棒材Ф550粗軋機(jī)組軋輥優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉桂華，禹國(guó)剛，劉寶超

（1.天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津300301；2.天津理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心，天津300191）

棒材Ф550粗軋機(jī)組軋輥優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉桂華1，禹國(guó)剛2，劉寶超1

（1.天津鋼鐵集團(tuán)有限公司，天津300301；2.天津理工大學(xué)工程訓(xùn)練中心，天津300191）

針對(duì)棒材Ф550粗軋機(jī)組軋輥發(fā)生的輥頸斷裂事故，分析出產(chǎn)生原因?yàn)榍蚰T鐵軋輥輥頸強(qiáng)度不足。通過選用半鋼軋輥、重新優(yōu)化設(shè)計(jì)其配輥，校核與計(jì)算Ф550半鋼軋輥輥頸強(qiáng)度，能夠滿足生產(chǎn)需求，避免了軋輥輥頸斷裂的事故，保證了生產(chǎn)的穩(wěn)定順行。

軋輥；輥頸；強(qiáng)度；材質(zhì)；安全系數(shù)

1　引言

目前小型軋機(jī)的主導(dǎo)機(jī)型為短應(yīng)力線軋機(jī)，無(wú)牌坊的拉桿結(jié)構(gòu)，使軋制力應(yīng)力回線縮短，軋機(jī)的整體剛度增強(qiáng)，設(shè)備總重降低，產(chǎn)品質(zhì)量提高［1］。我公司棒材生產(chǎn)線始建于2004年，2006年2月建成投產(chǎn)。軋機(jī)主體設(shè)備和工藝技術(shù)由意大利達(dá)涅利公司引進(jìn)，電氣傳動(dòng)和自動(dòng)化控制系統(tǒng)由意大利安薩爾多公司引進(jìn)。生產(chǎn)線由18架摩根沙碼第五代高剛度短應(yīng)力線軋機(jī)組成，以6-8-4工藝布局，平立交替布置。產(chǎn)品規(guī)格包括Φ10～Φ50mm螺紋鋼和Φ16～Φ75mm熱軋圓鋼［2］。摩根沙碼第五代高剛度短應(yīng)力線軋機(jī)采用短的應(yīng)力回線結(jié)構(gòu)，棒材生產(chǎn)線中粗軋、中軋及精軋機(jī)組僅采用此短應(yīng)力線軋機(jī)，有效地提高了軋機(jī)的剛度和產(chǎn)品尺寸精度。其中軋輥是軋機(jī)的主要負(fù)載件，直接與紅鋼接觸，在軋制壓力作用下，會(huì)產(chǎn)生彈性變形，軋輥設(shè)計(jì)直接影響鋼材的產(chǎn)量與質(zhì)量。意大利達(dá)涅利公司設(shè)計(jì)棒材生產(chǎn)線有6架粗軋機(jī)組，其中1～4架軋機(jī)軋輥直徑Φ650 mm，輥身長(zhǎng)度1 100 mm；5～6架軋機(jī)軋輥直徑Φ550 mm，輥身長(zhǎng)度700 mm，軋輥材質(zhì)均為珠光體球墨鑄鐵。自2006年棒材廠投產(chǎn)以來，第5架軋機(jī)曾多次發(fā)生軋輥輥頸斷裂，造成嚴(yán)重生產(chǎn)事故，問題處理時(shí)間長(zhǎng)，給生產(chǎn)帶來極大的安全隱患。本文通過對(duì)第5架軋機(jī)軋輥輥頸強(qiáng)度的校核以及軋輥材質(zhì)和配輥設(shè)計(jì)優(yōu)化，使軋輥滿足生產(chǎn)要求，保證生產(chǎn)的穩(wěn)定順行。

2　Φ550鑄鐵軋輥輥頸強(qiáng)度校核與計(jì)算

軋輥是由輥身、輥徑、輥頭等3部分構(gòu)成。輥身和輥頸的過渡區(qū)幾何形狀不連續(xù)，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，且輥頸比輥身直徑小，這是軋輥?zhàn)畋∪醯牡胤?，斷輥事故常發(fā)生在此位置。軋制力沿垂直方向作用于軋輥上，軋輥受力圖如圖1所示。

