出坯區(qū)輥道輥面損傷原因分析與改善措施

史學(xué)亮，周士凱，賀 琪，李 鵬，馬莉莉

(中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安710032)

0 前言

F鋼廠的一臺雙流不銹鋼板坯連鑄機生產(chǎn)的鑄坯斷面為150/180 mm ×(500～850) mm，主要澆注300系列、409、430不銹鋼板坯。該鑄機出坯區(qū)輥道設(shè)備主要包括切割前輥道、切割下輥道、切割后輥道、去毛刺輥道、輸送輥道、移載機輥道、熱送輥道等，可直接熱送至軋鋼跨。連鑄機在投產(chǎn)一段時間后，切割后輥道至輸送輥道輥面均出現(xiàn)了不同程度的非正常損傷，降低了設(shè)備的使用壽命。

1 輥面損傷的原因分析

連鑄機主要參數(shù)如表1所示。出坯區(qū)輥道輥身直徑為Φ300 mm，輥身長為930 mm，輥道速度為30 m/min，輥子材質(zhì)為35鋼結(jié)構(gòu)用無縫鋼管，不經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，采用空心光輥結(jié)構(gòu)，內(nèi)部通水冷卻，干油集中潤滑，出坯區(qū)輥道部分參數(shù)見表2。

表1 連鑄機主要參數(shù)

表2 出坯區(qū)輥道部分參數(shù)

連鑄機正常停澆后觀察切前輥道，可以清晰的看到切割前輥道表面平滑光亮，未見劃痕和點蝕等損傷，出坯區(qū)輥道輥面的損傷集中出現(xiàn)在切割后區(qū)域，切割后部輥道表面在輥身周身存在多處較深的損傷痕跡，損傷寬度和深度呈現(xiàn)不均勻分布，有的損傷凹陷深度在3 mm以上，大部分損傷凹陷深度在0.3～0.5 mm左右，而有的損傷則沿輥身圓周分布，如圖1所示。由此可以判斷，鑄坯經(jīng)過火焰切割后，鑄坯外弧側(cè)產(chǎn)生的切割毛刺經(jīng)過輥道時與輥面發(fā)生了強烈碰撞和滑動摩擦，導(dǎo)致輥道表面留下較為嚴重的損傷。

圖1 切割前輥道和切割后輥道的輥面損傷情況

1.1 二冷區(qū)內(nèi)外弧冷卻不均

該連鑄機正常澆注時，工作拉速范圍在0.9～1.1 m/min之間，切割后輥道間距為1.6 m，鑄坯定尺切割長度為10 m時，鑄坯同時由6～7根輥道驅(qū)動輸送。如圖2a所示，當(dāng)鑄坯內(nèi)外弧因冷卻不均時鑄坯內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)外弧側(cè)冷卻強度大于內(nèi)弧側(cè)冷卻強度時，鑄坯切斷后應(yīng)力釋放從而形成鑄坯兩頭向內(nèi)弧側(cè)上翹，此時鑄坯只能接觸靠近重心兩側(cè)的兩根輥子，當(dāng)鑄坯沿拉坯方向移動時，鑄坯重心跨過某一根輥子后，鑄坯與遠離鑄坯重心的輥道脫離接觸，并與靠近鑄坯重心的輥道發(fā)生接觸，因此鑄坯在移動過程中兩頭均不斷上下抖動，鑄坯頭尾與輥面在接觸時因抖動而發(fā)生強烈的碰撞，尤其是鑄坯切割后外弧側(cè)毛刺快速冷卻變硬，當(dāng)毛刺與輥面發(fā)生碰撞時，在輥面沿軸線方向留下分布不均的凹坑。

