板坯連鑄機專用軸承的創(chuàng)新和改進

Nigel A. Los John H. Rhodes Georg Daberger

目前，連鑄是生產(chǎn)厚板坯、大方坯和小方坯的主要工藝，全球大約90%的成品鋼都采用連鑄工藝進行生產(chǎn)，而在1970年，這一比例僅為4%[1]。在過去60年里，板坯連鑄機經(jīng)歷了無數(shù)次創(chuàng)新改進，涵蓋連鑄機的所有方面。

一、板坯輥子的應(yīng)用范圍

連鑄機鑄坯從結(jié)晶器流出后，必須獲得足夠支撐，使得鑄坯固化成型，從而得到較薄且完整的表層。當(dāng)前提供支撐最主要的方法就是使用輥子。在鑄坯剛出結(jié)晶器時，輥子定位支撐鑄坯所有4個表面，之后輥子僅支撐鑄坯上下表面（寬面）。第一區(qū)段的輥子直徑比連鑄機上其它位置小，因此可以將其緊密布置，給鑄坯提供所需的支撐。再往后，由于連鑄坯逐漸冷卻且表面硬度增強，可以使用間隙較寬且較大直徑的輥子。

板坯輥子組件設(shè)計目前仍存在不少挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)主要來自于運行環(huán)境以及對于輥子的設(shè)計要求，如下所列：

● 與溫度高達900℃的高溫板坯密切接觸；

● 輥子內(nèi)部冷卻；

● 運行過程中，需承受外部受污染的冷卻水與蒸汽；

● 較大的軸向熱膨脹——可達6mm；

● 輥子承受載荷極大——可高達100噸，需要盡量降低輥子彎曲變形；

● 轉(zhuǎn)速較低——受輥子直徑與拉坯速度限制，每分鐘1.5到15轉(zhuǎn)不等；

● 驅(qū)動輥必須在整個寬度方向上傳送驅(qū)動力矩；

● 輥子組件需要足夠可靠實用。

不同的連鑄機制造商提供不同的輥子組件設(shè)計。但是，在軸承生產(chǎn)商看來，這些設(shè)計具有許多相同之處。盡管輥子組件設(shè)計不同，但是基于板坯寬度以及輥子長度方面要求，為降低輥子變形程度，所有輥子都需要中間支撐軸承。

因此，連鑄機中使用到的數(shù)量眾多的軸承及其運行性能如何，對使用者來說，在成本控制和可靠性方面具有重要的意義。對軸承生產(chǎn)商而言，浮動端軸承需滿足如下要求：

● 尺寸緊湊且具有高靜態(tài)徑向承載能力。由于轉(zhuǎn)速較低，靜態(tài)承載能力最為關(guān)鍵。他們必須在寬度方向上緊湊，以盡量減少板坯未支撐面積，也要在外徑方向上緊湊，以盡量增強軸承座強度并減少軸承座與板坯的間隙。

● 不管是在正常運行情況、還是在超負荷運行情況下，浮動端軸承都能夠適應(yīng)因輥子或軸承座變形造成的偏心，抗偏心能力最大可以達到0.5°。

● 具有正負6mm的軸向浮動能力，補償輥子的軸向熱膨脹。

● 由于轉(zhuǎn)速較低，該軸承可在無潤滑油膜或少量潤滑油膜的工況下正常運轉(zhuǎn)。

● 易于安裝、拆除和檢修。

在正常運行狀態(tài)下，輥子與軸承座內(nèi)部冷卻，接觸板坯的輥子外部冷卻，使軸承的運行溫度介于80℃與90℃之間。特殊情況下，針對特殊運行溫度，考慮采用比標(biāo)準(zhǔn)游隙大些的軸承初始游隙，有時也會采用在150℃下穩(wěn)定性強的軸承。

二、目前的軸承設(shè)計

調(diào)心滾子軸承（SRB）在固定端具有良好的表現(xiàn)，是固定端軸承的首選。但調(diào)心滾子軸承卻在浮動端受到很大挑戰(zhàn)。早期的設(shè)計采用調(diào)心滾子軸承在軸承座內(nèi)浮動方案，但效果并不理想——較高徑向載荷下，當(dāng)軸承同時承受軸向浮動時需要的軸向力，會導(dǎo)致軸承受力過度不均。不過，調(diào)心滾子軸承的確在靜態(tài)和動態(tài)載荷下表現(xiàn)出良好的自偏心調(diào)節(jié)。目前針對SRB的不足，有如下幾種軸承解決方案：

