王 明，張 興，劉兆月，楊 璽，劉海超，龔 磊

（1.首鋼遷安新能源汽車電工鋼有限公司，河北 遷安 064400；2.首鋼智新遷安電磁材料有限公司，河北 遷安 064400）

冷軋連續(xù)退火機組主要任務(wù)是將冷軋帶鋼表面清洗干凈后，通過再結(jié)晶退火，消除帶鋼在冷軋過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，促使晶粒長大，并涂覆絕緣層，將鋼中碳含量控制到30×10-6以下，以保證磁性能及機械性能，從而滿足用戶需求。

退火爐為本機組核心處理工藝段。退火爐爐輥作為與帶鋼直接接觸傳遞動力的輸送輥道，能否穩(wěn)定運行對帶鋼生產(chǎn)質(zhì)量至關(guān)重要[1]。本文重點對退火爐爐輥引起的典型問題及改進措施進行了深入分析研究，為同類機組的類似問題提供借鑒參考。

1 退火爐爐輥簡介

冷軋連續(xù)退火機組退火爐爐輥分為三種形式：耐熱鋼輥、水冷輥和碳套輥。其中水冷輥及碳套輥在實際生產(chǎn)運行過程中易出現(xiàn)故障，造成帶鋼質(zhì)量缺陷。

1.1 水冷輥簡介

水冷輥工作輥徑Φ150 mm，輥筒基體材質(zhì)為20#鋼，表面鍍鉻0.075 mm。使用工況：爐溫850～1 000℃，爐內(nèi)氧氣含量為2%左右，焦爐煤氣燃燒產(chǎn)生水蒸氣，露點為45～50℃。冷卻水從輥體傳動側(cè)通入，經(jīng)旋片從操作側(cè)排出，進而對輥體進行冷卻，增大輥身與帶鋼溫差，防止輥子與帶鋼粘接。

水冷輥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 水冷輥結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 碳套輥簡介

碳套輥由輥芯及碳套兩部分組成。輥芯材質(zhì)為ZG40Cr25Ni20，外套石墨碳套，工作輥徑Φ180。碳套通過操作側(cè)十字交叉卡環(huán)固定在輥芯上，傳動側(cè)通過輥芯上兩個撥爪進行周向固定，在爐內(nèi)高溫條件下軸向可實現(xiàn)自由膨脹。

碳套輥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 碳套輥結(jié)構(gòu)示意圖

2 爐輥失效原因分析

2.1 水冷輥失效原因分析

水冷輥在實際生產(chǎn)運行過程中，常見失效形式主要有兩種：（1）輥面鍍鉻層脫落，基體氧化生銹；（2）內(nèi)部旋片及撥爪脫落。

2.1.1 輥面鍍鉻層脫落，基體氧化生銹原因分析

帶鋼經(jīng)過冷軋、退火工藝處理后，在表面發(fā)現(xiàn)了大量黑色的斑塊，部分呈現(xiàn)連續(xù)出現(xiàn)的特征，黑色斑塊的宏觀狀態(tài)見圖3。

圖3 帶鋼表面黑色斑塊缺陷形貌圖

經(jīng)現(xiàn)場檢查，該缺陷在冷軋后未出現(xiàn)，表明其在退火階段生成。通過掃描電鏡和能譜分析，證明該缺陷主要成分為單質(zhì)鐵，具體分析數(shù)據(jù)見圖4。

圖4 黑色斑塊電鏡分析結(jié)果

結(jié)合工藝分析可知，此黑色斑塊為水冷輥輥面鍍鉻層脫落后，輥基體氧化生銹后粘附在帶鋼表面經(jīng)后續(xù)爐內(nèi)氫氣氛還原為鐵粉所致[2-3]。

水冷輥輥筒基體生銹后的外觀如圖5所示。

圖5 水冷輥表面銹蝕情況形貌圖

連續(xù)退火機組使用的水冷輥為表面鍍鉻輥，鍍鉻層對輥身進行防護以提高輥子使用壽命。然而鍍鉻層質(zhì)地硬脆、易開裂，開裂后形成的表面裂紋進入基體，導致鍍鉻層脫落[4]。當失去表面保護層后，水冷輥輥身基體（20#鋼）暴露在高溫、高濕度的環(huán)境中使用，鐵與水蒸汽即會在反應(yīng)溫度1 173 K（900℃）下發(fā)生氧化反應(yīng)[5]，輥身高溫氧化反應(yīng)方程如下：

