大型鑲套支承輥熱裝技術(shù)研究

余小兵 尹代萍 任學(xué)貴

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川618000)

支承輥屬于軋機(jī)關(guān)鍵核心零件，也是軋鋼廠主要的大型消耗零件之一。隨著現(xiàn)代化熱軋、冷軋板帶軋機(jī)向大型化、高速化、自動(dòng)化方向發(fā)展，對(duì)軋機(jī)支承輥的要求也越來(lái)越高，不僅要求其在承受較高的軋制壓力下耐彎不折斷，而且要求輥身表面硬度高。大型支承輥一般選用鍛造合金鋼材質(zhì)，整體鍛鋼支承輥制造難度大，成本很高。通常情況下，支承輥要經(jīng)過(guò)多次重磨輥身使用，待一定厚度的硬表層使用完后，余下部分不能再上機(jī)使用，實(shí)際有效使用量大約占整個(gè)支承輥重量15%～25%，其余75%～85%都會(huì)廢棄。因此，研究采用過(guò)盈配合在支承輥輥身上鑲裝輥套，重復(fù)利用原廢棄部分，延長(zhǎng)支承輥使用壽命，降低軋鋼成本。大型輥套熱裝技術(shù)是支承輥修復(fù)核心技術(shù)之一，以某鋼廠支承輥具體修復(fù)研究介紹鑲套支承輥的熱裝關(guān)鍵點(diǎn)及工藝技術(shù)方案。

1 結(jié)構(gòu)及組成

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

某鋼廠4200 mm軋機(jī)支承輥鑲套修復(fù)項(xiàng)目是利用已報(bào)廢的支承輥，將輥身表層去掉，加工改制成鑲套支承輥的輥芯。新制作1件輥套，加工后通過(guò)熱裝方式，將輥套鑲在輥芯上成為一體，再精加工輥套外圓和長(zhǎng)度，形成支承輥成品，如圖1所示。

(1)輥芯由報(bào)廢的支承輥改制，輥芯長(zhǎng)度8560 mm，重量67.7 t，其輥身兩端分別為?1310.5 ±0.05 mm、?1310.786±0.05 mm，長(zhǎng)度均為330 mm的圓柱面；輥身中部為?1311.45 ±0.05 mm、長(zhǎng)度為140 mm的圓柱面，在輥身上形成兩段長(zhǎng)度為1700 mm的圓錐面。除輥身外，輥芯的其它部位均利舊，不加工。

(2)輥套外徑?1810 mm，內(nèi)徑?1310±0.05 mm，輥套輥身長(zhǎng)度4200 mm(熱裝精加工后)，中心線(xiàn)位置的內(nèi)壁有內(nèi)徑?1310+1 mm、寬度100 mm的槽。熱裝前，輥套外圓留加工余量10 mm；輥套的裝配定位端面留加工余量15 mm；把合輥套吊耳端面留加工余量115 mm；輥套長(zhǎng)度4330 mm，重量41.6 t。輥套外圓和兩端面留的余量待熱裝后精加工至鑲套支承輥成品尺寸。

(3)輥芯的輥身有大、小頭之分，且兩頭小中間大；輥套內(nèi)孔是圓柱形。輥芯的輥身大頭與輥套配合過(guò)盈量是0.686～0.886 mm；小頭的過(guò)盈量是0.4～0.6 mm；中間位置的過(guò)盈量是1.35～1.55 mm。

(4)由于新制的鑲套支承輥在制造時(shí)，在輥芯的輥身上設(shè)置有合理的定位止口，可以保證熱裝時(shí)輥套的軸向定位，熱裝后該定位止口在精加工輥套端面時(shí)一起被加工掉。由于該4200 mm長(zhǎng)的鑲套支承輥的輥芯是用報(bào)廢的支承輥改制的，其輥身長(zhǎng)度為4200 mm，沒(méi)有加工余量，輥芯、輥身上沒(méi)有定位止口，熱裝時(shí)輥套的軸向定位是個(gè)難題，需制定合理的軸向定位方案，設(shè)計(jì)專(zhuān)用工裝定位。

