臥式退火爐提升輥失效原因分析及改進措施

黃媛媛,高吉祥

(中冶南方(武漢)熱工有限公司,湖北 武漢 430000)

本文所分析研究的退火爐提升輥是不銹鋼熱軋連續退火酸洗機組中的重要支撐設備。該退火爐為臥式懸垂爐,由1個預熱段和若干個加熱段組成:預熱段利用燃燒廢氣預熱帶鋼,燃燒后的廢氣從預熱段經過換熱器熱交換后進入排氣系統。加熱段有交錯安裝的燒嘴,該燒嘴利用預熱到550 ℃以上的空氣和熱氣充分混合燃燒,將鋼帶加熱到退火溫度,不銹鋼退火溫度一般在700～1 200 ℃。帶鋼在爐內的運行主要靠爐底輥進行支撐,爐底輥的運行狀態是臥式退火爐連續穩定生產的一個重要因素[1]。在預熱段與加熱段之間設置一組提升輥,起到支撐帶鋼作用。圖1為退火爐提升輥布置圖。

圖1 退火爐提升輥布置圖

提升輥為一用一備,生產時僅用一根提升輥支撐帶鋼,爐溫為1 020 ℃,前后兩支撐輥距離提升輥約為20 m。提升輥為304材質的水冷輥,在操作側的軸頭處安裝有雙通道旋轉接頭,來自循環水系統的冷卻水由進水口流入輥體,從回水口流出,以降低輥體的溫度,測得實際回水溫度為48 ℃。

自某廠黑皮軋制退火酸洗機組投產以來,2條生產線4根提升輥在短時間內先后全部斷裂,導致爐內漏水,為處理水冷輥故障,經常需要花費大量時間進行降溫、停機、換輥,嚴重制約了生產的連續性,造成生產經營的損失,圖2為退火爐提升輥斷裂實物圖。

圖2 退火爐提升輥斷裂實物圖

通過現場查驗,發現斷裂部位均在輥筒與軸頭的連接處,原提升輥的設計結構如圖3所示,輥徑為240 mm,壁厚14 mm,材質304。

圖3 原提升輥設計結構圖

為了快速查明提升輥斷裂原因,技術人員結合現場查驗情況,綜合分析斷面情況、施工過程、生產工藝情況以及提升輥設計結構等,剖析其斷裂的原因,并針對性提出改進措施,從而避免發生同樣的事故。

1 故障分析

1.1 斷面分析

通過對提升輥斷裂面進行分析,可以發現:爐輥斷口相對平整,斷口呈結晶狀,斷裂處沒有明顯的伸長和彎曲,也沒有縮頸和明顯的壁厚減薄的情況,判斷為脆性斷口[2]。

為進一步驗證提升輥斷裂處的各項指標情況,對提升輥進行成分化驗和金相組織分析:樣本1取試樣取提升輥中間部位處,樣本2取距離斷裂面300 mm處,對比分析抗拉強度、屈服強度以及斷后伸長率等參數,如表1所示。通過比較樣本1和樣本2數據,可以發現:各項化學成分測定符合304耐熱鑄鋼件的要求,但斷裂處的各項指標如抗拉強度、屈服強度相比提升輥中間部位較差。

表1 提升輥不同位置各項指標

1.2 生產工藝分析

從圖2可以看出,斷裂處無耐材隔熱,爐輥整體暴露在1 020 ℃的爐溫下,導致該部位環境溫度較高。由于前后兩根支撐輥距離提升輥約20 m,在斷帶或停爐時,帶鋼的自重較大,壓在輥子上導致輥子無法轉動,輥子冷卻效果變差,更加容易發生彎曲變形。

1.3 爐輥結構分析

在進行提升輥斷裂原因分析時,需要對提升輥的扭矩、彎矩以及疲勞強度進行力學分析,從而判斷提升輥軸徑是否滿足需求。影響提升輥彎矩的因素很多,除了受輥內冷卻水及外部爐溫的熱場影響外,還受提升輥本身自身質量、加載輥筒表面的帶鋼物料質量等影響,因此提升輥承受的總載荷為

F=提升輥自重+冷卻水質量+帶鋼質量

(1)

式中:提升輥自重300 kg;冷卻水質量52 kg;帶鋼自重677 kg,通過式(1)可得提升輥承受的總載荷F=10 082.7 N。

將提升輥承受的總載荷F簡化為均布載荷,其受力分析簡化后的模型如圖4所示。

圖4 提升輥受力分析簡化后的模型

圖4中,l為帶鋼的寬度,c為軸承中心線的距離,L1為操作側軸承中心線距離帶鋼邊緣的距離。

根據機械設計手冊[3]計算可知,輥子在中點處彎矩最大,M=6 405 N·m,最大應力為12 MPa,小于許用應力。因此,在水量充足、冷卻效果均勻的情況下,水冷輥的強度是滿足要求的。

通過分析斷裂處的輥子結構,如圖5所示。可以發現,斷裂處軸頭鋼板過厚,輥子內外之間容易存在較大溫差,熱應力隨著冷卻不均勻而不斷增大,從而導致輥子易發生脆性斷裂。

通過上述分析,在輥子的斷裂處存在熱應力集中,且停機檢修時輥子無法擺動、軸頭處沒有耐材隔熱是輥軸斷裂的主要原因。

2 改進措施

2.1 優化輥子結構

在保證強度的前提下,加大插入輥筒處的軸頭內空,以降低輥子內外表面的溫度差,同時在支撐板和套筒上分別開孔Φ15和Φ30,加速冷卻水的流動,避免形成死區,防止局部溫度過高,如圖6所示。

圖6 斷裂處的輥子結構(優化后)

由于出水管徑大于進水管徑,所以水冷輥中的水不是充滿整個輥體,在重力及離心力的作用下,會造成輥軸上方有空間殘留,下方所受的離心力大于上方所受的離心力,由于運動過程中速度變化,導致合力方向變化,因此水對輥子的作用就是交變載荷[4]。由于理論計算忽略了水的流動及熱應力集中,因此加大輥子的直徑至270,材質由304改為310,提高抗彎強度。

在提升輥旁增加支撐水梁,用于在停爐檢修時支撐帶鋼。同時修改電氣程序,爐子升降溫或生產過程中停機3 min以上時,輥子打擺,正轉3圈,反轉3圈半,速度5 m/min,中間停3 min[5]。

對現場提升輥的周邊耐材進行整改,使斷裂處的輥子部位盡可能被耐材包裹,以降低輥子內外表面的溫差,降低熱應力,如圖7所示。

圖7 整改后的輥子軸頭處耐材

2.2 加強質量管理

同時進一步加強制造監制管理、現場施工質量管理,加強監督,確保供貨質量和施工質量。通過上述兩點改進優化后,提升輥至今運行一年有余,未發生斷裂漏水的事故,改進效果明顯。

3 結 論

針對某不銹鋼臥式酸洗退火爐生產線連續發生提升輥斷裂的現象,本文深入研究提升輥結構及生產工藝情況,進行了斷面分析和力學結構分析等,提出輥軸斷裂的主要原因是輥子存在熱應力集中、輥子在停機時無法打擺和斷裂處無耐材隔熱,并針對性提出相應的措施和改進方案,包括改善輥子結構以及加強制造、施工質量管理,從而避免提升輥斷裂現象發生,延長使用壽命,提升企業生產效益。