● 圓柱滾子軸承（CRB），帶有特殊的滾子/滾道修型（見圖1）；

● 配置有球面襯套的圓柱滾子軸承。這種軸承一般被稱作自調(diào)心型圓柱（SAC）軸承（見圖2）；

● CARB 軸承（見圖3）；

以上各種嘗試方案都或多或少取得部分成功，但也存在各自的不足之處。根據(jù)軸承類型的不同，這些問題分為抗偏心能力不足或安裝拆卸困難等。理想的軸承需要兼有圓柱滾子軸承的軸向浮動性能、調(diào)心滾子軸承的靜態(tài)與動態(tài)抗偏心性能，并且能夠保證操作方便等優(yōu)點。

三、鐵姆肯公司ADAPT軸承設(shè)計、操作及技術(shù)性能

為克服現(xiàn)有軸承的不足，一種全新的軸承設(shè)計應(yīng)運而生。鐵姆肯公司ADAPT軸承在具備圓柱滾子軸承的軸向浮動能力的同時，兼有類似調(diào)心滾子的抗偏心能力。最主要的特征是這種軸承的浮動與抗偏心能力是相互獨立的，也就是說，軸承的軸向浮動能力不影響抗偏心能力，反之亦然。這是由獨特的內(nèi)外圈和特殊的滾子形狀來實現(xiàn)的，在軸向浮動和偏心兩種情況下，同時具備最高的載荷能力。此外，該軸承另一個優(yōu)點是專為連鑄機的滿滾子設(shè)計的保持架，其保持架與滾子為集成式設(shè)計。

1.基本設(shè)計

這種設(shè)計由圓柱形內(nèi)圈與獨特修型的滾子和外圈組成。該設(shè)計的基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

上述獨特外形設(shè)計結(jié)合在一起，可形成“三點接觸”。具體來說，就是內(nèi)圈與滾子在單一位置互相接觸，而滾子與外圈在兩位置接觸。外圈接觸位置以內(nèi)圈接觸位置為中心對稱分布，從而保證滾子受力時較穩(wěn)定。

2.軸承操作

在無軸向浮動和偏心情況下，軸承的載荷與反作用力保持平衡（圖5）。從中可以看出，圓柱形內(nèi)圈軸向移動或浮動對載荷的分布沒有影響，與NU類型的圓柱滾子軸承相同。 當(dāng)有偏心存在情況下，滾子對外圈的反作用力出現(xiàn)不平衡——滾子受到的載荷就會一端增加，另一端減少。（圖6）由于滾子總是尋求載荷平衡，載荷高的一端的軸向組件會驅(qū)動滾子運動，直至載荷重新平衡，滾子重新達到穩(wěn)定狀態(tài)（圖7）。

滾子與軸承滾道具有加強型面，可以加大載荷分布的面積 。在轉(zhuǎn)速足以產(chǎn)生彈性液壓潤滑油膜的應(yīng)用中，較高的表面精度也能相應(yīng)提高油膜的厚度（Lambda 比率）。

集成式軸承保持架，在保證滿滾子設(shè)計正常使用的同時，拆卸時可夾持住實心滾子。當(dāng)軸承保持架與可分離內(nèi)圈組合使用時，軸承安裝、拆卸與檢查快捷方便。基于連鑄輥特殊設(shè)計，內(nèi)圈可單獨安裝在軸上，外圈輥子組件獨立安裝在軸承座內(nèi)。可分離內(nèi)圈的應(yīng)用，使得軸承安裝更為簡便，因為在這種情況下，不需要將內(nèi)圈和外圈作為套件整體組合安裝。

3.接觸應(yīng)力分布

接觸應(yīng)力分布模型顯示，承受應(yīng)力水平依然處于設(shè)計要求范圍內(nèi)。需要特別指出的是，因為應(yīng)用條件是低速，設(shè)計上限適用于靜態(tài)載荷。隨著載荷的增加，外圈接觸應(yīng)力分布區(qū)域沿滾子長度方向上得到延伸。即使外加載荷很大，這一特點能夠優(yōu)化應(yīng)力分布，峰值得到控制。由于3點接觸意味在承受載荷時，滾子會彎曲。為此，ADAPT軸承滾子原材料選用表面滲碳鋼。

