王運方

(安陽鋼鐵股份有限公司 )

安鋼連鑄機扇形段驅動輥設計優(yōu)化與應用

王運方

(安陽鋼鐵股份有限公司 )

通過研究安鋼連鑄機扇形段的驅動輥的設計結構和現(xiàn)場使用狀況分析，經(jīng)過力學性能理論計算，實施扇形段驅動輥的剖分軸承結構改進為直通輥結構，經(jīng)過生產實踐檢驗和應用實例對比，證明這種優(yōu)化設計結構合理、效益可觀、實用性強。

連鑄機 扇形段 驅動輥 實施 直通輥 應用 合理

0 前言

安鋼第二煉軋廠1#連鑄機是2005年引進德國西馬克技術，建造了一臺具有國際先進水平的現(xiàn)代化大型寬厚板連鑄機。該鑄機裝備優(yōu)良，產品質量穩(wěn)定。作為連鑄機核心的扇形段，由于工況條件惡劣，其結構設計以及使用性能直接影響著連鑄生產的穩(wěn)定和產品的質量[1]。板坯連鑄機扇形段驅動輥主要有整體式分段輥、芯軸式輥、分段組合式輥[2]。板坯連鑄機依靠驅動輥把結晶器內形成的具有一定厚度的坯殼的板坯沿導向段拉出[3]。為改善驅動輥的受力情況、增加輥子剛度、改善坯型，扇形段驅動輥一般設計中間增加支撐。安鋼1#連鑄機設計的結構正是中間增加剖分軸承結構的分段式結構。但是，扇形段驅動輥因剖分軸承損壞或者漏水導致扇形段在線使用壽命縮短，大大降低了煉鋼作業(yè)率，同時造成生產成本的提高。為此，結合安鋼1#連鑄機扇形段驅動輥的原設計特點，經(jīng)過理論計算和生產實踐，改進了局部的設計結構為通輥結構，經(jīng)過長期的生產實踐檢驗，該結構優(yōu)化，故障率低、維修成本大幅度降低、生產穩(wěn)定性高，經(jīng)濟效益顯著。

1 設備概況

安鋼1#連鑄機為直弧形連鑄機，連鑄機的扇形段——即鑄坯導向段由彎曲段、弧形段、矯直段、水平段組成。鑄坯導向段沿拉坯方向，自上而下分布著不同輥徑的夾送輥，夾送輥對鑄坯起著夾送和依托作用[4]。彎曲段位于連鑄機的最上部，依次向下是弧形段，矯直段和水平段；在弧形扇形段、矯直段和水平段中為了實現(xiàn)拉坯和引錠輸送，設計有每套扇形段一組驅動輥。為了增加驅動輥的剛度，每套驅動輥設計中間支撐作用的剖分軸承結構，屬于分段式剖分軸承結構，具體如圖1、圖2所示。

圖1 Φ235和Φ275驅動輥原設計分段剖分軸承結構圖

圖2 Φ235和Φ275驅動輥原設計裝配圖

如圖1、圖2的這種結構在2005年至2012年一直在線使用，該連鑄機因為剖分軸承部位故障引起的扇形段更換比率很大，這些故障直接或者間接影響連鑄機生產，設備表現(xiàn)為扇形段事故下線。2007年～2012年下線故障原因進行統(tǒng)計分析見表1。

表1 2007年～2012年1#連鑄機扇形段下線統(tǒng)計

由表1可以看出，由于扇形段驅動輥剖分軸承故障損壞導致的扇形段故障的比例平均高達26.70%，是影響扇形段在線使用壽命的主要原因。扇形段的在線使用壽命一般為60萬t～100萬t過鋼量，因為驅動輥故障，安鋼1#連鑄機實際使用壽命不足40萬t，嚴重影響了連鑄機的正常生產。