在實際生產(chǎn)過程中，退火爐爐內(nèi)溫度為950～1 050℃，露點值為45～50℃。水冷輥基體失去鍍鉻層保護將導致發(fā)生上述氧化反應(yīng)。

因此，水冷輥輥面銹蝕為高溫狀態(tài)下碳鋼基體與水蒸氣反應(yīng)形成的。輥面鐵銹隨著帶鋼摩擦被不斷帶走，導致基體不斷氧化生銹脫落，進而鍍鉻層進一步失去附著基體，鍍鉻層脫落更加嚴重，鍍鉻層脫落越嚴重，對基體的防護越差，基體生銹越快，從而形成惡性循環(huán)。輥面銹蝕使帶鋼后期產(chǎn)生了黑色斑塊缺陷。

2.1.2 旋片及撥爪脫落原因分析

水冷輥旋片及撥爪脫落是原設(shè)計水冷輥常出現(xiàn)的故障之一，脫落的旋片及撥爪將會堵塞、卡阻操作側(cè)的旋轉(zhuǎn)接頭，進而引起輥體卡阻，造成機組停機。

水冷輥旋片芯軸兩端面撥爪與兩端軸頭端面均存在3 mm的間隙，旋片與輥筒內(nèi)壁存在1 mm裝配間隙，生產(chǎn)過程中在水流的沖擊和輥體的轉(zhuǎn)動下，旋片芯軸會產(chǎn)生軸向竄動，從而造成旋片沖擊振動，易導致旋片開焊脫落。

原設(shè)計水冷輥內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 原設(shè)計水冷輥內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

旋片芯軸通過軸頭端面卡爪撥動其自身兩端撥爪進而同輥筒一同旋轉(zhuǎn)，此種結(jié)構(gòu)無法對旋片芯軸的周向進行可靠定位，且旋片芯軸端部撥爪直接焊接在厚度6 mm的圓形鋼板上。撥爪固定方式不當及圓形鋼板強度較低，是導致?lián)茏附庸潭ú焕我酌撀涞闹饕颉?/p>

旋片芯軸端部撥爪結(jié)構(gòu)如圖7所示；軸頭端面卡爪結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7 旋片芯軸端部撥爪結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 軸頭端面卡爪結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 碳套輥失效原因分析

實際生產(chǎn)中，十字交叉式碳套輥極易出現(xiàn)爐內(nèi)卡阻故障，導致爐輥停轉(zhuǎn)劃傷帶鋼，產(chǎn)生質(zhì)量缺陷。

分析其原因，碳套輥操作側(cè)通過固定環(huán)及固定螺栓將碳套與輥芯進行裝配，傳動側(cè)通過輥芯上的卡爪對碳套進行周向固定。輥芯在電機的驅(qū)動下通過固定螺栓，將轉(zhuǎn)矩傳遞到固定環(huán)上，固定環(huán)帶動碳套旋轉(zhuǎn)。此種結(jié)構(gòu)設(shè)計，傳遞轉(zhuǎn)矩的主要受力點，即固定螺栓與輥芯接觸區(qū)域成為最薄弱點，輥芯與固定螺栓材質(zhì)均為0Cr25Ni20，耐溫1 030℃，但高溫運行條件下持久強度及蠕變強度會大幅下降，生產(chǎn)期間隨著輥道轉(zhuǎn)動，輥芯與固定螺栓接觸區(qū)持續(xù)產(chǎn)生間歇性沖擊，導致螺栓及輥芯螺栓孔產(chǎn)生磨損變形，配合間隙變大后，輥體振動進一步加劇，沖擊能量增加，進而加速螺栓磨損，最終導致螺栓切斷。

