护渣均匀地输送到渣料吹送器中， 从而使保护渣散布 在结 晶器的钢液面上 。图 2为气动加渣机输料系统结 构示意图。其叶片式计量 泵包括泵体 、 内端盖 、 外端 盖 、 传动轴、 轴承及叶轮， 泵体中央开设通孔 ， 在体 内形 成 一空 腔结 构 ， 上 部 设 进 料 孔 和排 气 孔 ， 底 部 设 出料 孔 ， 泵体 两端 侧设 内、 外 端 盖 ， 叶轮 设 于 泵体 空 腔结 构 内 ， 由传 动 轴带 动 。渣 料 吹送 器包 括 渣 料 管 、 内套 管 及 气体 压力 检测 器 。它 可使加 渣机 在送 料气 量很 小 的 条件 下 计量 和调 控加 渣速 度 ， 同 时保 证 加 料 的 连 续性 和 均匀性 ， 防止 空气 倒灌 后 引起保 护渣 的断 续给 料 ， 确 保 了渣 料加 入结 晶器 速 率 的合 理性 。 图 1 气 动 加 渣 机 图 2 气 动 加 渣 机 输 料 三 维 图 系统 结 构 示 意 图 本 文所 采用 的连 铸 模 型 参 数 见 表 2 ， 保 护 渣 采 用 空 心颗粒 渣 。 表 2 连铸模型的工艺参数 工艺参数 数值 铸 坯断面 IT l n l ram 2 5 0 2 4 0 0 平均拉速 m／ mi n 0 ． 7 5 钢种密度 g ／ c m 7 ． 8 保护渣密度 g ／ c m。 0 ． 7 渣 耗 量 k g ／ t 0 ． 4 1 3气 动加 渣机 电气 系统 的设计 气动 加 渣 机 电 气 系 统 是 基 于 P L C 与 组 态 软 件 W i n C C f l e x i b l e 2 0 0 8在 线 状 态 监 测 模 式 而 设 计 的 。 P I C作 为 主控制 器 ， 接 收并 处 理 来 自传 感 器 和控 制 按 钮 的信号 ， 通 过变 频器 控制 电机 的运 行状 态 ， 从 而控 制 各 执行 机构 。操作 员通 过触 摸屏 监测 和控 制 ， 实现 加 渣 机 自动均 匀输 料 ， 该 过 程 完 全 由程 序 自动 控 制 。 同 时 ， 系统 的控制参数通过 P L C与 Wi n C C f l e x i b l e 2 0 0 8 实 时通 讯 ， 对 系统 监控 画 面进行 动态 刷新 。 3 ． 1 气动加 渣机 主 电路设 计 气 动加 渣机 的主 电路 由 3台交 流 电机 及 变 频 器 、 低 压断 路器 和变 压器 组成 。其 中 2台交 流 电机驱 动 2 个 气密 计量 泵 ， 通 过 变频器 来 控制 电机 的转 速 和转 向 ， 从 而控 制保 护渣 的输 出速 度 ； 另一 台交 流 电 机 驱 动搅 拌 装置 ， 通 过变频 器来 控 制 电机 的转速 和转 向 ， 从而 控 制螺旋 搅 拌装 置 的转 动 速 度。变 频 器 采用 西 门子 MM4 2 0系列， 它具有 易安装 、 易调试 、 参数设 置范 围 广 、 变 频器 状态 信 息详 细 、 电缆 连 接 简 便 、 脉 宽 调 制 频 率高 和信 息集 成功 能强 等 优 点 一 。采 用 3 8 0 V 转 2 2 0 V 的变压 器 为 P L C提 供 电源 。 3 ． 2 气动加 渣机 控制 回路 设计 气动 加渣 机 的控 制 回路 包 括 HMI 、 P I C、 料 位 传 感器 、 气体压力检测器和报警灯 。HMI 采用西 门子多 功 能面 板 MP 2 7 7 ； P I C采 用 西 门子 S 7 3 0 0 ， 通 过 对输 入 和输 出点数 的统 计 ， 选用 了 1 6路 数 字 量输 入 、 1 6路 继 电器输 出 、 1 6路 模 拟 量 输 入 和 8路 模 拟 量 输 出 的 P I C模块 。 3 ． 3 气动 加 渣 机 监 控 系统 设 计 监 控 面板 上设 置有 电源 开关 、 搅拌 电机 开关 、 送 料 电机 开关 、 加热 器开 关 、 送 料 电机 自动 手 动 选 择 开 关 、 急停按 钮 、 送料 量旋 转 开 关 、 气 压 故 障 指 示 灯 、 渣 量 少 指示灯 、 空 气 ON指 示 灯 、 故 障指 示 灯 、 压 力 表 和 监 控 画 。操 作 人 员 可 以 通 过 触 摸 按 钮 图标 来 设 定 配 方 参 数 ， 实 现对 不 同断 面板坯 连铸 的加渣需 求 。 4 结语 该板 坯连 铸气 动加 渣机 属 于工作 在 钢铁 厂 的特种 加渣 装置 ， 本 身集合 了机械结 构 设计 、 自动控 制和 无线 传感等方面的技术。