钛及钛合金棒丝材轧制用的φ250 轧机轧辊轴承改造

2013-12-23宋敏奇王占宏梁海林杨万青

钛工业进展 2013年3期

宋敏奇，王占宏，冯奇，梁海林，杨万青

(宝钛集团有限公司，陕西宝鸡 721014)

1 前言

φ250 轧机是宝钛集团有限公司φ26 mm 以下的钛及钛合金棒丝材生产的重要设备。该轧机为五机架横列式轧机，第一、二、三机架为三辊型材轧机，采用传统斜楔侧面固定方式(图1)固定轧辊，胶木瓦为滑动轴承。此类轧机辊缝调整是通过固定中辊，调整上下轧辊位置来实现的。中辊固定则由控制中辊轴颈与胶木瓦之间间隙的斜楔控制。其间隙越小，中辊固定越好，受下轧制线轧制力的影响产生的跳动也就越小［1-2］。但是，这种轴承系统在钛及钛合金棒丝材轧制过程中存在如下结构缺陷:

(1)当中下辊过料时，轧制力对中辊不断冲击，使斜楔的防松装置迅速失效，中辊固定的稳定状态被破坏;

(2)调整好的孔型，随着中辊固定稳定状态被破坏而发生变化，影响棒材尺寸的稳定性，最终影响成品质量;

(3)在轧制过程中，为了防止胶木瓦结构发热磨损，需要浇注冷却水对胶木瓦进行冷却和润滑，冷水往往会喷溅到轧辊表面上，使得坯料表面温降很快，特别是轧制钛及钛合金时，由于钛及钛合金导热性差，坯料内外温度相差会更大，不利于坯料的均匀变形，轧制精度得不到保证;

(4)斜楔侧面固定方式摩擦阻力大，轧制时的电能消耗也大，即便是采用630 kW 的电机也会经常发生闷车现象，影响生产。

图1 传统斜楔侧面固定方式Fig.1 The traditional way that fixed with inclined wedge from the side

2 改造后的结构

为了满足稳定生产钛及钛合金棒丝材的条件，对φ250 轧机的轴承结构进行了改造，将胶木瓦结构改为滚动轴承结构，以消除原有轧机存在的缺陷，其结构示意图见图2。

图2 φ250 轧机轧辊的轴承结构示意图Fig.2 Structural sketch of roll bearing on φ250 rolling mill

由于是对原机架进行改造，所以受机架位置、机架尺寸、轧制时所需的轧制力等条件的限制，轴承的外径尺寸选择范围有限。既要保证改造后的轴承受力能够满足轧制时所需的轧制力的要求，还要保证改造后轴承座的强度。这是此次改造设计时需要考虑的关键问题。

3 轴承的选择与轴承座的强度校核

3.1 受力轴承的选择

φ250 轧机的轧制力为300 kN，选择轴承时主要考虑轴承的承载能力，从现有的品种中选择了双列圆锥滚动式轴承，这种轴承的最小承载能力可达到450 kN，完全可以满足生产要求。轴承选择好后，根据轴承的外形尺寸和φ250 轧机的尺寸设计轴承座的尺寸。由于轴承的外形尺寸比较大，而轧机安放轴承座的位置比较小，轴承座设计的尺寸中，最薄处的厚度只有15 mm，因此轴承座的强度能否达到承载能力的要求，还需要进一步校核。

3.2 轴承座强度校核

受轧机机架尺寸的限制，在轧辊轴承选定之后，轧辊轴承座成为承载校核的关键。其中轧机中间轧辊轴承座最为薄弱，因此，对中间轧辊轴承座进行了强度校核。轴承座结构示意图及轴承座受力状况分析见图3。

图3 轴承座结构示意图及中间轧辊轴承座受力分析图Fig.3 Structural sketch of bearing block and stress analysis diagram of the middle roller bearing block

轴承座受轴承的挤压力分布一般比较复杂，在实际的工程计算过程中通常假设挤压面上的应力是均匀分布的［3］，挤压面宽度为轴承孔的直径，长度为轴承孔深度的平面，对于轴承座来讲，上下受力面为宽度为L，长度为b 的平面。轧机最大承受力P=0.294 MN，D = 225 mm，L = 256 mm，b = 150 mm，h=15 mm。

