连铸机扇形段轴承的失效分析及对策

王运方

(河南安阳钢铁股份有限公司， 河南 安阳 455004)

连铸机是主要炼钢设备之一，扇形段作为连铸浇注过程中的关键部位，其正常运行直接关系到连铸机的生产稳定性。由于工况条件恶劣，扇形段的故障率较高，尤其是扇形段轴承的使用寿命严重低于理论计算寿命，更换频率非常高，不仅增加了生产成本，而且严重降低了生产效率。为此，对扇形段轴承的使用现状进行跟踪统计分析，找出影响使用寿命的主要因素，根据损坏特性，提出延长使用寿命的对策及措施。

1 使用现状

国内通用的连铸机以立弯式弧形连铸机居多，连铸机的扇形段一般由弯曲段、弧形段、矫直段、水平段组成。扇形段沿铸坯运动流向，自上而下分布着不同辊径的夹送辊。弯曲段位于连铸机的最上部，依次向下是弧形段、矫直段、水平段。夹送辊中配置不同规格型号的轴承。

为了了解轴承的使用状况，对扇形段近几年的工作情况及故障进行了统计，结果见表1。

表1 扇形段故障统计分析

由表1可知，由于轴承损坏导致的扇形段故障的比例较大，当然也不排除由于其他原因造成的轴承提前失效。

扇形段辊子的固定侧和自由侧均一直采用承载能力高且能适应轴挠曲变形的调心滚子轴承，其中内径110～160 mm的轴承居多。该部位轴承的工作环境比较恶劣，除了粉尘、杂物易进入外，周围还有高温水、水蒸气及热辐射等，工作温度长期为150～250 ℃，短期甚至可达600 ℃。因此，轴承采用3组或4组的径向游隙，轴承座采用内、外水冷结合的方式进行冷却。

扇形段轴承的实际使用寿命一般以过钢量来衡量，国内同行业目前没有统一的标准。扇形段辊子一般连续工作4～6个月(或者过钢量50×104～80×104t)后下线拆解，修复辊体，更换橡胶密封件及损坏的轴承座、轴承、透盖、端盖、旋转接头等零件。对于拆解下来的轴承，现场进行简单外观检查，判断是否二次上线使用、修复或者报废处理。扇形段辊子轴承过钢量达到(100～120)×104t应全部拆解下线。根据国内部分钢厂的统计数据，每次检修中约有8%～10%的扇形段辊子轴承损坏严重，必须更换，其余经过简单清洗后仍可继续使用。通过对近几年的轴承使用情况进行跟踪统计，发现其使用寿命严重低于理论计算寿命，更换频率较高。

2 失效原因分析

扇形段轴承的使用寿命除取决于产品本身的质量外，还受制于一些重要因素，如选型、运输、存储、清洁、安装、拆卸及润滑等，任一环节出现问题，都会严重影响其使用寿命。因此必须采用正确的保管、安装、使用、维护方法，否则将会不同程度地降低轴承的使用寿命。通过对炼轧厂扇形段轴承使用状况进行分析，认为其故障及失效通常与冷却、润滑或装配不当有关。轴承的各种失效形式所占比例各不相同(表2)，其中80%以上是由于润滑与装配不当产生过度磨损所致；10%左右是由于诱发因素所致；只有10%的轴承可达到疲劳极限或设计寿命。

表2 轴承的失效形式及比例

扇形段轴承的失效原因主要有以下几个方面：

(1)安装、拆卸方法不当。轴承没有在洁净的环境中进行安装，安装时受到污染；轴承在安装、拆卸时使用工具及用力不当，导致套圈或保持架出现破碎、裂纹或变形；轴承安装对中性不好，配合过松或过紧等。

(2)工作环境恶劣。扇形段轴承长期在污染严重的环境中工作，如果密封效果不好，异物会进入轴承内部从而导致滚道和滚子表面出现压痕、啃伤(图1)或者轴承卡死。

(a)滚道面 (b)滚子表面

(3)润滑不良。扇形段轴承的润滑方式是集中润滑，如果液压缸或液压管路出现故障，轴承不能得到及时、充分润滑，滚道和滚子表面会因干摩擦而发热，出现磨损、剥落、变色等现象(图2)。

