熱帶軋機(jī)EC立輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及裝配技術(shù)研究

何彥杰， 王慶軍， 孫熙釗， 任曉光

（1.中鋼集團(tuán) 邢臺機(jī)械軋輥有限公司，河北 邢臺054025；2.軋輥復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邢臺054025）

0 引 言

熱帶軋機(jī)立輥是立輥機(jī)架軋輥，分為粗軋立輥和精軋立輥，主要作用是板坯除鱗和側(cè)邊軋制，防止軋件邊緣產(chǎn)生鼓形和裂邊，并能調(diào)節(jié)帶材的寬度規(guī)格，獲得寬度均勻、邊緣整齊的坯料，防止帶材側(cè)邊產(chǎn)生毛刺。

熱帶軋機(jī)立輥目前選用的材質(zhì)有半鋼、合金鑄鋼、鍛鋼等，分別適用于不同要求的立輥品種。隨著鋼廠對高效率、高品質(zhì)的追求，實(shí)現(xiàn)降低軋輥在機(jī)磨損量和增強(qiáng)輥面質(zhì)量保持性、提高帶鋼邊部質(zhì)量和軋機(jī)效率[1]。普通材質(zhì)立輥已不能滿足軋線生產(chǎn)的需求。主要原因是：軋輥硬度低，一般為40～50 HS，耐磨性差，工作面磨損快；抗熱裂性差，裂紋深；抗壓痕能力不足，表面起瘤，影響軋材邊部質(zhì)量，造成帶鋼邊部毛刺率高等諸多問題。雖然可以通過預(yù)開孔型后熱處理來改善耐磨性，但仍無法滿足使用要求。為保證軋材邊部質(zhì)量，需定期更換并進(jìn)行車修孔型。為此需提高立輥的抗熱疲勞和耐磨性能，從而提高輥面質(zhì)量保持能力，延長換輥周期和使用壽命。

在抗熱裂性和耐磨性方面更好的有高鉻鋼、工具鋼、高速鋼等軋輥材質(zhì)，其硬度較高，一般在70 HS以上，已廣泛應(yīng)用于熱帶粗、精軋軋輥。但由于熱軋立輥結(jié)構(gòu)特殊，需開較深的孔型槽，工作層厚，常規(guī)工藝無法生產(chǎn)，限制了這些高性能材質(zhì)在熱軋立輥上的應(yīng)用。

為解決上述難題，中鋼邢機(jī)研究并開發(fā)了熱帶軋機(jī)EC立輥。其設(shè)計(jì)思路是將參加軋制的輥身部分從整體立輥拆分出來，在高速盤式離心機(jī)上制造成離心輥套，外層選用各種高性能材質(zhì)，并保證輥套外層足夠厚度，內(nèi)層選用強(qiáng)度較高的某種鑄鋼材質(zhì)。原來輥頸部分做成輥軸，改用鍛鋼材質(zhì)，這樣保證并提高了輥頸的強(qiáng)度和壽命，兩者通過機(jī)械復(fù)合的方法組裝成一個整體軋輥。這樣在提高板材邊部質(zhì)量的同時，單次在機(jī)周期延長1倍以上，而磨損量和車修量均減少50%，并且輥軸可重復(fù)使用3～4次，使總體輥耗成本極大降低，符合高性能、低成本、綠色環(huán)保的設(shè)計(jì)要求。

1 EC立輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

EC立輥需要滿足3個基本要求：1)在軋機(jī)中必須達(dá)到原整體輥一樣的安裝效果，不影響運(yùn)轉(zhuǎn)性能，其主要包括軋輥的定位、軸承的密封；2)在軋制過程中輥套與輥軸不能發(fā)生相互滑動、竄動，保證扭轉(zhuǎn)力的傳遞；3)在裝配和軋制過程中輥套不開裂。

要保證這3個基本要求，需對軋輥在軋機(jī)上的安裝要求進(jìn)行研究；對如何將整體輥拆分為輥套和輥軸及輥軸、輥套間的裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究；對輥套、輥軸間的配合聯(lián)接方式進(jìn)行研究；對輥套的加工精度進(jìn)行研究。

由于采用了離心復(fù)合生產(chǎn)輥套，外層經(jīng)過鑄造和熱處理，在達(dá)到高硬度、高耐磨性的同時，與內(nèi)層鑄鋼之間就會產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力，再加上開孔型，使輥套的應(yīng)力分布更加復(fù)雜。輥套與輥軸如果采用過盈熱裝配，使用過程的軋制力、軋制溫度對輥套本身的應(yīng)力及與輥軸之間的配合強(qiáng)度均會產(chǎn)生不利影響。在輥套的加熱及冷卻過程中輥套殘余應(yīng)力也會發(fā)生變化，甚至?xí)谘b配過程中導(dǎo)致輥套脹裂。因此在設(shè)計(jì)拆分結(jié)構(gòu)和配合方案前必須對輥套的綜合性能進(jìn)行研究。

