國產(chǎn)高線精軋機輥箱內(nèi)調(diào)整螺母斷裂原因分析

陳榮軍，屈小波，向 勇，鄧 敏

（江蘇永鋼集團，江蘇張家港 215628）

0 引言

高速線材軋制的國產(chǎn)精軋機組為仿摩根頂交45°懸臂式無扭軋機，由K1～K10共10個軋機組成，通過增速箱與電機聯(lián)結(jié)實現(xiàn)集中傳動，軋制線速度超過90 m/s，軋制規(guī)格為直徑（5.5～16）mm的熱軋圓鋼和熱軋帶肋鋼筋。該軋機的輥箱內(nèi)包含有沿軋制中心線對稱分布的偏心套，通過調(diào)整螺母和調(diào)整絲桿來調(diào)節(jié)偏心套的相向轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)過程中只改變軋輥軸的位置，偏心套的中心始終不變，從而實現(xiàn)輥縫的放大和縮小。

在生產(chǎn)中精軋機組K8架次的Φ230 mm軋機在軋制中多次發(fā)生調(diào)整螺母斷裂故障，且當螺母斷裂后將導致輥縫逐步變大，如發(fā)現(xiàn)不及時將影響產(chǎn)品尺寸而產(chǎn)生次品。

為弄清調(diào)整螺母斷裂的原因，需計算出K8道次的軋制力和軋制力矩，找出設(shè)備在不同軋制條件下的運行規(guī)律，并與軋機的設(shè)計軋制能力：最大軋制力112.79 kN，最大軋制力矩2.376 kN·m對比，提出有針對性的改進措施，減少設(shè)備故障，保障生產(chǎn)順行。

1 軋制力和軋制力矩數(shù)學模型的選擇

1.1 平均單位軋制壓力的計算

高速線材為孔型軋制，孔型系統(tǒng)主要有箱形孔、菱—方孔、菱—菱孔型、橢圓—方孔型、六角—方孔型和橢圓—圓孔型。本文孔型為橢圓—圓孔結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖1，h0，h1是軋制前、后道次的孔型高度；b0，b0是軋制前、后道次的孔型寬度；S0，S1是軋制前、后道次的孔型輥縫設(shè)定值；R0，R1是軋制前、后道次的孔型曲率半徑；r0，r1是軋制前、后道次的孔型過渡圓角半徑。

圖1 高速線材孔型系統(tǒng)

軋件在軋制過程中對于軋輥的沖擊特性特別明顯，在目前階段還沒有有效的軋制力和軋制力矩公式能比較準確地應用到計算沖擊的影響，故文中僅以穩(wěn)定連續(xù)軋制條件為基礎(chǔ)，分析具體的不同軋制條件的變化對于軋制力和力矩的影響，未充分考慮沖擊影響。

在軋制過程中軋件在孔型內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，孔型內(nèi)的應力狀態(tài)比較復雜，單位軋制壓力的分布是不一致的，且具有如下特點：①沿孔型寬度上壓下率分布不均；②沿孔型寬度上接觸長度分布不均；③寬展受孔型側(cè)壁限制；④沿孔型周邊各點輥徑及圓周速度不等。因此，在計算軋制力時采用熱連軋?？寺〉陆?jīng)驗公式，先計算軋機平均單位壓力，見式（1）。

式中m——考慮外摩擦對單位壓力的影響系數(shù)

k——材料在靜壓縮時變形抗力值，MN/m2

η——粘性系數(shù)，MN×s/m2

μ——變形速度，s-1

（1）系數(shù)m，見式（2）。式中f為摩擦系數(shù)，對于鋼輥f=1.05-0.0005t；鑄鐵輥 f=0.8（1.05-0.0005t），其中，t是軋制溫度，R 是軋輥半徑。

（2）靜壓縮時變形阻力 k。k=9.8（14-0.01t）[1.4+C%+Mn%+0.3Cr%]，其中，C，Mn，Cr是鋼種元素含量。

（3）粘性系數(shù) η。η=0.01（137-0.098t）n，其中，n 是軋制速度對η的影響系數(shù)，取值見表1。

表1 軋制速度對η的影響系數(shù)

