安鋼第二煉軋廠3500MM爐卷軋機(jī)卷筒國產(chǎn)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用

朱龍

（安陽鋼鐵股份公司第二煉軋廠，河南 安陽 455004）

前言

安陽鋼鐵公司第二煉軋廠2005年10月投產(chǎn)一條3500mm爐卷軋機(jī)生產(chǎn)線，在軋機(jī)兩側(cè)配置了機(jī)前和機(jī)后兩座卷取爐，卷筒采用國外進(jìn)口件，價(jià)值650萬元。使用3-6個(gè)月時(shí)間，卷筒表面開始出現(xiàn)嚴(yán)重裂紋失效現(xiàn)象，沿卷筒穿帶槽口產(chǎn)生大尺寸貫穿性裂紋，并逐步向兩側(cè)延伸發(fā)展（見圖一、圖二）。后來通過與山東煙臺(tái)藍(lán)鯨金屬修復(fù)有限公司的合作，對(duì)產(chǎn)生裂紋失效的卷筒進(jìn)行焊接修復(fù)，修復(fù)后的卷筒使用效果，在此基礎(chǔ)上對(duì)卷筒的制作工藝進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，改變制作工藝，生產(chǎn)出焊接卷筒，不僅大大提高了使用壽命，降低成本消耗，而且開創(chuàng)了卷筒制造新工藝，使卷筒備件國產(chǎn)化，取得了顯著的效果。

圖一1＃卷筒窗口南端裂紋

圖二 1＃卷筒窗口北端裂紋1卷取爐的結(jié)構(gòu)及工作原理

卷取爐主要作用是在中厚板、鋼帶的可逆軋制過程中，對(duì)軋件進(jìn)行卷取、保溫，保證帶鋼頭、尾部的終軋溫度，而且還能夠降低軋輥的損耗，以保證產(chǎn)品的最終質(zhì)量。該生產(chǎn)線采用的卷取爐形式為底部封閉式，卷取爐內(nèi)直徑為1900mm的中空合金鋼卷筒，能夠承受的額定溫度為1100℃。卷筒上帶有槽口，用于咬入帶鋼的前端，帶鋼通過臺(tái)式傾動(dòng)板導(dǎo)入槽口，然后在軋制過程中帶鋼繞著卷筒進(jìn)行卷取，帶鋼在卷取過程中會(huì)產(chǎn)生張力，目的是要消除帶鋼松弛以防止帶鋼在卷入第一圈時(shí)被扯出卷筒的狹槽。卷取爐內(nèi)安裝有燒嘴，可使?fàn)t內(nèi)溫度保持在一定的范圍內(nèi)，但卷取爐只能起到保溫作用，而不具有對(duì)帶鋼進(jìn)行加熱的功能。

2 卷筒存在的問題及分析

2.1 存在問題

該卷筒直徑1900mm，長5230mm，材質(zhì)ASTM A297HK25（奧氏體耐熱鋼），屬于特大型鑄件，截面構(gòu)造變化復(fù)雜，如此大尺寸的卷筒采用整體模型一次鑄造在同類設(shè)備中極為少見。經(jīng)過使用發(fā)現(xiàn)：在很短的時(shí)間內(nèi)即出現(xiàn)嚴(yán)重的大尺寸貫穿性裂紋而造成破壞性失效，表現(xiàn)為典型的脆性斷裂特征。

2.2 分析

經(jīng)北京科技大學(xué)材料學(xué)院進(jìn)行的掃描電鏡及能譜分析初步結(jié)果顯示，在卷筒斷口處晶界合金偏析嚴(yán)重，斷口形貌為沿晶斷裂的熱疲勞裂紋，且鑄態(tài)組織特別粗大。

圖三 粗大晶粒及裂紋沿晶斷裂

按照材料斷裂理論分析，疲勞斷裂分為兩個(gè)階段即裂紋的萌生和裂紋的發(fā)展，由于鑄造卷筒本體大量存在裂紋，也即省略了第一階段，而筒體材料的脆性特征也大大加快了裂紋的發(fā)展速度。

鑄造卷筒母體材料的晶界異相和成分偏析是導(dǎo)致晶界脆化的內(nèi)在因素，是導(dǎo)致卷筒大斷面沿晶斷裂的主因。鑄造卷筒整體鑄造后必須以及其緩慢的速度冷卻，又無法再次進(jìn)行高溫固溶處理，所以晶界異相的產(chǎn)生也就無法避免。

