王麗遠(yuǎn)， 劉占峰， 岳志坤

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司， 河北 唐山 063200）

引言

連鑄機(jī)扇形段零段是連鑄機(jī)關(guān)鍵設(shè)備之一，在連鑄過(guò)程中零段輥一直與紅熱的鑄坯表面接觸，大量的熱能傳到零段輥中，受到很大的熱負(fù)荷。同時(shí)由于冷卻水的作用和輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動(dòng)，使得在零段輥內(nèi)產(chǎn)生交變的熱負(fù)荷，零段輥容易疲勞失效，一旦失效，會(huì)影響連鑄坯的表面質(zhì)量，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，所以研究零段輥的失效情況十分必要。

以大型2150 連鑄機(jī)的零段輥為研究對(duì)象，調(diào)研發(fā)現(xiàn)，零段輥受到鑄坯因高溫產(chǎn)生的鼓肚力和因連鑄輥壓下產(chǎn)生的反作用力而引起循環(huán)載荷，還有高溫鑄坯的熱輻射與冷卻水降溫帶來(lái)的交變熱循環(huán)作用，經(jīng)常會(huì)發(fā)生不同程度的磨損、腐蝕和彎曲等失效問(wèn)題，給正常的生產(chǎn)帶來(lái)不利影響。因此，對(duì)2150 連鑄機(jī)扇形零段進(jìn)行了改造，減少因?yàn)榱愣问?lái)的經(jīng)濟(jì)損失。本課題以此為背景，對(duì)改造前后的零段輥進(jìn)行分析。進(jìn)一步研究輥列的主要控制要素，針對(duì)性地在實(shí)際生產(chǎn)中優(yōu)化、改進(jìn)，使連鑄輥的品質(zhì)和壽命得以提高，使其運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

1 2150 扇形段零段組成結(jié)構(gòu)

扇形段0 號(hào)段的鋼結(jié)構(gòu)包括2 個(gè)大型裝配框架，活動(dòng)框架與固定框架通過(guò)2 個(gè)由許多拉桿連接在一起的側(cè)框架定位，包括板坯作用于彎曲段的靜壓力和彎曲力。彎曲段可通過(guò)墊片來(lái)設(shè)定成不同的厚度。0 號(hào)扇形段通過(guò)4 個(gè)耳軸來(lái)精確定位。兩個(gè)上耳軸與結(jié)晶器臺(tái)支撐框架上的底座連接，兩個(gè)下耳軸與鑄坯導(dǎo)向架支撐框架上的底座連接。上部連接留有余隙以易于拆除0 號(hào)扇形段。上部連接配有護(hù)板，防止金屬?lài)姙R或溢出。

2150 mm 連鑄機(jī)扇形段零段有17 排輥?zhàn)?，分別為5 排170 實(shí)心輥，12 排180 實(shí)心輥，如圖1 所示。

圖1 扇形段輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)（單位：mm）

2 2150 板坯連鑄機(jī)扇形段失效調(diào)研與分析

2150 板坯連鑄機(jī)在線(xiàn)共有4 個(gè)零段，離線(xiàn)有12個(gè)周轉(zhuǎn)修復(fù)零段，改造前連續(xù)15 個(gè)月內(nèi)，由于達(dá)不到連鑄機(jī)的功能精度，兩臺(tái)2150 連鑄機(jī)共更換零段68個(gè)，平均每月更換4.53 個(gè)零段，平均在線(xiàn)時(shí)間27d，過(guò)鋼量約為6 萬(wàn)t，已嚴(yán)重影響鑄機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量。

零段未到壽命下線(xiàn)嚴(yán)重影響了零段的功能和精度，更換1 個(gè)零段需要近4 h，每月因輥縫超標(biāo)造成的停機(jī)時(shí)間就近18 h，制約了檢修周期，同時(shí)完整修復(fù)一個(gè)零段需要近60 萬(wàn)元的備材費(fèi)、人工費(fèi)，離線(xiàn)在線(xiàn)共需約100 個(gè)人工，并且每月單是零段修復(fù)費(fèi)用就需要200 多萬(wàn)。

