軋輥金屬異物粘結機理及清除裝置設計 陶功明 官旭東（攀鋼新鋼釩軌梁廠 四川攀枝花 617062）摘要 軋輥粘結異物是生成軋疤的主要因素之一，而軋疤又嚴重制約生產產能和質量。本文分析了軋輥粘結氧化鐵皮機理，認為初次粘結在軋輥上的金屬異物結合力小用較小力即可去除，而碾壓后與軋輥貼合只能用修磨方式去除。本文重點介紹了一種可直接去除粘結物的清除裝置，對設計結構、功能、使用方法、效果及裝置主要材料的選擇等進行了描述。該裝置使用后大幅度降低了軋疤廢品率、提高了產能。關鍵詞 軋輥材質 粘結 金屬異物 清除裝置 軋疤Mechanism of sticking of foreign metal matter onto roll and design of cleaning deviceTao gongming Guan xudong(Rail & Bean Plant of New Steel & Vanadium Co.,Ltd. Panzhihua 617062,Sichuan)Abstract： Sticking of foreign metal matter onto the mill roll has been one of the major factors for the generation of scar defect on the rail product,scar defect has severely restricted the productivity of the rolling line and the quality of the product. This paper studys on and analyse the mechanism of sticking of foreign metal matter onto the roll with the conclusion that first time sticking,due to small sticking force, can be easily removed with small force, sticking pressed in the roll can only be removed by grinding. This paper focuses on a cleaning device which can clean and remove the sticking foreign matter onto the roll. The paper describes the design strcucture of cleaning device, function, application and operation, efficiency and material selection of cleaning device as well. Application of the cleaning device has considerably decreased the scraping rate due to scar and meantime increased the productivity of the rolling line.key words：roll material, sticking, foreign metal matter cleaning device, scab61前言攀鋼軌梁廠CCS機架萬能軋機生產線可按任一國際標準生產任一斷面的鋼軌，工藝裝備達到世界先進水平。