結(jié)晶器足輥失效原因分析與應(yīng)對策略

孫順清

(攀鋼鋼釩提釩煉鋼廠,四川攀枝花617000)

結(jié)晶器足輥失效原因分析與應(yīng)對策略

孫順清

(攀鋼鋼釩提釩煉鋼廠,四川攀枝花617000)

針對一號方坯連鑄機結(jié)晶器足輥壽命短,更換頻繁的現(xiàn)狀,簡要分析了足輥失效的原因,根據(jù)分析結(jié)果對應(yīng)采取改進足輥熱處理和加工工藝、改進足輥潤滑等措施,延長了足輥壽命,降低了維修成本。

足輥;結(jié)晶器;變形;潤滑

1 引言

我廠1#方坯連鑄機為全弧形連鑄機,弧形半徑為12 000mm,生產(chǎn)280mm× 380mm、280mm×325mm兩種規(guī)格連鑄坯,主要為軌梁廠萬能軋制線生產(chǎn)重軌提供原料。結(jié)晶器是連鑄機的核心設(shè)備,結(jié)晶器足輥的作用是導引引錠頭進入結(jié)晶器,在凝固坯殼出結(jié)晶器后對鑄坯提供支撐,以減少鑄坯鼓肚和漏鋼發(fā)生,也可減輕鑄坯對結(jié)晶器銅板下口的磨損[1]。實際上該結(jié)晶器足輥安裝固定在鑄流導向1#段上,鑄流導向1#段除足輥外其余部分正常在線使用周期至少4個月。長期以來一直存在足輥壽命短的問題,平均壽命只有30天,最短的僅14天。鑄流導向1#段常常因足輥失效而提前下線,在線使用周期縮短,備件消耗高,維修工作量大。

2 足輥失效形式及影響

在一號方坯連鑄機的實際生產(chǎn)中,足輥常見失效形式主要有以下幾種類型。

2.1 卡阻

卡阻表現(xiàn)為轉(zhuǎn)動不靈活或卡死。輥子轉(zhuǎn)動不靈活或卡死后,鑄坯表面的保護渣、氧化鐵皮等就不能隨輥子轉(zhuǎn)動沿鑄坯運動方向排走,逐漸在輥身表面聚集形成渣堆,渣堆與運動的鑄坯表面接觸,就會在較軟的鑄坯表面造成劃痕,嚴重時影響鑄坯表面質(zhì)量。隨著連續(xù)生產(chǎn)時間的延長,渣滓越積越多,體積越來越大,會將足輥與結(jié)晶器銅板下口之間的空隙完全封堵,噴嘴噴出的二冷水被渣滓阻擋噴不到鑄坯表面,使第一排二冷水噴嘴對鑄坯的冷卻失效。鑄坯坯殼在厚度和強度未明顯增加的情況下被渣滓劃擦,漏鋼風險大大增加。

2.2 變形

足輥變形常見的是輥身彎曲。輥身彎曲后,足輥在轉(zhuǎn)動時與鑄坯的接觸不均勻,足輥對鑄坯表面提供的支撐大小不均,會在鑄坯表面形成凹陷或鼓肚。足輥變形還有輥身收縮和表面沿軸線方向的凹凸變形,這兩種情況相對少見,但危害較大。輥身收縮會影響足輥裝配各零部件的裝配關(guān)系,使足輥的轉(zhuǎn)動阻力增加,防塵措施失效,渣滓進入軸承裝配位置造成卡阻,輥身收縮還會造成足輥裝配的開口度變化,降低對弧對中的精度,不能滿足生產(chǎn)高質(zhì)量鑄坯的要求。

2.3 輥身開裂、掉塊

足輥表面沿圓周方向產(chǎn)生裂紋,寬度1mm～3mm,深度隨使用時間延長逐漸加深直至足輥斷裂。足輥表面掉塊產(chǎn)生不規(guī)則凹坑,凹坑和裂紋都嚴重降低輥身表面的質(zhì)量,不僅影響鑄坯表面質(zhì)量,凹坑和裂紋部位聚集較硬和較大體積的渣滓時,渣滓隨足輥轉(zhuǎn)動接觸鑄坯還可能扎穿坯殼引起漏鋼。

