連軋管機(jī)組輥軸分離優(yōu)化應(yīng)用

連軋管機(jī)組輥軸分離優(yōu)化應(yīng)用

2008年，天津鋼管集團(tuán)公司（天津鋼管）建成并生產(chǎn)能力288mmpqf連躍式管道。該裝置已提高了天津鋼管127.245mm規(guī)格的特鋼產(chǎn)品的生產(chǎn)能力。它特別適用于13rc抗腐蝕管的制造和p11鋼黃圈管等高強(qiáng)度產(chǎn)品。Φ258mmPQF連軋管機(jī)組采用了側(cè)向換輥技術(shù),側(cè)向換輥在連軋輥設(shè)計(jì)上具有與軸向換輥軋輥不同的技術(shù)特點(diǎn),體現(xiàn)了在連軋輥設(shè)計(jì)上新的嘗試和發(fā)展方向。1輥軸向換輥技術(shù)Φ258mmPQF連軋管機(jī)組的連軋輥是由意大利Innse公司設(shè)計(jì)的,主要有如下特點(diǎn)。(1)軋輥采用相同名義直徑設(shè)計(jì)。相同孔型第1~6機(jī)架的連軋輥可以根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行匹配使用,以降低PQF連軋輥的庫(kù)存,同時(shí)生產(chǎn)組織更加靈活。(2)軋輥機(jī)架采用通用設(shè)計(jì)。在軋輥的加工和使用的靈活性上較軸向換輥具有明顯的優(yōu)勢(shì),并且制作和備用成本都能得到有效的控制,換輥時(shí)間較軸向換輥降低約50%。(3)采用輥軸分離設(shè)計(jì)。輥環(huán)為單一成分材料針狀球墨鑄鐵,采用靜態(tài)澆鑄工藝生產(chǎn);輥軸采用合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件,以保證工作強(qiáng)度;連軋輥使用到下線后,直接更換連軋輥輥環(huán),輥軸可重復(fù)利用,有效地降低了軋輥消耗。Φ258mmPQF連軋管機(jī)組的連軋輥材質(zhì)有兩種化學(xué)成分設(shè)計(jì)方案,具體見表1。Innse公司的軋輥設(shè)計(jì)采用單一成分材料靜態(tài)澆鑄制作工藝。采用方案1時(shí),軋輥工作面硬度為270~330HB,抗拉強(qiáng)度800MPa,輥頸的強(qiáng)度高,可最大限度地避免斷軸事故的發(fā)生,但輥面的抗疲勞能力和耐磨性差,輥面“粘鋼”嚴(yán)重,不僅影響了軋輥使用壽命,而且影響產(chǎn)品表面質(zhì)量;采用方案2時(shí),軋輥工作面硬度為400~440HB,抗拉強(qiáng)度600MPa,輥面的耐磨性和抗熱疲勞性較好,但輥頸的強(qiáng)度偏低。另外,單一成分材料靜態(tài)澆鑄連軋輥的制作工藝成本較高,且輥身工作層硬度梯度落差大。2pqf連輥輥環(huán)的失效形式及分析Φ258mmPQF連軋管機(jī)組自2008年4月熱試成功,并開始進(jìn)入正常生產(chǎn)狀況后,曾發(fā)生由于連軋輥輥環(huán)問(wèn)題造成的生產(chǎn)事故,使生產(chǎn)不能正常進(jìn)行。PQF連軋輥輥環(huán)的失效形式如圖1所示,主要存在如下問(wèn)題。(1)連軋第1~4機(jī)架連軋輥輥環(huán)和輥軸經(jīng)常發(fā)生相對(duì)錯(cuò)位和斷裂;(2)連軋第5~6機(jī)架連軋輥輥環(huán)和輥軸經(jīng)常發(fā)生相對(duì)錯(cuò)位。連軋輥輥環(huán)和輥軸發(fā)生相對(duì)錯(cuò)位和斷裂造成連軋輥異常消耗嚴(yán)重,PQF連軋輥使用一次軋制鋼管支數(shù)僅為90~1000支,與目標(biāo)軋制支數(shù)相差甚遠(yuǎn),同時(shí)對(duì)設(shè)備造成很大沖擊,使產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定,生產(chǎn)停機(jī)時(shí)間長(zhǎng),作業(yè)率低。