罩式退火炉炉台承重板裂纹分析与修复

2018-04-25供稿严升陆兆刚周茂涛杨华代永贵YANShengLUZhaogangZHOUMaotaoYANGHuaDAIYonggui

金属世界 2018年1期

供稿|严升，陆兆刚，周茂涛，杨华，代永贵 / YAN Sheng, LU Zhao-gang, ZHOU Mao-tao, YANG Hua, DAI Yong-gui

内容导读

炉台承重板作为罩式退火炉的重要设备，它的稳定运行对生产安全有着重大的影响。文章从工作环境、受力情况、安装精度及位置、材质等方面入手，运用有限元法，分析了承重板出现裂纹的原因，探讨了设备修复方法及注意事项，提高了设备的使用寿命，降低了设备维护成本。承重板裂纹修复方案确定后，共完成8件承重板的修复工作。修复后使用时间最长的承重板已使用一年以上，使用效果良好，承重板板面平整无变形，无裂纹再继续产生。承重板裂纹修复方案对类似工况及结构工件的维护方法、检查方式都有借鉴作用，为维修人员能更迅速、高效地查找出现故障的原因提供了参考。

罩式退火炉一般采用炉群化生产，而炉台承重板是罩式退火炉的关键设备。受退火生产工艺的影响，炉台承重板在生产周期内将承受反复交变的热应力[1]，如果出现问题将对生产稳定和机组运行安全造成重大影响。某钢铁公司冷轧厂在罩式退火炉群承重板投用1～2年后，部分承重板开始出现裂纹，并且裂纹长度随生产次数增加而不断增长。当承重板的裂纹长度增长到一定程度时，承重板将可能出现局部严重变形、塌陷等故障，属于安全生产的严重隐患，因此应该强制报废。但是，由于炉台承重板备件成本较高且数量较多，如果全部更换将导致退火炉芯轴报废，从而造成较大的浪费。因此，需要对炉台承重板断裂部分的原因进行分析，制定修复方案，并针对后续炉台承重板全新备件的结构及材质提出改造方案，才能更有效且低成本地解决该问题。

裂纹原因分析

在整个退火生产周期过程中，承重板主要在高低温不断交变的工作环境下承受钢卷的压力，经检测判断产生裂纹的原因为：承重板结构设计的缺陷和承重板选用材质耐热性偏低。

承重板结构形状影响

炉台承重板裂纹出现位置均处于同一位置并均布，同时裂纹在出现后往中部扩展过程中，均经过承重板上安装定位孔位置。安装定位孔为沉孔结构，并处于悬空状态，底板未支撑该部位，在90～100 t钢卷压力下，易产生应力集中，形成薄弱点。从出现的初始位置来看，裂纹均从承重板悬空处边缘出现，见图1。

图1 承重板裂纹位置

另外，承重板在工作过程同时承受30～700℃反复交变的温度变化，特别是在升温阶段，炉底板边缘和中央部分存在温差，因此边缘和中央部分的受热后热膨胀速率不一样，边缘膨胀得快，中央膨胀得慢，承重板不断遭受周期性的交变热应力作用，在承重板悬空的薄弱点——安装定位孔位置，受到反复变化应力的作用，容易产生应力集中，导致边缘首先出现裂纹并沿着定位孔位置逐渐向中央扩展，裂纹不断扩大，直至承重板报废[2]。

承重板材质影响

为分析承重板制造材料对裂纹产生的影响，对承重板取样后进行了金相分析。结果表明，材质中Ni含量极少，不足0.5%，导致承重板在高温下耐热能力、塑性和韧性相比不锈钢材质大幅降低，在≥700℃的高温中，承重板结构的薄弱区域易产生龟裂现象。

从对承重板产生裂纹的原因分析可知，承重板结构设计的缺陷及选用材质成分高温耐热性偏低，是导致承重板产生裂纹的主要原因。

修复方案及改进措施

为避免出现裂纹的承重板报废，尝试对承重板进行修复，同时针对承重板原有结构缺陷进行改进，使其满足生产工艺的要求。此次对承重板改进主要是有效利用原有旧件，材质的影响不可改变，因此以改进承重板结构，降低热变形及热应力为主要方向。

修复方案的确定与实施

从裂纹集中出现在承重板定位孔处可知，定位孔处截面积变化较大，属于应力集中部位，反复加热过程产生的热应力使冷却较慢的厚壁处受拉伸，冷却较快的薄壁处受压缩，导致受热应力后裂纹产生。通过加工改变承重板的结构，去除裂纹，同时降低承重板所受的热应力及变形量，达到消除裂纹影响，提高承重板寿命的目的，修复方案按以下几方面进行：

1) 对承重板中间板进行加热后初步校平，要求校平完成后承重板平面最高点与最低点的高度差＜5 mm。

2) 沿承重板中间板裂纹方向，加工完全贯穿承重板的止裂槽，将存在裂纹的区域全部切除以后，在止裂槽的末端，加工应力孔，使工件加工止裂槽后在受热状态下，起到形成伸缩缝并释放应力的作用，有效阻断裂纹延伸[3]。

3) 重新定位承重板安装位置。在止裂槽加工完成后，承重板装配后止裂槽边缘仍处于悬空状态，受力较差，为改善承重板的受力状况，将承重板以原设计安装位置为基准，顺时针旋转约8°～9°进行安装(见图2)。使止裂槽及定位孔均在底板支撑范围内，以便能在生产过程中，对止裂槽周围区域提供有效支撑，同时避免受热后限制承重板的热膨胀方向，使其沿承重板径向进行收缩，改善承重板薄弱区域的受力状况，有效消除应力集中。

图2 承重板修复完成后的装配图

承重板修复方案的有限元分析

根据承重板裂纹产生的原因分析及对应的修复方案，采用有限元分析软件对承重板修复前受力及变形量，修复后调整安装位置前后的受力及变形量进行分析，验证裂纹产生原因及调整承重板安装位置是否合理。

1) 承重板的预备模型工作。

利用三维软件分别建立承重板修复前、修复后的三维模型(见图3)，根据对承重板材质的合金成分分析，材料较为接近40Cro钢，设置材料的机械性能为：σb=757 MPa，σs=540 MPa，E=206 GPa。

已知承重板承受的最大钢卷重量为1 MN，受力集中在承重板上的垫板处，并受底板支撑，按照实际的工作情况，选用强迫位置约束选项，设置承重板法向禁止移动，同时依据承重板支撑底板结构约束的面积进行校正，同时考虑在实际应用中的安全性，所加载荷均取实际工作中的最大值，用于判断处于最危险时候的情况。

2) 承重板修复前受力情况分析。

在对修复前承重板模型进行网格划分后，应用ANSYS有限元受力分析软件进行分析验证，受力薄弱处(见图4)与实际产生裂纹处部位吻合，变形方向与实际裂纹延伸方向吻合。其中定位销孔处变形量最大，产生裂纹的原因为销孔薄弱处承受预应力。在实际工况中承重板同时承受重力及热膨胀力，叠加导致应力变形加剧，验证了此前关于裂纹产生原因的分析[4]。