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        罩式退火爐爐臺(tái)承重板裂紋分析與修復(fù)

        2018-04-25 09:27:14供稿嚴(yán)升陸兆剛周茂濤楊華代永貴YANShengLUZhaogangZHOUMaotaoYANGHuaDAIYonggui
        金屬世界 2018年1期
        關(guān)鍵詞:爐臺(tái)板結(jié)構(gòu)材質(zhì)

        供稿|嚴(yán)升,陸兆剛,周茂濤,楊華,代永貴 / YAN Sheng, LU Zhao-gang, ZHOU Mao-tao, YANG Hua, DAI Yong-gui

        內(nèi)容導(dǎo)讀

        爐臺(tái)承重板作為罩式退火爐的重要設(shè)備,它的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)生產(chǎn)安全有著重大的影響。文章從工作環(huán)境、受力情況、安裝精度及位置、材質(zhì)等方面入手,運(yùn)用有限元法,分析了承重板出現(xiàn)裂紋的原因,探討了設(shè)備修復(fù)方法及注意事項(xiàng),提高了設(shè)備的使用壽命,降低了設(shè)備維護(hù)成本。承重板裂紋修復(fù)方案確定后,共完成8件承重板的修復(fù)工作。修復(fù)后使用時(shí)間最長的承重板已使用一年以上,使用效果良好,承重板板面平整無變形,無裂紋再繼續(xù)產(chǎn)生。承重板裂紋修復(fù)方案對(duì)類似工況及結(jié)構(gòu)工件的維護(hù)方法、檢查方式都有借鑒作用,為維修人員能更迅速、高效地查找出現(xiàn)故障的原因提供了參考。

        罩式退火爐一般采用爐群化生產(chǎn),而爐臺(tái)承重板是罩式退火爐的關(guān)鍵設(shè)備。受退火生產(chǎn)工藝的影響,爐臺(tái)承重板在生產(chǎn)周期內(nèi)將承受反復(fù)交變的熱應(yīng)力[1],如果出現(xiàn)問題將對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)定和機(jī)組運(yùn)行安全造成重大影響。某鋼鐵公司冷軋廠在罩式退火爐群承重板投用1~2年后,部分承重板開始出現(xiàn)裂紋,并且裂紋長度隨生產(chǎn)次數(shù)增加而不斷增長。當(dāng)承重板的裂紋長度增長到一定程度時(shí),承重板將可能出現(xiàn)局部嚴(yán)重變形、塌陷等故障,屬于安全生產(chǎn)的嚴(yán)重隱患,因此應(yīng)該強(qiáng)制報(bào)廢。但是,由于爐臺(tái)承重板備件成本較高且數(shù)量較多,如果全部更換將導(dǎo)致退火爐芯軸報(bào)廢,從而造成較大的浪費(fèi)。因此,需要對(duì)爐臺(tái)承重板斷裂部分的原因進(jìn)行分析,制定修復(fù)方案,并針對(duì)后續(xù)爐臺(tái)承重板全新備件的結(jié)構(gòu)及材質(zhì)提出改造方案,才能更有效且低成本地解決該問題。

        裂紋原因分析

        在整個(gè)退火生產(chǎn)周期過程中,承重板主要在高低溫不斷交變的工作環(huán)境下承受鋼卷的壓力,經(jīng)檢測判斷產(chǎn)生裂紋的原因?yàn)椋撼兄匕褰Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺陷和承重板選用材質(zhì)耐熱性偏低。

        承重 板結(jié)構(gòu)形狀影響

        爐臺(tái)承重板裂紋出現(xiàn)位置均處于同一位置并均布,同時(shí)裂紋在出現(xiàn)后往中部擴(kuò)展過程中,均經(jīng)過承重板上安裝定位孔位置。安裝定位孔為沉孔結(jié)構(gòu),并處于懸空狀態(tài),底板未支撐該部位,在90~100 t鋼卷壓力下,易產(chǎn)生應(yīng)力集中,形成薄弱點(diǎn)。從出現(xiàn)的初始位置來看,裂紋均從承重板懸空處邊緣出現(xiàn),見圖1。

        圖1 承重板裂紋位置

        另外,承重板在工作過程同時(shí)承受30~700℃反復(fù)交變的溫度變化,特別是在升溫階段,爐底板邊緣和中央部分存在溫差,因此邊緣和中央部分的受熱后熱膨脹速率不一樣,邊緣膨脹得快,中央膨脹得慢,承重板不斷遭受周期性的交變熱應(yīng)力作用,在承重板懸空的薄弱點(diǎn)——安裝定位孔位置,受到反復(fù)變化應(yīng)力的作用,容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致邊緣首先出現(xiàn)裂紋并沿著定位孔位置逐漸向中央擴(kuò)展,裂紋不斷擴(kuò)大,直至承重板報(bào)廢[2]。

