熱軋鑲套支承輥的研究與應(yīng)用

何彥杰 ，王慶軍 ，孫熙釗

（1.中鋼集團(tuán)邢臺機(jī)械軋輥有限公司，河北054025；2.軋輥復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北054025）

0 引言

目前板帶軋機(jī)支承輥一般采用整體合金鋼鍛造技術(shù)生產(chǎn)，由于工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長，制作成本較高。對于鋼廠來說，軋輥實(shí)際有效使用量大概占整個(gè)軋輥重量15%～25%，其余75%～85%都成了廢品不能使用，造成極大浪費(fèi)。

一些鋼廠為重復(fù)利用報(bào)廢的支承輥而進(jìn)行了輥身修復(fù)嘗試，其方法有兩種：堆焊法和鑲套法。堆焊法是用自動(dòng)堆焊機(jī)在報(bào)廢的輥身上堆焊出工作層，由于堆焊修復(fù)工藝不穩(wěn)定，堆焊的輥面不像鍛鋼那樣組織均勻、致密，且有堆焊缺陷（氣孔、夾碴等）存在，使用中經(jīng)常出現(xiàn)裂紋、剝落等問題；鑲套法是將淬火后的鍛鋼輥套與加工去除掉外層的報(bào)廢軋輥裝配在一起再次使用，由于需制作輥套、再加工、淬火、裝配等工藝較為復(fù)雜，鋼廠很難獨(dú)立研究和實(shí)施，使用效果并不理想，所以實(shí)際使用很少[1]。

中鋼邢機(jī)作為全球最大軋輥制造商對鑲套支承輥進(jìn)行了深入研究與應(yīng)用，通過對過盈熱裝、鍵聯(lián)接、膠粘等不同結(jié)合方式對比研究，認(rèn)為熱裝鑲套支承輥在加工難度、結(jié)合強(qiáng)度、可靠性、制造成本方面優(yōu)勢明顯，是鑲套支承輥的主要發(fā)展方向。

1 熱裝鑲套支承輥的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

熱裝鑲套支承輥需要滿足軋輥的使用要求，裝配到軋機(jī)上必須和整體軋輥一樣實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)裝配功能, 軋制過程中輥套與輥軸不能發(fā)生相互滑動(dòng)、竄動(dòng)、輥套開裂事故。熱裝鑲套支承輥由輥軸和輥套按一定的配合結(jié)構(gòu)熱裝組合而成，達(dá)到軸向和圓周方向的固定。其中主要由裝配壓緊力來保證輥套和輥軸配合表面的有效結(jié)合，防止相互移動(dòng)。與其它裝配方法相比，采用過盈裝配的鑲套支承輥，其輥套內(nèi)孔不必加工鍵槽或螺紋等定位和鎖緊結(jié)構(gòu)，從而大大降低了熱處理之后的加工難度，制造工藝簡單，因此具有更大的優(yōu)勢[2]。

2 熱裝鑲套支承輥設(shè)計(jì)

熱裝鑲套支承輥由于是通過過盈熱裝配來實(shí)現(xiàn)的，需要嚴(yán)格控制輥套和輥軸的裝配應(yīng)力。影響裝配后應(yīng)力分布的主要因素包括配合尺寸、過盈量、配合面摩擦系數(shù)以及軋制條件等多方面，其中最重要的是配合結(jié)構(gòu)形式、輥套厚度、過盈量的設(shè)計(jì)，配合面加工精度和裝配工藝也影響著裝配質(zhì)量和使用的成敗[3]。

2.1 熱裝鑲套支承輥裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 配合結(jié)構(gòu)形式

熱裝鑲套支承輥結(jié)構(gòu)見圖1，包括中間部位的過盈配合面和兩端的定位臺、防竄臺。定位臺在裝配時(shí)保證輥套的裝配位置正確；防竄臺是支承輥在使用過程中防止輥套出現(xiàn)意外竄動(dòng)。定位臺直徑與主配合面直徑落差一般控制在10～40 mm；防竄臺與主配合面直徑差控制在1～2 mm 內(nèi)，過小起不到防竄功能，過大則會(huì)使輥套預(yù)熱溫度過高，超過輥套淬硬層的退火溫度，降低輥套的硬度和使用性能。