1.2 主要技術(shù)要求

熱裝時(shí)，通過(guò)對(duì)輥芯和輥套定位工裝的定位面間相對(duì)位置尺寸進(jìn)行控制，熱裝后，輥套輥身長(zhǎng)度4200 mm中心線(xiàn)與輥芯輥身長(zhǎng)度4200 mm中心線(xiàn)的偏離不大于±2 mm。

1—輥套 2—輥芯圖1 鑲套支承輥組合件結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structure of bushing back-up roll components

1—輥芯吊具 2—工裝爐蓋和保溫材料 3—爐體 4—輥套 5—輥芯 6—輥套支座 7—輥芯支撐板圖2 鑲套支承輥熱裝示意圖Figure 2 Shrinkage fitting of bushing back-up roll

2 裝配關(guān)鍵點(diǎn)分析

(1)鑲套修復(fù)支承輥中，輥芯和輥套外形尺寸大，重量大，又是大過(guò)盈量配合，熱裝過(guò)程中可能產(chǎn)生還沒(méi)有裝配到位就卡住抱死的現(xiàn)象，熱裝的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)很大，必須制定合理的熱裝工藝方案。

(2)輥套和輥芯大過(guò)盈量配合，如果熱裝過(guò)程中加熱溫度、升溫和降溫速度不合理，加熱不均勻，熱裝后將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，可能導(dǎo)致輥套產(chǎn)生裂紋。

(3)輥芯的輥身沒(méi)有定位止口，需設(shè)計(jì)輥芯和輥套的定位工裝，熱裝時(shí)依靠工裝控制輥芯和輥套定位面之間的相對(duì)位置尺寸進(jìn)行定位，保證輥套和輥芯中心線(xiàn)偏離不大于±2 mm。

(4)輥套加熱后，徑向和軸向都會(huì)產(chǎn)生熱膨脹，在吊裝入常溫輥芯的過(guò)程中，輥套向輥芯傳遞熱量，在此過(guò)程中，輥芯受熱在軸向和徑向也產(chǎn)生膨脹，而輥套的溫度則會(huì)降低，其軸向和徑向尺寸收縮，故在熱裝過(guò)程中，輥套軸向中心點(diǎn)位置和輥芯的輥身軸向中心點(diǎn)位置呈動(dòng)態(tài)變化。如果不能正確設(shè)定輥芯和輥套裝配定位面之間的相對(duì)位置尺寸，將無(wú)法保證熱裝后輥套輥身長(zhǎng)度4200 mm中心線(xiàn)與輥芯輥身長(zhǎng)度4200 mm中心線(xiàn)的偏離不大于±2 mm的技術(shù)要求。因此正確設(shè)定輥芯和輥套裝配定位面之間的相對(duì)位置尺寸是關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。

(5)輥套內(nèi)孔配合面長(zhǎng)度達(dá)到4330 mm，加熱達(dá)到熱裝溫度時(shí)，如何測(cè)量輥套內(nèi)孔的熱脹量是難點(diǎn)。

3 裝配技術(shù)方案

3.1 鑲套支承輥熱裝工藝方案

(1)輥套加熱至熱裝溫度后，如果在加熱爐外完成與輥芯的熱裝，在常溫環(huán)境下輥套將快速降溫，內(nèi)孔收縮，而輥套和輥芯的配合過(guò)盈量大，配合長(zhǎng)度大，熱裝過(guò)程中卡住的風(fēng)險(xiǎn)非常大。因此采用在特制加熱爐中立放輥套，將輥套加熱和保溫達(dá)到加熱曲線(xiàn)后，再將輥芯垂直吊裝入輥套內(nèi)。整個(gè)熱裝過(guò)程在加熱爐內(nèi)完成，大大降低輥套和輥芯在裝配過(guò)程中發(fā)生卡住的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

(2)采用立裝鑲套輥的方式，便于在裝配時(shí)調(diào)整輥芯與輥套的對(duì)中和同軸度。鑲套支承輥的熱裝見(jiàn)圖2所示。

(3)將輥套內(nèi)孔端面(裝吊耳端)加工成15×30°的導(dǎo)向錐面，便于輥芯吊裝入輥套時(shí)，對(duì)正中心。

3.2 輥套加熱曲線(xiàn)

