钢坯火焰清理机的设计—总体方案设计及总体装配

第一章引言1.1 概述手动火焰清理设备一直是钢铁企业的常用设备。

这项艰苦的工作经常是在高温，高粉尘及噪声污染的恶劣环境中进行的。

为了改善手工作业环境以及由于手工作业带来的低效率，高成本等问题，如今钢铁行业逐渐重视对钢坯清理的机械作业的研发。

所谓钢坯火焰清理就是利用高温火焰的气割和熔除作用将钢坯表面缺陷烧除的工序。

该工序能有效提高钢材的轧制质量，为了生产高质量的优质钢材提供了必要的保证。

钢坯火焰清理按工作温度分为热钢坯火焰清理和冷钢坯火焰清理；钢坯火焰清理按操作方式分为手工作业和机械作业方式。

其中实现机械作业的装置称火焰清理机，他是通过专门烧嘴将氧气和炼焦煤气进行混合，燃烧火焰预热连铸钢坯，然后利用高压纯氧流与钢坯表面产生氧化反应，对钢坯火焰清理机需要采取机械作业方式，冷钢坯火焰清理机即可采用手工作业方式，又可采用机械作业方式。

冷钢坯火焰清理即可采用手工作业方式，又可采用计息作业方式，但由于我国目前非常缺乏专门的火焰清理机的设计、制造研发能力，国内钢坯火焰清理主要采用手工作业冷钢坯清理方式。

1.2 钢坯火焰清理机的发展概况钢坯火焰清理技术起源于美国，成熟于韩国，是全球冶金行业率先进行批量化检验板坯皮下缺陷的先进手段，目前正风靡于世界冶金业。

而随着我国钢铁工业对钢种质量的需求进一步提高，钢坯的火焰表面清理技术显得越来越重要，实践证明利用火焰清理钢坯缺陷，能有效地提高钢材的轧制质量。

近几年来国内高度重视钢坯火焰清理技术在国内冶金业的应用，如2006年宝钢分公司炼钢厂4号连铸机工程配套改造项目：二炼刚火焰清理机技改工程热负荷试车一次成功，顺利投入运行。

改造后，二炼钢火焰清理机清理铸坯的最大宽度可从1450毫米增至1750毫米，年清理能力也将由60万吨扩大到120万吨。

又如2010年迁钢公司板坯火焰清理机热试成功，设计年处理板坯190万吨，为该公司低成本生产高端高效产品，尤其是高品质汽车板、加点板提供了技术保证，迁钢成为国内继宝钢之后第二家投入火焰清理机的企业。

但该板坯火焰清理机主体设备均由日本KBK公司和美国L-TEC公司联合设计制作。

可见，国外钢坯火焰清理技术现处于极度保密的状态，国内需要花费巨大的外汇来进口国外的钢坯火焰清理机的整机和关键核心部件，而且维修服务费用昂贵。

基于我国目前火焰清理机研发十分落后的局面，注定我国民族冶金企业必须走自主创新、产学研相结合的道路，通过对钢坯火焰清理机研发中的整体方案设计、结构分析、制造与装配等关键技术进行校企联合公关，我国才能够较快较全面掌握钢坯火焰清理技术，为我国冶金企业长期发展注入强劲的活力。

因此，钢坯火焰清理机的设计项目具有十分深远的现实意义和工程应用价值1.3 钢坯火焰清理机开发的理由和目的* 产品质量方面的要求* 日益高涨的作业费用* 改善人工清理时严酷的工作环境* 排除人工清理产生的不稳定性* 保证高质量和高附加值* 克服在其他表面处理作业时被限制的能力1.4 钢坯火焰清理机的具体技术指标：图表1-1 技术指标1.5 本文主要研究的内容对钢坯火焰清理机进行总体功能分析，确定总体方案以及翻板装置的仿真模拟。

第二章整体布局2.1 钢坯火焰清理机工作原理和功能火焰清理机往往是安装在初轧机和大剪机之间的生产线上，是对连铸板坯、方坯或钢锭钢表面缺陷，通过利用氧气-燃气进行热化学的氧化反应，对其进行表面缺陷处理的设备。

