罩式退火爐爐臺承重板裂紋分析與修復(fù)

供稿|嚴(yán)升，陸兆剛，周茂濤，楊華，代永貴 / YAN Sheng, LU Zhao-gang, ZHOU Mao-tao, YANG Hua, DAI Yong-gui

內(nèi)容導(dǎo)讀

爐臺承重板作為罩式退火爐的重要設(shè)備，它的穩(wěn)定運行對生產(chǎn)安全有著重大的影響。文章從工作環(huán)境、受力情況、安裝精度及位置、材質(zhì)等方面入手，運用有限元法，分析了承重板出現(xiàn)裂紋的原因，探討了設(shè)備修復(fù)方法及注意事項，提高了設(shè)備的使用壽命，降低了設(shè)備維護(hù)成本。承重板裂紋修復(fù)方案確定后，共完成8件承重板的修復(fù)工作。修復(fù)后使用時間最長的承重板已使用一年以上，使用效果良好，承重板板面平整無變形，無裂紋再繼續(xù)產(chǎn)生。承重板裂紋修復(fù)方案對類似工況及結(jié)構(gòu)工件的維護(hù)方法、檢查方式都有借鑒作用，為維修人員能更迅速、高效地查找出現(xiàn)故障的原因提供了參考。

罩式退火爐一般采用爐群化生產(chǎn)，而爐臺承重板是罩式退火爐的關(guān)鍵設(shè)備。受退火生產(chǎn)工藝的影響，爐臺承重板在生產(chǎn)周期內(nèi)將承受反復(fù)交變的熱應(yīng)力[1]，如果出現(xiàn)問題將對生產(chǎn)穩(wěn)定和機(jī)組運行安全造成重大影響。某鋼鐵公司冷軋廠在罩式退火爐群承重板投用1～2年后，部分承重板開始出現(xiàn)裂紋，并且裂紋長度隨生產(chǎn)次數(shù)增加而不斷增長。當(dāng)承重板的裂紋長度增長到一定程度時，承重板將可能出現(xiàn)局部嚴(yán)重變形、塌陷等故障，屬于安全生產(chǎn)的嚴(yán)重隱患，因此應(yīng)該強(qiáng)制報廢。但是，由于爐臺承重板備件成本較高且數(shù)量較多，如果全部更換將導(dǎo)致退火爐芯軸報廢，從而造成較大的浪費。因此，需要對爐臺承重板斷裂部分的原因進(jìn)行分析，制定修復(fù)方案，并針對后續(xù)爐臺承重板全新備件的結(jié)構(gòu)及材質(zhì)提出改造方案，才能更有效且低成本地解決該問題。

裂紋原因分析

在整個退火生產(chǎn)周期過程中，承重板主要在高低溫不斷交變的工作環(huán)境下承受鋼卷的壓力，經(jīng)檢測判斷產(chǎn)生裂紋的原因為：承重板結(jié)構(gòu)設(shè)計的缺陷和承重板選用材質(zhì)耐熱性偏低。

承重 板結(jié)構(gòu)形狀影響

爐臺承重板裂紋出現(xiàn)位置均處于同一位置并均布，同時裂紋在出現(xiàn)后往中部擴(kuò)展過程中，均經(jīng)過承重板上安裝定位孔位置。安裝定位孔為沉孔結(jié)構(gòu)，并處于懸空狀態(tài)，底板未支撐該部位，在90～100 t鋼卷壓力下，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成薄弱點。從出現(xiàn)的初始位置來看，裂紋均從承重板懸空處邊緣出現(xiàn)，見圖1。

圖1 承重板裂紋位置

另外，承重板在工作過程同時承受30～700℃反復(fù)交變的溫度變化，特別是在升溫階段，爐底板邊緣和中央部分存在溫差，因此邊緣和中央部分的受熱后熱膨脹速率不一樣，邊緣膨脹得快，中央膨脹得慢，承重板不斷遭受周期性的交變熱應(yīng)力作用，在承重板懸空的薄弱點——安裝定位孔位置，受到反復(fù)變化應(yīng)力的作用，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致邊緣首先出現(xiàn)裂紋并沿著定位孔位置逐漸向中央擴(kuò)展，裂紋不斷擴(kuò)大，直至承重板報廢[2]。

