黃媛媛,高吉祥

(中冶南方(武漢)熱工有限公司,湖北 武漢 430000)

本文所分析研究的退火爐提升輥是不銹鋼熱軋連續(xù)退火酸洗機(jī)組中的重要支撐設(shè)備。該退火爐為臥式懸垂?fàn)t,由1個(gè)預(yù)熱段和若干個(gè)加熱段組成:預(yù)熱段利用燃燒廢氣預(yù)熱帶鋼,燃燒后的廢氣從預(yù)熱段經(jīng)過(guò)換熱器熱交換后進(jìn)入排氣系統(tǒng)。加熱段有交錯(cuò)安裝的燒嘴,該燒嘴利用預(yù)熱到550 ℃以上的空氣和熱氣充分混合燃燒,將鋼帶加熱到退火溫度,不銹鋼退火溫度一般在700～1 200 ℃。帶鋼在爐內(nèi)的運(yùn)行主要靠爐底輥進(jìn)行支撐,爐底輥的運(yùn)行狀態(tài)是臥式退火爐連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的一個(gè)重要因素[1]。在預(yù)熱段與加熱段之間設(shè)置一組提升輥,起到支撐帶鋼作用。圖1為退火爐提升輥布置圖。

圖1 退火爐提升輥布置圖

提升輥為一用一備,生產(chǎn)時(shí)僅用一根提升輥支撐帶鋼,爐溫為1 020 ℃,前后兩支撐輥距離提升輥約為20 m。提升輥為304材質(zhì)的水冷輥,在操作側(cè)的軸頭處安裝有雙通道旋轉(zhuǎn)接頭,來(lái)自循環(huán)水系統(tǒng)的冷卻水由進(jìn)水口流入輥體,從回水口流出,以降低輥體的溫度,測(cè)得實(shí)際回水溫度為48 ℃。

自某廠黑皮軋制退火酸洗機(jī)組投產(chǎn)以來(lái),2條生產(chǎn)線4根提升輥在短時(shí)間內(nèi)先后全部斷裂,導(dǎo)致爐內(nèi)漏水,為處理水冷輥故障,經(jīng)常需要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行降溫、停機(jī)、換輥,嚴(yán)重制約了生產(chǎn)的連續(xù)性,造成生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的損失,圖2為退火爐提升輥斷裂實(shí)物圖。

圖2 退火爐提升輥斷裂實(shí)物圖

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)查驗(yàn),發(fā)現(xiàn)斷裂部位均在輥筒與軸頭的連接處,原提升輥的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示,輥徑為240 mm,壁厚14 mm,材質(zhì)304。

圖3 原提升輥設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

為了快速查明提升輥斷裂原因,技術(shù)人員結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)查驗(yàn)情況,綜合分析斷面情況、施工過(guò)程、生產(chǎn)工藝情況以及提升輥設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等,剖析其斷裂的原因,并針對(duì)性提出改進(jìn)措施,從而避免發(fā)生同樣的事故。

1 故障分析

1.1 斷面分析

通過(guò)對(duì)提升輥斷裂面進(jìn)行分析,可以發(fā)現(xiàn):爐輥斷口相對(duì)平整,斷口呈結(jié)晶狀,斷裂處沒(méi)有明顯的伸長(zhǎng)和彎曲,也沒(méi)有縮頸和明顯的壁厚減薄的情況,判斷為脆性斷口[2]。

為進(jìn)一步驗(yàn)證提升輥斷裂處的各項(xiàng)指標(biāo)情況,對(duì)提升輥進(jìn)行成分化驗(yàn)和金相組織分析:樣本1取試樣取提升輥中間部位處,樣本2取距離斷裂面300 mm處,對(duì)比分析抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及斷后伸長(zhǎng)率等參數(shù),如表1所示。通過(guò)比較樣本1和樣本2數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn):各項(xiàng)化學(xué)成分測(cè)定符合304耐熱鑄鋼件的要求,但斷裂處的各項(xiàng)指標(biāo)如抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度相比提升輥中間部位較差。

表1 提升輥不同位置各項(xiàng)指標(biāo)

1.2 生產(chǎn)工藝分析

從圖2可以看出,斷裂處無(wú)耐材隔熱,爐輥整體暴露在1 020 ℃的爐溫下,導(dǎo)致該部位環(huán)境溫度較高。由于前后兩根支撐輥距離提升輥約20 m,在斷帶或停爐時(shí),帶鋼的自重較大,壓在輥?zhàn)由蠈?dǎo)致輥?zhàn)訜o(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng),輥?zhàn)永鋮s效果變差,更加容易發(fā)生彎曲變形。

1.3 爐輥結(jié)構(gòu)分析

在進(jìn)行提升輥斷裂原因分析時(shí),需要對(duì)提升輥的扭矩、彎矩以及疲勞強(qiáng)度進(jìn)行力學(xué)分析,從而判斷提升輥軸徑是否滿足需求。影響提升輥彎矩的因素很多,除了受輥內(nèi)冷卻水及外部爐溫的熱場(chǎng)影響外,還受提升輥本身自身質(zhì)量、加載輥筒表面的帶鋼物料質(zhì)量等影響,因此提升輥承受的總載荷為