因此，為了保證零段的功能和精度，提高連鑄機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)零段輥失效的主要形式和其產(chǎn)生原因以及影響零段輥壽命的因素進(jìn)行分析。

2.1 2150 連鑄機(jī)零段下線(xiàn)原因分析

通過(guò)對(duì)下線(xiàn)的68 個(gè)零段進(jìn)行解體，將所有的零段下線(xiàn)原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用六西格瑪?shù)呐镣袌D中的二八原則分析得知，影響零段壽命的主要原因?yàn)榛≥伩p超差和輥?zhàn)硬晦D(zhuǎn)造成，該兩種原因造成扇形段零段下線(xiàn)的比例高達(dá)79.8%。漏鋼臥坯下線(xiàn)由于是事故狀態(tài)造成的結(jié)果，因此不將其列入分析范疇，如圖2 所示。

圖2 扇形段零段下線(xiàn)原因Pareto 圖

2.2 2150 連鑄機(jī)零段輥失效形式分析

為了進(jìn)一步確定影響零段輥壽命的主要失效形式，將采用六西格瑪中的故障樹(shù)分析方法進(jìn)行分析。首先將零段按照設(shè)備結(jié)構(gòu)逐層拆分，從宏觀的零段裝配細(xì)化到每一個(gè)螺栓墊片，羅列出零段每一個(gè)零部件的裝用量。然后對(duì)由于輥縫超差和輥?zhàn)硬晦D(zhuǎn)下線(xiàn)的零段進(jìn)行解析，分析零段每一個(gè)零部件是否為影響零段輥縫超差和輥?zhàn)硬晦D(zhuǎn)的因素。最后按照其影響次數(shù)畫(huà)出其故障分析樹(shù)，如圖3 所示。

圖3 影響零段輥縫超差和輥?zhàn)硬晦D(zhuǎn)的故障樹(shù)

由故障樹(shù)可以得知，影響扇形段零段輥?zhàn)硬晦D(zhuǎn)的主要因素為零段輥潤(rùn)滑不到位造成。影響對(duì)弧輥縫超差的主要因素為輥面及輥?zhàn)硬考臒崞谑Ш洼伱婺p，其在故障樹(shù)中表現(xiàn)為輥面開(kāi)裂，輥面磨損嚴(yán)重，軸及軸承座的材料和強(qiáng)度性能差，如圖4、圖5 所示。對(duì)于軸承的原因主要為疲勞壽命的問(wèn)題，由于維護(hù)成本的關(guān)系，投產(chǎn)1 年多的時(shí)間，零段輥的軸承更換量很少，日后維護(hù)只需加強(qiáng)軸承的到期更換工作即可，所以不作為本課題的討論對(duì)象。

圖4 零段輥開(kāi)裂圖

圖5 零段輥軸承座變形圖

3 連鑄機(jī)扇形段零段改造措施現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及效果評(píng)析

3.1 軸承座強(qiáng)度加強(qiáng)改造

為了提高軸承座的強(qiáng)度，從其材料和結(jié)構(gòu)尺寸均進(jìn)行了強(qiáng)化。軸承座側(cè)板的寬度由24 mm 增大到46 mm，底板厚度由32 mm 增大到35 mm，如圖6 和圖7 所示，同時(shí)材質(zhì)由原設(shè)計(jì)材料Q235B 變更為42CrMo 鍛造，熱處理為調(diào)質(zhì)處理HB240-260。軸承座結(jié)構(gòu)尺寸的變化未對(duì)零段輥的熱力分布產(chǎn)生影響，此結(jié)果已在零段輥的有限元熱力分析中得到論證。選擇更加耐熱的材料，而且進(jìn)行鍛造和熱處理無(wú)疑將軸承座的強(qiáng)度提高到了一個(gè)新的高度。

