劉桂華，禹國剛，劉寶超

（1.天津鋼鐵集團有限公司，天津300301；2.天津理工大學工程訓練中心，天津300191）

棒材Ф550粗軋機組軋輥優(yōu)化設(shè)計

劉桂華1，禹國剛2，劉寶超1

（1.天津鋼鐵集團有限公司，天津300301；2.天津理工大學工程訓練中心，天津300191）

針對棒材Ф550粗軋機組軋輥發(fā)生的輥頸斷裂事故，分析出產(chǎn)生原因為球墨鑄鐵軋輥輥頸強度不足。通過選用半鋼軋輥、重新優(yōu)化設(shè)計其配輥，校核與計算Ф550半鋼軋輥輥頸強度，能夠滿足生產(chǎn)需求，避免了軋輥輥頸斷裂的事故，保證了生產(chǎn)的穩(wěn)定順行。

軋輥；輥頸；強度；材質(zhì)；安全系數(shù)

1　引言

目前小型軋機的主導(dǎo)機型為短應(yīng)力線軋機，無牌坊的拉桿結(jié)構(gòu)，使軋制力應(yīng)力回線縮短，軋機的整體剛度增強，設(shè)備總重降低，產(chǎn)品質(zhì)量提高［1］。我公司棒材生產(chǎn)線始建于2004年，2006年2月建成投產(chǎn)。軋機主體設(shè)備和工藝技術(shù)由意大利達涅利公司引進，電氣傳動和自動化控制系統(tǒng)由意大利安薩爾多公司引進。生產(chǎn)線由18架摩根沙碼第五代高剛度短應(yīng)力線軋機組成，以6-8-4工藝布局，平立交替布置。產(chǎn)品規(guī)格包括Φ10～Φ50mm螺紋鋼和Φ16～Φ75mm熱軋圓鋼［2］。摩根沙碼第五代高剛度短應(yīng)力線軋機采用短的應(yīng)力回線結(jié)構(gòu)，棒材生產(chǎn)線中粗軋、中軋及精軋機組僅采用此短應(yīng)力線軋機，有效地提高了軋機的剛度和產(chǎn)品尺寸精度。其中軋輥是軋機的主要負載件，直接與紅鋼接觸，在軋制壓力作用下，會產(chǎn)生彈性變形，軋輥設(shè)計直接影響鋼材的產(chǎn)量與質(zhì)量。意大利達涅利公司設(shè)計棒材生產(chǎn)線有6架粗軋機組，其中1～4架軋機軋輥直徑Φ650 mm，輥身長度1 100 mm；5～6架軋機軋輥直徑Φ550 mm，輥身長度700 mm，軋輥材質(zhì)均為珠光體球墨鑄鐵。自2006年棒材廠投產(chǎn)以來，第5架軋機曾多次發(fā)生軋輥輥頸斷裂，造成嚴重生產(chǎn)事故，問題處理時間長，給生產(chǎn)帶來極大的安全隱患。本文通過對第5架軋機軋輥輥頸強度的校核以及軋輥材質(zhì)和配輥設(shè)計優(yōu)化，使軋輥滿足生產(chǎn)要求，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定順行。

2　Φ550鑄鐵軋輥輥頸強度校核與計算

軋輥是由輥身、輥徑、輥頭等3部分構(gòu)成。輥身和輥頸的過渡區(qū)幾何形狀不連續(xù)，會產(chǎn)生應(yīng)力集中，且輥頸比輥身直徑小，這是軋輥最薄弱的地方，斷輥事故常發(fā)生在此位置。軋制力沿垂直方向作用于軋輥上，軋輥受力圖如圖1所示。

2.1支反力計算

式中，P為最大軋制力；C為支撐點到輥身距離；L為輥身長度；RB為支反力；a為壓下螺絲間距。

2.2輥徑彎曲力矩計算

圖1　軋輥受力示意圖

式中，Mj為輥徑彎曲力矩。

2.3輥徑彎曲應(yīng)力計算

式中：σj為輥頸彎曲應(yīng)力；d為輥頸直徑。

2.4輥頸扭轉(zhuǎn)力矩計算

式中：Mn為輥頸扭轉(zhuǎn)力矩；Δh為最大壓下量；v1為軸承摩擦系數(shù)。

2.5輥頸扭轉(zhuǎn)應(yīng)力計算

式中，τn為輥頸扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

2.6球墨鑄鐵軋輥的合成應(yīng)力計算

式中，σh為合成應(yīng)力。

2.7安全系數(shù)

由表1可知，Φ550鑄鐵軋輥輥頸合成應(yīng)力180.44 MPa，球墨鑄鐵軋輥許用應(yīng)力為78.4～117.6 MPa，輥頸合成應(yīng)力大于鑄鐵軋輥許用應(yīng)力值；輥頸安全系數(shù)2.49小于3，因此，達涅利公司設(shè)計粗軋機組第5架軋機，因壓下量大，承受軋制力大，?550軋輥選用珠光體鑄鐵材質(zhì)不能滿足強度要求，導(dǎo)致輥頸斷裂事故的發(fā)生。

3　Ф550軋輥材質(zhì)與配輥設(shè)計優(yōu)化

3.1軋輥材質(zhì)優(yōu)化

達涅利原設(shè)計第5架軋機Φ550軋輥材質(zhì)為珠光體球墨鑄鐵軋輥，根據(jù)國標GB/T1504-2008鑄鐵軋輥標準，輥頸抗拉強度要求≥450MPa。結(jié)合棒材實際生產(chǎn)情況，所有規(guī)格產(chǎn)品第5架軋機最大壓下量為42mm，從而計算得到生產(chǎn)過程中最大軋制力1 500 kN，輥頸彎曲應(yīng)力156.17 MPa，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力58.38 MPa，合成應(yīng)力180.44 MPa，均大于鑄鐵軋輥許用應(yīng)力，因此，認定球墨鑄鐵軋輥選材不合理，而選用半鋼軋輥材質(zhì)。依據(jù)國標GB/T1503-2008鑄鋼軋輥標準，輥頸抗拉強度≥600 MPa，能夠滿足生產(chǎn)要求。