3 足輥失效原因分析

3.1 足輥卡阻原因分析

我們通過解體卡組下線的足輥裝配,將卡阻足輥所有零部件和正常足輥零部件進行對比分析,發(fā)現(xiàn)足輥卡阻都是因為軸承卡阻和損壞引起的。引起軸承卡阻和損壞的原因又分兩種:潤滑失效和異物卡阻。

3.1.1 潤滑失效

足輥潤滑采用的是雙線集中持續(xù)供油潤滑,供油分配器安在鑄流導向1#段框架側(cè)面上部,潤滑管路從1#段框架引入,通過在1#段框架與足輥架之間的一個配合接觸面上加工的小孔進入足輥架,如圖1。再沿足輥架內(nèi)部潤滑通道到足輥安裝座,從安裝座進入足輥軸內(nèi)潤滑孔到達足輥內(nèi)部軸承潤滑部位。1#段框架和足輥架在經(jīng)較長時間使用后會發(fā)生變形,它們之間的接觸面配合不再緊密,平面密封失效,潤滑脂從該處泄露,無法正常進入足輥軸承潤滑部位,軸承得不到有效潤滑而失效。在所有潤滑失效案列中80%屬于這種情況,還有20%由分配器故障和供油脂的主管路故障引起。

3.1.2 異物卡阻

圖1 原足輥架與框架潤滑孔

原足輥的防塵措施如圖2所示,由定距環(huán)、卡環(huán)和防塵擋圈組合形成迷宮式密封。足輥所在部位屬于高溫高濕環(huán)境,不僅有幾百攝氏度的蒸汽,還有粉末狀和熔融狀保護渣、氧化鐵皮和壓力0.2MPa～0.4MPa的二冷水。隨著輥子的轉(zhuǎn)動,二冷水、高溫蒸汽很容易帶著保護渣和氧化鐵皮通過并不復雜的迷宮進入足輥內(nèi)的軸承部位,造成軸承銹蝕、磨損加快和卡阻。

圖2 原足輥防塵裝配

3.2 足輥變形原因分析

3.2.1 輥身彎曲

足輥彎曲是受力的作用引起的,足輥所受力分為外力和內(nèi)力,外力可將足輥簡化成簡支梁分析。在對弧對中誤差很小的理想狀況下,足輥所受外力主要是為鼓肚坯殼提供支撐的反作用力,這個力與鋼水靜壓力有關(guān),根據(jù)液體壓強公式p=ρg H[2],這個力的大小取決于足輥與結(jié)晶器液面的垂直高度,基本上是保持不變的。實際上對弧對中不可能做到零誤差,在足輥與銅板對弧對中存在誤差的情況下,鑄坯從銅板下口出來經(jīng)過足輥時受到足輥的擠壓會產(chǎn)生機械形變,形變所需的巨大外力只有依靠足輥提供,當對弧對中誤差較大,鑄坯形變較大,超過足輥彎曲應(yīng)力極限,足輥就會發(fā)生永久彎曲變形。

足輥所受內(nèi)應(yīng)力主要是是熱應(yīng)力。足輥沒有專有冷卻設(shè)施和介質(zhì),其冷卻主要依靠第一排二冷水噴嘴噴出的二冷水噴射到鑄坯表面后濺落的水。在連續(xù)拉坯的情況下,足輥持續(xù)轉(zhuǎn)動,二冷水持續(xù)噴射濺落,足輥冷卻比較均勻,熱應(yīng)力不大。但連鑄生產(chǎn)在換中包時,拉坯暫停,二冷水關(guān)閉,足輥停止轉(zhuǎn)動,挨著鑄坯的一面與高溫坯殼接觸,溫度上升很快,足輥輥身內(nèi)部升溫速度不一致會產(chǎn)生熱應(yīng)力。暫停時間越久,熱應(yīng)力越大,作用時間越久,超出足輥受力極限后就會使足輥產(chǎn)生永久彎曲變形。

