热连轧机精轧活套辊断裂分析与改进

2020-12-29吴长杰张会明东占萃周广成李会生王艺霖尹贵祖

矿冶 2020年5期

吴长杰张会明东占萃周广成李会生王艺霖尹贵祖

(北京首钢股份有限公司，河北迁安 064406)

精轧机活套是热连轧机重要的调节设备，目前多采用低惯量液压活套，轧机活套设置在相邻轧机之间，由液压缸驱动，为了保证活套的快速响应，活套辊采用中空薄壁结构。随着轧线产品品种的不断拓展及工艺优化，轧机间带钢张力设置也在不断变化，活套辊频繁出现瓢曲变形、甚至断裂的设备故障，对生产稳定造成严重影响。为满足不断变化的工艺要求，不断优化活套设备[1]，保证设备运行可靠，对于热轧生产稳定及质量提升具有重要意义。

1 精轧机活套设备功能及结构介绍

活套是热连轧机精轧机组重要的结构设备，设置在精轧机组相邻机架间[2]，其主要作用为：1)缓冲金属流量的变化，给控制调整时间，并防止成迭进钢；2)调节各架的轧制速度以保持连轧常数，当各项工艺参数产生波动时，发出信号和命令快速进行调整；3)带钢在一定范围内保持恒定小张力，防止因张力过大引起缩颈现象，造成宽度不均甚至拉断。

精轧机活套由活套液压缸、活套架及活套辊组成。其中，活套液压缸采用低磨损设计，以降低液压缸本体摩擦力；活套架采用镂空花架设计，活套辊采用空心薄壁辊，在保证设备强度的同时尽量减少本体重量，以降低设备转动惯量，满足活套快速响应的要求[3]。活套辊本体材质为德标S355J2G3，对应于国内牌号为Q345B。

2 精轧活套辊频繁出现断裂故障分析

2.1 精轧活套辊频繁出现断裂统计

2017—2018年，精轧活套辊频繁出现断裂故障(见表1)，先后发生7次活套辊断裂故障，如图1所示，活套辊断裂均发生在前部机架，主要发生在轴颈位置，且断裂形貌基本一致。其中F1发生5次，F2发生2次，造成设备故障停机时间超过500 min，严重影响了生产的正常运行，同时工艺张力设定无法正常设置，活套辊频繁断裂问题已经成为制约轧线生产的重要影响因素。

表1 活套辊断裂统计结果Table 1 Statistical result of looper fracture

图1 活套辊断裂位置Fig.1 Location of looper roll fracture

2.2 活套辊断裂原因分析

针对精轧机活套频繁断裂故障，经断口形貌分析，活套辊断裂为受较大弯矩造成的断裂，因此，重点对辊道受力及材质进行了分析。

2.2.1 活套辊材质及探伤分析

活套辊为多次修复重复使用备件，长期使用容易使辊道出现疲劳损坏，由于此活套断裂辊颈位于设备内部，为了对辊颈疲劳状态进行检测，在辊道修复解体时对辊颈位置进行探伤检测，对活套辊材质进行了化验，结果表明辊道无明显异常缺陷，活套辊德标材质为S355J2G3，对应于国内牌号为Q345B，屈服强度345 MPa，成分(%)C<0.20、Si<0.55、Mn<1.60，材质成分符合图纸要求。

2.2.2 活套辊受力分析

2017年10月，由于轧制工艺调整，将带钢张力进行了上调，带钢张力值由原来的10 MPa提升至18 MPa，活套辊本体受力也急剧增加，因此对带钢张力调整后活套辊受力进行了重新分析。

活套辊主要作用为平衡机架间带钢张力，其受力与带钢张力密切相关。如图2所示[4]，在带钢张力T的作用下转化为对活套辊辊身的竖直压力W。

图2 带钢张力转化示意图[4]Fig.2 Structure diagram of strip tension[4]

在忽略带钢重力及与活套辊摩擦力的前提下，带钢张力对于活套辊辊身的压力可以简化为式(1)，计算结果见表2。

表2 活套受力数据Table 2 Force data of looper

W=T×tanα+T×tanβ

(1)

其中，T—带钢设定张力，N/mm2；W—辊身承受压力，N；α—带钢与水平夹角，°；β—带钢与水平夹角，°。

为了进一步验证活套辊辊身强度，通过有限元仿真软件对辊身强度进行了校核计算，受力条件及参数设计均采用现场实际受力数据，分析结果如图3所示。

图3 活套辊应力计算结果Fig.3 Stress calculation of Result looper roll

从图3可知，带钢张力调整后活套辊辊颈最大应力达到365.21 MPa，超出活套材质的屈服极限345 MPa，且不排除带载瞬间出现带钢张力远远超出材料屈服极限的情况。应力最大位置发生在活套辊辊颈过渡区，和现场断裂位置吻合。考虑到计算忽略了带钢重力及摩擦，同时考虑带钢冲击作用，实际活套承受载荷还可能更大。

综合考虑，2017年10月对带钢张力进行了增加，各机架活套承受压力均有不同程度增加，其中F1承受弯矩最大，存在应力超出屈服极限的情况发生，导致辊颈出现一定程度的损伤缺陷，最终造成断裂。