表1　Ф550鑄鐵軋輥輥頸強度參數(shù)計算表

3.2軋輥配輥設(shè)計優(yōu)化

Φ550軋輥輥身長度700 mm，達涅利原設(shè)計配輥4個軋槽，第一個軋槽中心距軋輥邊緣距離為113 mm，而軋輥輥頸均是在使用第一個軋槽軋制過程中發(fā)生斷裂?？紤]到軋輥輥頸上的彎曲應(yīng)力是由最大支反力決定，必須通過加大第一個軋槽與軋輥邊緣距離的方式減小軋制過程中作用在軋輥輥頸上的支反力和彎曲應(yīng)力。因此將輥身配輥由4個軋槽優(yōu)化設(shè)計為3個，第一個軋槽中心到軋輥邊緣距離變?yōu)?92 mm，軋輥的安全系數(shù)就會增加。

3.3Φ550半鋼軋輥輥頸強度校核與計算

在軋輥材質(zhì)和配輥設(shè)計完成后，同樣要對半鋼軋輥輥頸的彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力進行核算，所有參數(shù)計算與鑄鐵軋輥相同，只是合成應(yīng)力計算因材質(zhì)不同而有所區(qū)別，鑄鐵軋輥用摩爾理論（第二強度理論）計算合成應(yīng)力，而鋼軋輥根據(jù)第四強度理論計算合成應(yīng)力，計算公式為：

式中，σh為合成應(yīng)力。

計算結(jié)果如表2所示。由表2可知，粗軋機組第5架軋機選用半鋼軋輥優(yōu)化設(shè)計配輥后，輥頸安全系數(shù)達到3.6。對于正常棒材生產(chǎn)，輥頸安全系數(shù)可取3～5，因此半鋼軋輥輥頸強度滿足生產(chǎn)要求，能夠保證生產(chǎn)順行。

表2　設(shè)計優(yōu)化后?550半鋼軋輥輥頸強度參數(shù)計算表

4　軋輥使用情況

粗軋機組第5架軋機的Φ550軋輥優(yōu)化為半鋼材質(zhì)，配輥設(shè)計成3個軋槽，對實際生產(chǎn)過程中第一個軋槽的使用情況進行跟蹤（見表3）。同時考慮到影響軋輥使用壽命的因素，除了彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、接觸應(yīng)力外，還有因溫度分配不均勻或交替變化引起的溫度應(yīng)力過大，壓下量過大，造成軋機負載過大等因素。因此，為提高軋輥的安全系數(shù)，優(yōu)化了各鋼種的加熱工藝和粗軋機組軋制技術(shù)參數(shù)，適當提高開軋溫度，合理分配各道次壓下量，降低了第5架軋機的軋制負荷。

表3　第5架軋機新材質(zhì)軋輥使用后第一個軋槽的過鋼量跟蹤/t

半鋼材質(zhì)Φ550軋輥投入使用后，沒有再發(fā)生軋輥輥頸斷裂的事故，第一個軋槽過鋼量正常，為安全穩(wěn)定生產(chǎn)提供了有力的保障。

5　結(jié)論

利用摩爾理論（第二強度理論）計算校核粗軋機組第5架軋機Φ550鑄鐵軋輥輥頸強度，分析出輥頸斷裂的原因是軋輥輥頸合成應(yīng)力大于鑄鐵軋輥許用應(yīng)力，且安全系數(shù)低。根據(jù)輥頸斷裂均發(fā)生在使用邊沿軋槽的特點，重新優(yōu)化設(shè)計了軋輥配輥、各鋼種的加熱工藝和粗軋機組軋制技術(shù)參數(shù)，適當提高開軋溫度，合理分配各道次壓下量。選用半鋼材質(zhì)軋輥，根據(jù)第四強度理論計算輥頸的合成應(yīng)力，得出軋輥輥頸的安全系數(shù)，可以滿足生產(chǎn)需求。

［1］賈慧靈，任學平，竇劍琳.Ф320軋機軋輥強度有限元分析［J］.冶金設(shè)備，2008，168（2）：8-37.

［2］劉桂華.Ф16 mm螺紋鋼三切分軋制工藝開發(fā)與應(yīng)用［J］.天津冶金，2015（4）：41-44.

［3］鄒家祥.軋鋼機械［M］.3版.北京：冶金工業(yè)出版社，2000.

Optim ization of Design for Roll ofФ550 Bar Roughing M ill

LIU Gui-hua1，YU Guo-gang2and LIU Bao-chao1
（1.Tianjin Iron and Steel Group Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China；
2.Engineering Training Center of Tianjin University of Technology，Tianjin 300191，China）

The cause for the accident of roll neck rupture at roll ofФ550 bar roughingmill was analyzed as the deficiency of the strength of ductile cast iron roll neck.The production demand wasmet through selecting semisteel roll，re-optimizing design and roll arrangement and calculating and checking the strength ofФ550 semisteel roll neck.The reoccurrence of the same rupture was avoided and stable and smooth production ensured.

roll；roll neck；strength；material；safety factor

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.04.014

2016-04-08

2016-04-25

劉桂華（1968—），女，碩士，高級工程師，主要從事棒材生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)及管理工作。