转炉倾动机构连接叉联接螺栓断裂原因分析与对策

2015-03-10供稿关晓光尚玉滨汪碧威GUANXiaoguangSHANGYubinWANGBiwei

金属世界 2015年4期

关键词：唐钢螺帽扭力

供稿|关晓光，尚玉滨，汪碧威/ GUAN Xiao-guang, SHANG Yu-bin, WANG Bi-wei

Analysis and Countermeasures about Bolts Fracture of Connect Fork in Tilting Mechanism of Converter

供稿|关晓光1，尚玉滨2，汪碧威2/ GUAN Xiao-guang1, SHANG Yu-bin2, WANG Bi-wei2

作者单位：1. 河北钢铁集团唐山科技职业技术学院，河北唐山 063016；2. 河北钢铁集团唐钢公司热轧部，河北唐山 063016

内容导读

文章从材质、氢脆性、力学性能、结构和预紧力5个方面对唐钢热轧部150 t转炉倾动机构连接叉螺栓断裂的原因进行了分析，指出了螺栓断裂由螺栓本身结构及预紧力不足所致，通过计算确定了预紧力的范围，并在最后给出了防止螺栓断裂的对策。

唐钢热轧部现有150 t转炉3座，均采用全悬挂式的倾动机构。对于此种倾动机构，为了防止悬挂在耳轴上的传动装置绕耳轴转动，均设有抗扭转缓冲装置，通过抗扭转装置将传动装置的反力矩传递到基础上。唐钢热轧部150 t转炉倾动机构采用的是如图1所示的扭力杆抗扭转缓冲装置。

自2009年投入使用以来，3座转炉共发生过上下连接叉联接螺栓断裂事故6次，均为单侧4条M64螺栓全部断裂，出钢侧2次，加料侧4次。由图1可以看到，上连接叉与倾动减速机相连，下连接叉与扭力杆相连，它们的联接螺栓一旦发生断裂，扭力杆抗扭缓冲装置失效，将导致倾动减速机损坏、炉内钢水因惯性溅出等事故，影响生产。

原因分析

图1　转炉倾动机构扭力杆抗扭缓冲装置

查阅相关螺栓断裂案例和文献后，本文对螺栓断裂的原因从以下5个方面进行考虑，即材质，氢脆性、力学性能、结构和预紧力(矩)。

材质

根据设计图纸，上下连接叉的联接螺栓的材质为42CrMo，因此采用光谱分析法对断裂螺栓(共4条)的化学成分进行了分析，测试结果及标准值见表1，可见该螺栓的化学成分符合标准要求。

氢脆性

42CrMo高强度螺栓制作过程中需要经过调质热处理，在较高的加热温度下，氢容易渗入螺栓应力集中的区域，使该区域的材质发生脆化现象，进而在使用过程中发生断裂，如螺栓头杆结合。本文所涉及的螺栓断裂位置均在螺栓头杆结合处，因此对断裂螺栓的氢含量进行了分析。首先在断口附近取样，再经清洗后用测氢仪对样品氢含量进行了测定，结果见表2。

由表2可见，断裂螺栓表面处的氢含量较高，应为高强螺栓经表面渗碳处理的缘故，但氢含量并未超过标准值，可以排除螺栓因氢脆而断裂的原因。

表1　断裂螺栓的化学成分(质量分数)%

表2　断裂螺栓的氢含量

力学性能

对断裂的螺栓取样进行拉伸试验和冲击试样，测试结果及标准值见表3，可见这些螺栓的机械性能没有问题。

表3　断裂螺栓的力学性能

结构

GB/T5782—2000标准中规定，螺帽与螺杆的过渡圆角最小应为2 mm，而如图2所示的螺帽断面图可见，此处的圆角很小，经现场测量仅为1 mm。圆角结构对应力集中影响很大，而应力集中是导致螺栓断裂的一个重要原因。因此可以得出螺帽与螺杆的过渡圆角过小是螺栓断裂的原因之一。

预紧力(矩)

◆ 预紧力及预紧力矩

预紧可以提高螺栓连接的可靠性、防松能力和螺栓的疲劳强度，增强连接的紧密性和刚性，但过大过小的预紧力均是有害的。过小预紧力虽然能使螺栓上循环变化的总载荷的平均值减小，但却使载荷变幅增大，总的效果仍是使螺栓疲劳寿命下降。而预紧力过大，则螺栓可能被拧断，联接件被压碎、咬粘、扭曲或断裂，也可能使螺纹牙被剪断而脱扣。因此有必要将预紧力及预紧力矩控制在一定范围之内。

图2　螺帽断面图

◆ 实际预紧力测试

在日常的安装及检修维护中，唐钢热轧部对转炉倾动机构上下连接联接螺栓的紧固一直采用的是用敲击扳手加大锤敲击的方式，该方式因操作人员的差异，紧固效果有较大的差距。因此我们对采用此种方式的预紧力大小进行了测量，以查明是否满足要求。测量方法如下：

在测试螺栓的六角头中心部分钻一个直径2 mm的盲孔，在孔内安装埋入式应变计，对其进行封胶固化，之后在试验机上进行标定。因为应变片在弹性范围变化，因此得到标定曲线近似为一条直线，这样我们就得到了螺栓所受轴向的预紧力与轴向应变之间的关系。随后将装有应变计的螺栓安装在结构上，用敲击扳手加大锤敲击的方式进行落实的紧固。应变仪会采集螺栓轴向的应变数据，最后根据标定曲线将应变换算成螺栓的预紧力。表4中给出了8条测试螺栓的终拧完成后预紧力。

通过表4可以看到，8条待测螺栓的预紧力均未在计算范围之内，与计算范围中的最小值相比仍有一定差距，而预紧力不足将导致螺栓联接产生松动，进而发生螺栓疲劳断裂。

表4　测试螺栓的预紧力

对策

通过上面的分析，得出导致倾动机构连接叉联接螺栓断裂的原因主要有两个，其一是螺帽与螺杆过渡圆角的结构问题，其二是预紧力不足的问题。针对上述两个原因，采用以下两种对策来解决。

(1) 螺帽与螺杆的过渡圆角因螺栓孔的限制以及螺帽与被连接件接触面积的要求，尺寸可变化的范围有限，应力集中问题无法有限避免。因此这里直接弃用螺栓，而用双头螺柱来代替，彻底消除该处因应力集中导致螺栓断裂的潜在危险。

(2) 采用液压扭矩扳手来控制预紧力达到要求。根据上面求得的预紧力P0，根据预紧力矩计算公式：Mt=K×P0×d(其中：K为拧紧力系数，根据设计手册K取0.24；d为螺栓大径64 mm)，可求得Mt=13.7~19.2 kN·m，当液压扳手的扭力值读数达到此范围后，即停止拧紧操作，保证预紧力在合理范围之内。另外要注意，拧紧螺栓时一定要在联接螺栓不受力时进行。即当某一侧螺栓发生断裂后，将转炉慢缓慢摇至反方向，此时螺栓拉断侧上下连接叉相互挤压，更换新螺栓时螺栓不受力，预紧力可得到可靠保证。