安鋼連鑄機(jī)扇形段驅(qū)動(dòng)輥設(shè)計(jì)優(yōu)化與應(yīng)用

王運(yùn)方

(安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司 )

安鋼連鑄機(jī)扇形段驅(qū)動(dòng)輥設(shè)計(jì)優(yōu)化與應(yīng)用

王運(yùn)方

(安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司 )

通過(guò)研究安鋼連鑄機(jī)扇形段的驅(qū)動(dòng)輥的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)使用狀況分析，經(jīng)過(guò)力學(xué)性能理論計(jì)算，實(shí)施扇形段驅(qū)動(dòng)輥的剖分軸承結(jié)構(gòu)改進(jìn)為直通輥結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)和應(yīng)用實(shí)例對(duì)比，證明這種優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、效益可觀、實(shí)用性強(qiáng)。

連鑄機(jī) 扇形段 驅(qū)動(dòng)輥 實(shí)施 直通輥 應(yīng)用 合理

0 前言

安鋼第二煉軋廠1#連鑄機(jī)是2005年引進(jìn)德國(guó)西馬克技術(shù)，建造了一臺(tái)具有國(guó)際先進(jìn)水平的現(xiàn)代化大型寬厚板連鑄機(jī)。該鑄機(jī)裝備優(yōu)良，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。作為連鑄機(jī)核心的扇形段，由于工況條件惡劣，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及使用性能直接影響著連鑄生產(chǎn)的穩(wěn)定和產(chǎn)品的質(zhì)量[1]。板坯連鑄機(jī)扇形段驅(qū)動(dòng)輥主要有整體式分段輥、芯軸式輥、分段組合式輥[2]。板坯連鑄機(jī)依靠驅(qū)動(dòng)輥把結(jié)晶器內(nèi)形成的具有一定厚度的坯殼的板坯沿導(dǎo)向段拉出[3]。為改善驅(qū)動(dòng)輥的受力情況、增加輥?zhàn)觿偠取⒏纳婆餍停刃味悟?qū)動(dòng)輥一般設(shè)計(jì)中間增加支撐。安鋼1#連鑄機(jī)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)正是中間增加剖分軸承結(jié)構(gòu)的分段式結(jié)構(gòu)。但是，扇形段驅(qū)動(dòng)輥因剖分軸承損壞或者漏水導(dǎo)致扇形段在線使用壽命縮短，大大降低了煉鋼作業(yè)率，同時(shí)造成生產(chǎn)成本的提高。為此，結(jié)合安鋼1#連鑄機(jī)扇形段驅(qū)動(dòng)輥的原設(shè)計(jì)特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和生產(chǎn)實(shí)踐，改進(jìn)了局部的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為通輥結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)，該結(jié)構(gòu)優(yōu)化，故障率低、維修成本大幅度降低、生產(chǎn)穩(wěn)定性高，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

1 設(shè)備概況

安鋼1#連鑄機(jī)為直弧形連鑄機(jī)，連鑄機(jī)的扇形段——即鑄坯導(dǎo)向段由彎曲段、弧形段、矯直段、水平段組成。鑄坯導(dǎo)向段沿拉坯方向，自上而下分布著不同輥徑的夾送輥，夾送輥對(duì)鑄坯起著夾送和依托作用[4]。彎曲段位于連鑄機(jī)的最上部，依次向下是弧形段，矯直段和水平段；在弧形扇形段、矯直段和水平段中為了實(shí)現(xiàn)拉坯和引錠輸送，設(shè)計(jì)有每套扇形段一組驅(qū)動(dòng)輥。為了增加驅(qū)動(dòng)輥的剛度，每套驅(qū)動(dòng)輥設(shè)計(jì)中間支撐作用的剖分軸承結(jié)構(gòu)，屬于分段式剖分軸承結(jié)構(gòu)，具體如圖1、圖2所示。

圖1 Φ235和Φ275驅(qū)動(dòng)輥原設(shè)計(jì)分段剖分軸承結(jié)構(gòu)圖

圖2 Φ235和Φ275驅(qū)動(dòng)輥原設(shè)計(jì)裝配圖

如圖1、圖2的這種結(jié)構(gòu)在2005年至2012年一直在線使用，該連鑄機(jī)因?yàn)槠史州S承部位故障引起的扇形段更換比率很大，這些故障直接或者間接影響連鑄機(jī)生產(chǎn)，設(shè)備表現(xiàn)為扇形段事故下線。2007年～2012年下線故障原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表1。

