1  拉矯機(jī)的功能

弧形連鑄機(jī)是鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)鑄坯的主力軍，方坯、矩形坯和圓坯一般都采用弧形連鑄機(jī)生產(chǎn)，占據(jù)了主導(dǎo)地位，即使是采用直弧形布置的連鑄機(jī)，也是需要使用圓弧段過渡，在弧形段后仍然需要矯直鑄坯。方坯和圓坯弧形連鑄機(jī)的拉矯機(jī)集中布置在水平線附近，連鑄生產(chǎn)過程中的拉矯機(jī)需要兩臺以上，常規(guī)生產(chǎn)小方坯的連鑄機(jī)將兩臺拉矯機(jī)布置在一個機(jī)架內(nèi)，形成五輥式拉矯機(jī)。拉矯機(jī)的作用為：

（1）平衡鑄坯下滑力：使用拉矯機(jī)上下輥抱住天上的鑄坯，防止鑄坯下滑，保持連續(xù)生產(chǎn)，這也是拉矯機(jī)液壓設(shè)計的基本參數(shù)，比如使用16米半徑鑄機(jī)生產(chǎn)φ600mm圓坯，由于高度勢能產(chǎn)生了35噸的下滑力，這就需要多臺拉矯機(jī)共同作用，產(chǎn)生能夠平衡35噸的摩擦力來。圖1顯示的是無錫雪豐大圓連鑄機(jī)拉矯機(jī)群，這里采用了5個拉矯機(jī)。使用9米半徑鑄機(jī)生產(chǎn)150mm方坯也有1.5噸的下滑力，這僅僅需要一對輥?zhàn)赢a(chǎn)生的摩擦力就可以平衡這個下滑力，圖2顯示的是典型的五輥拉矯機(jī)。對于小方坯生產(chǎn)一般使用6~10m的弧形半徑的連鑄機(jī)，大多采用五輥拉矯機(jī)形式，見圖2，起步階段完全依靠一對拉輥產(chǎn)生的摩擦力來平衡鑄坯或引錠桿重量，從而保持正常的生產(chǎn)。

圖1  無錫雪豐大圓連鑄機(jī)拉矯機(jī)群 

圖2  亞新設(shè)計制造的全水冷小方坯連鑄拉矯機(jī)

（2）恒定鑄坯拉速：拉矯機(jī)傳動輥根據(jù)操作要求，變頻器控制驅(qū)動電機(jī)和減速機(jī)轉(zhuǎn)速，將動力傳遞到拉矯機(jī)輥?zhàn)由希谝簤焊椎囊簤簤毫Φ淖饔孟螺佔(zhàn)优c鑄坯產(chǎn)生摩擦力，從而穩(wěn)定下滑的鑄坯，按照拉速的要求傳動輥?zhàn)?，使得鑄坯以連續(xù)穩(wěn)定的方式按照拉速要求下滑，其實(shí)從受力分析來看，拉矯機(jī)其實(shí)就是一個鑄坯下滑的速度穩(wěn)定器。

（3）送引錠桿：連鑄的開澆引流是通過引錠桿進(jìn)行，作業(yè)開始時候使用拉矯機(jī)傳動，也是依靠摩擦力來送入引錠桿，通過二冷室，將引錠頭放置到銅管內(nèi)腔，見圖3。做好引錠頭后準(zhǔn)備開澆，當(dāng)連鑄起步時候，拉矯機(jī)摩擦傳動引錠桿下行，已經(jīng)凝固的鑄坯頭部與引錠頭連接在一起，鑄坯隨著引錠桿下行，一直通過拉矯機(jī)，鑄坯頭部與引錠桿分離后，剛性引錠桿依靠引錠存放裝置的夾持輥摩擦作用繼續(xù)上升，進(jìn)入到引錠桿存放裝置內(nèi)；柔性引錠桿則經(jīng)過切前和切后輥道進(jìn)入到引錠桿存放輥道上，由柔性引錠桿存放裝置將其托出輥道放在旁邊。 

圖4  五輥拉矯機(jī)

拉矯機(jī)受力分析見圖5所示，這是一個獨(dú)立的拉矯機(jī)，其受力分析與五輥拉矯機(jī)是一致的。

圖5 拉矯機(jī)受力示意圖

液壓缸輸出的力可以分解成為水平力和垂直作用力，角度為α=25.8298°，其液壓力在球頭處的水平力為F_h＝fcosα，垂直力為F_v＝fsinα，由液壓缸傳遞液壓力形成的動力矩等于壓緊上輥的阻力矩，N是施加在鑄坯上的垂直壓力，于是：