火焰清理机除了可以去除材料表面的瑕疵外，还可以通过火焰烧嘴喷出的气流力量，把因加热后产生的脱碳层、残余的氧化层渣滓或其他不纯物质吹走，提高钢坯表面的质量和成材率。

按设计要求，该装置由钢坯输送装置、氧化皮和裂纹自动清理装置、钢坯翻板装置、废屑自动排除装置等部分所组成。

钢坯先用吊具吊放于预制工作区，然后由辊道输送到第一清理位，安装在第一清理位的清理机启动作业，完成上表面的清理。

上表面清理后辊道动力启动，把钢坯运送到翻板机构位，翻板机构启动对钢坯的翻板，钢坯被翻转180°后右边的辊道动力启动，把钢坯输送到第二清理位，进行下表面的清理，整个清理工作完成后，由辊子运输辊道输送出来，进行冷却、堆码等。

整个钢坯清理机流程示意图、三维安装示意图见下文。

2.2 流程示意如图：图2-1 平面布局示意图1一清理位1 2—清理位2 3—送入辊道4—送出辊道5—翻板机构和清理区6—预制工作区2.3 安装示意图：2.4 火焰清理机作业流程图图2-3 火焰清理机作业流程示意图第三章各结构设计分析3.1 钢坯翻板装置设计1.1 钢翻板装置的结构形式主要有以下几种：（1）齿轮传动双臂翻板机如图：图3-1齿轮传动双臂翻板机结构特点：两翻臂分别由大小两个齿轮啮合传动，在翻板时，为达到不带负荷启动的目的，两翻臂都要在低于水平位置下方5度时启动，而翻板时翻转臂的交接点在A点位置，即送钢侧的翻臂要走过100度，而接钢侧要走过90度。

钢板在翻转的过程中，过了中间垂直位置后，钢板是以送钢臂的初速度开始并以变加速度进行翻板，其翻转的角加速度是随着钢板翻转的角度增加而加大的，它一定是以某个速度翻转到接钢板的翻臂上，所以会产生噪声和冲击，整个翻板过程电机要进行正反转。

（2）双臂曲柄摇杆式翻板机如图：图3-2双臂曲柄摇杆式翻板机特点：该翻板机由一台交流电动机驱动，由互相连接的两套四杆机构组成。

主动驱动为一曲柄摇杆机构，而翻板为双摇杆机构，两套机构由中间长轴和一个成直角的拐作为中间连接。

整个传动系统是在减速器的低速轴两端各装一个有一定偏角的曲柄a1、a2，由它们分别带动两套四杆机构，用连杆b与两根翻板中间长轴相连。

该翻板机最大的特点就是有一个钢板的接送过程。

优点：解决冲击发出噪声并对钢板表面有可能有一定的损伤，结构简单，制造成本低（3）液压翻板机随着计算机和液压伺服技术的不断发展，液压技术由于有独特的优良特性而广泛地运用于冶金设备中，从而产生了一种新型翻板机——液压翻板机。

如图：图3-3液压翻板机优点：同步长轴上加上角度检测装置，对翻板的角度信号进行处理，再通过伺服系统，对翻板过程就能实现速度和位置的精确控制。

因此液压翻板机具有比机械翻板机更加平稳的翻板过程，从而实现无噪声化生产。

缺点：该结构需要的控制水平要求高，且采用液压系统，成本高，投资大1.2 翻板结构设计具体采用方案通过上述几种类型翻板机构的分析，可以看出齿轮翻板机设备结构简单，工作可靠但是冲击大、对噪声大对环境的影响大。

而且由于翻板过程中的冲击会对钢板产生表面损伤，而液压翻板机得翻板过程平稳，但是控制水平要去高，投资较大，所以本课题设计翻板结构部分选用上述双臂曲轴摇杆式翻板机思路进行设计具体结构如图所示：图3-4翻板结构三维示意图3.2 火焰清理装置方案论证钢坯火焰清理机就是利用高温火焰的气割和熔除作用将钢坯表面缺陷烧除。

3.2.1 外形结构分析常见的数控火焰清理装置外形结构有悬臂式和龙门式两种方案方案1 悬臂式（如图）优点：结构简单，具有很好的敞开性，占用场地少，成本低缺点：悬臂式结构，当伸臂跨距太长时，由于火焰枪作业时有上下左右的行走，安装在伸臂端，只有一侧支撑，显得结构很单薄，且平稳性不好，不利于长期稳定的作业。