通過以上分析，EC立輥設(shè)計(jì)、制造是個非常復(fù)雜的過程，需多方面綜合考慮和研究，主要包括輥套的綜合性能研究、裝配技術(shù)的研究、裝配結(jié)構(gòu)研究、立輥使用研究、輥套加工技術(shù)研究等5個方面，這些方面既相互獨(dú)立又相互影響制約。例如輥套性能制約裝配結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和配合方式的選用，同時結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又能反過來影響輥套的性能。立輥的使用要求又限制了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和配合方式的選用。輥套加工精度影響輥套與輥軸的裝配強(qiáng)度和使用性能等。

1.1 輥套綜合強(qiáng)度研究

目前EC立輥主要聯(lián)接方式為過盈配合，所以輥套性能除包括內(nèi)外層基本性能外，還包括輥套內(nèi)層能夠承受的抗拉強(qiáng)度，簡稱輥套綜合強(qiáng)度。外層材質(zhì)在鑄造和熱處理過程中的組織轉(zhuǎn)變，使表面呈現(xiàn)為壓應(yīng)力，輥套內(nèi)孔表面則呈現(xiàn)為拉應(yīng)力，所以輥套的綜合強(qiáng)度要比試驗(yàn)測得的內(nèi)、外層材質(zhì)強(qiáng)度低得多。同時內(nèi)孔表面應(yīng)力隨著內(nèi)層厚度、外層槽形的變化而變化。通過殘余應(yīng)力檢測可取得輥套的應(yīng)力分布狀態(tài)，從而確定輥套的綜合強(qiáng)度變化規(guī)律。一般輥套內(nèi)層相對外層越薄，內(nèi)孔配合表面的拉應(yīng)力越大，輥套的綜合強(qiáng)度越低。所以，在設(shè)計(jì)配合直徑時必須考慮對輥套綜合強(qiáng)度的影響，設(shè)計(jì)出最佳的配合直徑。

1.2 附加作用應(yīng)力研究

附加應(yīng)力是指殘余應(yīng)力以外由于裝配、使用過程產(chǎn)生的應(yīng)力。立輥輥套和輥軸采用過盈裝配會在輥套內(nèi)層產(chǎn)生裝配應(yīng)力，使用過程中軋制力、轉(zhuǎn)矩作用、軋制溫度變化等作用結(jié)果均表現(xiàn)為輥套內(nèi)孔表面拉應(yīng)力的增大。經(jīng)過模擬計(jì)算，裝配應(yīng)力是最大和最主要的，其它應(yīng)力受軋制環(huán)境的影響較大，較難檢測，一般按30～40 MPa計(jì)算。因此，設(shè)計(jì)時附加應(yīng)力主要考慮裝配應(yīng)力。輥套裝配應(yīng)力分布呈現(xiàn)為兩端高，中間低，所以在設(shè)計(jì)配合結(jié)構(gòu)時應(yīng)預(yù)以考慮。

1.3 轉(zhuǎn)矩傳遞能力研究

EC立輥要實(shí)現(xiàn)對板坯軋制，配合面必須能夠?qū)⑤佪S的轉(zhuǎn)矩安全地傳遞給輥套，保證輥套不滑動、不開裂，要求選擇合適的配合聯(lián)接方式。主要有過盈熱裝、黏結(jié)劑黏接、硬質(zhì)顆粒侵入等多種配合。這些方式各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，常規(guī)的過盈配合裝配過程簡單，配合強(qiáng)度高。但會產(chǎn)生裝配拉應(yīng)力，強(qiáng)度安全系數(shù)低，對表面粗糙度、形位精度要求嚴(yán)格，加工難度大。而黏結(jié)劑黏接不產(chǎn)生裝配拉應(yīng)力，對配合面加工要求低，裝配后等待時間短，裝配效率高，但強(qiáng)度低，對配合面的潔凈度要求高，費(fèi)用高。硬質(zhì)顆粒侵入聯(lián)結(jié)的強(qiáng)度最高，加工難度與過盈配合要求相當(dāng)，但也會產(chǎn)生一定的裝配拉應(yīng)力，且對過盈量范圍和硬質(zhì)顆粒強(qiáng)度、粒度的控制較為苛刻，否則可能達(dá)不到減小裝配應(yīng)力和提高傳遞轉(zhuǎn)矩能力的目的。需根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度要求而選擇不同的配合方式，一般首先選擇過盈熱裝方式，其次是黏結(jié)劑黏接方式。