Fcosα*700+Fsinα*(170+900)=900N

900N＝1096F  N＝1.2177F

這樣可見通過拉矯機(jī)上輥結(jié)構(gòu)設(shè)計，達(dá)到了放大液壓力的作用，使其增加了拉矯機(jī)的正壓力，這種結(jié)構(gòu)廣泛使用在方坯和圓坯的拉矯機(jī)上。

無錫雪豐大圓坯拉矯機(jī)的設(shè)計，生產(chǎn)Φ330mm圓坯時候α等于56.35°，見圖6所示。根據(jù)結(jié)構(gòu)上面的分析，N＝1.33F。

圖6  無錫雪豐大圓連鑄機(jī)拉矯機(jī)

2.2  送引錠桿需要的拉矯機(jī)壓力

拉矯機(jī)輸出的液壓壓力就是缸徑大小和壓力函數(shù)關(guān)系，比如缸徑為φ140mm，液壓壓力為20bar，液壓缸輸出的壓力為3.785噸，以無錫大圓連鑄機(jī)為例，在這個液壓壓力的作用下，施加在鑄坯上的壓力為4.09噸，產(chǎn)生的摩擦力為1.23噸，五臺拉矯機(jī)產(chǎn)生的摩擦力為6.14噸，就可以抱住半徑11米連鑄機(jī)生產(chǎn)的φ280mm圓坯，使其處于穩(wěn)定生產(chǎn)之中。

高溫鑄坯與拉矯機(jī)輥?zhàn)拥哪Σ料禂?shù)按照0.3進(jìn)行計算，我多次做過這個試驗(yàn)，求證摩擦系數(shù)，大致就是這個數(shù)據(jù)。引錠桿則為冷鋼狀態(tài)，其摩擦系數(shù)要小的多，也是通過自己的多次試驗(yàn)，這個摩擦系數(shù)約為0.1~0.15，所以送引錠桿需要的冷坯壓力就大的多，比如無錫雪豐大圓連鑄機(jī)送柔性引錠桿使用了120bar以上的壓力，這里注意的是，柔性引錠桿將引錠頭送入銅管內(nèi)，一般下面的拉矯機(jī)只有2~3架咬住引錠桿，如果引錠桿自重較大，就需要的較高的液壓壓力來平衡引錠桿自重下滑力，見圖7~9。

圖7  引錠桿冒出結(jié)晶器安裝引錠頭

圖8  R11米圓坯連鑄機(jī)引錠桿送入結(jié)晶器準(zhǔn)備開澆 

圖9  引錠桿牽引鑄坯下行

送引錠桿過程要求拉矯機(jī)輸出的液壓壓力最大，主要是：

（1）矯直機(jī)輥?zhàn)优c引錠桿之間的摩擦系數(shù)小。

（2）引錠桿自重的影響，對于大斷面的鑄坯需要引錠桿具備一定的自重，從而保持引錠桿自重下滑力牽引鑄坯克服結(jié)晶器阻力，所以需要拉矯機(jī)付出足夠的摩擦力來平衡引錠桿上升引起的下滑力。唐工始終堅(jiān)持認(rèn)為克服結(jié)晶器拉拔阻力是引錠桿和鑄坯的自重產(chǎn)生的下滑力，所以必須具有一定高度和自重的勢能來克服結(jié)晶器阻力，這是穩(wěn)定連鑄生產(chǎn)的基本條件，不能指望拉矯機(jī)產(chǎn)生拉力來克服阻力。

（3）柔性引錠桿一般用于大斷面鑄坯，鑄機(jī)基本半徑較大，鑄坯和引錠桿具有的勢能大，所以需要較大液壓壓力來產(chǎn)生足夠的摩擦力來平衡下滑力。

連鑄機(jī)澆鑄結(jié)束時候，鑄坯離開銅管那一瞬間，由于沒有了結(jié)晶器拉拔阻力的作用，如果鑄坯規(guī)格尺寸大，單位長度上的重量大于引錠桿重量，鑄坯自重引起的下滑力最大，此時的拉矯機(jī)需要抱住天上的鑄坯需要最大的液壓壓力。所以連鑄機(jī)拉矯機(jī)液壓站設(shè)計上都要求能夠達(dá)到160bar以上的高壓，就是為了送引錠桿和連鑄起步開始使用，一旦拉矯機(jī)大多數(shù)輥?zhàn)訅鹤「邷罔T坯，就可以轉(zhuǎn)為熱坯壓力，這個壓力大大低于送引錠桿的液壓壓力。