實現了長尺軋制、長尺冷卻、長尺矯直、長尺檢測、長尺加工及100m長定尺交貨。具有尺寸精度高，平直度高，表面質量高等特點，所軋鋼軌已用于時速350km/h的京津高速鐵路線上。但是，在鋼軌軋制過程中，受原料表面質量、溫度、導衛安裝精度和軋輥材質等多種因素影響，熱軋鋼軌表面產生軋疤質量缺陷，每年因軋疤缺陷判廢的鋼軌多達數千噸，07年萬能線鋼軌軋疤廢品率為0.56%，08年為0.51%。嚴重影響了鋼軌合格率和萬能線產能。通過對鋼軌軋疤缺陷的產生因素進行機理分析，針對其主要因素之一軋輥粘結氧化鐵皮問題,設計開發了具有自主知識產權的萬能水平輥和萬能立輥氧化鐵皮清除裝置。該裝置的應用大大降低了鋼軌的軋疤缺陷，提高了鋼軌班產能力。經濟效益和社會效益十分顯著。2軋疤缺陷對鋼軌生產的影響2.1影響表面質量高速及出口鋼軌標準規定軋疤缺陷深度頭部不得大于0.30毫米,其它部位不得大于0.5毫米。部分出口標準規定不得修磨，未經修磨的鋼軌表面缺陷肉眼可見。同時，未修磨的軋疤缺陷中有尖角和直棱邊，在鋼軌使用過程中會導致應力集中產生裂紋缺陷。部分國外標準和國內標準均要求對軋疤缺陷進行修磨。修磨后的部位會出現凹坑，從外觀看剛修磨后的鋼軌缺陷部分明顯。尺寸比未修磨部位小，且顏色發亮，影響鋼軌的出廠檢驗。同時，修磨不當會產生馬氏體（比如連續修磨時間太長）使鋼軌在使用過程中萌生裂紋缺陷。修磨不當還會產生尖角或直棱缺陷，使用后演變為裂紋缺陷。2.2影響產能鋼軌軋疤缺陷的修磨,降低鋼軌精整產能。據現場統計數據，每修磨一處軋疤缺陷平均耗時2.7分鐘。因100米軌定尺較長，只能采用在線檢查、在線修磨方式進行生產，當出現批量軋疤缺陷時，在線修磨將使探傷、矯直、軋制等各個前工序堵料停產；25米等短尺鋼軌的離線修磨，也會大量占用場地和人工，浪費人力物力資源，對生產影響極大。根據國內軌梁廠鋼軌生產統計數據，修磨缺陷中軋疤缺陷占87%。07年100軌在線修磨率為28%，班產能力低。熱軋產能損失較大。3軋輥粘結氧化鐵皮機理跟蹤萬能軋機鋼軌表面軋疤缺陷產生因素，主要歸為以下幾大類：輥道運輸撞擊軋線輔助設備、設施，進鋼撞擊衛板或孔型，衛板材質選擇不當形成粘結，鋼坯缺陷切割渣脫落，軋輥粘結異物等。其中軋輥粘結異物形成的軋疤缺陷實物圖見圖1圖1軋輥粘結物形成的軋疤缺陷實物軋輥粘結異物的原因較多，主要為：軋件撞擊孔型使孔型掉肉；軋制材質與軋件材質接近類似膠結地粘在軋輥表面；軋輥上堅固的氧化膜被破壞，破壞處軋件與軋輥摩擦系數增加，而形成粗糙面導致氧化鐵皮粘結在軋輥上。3.1軋件撞擊孔型軋件進鋼不正撞擊軋輥使孔型缺損，形成周期性的軋疤缺陷。有時軋件上的金屬異物卡在軋邊機孔型中也會形成周期性的軋疤缺陷。初始粘附力較小易除掉。3.2軋輥材質選擇目前U1、U2和UF軋輥均選用高碳半鋼軋輥。軋輥成份性能見表1。正常情況下U1沒有出現軋輥粘結氧化鐵皮的現象。經過3道軋制后，進入U2軋制時，會產生粘結氧化鐵皮的現象，特別是立輥粘結頻次較高，每8小時會出現1-2次粘結修磨。U2軋制1道次后進入UF軋制時，在水平輥側壁粘結異物出現的頻次較高，平均每8小時修磨4-6次。表1 高碳半鋼軋輥的化學成份及性能CSiMnPSCrNiMo1.6-2.10.2-1.00.5-2.00.030.032.5-4.01.0-2.00.2-1.0硬度：55-60HS；抗拉強度：795Mpa；延伸率：1.2%從上述現象看，軋制壓下量越大，軋輥粘結異物越輕微，反之越嚴重；同樣，軋制溫度越高軋輥粘結異物越輕微，反之越嚴重。