安鋼第二煉軋廠3500MM爐卷軋機卷筒國產化設計與應用

朱龍

（安陽鋼鐵股份公司第二煉軋廠，河南 安陽 455004）

前言

安陽鋼鐵公司第二煉軋廠2005年10月投產一條3500mm爐卷軋機生產線，在軋機兩側配置了機前和機后兩座卷取爐，卷筒采用國外進口件，價值650萬元。使用3-6個月時間，卷筒表面開始出現嚴重裂紋失效現象，沿卷筒穿帶槽口產生大尺寸貫穿性裂紋，并逐步向兩側延伸發展（見圖一、圖二）。后來通過與山東煙臺藍鯨金屬修復有限公司的合作，對產生裂紋失效的卷筒進行焊接修復，修復后的卷筒使用效果，在此基礎上對卷筒的制作工藝進行重新設計，改變制作工藝，生產出焊接卷筒，不僅大大提高了使用壽命，降低成本消耗，而且開創了卷筒制造新工藝，使卷筒備件國產化，取得了顯著的效果。

圖一1＃卷筒窗口南端裂紋

圖二 1＃卷筒窗口北端裂紋1卷取爐的結構及工作原理

卷取爐主要作用是在中厚板、鋼帶的可逆軋制過程中，對軋件進行卷取、保溫，保證帶鋼頭、尾部的終軋溫度，而且還能夠降低軋輥的損耗，以保證產品的最終質量。該生產線采用的卷取爐形式為底部封閉式，卷取爐內直徑為1900mm的中空合金鋼卷筒，能夠承受的額定溫度為1100℃。卷筒上帶有槽口，用于咬入帶鋼的前端，帶鋼通過臺式傾動板導入槽口，然后在軋制過程中帶鋼繞著卷筒進行卷取，帶鋼在卷取過程中會產生張力，目的是要消除帶鋼松弛以防止帶鋼在卷入第一圈時被扯出卷筒的狹槽。卷取爐內安裝有燒嘴，可使爐內溫度保持在一定的范圍內，但卷取爐只能起到保溫作用，而不具有對帶鋼進行加熱的功能。

2 卷筒存在的問題及分析

2.1 存在問題

該卷筒直徑1900mm，長5230mm，材質ASTM A297HK25（奧氏體耐熱鋼），屬于特大型鑄件，截面構造變化復雜，如此大尺寸的卷筒采用整體模型一次鑄造在同類設備中極為少見。經過使用發現：在很短的時間內即出現嚴重的大尺寸貫穿性裂紋而造成破壞性失效，表現為典型的脆性斷裂特征。

2.2 分析

經北京科技大學材料學院進行的掃描電鏡及能譜分析初步結果顯示，在卷筒斷口處晶界合金偏析嚴重，斷口形貌為沿晶斷裂的熱疲勞裂紋，且鑄態組織特別粗大。

圖三 粗大晶粒及裂紋沿晶斷裂

按照材料斷裂理論分析，疲勞斷裂分為兩個階段即裂紋的萌生和裂紋的發展，由于鑄造卷筒本體大量存在裂紋，也即省略了第一階段，而筒體材料的脆性特征也大大加快了裂紋的發展速度。

鑄造卷筒母體材料的晶界異相和成分偏析是導致晶界脆化的內在因素，是導致卷筒大斷面沿晶斷裂的主因。鑄造卷筒整體鑄造后必須以及其緩慢的速度冷卻，又無法再次進行高溫固溶處理，所以晶界異相的產生也就無法避免。

3 焊接卷筒的材料設計

選擇焊接卷筒的設想由于鑄造卷筒的早期失效主要是無法實現高溫固溶處理，加之由于二煉軋在線爐卷輥筒系國外廠家獨家生產，極其高昂的價格和低壽命使設備運行成本居高不下，因此，我們大膽嘗試焊接卷筒，以鑄造卷筒為基礎雛形，根據焊接工藝的特點重新進行設計。

3.1 基本鋼種的選定

基本鋼種的選定主要考慮：1、工況條件對熱疲勞性能的影響；2、制作過程的工藝性；3、市場采購機會。依據上述原則焊接卷筒擬采用310S（國產牌號為 0Cr25Ni20）

3.2 含碳量的選定及微量元素的作用

310S的含碳量為0.04%,而鑄造卷筒的含碳量達0.16%以上。低的含碳量有利于阻止晶界在高溫下導致的合金擴散和富集，從而強化高溫應力疲勞強度；添加的鈮、鋁、氮等微量元素可進一步改善高溫熱疲勞性能。

3.3 經過固溶處理的鍛造和軋制材料的斷裂韌性

高溫固溶處理是保證310S耐熱鋼性能的極為重要的工藝保證。為此進行的對比試驗顯示出令人信服的實驗結果：1、所選310S鍛造和軋制鋼材在爐卷條件下具備良好的熱疲勞抗力，無初時裂紋缺陷，并且具有優良的強韌配合；2、在爐卷條件下長期服役也不會產生內部組織變化和晶界脆化；3、在長期使用后還具備良好的焊接性能，為以后的修復提供了必要的技術準備。

4 結構設計和強度校核

4.1 結構強度設計的基本構想

由于鑄造卷筒的早期失效主要是材料熱處理工藝的無法實現造成的，所以在焊接卷筒結構強度設計時以鑄造卷筒為參照系，在結構形式上參考了飛機和潛艇的龍骨框架結構，從而增強焊接卷筒的抗沖擊載荷能力，如圖三所示。

圖五 焊接卷筒龍骨架結構示意圖

4.2 整體強度分析與校核

強度的分析與校核由東北大學機械學院用現有最流行強度計算軟件進行，主要使用第四強度理論的有限元法進行運算，換算為強度系數之比達到了1.21,基本實現了預定強度目標。

材料加權分析及性價比預期

在焊接卷筒結構強度增加的基礎上，由于大量采用了軋板及無縫鋼管，其綜合強度的增加十分顯著。雖然高溫強度參數缺失，但依據常溫強度的計算僅材料的重新選擇所獲得的強度系數便可達1.5以上.如此焊接卷筒和鑄造卷筒的強度比便達到1.71，即便考慮到高溫的影響，這樣一個結果也符合改造的預期。再加上熱軋材料的無缺口效應，其服役使用周期將達到可靠實用的程度。焊接卷筒的設計壽命為：保質期一年，免維護使用兩年，修復使用五年。

5 生產應用

焊接卷筒2010年1月上線使用，在使用中基本參數正常，運轉平穩，一個月后開蓋檢查，表面完好，經測量卷筒本身沒有發生變形；表明焊接卷筒的剛度和強度達到了設計要求。