3  連續(xù)矯直曲線

3.1  矯直曲線方程的確定

圖10是亞新公司為伊朗項(xiàng)目的拉矯機(jī)設(shè)計，我這里進(jìn)行了簡化，鑄坯是200mm方坯，鑄機(jī)基本半徑是R9米，剛性引錠桿。里面的角度選取為3.542°：

Tanα=0.061898433

這個角度在拉輥的下輥接觸鑄坯切線與水平線的夾角，如果這個作為拉輥和中間輥之間曲線的起始點(diǎn)，對應(yīng)的該曲線的斜率就是tan（α）。

圖10  連續(xù)矯直拉矯機(jī)示意圖

其曲線的導(dǎo)數(shù)就是上述的大圓在切點(diǎn)的斜率，設(shè)坐標(biāo)圓心在連鑄機(jī)基本半徑的圓心上，那么切點(diǎn)的橫坐標(biāo)就是x＝-9000*sin3.542=-556.02171，圓的方程為：，其導(dǎo)數(shù)為：，已知x點(diǎn)的橫坐標(biāo)，帶入進(jìn)去就可以求出來該點(diǎn)的斜率，  ，這個求法與上述的結(jié)果是一致的。

我們再來將坐標(biāo)原點(diǎn)落在五輥拉矯機(jī)中間輥面與垂直中心線的交點(diǎn)上，按照共識，一般使用三次拋物線方程來確定這個矯直曲線，三次方拋物線的方程就是：  

對上式求導(dǎo)：k值就可以根據(jù)初始條件給出，即：    

對于三次方曲線來說在切點(diǎn)的斜率，切點(diǎn)到拉輥下面垂直輥面的距離a=175*sin3.542=10.81153397mm，這樣對于三次方曲線的橫坐標(biāo)x＝1125-10.81153397＝1114.188466mm，帶入到公式中，可以求得k＝-1.6621x10^-8，這樣就可以確定三次方曲線的方程了。

3.2  矯直段中間輥和矯輥下降高度計算

我們求中間輥面與垂直中心線交點(diǎn)到連鑄基準(zhǔn)圓在拉輥的切點(diǎn)之間的下降距離，令x=-1114.188466mm，就可以計算出來為22.98884mm，加上到拉輥垂直點(diǎn)的下降量h=175-175*cos3.542=0.334288616mm，拉輥下輥和中間輥中心線下降量＝22.98884+0.334288616＝23.3212862mm。這樣就確定了拉矯機(jī)所謂的連續(xù)矯直的所有幾何參數(shù)。

圖紙上面的下降量為23.53mm，和我計算有點(diǎn)差別，我估計有的設(shè)計者在K值的計算上面采用了經(jīng)驗(yàn)公式，所以有一點(diǎn)差別，這個差別不影響設(shè)備的制作和使用，但是從三次方曲線的關(guān)系來看，推導(dǎo)的公式是準(zhǔn)確的，但是我認(rèn)為對這點(diǎn)誤差對矯直不會產(chǎn)生什么負(fù)面影響。

鑄坯是否按照我們規(guī)定的這個連續(xù)矯直曲線來彎曲變形，其實(shí)物體在變形的過程中還是遵循的最小作用量原理，也就是變形過程中受力最小的方向上運(yùn)行。

在拉輥和矯直輥中間加上一個下輥，其目的就是將單點(diǎn)矯直轉(zhuǎn)化為二點(diǎn)或者連續(xù)矯直，但是我總是覺得應(yīng)該是兩點(diǎn)矯直，而且要根據(jù)連續(xù)矯直原理推算出來的中間輥和矯輥的下降量是考慮了矯直之后的彈性回復(fù)物體，即超出需要的矯直量，給鑄坯以回復(fù)的空間。所以在設(shè)計上給與矯直的輥?zhàn)釉俚鸵恍?/span>

我在觀察錫興公司在R9米和R8米的小方坯連鑄機(jī)上看到生產(chǎn)正常中將矯輥抬起來，依靠鑄坯的自重來產(chǎn)生矯直力，但是中間輥是脫離鑄坯的下表面，這個量大約為2mm，當(dāng)然也離開了矯輥的下輥面，觀察矯輥和中間輥兩個下輥是不轉(zhuǎn)動的，這就是單點(diǎn)矯直模式，見圖11。從長期的生產(chǎn)實(shí)踐來看，沒有看到對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生影響。所以不用迷信所謂的連續(xù)矯直，就是兩點(diǎn)矯直和單點(diǎn)矯直也沒有問題的。