2 問題分析

優(yōu)化前安鋼第二煉軋廠1#連鑄機Φ235和Φ275每段驅動輥采用上下兩對(四根)成組驅動。每根驅動輥有三個軸承座進行支撐(如圖1、圖2所示)；屬于分段部分軸承結構，其中兩端是滾動軸承，而中間軸承采用剖分形式，該剖分軸承全部使用進口產品，但損壞最頻繁的恰恰是該剖分軸承。

國內連鑄機有數(shù)百臺，只有安鋼等少數(shù)廠家使用這種剖分軸承的驅動輥形式。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅安鋼二煉軋廠每年采購剖分軸承備件費用大約有180萬元。對該剖分軸承頻繁損壞的原因分析有以下幾個方面。

2.1 內部結構不合理

由于剖分軸承有上下兩個半圓的對接，內外軸承襯套對接存在一定的錯位，接口處不是很平滑；即使安裝時對齊，但經(jīng)過一段時間使用后，上下剖分面也會有錯動，也就是說兩個半圓接合面最終有臺階，使得滾珠在軸承里面使用就造成磨損比較嚴重，從而加劇滾珠與軸承襯套和滾珠擋圈的磨損，進而導致滾珠脫落、軸承襯套和滾珠擋圈嚴重變形，最后必然造成該軸承座損壞。

2.2 軸承兩側容易進水

在生產過程中，扇形段開路水容易從剖分軸承兩側進入，水是潤滑脂的天敵，一旦軸承進水，里面的潤滑油很快被乳化、被稀釋，從而加劇滾珠與軸承襯套和滾珠擋圈的磨損，進而導致滾珠脫落、軸承襯套和滾珠擋圈嚴重變形，最終也必然造成該軸承座損壞。

2.3 軸承座剖分面易進水

由于該剖分軸承在機上受高溫惡劣環(huán)境的影響，該剖分軸承使用一段時間后，會出現(xiàn)上下四個連接螺栓有不同程度的伸長現(xiàn)象，這樣軸承座里面的閉路水必然少部分直接從兩剖分面進入軸承滾道里面，稀釋潤滑油，從而加劇滾珠與襯套和滾珠擋圈磨損，進而導致滾珠脫落、軸承襯套和滾珠擋圈嚴重變形，最終也造成該軸承座損壞。

2.4 輥體設計不合理，中間軸頸易斷

驅動輥直徑有Φ235和Φ275,但Φ235剖分支撐的軸頸處是Φ140,而Φ275是Φ180。結構上是整體式分段輥結構，兩個剖分支撐的軸頸處分別是直徑的60%和65%。即使兩個剖分支撐的軸頸處有支撐點，但在高溫、潮濕、交變負載的作用下，剖分支撐的軸頸兩個端面最薄弱處容易疲勞斷裂。

3 改進措施

驅動輥結構形式改進輥面改成直通式，該方案取消中間剖分軸承座，把原來軸頸填滿，把該輥改成直通式。Φ235和Φ275驅動輥改成直通式效果圖及其單根直通輥裝配效果圖如圖3、圖4所示。

圖3 Φ235和Φ275驅動輥改成直通式效果圖

圖4 Φ235和Φ275驅動輥單根直通輥裝配效果圖

3.1 新結構形式的驅動輥的優(yōu)點

(1)結構合理、簡單、適用。輥子直通式加工簡單、節(jié)省材料、節(jié)省組裝時間和提高輥子的抗彎能力等。

(2)使用壽命長。取消剖分軸承，并把軸頸處的最小直徑改成通經(jīng)，因而上述分析的四個問題點都不存在了。

(3)改進成本低。取消剖分軸承，輥子直通式加工簡單，跳動度等形狀公差更容易控制；如果采用新輥，制作費用低，也可把舊輥軸頸處填滿恢復直通式；改進成本低廉。

(4)通過采用優(yōu)化扇形段驅動輥設計結構解決了扇形段輥子漏水故障引起的產品質量缺陷，提升了連鑄機產品質量的穩(wěn)定性。

(5)降低職工勞動強度。備件維修工作量、連鑄機在線維護的工作量均得到簡化和降低。

3.2 新結構形式的驅動輥的缺點

由于取消中間軸承座，在澆鋼過程中，因為有交變負載疲勞的影響，如果輥軸使用時間過長，可能輥軸會彎曲。

3.3 新結構形式的驅動輥的力學數(shù)據(jù)計算[5]

