王祿明

上海電氣上重碾磨特裝設(shè)備有限公司 上海 200245

1 設(shè)計(jì)背景

我國政府已制定了2030碳達(dá)峰、2060碳中和的目標(biāo),鋼鐵等重點(diǎn)能耗行業(yè)受到重點(diǎn)關(guān)注。在這一目標(biāo)下,政府要求鋼鐵行業(yè)到2025年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)[1]。薄帶鑄軋技術(shù)是以液態(tài)金屬為原料,以側(cè)封擋板和鑄輥為結(jié)晶器,直接生產(chǎn)薄帶鋼卷的新技術(shù)。與傳統(tǒng)連鑄連軋方法相比,這一技術(shù)生產(chǎn)成本降低40%,能源消耗降低85%,水耗降低80%,二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等有害氣體排放量降低70%～90%[2-3]。

近年來,國內(nèi)學(xué)術(shù)界對薄帶鑄軋技術(shù)的研究主要集中在鑄軋主機(jī)設(shè)備的零部件上,鑄輥是鑄機(jī)的關(guān)鍵零部件之一。宋黎等[4]利用ANSYS有限元軟件來模擬鑄輥在鎂合金鑄軋過程中的溫度場分布問題,得出冷卻水水速可以降低鑄輥的溫度場,冷卻水水溫對鑄輥冷卻的影響較小的結(jié)論。蔣恩等[5]從冷卻水流動的角度出發(fā),對鑄輥水冷系統(tǒng)的流場進(jìn)行數(shù)值模擬,有針對性地提出了降低流動方向上各水環(huán)間平均流速梯度的優(yōu)化措施,進(jìn)而降低輥身表面的溫度梯度,提高了鑄輥冷卻均勻性,改善了鑄帶表面質(zhì)量。

薄帶鑄軋生產(chǎn)線全線均處于高溫環(huán)境,除了鑄輥需要充分考慮冷卻措施外,對于夾送輥、轉(zhuǎn)向輥等輔助輥也需要考慮冷卻問題。輔助輥的功能及工況與鑄輥完全不同,不宜照搬鑄輥的結(jié)構(gòu)和冷卻方案,因此,很有必要對輔助輥的冷卻措施做進(jìn)一步研究。筆者以1 350 mm夾送輥設(shè)備為研究對象,設(shè)計(jì)一種新型內(nèi)水冷夾送輥,并應(yīng)用ANSYS有限元軟件驗(yàn)證該設(shè)計(jì)能否滿足強(qiáng)度要求。

2 設(shè)備簡介

A鋼廠是國內(nèi)知名的民營鋼廠之一,一向以螺紋鋼等低端產(chǎn)品為其主導(dǎo)產(chǎn)品。近年來,為了優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu),提高產(chǎn)品附加值,A鋼廠與國內(nèi)眾多科研院所合作開發(fā)了一系列支撐產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級的新項(xiàng)目。其中,1 350 mm薄帶鑄軋生產(chǎn)線是由A鋼廠、B大學(xué)和C公司共同開發(fā)的高品質(zhì)鋼短流程軋鋼生產(chǎn)線,該項(xiàng)目是我國首個(gè)完全自主知識產(chǎn)權(quán)的薄帶鑄軋項(xiàng)目。B大學(xué)負(fù)責(zé)鑄機(jī)等主機(jī)設(shè)備的開發(fā),C公司負(fù)責(zé)軋機(jī)等輔機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造。1 350 mm薄帶鑄軋生產(chǎn)線的輔機(jī)設(shè)備主要包括軋機(jī)、夾送輥、飛剪、卷取機(jī)等設(shè)備。薄帶鑄軋生產(chǎn)線如圖1所示。

圖1 薄帶鑄軋生產(chǎn)線

該薄帶鑄軋生產(chǎn)線共有兩套夾送輥設(shè)備,分別安裝在軋輥及飛剪前。筆者研究的對象為飛剪前夾送輥,飛剪前夾送輥設(shè)備主要包含機(jī)架、水冷平臺、壓下裝置、夾送輥輥?zhàn)蛹皞鲃釉O(shè)備等零部件。飛剪前夾送輥設(shè)備如圖2所示。內(nèi)部通水的上、下夾送輥輥?zhàn)釉跈C(jī)架窗口內(nèi)滑動,水冷平臺上部安裝能夠快速響應(yīng)且精確控制行程的伺服液壓缸,控制上夾送輥的傾斜度,從而在夾送帶鋼前進(jìn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)糾偏功能。

