連軋管機組輥軸分離優化應用

2008年，天津鋼管集團公司（天津鋼管）建成并生產能力288mmpqf連躍式管道。該裝置已提高了天津鋼管127.245mm規格的特鋼產品的生產能力。它特別適用于13rc抗腐蝕管的制造和p11鋼黃圈管等高強度產品。Φ258mmPQF連軋管機組采用了側向換輥技術,側向換輥在連軋輥設計上具有與軸向換輥軋輥不同的技術特點,體現了在連軋輥設計上新的嘗試和發展方向。1輥軸向換輥技術Φ258mmPQF連軋管機組的連軋輥是由意大利Innse公司設計的,主要有如下特點。(1)軋輥采用相同名義直徑設計。相同孔型第1~6機架的連軋輥可以根據生產需要進行匹配使用,以降低PQF連軋輥的庫存,同時生產組織更加靈活。(2)軋輥機架采用通用設計。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勢,并且制作和備用成本都能得到有效的控制,換輥時間較軸向換輥降低約50%。(3)采用輥軸分離設計。輥環為單一成分材料針狀球墨鑄鐵,采用靜態澆鑄工藝生產;輥軸采用合金結構鋼鍛件,以保證工作強度;連軋輥使用到下線后,直接更換連軋輥輥環,輥軸可重復利用,有效地降低了軋輥消耗。Φ258mmPQF連軋管機組的連軋輥材質有兩種化學成分設計方案,具體見表1。Innse公司的軋輥設計采用單一成分材料靜態澆鑄制作工藝。采用方案1時,軋輥工作面硬度為270~330HB,抗拉強度800MPa,輥頸的強度高,可最大限度地避免斷軸事故的發生,但輥面的抗疲勞能力和耐磨性差,輥面“粘鋼”嚴重,不僅影響了軋輥使用壽命,而且影響產品表面質量;采用方案2時,軋輥工作面硬度為400~440HB,抗拉強度600MPa,輥面的耐磨性和抗熱疲勞性較好,但輥頸的強度偏低。另外,單一成分材料靜態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連輥輥環的失效形式及分析Φ258mmPQF連軋管機組自2008年4月熱試成功,并開始進入正常生產狀況后,曾發生由于連軋輥輥環問題造成的生產事故,使生產不能正常進行。PQF連軋輥輥環的失效形式如圖1所示,主要存在如下問題。(1)連軋第1~4機架連軋輥輥環和輥軸經常發生相對錯位和斷裂;(2)連軋第5~6機架連軋輥輥環和輥軸經常發生相對錯位。連軋輥輥環和輥軸發生相對錯位和斷裂造成連軋輥異常消耗嚴重,PQF連軋輥使用一次軋制鋼管支數僅為90~1000支,與目標軋制支數相差甚遠,同時對設備造成很大沖擊,使產品質量不穩定,生產停機時間長,作業率低。3pqf連u3000定期維護的對比分析通過對失效的PQF連軋輥進行檢驗分析,對發生原因進行了排除檢查:(1)軋輥冷卻嚴格按照標準控制冷卻水量和冷卻水速度,因此軋輥錯位和斷裂不是由于軋輥冷卻造成的;(2)錯位和斷裂也不是軋輥材質和鑄造的問題,輥環最先采用的是從國外進口的單一成分材料鑄造而成的,然后試用了國產離心鑄造復合軋輥(鑄造工藝及材料與天津鋼管Φ460mmPQF連軋管機組的相同),都發生了軋輥斷裂和錯位,但在Φ460mmPQF連軋管機組上的應用效果良好,未發生過斷裂現象。PQF連軋輥是先產生輥軸相對錯位,然后發生斷輥,為此對軋制曲線進行了分析,同時對連軋輥的工作過程進行了理論分析。PQF連軋輥的受力如圖2所示。(1)輥身僅受彎曲作用,所受的彎曲應力σD為:式中MD——輥身危險斷面彎矩,N·m;Dg——危險斷面軋輥實際工作直徑,m。(2)輥頸受彎曲和扭轉的組合作用,加之軋輥材質為球墨鑄鐵,符合第二強度理論,因此所受的復合應力σ2按莫爾理論計算為:式中σd——輥頸所受的彎曲應力,MPa;式中σb——軋輥材質對應的強度極限,MPa;n——軋輥的安全系數,在此取n=5。(4)軋輥各部位需要滿足的強度條件為:輥身σD∧[σ]輥頸σ2∧[σ]Φ258mmPQF連軋管機組的最大軋制壓力為3500kN,最大扭矩為170kN·m,軋輥的抗拉強度為600MPa,經核算σD=25MPa∧[σ],σ2=130MPa∧[σ],軋輥強度滿足使用要求。