我過去是軋鋼工程師，軋制的螺紋鋼需要進(jìn)行彎曲和反彎試驗(yàn)，我有時候?yàn)榱擞^察極端條件下的鋼筋彎曲，將鋼筋彎曲到135°，然后再有意識反彎達(dá)到90~180°，其變形條件非?？量?，應(yīng)變都達(dá)到了15%以上，但是基本上都看不到鋼筋表面出現(xiàn)裂紋，說明了鋼材能夠適應(yīng)很大的應(yīng)變變形的。雖然鑄坯矯直是鑄態(tài)組織，但處在高溫下的鑄坯還是是具備一定的塑性，不會在很小的應(yīng)變率下出現(xiàn)矯直裂紋的。

曾經(jīng)因?yàn)橥ｋ姽收显斐赏玻?/span>φ280mm鑄坯已經(jīng)冷卻到500℃以下，為了減少工作量，來電后繼續(xù)開啟拉矯機(jī)將其拉出來，仔細(xì)觀察鑄坯表面，然后切割低倍試樣，沒有發(fā)現(xiàn)任何裂紋缺陷，按照正常鑄坯交貨，一切正常，說明只要不在雙相區(qū)矯直，不會對鑄坯產(chǎn)生影響的，軋鋼矯直工序比比皆是，其矯直變形量很大的，只要工藝正常，一般不會產(chǎn)生矯直缺陷的。

我認(rèn)為連續(xù)矯直的輥系布置思路與立彎式連鑄機(jī)二冷室內(nèi)的從直線段變成弧形段的輥系布置思路應(yīng)該是一致的，也是可以參考上面的計算進(jìn)行設(shè)計。立彎式連鑄機(jī)很少使用在方坯和圓坯上，我始終認(rèn)為鋼水的潔凈度的工作一定要在精煉工序完成，不能指望中間包和結(jié)晶器內(nèi)來去除夾雜物，而且在結(jié)晶器內(nèi)鋼水下行的沖刷作用，形成腔體內(nèi)鋼水?dāng)噭樱茈y具備夾雜物上浮的條件，不需要立彎式連鑄機(jī)提供的那么一點(diǎn)直線度來上浮夾雜物，立彎式連鑄機(jī)設(shè)備復(fù)雜，維護(hù)麻煩，備件量多，所以說沒有必要性來增加麻煩，弧形連鑄機(jī)完全能夠勝任。

圖11  無錫雪豐小方坯連鑄機(jī)生產(chǎn)中抬起矯輥，依靠鑄坯自重矯直

生產(chǎn)中過程中出現(xiàn)的問題，通過現(xiàn)場的努力，不斷調(diào)整，不斷提高，總是可以解決的，現(xiàn)場的工程技術(shù)人員、管理管理者和現(xiàn)場職工只要不斷學(xué)習(xí)和實(shí)踐，就能在現(xiàn)有的裝備水平條件下生產(chǎn)較高水平的鋼種。

我寫這篇文章的目的一是為了解決問題，闡述了引錠過程和矯直過程，希望能夠解決存在的問題，同時闡述鑄坯矯直方面的一些理論，希望給大家能夠有一個清晰概念，了解這個引錠和矯直過程。文章的最后是推導(dǎo)了漸進(jìn)矯直參數(shù)，大家從事連鑄機(jī)有關(guān)的工作，了解這個設(shè)計或許是有益的。

連鑄機(jī)的矯直過程設(shè)計是理想狀態(tài)的，但是實(shí)際生產(chǎn)中由于存在安裝誤差，拉矯機(jī)輥?zhàn)拥哪p等因素的存在，不可能完全按照理想狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)矯直，鑄坯矯直過程具有較大的寬容度的，我看過安裝失誤的連鑄機(jī)，其拉矯機(jī)輥面標(biāo)高和位置都相差幾十毫米，其生產(chǎn)也是正常的，一套好的設(shè)備和工藝，需要給操作者一定的寬容量，過于精密的工藝設(shè)備對于大工業(yè)的鋼鐵生產(chǎn)來說保養(yǎng)維護(hù)還是困難的。

唐工水平有限，后來從事連鑄事業(yè)，看到這個問題，希望自己能夠弄清這個問題，推導(dǎo)過程比較粗糙的，不對之處請各位看官給與指正，希望能和大家一起討論技術(shù)問題，共同營造一個商量學(xué)習(xí)的氣氛。