        承重 板材質(zhì)影響

        為分析承重板制造材料對(duì)裂紋產(chǎn)生的影響,對(duì)承重板取樣后進(jìn)行了金相分析。結(jié)果表明,材質(zhì)中Ni含量極少,不足0.5%,導(dǎo)致承重板在高溫下耐熱能力、塑性和韌性相比不銹鋼材質(zhì)大幅降低,在≥700℃的高溫中,承重板結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域易產(chǎn)生龜裂現(xiàn)象。

        從對(duì)承重板產(chǎn)生裂紋的原因分析可知,承重板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的缺陷及選用材質(zhì)成分高溫耐熱性偏低,是導(dǎo)致承重板產(chǎn)生裂紋的主要原因。

        修復(fù)方案及改進(jìn)措施

        為避免出現(xiàn)裂紋的承重板報(bào)廢,嘗試對(duì)承重板進(jìn)行修復(fù),同時(shí)針對(duì)承重板原有結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行改進(jìn),使其滿足生產(chǎn)工藝的要求。此次對(duì)承重板改進(jìn)主要是有效利用原有舊件,材質(zhì)的影響不可改變,因此以改進(jìn)承重板結(jié)構(gòu),降低熱變形及熱應(yīng)力為主要方向。

        修復(fù) 方案的確定與實(shí)施

        從裂紋集中出現(xiàn)在承重板定位孔處可知,定位孔處截面積變化較大,屬于應(yīng)力集中部位,反復(fù)加熱過程產(chǎn)生的熱應(yīng)力使冷卻較慢的厚壁處受拉伸,冷卻較快的薄壁處受壓縮,導(dǎo)致受熱應(yīng)力后裂紋產(chǎn)生。通過加工改變承重板的結(jié)構(gòu),去除裂紋,同時(shí)降低承重板所受的熱應(yīng)力及變形量,達(dá)到消除裂紋影響,提高承重板壽命的目的,修復(fù)方案按以下幾方面進(jìn)行:

        1) 對(duì)承重板中間板進(jìn)行加熱后初步校平,要求校平完成后承重板平面最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的高度差<5 mm。

        2) 沿承重板中間板裂紋方向,加工完全貫穿承重板的止裂槽,將存在裂紋的區(qū)域全部切除以后,在止裂槽的末端,加工應(yīng)力孔,使工件加工止裂槽后在受熱狀態(tài)下,起到形成伸縮縫并釋放應(yīng)力的作用,有效阻斷裂紋延伸[3]。

        3) 重新定位承重板安裝位置。在止裂槽加工完成后,承重板裝配后止裂槽邊緣仍處于懸空狀態(tài),受力較差,為改善承重板的受力狀況,將承重板以原設(shè)計(jì)安裝位置為基準(zhǔn),順時(shí)針旋轉(zhuǎn)約8°~9°進(jìn)行安裝(見圖2)。使止裂槽及定位孔均在底板支撐范圍內(nèi),以便能在生產(chǎn)過程中,對(duì)止裂槽周圍區(qū)域提供有效支撐,同時(shí)避免受熱后限制承重板的熱膨脹方向,使其沿承重板徑向進(jìn)行收縮,改善承重板薄弱區(qū)域的受力狀況,有效消除應(yīng)力集中。

        圖2 承重板修復(fù)完成后的裝配圖

        承重 板修復(fù)方案的有限元分析

        根據(jù)承重板裂紋產(chǎn)生的原因分析及對(duì)應(yīng)的修復(fù)方案,采用有限元分析軟件對(duì)承重板修復(fù)前受力及變形量,修復(fù)后調(diào)整安裝位置前后的受力及變形量進(jìn)行分析,驗(yàn)證裂紋產(chǎn)生原因及調(diào)整承重板安裝位置是否合理。

        1) 承重板的預(yù)備模型工作。

        利用三維軟件分別建立承重板修復(fù)前、修復(fù)后的三維模型(見圖3),根據(jù)對(duì)承重板材質(zhì)的合金成分分析,材料較為接近40Cro鋼,設(shè)置材料的機(jī)械性能為:σb=757 MPa,σs=540 MPa,E=206 GPa。