4.設(shè)計驗證

用作設(shè)計驗證的軸承按照ISO2212技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)加工制造，并進行了發(fā)熱量試驗和軸承壽命測試。測試分多組進行，每個測試裝置配備兩個ADAPT軸承和兩個相同尺寸的調(diào)心滾子軸承。測試選用不同的載荷與轉(zhuǎn)速，成矩陣組合，其中轉(zhuǎn)速范圍為1200轉(zhuǎn)每分鐘到4800轉(zhuǎn)每分鐘，載荷范圍是ISO動態(tài)當(dāng)量C1的10%-50%。測試結(jié)果顯示該設(shè)計是安全可靠的。被測軸承運行溫度低于對比軸承——調(diào)心軸承的溫度，工作壽命長于ISO標(biāo)準(zhǔn)計算出的L10壽命。這些令人振奮的結(jié)果將推動測試向使用常規(guī)生產(chǎn)尺寸的軸承進一步發(fā)展。

5.測試與現(xiàn)場試驗

鐵姆肯公司將ADAPT軸承推介給位于奧地利林茨的西門子奧鋼聯(lián)公司的連鑄車間，在其商業(yè)連鑄生產(chǎn)線上對該軸承進行現(xiàn)場測試。雙方商定用于測試的軸承尺寸為4024和4032滿滾子ADAPT軸承，這兩種規(guī)格的軸承被安裝在西門子連鑄機奧鋼聯(lián)輥子組件上進行現(xiàn)場測試。

鐵姆肯公司用于測試的軸承部件號為TA4024VC4和TA4032VC4，軸承按照標(biāo)準(zhǔn)工藝在鐵姆肯公司工廠制造，在位于奧地利林茨的奧鋼聯(lián)鋼鐵公司6#連鑄機上進行測試。該連鑄機由西門子奧鋼聯(lián)公司設(shè)計制造，生產(chǎn)的板坯厚度可達235mm，寬度可達1650mm，拉坯速度為每分鐘2米。4024號軸承安裝在矯直段中，4032號軸承安裝在水平段中，較小的軸承最先開始測試。鐵姆肯公司同步對同尺寸規(guī)格軸承進行壽命、發(fā)熱量與偏心測試。

鐵姆肯公司對軸承的壽命和發(fā)熱量的現(xiàn)場測試，與其之前對原軸承模型的測試方法大致相同。不同之處在于不同的測試轉(zhuǎn)速，以及使用相當(dāng)ISO標(biāo)準(zhǔn)C1當(dāng)量的40%的恒定載荷，軸承測試轉(zhuǎn)速范圍在1600轉(zhuǎn)每分鐘以下。此外，還進行在10%-40%范圍C1當(dāng)量載荷下、偏心角度分別為 0.2°、 0.35°與0.55° 的測試。

6.測試結(jié)果

成品軸承的現(xiàn)場測試結(jié)果與樣品軸承的測試結(jié)果大致相同。ADAPT軸承運行溫度低于對比的調(diào)心滾子軸承的運行溫度，實際壽命大大長于理論壽命L10。較低的運行溫度意味著較小的內(nèi)部滑動摩擦，實際壽命的延長和當(dāng)量的提高意味著軸承的高可靠性。偏心測試結(jié)果證明在偏差度最高為0.5°的情況下，滾子和保持架沒有超出外圈滾道之外。2011年1月，安裝在奧鋼聯(lián)鋼鐵公司voestalpine Stahl 連鑄線的TA4024VC3型號軸承，成功達到了新的里程碑——100萬噸過鋼量。與此同時， TA4032VC3型號軸承運行時間達到65萬噸過鋼量。預(yù)期尺寸規(guī)格為4024的軸承運行將超過270萬噸過鋼量，而尺寸規(guī)格為4032的軸承運行時間將超過400萬噸過鋼量。

四、結(jié)論

以上是鐵姆肯公司ADAPT軸承在西門子奧鋼聯(lián)公司和奧鋼聯(lián)鋼鐵公司軸承現(xiàn)場的測驗，測試結(jié)果表明ADAPT軸承同時具有獨立的軸向浮動能力與抗偏心能力，并且安裝、拆卸與檢查也簡單方便。鐵姆肯公司內(nèi)部測試特別是連鑄線現(xiàn)場測試的成功，證明了鐵姆肯公司ADAPT軸承達到設(shè)計目的與要求。

1.AIST et al《煉鋼、軋制與熱處理—鑄造篇》第11版.2010.P1.

注：此文來源為鐵姆肯公司Nigel A. Los：《板坯連鑄機專用軸承——鐵姆肯公司ADAPT系列軸承》，2011年美國國際鋼鐵工業(yè)及技術(shù)展（AISTech 2011）會議文集第二卷，美國鋼鐵工業(yè)協(xié)會（賓夕法尼亞州Warrendale市）出版，第1175-1182頁。