螺栓切斷后，即會在離心力的作用下沿爐輥徑向飛出，與爐膛孔內(nèi)壁發(fā)生干涉，從而引起爐輥卡阻。

此外，原設(shè)計十字交叉碳套輥輥心與碳套支撐位之間間隙偏大（2.9～3.6 mm），且熱態(tài)下碳套軸向無法固定，致使爐輥運轉(zhuǎn)振動大，也是導致固定螺栓易損壞脫落的原因之一；振動大同時會加速碳套磨損甚至部分開裂脫落，脫落碳套若落入爐膛孔，同樣會引起爐輥卡阻。十字交叉式碳套輥裝配如圖9所示。

圖9 十字交叉式碳套輥裝配示意圖

3 爐輥優(yōu)化改進

3.1 水冷輥優(yōu)化改進

3.1.1 水冷輥輥面優(yōu)化改進

針對水冷輥輥面鍍鉻層脫落，基體易被氧化銹蝕問題，將水冷輥輥筒基體材質(zhì)優(yōu)化為304不銹鋼，表面繼續(xù)鍍鉻0.075 mm。水冷輥輥筒基體材質(zhì)改為304不銹鋼后，即使鍍鉻層出現(xiàn)裂紋情況，不銹鋼基體在爐內(nèi)工況條件下，也很難發(fā)生氧化脫落情況，因此更有助于鍍鉻層的有效附著，從而對輥筒基體與鍍鉻層形成良性循環(huán)保護。改良后的水冷輥結(jié)構(gòu)如圖10所示。

當然，也有很多官員作風樸實，輕車簡從，廣接地氣；企業(yè)家做事低調(diào)，不喜張揚，埋頭苦干；藝人內(nèi)斂自律，從不擺譜，德藝雙馨。就說藝人吧，德高望重的老演員李雪健去外地一個劇組，雖年老體弱，只帶一個助理照料生活；而同機的另一個青年演員卻帶了6個助理。老藝術(shù)家牛犇，來鄭州參加一個活動，雖已80高齡，主辦方承諾他可帶兩個隨從，但他不愿張揚，仍只身前來。著名演員周潤發(fā)，常自己上街買菜，和路人聊天，如同鄰家大叔，不僅沒掉價，還獲得普遍好評。

圖10 基體材質(zhì)改為304不銹鋼后的水冷輥結(jié)構(gòu)示意圖

此外，在水冷輥操作側(cè)循環(huán)回水管路上改造增加回水溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)實時精準控制水冷輥回水溫度，防止出現(xiàn)輥面溫度劇烈波動導致鍍鉻層裂紋情況發(fā)生?；厮疁囟乳]環(huán)控制現(xiàn)場實物如圖11所示。

圖11 回水溫度閉環(huán)控制實物圖

進行系統(tǒng)優(yōu)化后，水冷輥輥面銹蝕問題得到有效控制，未曾出現(xiàn)由于輥面銹蝕引起的帶鋼黑色斑塊缺陷。

3.1.2 水冷輥撥爪優(yōu)化改進

將旋片芯軸端板厚度由6 mm增加到16 mm，并將撥爪插入端板內(nèi)部進行雙面焊接，從而實現(xiàn)撥爪與端板內(nèi)孔面接觸傳遞扭矩，進而增強撥爪固定強度，防止撥爪開焊脫落。

同時對軸頭內(nèi)端面進行優(yōu)化，取消原設(shè)計的兩個卡爪，改為在與端板撥爪相對應(yīng)位置上向內(nèi)加工深10 mm的Φ17內(nèi)孔。裝配過程中將旋片芯軸端板撥爪插入軸頭內(nèi)端面圓孔內(nèi)并頂緊，從而有效限制了旋片芯軸軸向和周向位移，進而極大改善運行期間的芯軸振動情況。

優(yōu)化改進后的水冷輥撥爪結(jié)構(gòu)如圖12所示。優(yōu)化改進后，輥體運轉(zhuǎn)振動問題得到了明顯改善，旋片及撥爪脫落問題已徹底解決。

圖12 優(yōu)化改進后的水冷輥撥爪結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 碳套輥優(yōu)化改進