改成直通輥Φ235抗彎能力計算。Φ235輥輥面長度L=1584.5，Φ275輥L=1576.5；類比結構，Φ275輥子直徑更粗，輥面更短，從力學角度來分析，如果Φ235驅動輥設計強度和剛度能夠滿足要求，那么Φ275驅動輥也應該滿足要求；下面取Φ235驅動輥進行強度計算。

3.3.1 抗彎強度計算

驅動輥的受力示意圖如圖5所示。

圖5 Φ235驅動輥受正壓力示意圖

3.3.1.1 計算單根驅動輥的總承受壓力

單根驅動輥的總承受壓力包括以下三部分：

(1)兩個驅動油缸對驅動輥的正壓力P1，可以由下式計算：

(1)

式中：p——驅動輥油缸的壓力，MPa；

d——油缸直徑, m。

計算得，驅動油缸對驅動輥的正壓力為 P1=

(2) 改進后的單根驅動輥自身重量G=7.644 KN；

(3) 板坯的壓力P2。扇形段里板坯的最大尺寸是：2.0 m×3.25 m×0.15 m,考慮不利因素，假設這段坯子全部壓在驅動輥上，則單根驅動輥所受板坯的壓力P2=37.6 KN；

計算得，單根驅動輥所受的總壓力為P=P1+P2+G=326.588 KN；

3.3.1.2 計算驅動輥所受的最大彎矩[5]

連鑄機驅動輥的結構上屬于等截面梁，最大彎矩Mmax所在的截面最危險。其最大正應力位于最大彎矩所在的截面上距中性軸最遠的各點處，輥子最大彎曲應力，危險截面為軸中間位置，中間點的應力——最大正應力[5]，可由下式計算：

(2)

式中：Mmax——驅動輥所受的最大彎矩，KNm；

Wz——驅動輥的截面模量, m3。

(1)驅動輥的截面模量[5]可由下式計算：

(3)

式中：d——驅動輥的直徑， m。

(2)驅動輥兩個軸承座支撐力F=P/2=163.294 KN，中間點承受的彎矩M最大，計算得Mmax=F×L=163.294×1.5845=258.739 KNm。

將Mmax和式(3)代入式(2)計算得，驅動輥所受的最大正應力為

驅動輥的材質是23CrNiMo7-4-7，它的許用應力[δ]=750-900 MPa；

由上可知δmax<[δ]，所以新驅動輥的抗彎強度是安全的。

3.3.2 新結構直通式驅動輥的撓度的計算

(1)把驅動輥看成兩點支撐的簡支梁，簡支梁示意圖如圖6所示。

圖6 Φ235驅動輥簡支梁示意圖

(2)由力學計算可知，驅動輥的中間點(χ= l/2 時)下?lián)献畲?。梁的最大撓度[5]，可由下式計算：

(5)

式中：l——驅動輥的長度,m；

E——材料的抗彎彈性模量，N/m2；

I——慣性矩，m4。

(3)驅動輥的慣性矩[5]可由下式計算：

(6)

根據(jù)輥子設計材料，取E=210×109N/m2[5]，代入式(5)計算得

=-0.538 mm;

由設計可知，驅動輥允許最大撓度[y]max=1 mm;