承重 板材質(zhì)影響

為分析承重板制造材料對裂紋產(chǎn)生的影響，對承重板取樣后進(jìn)行了金相分析。結(jié)果表明，材質(zhì)中Ni含量極少，不足0.5%，導(dǎo)致承重板在高溫下耐熱能力、塑性和韌性相比不銹鋼材質(zhì)大幅降低，在≥700℃的高溫中，承重板結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域易產(chǎn)生龜裂現(xiàn)象。

從對承重板產(chǎn)生裂紋的原因分析可知，承重板結(jié)構(gòu)設(shè)計的缺陷及選用材質(zhì)成分高溫耐熱性偏低，是導(dǎo)致承重板產(chǎn)生裂紋的主要原因。

修復(fù)方案及改進(jìn)措施

為避免出現(xiàn)裂紋的承重板報廢，嘗試對承重板進(jìn)行修復(fù)，同時針對承重板原有結(jié)構(gòu)缺陷進(jìn)行改進(jìn)，使其滿足生產(chǎn)工藝的要求。此次對承重板改進(jìn)主要是有效利用原有舊件，材質(zhì)的影響不可改變，因此以改進(jìn)承重板結(jié)構(gòu)，降低熱變形及熱應(yīng)力為主要方向。

修復(fù) 方案的確定與實施

從裂紋集中出現(xiàn)在承重板定位孔處可知，定位孔處截面積變化較大，屬于應(yīng)力集中部位，反復(fù)加熱過程產(chǎn)生的熱應(yīng)力使冷卻較慢的厚壁處受拉伸，冷卻較快的薄壁處受壓縮，導(dǎo)致受熱應(yīng)力后裂紋產(chǎn)生。通過加工改變承重板的結(jié)構(gòu)，去除裂紋，同時降低承重板所受的熱應(yīng)力及變形量，達(dá)到消除裂紋影響，提高承重板壽命的目的，修復(fù)方案按以下幾方面進(jìn)行：

1) 對承重板中間板進(jìn)行加熱后初步校平，要求校平完成后承重板平面最高點與最低點的高度差＜5 mm。

2) 沿承重板中間板裂紋方向，加工完全貫穿承重板的止裂槽，將存在裂紋的區(qū)域全部切除以后，在止裂槽的末端，加工應(yīng)力孔，使工件加工止裂槽后在受熱狀態(tài)下，起到形成伸縮縫并釋放應(yīng)力的作用，有效阻斷裂紋延伸[3]。

3) 重新定位承重板安裝位置。在止裂槽加工完成后，承重板裝配后止裂槽邊緣仍處于懸空狀態(tài)，受力較差，為改善承重板的受力狀況，將承重板以原設(shè)計安裝位置為基準(zhǔn)，順時針旋轉(zhuǎn)約8°～9°進(jìn)行安裝(見圖2)。使止裂槽及定位孔均在底板支撐范圍內(nèi)，以便能在生產(chǎn)過程中，對止裂槽周圍區(qū)域提供有效支撐，同時避免受熱后限制承重板的熱膨脹方向，使其沿承重板徑向進(jìn)行收縮，改善承重板薄弱區(qū)域的受力狀況，有效消除應(yīng)力集中。

圖2 承重板修復(fù)完成后的裝配圖

承重 板修復(fù)方案的有限元分析

根據(jù)承重板裂紋產(chǎn)生的原因分析及對應(yīng)的修復(fù)方案，采用有限元分析軟件對承重板修復(fù)前受力及變形量，修復(fù)后調(diào)整安裝位置前后的受力及變形量進(jìn)行分析，驗證裂紋產(chǎn)生原因及調(diào)整承重板安裝位置是否合理。

1) 承重板的預(yù)備模型工作。

利用三維軟件分別建立承重板修復(fù)前、修復(fù)后的三維模型(見圖3)，根據(jù)對承重板材質(zhì)的合金成分分析，材料較為接近40Cro鋼，設(shè)置材料的機(jī)械性能為：σb=757 MPa，σs=540 MPa，E=206 GPa。