表1 2007年～2012年1#連鑄機(jī)扇形段下線統(tǒng)計(jì)

由表1可以看出，由于扇形段驅(qū)動(dòng)輥剖分軸承故障損壞導(dǎo)致的扇形段故障的比例平均高達(dá)26.70%，是影響扇形段在線使用壽命的主要原因。扇形段的在線使用壽命一般為60萬(wàn)t～100萬(wàn)t過(guò)鋼量，因?yàn)轵?qū)動(dòng)輥故障，安鋼1#連鑄機(jī)實(shí)際使用壽命不足40萬(wàn)t，嚴(yán)重影響了連鑄機(jī)的正常生產(chǎn)。

2 問(wèn)題分析

優(yōu)化前安鋼第二煉軋廠1#連鑄機(jī)Φ235和Φ275每段驅(qū)動(dòng)輥采用上下兩對(duì)(四根)成組驅(qū)動(dòng)。每根驅(qū)動(dòng)輥有三個(gè)軸承座進(jìn)行支撐(如圖1、圖2所示)；屬于分段部分軸承結(jié)構(gòu)，其中兩端是滾動(dòng)軸承，而中間軸承采用剖分形式，該剖分軸承全部使用進(jìn)口產(chǎn)品，但損壞最頻繁的恰恰是該剖分軸承。

國(guó)內(nèi)連鑄機(jī)有數(shù)百臺(tái)，只有安鋼等少數(shù)廠家使用這種剖分軸承的驅(qū)動(dòng)輥形式。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅安鋼二煉軋廠每年采購(gòu)剖分軸承備件費(fèi)用大約有180萬(wàn)元。對(duì)該剖分軸承頻繁損壞的原因分析有以下幾個(gè)方面。

2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)不合理

由于剖分軸承有上下兩個(gè)半圓的對(duì)接，內(nèi)外軸承襯套對(duì)接存在一定的錯(cuò)位，接口處不是很平滑；即使安裝時(shí)對(duì)齊，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用后，上下剖分面也會(huì)有錯(cuò)動(dòng)，也就是說(shuō)兩個(gè)半圓接合面最終有臺(tái)階，使得滾珠在軸承里面使用就造成磨損比較嚴(yán)重，從而加劇滾珠與軸承襯套和滾珠擋圈的磨損，進(jìn)而導(dǎo)致滾珠脫落、軸承襯套和滾珠擋圈嚴(yán)重變形，最后必然造成該軸承座損壞。

2.2 軸承兩側(cè)容易進(jìn)水

在生產(chǎn)過(guò)程中，扇形段開(kāi)路水容易從剖分軸承兩側(cè)進(jìn)入，水是潤(rùn)滑脂的天敵，一旦軸承進(jìn)水，里面的潤(rùn)滑油很快被乳化、被稀釋?zhuān)瑥亩觿L珠與軸承襯套和滾珠擋圈的磨損，進(jìn)而導(dǎo)致滾珠脫落、軸承襯套和滾珠擋圈嚴(yán)重變形，最終也必然造成該軸承座損壞。

2.3 軸承座剖分面易進(jìn)水

由于該剖分軸承在機(jī)上受高溫惡劣環(huán)境的影響，該剖分軸承使用一段時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)上下四個(gè)連接螺栓有不同程度的伸長(zhǎng)現(xiàn)象，這樣軸承座里面的閉路水必然少部分直接從兩剖分面進(jìn)入軸承滾道里面，稀釋潤(rùn)滑油，從而加劇滾珠與襯套和滾珠擋圈磨損，進(jìn)而導(dǎo)致滾珠脫落、軸承襯套和滾珠擋圈嚴(yán)重變形，最終也造成該軸承座損壞。

2.4 輥體設(shè)計(jì)不合理，中間軸頸易斷

驅(qū)動(dòng)輥直徑有Φ235和Φ275,但Φ235剖分支撐的軸頸處是Φ140,而Φ275是Φ180。結(jié)構(gòu)上是整體式分段輥結(jié)構(gòu)，兩個(gè)剖分支撐的軸頸處分別是直徑的60%和65%。即使兩個(gè)剖分支撐的軸頸處有支撐點(diǎn)，但在高溫、潮濕、交變負(fù)載的作用下，剖分支撐的軸頸兩個(gè)端面最薄弱處容易疲勞斷裂。

