熱連軋機(jī)精軋活套輥斷裂分析與改進(jìn)

吳長杰 張會明 東占萃 周廣成 李會生 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，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)生波動時(shí)，發(fā)出信號和命令快速進(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，對應(yīng)于國內(nèi)牌號為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)定無法正常設(shè)置，活套輥頻繁斷裂問題已經(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，為了對輥頸疲勞狀態(tài)進(jìn)行檢測，在輥道修復(fù)解體時(shí)對輥頸位置進(jìn)行探傷檢測，對活套輥材質(zhì)進(jìn)行了化驗(yàn)，結(jié)果表明輥道無明顯異常缺陷，活套輥德標(biāo)材質(zhì)為S355J2G3，對應(yīng)于國內(nèi)牌號為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)，帶鋼張力值由原來的10 MPa提升至18 MPa，活套輥本體受力也急劇增加，因此對帶鋼張力調(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，帶鋼張力對于活套輥輥身的壓力可以簡化為式(1)，計(jì)算結(jié)果見表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，通過有限元仿真軟件對輥身強(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)生在活套輥輥頸過渡區(qū)，和現(xiàn)場斷裂位置吻合?？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)同類問題，通過設(shè)備解體檢查及探傷，設(shè)備結(jié)構(gòu)無明細(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。