3.2.2 輥身收縮和表面凹凸變形

從變形足輥解體情況來看,足輥產(chǎn)生收縮和表面凹凸變形應(yīng)為高溫蠕變造成。根據(jù)設(shè)計圖紙資料,足輥是基體加表面堆焊的結(jié)構(gòu),基體材質(zhì)42Cr Mo,表面堆焊3Cr13。42Cr Mo屬于高強度合金鋼,其強度、淬透性高,韌性好,淬火時變形小,高溫時有高的蠕變強度和持久強度,調(diào)質(zhì)處理后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力,低溫沖擊韌度良好。3Cr13是馬氏體類型不銹鋼,該鋼機械加工性能好,經(jīng)熱處理后,具有優(yōu)良的耐腐蝕性能、拋光性能,較高的強度和耐磨性,適用于承受高負荷,高耐磨及在腐蝕介質(zhì)作用下的場合。通過與足輥生產(chǎn)廠家工程技術(shù)人員的交流分析,發(fā)現(xiàn)是制造廠在制造時原料材質(zhì)選取把關(guān)不嚴,輥身粗加工后的熱處理工藝不規(guī)范,以至于足輥在使用過程中發(fā)生了高溫蠕變。

3.3 輥身開裂、掉塊原因分析

輥身開裂和掉塊主要是加工制造工藝過程不完善所造成。根據(jù)足輥使用的環(huán)境條件和受力狀況,正常的足輥加工制造工藝為:原料毛坯鍛造→粗加工→熱處理(調(diào)質(zhì))→無損探傷→表面堆焊→精加工。從工藝過程來看,輥身開裂應(yīng)為內(nèi)部裂紋在使用過程中受復雜應(yīng)力擴展至表面所致,內(nèi)裂紋主要在原料毛坯、鍛造、熱處理工序產(chǎn)生,在無損探傷工序把關(guān)不嚴,以至于足輥在上線使用前就有內(nèi)裂紋。表面掉塊的缺陷產(chǎn)生在表面堆焊工序,堆焊工序工藝編制缺陷和工藝執(zhí)行不規(guī)范造成了堆焊層存在內(nèi)部缺陷和應(yīng)力集中,足輥在惡劣環(huán)境使用過程中就發(fā)生表面掉塊現(xiàn)象。

4 應(yīng)對策略

4.1 應(yīng)對足輥卡阻

4.1.1 改進足輥潤滑設(shè)計

重新設(shè)計足輥架上的潤滑通道,將足輥架潤滑通道加工引出到足輥架邊緣,出口孔處攻螺紋,采用螺紋接頭直接與分配器潤滑管連接,把原足輥架與1#段框架在配合面連通的潤滑孔堵死,潤滑脂從分配器出來后通過銅質(zhì)管路直接進入足輥架,再通過足輥架內(nèi)部潤滑通道進入足輥潤滑部位,如圖3。螺紋接頭的密封性和可靠性遠遠大于原來的平面配合式,且不受框架變形的影響。對給足輥供潤滑脂的分配器和管道實行周期更換管理,選用可靠性高的分配器,利用定修時間周期性地對在線潤滑設(shè)備和管路進行精心檢查和維護。

4.1.2 改進足輥裝配的防塵密封設(shè)計

改進足輥的防塵裝配,如圖4所示。將定距環(huán)靠軸承一側(cè)加工一寬4mm的沉槽,將防塵蓋靠軸承內(nèi)圈處切掉4mm,在定距環(huán)沉槽內(nèi)加裝一個專用軸承密封(規(guī)格為22208AV),形成迷宮密封和軸承專用密封相結(jié)合的組合密封方式,徹底防止蒸汽、水和渣滓進入軸承引起銹蝕磨損和卡阻。