3 改進(jìn)措施

驅(qū)動(dòng)輥結(jié)構(gòu)形式改進(jìn)輥面改成直通式，該方案取消中間剖分軸承座，把原來(lái)軸頸填滿，把該輥改成直通式。Φ235和Φ275驅(qū)動(dòng)輥改成直通式效果圖及其單根直通輥裝配效果圖如圖3、圖4所示。

圖3 Φ235和Φ275驅(qū)動(dòng)輥改成直通式效果圖

圖4 Φ235和Φ275驅(qū)動(dòng)輥單根直通輥裝配效果圖

3.1 新結(jié)構(gòu)形式的驅(qū)動(dòng)輥的優(yōu)點(diǎn)

(1)結(jié)構(gòu)合理、簡(jiǎn)單、適用。輥?zhàn)又蓖ㄊ郊庸ず?jiǎn)單、節(jié)省材料、節(jié)省組裝時(shí)間和提高輥?zhàn)拥目箯澞芰Φ取?/p>

(2)使用壽命長(zhǎng)。取消剖分軸承，并把軸頸處的最小直徑改成通經(jīng)，因而上述分析的四個(gè)問(wèn)題點(diǎn)都不存在了。

(3)改進(jìn)成本低。取消剖分軸承，輥?zhàn)又蓖ㄊ郊庸ず?jiǎn)單，跳動(dòng)度等形狀公差更容易控制；如果采用新輥，制作費(fèi)用低，也可把舊輥軸頸處填滿恢復(fù)直通式；改進(jìn)成本低廉。

(4)通過(guò)采用優(yōu)化扇形段驅(qū)動(dòng)輥設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)解決了扇形段輥?zhàn)勇┧收弦鸬漠a(chǎn)品質(zhì)量缺陷，提升了連鑄機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。

(5)降低職工勞動(dòng)強(qiáng)度。備件維修工作量、連鑄機(jī)在線維護(hù)的工作量均得到簡(jiǎn)化和降低。

3.2 新結(jié)構(gòu)形式的驅(qū)動(dòng)輥的缺點(diǎn)

由于取消中間軸承座，在澆鋼過(guò)程中，因?yàn)橛薪蛔冐?fù)載疲勞的影響，如果輥軸使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能輥軸會(huì)彎曲。

3.3 新結(jié)構(gòu)形式的驅(qū)動(dòng)輥的力學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算[5]

改成直通輥Φ235抗彎能力計(jì)算。Φ235輥輥面長(zhǎng)度L=1584.5，Φ275輥L=1576.5；類(lèi)比結(jié)構(gòu)，Φ275輥?zhàn)又睆礁?，輥面更短，從力學(xué)角度來(lái)分析，如果Φ235驅(qū)動(dòng)輥設(shè)計(jì)強(qiáng)度和剛度能夠滿足要求，那么Φ275驅(qū)動(dòng)輥也應(yīng)該滿足要求；下面取Φ235驅(qū)動(dòng)輥進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

3.3.1 抗彎強(qiáng)度計(jì)算

驅(qū)動(dòng)輥的受力示意圖如圖5所示。

圖5 Φ235驅(qū)動(dòng)輥受正壓力示意圖

3.3.1.1 計(jì)算單根驅(qū)動(dòng)輥的總承受壓力

單根驅(qū)動(dòng)輥的總承受壓力包括以下三部分：

(1)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)油缸對(duì)驅(qū)動(dòng)輥的正壓力P1，可以由下式計(jì)算：

(1)

式中：p——驅(qū)動(dòng)輥油缸的壓力，MPa；

d——油缸直徑, m。

計(jì)算得，驅(qū)動(dòng)油缸對(duì)驅(qū)動(dòng)輥的正壓力為 P1=

(2) 改進(jìn)后的單根驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)陨碇亓縂=7.644 KN；

(3) 板坯的壓力P2。扇形段里板坯的最大尺寸是：2.0 m×3.25 m×0.15 m,考慮不利因素，假設(shè)這段坯子全部壓在驅(qū)動(dòng)輥上，則單根驅(qū)動(dòng)輥所受板坯的壓力P2=37.6 KN；

計(jì)算得，單根驅(qū)動(dòng)輥所受的總壓力為P=P1+P2+G=326.588 KN；

3.3.1.2 計(jì)算驅(qū)動(dòng)輥所受的最大彎矩[5]