鑲套支承輥的加熱曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。輥套以≤30℃/h的升溫速度加熱至320±10℃，保溫25 h后，吊裝入輥芯，再蓋上爐蓋，對(duì)組合件以≤40℃/h的升溫速度加熱至320±10℃，保溫15 h后，以≤15℃/h的降溫速度對(duì)組合件降溫，當(dāng)鑲套輥的溫度≤80℃時(shí)，將鑲套輥吊出加熱爐。

圖3 鑲套支承輥加熱曲線(xiàn)Figure 3 Heating curve of bushing back-up roll

1—爐體 2—輥套支座 3—爐內(nèi)底座 4—可調(diào)墊鐵 5—型鋼支撐 6—底板 7—輥芯支撐板圖4 輥套和輥芯裝配支承定位圖Figure 4 Assembly support positioning of roll bushing and core

3.3 加熱要求

(1)加熱時(shí)爐內(nèi)溫度均勻，上部和下部的溫差≤±10℃。

(2)須控制升溫和降溫的速度，不能過(guò)快，以減小熱應(yīng)力，避免熱裝后輥套產(chǎn)生裂紋。

(3)輥套及鑲套后，組合件在加熱過(guò)程中均應(yīng)受熱均勻。

3.4 確定相對(duì)位置

確定輥套和輥芯裝配定位面之間的相對(duì)位置尺寸。根據(jù)鑲套支承輥熱裝工藝方案，設(shè)計(jì)輥套和輥芯的支承定位見(jiàn)圖4。

(1)按圖4所示，以輥套的端面為裝配定位基準(zhǔn)面，就位在輥套支座上；以輥芯的總長(zhǎng)度端面為裝配定位基準(zhǔn)面，輥芯吊裝入輥套后就位在爐體底面的輥芯支撐板上。正確設(shè)定輥芯和輥套裝配定位面間的相對(duì)位置尺寸“A”，才能保證熱裝后輥套長(zhǎng)度4200 mm中心線(xiàn)與輥芯長(zhǎng)度4200 mm中心線(xiàn)的偏離不大于±2 mm。

(2)根據(jù)鑲套支承輥組合件結(jié)構(gòu)圖(見(jiàn)圖1)中的相關(guān)尺寸，初步計(jì)算尺寸A值：

A=2000 mm+180 mm-15 mm(輥套裝配定位面留的加工余量)=2165 mm

(3)鑲套輥熱裝過(guò)程中，輥套軸向中心點(diǎn)位置和輥芯的輥身軸向中心點(diǎn)位置呈動(dòng)態(tài)變化。由于沒(méi)有同類(lèi)結(jié)構(gòu)鑲套輥熱裝的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考，根據(jù)預(yù)定的輥套、輥芯定位端面，需要知道輥芯、輥套的溫度分布及熱變形情況，因此，進(jìn)行了鑲套支承輥熱裝過(guò)程仿真，對(duì)輥芯和輥套熱裝過(guò)程進(jìn)行了模擬，見(jiàn)圖5。

圖5 輥芯輥套臨界接觸狀態(tài)軸向徑向位移云圖Figure 5 Axial displacement and radial displacement cloud chart of roll core and bushing critical contact status

根據(jù)支承輥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及熱裝過(guò)程特點(diǎn)，建立計(jì)算模型。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)輥芯、輥套臨界接觸時(shí)，輥芯中心較輥套中心低8.12 mm。

根據(jù)熱裝過(guò)程仿真計(jì)算結(jié)果和對(duì)輥套、輥芯的膨脹量差距與過(guò)盈量的關(guān)系分析，對(duì)按圖紙尺寸初步計(jì)算的A值進(jìn)行修正：A=2165 mm-9 mm=2156 mm(輥套與輥芯在臨界接觸狀態(tài)時(shí)輥套與輥芯的中心高度差取值)。