已知承重板承受的最大鋼卷重量為1 MN，受力集中在承重板上的墊板處，并受底板支撐，按照實際的工作情況，選用強(qiáng)迫位置約束選項，設(shè)置承重板法向禁止移動，同時依據(jù)承重板支撐底板結(jié)構(gòu)約束的面積進(jìn)行校正，同時考慮在實際應(yīng)用中的安全性，所加載荷均取實際工作中的最大值，用于判斷處于最危險時候的情況。

2) 承重板修復(fù)前受力情況分析。

在對修復(fù)前承重板模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，應(yīng)用ANSYS有限元受力分析軟件進(jìn)行分析驗證，受力薄弱處(見圖4)與實際產(chǎn)生裂紋處部位吻合，變形方向與實際裂紋延伸方向吻合。其中定位銷孔處變形量最大，產(chǎn)生裂紋的原因為銷孔薄弱處承受預(yù)應(yīng)力。在實際工況中承重板同時承受重力及熱膨脹力，疊加導(dǎo)致應(yīng)力變形加劇，驗證了此前關(guān)于裂紋產(chǎn)生原因的分析[4]。

圖3 承重板修復(fù)完成安裝位置調(diào)整前后示意圖

圖4 修復(fù)前承重板受力分析圖

3)承重板修復(fù)后安裝位置調(diào)整的受力情況分析。

對承重板修復(fù)后的有限元計算主要針對承重板的變形量及應(yīng)力進(jìn)行分析。分別針對承重板在工作位置調(diào)整前后的狀態(tài)進(jìn)行分析，在對修復(fù)后承重板模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，應(yīng)用ANSYS有限元受力分析軟件對承重板在調(diào)整按照位置前后所受應(yīng)力、變形量情況進(jìn)行計算，結(jié)果如圖5所示。

從有限元法計算結(jié)果可知，承重板所受應(yīng)力主要集中在承重板邊部，其中應(yīng)力最大的地方是在承重板底部支撐接觸的邊緣處；變形量主要為與鋼卷邊部接觸位置，其中最大變形量在承重板最外側(cè)。

根據(jù)計算結(jié)果，在進(jìn)行承重板按照位置調(diào)整后，承重板在承受100 t鋼卷時，最大變形量降低14.2%，最大應(yīng)力值降低21.34%，說明承重板修復(fù)完成后，調(diào)整原有安裝位置，可以改善增加應(yīng)力釋放槽后的承重板強(qiáng)度，降低變形量及應(yīng)力，達(dá)到改進(jìn)承重板的受力狀況，提高承重板使用壽命的目的[5]。

圖5 修復(fù)后承重板調(diào)整安裝位置前后受力分析圖

結(jié)束語

1) 承重板裂紋修復(fù)方案確定后，共完成8件承重板的修復(fù)工作，修復(fù)后的承重板使用時間最長已達(dá)一年以上，目前使用效果良好，承重板板面平整無變形，無裂紋再繼續(xù)產(chǎn)生。因此，繼續(xù)按該修復(fù)方案加工修復(fù)剩余變形的承重板。

2) 采用此修復(fù)方案對承重板進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)成本僅為全新件的10%，既保證生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行，又大幅降低了設(shè)備維護(hù)成本。

3) 承重板裂紋問題的解決，使得對今后類似工況及結(jié)構(gòu)工件的維護(hù)方法、檢查方式都有了借鑒，為維修人員能更迅速、高效地查找出現(xiàn)故障的原因提供了參考。

攝影 方 勝

[1] 張景進(jìn). 板帶冷軋生產(chǎn). 北京：冶金工業(yè)出版社，2006

[2] 宋庭新，羅元文，朱若燕. 提高退火爐用圓盤構(gòu)建熱疲勞壽命的研究. 北工學(xué)院學(xué)報，2003(8)：14

[3] 成大先. 機(jī)械設(shè)計手冊．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009

[4] 曹華軍，舒林森，許磊，等. 復(fù)雜機(jī)械零件的六面體有限元網(wǎng)格生成方法. 機(jī)械工程學(xué)報，2014(15)：114

[5] 房慶華. 基于ANSYS的開卷機(jī)主軸結(jié)構(gòu)研究. 科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2013(9)：107