連鑄機(jī)驅(qū)動(dòng)輥的結(jié)構(gòu)上屬于等截面梁，最大彎矩Mmax所在的截面最危險(xiǎn)。其最大正應(yīng)力位于最大彎矩所在的截面上距中性軸最遠(yuǎn)的各點(diǎn)處，輥?zhàn)幼畲髲澢鷳?yīng)力，危險(xiǎn)截面為軸中間位置，中間點(diǎn)的應(yīng)力——最大正應(yīng)力[5]，可由下式計(jì)算：

(2)

式中：Mmax——驅(qū)動(dòng)輥所受的最大彎矩，KNm；

Wz——驅(qū)動(dòng)輥的截面模量, m3。

(1)驅(qū)動(dòng)輥的截面模量[5]可由下式計(jì)算：

(3)

式中：d——驅(qū)動(dòng)輥的直徑， m。

(2)驅(qū)動(dòng)輥兩個(gè)軸承座支撐力F=P/2=163.294 KN，中間點(diǎn)承受的彎矩M最大，計(jì)算得Mmax=F×L=163.294×1.5845=258.739 KNm。

將Mmax和式(3)代入式(2)計(jì)算得，驅(qū)動(dòng)輥所受的最大正應(yīng)力為

驅(qū)動(dòng)輥的材質(zhì)是23CrNiMo7-4-7，它的許用應(yīng)力[δ]=750-900 MPa；

由上可知δmax<[δ]，所以新驅(qū)動(dòng)輥的抗彎強(qiáng)度是安全的。

3.3.2 新結(jié)構(gòu)直通式驅(qū)動(dòng)輥的撓度的計(jì)算

(1)把驅(qū)動(dòng)輥看成兩點(diǎn)支撐的簡(jiǎn)支梁，簡(jiǎn)支梁示意圖如圖6所示。

圖6 Φ235驅(qū)動(dòng)輥簡(jiǎn)支梁示意圖

(2)由力學(xué)計(jì)算可知，驅(qū)動(dòng)輥的中間點(diǎn)(χ= l/2 時(shí))下?lián)献畲?。梁的最大撓度[5]，可由下式計(jì)算：

(5)

式中：l——驅(qū)動(dòng)輥的長(zhǎng)度,m；

E——材料的抗彎彈性模量，N/m2；

I——慣性矩，m4。

(3)驅(qū)動(dòng)輥的慣性矩[5]可由下式計(jì)算：

(6)

根據(jù)輥?zhàn)釉O(shè)計(jì)材料，取E=210×109N/m2[5]，代入式(5)計(jì)算得

=-0.538 mm;

由設(shè)計(jì)可知，驅(qū)動(dòng)輥允許最大撓度[y]max=1 mm;

對(duì)比可得：│yc│<[y]max,所以改進(jìn)后的驅(qū)動(dòng)輥的下?lián)隙纫彩前踩摹?/p>

4 改進(jìn)后的使用效果

(1)輥?zhàn)痈脑旌螅刃味悟?qū)動(dòng)輥的工作穩(wěn)定性大大提高。結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)的扇形段驅(qū)動(dòng)輥漏水和輥斷造成的設(shè)備事故杜絕了。改進(jìn)前輥?zhàn)勇┧蛘邤噍亣?yán)重影響鑄坯質(zhì)量，減少了扇形段的使用壽命，制約了連鑄機(jī)的穩(wěn)定生產(chǎn)。改造后的扇形段驅(qū)動(dòng)輥在線使用穩(wěn)定，徹底解決了剖分軸承處漏水和輥斷現(xiàn)象，減少了檢修次數(shù)。扇形段基本正常下線。大大降低了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了大量的備件成本和維修成本。目前雖然是部分結(jié)構(gòu)優(yōu)化已經(jīng)完成，但是效果已經(jīng)完全體現(xiàn)出來(lái)。2013年～2015年連鑄機(jī)扇形段下線故障原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表2。

表2 2013年-2015年1#連鑄機(jī)扇形段下線統(tǒng)計(jì)

(2) 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)扇形段，一次連續(xù)運(yùn)行174天，過(guò)鋼量達(dá)到70.9 萬(wàn)t。通過(guò)動(dòng)態(tài)觀察和監(jiān)控，輥面效果很好，沒(méi)有彎曲和裂紋，大大超過(guò)預(yù)期效果。

(3)檢驗(yàn)試驗(yàn)后的Φ235輥?zhàn)訐锨群吞鴦?dòng)量見(jiàn)表3.