（4）變形速度 μ，見式（3）。

式中v——軋制速度

Δh——壓下量，Δh=h0-h1

1.2 軋制總壓力數(shù)學模型

根據(jù)軋件的寬度和接觸弧長計算總軋制壓力，其中，為平均單位壓力，F(xiàn)為軋件與軋輥的接觸面積在軋制總壓力垂直平面上的投影。F，對于橢圓—圓孔型，式中，b均是軋件的平均寬度，b均=（b0+b1）/2；R均是軋件的平均曲率半徑，R均=R；Δh均是軋件的平均壓下量，Δh均=0.85h0-0.79h1。

1.3 軋制力矩數(shù)學模型

精軋機為懸臂式二輥傳動，上下軋輥承受的軋制力是一對大小相等、方向相反，且作用在同一條直線上并垂直于軋制中心線，則軋機總軋制力矩M的計算公式可近似為其中，j是力臂系數(shù)，對于線材軋制取值一般為0.5～0.6。

2 軋制參數(shù)數(shù)據(jù)選擇與統(tǒng)計

結(jié)合線材生產(chǎn)和設(shè)備運行實際，選取精軋機K8輥箱的軋制力和軋制力矩為研究對象，在計算軋制力時，以軋制Φ5.5 mm，Φ8 mm，Φ13 mm和Φ16 mm等4種規(guī)格為載體，分別從軋制規(guī)格、壓下量、速度、溫度、鋼種和輥徑等條件提出假設(shè)，按照既定的孔型不變，只改變其中特定的單一變量，并保持其它變量不變，從而得到不同軋制條件下的軋制力和力矩。

2.1 基礎(chǔ)孔型參數(shù)

根據(jù)?？寺〉鹿揭螅y(tǒng)計Φ5.5 mm，Φ8 mm，Φ13 mm和Φ16 mm規(guī)格的孔型參數(shù)（表2）。

表2 孔型參數(shù)mm

2.2 軋制條件設(shè)定（表3）

2.3 鋼種元素含量選取

根據(jù)生產(chǎn)實際選取材料為 30MnSi，B500B，70#，SWRCH42A，10B21，Q195，元素含量依據(jù)國家標準，同時考慮?？寺〉鹿竭m用條件，對B500B，30MnSi適當修正，選取的元素值見表4。

3 基于軋制力和軋制力矩計算結(jié)果的分析結(jié)論

不同方案下軋制力和軋制力矩的計算結(jié)果見圖2～圖7，據(jù)此分析，可得到如下結(jié)論。

（1）根據(jù)圖2，在軋制所述規(guī)格線材時，其中Φ5.5 mm，Φ13 mm的軋制力和力矩均分別＜100 kN和1.5 kN·m，而Φ8 mm，Φ16 mm的軋制力和力矩均分別>112.79 kN和2.1 kN·m，特別是軋制力已大于圖紙設(shè)計值。說明孔型對軋制力和力矩的影響較大，這一點與現(xiàn)場實際點檢數(shù)據(jù)也吻合，當軋制前2種規(guī)格時設(shè)備振動值一般在2 mm/s以下，而軋制后2種時振動值都超過3.5 mm/s。

（2）通過圖3，在料型尺寸變化量相同的情況下，上游K9架次變化的影響略大于K8架次，都使得軋制力和力矩不同程度地增大，當K9架次來料高度大0.2 mm時軋制力和力矩的提升幅度分別在4.4%～5.4%，說明應控制好上游來料尺寸和K8架次的壓下量，避免增加不必要的設(shè)備負荷。

（3）根據(jù)圖 4，在軋制 Φ8 mm 成品線速度在（70.5～85）m/s內(nèi)每增大2 m/s，K8道次的軋制線速度相應地增大0.46 m/s，此條件下軋制力和力矩近似地以線性方式增大，變化率為0.95%，證明速度變化對其影響較小，實踐也證明提速≤5 m/s時，設(shè)備的振動值基本不變，甚至會出現(xiàn)變小的現(xiàn)象。