對比可得：│yc│<[y]max,所以改進后的驅動輥的下?lián)隙纫彩前踩摹?/p>

4 改進后的使用效果

(1)輥子改造后，扇形段驅動輥的工作穩(wěn)定性大大提高。結構優(yōu)化過的扇形段驅動輥漏水和輥斷造成的設備事故杜絕了。改進前輥子漏水或者斷輥嚴重影響鑄坯質量，減少了扇形段的使用壽命，制約了連鑄機的穩(wěn)定生產。改造后的扇形段驅動輥在線使用穩(wěn)定，徹底解決了剖分軸承處漏水和輥斷現(xiàn)象，減少了檢修次數(shù)。扇形段基本正常下線。大大降低了職工的勞動強度，節(jié)約了大量的備件成本和維修成本。目前雖然是部分結構優(yōu)化已經(jīng)完成，但是效果已經(jīng)完全體現(xiàn)出來。2013年～2015年連鑄機扇形段下線故障原因進行統(tǒng)計分析見表2。

表2 2013年-2015年1#連鑄機扇形段下線統(tǒng)計

(2) 改進后的實驗扇形段，一次連續(xù)運行174天，過鋼量達到70.9 萬t。通過動態(tài)觀察和監(jiān)控，輥面效果很好，沒有彎曲和裂紋，大大超過預期效果。

(3)檢驗試驗后的Φ235輥子撓曲度和跳動量見表3.

由表3可知，改進后的直通式驅動輥撓度和跳動量均符合設計要求：不大于0.2 mm。

5 結構優(yōu)化后的經(jīng)濟效益分析

表3 1#連鑄機扇形段 Φ235輥子下線撓度和

(1)降低了生產維修備件成本。每年由于驅動輥改造每年節(jié)約剖分軸承30余套，節(jié)約大量的驅動輥備件修復費用；平均每年減少斷輥4根，并且連鑄機的軟水消耗等生產成本也得到有效控制，幾項折合每年節(jié)省備件材料費概算資金220余萬元。

(2)有限的提高了連鑄機扇形段的使用壽命，據(jù)統(tǒng)計安鋼1#鑄機扇形段壽命3年來平均提高18%左右。近年來使用改造后的輥子后，沒有因為輥斷和漏水的原因造成扇形段被迫下線的現(xiàn)象。

(3)減少了生產事故，穩(wěn)定了生產順行，提高了生產效率。平均每年減少剖分軸承損壞事故4起。

(4)降低了連鑄坯的廢品率。每次因剖分軸承壞或驅動輥斷而導致?lián)Q段，必然是澆鋼中斷，從而導致尾坯出現(xiàn)廢品。在正常澆鋼過程中，由于剖分軸承部分損壞出現(xiàn)漏水，也會導致出現(xiàn)批量廢品。每年減少廢品平均節(jié)約費用近百萬元。

(5)降低了維修人工成本，提高了生產效率。

6 結語

扇形段驅動輥輥結構經(jīng)過改造后，解決了長期困擾連鑄機扇形段不能正常使用的問題，大大提高了扇形段運行的穩(wěn)定性，為控制鑄坯在扇形段冷卻和導向過程中，提高鑄坯質量創(chuàng)造了條件。

經(jīng)過近年來對扇形段的使用情況進行跟蹤，采用直通輥結構的優(yōu)化設計，可靠有效，維修簡單，降低了生產事故發(fā)生的概率，扇形段的在線使用壽命明顯提高，連鑄機的備件和軟水等生產成本得到有效控制，節(jié)約了大量的維修人工成本，提高了連鑄機生產效率，降低了生產成本。

[1] 羅振才.煉鋼機械(第二版)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1989:78-81.

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DESIGN OPTIMIZATION AND APPLICATION OF CASTER SEGMENTS DRIVE ROLLER IN ANYANG STEEL

Wang Yunfang

(Anyang Iron and Steel Stock Co.,Ltd)

Based on the research of structure design of caster segments drive roller in Anyang Steel and its utilization situation on site, some bearing structure of the caster segments drive roller are modified to straight roller structure through theoretical calculation of mechanical properties. The production practice test and application comparison demonstrate that the optimization design is a reasonable structure, and its benefits is considerable, practicability is strong.

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2015-8-13

*聯(lián)系人：王運方，高級工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵股份有限公司第二煉軋廠設備材料科；