钢铁厂现场加渣性能测试表 明， 本气动加渣机能够满足性能指标要求， 对解决板坯连 铸加渣问题十分有效。对于不同尺寸的加渣对象 ， 加 渣 机可 以通 过加 渣工 艺 调 整 控 制 程 序参 数 ， 便 能 对 不 同尺寸 的保 护渣 进行 加渣 作业 ， 扩 大 了使用 范 围 。 参 考 文 献 E 1 ] 李婷． 薄板坯 连续保 护渣 消耗 量与 材料组 成性 能 的关 系 [ D ] ． 鞍 山 辽宁科技大学 ， 2 0 0 7 1 5 1 6 ． E 2 3 杨 建 华 ， 施 春 月 ， 胡 会．一 种 叶 片 式 计 量 泵 中 国， 2 0 1 3 1 0 3 2 3 4 8 7 ． 2 [ P _ ． 2 0 1 3 1 1 2 o ． [ 3 ] 杨建华 ， 施 春月 ， 冯 长宝 ， 等． 一种用 于低 压空气 输送 的渣 料吹送器 中国 ， 2 0 1 3 1 0 3 2 3 4 8 6 ． 8 [ P ] ． 2 0 1 3 1 0 2 3 ． [ 4 ] 董旭锋． 西门子 MM4 2 0变频器在天线伺服系统 中的应 用 E J ] ． 机 电信息 ， 2 O 1 1 2 7 5 9 - 6 2 ． De s i g n a n d I mp l e me nt a t i o n o f Pn e u m a t i c S l a g M a c hi n e f o r Pl a t e Bl a n k Co nt i n u o u s Ca s t i n g M o l d LUAN Be n - y a n，SUN S ho u - qu n Sc h o o l o f M e c h a n i c a l En g i ne e r i n g，Un i v e r s i t y o f S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，Sh a n g h a i 2 0 00 9 3，Chi n a Ab s t r a c t By a na l y z i ng t he p r es e nt au t oma t i c s l a g ma c hi ne de s i gn i n Ch i n a，a c c or di ng t O t h e t e c hn ol o gi c a l r e qu i r e me nt s of a ddi ng s l a g，a de s i g n s c he me of p ne u ma t i c sl a g ma c hi ne wi t h u ni f or m s l a g f u nc t i o n wa s pr o po s e d，i nc l ud i n g t he de s i g n of me c ha ni c a l s ys t e m a n d t he de s i gn of c ont r ol s ys t e m．The m e c ha ni c a l s y s t e m i s c omp os e d o f t he ma t e r i a l s t or a ge de vi c e，ge ar i n g，d el i ve r i ng de v i c e ． Fhe e l e c t r i c a l s ys t e m i n c l u de s ma i n c i r c u i t ，c o nt r o l c i r c u i t a n d mo ni t or i n g s y s t e m．I a b or a t or y t e s t an d c ont i nu ous c a s t i ng pr od uc t i on s i t e pe r f or ma nc e t es t s ho w t he de s i gn o f p ne u ma t i c s l a g ma c hi ne i s r e as on ab l e ． Ke y wo r d ss l ab c o nt i n uou s c a s t i ng；pn e uma t i c s l a g ma c h i n e；de s i g n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m