如圖2b所示，當(dāng)內(nèi)弧側(cè)冷卻強度大于外弧側(cè)冷卻強度時，鑄坯切斷后應(yīng)力釋放從而形成鑄坯兩頭向外弧側(cè)下彎，當(dāng)鑄坯產(chǎn)生下彎變形時，鑄坯中間部分處于懸空狀態(tài)，只有頭尾部分與輥子接觸，當(dāng)鑄坯頭部剛剛接觸下一組輥道時，鑄坯外弧側(cè)毛刺首先接觸輥面，并克服自重進行爬升來跨過組輥道，此時只有外弧側(cè)毛刺與輥面接觸的小面積內(nèi)產(chǎn)生鑄坯前進的摩擦力，迅速冷卻變硬的毛刺在輥面圓周內(nèi)留下點狀分布的損傷，鑄坯尾部在移動過程中也存在同樣的問題。

圖2 鑄坯因冷卻不均產(chǎn)生翹曲變形示意圖

1.2 帶抱閘輥道制動

切割后輥道電機分兩部分，從表2出坯區(qū)輥道部分參數(shù)可以看出，切割后輥道前4組輥道電機無抱閘，后5組輥道電機帶抱閘。當(dāng)定尺鑄坯未完全切斷前，切割后輥道處于斷電狀態(tài)，帶抱閘輥道處于制動狀態(tài)，定尺鑄坯邊切割邊移動，鑄坯先經(jīng)過前4組切割后輥道，由于后5組輥道電機抱閘此時處于制動狀態(tài)，鑄坯頭部實際將被推送進該組輥道，與該組輥道第1根輥子產(chǎn)生滑動摩擦，進而加劇了毛刺對輥面的劃傷。

另外，激光檢測裝置在檢測到定尺鑄坯移動到下一組輥道上時，電氣控制裝置得到信號，對前一組輥道發(fā)出指令，電機停止運轉(zhuǎn)，抱閘制動。但是實際上此時鑄坯尾部并未完全脫離前一組輥道，尚處于后2根輥子之間位置，因此鑄坯尾部與鑄坯產(chǎn)生了相對滑動，同時也加劇了毛刺對輥面的劃傷，輥身表面沿圓周方向的劃痕便由此產(chǎn)生。

根據(jù)現(xiàn)場輥面實際損傷統(tǒng)計情況來看，帶抱閘輥子輥面的損傷面積和損傷程度要比不帶抱閘的輥子嚴重，這一現(xiàn)象也驗證了輥面損傷是由于鑄坯在帶有抱閘的輥子上發(fā)生滑動摩擦導(dǎo)致的。

1.3 鑄坯切割毛刺

鑄坯經(jīng)火焰切割機切斷后通常在外弧側(cè)會殘留毛刺，切割毛刺殘留量與切割機割嘴形狀、介質(zhì)壓力如燃氣壓力、預(yù)熱氧壓力和氧氣壓力等、鐵粉量以及割槍速度關(guān)系密切。如圖3a所示為鑄坯切割后外弧側(cè)毛刺狀態(tài)，如圖3b所示為堆冷區(qū)鑄坯翻轉(zhuǎn)后外弧側(cè)毛刺狀態(tài)，該廠生產(chǎn)的鑄坯經(jīng)火焰切割后割縫寬度達9 mm，從圖中可以明顯看出切割后鑄坯的毛刺殘留量比較多，鑄坯經(jīng)過多組輥道后毛刺被明顯壓平，說明該廠火焰切割機的切割參數(shù)有待優(yōu)化，在內(nèi)外弧冷卻不均勻?qū)е妈T坯翹曲變形以及電機抱閘制動導(dǎo)致輥子不能自由轉(zhuǎn)動的雙重影響下，殘留的大量毛刺對切割后輥道輥面造成嚴重損傷。

圖3 鑄坯切割后外弧側(cè)毛刺狀態(tài)

2 輥面損傷的改善措施

2.1 優(yōu)化二冷區(qū)冷卻參數(shù)