(a)外滚道表面 (b)滚子表面

(4)温度过高。扇形段轴承工作环境温度较高，轴承座采用内、外水冷结合的方式进行冷却。如果冷却装置出现故障或忘记开关阀门等将造成轴承过热而失效(图3)。

图3 套圈变色

(5)漏水。如果轴承座密封不好，冷却水、高温水及水蒸气进入轴承内部，将导致锈蚀、腐蚀现象(图4和图5)。

图4 锈蚀 图5 腐蚀

(6)再次使用的轴承未清洗干净或存在质量问题。扇形段在换辊时，拆卸下来的部分轴承经简单清洗后再次安装使用，由于轴承没有完全拆解，内部清洗不彻底，如有杂质残存于轴承内部，必然影响其使用寿命。使用过的轴承仅简单从外观上查看，发现不了内部缺陷，尤其是内滚道表面缺陷。如果存在质量问题的轴承继续使用，必然很快失效。

(7)辊缝设计不合理、操作不当等其他原因，会使轴承承受突发载荷，导致轴承卡死或断裂。

3 提高使用寿命的对策

(1) 改善安装、使用环境，采用正确的安装、拆卸方法。扇形段辊子定期修磨后，在清洁、干燥、相对恒温的环境中安装轴承，避免污染物进入轴承内部。轴承在安装与拆卸时，应根据有关要求，使用合适的工具谨慎安装和拆卸，禁止使用任何坚硬的工具直接敲击轴承表面。检查轴径和轴承座孔尺寸及精度，保证合适的过盈量。

(2) 改善润滑条件。选择合适的润滑剂，定期对轴承进行再润滑；及时检查液压缸及管路的工作状态，保证轴承得到及时、充分的润滑。

(3) 开机前先确定冷却水阀门是否开启，管路是否畅通，避免人为因素导致轴承得不到较好的冷却而烧伤。

(4) 定期检查辊缝及轴承座的密封情况，一旦发现漏水应及时处理。对轴承座冷却水流量、压力分区控制，实时监控，确保对轴承进行连续稳定的冷却。

(5) 改进辊缝设计，规范生产操作，避免因操作事故造成轴承提早失效。

(6) 对再次使用的轴承必须进行专业化清洗、检查和修复(再制造)，以期达到新轴承的各项技术指标，更好地满足使用要求。

(7) 对扇形段轴承进行统一编号，建立台账，跟踪记录其使用情况，发现问题及时汇报并采取有效措施。

4 轴承的清洗、全面检测和再制造

4.1 清洗

拆卸下来的轴承必须彻底清洗干净，应将滚子、保持架、隔圈从内外圈中拆解开来，用干净的煤油或清洗剂进行清洗，使各零件的外观、失效状态能够清晰地展现出来。为避免零件混乱，每套轴承都要分别编号，分开摆放。

4.2 全面检测

对每套轴承的零件及成品必须100%进行检查，判定轴承能否继续使用。

全面检测包括以下几个方面：(1) 各零件的材料分析、裂纹探伤、失效分析等；(2) 各零件的尺寸、精度、硬度、表面粗糙度等；(3) 成套轴承的旋转精度、游隙等；(4) 外观检测，包括表面腐蚀、锈蚀程度，滚道或滚子表面压痕深度、磨损及烧伤程度、疲劳剥落情况，保持架变形、磨损程度等。

如果轴承出现以下情况，则必须报废：(1) 套圈或滚子出现破碎、裂纹、严重锈蚀；(2) 滚道及滚子表面存在严重剥落、腐蚀坑；(3) 外滚道表面有明显突起，磨损严重；(4) 轴承内、外径尺寸超差或变形过大；(5) 套圈表面硬度低于58 HRC；(6) 保持架严重变形或断裂。

4.3 再制造

对可再利用的轴承，检查其损伤状况，制定不同的修复(再制造)方案。

如外形尺寸、旋转精度、径向游隙、硬度、旋转灵活性等均符合国家标准规定，不需任何处理各项性能指标均满足要求的轴承可继续使用。

如轴承的外形尺寸、旋转精度、径向游隙、旋转灵活性均符合国家标准规定，仅滚道或滚子表面有轻微磨损、擦伤或腐蚀、锈蚀，则通过抛光、擦拭等外观处理方法恢复轴承的性能，也可以通过不同轴承间的零件调配，重新组合成符合各项技术指标的新轴承。

如轴承滚道表面经过抛光、磨削等外观处理后径向游隙偏大，必须更换新的滚子以满足各项性能要求。

当轴承套圈的损伤程度较为严重时，由于该类轴承尺寸不大，更换套圈的费用较高，加工周期也较长，建议直接报废。

5 结束语

一年来对扇形段的运行情况进行跟踪，采取改进措施后，设备故障发生率大大降低，扇形段轴承的使用寿命明显提高，采购新轴承的数量及成本也得到了控制，每年可节约各项费用160多万元。