摘  要  电子束冷床熔炼炉熔铸的钛锭基本是在竖直拉锭舱中形成，取锭后需要通过翻转装置将锭坯由竖直状态翻转为水平状，便于转移到机加工作业区进行表面去除加工。攀枝花云钛实业有限公司现有翻锭机设计能力为钛锭毛坯最大尺寸220×1 400×8 400 mm，最大有效载荷12 t。新建电子束冷床熔炼炉生产的钛锭最大尺寸、重量增加到220×1 570×10 150 mm、15 t。为充分利用现有资源降低成本，在不增加液压动力和设备的前提下，通过对现有翻锭机结构改造，实现了攀枝花云钛实业有限公司翻锭机能力扩展。

关键词  翻锭机  支点 重心位置  力臂  载荷力矩  支承力矩  收缩力矩  

1  前言

随着钛产业的发展，特别是随着电子束冷床熔炼炉国产化进程的快速发展，其运用于钛锭熔铸更加广泛，其熔铸的钛锭基本都是在竖直拉锭舱中形成，取锭后需要通过翻转装置将锭坯由竖直状态翻转为水平状，便于转移到机加工作业区进行表面去除加工。随着设备的大型化发展方向，钛锭熔铸企业为扩大产能，生产的钛锭尺寸重量也随之不断增加，企业需要翻转能力更强大的钛锭翻转机适应更为广泛的产品规格，对设备能力扩展改造最大限度减少操作维护方式规程的变更，最大限度地利用现有资源降低成本。攀枝花云钛实业有限公司新建国产化大型电子束真空熔炼炉(简称EB炉)，原生产的铸锭由原来的220×1 400×8 400，最大重量12  t，新建EB炉生产钛锭220×1 570×10 150，最大重量15 t，通过对现有钛锭翻转装置进行能力扩展改造，在不增加液压动力和设备的前提下，通过对受力机构结构改造实现了满足新增产品规格的翻转。

2  性能参数和改造方案的确定

2.1 工况用途及参数确立

钛锭坯熔炼完成从EB炉竖直取出后通过翻锭机将其翻转90º达水平状态，现有翻锭机适应钛锭毛坯（厚）220×（宽度）1 400×（长max）8 400 mm，最大有效载荷12 t，对翻锭机能力扩展改造后适应钛锭毛坯（厚）220×（宽度）1 570×（长max）10 150 mm，最大重量15 t，通过对原翻锭机技术资料查阅，结合现场测绘数据作为改造设计依据。

图1  原翻锭机布置结构及运行

2.2 原翻锭机情况分析

2.2.1原翻锭机布置及结构

设备主要由翻转架、油缸尾部耳座、液压缸、翻锭机液压站、翻锭机护架、翻转架轴承座组成，设有基坑。原翻锭机布置及结构如图1所示，其油缸为重载双作用油缸，其液压站工作压力12.5 MPa，设计压力14 MPa；油缸缸径100 mm，杆径56 mm，单支油缸在工作压力12.5 MPa时推力（伸/支承）98.18 KN，（缩/拉）力67.4 KN。底部挡座端面至翻转架支点中心线3 760 mm。工作过程为90 º逆时针翻转。

2.2.2原翻锭机工况及运行分析

待机时实际翻转台架与水平面夹角＜90 º，最大工作钛锭坯长度8 400 mm时，当钛锭坯达到水平位置时，达全工作过程载荷力臂最大≈440 mm，油缸力臂为全工作过程最大值≈757.4 mm。启动位置油缸力臂为全工作过程最小值≈277.7 mm，载荷力臂≤150 mm；工作锭长7 520～8 400 mm范围时启动及翻转过程中锭坯重心在上方或左侧，其作用于支点的力矩是使板坯逆时针翻转，此时油缸为支承作用防止板坯失控，维持平稳逆时针翻转至水平位，需要油缸最大支承力矩＞太锭坯重力翻转力矩。工作锭长＜7 520 mm时启动及翻转过程中锭坯重心在下方或右侧，其作用于支点的力矩是使板坯顺时针翻转，此时油缸拉板坯实现平稳逆时针翻转至水平位，需要油缸最大收缩（拉）力矩＞钛锭坯重力翻转力矩。经校核计算：现有翻锭机液压仅能满足（厚）220×（宽度）1 400，长度在6 000～8 400 mm 范围内的钛锭毛坯翻转，长度＜6 000 mm的需要起重机辅助提升翻转。

