關(guān)于熱軋寬厚板冷床區(qū)空心輥制造工藝的研究

李彥斌 李榮立 趙博韜

(天津賽瑞機(jī)器設(shè)備有限公司，天津 300301)

空心輥是熱軋寬厚板冷床區(qū)域的重要組成部分，主要用于對(duì)高溫軋制鋼板的傳輸及冷卻。近年來，隨著冶金行業(yè)的迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)多個(gè)知名鋼廠陸續(xù)籌建熱軋寬厚板生產(chǎn)線。由于在熱軋寬厚板的冷床區(qū)域需要配備大量的空心輥，所以對(duì)空心輥制造工藝的研究就非常有必要。

1 空心輥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

空心輥由輥身、焊接軸頭1和焊接軸頭2構(gòu)成(見圖1)。其中輥身由結(jié)構(gòu)用無縫鋼管制成;焊接軸頭1和焊接軸頭2分別由1根圓鋼和2塊圓板焊接而成。

1.2 技術(shù)要求

(1)輥身最小壁厚要求

(2)靜平衡要求

空心輥在實(shí)際工況下的轉(zhuǎn)速為120 r/min，由于鋼管內(nèi)壁有4 200±1 mm的長(zhǎng)度范圍不加工，壁厚不均勢(shì)必會(huì)造成空心輥的質(zhì)心與回轉(zhuǎn)中心不一致，這樣旋轉(zhuǎn)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生偏載。所以，在焊接左右兩端焊接軸頭之前，需要對(duì)無縫鋼管進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)，通過在鋼管內(nèi)壁的非加工區(qū)域焊接鋼塊的方法來調(diào)整鋼管質(zhì)心的位置。

(3)加工要求

左右兩端焊接軸頭上的圓鋼與圓板之間采用間隙配合，配合尺寸為φ180H7/t7 mm和φ160H7/t7 mm。采用此種配合，主要是在滿足組裝方便的前提下，保證焊接軸頭的質(zhì)心與回轉(zhuǎn)中心一致，從而確保空心輥整體的質(zhì)心與回轉(zhuǎn)中心同軸。

左右兩端焊接軸頭與鋼管采用熱裝配工藝。對(duì)鋼管端部通過油溫加熱的方法，使其內(nèi)孔膨脹，從而保證軸頭能夠安裝順利。焊接軸頭的圓板上鉆有對(duì)稱的φ8 mm透氣孔，在熱裝時(shí)可將空氣排出。

2 空心輥的制造工藝

2.1 焊接性分析

空心輥焊接軸頭上的圓鋼和圓板的材質(zhì)為Q235B，結(jié)構(gòu)用無縫鋼管的材質(zhì)為20鋼?；瘜W(xué)成分及力學(xué)性能見表1和表2。

表1 化學(xué)成分%

表2 力學(xué)性能

選用國(guó)際焊接學(xué)會(huì)碳當(dāng)量公式:ω(CE)=［C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5］%。取Q235B中各元素化學(xué)成分的上限作為選取值來計(jì)算，ω(CE)=0.433%;取20#中各元素化學(xué)成分的上限作為選取值來計(jì)算，ω(CE)=0.415%。

經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)ω(CE)＜0.40%時(shí)，鋼材的淬硬冷裂傾向不大，焊接性優(yōu)良;當(dāng) ω(CE)=0.40% ～0.60%時(shí)，鋼材的淬硬冷裂傾向增大，焊接時(shí)需要采取控制焊接參數(shù)等工藝措施;當(dāng)ω(CE)＞0.60%時(shí)，鋼材的淬硬冷裂傾向強(qiáng)，難于焊接。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，Q235B與20鋼的碳當(dāng)量位于0.40%～0.60%之間，考慮到在計(jì)算碳當(dāng)量時(shí)，各化學(xué)元素的含量均選用的是上限值，所以Q235B與20鋼的焊接性能優(yōu)良。