針對上述十字交叉式碳套輥中的設(shè)計不足，對碳套輥進行了結(jié)構(gòu)改進，優(yōu)化為兩側(cè)四鍵式碳套輥，其結(jié)構(gòu)如圖13~15所示。

圖13 兩側(cè)四鍵式碳套輥裝配示意圖

圖14 裝配形式示意圖

圖15 上固定鍵尺寸示意圖

兩側(cè)四鍵式碳套輥傳動側(cè)通過對稱180°方向上的兩個鍵與輥芯鍵槽過盈配合來對碳套進行軸向及周向固定（鍵與碳套鍵槽四周單邊留有1 mm間隙），兩個鍵通過貫穿輥芯的一條長螺栓進行徑向固定，螺栓桿與固定鍵通孔設(shè)計留有單側(cè)0.5 mm間隙。正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，固定鍵通過與鍵槽的側(cè)接觸面?zhèn)鬟f轉(zhuǎn)矩，螺栓僅起徑向固定作用，防止固定鍵受離心力脫落，不受剪切力，可有效防止螺栓切斷。

操作側(cè)通過與傳動側(cè)相垂直方向的兩個固定鍵對碳套進行周向固定，操作側(cè)碳套鍵槽在長度方向上加工到130 mm，以便留有足夠的空間使碳套輥在爐內(nèi)高溫運行條件下，實現(xiàn)自由膨脹伸縮。

改進及優(yōu)化具體內(nèi)容見表1。

表1 碳套輥由十字交叉式改為兩側(cè)四鍵式

改造前后，對安裝在輻射管加熱爐的1#~20#碳套輥軸承位振動數(shù)據(jù)進行收集分析，見表2。

表2 兩側(cè)四鍵式與十字交叉式碳套輥運行振動數(shù)據(jù)對比

由以上運行數(shù)據(jù)分析可知，兩側(cè)四鍵式碳套輥振動值及振幅明顯小于十字交叉式碳套輥，振動值及振幅下降2～3倍，尤其是垂直方向的振動值與振幅下降明顯，因此減小碳套與輥芯支撐位置間隙，有助于降低碳套運行至高位時因受自身重力作用掉落產(chǎn)生劇烈振動而易損壞的概率。

4 結(jié)論

爐輥作為冷軋連續(xù)退火機組的重控設(shè)備，對產(chǎn)品質(zhì)量及產(chǎn)線順穩(wěn)生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。本文通過對爐輥的失效形式及原因進行深入分析，提出了切實可行的改進措施。具體如下：

（1）水冷輥輥面鍍鉻層出現(xiàn)裂紋，導致20#鋼基體材質(zhì)在爐內(nèi)工況條件下被氧化生銹，基體脫落后導致鍍鉻層附著性進一步變差，從而形成惡性循環(huán)，是導致輥面失效的主要原因。

改進措施：優(yōu)化基體材質(zhì)為304不銹鋼，避免基體生銹；此外增加水冷輥回水溫度閉環(huán)控制，防止輥面因溫度劇烈波動而出現(xiàn)裂紋趨勢。通過以上優(yōu)化改進，水冷輥輥面失效問題得到有效解決。

（2）水冷輥旋片及撥爪易脫落原因主要為旋片芯軸端部撥爪與其端板固定不牢及與軸頭端部配合設(shè)計不合理所致。通過優(yōu)化撥爪各部裝配配合設(shè)計，減小運轉(zhuǎn)過程中的沖擊振動，從而有效解決了旋片及撥爪脫落問題。

（3）十字交叉式碳套輥設(shè)計結(jié)構(gòu)存在缺陷，運行過程中固定環(huán)的固定螺栓作為傳遞轉(zhuǎn)矩的重要部件，一直承受剪切力，并伴有沖擊振動，是導致固定螺栓易切斷的主要原因，此外碳套與輥芯配合間隙不合理，運行過程中增大振動沖擊載荷，彼此相互影響作用，是導致固定螺栓及碳套易損壞脫落的主要原因。通過改進優(yōu)化碳套輥裝配形式及配合尺寸，優(yōu)化為兩側(cè)四鍵式碳套輥后，爐內(nèi)卡阻故障由原來32次/年降低至2次/年，改進效果顯著。