說明每個機架的軋輥材質選擇應有所區別，不能選用同一軋輥材質。單純從溫度角度看，溫度越低軋件屈服強度越大，越接近軋輥瞬間高溫下的屈服強度，軋件表面越容易出現與軋輥類似膠結的狀態，屈服強度低的軋件金屬或氧化鐵皮越容易粘結在軋輥上。不同機架處的平均溫度見表2。通過實驗室獲得的不同溫度下U75V應力應變值見圖2表2 不同機架處的軋件平均溫度機架號U1U2UF平均溫度1000950900圖2（A）時的變形抗力曲線圖2（B）時的變形抗力曲線圖2（C）時的變形抗力曲線從上圖看出，溫度每降低50，屈服強度便增加50MPa左右。因此溫度越低，屈服強度與軋輥瞬間高溫屈服強度越接近。異物與軋輥在初始粘結時，粘結力較小，易于清除。3.3 氧化膜破壞從表1可以看出，高碳半鋼軋輥碳含量高但鉻含量更高，因此軋輥主要考慮的是提高軋輥硬度及強度的問題。對軋輥的防粘結性能考慮較少，也就是說軋輥中沒有足夠的碳形成自潤滑的防粘功能。軋輥在高溫、高速、大壓下量和驟冷驟熱條件下工作，表面氧化膜周期性地承受著巨大的交變應力。達到一定疲勞極限后,輥面氧化膜中微裂紋在裂紋源處產生、擴展。當裂紋尺寸長大到一定程度時，垂直于輥面的裂紋與平行于輥面的裂紋匯合，在軋輥和軋件之間強大剪應力作用下,輥面氧化膜產生剝落。一旦軋輥輥面氧化膜出現剝落，剝落的氧化膜會粘結在軋件上，在下一孔型中形成小軋疤。同時，軋輥輥面氧化膜剝落后,輥面變得相當粗糙,在軋件變形區,前后滑的作用使軋輥與軋件具有相對運動,此時輥面凹入的部分對軋件表面的氧化鐵皮或金屬起到存儲和刮削的作用，形成一個初始粘結物。當下一支軋件進入時，存儲和刮削的氧化鐵皮或金屬就壓入軋件表面形成小軋疤。如果金屬異物不掉，則下一支軋件表面與粘結異物性質相同的氧化鐵皮或金屬又覆蓋其上，反復碾壓后使該處所粘結的金屬異物越積越大，越粘越牢固，從而在輥面形成大的凸塊。氧化膜的剝落程度在初期比較嚴重，也比較粗糙，以后逐漸減輕，直至輥面新的氧化膜最終重新建立。因此在實際生產中可以看到，氧化鐵皮缺陷產生初期比較嚴重（特別是UF）,以后逐漸減輕。這與氧化物中Cr含量的變化規律是一致的。從以上分析和實際生產觀察，粘結物在第一次粘結時，與軋輥結合不緊密，可以輕易去除。但當軋輥旋轉一周時，粘結物或壓入軋件本體形成軋疤。或繼續粘結在軋輥上，由于已受到大的軋制力作用，與軋輥本體緊密貼合，只有通過砂輪修磨方式才能去除。如圖3。 圖3 經反復與軋件接觸后的軋輥粘結物4 去除軋輥表面粘結物的裝置軋輥表面的粘結物，目前有多種方法進行去除。如：潤滑軋制技術，高壓水噴射軋輥表面，優化軋輥材質等。但上述方法投入均較大，且清除效果較差，還會產生環境污染和能源消耗。根據萬能軋機的特點，我們設計了直接接觸軋輥工作面的異物清除裝置，可使粘結物在受到下一軋制力之前被清除掉。4.1裝置結構萬能軋機軋輥位于上、下、左、右四個方向，其中去除萬能軋機上水平輥和下水平輥表面粘結物的裝置結構相同。去除萬能軋機頭部立輥和底部立輥表面粘結物裝置的結構相同。下水平輥和底部立輥結構描述如下：(1)水平輥表面粘結物清除裝置結構將植有鋼絲毛刷子的活動板與固定框架通過調整螺栓、螺旋彈簧和滑動板連接到一起。水平輥孔型位置每一個面都按其形狀設置一套植有鋼絲毛刷子的活動板；然后將這些植有鋼絲毛刷子的活動板及其固定框架組合成與水平輥孔型相匹配的形狀，最后安裝在一個整體框架內，再將這個整體框架固定在下水平輥的出口衛板上。