3pqf連u3000定期維護(hù)的對(duì)比分析通過(guò)對(duì)失效的PQF連軋輥進(jìn)行檢驗(yàn)分析,對(duì)發(fā)生原因進(jìn)行了排除檢查:(1)軋輥冷卻嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)控制冷卻水量和冷卻水速度,因此軋輥錯(cuò)位和斷裂不是由于軋輥冷卻造成的;(2)錯(cuò)位和斷裂也不是軋輥材質(zhì)和鑄造的問(wèn)題,輥環(huán)最先采用的是從國(guó)外進(jìn)口的單一成分材料鑄造而成的,然后試用了國(guó)產(chǎn)離心鑄造復(fù)合軋輥(鑄造工藝及材料與天津鋼管Φ460mmPQF連軋管機(jī)組的相同),都發(fā)生了軋輥斷裂和錯(cuò)位,但在Φ460mmPQF連軋管機(jī)組上的應(yīng)用效果良好,未發(fā)生過(guò)斷裂現(xiàn)象。PQF連軋輥是先產(chǎn)生輥軸相對(duì)錯(cuò)位,然后發(fā)生斷輥,為此對(duì)軋制曲線進(jìn)行了分析,同時(shí)對(duì)連軋輥的工作過(guò)程進(jìn)行了理論分析。PQF連軋輥的受力如圖2所示。(1)輥身僅受彎曲作用,所受的彎曲應(yīng)力σD為:式中MD——輥身危險(xiǎn)斷面彎矩,N·m;Dg——危險(xiǎn)斷面軋輥實(shí)際工作直徑,m。(2)輥頸受彎曲和扭轉(zhuǎn)的組合作用,加之軋輥材質(zhì)為球墨鑄鐵,符合第二強(qiáng)度理論,因此所受的復(fù)合應(yīng)力σ2按莫爾理論計(jì)算為:式中σd——輥頸所受的彎曲應(yīng)力,MPa;式中σb——軋輥材質(zhì)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度極限,MPa;n——軋輥的安全系數(shù),在此取n=5。(4)軋輥各部位需要滿足的強(qiáng)度條件為:輥身σD∧[σ]輥頸σ2∧[σ]Φ258mmPQF連軋管機(jī)組的最大軋制壓力為3500kN,最大扭矩為170kN·m,軋輥的抗拉強(qiáng)度為600MPa,經(jīng)核算σD=25MPa∧[σ],σ2=130MPa∧[σ],軋輥強(qiáng)度滿足使用要求。通過(guò)對(duì)連軋輥工作過(guò)程中的實(shí)際軋制力曲線和理論受力進(jìn)行綜合分析,同時(shí)結(jié)合對(duì)失效PQF連軋輥的檢測(cè)結(jié)果,得出如下結(jié)論:由于輥軸和輥環(huán)熱膨脹系數(shù)不同,以及輥環(huán)厚度設(shè)計(jì)過(guò)薄(263孔型連軋孔型槽底與內(nèi)孔的最小厚度為46.95mm),在軋制過(guò)程中輥環(huán)溫升速度大于輥軸的溫升速度,導(dǎo)致輥環(huán)內(nèi)孔增大,輥環(huán)和輥軸間隙加大,從而產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng),進(jìn)而輥環(huán)和輥軸摩擦生熱,輥環(huán)抗熱疲勞能力下降導(dǎo)致輥環(huán)斷裂。針對(duì)PQF連軋輥使用中出現(xiàn)的問(wèn)題,提出優(yōu)化改進(jìn)建議并進(jìn)行實(shí)踐。4連軸pqf性能改進(jìn)4.1輥軸一站式設(shè)計(jì)PQF連軋輥第1~4機(jī)架連軋輥從輥軸分離設(shè)計(jì)改進(jìn)為輥軸一體式設(shè)計(jì),工作層(外層)單面厚度≥25mm,同時(shí)改進(jìn)制作和澆鑄工藝。主要目的是在改善輥軸強(qiáng)度和避免工作面發(fā)生斷裂的同時(shí),降低PQF連軋輥的制作成本。4.2調(diào)整連u3000面厚度PQF連軋輥第5~6機(jī)架仍然采用輥軸分離式設(shè)計(jì),軋輥工作層硬度按照生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整,工作層單面厚度≥25mm,在滿足使用強(qiáng)度的同時(shí),改善連軋輥的韌性;同時(shí)調(diào)整PQF連軋輥輥環(huán)和輥軸配合過(guò)盈量,將PQF連軋輥輥環(huán)內(nèi)孔公差從原設(shè)計(jì)的0~+0.063mm調(diào)整為-0.05mm~0,增加輥環(huán)與輥軸的結(jié)合力,避免輥環(huán)和輥軸發(fā)生相對(duì)錯(cuò)位,也能提高輥軸的利用率,降低連軋輥消耗。