圖1 鑲套支承輥的裝配結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 減小端部裝配應(yīng)力結(jié)構(gòu)

有限元模擬結(jié)果表明，裝配應(yīng)力沿裝配面的軸向分布呈現(xiàn)不均勻性，中部基本呈現(xiàn)平直分布，變化不大，而從距端面一定距離（因不同輥套厚度、過盈量大小而不同）開始，越靠近邊部應(yīng)力值越大，見圖2。因此兩端的定位臺和防竄臺處輥套與輥軸間應(yīng)為間隙配合，能減小輥套端部的應(yīng)力集中。

圖2 裝配應(yīng)力軸向分布圖

2.1.3 輥套厚度設(shè)計(jì)

輥套厚度設(shè)計(jì)其實(shí)就是配合直徑的確定，除滿足基本的工作層厚度要求外，主要受軋輥的裝配關(guān)系、輥套殘余應(yīng)力狀況限制，另外裝配應(yīng)力和軋制應(yīng)力的大小也影響輥套厚度的確定，因此輥套厚度的設(shè)計(jì)需多方面綜合考慮。

首先，要滿足軋輥與軸承座間的裝配關(guān)系要求，特別是軸承密封要求。一般的熱軋支承輥軸承采用DF 密封，見圖3。配合直徑應(yīng)避開水封、鋁環(huán)組件、主唇、副唇、負(fù)壓空腔等與軋輥接觸的部位。冷軋支承輥輥身端面與軸承間裝有推力環(huán)，配合直徑選擇考慮因素較少，可選范圍也較大。

圖3 DF 密封裝置結(jié)構(gòu)圖

其次還要考慮輥套的殘余應(yīng)力狀況，應(yīng)有足夠的內(nèi)層厚度。輥套的工作層經(jīng)過淬火處理，外圓為壓應(yīng)力，內(nèi)層為拉應(yīng)力，內(nèi)層越厚內(nèi)孔表面殘余拉應(yīng)力就越小。

從有限元模擬結(jié)果看，輥套外圓表面裝配應(yīng)力、軋制力對配合表面影響、輥套疲勞壽命等方面均表明輥套越厚越好。

但從輥軸方面考慮，輥套越厚則輥軸越細(xì)，輥軸在圓弧部位的軋制應(yīng)力就越大，抗彎能力越弱，斷輥風(fēng)險(xiǎn)就越高。

綜合各方面要求，熱裝鑲套支承輥配合直徑最小不超過根部上圓弧為宜。

2.2 熱裝鑲套支承輥裝配過盈量確定

為減小輥套端部的裝配應(yīng)力集中現(xiàn)象，配合面的過盈量需設(shè)計(jì)為兩種：主配合面恒過盈量和邊部變過盈量。

2.2.1 主配合面恒過盈量的確定

對于工作輥傳動(dòng)的鑲套支承輥，配合過盈量應(yīng)滿足兩條要求：配合產(chǎn)生的摩擦阻力能克服支承輥軸承的摩擦力矩和支承輥加減速慣性力矩，并且在規(guī)定超負(fù)荷情況下輥套與輥軸間不能發(fā)生相互滑動(dòng)；過盈裝配應(yīng)力不能超過輥套材料的許用強(qiáng)度，否則就會(huì)導(dǎo)致在裝配過程中和使用時(shí)輥套開裂而報(bào)廢。配合過盈量計(jì)算方法和步驟如下。

