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        熱連軋機(jī)精軋活套輥斷裂分析與改進(jìn)

        2020-12-29 02:55:38吳長(zhǎng)杰張會(huì)明東占萃周廣成李會(huì)生王藝霖尹貴祖
        礦冶 2020年5期
        關(guān)鍵詞:設(shè)備

        吳長(zhǎng)杰 張會(huì)明 東占萃 周廣成 李會(huì)生 王藝霖 尹貴祖

        (北京首鋼股份有限公司,河北 遷安 064406)

        精軋機(jī)活套是熱連軋機(jī)重要的調(diào)節(jié)設(shè)備,目前多采用低慣量液壓活套,軋機(jī)活套設(shè)置在相鄰軋機(jī)之間,由液壓缸驅(qū)動(dòng),為了保證活套的快速響應(yīng),活套輥采用中空薄壁結(jié)構(gòu)。隨著軋線產(chǎn)品品種的不斷拓展及工藝優(yōu)化,軋機(jī)間帶鋼張力設(shè)置也在不斷變化,活套輥頻繁出現(xiàn)瓢曲變形、甚至斷裂的設(shè)備故障,對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)定造成嚴(yán)重影響。為滿足不斷變化的工藝要求,不斷優(yōu)化活套設(shè)備[1],保證設(shè)備運(yùn)行可靠,對(duì)于熱軋生產(chǎn)穩(wěn)定及質(zhì)量提升具有重要意義。

        1 精軋機(jī)活套設(shè)備功能及結(jié)構(gòu)介紹

        活套是熱連軋機(jī)精軋機(jī)組重要的結(jié)構(gòu)設(shè)備,設(shè)置在精軋機(jī)組相鄰機(jī)架間[2],其主要作用為:1)緩沖金屬流量的變化,給控制調(diào)整時(shí)間,并防止成迭進(jìn)鋼;2)調(diào)節(jié)各架的軋制速度以保持連軋常數(shù),當(dāng)各項(xiàng)工藝參數(shù)產(chǎn)生波動(dòng)時(shí),發(fā)出信號(hào)和命令快速進(jìn)行調(diào)整;3)帶鋼在一定范圍內(nèi)保持恒定小張力,防止因張力過(guò)大引起縮頸現(xiàn)象,造成寬度不均甚至拉斷。

        精軋機(jī)活套由活套液壓缸、活套架及活套輥組成。其中,活套液壓缸采用低磨損設(shè)計(jì),以降低液壓缸本體摩擦力;活套架采用鏤空花架設(shè)計(jì),活套輥采用空心薄壁輥,在保證設(shè)備強(qiáng)度的同時(shí)盡量減少本體重量,以降低設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,滿足活套快速響應(yīng)的要求[3]?;钐纵伇倔w材質(zhì)為德標(biāo)S355J2G3,對(duì)應(yīng)于國(guó)內(nèi)牌號(hào)為Q345B。

        2 精軋活套輥頻繁出現(xiàn)斷裂故障分析

        2.1 精軋活套輥頻繁出現(xiàn)斷裂統(tǒng)計(jì)

        2017—2018年,精軋活套輥頻繁出現(xiàn)斷裂故障(見(jiàn)表1),先后發(fā)生7次活套輥斷裂故障,如圖1所示,活套輥斷裂均發(fā)生在前部機(jī)架,主要發(fā)生在軸頸位置,且斷裂形貌基本一致。其中F1發(fā)生5次,F(xiàn)2發(fā)生2次,造成設(shè)備故障停機(jī)時(shí)間超過(guò)500 min,嚴(yán)重影響了生產(chǎn)的正常運(yùn)行,同時(shí)工藝張力設(shè)定無(wú)法正常設(shè)置,活套輥頻繁斷裂問(wèn)題已經(jīng)成為制約軋線生產(chǎn)的重要影響因素。

        表1 活套輥斷裂統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Statistical result of looper fracture

        圖1 活套輥斷裂位置Fig.1 Location of looper roll fracture

        2.2 活套輥斷裂原因分析

        針對(duì)精軋機(jī)活套頻繁斷裂故障,經(jīng)斷口形貌分析,活套輥斷裂為受較大彎矩造成的斷裂,因此,重點(diǎn)對(duì)輥道受力及材質(zhì)進(jìn)行了分析。

        2.2.1 活套輥材質(zhì)及探傷分析

        活套輥為多次修復(fù)重復(fù)使用備件,長(zhǎng)期使用容易使輥道出現(xiàn)疲勞損壞,由于此活套斷裂輥頸位于設(shè)備內(nèi)部,為了對(duì)輥頸疲勞狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè),在輥道修復(fù)解體時(shí)對(duì)輥頸位置進(jìn)行探傷檢測(cè),對(duì)活套輥材質(zhì)進(jìn)行了化驗(yàn),結(jié)果表明輥道無(wú)明顯異常缺陷,活套輥德標(biāo)材質(zhì)為S355J2G3,對(duì)應(yīng)于國(guó)內(nèi)牌號(hào)為Q345B,屈服強(qiáng)度345 MPa,成分(%)C<0.20、Si<0.55、Mn<1.60,材質(zhì)成分符合圖紙要求。