2.1支反力計(jì)算

式中，P為最大軋制力；C為支撐點(diǎn)到輥身距離；L為輥身長(zhǎng)度；RB為支反力；a為壓下螺絲間距。

2.2輥徑彎曲力矩計(jì)算

圖1　軋輥受力示意圖

式中，Mj為輥徑彎曲力矩。

2.3輥徑彎曲應(yīng)力計(jì)算

式中：σj為輥頸彎曲應(yīng)力；d為輥頸直徑。

2.4輥頸扭轉(zhuǎn)力矩計(jì)算

式中：Mn為輥頸扭轉(zhuǎn)力矩；Δh為最大壓下量；v1為軸承摩擦系數(shù)。

2.5輥頸扭轉(zhuǎn)應(yīng)力計(jì)算

式中，τn為輥頸扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

2.6球墨鑄鐵軋輥的合成應(yīng)力計(jì)算

式中，σh為合成應(yīng)力。

2.7安全系數(shù)

由表1可知，Φ550鑄鐵軋輥輥頸合成應(yīng)力180.44 MPa，球墨鑄鐵軋輥許用應(yīng)力為78.4～117.6 MPa，輥頸合成應(yīng)力大于鑄鐵軋輥許用應(yīng)力值；輥頸安全系數(shù)2.49小于3，因此，達(dá)涅利公司設(shè)計(jì)粗軋機(jī)組第5架軋機(jī)，因壓下量大，承受軋制力大，?550軋輥選用珠光體鑄鐵材質(zhì)不能滿足強(qiáng)度要求，導(dǎo)致輥頸斷裂事故的發(fā)生。

3　Ф550軋輥材質(zhì)與配輥設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1軋輥材質(zhì)優(yōu)化

達(dá)涅利原設(shè)計(jì)第5架軋機(jī)Φ550軋輥材質(zhì)為珠光體球墨鑄鐵軋輥，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T1504-2008鑄鐵軋輥標(biāo)準(zhǔn)，輥頸抗拉強(qiáng)度要求≥450MPa。結(jié)合棒材實(shí)際生產(chǎn)情況，所有規(guī)格產(chǎn)品第5架軋機(jī)最大壓下量為42mm，從而計(jì)算得到生產(chǎn)過程中最大軋制力1 500 kN，輥頸彎曲應(yīng)力156.17 MPa，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力58.38 MPa，合成應(yīng)力180.44 MPa，均大于鑄鐵軋輥許用應(yīng)力，因此，認(rèn)定球墨鑄鐵軋輥選材不合理，而選用半鋼軋輥材質(zhì)。依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T1503-2008鑄鋼軋輥標(biāo)準(zhǔn)，輥頸抗拉強(qiáng)度≥600 MPa，能夠滿足生產(chǎn)要求。

表1　Ф550鑄鐵軋輥輥頸強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算表

3.2軋輥配輥設(shè)計(jì)優(yōu)化

Φ550軋輥輥身長(zhǎng)度700 mm，達(dá)涅利原設(shè)計(jì)配輥4個(gè)軋槽，第一個(gè)軋槽中心距軋輥邊緣距離為113 mm，而軋輥輥頸均是在使用第一個(gè)軋槽軋制過程中發(fā)生斷裂?？紤]到軋輥輥頸上的彎曲應(yīng)力是由最大支反力決定，必須通過加大第一個(gè)軋槽與軋輥邊緣距離的方式減小軋制過程中作用在軋輥輥頸上的支反力和彎曲應(yīng)力。因此將輥身配輥由4個(gè)軋槽優(yōu)化設(shè)計(jì)為3個(gè)，第一個(gè)軋槽中心到軋輥邊緣距離變?yōu)?92 mm，軋輥的安全系數(shù)就會(huì)增加。

3.3Φ550半鋼軋輥輥頸強(qiáng)度校核與計(jì)算

在軋輥材質(zhì)和配輥設(shè)計(jì)完成后，同樣要對(duì)半鋼軋輥輥頸的彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力進(jìn)行核算，所有參數(shù)計(jì)算與鑄鐵軋輥相同，只是合成應(yīng)力計(jì)算因材質(zhì)不同而有所區(qū)別，鑄鐵軋輥用摩爾理論（第二強(qiáng)度理論）計(jì)算合成應(yīng)力，而鋼軋輥根據(jù)第四強(qiáng)度理論計(jì)算合成應(yīng)力，計(jì)算公式為：