具體結構示意見圖4。圖4 萬能水平輥粘結物清除裝置圖 (2)立表面粘結物清除裝置結構將植有鋼絲毛刷子的活動板與固定框架通過調整螺栓、螺旋彈簧和滑動板連接到一起，然后將這個框架固定在立輥軸承座內部的空隙內，在立輥軸承座的入口側和出口側對稱布置。刷體結構同水平輥。具體結構示意圖如圖5。 圖5 萬能立輥粘結物清除裝置圖分。立軋輥異物裝置安裝在萬能軋機立軋輥座體側壁上，如圖4、圖5所示，刷頭7在彈簧力的作用下與軋輥8孔型面接觸，軋輥8孔型面與刷頭7及其調整范圍相適應。4.2 粘結物清除裝置功能鋼軌在萬能軋機中軋制時，上、下水平輥軋制鋼軌的腹腔，底部立輥軋制鋼軌的軌底，頭部立輥軋制鋼軌的軌頭，這幾個部位的軋輥表面都容易粘結異物。因此，這種去除萬能軋機軋輥表面粘結物的裝置要按上、下水平輥、鋼軌頭部立輥和鋼軌底部立輥分別配置。同時裝置具備以下功能：(1)軌軋制過程中，隨著軋輥的轉動，軋輥表面與鋼絲毛刷子之間產生相對滑動，在滑動摩擦力的作用下，鋼絲毛刷子能夠將軋輥表面所粘結的異物刷除掉。(2)裝置與軋輥表面直接接觸，軋輥冷卻水隨時澆在裝置上，因此裝置上配備的鋼絲毛刷子要能耐腐蝕、不生銹。4.3清除裝置主要部件選擇(1)鋼絲選擇鋼絲刷毛的受力分析圖6鋼絲刷毛的受力分析圖N為鋼絲與軋輥孔型面密切接觸的力，即鋼絲對軋輥孔型面的正壓力，它與彈簧的彈力大小相等；F為鋼絲對軋輥孔型面的刷洗力，它與摩擦力f的大小相等，方向相反。F、N之間的數值關系式為：F=N(為摩擦系數)由于各鋼絲尖與軋輥孔型面直接接觸，它們之間的摩擦系數接近于1，故彈簧的彈力近似認為等于鋼絲對軋輥孔型面的刷洗力。鋼絲刷洗力條件為：清除輥面異物的力鋼絲的刷洗力F鋼絲的彈性極限根據經驗和實驗數據，刷除輥面異物的力約500牛頓。故鋼絲刷毛的刷洗力F500牛頓鋼絲材質選擇由于鋼絲刷毛的工作環境溫度較高，油、汽、水等污物較多，要求鋼絲具有耐油防銹功能，故選擇不銹鋼絲。鋼絲直徑和長度選擇64l3 F = 3Ed4 d：毛刷子鋼絲直徑 l：刷毛長度 E：不銹鋼絲彈性模量=19400根據該裝置上線使用的實際工作空間，選擇刷毛長度為15mm，則鋼絲刷毛的直徑為：64l3 64*153d4 = 3EF 3*3.14*19400*500= 0.00236d0.225mm通過現場實驗數據，既能保證刷洗效果，又能減少鋼絲彎曲變形，選擇鋼絲刷毛直徑為d=1.5mm。（2）彈簧的選擇因軋機機架內空間有限，彈簧占位不能過多，故選用扭轉彈簧。見圖7 圖7 彈簧形狀圖彈簧材料的選擇：由于彈簧安裝在導衛裝置上，其工作環境溫度較高，油、汽、水等污物較多，要求彈簧具有耐油防銹功能，故選擇不銹鋼彈簧。彈簧直徑的選擇：彈簧常數：用字母k 表示，即當彈簧被扭轉時，每增加1扭轉角的負荷(kgf/mm)。彈簧常數公式（單位：kgf/mm）：k=(E*d4 )/(1167*Dm*P*N*R)E=鋼性模數：琴鋼絲E=21000 ,不銹鋼絲E=19400 ,磷青銅線E=11200，黃銅線E=11200；d=線徑；Do=OD=外徑；Dm=MD=中徑=Do-d；N=總圈數R=負荷作用的力臂；p=3.1416根據該裝置上線使用的實際空間大小，選擇Dm =中徑=70mm，N=3，R=30mm，K=30kgf/mm，則：d4 =k*(1167*Dm*P*N*R)/E=30*(1167*70*3.1416*3*30)/19400=35718d