        2.2.2 活套輥受力分析

        2017年10月,由于軋制工藝調(diào)整,將帶鋼張力進(jìn)行了上調(diào),帶鋼張力值由原來(lái)的10 MPa提升至18 MPa,活套輥本體受力也急劇增加,因此對(duì)帶鋼張力調(diào)整后活套輥受力進(jìn)行了重新分析。

        活套輥主要作用為平衡機(jī)架間帶鋼張力,其受力與帶鋼張力密切相關(guān)。如圖2所示[4],在帶鋼張力T的作用下轉(zhuǎn)化為對(duì)活套輥輥身的豎直壓力W。

        圖2 帶鋼張力轉(zhuǎn)化示意圖[4]Fig.2 Structure diagram of strip tension[4]

        在忽略帶鋼重力及與活套輥摩擦力的前提下,帶鋼張力對(duì)于活套輥輥身的壓力可以簡(jiǎn)化為式(1),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

        表2 活套受力數(shù)據(jù)Table 2 Force data of looper

        W=T×tanα+T×tanβ

        (1)

        其中,T—帶鋼設(shè)定張力,N/mm2;W—輥身承受壓力,N;α—帶鋼與水平夾角,°;β—帶鋼與水平夾角,°。

        為了進(jìn)一步驗(yàn)證活套輥輥身強(qiáng)度,通過(guò)有限元仿真軟件對(duì)輥身強(qiáng)度進(jìn)行了校核計(jì)算,受力條件及參數(shù)設(shè)計(jì)均采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際受力數(shù)據(jù),分析結(jié)果如圖3所示。

        圖3 活套輥應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Fig.3 Stress calculation of Result looper roll

        從圖3可知,帶鋼張力調(diào)整后活套輥輥頸最大應(yīng)力達(dá)到365.21 MPa,超出活套材質(zhì)的屈服極限345 MPa,且不排除帶載瞬間出現(xiàn)帶鋼張力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出材料屈服極限的情況。應(yīng)力最大位置發(fā)生在活套輥輥頸過(guò)渡區(qū),和現(xiàn)場(chǎng)斷裂位置吻合??紤]到計(jì)算忽略了帶鋼重力及摩擦,同時(shí)考慮帶鋼沖擊作用,實(shí)際活套承受載荷還可能更大。

        綜合考慮,2017年10月對(duì)帶鋼張力進(jìn)行了增加,各機(jī)架活套承受壓力均有不同程度增加,其中F1承受彎矩最大,存在應(yīng)力超出屈服極限的情況發(fā)生,導(dǎo)致輥頸出現(xiàn)一定程度的損傷缺陷,最終造成斷裂。

        3 活套輥設(shè)備強(qiáng)度改進(jìn)

        針對(duì)活套輥頻繁斷裂,考慮到活套輥原材質(zhì)的屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度較低,為了提高活套輥本體強(qiáng)度,保障工藝設(shè)定張力要求,對(duì)活套輥進(jìn)行如下改進(jìn):

        1)變更活套輥材質(zhì),將軸頭材質(zhì)由Q345B改為超高強(qiáng)度材質(zhì)42CrMo,將材料屈服強(qiáng)度由345 MPa提升到900 MPa,提升材料力學(xué)性能。

        2)減少活套軸頭水孔直徑,將直徑由45 mm減為40 mm,通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)提升結(jié)構(gòu)性能,如圖4所示。

        圖4 活套輥結(jié)構(gòu)改造圖Fig.4 Structure transformation drawing of looper roll

        2019年1月,經(jīng)過(guò)改造后的活套輥在F1軋機(jī)安裝使用,至今上機(jī)使用20個(gè)月,未出現(xiàn)同類問(wèn)題,通過(guò)設(shè)備解體檢查及探傷,設(shè)備結(jié)構(gòu)無(wú)明細(xì)損傷。

        4 結(jié)論

        1)活套輥受較大彎矩,輥頸最大應(yīng)力超出活套材質(zhì)的屈服極限,且為多次修復(fù)重復(fù)使用備件,長(zhǎng)期使用容易使輥道出現(xiàn)疲勞損壞是活套輥發(fā)生斷裂的主要原因。

        2)有限元分析結(jié)果進(jìn)一步證明了活套輥設(shè)計(jì)強(qiáng)度不能滿足目前使用要求,從而導(dǎo)致頻繁斷裂故障。

        3)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,通過(guò)改變活套輥材質(zhì)和縮小活套輥水孔孔徑,將活套輥輥頸材質(zhì)由Q235B改為42CrMo,可提升材料性能、增強(qiáng)設(shè)備強(qiáng)度,使生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。

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