以O 点为坐标原点，选定坐标系如图3b 所示。通过对各段弯矩进行比较分析，可确定轴承座受到的最大弯矩发生在AB 段，由于矩形截面为对称图形，则可判定轴承座所受的最大弯矩处其正应力最大即该处为危险点，即x =128 mm 处，轴承座AB段的弯矩方程及其最大正应力如公式(1)、(2)所示:

将图3 中的x=L/2 =128 mm、b、h 值分别代入公式(1)、(2)中得:σmax=101.3 MPa 。

轴承座的材质为45#锻钢，σs=355 MPa ，安全系数n 取值范围为1.2 ～2.5［3］。当安全系数选取最大值2.5 时，则许用应力为［σ］=σs/n =142 MPa，比较可知轴承座的最大应力σmax＜［σ］。因此可以确定轴承座设计符合材料的安全使用要求，也就是能够满足φ250 轧机的承载力。

4 改造效果

经过改造后的φ250 棒材轧机，无论是在棒材质量控制方面，还是在棒材生产的节能降耗方面，都取得了良好效果。

4.1 尺寸控制

改造之前，φ250 棒材轧机采用的是胶木瓦固定轧辊的方式，稳定性很差，棒材的表面易出现折叠、裂纹、断面形状不规则等缺陷。改为滚动轴承结构之后，轧机的稳定性显著提高，生产出的棒材质量稳定性也随之提高。分别随机地抽取了轧机改造前后生产的φ23.5、φ18.5、φ12.5 mm 3 种规格的钛合金棒材各一组外径尺寸数据，绘制了棒材外径尺寸单值控制图(图4)。

图4 3 种不同规格的轧件外径尺寸按改造前后的单值控制图Fig.4 Single value control chart of the diameter size for the workpiece in three different specifications before and after the reform

由图4 可以看出φ250 轧机改造前生产的3 种规格的钛合金棒材尺寸波动均较大，波动幅度分别为:23.2 ～23.9 mm;18.1 ～18.8 mm;12.1 ～12.8 mm。改造后生产的钛合金棒材尺寸分布集中，波动范围小，分别为:23.6 ～23.8 mm;18.5～18.8 mm;12.5 ～12.8 mm。

此外，改造后的φ250 轧机的性能得到了大幅度提高，调整后孔型很稳定，产品的表面质量得到了明显改善。

4.2 电能消耗

表1 给出了φ250 棒材轧机改造前(2009 年5—8 月)及改造后(2010 年5—10 月)每生产1 t 钛合金棒材所消耗的电能。从表1 可以看出，φ250 轧机改造前2009 年5—8 月每生产1 t 钛合金棒材平均消耗电能830.395 kW·h，而改造后2010 年5—10 月每生产1 t 钛合金棒材平均消耗电能585.603 kW·h，即改造前每生产1 t 钛合金棒材平均消耗的电能要比改造后高41.8%。仅电能一项每吨棒材就可省出244.397 元。

4.3 备件使用费用

据不完全统计，φ250 轧机改造前每年平均需更换胶木瓦924 件，梅花套223 件。胶木瓦每件25 元，梅花套每件129 元，每年更换胶木瓦和梅花套的费用合计为51 867 元。另外，每更换一次梅花套都需要拆装和维护一次连接轴，每年需拆装维护连接轴223 次。按拆装维护一次需4 位熟练工共同工作1 h 计，每位员工的日工资按68 元计，则每年的拆装维护费为7 582 元。

表1 φ250 轧机改造前后每生产1 t 钛合金棒材所消耗的电能Table 1 The electric energy used for producing 1t titanium and titanium alloy bars on the φ 250 rolling mill before and after the reform

φ250 轧机改为轴承结构所需改造费为8 万元，连接轴也改为十字万向连接轴，无需拆装维护。但每两年需将受力最大的那个轴承更换一次，每次的费用为2 800 元。