(4)在爐內(nèi)實(shí)測(cè)輥芯和輥套裝配定位面之間的相對(duì)高度差尺寸，按確定的A值(2156 mm)，加工修配調(diào)整墊的厚度，將修配好的調(diào)整墊放置在爐底的輥芯支撐板上，熱裝時(shí)輥芯端面落在調(diào)整墊上，保證輥芯和輥套裝配定位尺寸為2156 mm。

(5)輥芯裝入輥套后，組合件的重量約108 t，要求輥芯支撐板須有足夠的剛性，熱裝過(guò)程中不得發(fā)生塌陷變形，影響定位尺寸A。

3.5 設(shè)計(jì)制作輥套內(nèi)孔熱脹量測(cè)量工裝

(1)輥套按加熱曲線(xiàn)進(jìn)行加熱及保溫達(dá)到要求后，在吊裝輥芯前，須測(cè)量輥套內(nèi)孔直徑，檢查確認(rèn)輥套的熱脹量是否滿(mǎn)足熱裝要求。由于輥套與輥芯的配合面長(zhǎng)度達(dá)4200 mm，并且輥套加熱溫度高達(dá)320℃，常規(guī)T型熱脹量測(cè)量工裝在4200 mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)測(cè)量容易發(fā)生傾斜，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)，不能滿(mǎn)足該輥套的測(cè)量要求。

(2)根據(jù)在加熱爐內(nèi)進(jìn)行熱裝的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了專(zhuān)用熱脹量測(cè)量工裝，如圖6所示。該工裝由支架和測(cè)量頭組成，支架由3根測(cè)桿和1根立柱構(gòu)成。在測(cè)量圓直徑上有3個(gè)可調(diào)試測(cè)量頭，分別由螺紋連接在3根測(cè)桿的外端頭上；每根測(cè)桿上布置有配重塊，用于調(diào)整3個(gè)測(cè)量頭在同一水平面；在立柱頂上有吊耳孔，用于掛鋼絲繩。

圖6 輥套熱脹量測(cè)量工裝結(jié)構(gòu)圖Figure 6 Measuring tool structure of bushing thermal expansion amount

(3)使用前，將測(cè)量工裝的3個(gè)測(cè)量頭調(diào)整外圓尺寸為B(見(jiàn)圖6)，B=配合直徑名義尺寸+配合最大過(guò)盈+裝配間隙=1310 mm+1.55 mm+2.2 mm=1313.75 mm。行車(chē)起吊測(cè)量工裝，調(diào)整配重塊，將3個(gè)測(cè)量頭調(diào)整在同一水平面。

(4)待輥套加熱保溫達(dá)到要求后，行車(chē)將測(cè)量工裝吊入輥套孔內(nèi)，從上至下進(jìn)行檢測(cè)。

4 結(jié)論

鑲套支承輥熱裝工藝技術(shù)及裝置的研究結(jié)果成功應(yīng)用在某鋼廠4200 mm支承輥鑲套修復(fù)項(xiàng)目中，當(dāng)支承輥鑲套冷卻至常溫后，檢測(cè)輥套兩端面與輥芯兩端面的尺寸；檢測(cè)輥套4200 mm長(zhǎng)度中心線(xiàn)至輥芯兩端面的尺寸(為便于熱裝后測(cè)量，機(jī)械加工輥套時(shí)，將輥套內(nèi)壁上100 mm槽的寬度中心線(xiàn)引出，刻在輥套的外圓柱面上)，經(jīng)過(guò)檢測(cè)和對(duì)相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析：鑲套后，輥芯中心較輥套中心低2 mm，即輥套輥身中心線(xiàn)與輥芯輥身中心線(xiàn)的偏離值是2 mm，滿(mǎn)足圖紙對(duì)熱裝的技術(shù)要求。數(shù)據(jù)證明，該大型鑲套支撐輥熱裝配工藝技術(shù)及裝置成功地解決了大型鑲套輥的熱裝技術(shù)難題，也為熱裝相同結(jié)構(gòu)的鑲套輥提供了經(jīng)驗(yàn)。