2.2 焊接方法與焊材的選擇

為了達(dá)到焊縫與母材的力學(xué)性能相當(dāng)，同時(shí)考慮到既要滿足設(shè)計(jì)要求又能符合生產(chǎn)的實(shí)際情況，采用混合氣體(富氬+CO2)保護(hù)焊的方法，選擇ER50－6焊絲作為填充金屬。

2.3 制造工藝

(1)焊接軸頭的制備

焊接軸頭1按圖2制備;焊接軸頭2按圖3制備。

(2)輥身的制備

輥身按圖4制備。

(3)靜平衡試驗(yàn)

表3 熱裝時(shí)的最小間隙 mm

由于輥身全長(zhǎng)5 000 mm，需設(shè)計(jì)一套靜平衡裝置進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)，詳見圖5。將2個(gè)靜平衡支座放在平臺(tái)上，用水平儀及激光跟蹤儀將支座的上平面調(diào)平，并用壓板將支座壓緊在平臺(tái)上;然后利用軌道兩端的螺栓孔，將軌道把合在支座上。為了增加軌道的穩(wěn)定性，在每個(gè)軌道的側(cè)面各增加3個(gè)擋塊;與此同時(shí)，為了防止無縫鋼管在做靜平衡試驗(yàn)時(shí)滾落，還在兩側(cè)分別設(shè)置了1個(gè)彎板。安裝調(diào)整完成后，將無縫鋼管放置在軌道上，若質(zhì)心不在通過回轉(zhuǎn)軸線的鉛垂面內(nèi)，則鋼管的重量會(huì)對(duì)回轉(zhuǎn)軸線形成重力矩。在此重力矩的作用下，鋼管將在軌道上滾動(dòng)。當(dāng)停止?jié)L動(dòng)時(shí)，鋼管的質(zhì)心理論上應(yīng)位于軸線的鉛垂下方。確定完質(zhì)心位置后，在鋼管質(zhì)心偏移的相反位置(即4 200 mm長(zhǎng)的未加工的內(nèi)壁上)點(diǎn)焊鋼塊，并逐步調(diào)整其大小。如此反復(fù)試驗(yàn)，直到鋼管在任意位置都能保持靜止不動(dòng)時(shí)為止。

(4)焊接軸頭與輥身的熱裝配及焊接

根據(jù)JB/T5000.10－2007，熱裝時(shí)加熱溫度和時(shí)間的確定按下面的公式計(jì)算:

式中:tn為包容件加熱溫度，℃;Δ1為過盈量，mm;Δ2為熱裝時(shí)的最小間隙，mm(見表3);α為材料的線膨脹系數(shù)，1/℃(見表 4);df為結(jié)合直徑，mm;t為環(huán)境溫度，℃。

表4 材料的線膨脹系數(shù) ×10－6(1/℃)

Δ1選取最大過盈量0.15 mm，Δ2為0.54 mm，α 為11 ×10－6/℃，df為 350 mm，t選取 20 ℃，代入公式可知熱裝溫度:

將鋼管端部浸入電加熱油箱里，待溫度升至199℃時(shí)，將焊接軸頭裝入。待冷卻后將油漬、污物清理干凈，再焊左右兩端環(huán)形焊縫。焊接時(shí)，將空心輥放在轉(zhuǎn)胎上邊轉(zhuǎn)邊焊，保證焊縫均勻，盡量避免因焊縫高度不均而造成質(zhì)心的偏移。

(5)整體機(jī)加工

將空心輥裝夾在車床C61125B×6 m上，先以輥身外圓作為基準(zhǔn)，打表找正后車兩端軸頭。待兩軸端的A、B基準(zhǔn)加工完成后，再參照這2個(gè)基準(zhǔn)去加工空心輥的外圓φ4000－0.2mm，保證全跳動(dòng)度不大于0.15 mm。(見圖1)

3 結(jié)語

實(shí)踐證明，以上工藝方案既保證了輥身最小壁厚，又滿足了空心輥的靜平衡要求，同時(shí)達(dá)到了圖紙中的尺寸及形位公差要求，這為以后類似工件的加工制造提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。