加熱爐出爐輥道軸承座優化改造

劉 云

（秦皇島首秦金屬材料有限公司，河北 秦皇島066000）

0 引言

軋鋼車間的輥道是運送軋件必不可少的設備，它貫穿于整個生產作業線，一旦發生故障，將中斷整個流水線。輥道在很大程度上影響著軋鋼車間的生產率和整個工藝流程的連續性。首秦公司裝備兩座步進式加熱爐，其出爐輥道位于出料側，因工作環境高溫、高濕，潤滑條件十分惡劣，故輥道軸承經常損壞抱死，造成停機。另外，其冷卻用的進出水嘴布置不合理，導致出鋼時金屬軟管損壞頻繁，嚴重影響了冷卻效果。鑒于此，本研究對輥道軸承和進出水嘴進行了改進設計，取得了良好的效果。

1 改造前存在的問題及原因分析

（1）首秦公司共裝備兩座蓄熱式步進梁式加熱爐，1#爐2006年投入生產，2#爐2008投入生產。每座加熱爐爐門附近各有11根輥道，均處于爐門口的高溫區，輥身長度2 600mm，每根輥道為電機帶動萬向軸單獨傳動，采用24034CCW33滾動軸承，軸承潤滑為集中智能干油潤滑，潤滑脂為1#連鑄機脂。爐門口輥道軸承所受高溫熱輻射主要來自爐內向外的輻射熱和托出鋼料時鋼坯向下的輻射熱。鋼坯最高出爐溫度接近1 200℃，在出坯過程中高溫爐膛對輥道的嚴重輻射，會導致干油潤滑管路內潤滑脂炭化，堵塞潤滑油道，潤滑脂不能連續進入軸承，同時軸承座內潤滑脂長期處于高溫環境中亦炭化，會造成軸承潤滑不良抱死。每次出現出爐輥道抱死故障后，加熱爐就無法正常出鋼，軋線必須停產搶修。維檢人員必須冒著爐門口的高溫更換抱死輥道，在高溫環境下作業，有很大的人身安全隱患。另外，事故還影響設備的穩定運行，給正常生產帶來了嚴重損失，也提高了備件費用。

（2）原設計出爐輥道為軸承座水冷，在軸承座頂部設置寬100mm、長283mm、厚26mm的存水槽。設有一進一回兩個水嘴，通過金屬軟管與冷卻管路連接。該設計冷卻面積小，冷卻能力嚴重不足，而且金屬軟管在出坯過程中易與鋼坯發生摩擦導致損壞頻繁。軸承通過該水槽帶走的熱量有限而且還得不到保障，極易導致軸承座過熱，潤滑脂炭化，軸承抱死。

2 改造方案及內容

2.1 設計改造非傳動側軸承座冷卻結構

由于出爐輥道的非傳動側軸承座處于加熱爐爐門附近，工作環境溫度非常高，如果不采取有效的降溫措施，軸承座內潤滑脂會被很快被烤干炭化，堵塞潤滑油道，軸承得不到連續潤滑，就會因潤滑不良很快失效抱死。根據現場實際情況，通過設計改造非傳動側軸承座冷卻結構來改善軸承工作環境。

原設計出爐輥道為軸承座水冷，采用凈環水冷卻，冷卻水主管路為?89mm的碳鋼管路，支管為?22mm的碳鋼管路，pH值為6～9，水溫小于35℃，水壓0.4MPa。在軸承座頂部設置寬100mm、長283mm、厚26mm的存水槽，設有一進一回兩個水嘴，通過金屬軟管與冷卻管路連接。該設計冷卻面積小，冷卻能力嚴重不足，在實際應用中起不到良好的軸承冷卻效果，無法有效阻隔軸承徑向的高溫輻射。為此，重新設計改造了非傳動側軸承座冷卻結構，取消原設計的冷卻水槽，在軸承座內部加工4個?30mm、高357mm的空腔用于通入循環冷卻水，在不改變軸承座安裝尺寸的前提下大大提高了軸承冷卻效果，軸承座內循環冷卻水腔沿著軸承的大半圓周分布，從而有效地對軸承的周向位置進行冷卻，采用環軸承圓周的水冷軸承座，可以有效阻隔徑向的高溫熱輻射，冷卻面積加大，軸承工作環境改善，避免了潤滑脂由于高溫冷卻效果不足而炭化。