由表3可知，改進(jìn)后的直通式驅(qū)動(dòng)輥撓度和跳動(dòng)量均符合設(shè)計(jì)要求：不大于0.2 mm。

5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的經(jīng)濟(jì)效益分析

表3 1#連鑄機(jī)扇形段 Φ235輥?zhàn)酉戮€撓度和

(1)降低了生產(chǎn)維修備件成本。每年由于驅(qū)動(dòng)輥改造每年節(jié)約剖分軸承30余套，節(jié)約大量的驅(qū)動(dòng)輥備件修復(fù)費(fèi)用；平均每年減少斷輥4根，并且連鑄機(jī)的軟水消耗等生產(chǎn)成本也得到有效控制，幾項(xiàng)折合每年節(jié)省備件材料費(fèi)概算資金220余萬(wàn)元。

(2)有限的提高了連鑄機(jī)扇形段的使用壽命，據(jù)統(tǒng)計(jì)安鋼1#鑄機(jī)扇形段壽命3年來(lái)平均提高18%左右。近年來(lái)使用改造后的輥?zhàn)雍?，沒(méi)有因?yàn)檩仈嗪吐┧脑蛟斐缮刃味伪黄认戮€的現(xiàn)象。

(3)減少了生產(chǎn)事故，穩(wěn)定了生產(chǎn)順行，提高了生產(chǎn)效率。平均每年減少剖分軸承損壞事故4起。

(4)降低了連鑄坯的廢品率。每次因剖分軸承壞或驅(qū)動(dòng)輥斷而導(dǎo)致?lián)Q段，必然是澆鋼中斷，從而導(dǎo)致尾坯出現(xiàn)廢品。在正常澆鋼過(guò)程中，由于剖分軸承部分損壞出現(xiàn)漏水，也會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)批量廢品。每年減少?gòu)U品平均節(jié)約費(fèi)用近百萬(wàn)元。

(5)降低了維修人工成本，提高了生產(chǎn)效率。

6 結(jié)語(yǔ)

扇形段驅(qū)動(dòng)輥輥結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)改造后，解決了長(zhǎng)期困擾連鑄機(jī)扇形段不能正常使用的問(wèn)題，大大提高了扇形段運(yùn)行的穩(wěn)定性，為控制鑄坯在扇形段冷卻和導(dǎo)向過(guò)程中，提高鑄坯質(zhì)量創(chuàng)造了條件。

經(jīng)過(guò)近年來(lái)對(duì)扇形段的使用情況進(jìn)行跟蹤，采用直通輥結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可靠有效，維修簡(jiǎn)單，降低了生產(chǎn)事故發(fā)生的概率，扇形段的在線使用壽命明顯提高，連鑄機(jī)的備件和軟水等生產(chǎn)成本得到有效控制，節(jié)約了大量的維修人工成本，提高了連鑄機(jī)生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

[1] 羅振才.煉鋼機(jī)械(第二版)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1989:78-81.

[2] 周保鴻.板坯連鑄機(jī)扇形段輥?zhàn)拥倪x型與設(shè)計(jì)[J].重型機(jī)械,2010(S1):208-211.

[3] 干勇，倪滿森，余志群.現(xiàn)代連續(xù)鑄鋼實(shí)用手冊(cè)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2010:28-33.

[4] 熊毅剛.現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)技術(shù)-板坯連鑄[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1994:21.

[5] 馬安禧，于綬章，周康年，等.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,1987:162-166,173-175,216-224.

DESIGN OPTIMIZATION AND APPLICATION OF CASTER SEGMENTS DRIVE ROLLER IN ANYANG STEEL

Wang Yunfang

(Anyang Iron and Steel Stock Co.,Ltd)

Based on the research of structure design of caster segments drive roller in Anyang Steel and its utilization situation on site, some bearing structure of the caster segments drive roller are modified to straight roller structure through theoretical calculation of mechanical properties. The production practice test and application comparison demonstrate that the optimization design is a reasonable structure, and its benefits is considerable, practicability is strong.

segment drive roller implementation straight roller application;reasonable

2015-8-13

*聯(lián)系人：王運(yùn)方，高級(jí)工程師，河南.安陽(yáng)(455004)，安陽(yáng)鋼鐵股份有限公司第二煉軋廠設(shè)備材料科；