通過對連軋輥工作過程中的實際軋制力曲線和理論受力進行綜合分析,同時結合對失效PQF連軋輥的檢測結果,得出如下結論:由于輥軸和輥環熱膨脹系數不同,以及輥環厚度設計過薄(263孔型連軋孔型槽底與內孔的最小厚度為46.95mm),在軋制過程中輥環溫升速度大于輥軸的溫升速度,導致輥環內孔增大,輥環和輥軸間隙加大,從而產生相對滑動,進而輥環和輥軸摩擦生熱,輥環抗熱疲勞能力下降導致輥環斷裂。針對PQF連軋輥使用中出現的問題,提出優化改進建議并進行實踐。4連軸pqf性能改進4.1輥軸一站式設計PQF連軋輥第1~4機架連軋輥從輥軸分離設計改進為輥軸一體式設計,工作層(外層)單面厚度≥25mm,同時改進制作和澆鑄工藝。主要目的是在改善輥軸強度和避免工作面發生斷裂的同時,降低PQF連軋輥的制作成本。4.2調整連u3000面厚度PQF連軋輥第5~6機架仍然采用輥軸分離式設計,軋輥工作層硬度按照生產經驗進行調整,工作層單面厚度≥25mm,在滿足使用強度的同時,改善連軋輥的韌性;同時調整PQF連軋輥輥環和輥軸配合過盈量,將PQF連軋輥輥環內孔公差從原設計的0~+0.063mm調整為-0.05mm~0,增加輥環與輥軸的結合力,避免輥環和輥軸發生相對錯位,也能提高輥軸的利用率,降低連軋輥消耗。4.3復合輥軸抗沖擊能力輥軸一體設計和輥軸分離設計,計劃均采用離心鑄造復合工藝制作(離心鑄造復合軋輥如圖3所示),這不僅能保證一體式輥軸的強度,還使其具有良好的抗拉強度和沖擊韌性;連軋輥工作層組織致密性良好,具有優良的抗熱疲勞強度和抗沖擊能力,并且耐磨性能和沖擊性能好,能夠提高連軋輥的使用壽命,保證工作質量。離心鑄造復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,得到合理的化學成分的匹配,以增加抗拉強度和沖擊性能,保證軋輥的抗事故能力,具體的組織及化學成分的控制見表2。2復合大應力學以及沖擊功ak在設計轉化連軋輥的時候,一般對于工作層和內層的機械性能分開考慮。工作層抗拉強度σb≥500MPa,沖擊功AkU≥3J;芯部抗拉強度σb≥600MPa,沖擊功AkU≥6J。這樣的設計不僅增強了軋輥工作層的耐磨性能,而且能夠保證其抗拉強度和沖擊性能,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公司圖紙對輥面硬度的要求是400~440HB,根據天津鋼管在連軋輥方面多年的實踐經驗,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內應力的方法用離心復合鑄造技術生產的連軋輥,由于輥身是由離心鑄造的金屬型激冷而凝固,再靜態復合澆注軋輥芯部得到整體復合輥,因此軋輥不僅在工作層存在由組織和溫度快速轉變而形成的內應力,而且在輥身和輥頸結合處因復合的溫度差和冶金結合而存在的應力集中,即便是常法整體鑄造輥,由于連軋輥特殊的外形尺寸,也會有較大的鑄造應力。因此在生產制作中采用去應力退火的方法,來消除連軋輥的內應力。根據連軋輥的材質和鑄造條件,確定去應力退火的加熱速度、加熱溫度、保溫時間和冷卻速度等參數,以達到消除內應力和穩定組織的目的。5試驗總體規劃2號設備在機織試驗階段的第5期試驗項目,即發生在機2008年10月,天津鋼管將優化改進后的PQF連軋輥用于Φ258mmPQF連軋管機組進行實際生產試驗。優化前后PQF連軋輥的使用情況對比見表3。由表3可知,優化改進后的PQF連軋輥達到了較理想的使用狀況,一次使用壽命大幅提高,同時徹底解決了輥軸相對錯位和軋輥斷裂的生產難題。對下線后連軋輥進行的檢測表明,軋輥工作面磨損正常,輥軸強度滿足正常生產要求,達到了改進的預期目的。6mmpqf連軋管機組連u3000研究分析伴隨軋管工藝的不斷發展,軋輥使用應注重觀念創新,拓展“軋輥使用”的概念,對軋輥制造流程設計、生產制造過程控制、軋輥使用的每個環節都要加強分析。Φ258mmPQF連軋管機組連軋輥在