（1）確定配合最小過盈量。計(jì)算公式為

式中：δmin為配合最小過盈量，μm；

pmin為傳遞最小扭矩所需配合面間的徑向壓力，MPa；

df為配合公稱直徑，mm；

E1、E2分別為輥軸、輥套材料的彈性模量，MPa；

d1、d2分別為輥軸的內(nèi)徑和輥套的外徑，mm；

μ1、μ2分別為輥軸、輥套材料的泊松比。

（2）確定配合最大有效過盈量。計(jì)算公式為

式中：δmax為配合最大過盈量,μm；

pfimax為輥套允許的最大結(jié)合壓力pfimax和輥軸允許最大結(jié)合壓力pfimax中的較小者，其計(jì)算公式分別為 pfamax=aσsa，pfimax=cσsi。

（3）確定配合基本過盈量

通過上述計(jì)算所得的過盈量可選范圍較大，一般基本過盈量取最小過盈量δmin與最大過盈量δmax之和的二分之一。但確定最終過盈量時(shí)還要考慮輥套的殘余應(yīng)力、軋制應(yīng)力、裝配過程和軋制過程溫度變化所產(chǎn)生的熱應(yīng)力和隨著使用過程輥身外徑變化所引起的裝配應(yīng)力變化等多種因素而進(jìn)行調(diào)整。

2.2.2 邊部配合變過盈量

為了消除裝配應(yīng)力在裝配面邊部出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，將輥套內(nèi)孔或輥軸外圓的邊部區(qū)域加工成圓滑過渡的錐面，通過逐漸變小的過盈量來減小或消除輥套邊部區(qū)域的裝配應(yīng)力尖峰。同時(shí)這種設(shè)計(jì)對于減小輥套內(nèi)孔的裝配后軸向拉應(yīng)力有好處。

3 熱裝鑲套支承輥的加工及裝配工藝

3.1 熱裝鑲套支承輥的加工

由于熱裝鑲套支承輥配合直徑較大，一般均在φ900～φ1 400 mm，長度在 1 200～2 500 mm，其表面加工精度對于配合質(zhì)量影響較大，所以應(yīng)力求提高輥套內(nèi)孔的加工精度為宜，這樣裝配后輥套應(yīng)力會(huì)均勻一致，保證輥套的使用壽命。但由于輥套內(nèi)孔加工屬于大型尺寸、高精度加工，加工精度要求越高，對加工設(shè)備精度要求越高、加工時(shí)間越長，導(dǎo)致加工時(shí)間和成本成倍增加。對于輥套內(nèi)孔一般要求表面粗糙度控制在Ra0.4～0.8，圓柱度控制在0.05 mm 以內(nèi)。內(nèi)孔表面不能有裂紋、凹坑、凸起、尖銳的溝槽等加工缺陷，否則裝配后和使用中這些缺陷區(qū)域會(huì)應(yīng)力集中，造成輥套開裂。

3.2 熱裝鑲套支承輥的裝配

支承輥屬于大型軋輥，鑲套支承輥適合采用加熱輥套的方法裝配。選擇熱裝法時(shí)，著重要考慮兩個(gè)方面的問題：一是輥套加熱后應(yīng)能消除其配合的過盈量并出現(xiàn)一定的間隙，以確保加熱后能夠按設(shè)計(jì)要求裝配到一起；二是要考慮輥套加熱的溫度應(yīng)不足以引起淬硬層金相組織發(fā)生變化，否則會(huì)影響到裝配后的輥套機(jī)械性能和使用效果。為了保證裝配順利，防止加熱和裝配過程開裂，保證生產(chǎn)安全主要根據(jù)輥套材質(zhì)、規(guī)格、裝配過盈量制定相應(yīng)的預(yù)熱溫度和加熱曲線。

3.2.1 預(yù)熱溫度的確定

確定輥套的預(yù)熱溫度應(yīng)按熱裝最小間隙和防竄臺與配合直徑落差之和來計(jì)算，計(jì)算公式如下熱裝溫度的確定原則是在保證安裝成功的基礎(chǔ)上選擇最低的加熱溫度。