圖2 飛剪前夾送輥設(shè)備

3 夾送輥輥?zhàn)釉O(shè)計(jì)

3.1 輥?zhàn)硬馁|(zhì)選擇

帶鋼到達(dá)飛剪前夾送輥的溫度一般為600～750 ℃,作為直接與之接觸的零件,對夾送輥的輥筒材料有較高的要求。要求夾送輥輥筒具有良好的耐高溫性能,在高溫環(huán)境下具有良好的耐磨性,并且具備良好的耐腐蝕性。

綜合考慮后,夾送輥輥筒選用高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼32Cr3Mo1V。輥筒經(jīng)調(diào)質(zhì)后,常溫下抗拉強(qiáng)度超過1 300 MPa,高溫下性能雖有所下降,但仍能保持較強(qiáng)的耐磨性、抗沖擊性、抗腐蝕性[6]。夾送輥輥筒材料化學(xué)成分見表1,常溫下輥筒材料力學(xué)性能見表2。

表1 輥筒材料化學(xué)成分

表2 常溫下輥筒材料力學(xué)性能

3.2 輥?zhàn)觾?nèi)部結(jié)構(gòu)

按照輥身直徑,輥?zhàn)涌煞譃樾≥亸?、中輥徑和大輥徑。按照輥?zhàn)佑猛?輥?zhàn)涌煞譃檐堓?、夾送輥和輸送輥等。不同用途的輥?zhàn)?承受的載荷也不同。陶凱等[7]著重于改進(jìn)小輥徑、小載荷的輸送輥,采用在輥筒兩端嵌入中空短軸的結(jié)構(gòu),在輥筒內(nèi)部形成空腔,從輥?zhàn)右欢酥苯幼⑷氲睦鋮s水充滿整個(gè)腔體,起到快速降低輥面溫度的冷卻效果。小輥徑輥?zhàn)觾?nèi)腔截面較小,冷卻水用量也較小,選用直接冷卻的方式,冷卻水基本可以覆蓋整個(gè)輥面,具備良好的冷卻效果。中等輥徑輥?zhàn)觾?nèi)腔較大,若選用直接冷卻的方式,冷卻水無法均勻分布于整個(gè)腔體,難以保證整個(gè)輥面的冷卻效果。

綜合考慮后,筆者對夾送輥內(nèi)部結(jié)構(gòu)選用螺旋式冷卻水道設(shè)計(jì)。輥?zhàn)觾?nèi)部采用螺旋式冷卻水道是一種有效的冷卻方式,在連鑄、熱連軋生產(chǎn)線中均有相關(guān)研究[8]。操作側(cè)軸頭中空且安裝一根輸送水管,傳動側(cè)軸頭中心為盲孔,冷卻水從輸送水管流入,至傳動側(cè)盲孔折彎,經(jīng)螺旋式冷卻水道引導(dǎo),流至操作側(cè)軸頭出水口流出,實(shí)現(xiàn)對輥筒及兩端軸頭的冷卻。螺旋式水道輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 螺旋式水道輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)

陳思陽[9]就鑄輥冷卻水道對冷卻效果的影響問題進(jìn)行研究,比較了三種不同截面形狀的冷卻水道,發(fā)現(xiàn)矩形截面形狀流道的冷卻效果最好,進(jìn)一步研究了矩形截面深寬比對冷卻效果的影響,得出深寬比為1∶5的水道冷卻效果較好的結(jié)論。筆者借鑒這一結(jié)論,結(jié)合夾送輥的實(shí)際情況,建立了夾送輥的三維模型。夾送輥輥身長度為1 570 mm,輥筒內(nèi)外徑分別為530 mm、650 mm,螺旋式冷卻水道總長為1 270 mm,螺旋板高度為36.5 mm,螺旋板厚度為10 mm,螺距為210 mm,深寬比為1∶5.2。夾送輥三維模型如圖4所示。