圖2 孔型對軋制力和軋制力矩的影響

圖3 壓下量對軋制力和力矩的影響

圖4 軋制速度對軋制力和力矩的影響

表3 軋制條件設(shè)定

表4 鋼種的元素含量取值

（4）根據(jù)圖5，當軋制鋼溫不同，溫度變化10℃時軋制力和力矩的變化均在1.85%～2.17%。特別地當鋼溫＜900℃時，軋制力即超過設(shè)計值112.79 kN，此時設(shè)備運行風險較大。

圖5 軋制鋼溫對軋制力和力矩的影響

（5）根據(jù)圖 6，在軋制70#，B500B，30MnSi含碳量高的鋼種時，軋制力和力矩明顯大于其他鋼種，可見元素成分對軋制力和力矩的影響最大，這一點與現(xiàn)場的統(tǒng)計規(guī)律相符，即在軋制B500B，30MnSi時軋機故障率最高，表現(xiàn)為調(diào)整螺母斷裂頻繁。

圖6 軋制鋼種對軋制力和力矩的影響

（6）根據(jù)圖7得知，根據(jù)設(shè)定的輥徑不同，在保持其他軋制條件不變的前提下，隨著輥徑變大，軋制力和軋制力矩的變化基本呈線性的增大。在鋼溫930℃、輥徑為228 mm時，軋制力最大值達到了112.2 kN，接近設(shè)計值112.79 kN，此時設(shè)備已滿載。

（7）通過對比分析孔型、速度、溫度、鋼種、輥徑及調(diào)整誤差等軋制條件的變化對于軋制力和力矩的影響，其中孔型和鋼種影響最大，其次是鋼溫和調(diào)整誤差，而速度變化影響最??；在軋制中當影響因素交叉重疊時會對設(shè)備造成顯著影響，從而發(fā)生故障。

圖7 輥徑變化對軋制力和力矩的影響

4 基于分析結(jié)果的設(shè)備改進措施

（1）在軋制 C，Cr，Mn 含量高的鋼種時，特別在軋制8 mm，10 mm，16 mm螺紋鋼時，K8道次的軋制力和力矩最大，需密切關(guān)注設(shè)備的運行狀態(tài)。

（2）在不同軋制條件下，偶爾會出現(xiàn)軋制力超標問題，須提高調(diào)整螺母的強度，故將其耳軸直徑由18 mm加大至20 mm，并在根部增加半徑5 mm的過渡圓角，避免應力集中。

（3）將調(diào)整螺母的材料用H62替代ZCuAl10Fe3，提高塑性變形能力，避免軋制中突然脆斷。當調(diào)整螺母出現(xiàn)較大變形時可通過輥縫調(diào)整的靈活、松緊程度來判斷調(diào)整螺母是否發(fā)生異常變形，從而提前發(fā)現(xiàn)問題并解決。

（4）在滿足產(chǎn)品性能的前提下提高軋制溫度，盡量不＜900℃，在現(xiàn)場調(diào)整時減小測量誤差，保證孔型參數(shù)的設(shè)計執(zhí)行到位，從而降低軋制力和軋制力矩。

（5）在制定軋機保養(yǎng)周期時需根據(jù)不同軋制規(guī)格、鋼種和噸位，靈活調(diào)節(jié)保養(yǎng)周期。

5 結(jié)束語

企業(yè)在滿足市場需求、贏得競爭優(yōu)勢和追求利益最大化的過程中，不可避免地會嘗試軋制各種標準、規(guī)格和鋼種的線材，會根據(jù)特定的目標制定不同的工藝參數(shù)和軋制方法，設(shè)備管理必須最大限度地滿足新品開發(fā)的需求。在設(shè)備維護管理過程中，必須依據(jù)軋制工況、工藝參數(shù)和設(shè)備本身的精度等具體問題，具體分析，從而開展針對性的預防維護，才能保障設(shè)備的平穩(wěn)運行，提高生產(chǎn)效率。