悬臂式结构，单边驱动，只能固定在某一位置，不可挪动，随着使用年限增加，误差也会随着增加，无改造价值图3-5悬臂式方案2 门式（如图2）结构设计合理，刚性高，减震稳定性好，门式结构可以采用双边驱动，整个作业机构可以再导轨上移动，不是固定某一个位置不能移动。

结构稳定，横梁可以采用箱子式焊接技术，不变形，使用年限长，具有改造价值。

图3-6龙门式3.2.2 传动方案选取机械传动部件通常有螺旋传动、齿轮传动、同步带传动、高速带传动、各种非线性传动等，其主要功能是传递转矩和转速。

因此可以说，机械传动部件实质上是一种转矩、转速变换器，其目的是使执行元件与负载之间在转矩和转速方面得到最佳匹配。

机械传动部件对伺服系统的伺服特性有很大影响，特别是其传动类型、传动方式、传动刚度以及传动可靠性对机电一体化系统的精度、稳定性和快速响应性有重大影响。

因此，应设计和选择传动间隙小、精度高、体积小、重量轻、运动平稳、传递转矩大的传动部件。

如图（3）所示：图3-7清理结构三维示意图机械传动部件中的传动机构及其传动功能如下图表注：Δ表示有此功能（图表）从表中可以看出，齿轮齿条传动既可将直线运动或回转运动转换为回转运动或直线运动，又可将驱动力或转矩转换为转矩或驱动力；带传动、蜗轮蜗杆传动及各类齿轮减速器既可进行升速或降速，也可进行转矩大小的变换。

丝杠螺母机构可以实现动力形式的变化，主要用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。

3.2.3 工作台沿导轨纵向移动的传动方案和沿横梁横向运动方案选定工作台纵向沿导轨运动和沿横梁横向运动都是只作直线运动，而电机轴作旋转运动，动力的形式起到变化。

由以上分析，以下为直线传动的常用方案：方案1 电机→联轴器→变速箱→齿轮→齿条方案2 伺服电机→一级齿轮→丝杠→丝杠螺母方案3 伺服电机→联轴器→丝杠→丝杠螺母方案1：电机与丝杠用联轴器直接连接可以使传动系统的转动惯量减小，减小电机的负担，采用精密齿轮齿条传动满足长行程的需要。

方案2，3：采用丝杠—丝杠螺母传动，精度高，但是长丝杠制造成本极高，安装上难度大，6m的滚珠丝杠需要定做，价格在8万左右。

3.2.4 火焰枪升降结构分析因为所谓的钢坯火焰清理机是利用高温火焰的气割和熔除作用将钢坯表面缺陷烧除的一道工序。

所以火焰清理机的清理装置可以仿火焰切割机进行设计，火焰清理枪安装在割炬上。

考虑到成本、结构复杂程度、自动化等因素，火焰清理装置的升降结构一般有以下手动和自动两种方案：方案1、采用手动升降割炬图3-8 手动升降割炬1-托辊2-横梁3-导轨4-载体5-横向调节手轮6-割炬7-升降手轮割炬的升降由手动实现，如图3-8所示。

开条装置固定在横梁的托架上，托架的数量视不同轨距而定。

梁安装在同一水平的托架平面上，梁上置有供数个载体横向移动的导轨，载体数量可根据需求配置。

每个载体上配有一把割炬，并设有横向调节手轮，该手轮可调节载体的位置及载体间的距离，割炬的割嘴与钢板的距离可通过升降手轮来调节。

此种割炬升降结构具有结构简单、制造成本低等优点；但是操作麻烦，一般用于小轨距门式火焰清理机。

方案2、自动升降割炬1-滑座2-横梁3-横向调节手轮4-升降装置5-割炬6-升降调节手轮图3-9 自动升降割炬割炬的升降由自动实现，如图3-9所示。

横梁导轨上配有数个滑座，其数量可根据用户所需的割炬数而定。

滑座平面上装有电动升降装置，割炬座固定在升降装置的座上。

每个滑座的位置可通过横向调节手轮来设定；割炬座升降调节手轮，用于手动调节割炬的高度，割炬的自动化升降由电动升降装置来实现。