4.3復(fù)合輥軸抗沖擊能力輥軸一體設(shè)計(jì)和輥軸分離設(shè)計(jì),計(jì)劃均采用離心鑄造復(fù)合工藝制作(離心鑄造復(fù)合軋輥如圖3所示),這不僅能保證一體式輥軸的強(qiáng)度,還使其具有良好的抗拉強(qiáng)度和沖擊韌性;連軋輥工作層組織致密性良好,具有優(yōu)良的抗熱疲勞強(qiáng)度和抗沖擊能力,并且耐磨性能和沖擊性能好,能夠提高連軋輥的使用壽命,保證工作質(zhì)量。離心鑄造復(fù)合軋輥的制作要求如下。1i、mo合金工作層采用耐磨性能和抗熱疲勞性能良好的貝氏體組織,含較高的Ni、Mo合金;內(nèi)層采用韌性良好的珠光體組織,提高Si的含量,降低Ni的含量,得到合理的化學(xué)成分的匹配,以增加抗拉強(qiáng)度和沖擊性能,保證軋輥的抗事故能力,具體的組織及化學(xué)成分的控制見表2。2復(fù)合大應(yīng)力學(xué)以及沖擊功ak在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化連軋輥的時(shí)候,一般對(duì)于工作層和內(nèi)層的機(jī)械性能分開考慮。工作層抗拉強(qiáng)度σb≥500MPa,沖擊功AkU≥3J;芯部抗拉強(qiáng)度σb≥600MPa,沖擊功AkU≥6J。這樣的設(shè)計(jì)不僅增強(qiáng)了軋輥工作層的耐磨性能,而且能夠保證其抗拉強(qiáng)度和沖擊性能,從而保證軋輥的抗事故能力。3輥軸一體連u輥面的硬度Innse公司圖紙對(duì)輥面硬度的要求是400~440HB,根據(jù)天津鋼管在連軋輥方面多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),要求輥軸一體連軋輥輥面的硬度為400~440HB,輥軸分離連軋輥工作面的硬度為370~410HB,同時(shí)要求硬度梯度10mm下降≤1HSD,以保證軋輥的使用性能。4消除連u3000內(nèi)應(yīng)力的方法用離心復(fù)合鑄造技術(shù)生產(chǎn)的連軋輥,由于輥身是由離心鑄造的金屬型激冷而凝固,再靜態(tài)復(fù)合澆注軋輥芯部得到整體復(fù)合輥,因此軋輥不僅在工作層存在由組織和溫度快速轉(zhuǎn)變而形成的內(nèi)應(yīng)力,而且在輥身和輥頸結(jié)合處因復(fù)合的溫度差和冶金結(jié)合而存在的應(yīng)力集中,即便是常法整體鑄造輥,由于連軋輥特殊的外形尺寸,也會(huì)有較大的鑄造應(yīng)力。因此在生產(chǎn)制作中采用去應(yīng)力退火的方法,來(lái)消除連軋輥的內(nèi)應(yīng)力。根據(jù)連軋輥的材質(zhì)和鑄造條件,確定去應(yīng)力退火的加熱速度、加熱溫度、保溫時(shí)間和冷卻速度等參數(shù),以達(dá)到消除內(nèi)應(yīng)力和穩(wěn)定組織的目的。5試驗(yàn)總體規(guī)劃2號(hào)設(shè)備在機(jī)織試驗(yàn)階段的第5期試驗(yàn)項(xiàng)目,即發(fā)生在機(jī)2008年10月,天津鋼管將優(yōu)化改進(jìn)后的PQF連軋輥用于Φ258mmPQF連軋管機(jī)組進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)。優(yōu)化前后PQF連軋輥的使用情況對(duì)比見表3。由表3可知,優(yōu)化改進(jìn)后的PQF連軋輥達(dá)到了較理想的使用狀況,一次使用壽命大幅提高,同時(shí)徹底解決了輥軸相對(duì)錯(cuò)位和軋輥斷裂的生產(chǎn)難題。對(duì)下線后連軋輥進(jìn)行的檢測(cè)表明,軋輥工作面磨損正常,輥軸強(qiáng)度滿足正常生產(chǎn)要求,達(dá)到了改進(jìn)的預(yù)期目的。6mmpqf連軋管機(jī)組連u3000研究分析伴隨軋管工藝的不斷發(fā)展,軋輥使用應(yīng)注重觀念創(chuàng)新,拓展“軋輥使用”的概念,對(duì)軋輥制造流程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造過(guò)程控制、軋輥使用的每個(gè)環(huán)節(jié)都要加強(qiáng)分析。Φ258mmPQF連軋管機(jī)組連軋輥在