圖4 夾送輥三維模型

4 ANSYS軟件分析

螺旋式冷卻水道的主要作用是引導(dǎo)冷卻水均勻覆蓋整個(gè)輥面,降低輥面溫度。該水道并非輥?zhàn)拥氖芰Y(jié)構(gòu),對輥?zhàn)拥氖芰Ψ治鲇绊戄^小。為了方便后續(xù)分析,刪除輥?zhàn)拥穆菪嚼鋮s水道及進(jìn)水管等結(jié)構(gòu)。假設(shè)冷卻水充滿輥?zhàn)觾?nèi)腔,冷卻水的溫度為25 ℃。簡化后夾送輥三維模型如圖5所示。

飛剪前夾送輥處的帶鋼溫度一般為650～750 ℃,查閱資料后發(fā)現(xiàn),該溫度與鎂合金、鋁合金鑄軋輥的工作溫度相近。內(nèi)水冷的鎂合金、鋁合金鑄軋輥進(jìn)入鑄軋區(qū)后,輥筒外表面溫度快速升高,不同文獻(xiàn)中描述的輥筒外表面的最高溫度略有差別,但均未超過600 ℃[10]。夾送輥的工況較鎂合金、鋁合金鑄軋輥好,可以合理推斷,夾送輥輥筒外表面的最高溫度亦不會超過600 ℃。

同樣的工況下,如果夾送輥在600 ℃時(shí)可以滿足設(shè)計(jì)方的使用要求,由此可以推斷,該夾送輥在其它較低的溫度下亦可以保持正常工作。高溫下夾送輥輥筒材料力學(xué)性能見表3。

表3 高溫下輥筒材料力學(xué)性能

將簡化的夾送輥三維模型導(dǎo)入ANYSY有限元軟件,對其進(jìn)行靜力學(xué)分析[11]。

采用六面體網(wǎng)格的方法劃分有限元網(wǎng)格,夾送輥模型網(wǎng)格劃分如圖6所示,劃分有限元網(wǎng)格共產(chǎn)生436 704個(gè)節(jié)點(diǎn)、284 824個(gè)單元。

圖6 夾送輥模型網(wǎng)格劃分

正常工況下,夾送輥兩端軸頭的軸承處均承受257 000 N的壓力,傳動側(cè)軸頭同時(shí)還要承受8 300 N·m的扭矩,夾送輥轉(zhuǎn)速為120～180 r/min。夾送輥卡住時(shí),對夾送輥強(qiáng)度要求最高。假設(shè)輥?zhàn)涌ㄗ〔粍?同時(shí)對夾送輥三維模型施加與正常工況相等的載荷,校核這一狀態(tài)下夾送輥的受力情況。夾送輥模型約束和載荷加載情況如圖7所示。

圖7 夾送輥模型約束和載荷

根據(jù)有限元分析結(jié)果,夾送輥等效應(yīng)力云圖如圖8所示。等效應(yīng)力分析表明,夾送輥產(chǎn)生的最大應(yīng)力值為76.649 MPa,產(chǎn)生位置為夾送輥軸頭兩側(cè)的圓角過渡處,該應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料在600 ℃時(shí)的屈服強(qiáng)度752 MPa。

圖8 夾送輥等效應(yīng)力云圖

夾送輥?zhàn)冃卧茍D如圖9所示。分析顯示,夾送輥產(chǎn)生的最大變形量約為0.381 mm,最大變形出現(xiàn)在操作側(cè)軸頭端部位置,軸承安裝處的變形量約為0.169 31 mm,設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮軸承安裝處變形量的影響。針對這一變形,設(shè)計(jì)時(shí)選用調(diào)心滾子軸承24144CC/W33,可以較好地滿足工況要求。

圖9 夾送輥?zhàn)冃卧茍D

上述分析結(jié)果表明,這一夾送輥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為合理,在給定的工況和溫度下,能夠滿足正常工作的要求。

5 結(jié)束語

筆者以1 350 mm薄帶鑄軋機(jī)組內(nèi)水冷夾送輥為研究對象,設(shè)計(jì)了一種內(nèi)部采用螺旋式冷卻水道的中等輥徑、中等載荷夾送輥,冷卻水道對輥筒外表面有良好的冷卻效果。應(yīng)用ANSYS有限元軟件驗(yàn)證了這一設(shè)計(jì)滿足在高溫工況條件下的強(qiáng)度要求,為中等輥徑、中等載荷內(nèi)水冷夾送輥的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。針對筆者假設(shè)輥筒外表面溫度為600 ℃,后續(xù)將重點(diǎn)考慮輥筒材料的導(dǎo)熱性能,確定輥筒的實(shí)際溫度。