式中：t 為加熱后的溫度（裝配溫度），℃；

t0為加熱前的環(huán)境溫度，℃；

△為輥軸防竄臺直徑最大值與輥套內(nèi)孔直徑最小值之差，mm；

δ0為加熱后孔與軸防竄臺的間隙量，通?？扇?～2 mm；

α 為材料的線性膨脹系數(shù)，鍛鋼材料為11×10-6；

d 為配合面直徑，mm。[4]

3.2.2 預(yù)熱冷卻過程要平穩(wěn)、均勻

輥套預(yù)熱時(shí)外圓和內(nèi)孔要同時(shí)升溫，且保證受熱均勻。外圓升溫過快可能導(dǎo)致輥套受熱不均勻產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力而開裂。輥套本身工作層經(jīng)過淬火處理，處于壓應(yīng)力狀態(tài)，而內(nèi)層則處于拉應(yīng)力狀態(tài)，外層升溫快，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)層拉應(yīng)力極速增大。

裝配后的輥套冷卻過程也非常重要，輥套因散熱條件好降溫較快，而輥軸則是先升值溫再降溫，且散熱條件差，降溫過程緩慢。如果不采取措施就會(huì)出現(xiàn)過程中的實(shí)際配合過盈量大大超過設(shè)計(jì)過盈量的現(xiàn)象，從而造成輥套因裝配應(yīng)力過大而開裂，所以裝配后應(yīng)采取充分的保溫措施進(jìn)行緩慢冷卻，直到輥套和輥軸溫度都降至環(huán)境溫度。

3.3 輥套的更換

輥套使用到報(bào)廢直徑后，根據(jù)磨損程度，輥軸可以利用2～3 次，從而降低支承輥使用成本。重復(fù)使用前要對輥軸與輥套配合面進(jìn)行檢查，檢查是否有損傷，必要時(shí)需減小配合直徑裝配。

重復(fù)使用輥軸前需將舊輥套從輥軸上拆下，方法有感應(yīng)或火焰快速加熱、氣割、車削等方法。

4 熱裝鑲套支承輥的應(yīng)用效果分析

4.1 應(yīng)用工藝效果分析

輥套外層的組織狀態(tài)與整體鍛鋼支承輥相同，可以達(dá)到相同的軋制效果和使用壽命。輥軸輥肩直徑落差比整體支承輥減小，應(yīng)力集中系數(shù)降低，抗斷輥事故能力明顯提高。

以某鋼廠輥身直徑φ960 mm 鑲套支承輥實(shí)際使用效果為例，單次下機(jī)磨削量平均為0.5 mm/次，毫米軋制量在2 000～3 000 條/mm，與整體鍛鋼支承輥磨削量差別不大。表1 是數(shù)年內(nèi)兩種支承輥斷輥情況統(tǒng)計(jì)，可以看出鑲套支承輥抗斷輥事故能力比整體支承輥高得多。

表1 鑲套支承輥與整體支承輥斷輥情況

4.2 應(yīng)用經(jīng)濟(jì)效果分析

鑲套支承輥由于輥套和輥軸采用不同性能要求的材質(zhì)，綜合制造成本每噸降低2 000～2 500 元，比整體鍛鋼支承輥生產(chǎn)成本降低15～20%。對于鋼廠鑲套修復(fù)1 次則會(huì)降低軋輥采購費(fèi)用50～60%。

5 結(jié)語

通過對支承輥輥身修復(fù)方法和修復(fù)工藝的對比分析，確定采用熱裝鑲套工藝修復(fù)支承輥是經(jīng)濟(jì)可行的。目前中鋼邢機(jī)已掌握了熱裝鑲套支承輥生產(chǎn)、制造、修復(fù)核心技術(shù)，為多家用戶生產(chǎn)了數(shù)十支不同規(guī)格的熱裝鑲套支承輥，達(dá)到并超過了整體鍛鋼支承輥使用效果。由于輥套和輥軸采用不同性能要求的材質(zhì)，以及鑲套支承輥的結(jié)構(gòu)特征，使鑲套支承輥綜合制造成本降低，噸鋼輥耗下降，為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。