F=提升輥?zhàn)灾?冷卻水質(zhì)量+帶鋼質(zhì)量

(1)

式中:提升輥?zhàn)灾?00 kg;冷卻水質(zhì)量52 kg;帶鋼自重677 kg,通過(guò)式(1)可得提升輥承受的總載荷F=10 082.7 N。

將提升輥承受的總載荷F簡(jiǎn)化為均布載荷,其受力分析簡(jiǎn)化后的模型如圖4所示。

圖4 提升輥受力分析簡(jiǎn)化后的模型

圖4中,l為帶鋼的寬度,c為軸承中心線的距離,L1為操作側(cè)軸承中心線距離帶鋼邊緣的距離。

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[3]計(jì)算可知,輥?zhàn)釉谥悬c(diǎn)處彎矩最大,M=6 405 N·m,最大應(yīng)力為12 MPa,小于許用應(yīng)力。因此,在水量充足、冷卻效果均勻的情況下,水冷輥的強(qiáng)度是滿足要求的。

通過(guò)分析斷裂處的輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu),如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn),斷裂處軸頭鋼板過(guò)厚,輥?zhàn)觾?nèi)外之間容易存在較大溫差,熱應(yīng)力隨著冷卻不均勻而不斷增大,從而導(dǎo)致輥?zhàn)右装l(fā)生脆性斷裂。

通過(guò)上述分析,在輥?zhàn)拥臄嗔烟幋嬖跓釕?yīng)力集中,且停機(jī)檢修時(shí)輥?zhàn)訜o(wú)法擺動(dòng)、軸頭處沒(méi)有耐材隔熱是輥軸斷裂的主要原因。

2 改進(jìn)措施

2.1 優(yōu)化輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)

在保證強(qiáng)度的前提下,加大插入輥筒處的軸頭內(nèi)空,以降低輥?zhàn)觾?nèi)外表面的溫度差,同時(shí)在支撐板和套筒上分別開孔Φ15和Φ30,加速冷卻水的流動(dòng),避免形成死區(qū),防止局部溫度過(guò)高,如圖6所示。

圖6 斷裂處的輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)(優(yōu)化后)

由于出水管徑大于進(jìn)水管徑,所以水冷輥中的水不是充滿整個(gè)輥體,在重力及離心力的作用下,會(huì)造成輥軸上方有空間殘留,下方所受的離心力大于上方所受的離心力,由于運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度變化,導(dǎo)致合力方向變化,因此水對(duì)輥?zhàn)拥淖饔镁褪墙蛔冚d荷[4]。由于理論計(jì)算忽略了水的流動(dòng)及熱應(yīng)力集中,因此加大輥?zhàn)拥闹睆街?70,材質(zhì)由304改為310,提高抗彎強(qiáng)度。

在提升輥旁增加支撐水梁,用于在停爐檢修時(shí)支撐帶鋼。同時(shí)修改電氣程序,爐子升降溫或生產(chǎn)過(guò)程中停機(jī)3 min以上時(shí),輥?zhàn)哟驍[,正轉(zhuǎn)3圈,反轉(zhuǎn)3圈半,速度5 m/min,中間停3 min[5]。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)提升輥的周邊耐材進(jìn)行整改,使斷裂處的輥?zhàn)硬课槐M可能被耐材包裹,以降低輥?zhàn)觾?nèi)外表面的溫差,降低熱應(yīng)力,如圖7所示。

圖7 整改后的輥?zhàn)虞S頭處耐材

2.2 加強(qiáng)質(zhì)量管理

同時(shí)進(jìn)一步加強(qiáng)制造監(jiān)制管理、現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量管理,加強(qiáng)監(jiān)督,確保供貨質(zhì)量和施工質(zhì)量。通過(guò)上述兩點(diǎn)改進(jìn)優(yōu)化后,提升輥至今運(yùn)行一年有余,未發(fā)生斷裂漏水的事故,改進(jìn)效果明顯。

3 結(jié) 論

針對(duì)某不銹鋼臥式酸洗退火爐生產(chǎn)線連續(xù)發(fā)生提升輥斷裂的現(xiàn)象,本文深入研究提升輥結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)工藝情況,進(jìn)行了斷面分析和力學(xué)結(jié)構(gòu)分析等,提出輥軸斷裂的主要原因是輥?zhàn)哟嬖跓釕?yīng)力集中、輥?zhàn)釉谕C(jī)時(shí)無(wú)法打擺和斷裂處無(wú)耐材隔熱,并針對(duì)性提出相應(yīng)的措施和改進(jìn)方案,包括改善輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)以及加強(qiáng)制造、施工質(zhì)量管理,從而避免提升輥斷裂現(xiàn)象發(fā)生,延長(zhǎng)使用壽命,提升企業(yè)生產(chǎn)效益。