過盈配合最關(guān)鍵的是過盈量范圍、有效摩擦因數(shù)、輥套理論外徑的確定。而有效摩擦因數(shù)受內(nèi)孔表面加工精度、表面粗糙度影響。黏接配合關(guān)鍵是黏膠品種的選擇及裝配間隙、表面粗糙度的確定。顆粒侵入配合關(guān)鍵是顆粒材質(zhì)、粒度的選擇及過盈量的確定。所有這些均需進(jìn)行大量的試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.4 裝配結(jié)構(gòu)研究

裝配結(jié)構(gòu)研究包括三方面內(nèi)容：1)研究立輥與軋機(jī)相鄰其它部件的裝配關(guān)系，需要考慮軸承座密封、擋水環(huán)安裝；2)研究輥身主要部分與輥身其它相關(guān)部分的相互關(guān)系，需要考慮輥套生產(chǎn)技術(shù)、能力限制，在保證輥套綜合強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，確定最優(yōu)的配合直徑，降低生產(chǎn)成本，有時需將整體輥的輥身、輥肩拆分成兩部分；3)輥軸、輥套的裝配關(guān)系，設(shè)計(jì)輥軸和輥套的定位結(jié)構(gòu)，保證達(dá)到整體軋輥的正常使用性能。

在設(shè)計(jì)細(xì)微結(jié)構(gòu)時還要考慮盡可能減小裝配應(yīng)力和應(yīng)力集中。圖1所示的某種立輥裝配，拆分時配合直徑應(yīng)避開軸承密封部位，輥身下端與輥落差較大的部分就應(yīng)從輥套中拆分出來，以降低輥套制造難度和成本，最后確定的配合直徑是接近軸承密封直徑。拆分后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.5 裝配工藝研究

裝配工藝包括過盈裝配的輥套預(yù)熱工藝、冷卻保溫工藝、吊裝工裝設(shè)計(jì)，是為了保證裝配順利，防止加熱和裝配過程中開裂，保證生產(chǎn)安全。要根據(jù)輥套材質(zhì)、規(guī)格、裝配過盈量制定相應(yīng)的預(yù)熱工藝，包括預(yù)熱溫度和升溫曲線。預(yù)熱過程要平穩(wěn)、均勻，升溫過快可能導(dǎo)致輥套受熱不均勻產(chǎn)生過大熱應(yīng)力而開裂。裝配后的輥套冷卻過程也非常重要，輥套降溫過快也會造成由于熱應(yīng)力過大而被脹裂，因此裝配后需采取完善的保溫措施。

2 設(shè)計(jì)理論及專用技術(shù)

通過深入研究，中鋼邢機(jī)已建立了完整的EC立輥設(shè)計(jì)理論體系，開發(fā)了專有制造技術(shù)。主要包括輥套力學(xué)性能及應(yīng)力模型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范、裝配過盈量設(shè)計(jì)原則、合理的安全系數(shù)、完善的裝配工藝及加工技術(shù)，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)了組合立輥設(shè)計(jì)及制造管理系統(tǒng)，從EC立輥的設(shè)計(jì)、加工、裝配各個環(huán)節(jié)進(jìn)行科學(xué)管控，保證制造質(zhì)量。

圖1 某種立輥裝配圖

圖2 某種立輥拆分簡圖

3 應(yīng)用成果

中鋼邢機(jī)已為10余家著名鋼廠生產(chǎn)了400余支不同材質(zhì)系列和規(guī)格的EC立輥。其中某鋼鐵龍頭企業(yè)在1580、2050、1880、1780熱軋全面推廣使用了EC100立輥，累計(jì)訂貨110支。從在機(jī)使用情況看，EC100立輥的使用周期是半鋼材質(zhì)立輥的2 倍，而在機(jī)磨損和車削總量僅為半鋼立輥的60%左右，且?guī)т撨叢棵桃驳玫搅擞行У囊种芠1]。這些EC立輥整個服役過程中，沒有發(fā)生因輥套與輥軸打滑和輥套開裂事故而造成的異常報(bào)廢。

4 結(jié) 論

EC立輥應(yīng)用成果表明，中鋼邢機(jī)開發(fā)的EC立輥設(shè)計(jì)理論體系是科學(xué)、合理的，裝配結(jié)構(gòu)和裝配技術(shù)是可靠的。EC立輥在提高板材質(zhì)量的同時極大地延長了軋輥使用壽命，提高了軋鋼生產(chǎn)效率，綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著，必將得到廣泛推廣和應(yīng)用。