3 焊接卷筒的材料設(shè)計(jì)

選擇焊接卷筒的設(shè)想由于鑄造卷筒的早期失效主要是無法實(shí)現(xiàn)高溫固溶處理，加之由于二煉軋?jiān)诰€爐卷輥筒系國外廠家獨(dú)家生產(chǎn)，極其高昂的價(jià)格和低壽命使設(shè)備運(yùn)行成本居高不下，因此，我們大膽嘗試焊接卷筒，以鑄造卷筒為基礎(chǔ)雛形，根據(jù)焊接工藝的特點(diǎn)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 基本鋼種的選定

基本鋼種的選定主要考慮：1、工況條件對(duì)熱疲勞性能的影響；2、制作過程的工藝性；3、市場(chǎng)采購機(jī)會(huì)。依據(jù)上述原則焊接卷筒擬采用310S（國產(chǎn)牌號(hào)為 0Cr25Ni20）

3.2 含碳量的選定及微量元素的作用

310S的含碳量為0.04%,而鑄造卷筒的含碳量達(dá)0.16%以上。低的含碳量有利于阻止晶界在高溫下導(dǎo)致的合金擴(kuò)散和富集，從而強(qiáng)化高溫應(yīng)力疲勞強(qiáng)度；添加的鈮、鋁、氮等微量元素可進(jìn)一步改善高溫?zé)崞谛阅堋?/p>

3.3 經(jīng)過固溶處理的鍛造和軋制材料的斷裂韌性

高溫固溶處理是保證310S耐熱鋼性能的極為重要的工藝保證。為此進(jìn)行的對(duì)比試驗(yàn)顯示出令人信服的實(shí)驗(yàn)結(jié)果：1、所選310S鍛造和軋制鋼材在爐卷?xiàng)l件下具備良好的熱疲勞抗力，無初時(shí)裂紋缺陷，并且具有優(yōu)良的強(qiáng)韌配合；2、在爐卷?xiàng)l件下長期服役也不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部組織變化和晶界脆化；3、在長期使用后還具備良好的焊接性能，為以后的修復(fù)提供了必要的技術(shù)準(zhǔn)備。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核

4.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基本構(gòu)想

由于鑄造卷筒的早期失效主要是材料熱處理工藝的無法實(shí)現(xiàn)造成的，所以在焊接卷筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)以鑄造卷筒為參照系，在結(jié)構(gòu)形式上參考了飛機(jī)和潛艇的龍骨框架結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)焊接卷筒的抗沖擊載荷能力，如圖三所示。

圖五 焊接卷筒龍骨架結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 整體強(qiáng)度分析與校核

強(qiáng)度的分析與校核由東北大學(xué)機(jī)械學(xué)院用現(xiàn)有最流行強(qiáng)度計(jì)算軟件進(jìn)行，主要使用第四強(qiáng)度理論的有限元法進(jìn)行運(yùn)算，換算為強(qiáng)度系數(shù)之比達(dá)到了1.21,基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)定強(qiáng)度目標(biāo)。

材料加權(quán)分析及性價(jià)比預(yù)期

在焊接卷筒結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增加的基礎(chǔ)上，由于大量采用了軋板及無縫鋼管，其綜合強(qiáng)度的增加十分顯著。雖然高溫強(qiáng)度參數(shù)缺失，但依據(jù)常溫強(qiáng)度的計(jì)算僅材料的重新選擇所獲得的強(qiáng)度系數(shù)便可達(dá)1.5以上.如此焊接卷筒和鑄造卷筒的強(qiáng)度比便達(dá)到1.71，即便考慮到高溫的影響，這樣一個(gè)結(jié)果也符合改造的預(yù)期。再加上熱軋材料的無缺口效應(yīng)，其服役使用周期將達(dá)到可靠實(shí)用的程度。焊接卷筒的設(shè)計(jì)壽命為：保質(zhì)期一年，免維護(hù)使用兩年，修復(fù)使用五年。

5 生產(chǎn)應(yīng)用

焊接卷筒2010年1月上線使用，在使用中基本參數(shù)正常，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，一個(gè)月后開蓋檢查，表面完好，經(jīng)測(cè)量卷筒本身沒有發(fā)生變形；表明焊接卷筒的剛度和強(qiáng)度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。