        已知承重板承受的最大鋼卷重量為1 MN,受力集中在承重板上的墊板處,并受底板支撐,按照實(shí)際的工作情況,選用強(qiáng)迫位置約束選項(xiàng),設(shè)置承重板法向禁止移動(dòng),同時(shí)依據(jù)承重板支撐底板結(jié)構(gòu)約束的面積進(jìn)行校正,同時(shí)考慮在實(shí)際應(yīng)用中的安全性,所加載荷均取實(shí)際工作中的最大值,用于判斷處于最危險(xiǎn)時(shí)候的情況。

        2) 承重板修復(fù)前受力情況分析。

        在對(duì)修復(fù)前承重板模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后,應(yīng)用ANSYS有限元受力分析軟件進(jìn)行分析驗(yàn)證,受力薄弱處(見圖4)與實(shí)際產(chǎn)生裂紋處部位吻合,變形方向與實(shí)際裂紋延伸方向吻合。其中定位銷孔處變形量最大,產(chǎn)生裂紋的原因?yàn)殇N孔薄弱處承受預(yù)應(yīng)力。在實(shí)際工況中承重板同時(shí)承受重力及熱膨脹力,疊加導(dǎo)致應(yīng)力變形加劇,驗(yàn)證了此前關(guān)于裂紋產(chǎn)生原因的分析[4]。

        圖3 承重板修復(fù)完成安裝位置調(diào)整前后示意圖

        圖4 修復(fù)前承重板受力分析圖

        3)承重板修復(fù)后安裝位置調(diào)整的受力情況分析。

        對(duì)承重板修復(fù)后的有限元計(jì)算主要針對(duì)承重板的變形量及應(yīng)力進(jìn)行分析。分別針對(duì)承重板在工作位置調(diào)整前后的狀態(tài)進(jìn)行分析,在對(duì)修復(fù)后承重板模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后,應(yīng)用ANSYS有限元受力分析軟件對(duì)承重板在調(diào)整按照位置前后所受應(yīng)力、變形量情況進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖5所示。

        從有限元法計(jì)算結(jié)果可知,承重板所受應(yīng)力主要集中在承重板邊部,其中應(yīng)力最大的地方是在承重板底部支撐接觸的邊緣處;變形量主要為與鋼卷邊部接觸位置,其中最大變形量在承重板最外側(cè)。

        根據(jù)計(jì)算結(jié)果,在進(jìn)行承重板按照位置調(diào)整后,承重板在承受100 t鋼卷時(shí),最大變形量降低14.2%,最大應(yīng)力值降低21.34%,說明承重板修復(fù)完成后,調(diào)整原有安裝位置,可以改善增加應(yīng)力釋放槽后的承重板強(qiáng)度,降低變形量及應(yīng)力,達(dá)到改進(jìn)承重板的受力狀況,提高承重板使用壽命的目的[5]。

        圖5 修復(fù)后承重板調(diào)整安裝位置前后受力分析圖

        結(jié)束語

        1) 承重板裂紋修復(fù)方案確定后,共完成8件承重板的修復(fù)工作,修復(fù)后的承重板使用時(shí)間最長已達(dá)一年以上,目前使用效果良好,承重板板面平整無變形,無裂紋再繼續(xù)產(chǎn)生。因此,繼續(xù)按該修復(fù)方案加工修復(fù)剩余變形的承重板。

        2) 采用此修復(fù)方案對(duì)承重板進(jìn)行修復(fù),修復(fù)成本僅為全新件的10%,既保證生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行,又大幅降低了設(shè)備維護(hù)成本。

        3) 承重板裂紋問題的解決,使得對(duì)今后類似工況及結(jié)構(gòu)工件的維護(hù)方法、檢查方式都有了借鑒,為維修人員能更迅速、高效地查找出現(xiàn)故障的原因提供了參考。

        攝影 方 勝

        [1] 張景進(jìn). 板帶冷軋生產(chǎn). 北京:冶金工業(yè)出版社,2006

        [2] 宋庭新,羅元文,朱若燕. 提高退火爐用圓盤構(gòu)建熱疲勞壽命的研究. 北工學(xué)院學(xué)報(bào),2003(8):14

        [3] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009

        [4] 曹華軍,舒林森,許磊,等. 復(fù)雜機(jī)械零件的六面體有限元網(wǎng)格生成方法. 機(jī)械工程學(xué)報(bào),2014(15):114

        [5] 房慶華. 基于ANSYS的開卷機(jī)主軸結(jié)構(gòu)研究. 科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力,2013(9):107

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