對改造前后的軸承座冷卻能力進行了相關對比分析，結果如下：

2.1.1 軸承座水冷熱交換能力分析

根據熱交換量計算公式［1－3］：

式中，Q 為熱交換量（kcal／h）；Cp為比熱容，水的比熱容為4.2kJ／（kg·℃）；M 為流量（m3／h）；ΔT 為進出口溫差（℃）。

加熱爐區域凈環水總流量為400m3／h，主供水管的管徑為400mm，進入軸承座支管管徑為22mm，根據下式計算出進入軸承座的水流量為1.21m3／h。

式中，v為流速（m／h）；q為流量（m3／h）；A 為管截面積（m2）。

按照軸承使用環境，軸承座入口水溫為30℃，出口水溫為50℃，套用式（1）計算可得Q＝60.731kcal／h，即保證輥道軸承正常運行需要的熱交換能力為60.731kcal／h。

2.1.2 軸承座新型水冷結構參數設計

根據熱交換量計算公式：

式中，F 為換熱面積（m2）；Q 為熱負荷（kcal）；K 為傳熱系數，水的傳熱系數為290W／（m2·℃）；Δt為傳熱溫差，參考經驗值取10℃。

由式（3）計算所需換熱面積F＝0.025 3m2，按富余量為1.2考慮，軸承座冷卻所需換熱面積為0.034m2。

原設計存水槽接觸面積為0.028 3m2，新設計存水腔接觸面積為0.16m2。可以看出：原設計存水槽接觸面積＜所需換熱面積，達不到要求；新設計存水腔接觸面積遠大于所需換熱面積，能夠滿足使用要求。改造前爐口位置非傳動側軸承座溫度高達85℃，采用新的冷卻方式后，溫度降至50℃，大大改善了軸承運行環境。

2.2 設計優化進出水嘴位置

原設計冷卻水嘴在軸承座頂部，該水嘴通過金屬軟管與冷卻水管路相連。在加熱爐進行出鋼操作時，出鋼機進入爐內將需要出的鋼坯托起，然后出鋼機后退至出爐輥道中部，出鋼機下降，鋼坯落到出料輥道上進行運輸。往往在出鋼機托起鋼坯后退至出爐輥道中部時，由于鋼坯在加熱爐內長時間加熱后已經出現了彎曲，出爐過程中鋼坯會與上部冷卻水嘴上連接的金屬軟管接觸摩擦，長時間摩擦會導致金屬軟管破裂漏水，從而嚴重影響輥道軸承座的冷卻效果，造成潤滑脂被烤干炭化，軸承潤滑不良抱死。為此，重新進行了設計，將冷卻水嘴設置在軸承座下部，這樣既方便檢修時拆裝，又大大減少了金屬軟管的故障率，有效保障了軸承座冷卻效果，避免了潤滑脂由于高溫冷卻效果不足而炭化。

3 改造優化后的效果

（1）設備作業率大大提高。在冷卻系統正常工作的情況下，改造前平均約一個月發生輥道抱死事故一次，故障處理時間為1～1.5h；改造完畢后，近半年來沒有出現一起軸承因為受熱缺油導致的輥道抱死故障，每年可減少停機時間18h以上。

（2）優化改造后大大降低了出爐輥道的備件消耗，每年可節省備件費用約15萬元。

（3）改造后大大減少了維檢人員在高熱區處理突發故障的次數，減輕了維檢人員的勞動強度，降低了安全事故發生的幾率，保障了人身安全。

4 結語

針對首秦加熱爐出爐輥道故障率較高，無法滿足正常生產需求的現象，對現場多種因素進行調查分析，利用2014年4月中修的機會，對兩座加熱爐爐門附近的輥道非傳動側軸承座進行了批量改造更換，共計22根輥道。改造完畢后效果十分明顯，既延長了設備使用壽命，降低了故障發生率，又減輕了維檢人員的勞動強度，并在為公司降低備件費用的同時提高了設備作業率，一舉多得。

［1］龐興華.機械設計［M］.北京：電子工業出版社，2010.

［2］鄒家祥.軋鋼機械［M］.3版.北京：冶金工業出版社，2000.

［3］嚴家騄，王永青.工程熱力學［M］.4版.北京：高等教育出版社，2006.