張 勇,劉喜龍,張晶晶
(1.西安電爐研究所有限公司,陜西西安710061;2.陜西省電爐工程技術(shù)研究中心,陜西西安710061;3.西安中冶新材料有限公司,陜西西安710061)
隨著我國經(jīng)濟技術(shù)的迅速發(fā)展以及裝備業(yè)技術(shù)水平不斷提高,對高品質(zhì)型材的需求越來越大,對特殊用途型材的需求也急劇增加。特種金屬在一些特殊的領(lǐng)域應(yīng)用較為頻繁,經(jīng)常因特殊的需求而被加熱軋制成各種型材,金屬軋制前需要進(jìn)行加熱或補溫[1]。當(dāng)采用在線感應(yīng)加熱爐對金屬坯料進(jìn)行加熱或補溫時坯料需要由輸送輥道進(jìn)行輸送,但是設(shè)備長時間的使用及坯料與輸送輥之間的溫度差異會造成輸送輥產(chǎn)生較大的磨損?;谂髁显谳斔瓦^程中輸送輥的磨損問題,通過對實際使用情況的分析及設(shè)計優(yōu)化,大大提高了輸送輥的使用壽命,減少了設(shè)備的維護,為企業(yè)節(jié)約了設(shè)備運行成本。
設(shè)計了一套坯料傳送系統(tǒng),由變頻電機通過聯(lián)軸器驅(qū)動傳動軸轉(zhuǎn)動,進(jìn)而帶動固定于傳動軸上的輥子。其坯料輸送流程如下:整條線分為進(jìn)料段、低溫段、高溫段、保溫段、出料段。各段速度設(shè)定如下:給定進(jìn)料段一個頻率,則低溫段、高溫段及保溫段的輸出頻率會自動調(diào)整。例如:設(shè)定進(jìn)料段40 Hz,則低溫段是42 Hz,高溫段是44 Hz,保溫段45 Hz 左右。
輥子采用V 型結(jié)構(gòu),選取V 型輥材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti。方型坯料可以放置在V 型輥子之上,進(jìn)而使得方型坯料的兩個面與V 型輥子進(jìn)行線接觸。根據(jù)坯料的長短及感應(yīng)加熱設(shè)備的外形尺寸,對輸送輥進(jìn)行布置,布置距離為1.2 m,保證任何時刻至少方型坯料至少與兩對輸送輥道接觸,保證坯料穩(wěn)定運行。具體布置方式如圖1,單個輸送輥的外形如圖2 所示。
圖1 輸送布置形式
圖2 單個輸送輥外形圖
在設(shè)備初期運行時,測量坯料運行速度穩(wěn)定。但在坯料溫度升高之后且連續(xù)生產(chǎn)時,發(fā)現(xiàn)坯料運行時間不穩(wěn)定。具體表現(xiàn)如下:每一根坯料進(jìn)入低溫段第一個感應(yīng)體約450 mm之后,暫停20~35 s,之后再前進(jìn),直至熱鋼采用撥叉機構(gòu)撥下加熱爐生產(chǎn)線。當(dāng)連續(xù)上料時,如果運行平穩(wěn),無“打滑”情況的發(fā)生,則第一根料與第二根料的間隔距離(第一根料與第二根料上料的間隔距離+每一根料暫停時間+速度的時間差)會越來越大。而現(xiàn)場實際情況是第二根料與第一根料的距離越來越近。將走在前面的一根料的速度慢的情況稱之為“打滑”。速度慢的料在感應(yīng)體里面的時間變長,加熱時間變長,因此溫度升高,超出工藝要求范圍。
鑒于此情況,對初始設(shè)計的V 型輥進(jìn)行了熱場及受力時的分析,分別如圖3~圖6所示;并且對坯料的運行速度進(jìn)行了計算機與人工的測量,結(jié)果如圖7所示。
圖3 輥子熱場下靜態(tài)位移
為了增加料輥的摩擦力,使用電焊機將V 型輥道的兩個V 面進(jìn)行打焊點處理之后,料的行進(jìn)速度有明顯的好轉(zhuǎn)。但是由于不銹鋼焊條與輥子焊接之后的融合性差,在經(jīng)過生產(chǎn)300~350根料之后,焊點就基本上消失,回復(fù)到之前的使用狀態(tài)下。具體可以參考現(xiàn)場所測量的數(shù)據(jù)(見圖7)。
結(jié)合實際使用的情況及現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)(不完全統(tǒng)計)進(jìn)行分析,認(rèn)為產(chǎn)生“打滑”的可能原因有以下幾點:
圖4 輥子熱場下靜態(tài)應(yīng)變
圖5 輥子熱場下靜應(yīng)變
圖6 輥子熱場下設(shè)計漏洞檢查
(1)輥道電機的變頻器輸出不穩(wěn)定。
(2)摩擦力在低溫段與高溫段不統(tǒng)一。
(3)V 型輥的V 面上線速度不一致導(dǎo)致鋼坯接觸同一輥面的不同點后出現(xiàn)線速度不一致。
針對以上情況,采用如下的改進(jìn)措施:
(1)對V型輥進(jìn)行重新設(shè)計,減小鋼坯與V型輥的接觸面積,固定其接觸點,使其V型輥的線速度輸出相對穩(wěn)定。
(2)將其材質(zhì)由原來的1Cr18Ni9Ti 不銹鋼改為2520耐高溫不銹鋼,以增加輥子的耐磨性。
針對所做的更改,結(jié)合實際使用的環(huán)境,通過三維的模擬,對輸送輥的受力及受熱進(jìn)行疊加分析,分別如圖8~圖11所示。
圖7 坯料運行速度測量記錄
圖8 新V型輥子熱場下設(shè)計漏洞檢查
圖9 新V型輥子熱場下靜應(yīng)變
圖10 新V型輥子熱場下靜形變
由以上模擬分析可以看出,新設(shè)計的V 型輥子由于增加了坯料與輥子之間的距離,熱輻射對輥子的影響大大削弱;坯料與輥子之間接觸面積的減少,增加了輥子的局部壓強,提升了摩擦力,使得坯料運行穩(wěn)定。
圖11 新V型輥子熱場下應(yīng)力
通過對輥子自身應(yīng)力、形變的模擬及對測量記錄的分析,得出如下結(jié)論:
(1)V型輥的設(shè)計是合理的,這種結(jié)構(gòu)形式能有效的保證其對坯料產(chǎn)生良好的夾持力,促使坯料隨著輥子的轉(zhuǎn)動而向前運轉(zhuǎn);
(2)當(dāng)設(shè)備運行一段時間之后,V型輥持續(xù)在熱場的作用下,表面溫度升高,表面摩擦力減小,出現(xiàn)坯料速度不穩(wěn)定;
(3)V 型輥材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti,雖然具有較高的高溫強度及抗氧化性,但是在受熱之后,表面摩擦系數(shù)降低,應(yīng)選擇耐磨性更好的材料替代。
(4)由于此輸送輥安裝在兩個電磁感應(yīng)加熱器之間,電磁感應(yīng)使得輥子表面積攢了電流,當(dāng)坯料與輥子接觸的瞬間,由于電勢差的存在,導(dǎo)致輥子與坯料之間放電打火,因此對輥子造成一點的損傷,設(shè)備運行的時間越長,造成輥子的磨損越嚴(yán)重。
將新設(shè)計的V 型輥子投入使用之后,坯料運行速度運行穩(wěn)定,滿足了設(shè)備的使用要求。且V型輥子使用時間加長,磨損減少,超過了預(yù)期的效果。V 型輥運行10個月以后的照片見圖12。
圖12 運行10個月以后的輥子