圖3 改造后足輥架潤滑孔

圖4 足輥改進防塵裝配

4.2 足輥變形應(yīng)對策略

4.2.1 應(yīng)對輥身彎曲

提高足輥裝配的精度,將足輥開口度誤差允許值由≤±0.3mm減小到≤±0.1mm,將對面兩根足輥的平行度誤差允許值由≤0.15mm減小到≤0.05mm。提高足輥與1#段輥子和結(jié)晶器銅板的對弧對中精度,將對弧對中誤差允許值由≤0.2mm減小到≤0.1mm;優(yōu)化換中包操作方法和流程,將換中包時間由9min～12min縮短到6min～9min,減少足輥在換中包時單面受熱的時間。

4.2.2 應(yīng)對輥身收縮和表面凹凸變形

與足輥制造廠溝通,進一步明確足輥制造的技術(shù)要求,嚴格按圖紙選定材質(zhì)進貨組織生產(chǎn),改進熱處理工藝,確定足輥最合適的調(diào)質(zhì)處理工藝:淬火加熱溫度850℃,油冷,再加熱到560℃后回火處理[3]。 4.3 應(yīng)對輥身開裂、掉塊

要求制造廠優(yōu)化足輥的毛坯鍛造工藝,在鍛造工序盡可能減少內(nèi)部缺陷;在粗加工完成后要求100%按照JB/T5000.15—1998的標準進行超聲波探傷和磁粉探傷,對有內(nèi)部缺陷的產(chǎn)品直接淘汰,不得進入下一道工序;探索制定合理的表面堆焊工藝,確定最佳堆焊溫度、堆焊速度和堆焊次數(shù);精加工時控制好進刀量和切削速度,減少加工應(yīng)力。

5 結(jié)果統(tǒng)計分析

在采取以上改進措施后,通過兩年的運行情況統(tǒng)計,足輥壽命由平均30天提高到平均125天,基本與鑄流導向1#段使用周期一致。年消耗足輥數(shù)量由近300根減少到80安裝工作制動器,因此高速軸斷裂的后果很嚴重,上述引起斷裂的原因,需要在訂貨要求以及日常維護中加以注意,對高速軸關(guān)鍵部位及時進行檢查,發(fā)現(xiàn)異常及時處理。

[1] 中國標準出版社.GB/T3811-2008起重機設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國標準出版社,2008.

[2] 成大先.機械設(shè)計手冊[M].3版.北京:化學工業(yè)出版社,1998:311.

[3] 張質(zhì)文,虞和謙,王金諾,等.起重機設(shè)計手冊[M].北京:中國鐵道出版社,1998:22-32.

[4] 張棟,鐘培道,陶春虎,等.失效分析[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004:136-141.

[5] 陳國民.齒輪材料和熱處理[M].鄭州機械研究所,2004:38-48

[6] 齒輪手冊編委會.齒輪手冊[M].2版.北京:機械工業(yè)出版社,2002:80-92.根左右,相應(yīng)的足輥軸承消耗也由近600套減少到160套,鑄流導向1#段更換數(shù)量和維修數(shù)量大大減少。

6 結(jié)束語

以上各項應(yīng)對措施大大提高了足輥的轉(zhuǎn)動效率、耐磨性和對弧對中精度,減輕了足輥所受沖擊力和鋼水張力,大大延長了足輥的壽命,降低了維修成本和工人的勞動強度。

參考文獻:

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[2] 程嘉佩.材料力學[M].高等教育出版社.1989.

[3] 成大先.機械設(shè)計手冊[M].第五版.化學工業(yè)出版社.2008.

Installation of Mold Foot Roller’s Failure Analysis of Causes&Coping Strategy

SUN Shun-qing
(Vanadium extraction Steel-making Plant of Pangang,Panzhihua,617000,Sichuan,China)

Aiming at the feet of 1#billet CC crystallization roller short service life,frequent replacement of the situation,the reason is analyzed briefly the foot roller failure,take measures to improve the foot roller heat treatment and machining process,improvement of the foot roller lubrication etc.according to the analysis results,corresponding,extend the foot roller life,reduce the cost of repair.

the foot roller;crystallizer;deformation;lubrication

TF341 TF777

:A

1001-5108(2015)03-0069-04

孫順清,技術(shù)員,現(xiàn)從事煉鋼連鑄設(shè)備管理與運行工作。