圖6 改造前零段軸承座（單位：mm）

圖7 改造后零段軸承座（單位：mm）

第一個(gè)經(jīng)過(guò)軸承座強(qiáng)度加強(qiáng)改造的零段S0-2在1 號(hào)機(jī)2 流上線(xiàn)，之后兩個(gè)月改造的零段陸續(xù)上線(xiàn)。2 流零段S0-2 檢修離線(xiàn)檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)有部分輥?zhàn)颖砻嬗辛鸭y，決定下線(xiàn)修復(fù)，在線(xiàn)時(shí)間4 個(gè)半月，過(guò)鋼量為29 萬(wàn)t。自S0-2 下線(xiàn)后兩個(gè)月兩臺(tái)鑄機(jī)共更換13 個(gè)零段，可見(jiàn)軸承座強(qiáng)度加強(qiáng)改造的效果很明顯，過(guò)鋼量有了大幅度的提升，下線(xiàn)的零段輥如圖8 所示。

圖8 扇形段零段輥?zhàn)佣瞬苛鸭y

3.2 零段輥改造

從扇形段零段兩個(gè)月的更換記錄發(fā)現(xiàn)下線(xiàn)原因有漏鋼和輥?zhàn)娱_(kāi)裂兩種，見(jiàn)下頁(yè)表1，下頁(yè)圖9。雖然由于軸承座強(qiáng)度的加強(qiáng)改造已經(jīng)使零段輥的壽命有了明顯的提升，但是由于種種原因零段輥的改造進(jìn)度緩慢，為此改造后的零段輥上線(xiàn)已經(jīng)迫在眉睫。

圖9 扇形段零段輥?zhàn)佣瞬苛鸭y

表1 扇形段零段兩個(gè)月更換記錄

為解決零段輥輥面開(kāi)裂和輥面磨損的具體改造方案為：輥體材料由21CrMoV5-11 改為42CrMo，直徑增加10 mm；軸原設(shè)計(jì)材料45 鋼，為了提高強(qiáng)度，在結(jié)構(gòu)改進(jìn)同時(shí)將材料改為42CrMo 鍛造，原熱處理調(diào)質(zhì)處理HB217-255，改為HB255-275。

經(jīng)過(guò)改造的零段輥上線(xiàn)后，通過(guò)近1 年扇形段零段的維護(hù)記錄可以得知，扇形段零段的壽命已經(jīng)大幅度提升，個(gè)別的零段過(guò)鋼量已經(jīng)達(dá)到28 萬(wàn)t 以上。由于輥面磨損和開(kāi)裂下線(xiàn)的零段比例大幅度降低，見(jiàn)圖10，而且下線(xiàn)零段輥的表面質(zhì)量也很好，總體來(lái)說(shuō)此次改造是很成功的。

圖10 改造后下線(xiàn)輥?zhàn)?/p>

3.3 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過(guò)對(duì)比分析，改進(jìn)后平均壽命為由6 萬(wàn)t 提高到了18.2 萬(wàn)t，平均每月減少零段更換2 臺(tái)左右，完整修復(fù)1 個(gè)零段需要近60 萬(wàn)的備材費(fèi)、人工費(fèi)，離線(xiàn)在線(xiàn)共需約100 個(gè)人工，每月節(jié)省費(fèi)用約120萬(wàn)元、200 個(gè)人工，產(chǎn)生了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

本課題以對(duì)2150 連鑄機(jī)零段的改造為基礎(chǔ)，以改造前后的零段輥為研究對(duì)象，通過(guò)比較分析，得出了影響零段壽命的主要因素，最后在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)扇形段零段實(shí)施了改造，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證改造效果良好。實(shí)踐分析證明：零段輥材質(zhì)應(yīng)選擇熱膨脹系數(shù)小的材料，改造實(shí)施時(shí)將零段輥輥身材料更換為42CrMo。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施改造措施，2150 扇形段零段通鋼量從6 萬(wàn)t提高到18.2 萬(wàn)t，輥?zhàn)訅勖辛溯^大提高，輥?zhàn)泳S修成本降低120 萬(wàn)元/月，改造效果明顯。