2.3翻锭机改造方案

改造后布置及结构工作状况如图2所示，改造要点介绍。

（1）液压站位置及运行参数不变，仍使用原有液压缸，液压缸随翻转架左移500 mm，上移500 mm，增设轴承座支架和油缸尾部支架，头部、尾部铰接点相对翻转架支点位置为变化，以适应载荷重心位置调整；

（2）翻转架右侧接长500 mm，两侧加宽200 mm，新设置底部挡座（第一挡位），原底部挡座改造设置活动挡座（第二挡位），第一挡位底部挡座端面至翻转架支点中心线4 575 mm，第二挡位底部挡座安装后端面至翻转架支点中心线3 734 mm；

（3）护架改造，增设一层高500 mm的槽钢护架，与原有护架体型相当；

（4）基坑需要进行调整。原标高±0.000至-2.100上部坑，需要左侧扩展1 600 mm，

宽度4 000 mm不变，即原为（深）2 100×（宽度）4 000×（长）10 000 mm扩展为（深）2 100×（宽度）4 000×（长）11 600。

图2  改造后翻锭机布置结构

2.4 翻锭机改造方案可行性分析

改造后翻锭机运行按承载分为三种工作状况 ，分别进行分析。

（1）第一种工作状况

待机时实际翻转台架与水平面夹角＜90º，工作钛锭坯长度9 150～10 150 mm时，其启动及翻转过程中锭坯重心在上方或左侧，其作用于支点的力矩是使板坯逆时针翻转，此时油缸为支承作用防止板坯失控，维持平稳逆时针翻转至水平位，需要油缸最大支承力矩＞太锭坯重力翻转力矩。

① 启动位置计算：待机位置油缸力臂为全工作过程最小值≈277.7 mm，此时的载荷最大。

F总载=F翻转架+ F钛锭+ F吊具≈24 KN+150 KN+50 KN≈202 KN

载荷力臂≤150 mm，载荷力矩≈224 KN×0.15 m≈33.6 KN·m

油缸最大支承力矩≈98.18 KN×0.2777 m×2（支）≈54.53 KN·m

满足载荷要求。

② 翻转过程至水平计算：翻转过程载荷力臂与油缸动力力臂变化率是一致的，通过校核最大载荷力矩来确定设备动力是否满足要求，当钛锭坯达到水平位置时，达全工作过程载荷力臂最大≈500 mm，油缸力臂为全工作过程最大值≈757.4 mm。由于翻转架此时重心在右侧，对于克服锭坯逆时针翻转是有帮助的，减轻油缸阻尼力矩，但为了安全起见在本计算过程中仍然把它作为载荷。

F总载=F翻转架+ F钛锭≈24 KN+150 KN≈174 KN 

载荷力臂≤500 mm，最大载荷力矩≈174 KN×0.5m≈87 KN·m

油缸最大支承力矩≈98.18 KN×0.7574 m×2（支）≈148.7 KN·m

满足载荷要求。

（2）第二种工作状况

待机时实际翻转台架与水平面夹角＜90°，工作钛锭坯长度8 000～9 150 mm时，其启动时重心及翻转过程中锭坯重心在下方或右侧，其作用于支点的力矩是使板坯顺时针翻转，此时油缸拉板坯实现平稳逆时针翻转至水平位，需要油缸最大收缩（拉）力矩＞钛锭坯重力翻转力矩。

① 启动位置计算：待机位置油缸力臂为全工作过程最小值≈277.7mm，此时的载荷最大。

F总载=F翻转架+ F钛锭+ F吊具≈24 KN+142 KN+50 KN≈216 KN

载荷力臂≤150 mm，载荷力矩≈216 KN×0.15 m≈32.4 KN·m

油缸最大收缩（拉）力矩≈67.4 KN×0.2777 m×2（支）≈37.4 KN·m

满足载荷要求。

② 翻转过程至水平计算：翻转过程载荷力臂与油缸动力力臂变化率是一致的，通过校核最大载荷力矩来确定设备动力是否满足要求，当钛锭坯达到水平位置时，

油缸力臂为全工作过程最大值≈757.4 mm

油缸最大收缩（拉）力矩≈67.4 KN×0.7574 m×2（支）≈102.1 KN·m

载荷力矩也是最大值。由于翻转架此时重心在右侧，计算过程中仍然把它作为载荷；由于钛锭坯长度影响重量和力臂，两个变量导致载荷力矩的变化是相反的，所以需要找到载荷力矩大于油缸最大收缩（拉）力矩的板坯来进行校核，（厚）220×（宽度）1 570单位长度（m）的重量为15.6 KN，F钛锭=15.6 KN ·L锭长， L载荷力臂= 4.575 -L锭长/2，