鑄坯的二冷區(qū)冷卻參數(shù)與鋼種、拉速密切相關(guān)，當(dāng)鑄坯通過預(yù)先設(shè)定的冷卻參數(shù)生產(chǎn)后出現(xiàn)翹曲變形時，應(yīng)根據(jù)實際情況及時調(diào)整冷卻區(qū)水量，達到內(nèi)外弧冷卻均勻的目的。比如該廠澆注J4鋼種時，拉速為0.8 m/min，鑄坯出現(xiàn)兩頭上翹變形，說明外弧冷卻強度大于內(nèi)弧冷卻強度，應(yīng)加大內(nèi)弧冷卻強度，由此對二冷水量參數(shù)進行了優(yōu)化，優(yōu)化前后的二冷水量見表3，冷卻用水總量由274 L/min增加至280 L/min，優(yōu)化后基本消除了鑄坯翹曲變形。

表3 二冷水表優(yōu)化參數(shù)

2.2 優(yōu)化電氣控制程序

優(yōu)化電氣控制程序，提前啟動下一組輥道的轉(zhuǎn)動，即當(dāng)切斷后的鑄坯頭部在即將進入下一組輥道前，下一組輥道便開始轉(zhuǎn)動；同時延遲前一組輥道的停轉(zhuǎn)時間，即當(dāng)切斷后的鑄坯尾部完全脫離上一組輥道后控制系統(tǒng)再讓電機斷電停止轉(zhuǎn)動，如此設(shè)置電氣控制程序可保證鑄坯與輥道接觸時產(chǎn)生滾動摩擦力帶動鑄坯沿拉坯方向移動，可避免鑄坯與輥道之間產(chǎn)生滑動摩擦；為了在鑄坯未切斷的事故情況下，仍能保證輥子在鑄坯帶動下發(fā)生隨動，拆除了電機的抱閘裝置，由此避免鑄坯在電機抱閘斷電制動狀態(tài)下，與輥道發(fā)生滑動摩擦而對輥面造成損傷。

2.3 優(yōu)化火切機切割參數(shù)

鑄坯經(jīng)火焰切割機切割后外弧側(cè)的毛刺殘留量應(yīng)盡可能最少，以較少對鑄坯輥面帶來的損傷，切割毛刺殘留量與切割機割嘴形狀、介質(zhì)壓力(燃氣壓力、預(yù)熱氧壓力和氧氣壓力)、鐵粉量以及割槍速度關(guān)系密切。F鋼廠使用的切割參數(shù)為：丙烷壓力0.05 MPa，氧氣壓力1 MPa，預(yù)熱氧壓力0.15 MPa，割槍速度為2.0 m/min。經(jīng)過不斷調(diào)試，優(yōu)化后的切割參數(shù)為：丙烷壓力0.08 MPa，氧氣壓力1 MPa，預(yù)熱氧壓力0.3 MPa，割槍速度為2.5 m/min。當(dāng)增大燃氣壓力，增加預(yù)熱氧壓力，適當(dāng)提高割槍速度后，鑄坯的割縫由原來的9 mm減為7 mm，鑄坯的外弧側(cè)毛刺殘留量也得到明顯減少，從而降低了切割毛刺對鑄坯的損傷程度。

通過實施改善措施，該鑄機經(jīng)過一段時間的生產(chǎn)后，鑄機運行正常，切割后輥道表面未見大面積、嚴重的新增損傷。

3 結(jié)論

針對出坯區(qū)輥道輥面短期內(nèi)集中出現(xiàn)的損傷原因進行分析后，通過優(yōu)化鑄坯二冷區(qū)冷卻參數(shù)，減輕了鑄坯因冷卻不均產(chǎn)生的翹曲變形，避免了由于翹曲變形導(dǎo)致鑄坯對輥面的強烈撞擊，通過優(yōu)化電氣控制程序，鑄坯頭尾兩端在輥道上運行時由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，降低了由于滑動摩擦對輥面帶來的磨損，通過優(yōu)化火切機切割參數(shù)，減少了鑄坯切割毛刺的殘留量，減緩了毛刺對輥道輥面的損傷。實踐結(jié)果證明了提出的改善措施是合理的。