式中，σh為合成應(yīng)力。

計(jì)算結(jié)果如表2所示。由表2可知，粗軋機(jī)組第5架軋機(jī)選用半鋼軋輥優(yōu)化設(shè)計(jì)配輥后，輥頸安全系數(shù)達(dá)到3.6。對(duì)于正常棒材生產(chǎn)，輥頸安全系數(shù)可取3～5，因此半鋼軋輥輥頸強(qiáng)度滿足生產(chǎn)要求，能夠保證生產(chǎn)順行。

表2　設(shè)計(jì)優(yōu)化后?550半鋼軋輥輥頸強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算表

4　軋輥使用情況

粗軋機(jī)組第5架軋機(jī)的Φ550軋輥優(yōu)化為半鋼材質(zhì)，配輥設(shè)計(jì)成3個(gè)軋槽，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程中第一個(gè)軋槽的使用情況進(jìn)行跟蹤（見表3）。同時(shí)考慮到影響軋輥使用壽命的因素，除了彎曲應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、接觸應(yīng)力外，還有因溫度分配不均勻或交替變化引起的溫度應(yīng)力過大，壓下量過大，造成軋機(jī)負(fù)載過大等因素。因此，為提高軋輥的安全系數(shù)，優(yōu)化了各鋼種的加熱工藝和粗軋機(jī)組軋制技術(shù)參數(shù)，適當(dāng)提高開軋溫度，合理分配各道次壓下量，降低了第5架軋機(jī)的軋制負(fù)荷。

表3　第5架軋機(jī)新材質(zhì)軋輥使用后第一個(gè)軋槽的過鋼量跟蹤/t

半鋼材質(zhì)Φ550軋輥投入使用后，沒有再發(fā)生軋輥輥頸斷裂的事故，第一個(gè)軋槽過鋼量正常，為安全穩(wěn)定生產(chǎn)提供了有力的保障。

5　結(jié)論

利用摩爾理論（第二強(qiáng)度理論）計(jì)算校核粗軋機(jī)組第5架軋機(jī)Φ550鑄鐵軋輥輥頸強(qiáng)度，分析出輥頸斷裂的原因是軋輥輥頸合成應(yīng)力大于鑄鐵軋輥許用應(yīng)力，且安全系數(shù)低。根據(jù)輥頸斷裂均發(fā)生在使用邊沿軋槽的特點(diǎn)，重新優(yōu)化設(shè)計(jì)了軋輥配輥、各鋼種的加熱工藝和粗軋機(jī)組軋制技術(shù)參數(shù)，適當(dāng)提高開軋溫度，合理分配各道次壓下量。選用半鋼材質(zhì)軋輥，根據(jù)第四強(qiáng)度理論計(jì)算輥頸的合成應(yīng)力，得出軋輥輥頸的安全系數(shù)，可以滿足生產(chǎn)需求。

［1］賈慧靈，任學(xué)平，竇劍琳.Ф320軋機(jī)軋輥強(qiáng)度有限元分析［J］.冶金設(shè)備，2008，168（2）：8-37.

［2］劉桂華.Ф16 mm螺紋鋼三切分軋制工藝開發(fā)與應(yīng)用［J］.天津冶金，2015（4）：41-44.

［3］鄒家祥.軋鋼機(jī)械［M］.3版.北京：冶金工業(yè)出版社，2000.

Optim ization of Design for Roll ofФ550 Bar Roughing M ill

LIU Gui-hua1，YU Guo-gang2and LIU Bao-chao1
（1.Tianjin Iron and Steel Group Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China；
2.Engineering Training Center of Tianjin University of Technology，Tianjin 300191，China）

The cause for the accident of roll neck rupture at roll ofФ550 bar roughingmill was analyzed as the deficiency of the strength of ductile cast iron roll neck.The production demand wasmet through selecting semisteel roll，re-optimizing design and roll arrangement and calculating and checking the strength ofФ550 semisteel roll neck.The reoccurrence of the same rupture was avoided and stable and smooth production ensured.

roll；roll neck；strength；material；safety factor

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.04.014

2016-04-08

2016-04-25

劉桂華（1968—），女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事棒材生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)及管理工作。