M载荷力矩= F钛锭· L载荷力臂=15.6 ·L锭长·（4.575 -L锭长/2）=71.37 · L锭长-7.8 L²锭长（KN·m）

代入假设值计算求解（L锭长＜9.15 m）：

当L锭长=9 m时，M载荷力矩=10.53 KN·m；当L锭长=8 m时，M载荷力矩=71.76 KN·m；

当L锭长=7.5 m时，M载荷力矩=96.5 KN·m；当L锭长=7 m时，M载荷力矩=117.39 KN·m；

当L锭长=6 m时，M载荷力矩=147.42 KN·m；

因此得到当锭坯长度为7.5 m时载荷力矩已接近油缸最大收缩（拉）力矩，此时锭坯重量117 KN。

F总载=F翻转架+ F钛锭≈24KN+117KN≈141KN

载荷力臂=825 mm，最大载荷力矩≈141 KN×0.825 m≈116.3 KN·m；已超出承载能力。当锭坯长度＜8 m且≥6 m时必须调整底部挡位置到第二档位；

（3）第三种工作状况（采用第二挡位底部挡座）

待机时实际翻转台架与水平面夹角＜90°，工作钛锭坯长度6 000～8 000 mm时，其启动时重心及翻转过程中锭坯重心在下方或右侧，其作用于支点的力矩是使板坯顺时针翻转，此时油缸拉板坯实现平稳逆时针翻转至水平位，需要油缸最大收缩（拉）力矩＞钛锭坯重力翻转力矩。经校核油缸最大收缩（拉）力矩＞钛锭坯重力翻转力矩。

（4）分析结论：改造后翻锭机采用第一挡位底部挡座能满足（厚）220×（宽度）1 570，长度在8 000～10 150 mm 范围内的钛锭毛坯翻转；采用第二挡位底部挡座能满足（厚）220×（宽度）1 570，长度在6 000～8 000 mm 范围内的钛锭毛坯翻转。不适用＜6 000mm钛锭毛坯翻转。

3  翻锭机改造后运行功能情况

工作过程为90 º逆时针翻转。待机时实际翻转台架与水平面夹角＜90 º，最大工作钛锭坯长度10 150 mm时，当钛锭坯达到水平位置时，达全工作过程载荷力臂最大≈500 mm，油缸力臂为全工作过程最大值≈757.4 mm。启动位置油缸力臂为全工作过程最小值≈277.7 mm，载荷力臂≤150 mm；

（1）采用第一挡位底部挡座，工作锭长9 150～10 150 mm范围时启动及翻转过程中锭坯重心在上方或左侧，其作用于支点的力矩是使板坯逆时针翻转，此时油缸为支承作用防止板坯失控，维持平稳逆时针翻转至水平位。

（2）采用第一挡位底部挡座，工作钛锭坯长度8 000～9 150 mm时，其启动时重心及翻转过程中锭坯重心在下方或右侧，其作用于支点的力矩是使板坯顺时针翻转，此时油缸拉板坯实现平稳逆时针翻转至水平位。

（3）采用第二挡位底部挡座，工作钛锭坯长度6 000～8 000 mm时启动及翻转过程中锭坯重心在下方或右侧，其作用于支点的力矩是使板坯顺时针翻转，此时油缸拉板坯实现平稳逆时针翻转至水平位。

（4）长度＜6 000 mm的需要起重机辅助提升翻转。

4  结语

通过对钛锭翻转装置能力扩展改造技术应用的研究，有效的对待改造翻坯机的主要组成部件进行了解测绘和计算、分析，最大限度地利用现有资源制定方案，经过详细验算保障可靠安全，不仅降低成本而且最大限度减少操作维护方式的变更，实施改造后翻锭机满足翻转极限钛锭的要求，运行平稳。

参考文献：

［1］成大先.《机械设计手册》化学工业出版社,2007.11

［2］王文先,王东坡等. 《焊接结构》化学工业出版社, 2010.01