热轧板带轧机牌坊螺栓孔的修复再制造探讨

2022-03-21周武军邹新长周振宇

设备管理与维修 2022年4期

周武军，邹新长，周振宇，熊雄，何勋

（1.岳阳大陆激光技术有限公司，湖南岳阳 414000；2.湖南理工学院，湖南岳阳 414000；3.新余钢铁集团有限公司，江西新余 338000）

0 引言

轧机牌坊是热轧板带轧制过程中最重要的设备，对板带成品率影响最大的板型控制技术就取决于牌坊的精度[1]。轧机牌坊一般为普通碳钢材料，在板材轧制生产过程中高温冷却水腐蚀、轴承座与牌坊配合面之间产生的拍击作用，使得牌坊衬板逐步产生间隙，紧固螺栓失去紧固作用。在衬板受到拍击条件下，螺栓产生轴向微运动，加大牌坊螺栓孔螺纹的接触面积，更加剧了螺栓与螺栓孔的磨损，易产生滑丝，进一步加大衬板与牌坊的间隙。在某些极端工况下，螺栓孔强度无法约束螺栓的运动，衬板产生瞬间滑动，对螺栓形成剪切作用并将其切断，衬板失去螺栓的紧固后起到相应的作用（图1）。这不仅加大了轧制难度，也加大了辊系对平衡缸、轧机牌坊的冲击磨损，形成恶性循环，严重影响板带板型精度控制与安全生产。螺栓孔的优劣已成为牌坊精度保持能力的重要指标，是影响牌坊轧制产品质量的一个重要因素。

图1 冷却水腐蚀后被破坏的螺栓及其衬板配合面

轧机牌坊本体螺栓孔的修复方法主要分为3 种[2-4]，分别是扩孔修复技术、螺栓孔现场堆焊再制技术以及镶内外丝套修复再造技术。其中，前两种方法已有较为成熟的修复方法和实践，而牌坊现场螺栓孔采用镶内外丝套再造技术无应用经验，尚处于摸索阶段。

（1）扩孔修复技术。螺栓孔损伤后，存在滑丝和腐蚀现象。针对小于M20 的螺栓孔，现场修复可采用扩孔攻丝的方法进行修复。该修复工艺技术不复杂，简单快速，在原有螺栓孔的基础扩大一个级数即可。在现场采用扩孔机具如磁力钻和内磨机，选择扩大后的螺栓孔的丝锥进行攻丝，经头攻丝和二攻丝后，能满足装配的要求。该方法的缺点是，扩孔处理后的螺栓孔需要重新配制相应的螺栓。

（2）现场堆焊再制技术。螺栓孔损伤后，M48 或以上的较大的螺栓孔一般采用堆焊的修复工艺技术方法进行修复。牌坊本体材料一般为25#或35#钢，考虑到作业机具和效率，现场对螺栓孔的修复作业时采用与本体材料相同的焊条或焊丝对其进行填堵。该方法需要先对损伤后的螺栓进行清理打磨，用内磨机将损伤的螺纹全部清理干净，现场使用焊机配合，电焊或气体保护焊对打磨清理后的孔进行逐层填补，填堵后经钳工人员进行粗打磨、划好孔的中心点，用磁力钻机具钻底孔和攻丝（某些大的螺栓孔的钻孔攻丝还需要特定的装备才能完成），才能完成对螺栓孔原有尺寸大小的修复。该方法能实现螺栓孔原始尺寸的恢复，在性能上没有太多差别，但是为降低现场攻丝作业的难度，堆焊一般不选择高强度和防腐蚀性能的材料。

1 镶内外丝套修复再造技术

牌坊整体修复的工期一般为5～7 d，处理损伤的螺栓孔是整个修复项目中一个重要环节，螺栓孔的是否完好也是决定牌坊的精度保持能力的一个重要指标。采用磁力钻+电磨机完成现场的钻孔和攻丝作业，丝套提前预制准备可大大节约现场修复时间。丝套材料的选择范围广泛，可以根据不同的需要，选择比基材强度等级高的材料提升螺栓孔的使用寿命，同时材料的耐腐蚀性能应优于基材，以更好地承载力和抗疲劳强度的性能。

新余钢铁集团有限公司镶内外丝套修复再造技术经历了两个发展阶段。

1.1 外光面钢丝套

早期采用的钢丝套，内孔为要求螺栓孔标准螺纹和牙距，外圆为光面（图2），与牌坊本体采用过盈配合方式进行镶套，对接缝处小面积封焊处理。此处的焊接量不宜过大，在钢套的接缝端外圆倒坡口，用变形小的氩弧焊，焊后打磨平整。该方法的缺点是在实际操作过程中，原有的螺栓孔需要钻孔扩大，达到与钢丝套外圆配合尺寸要求，钻孔扩大采用磁力钻，出现内孔的尺寸和形位公差超标，内孔的粗糙度不符合要求，装配后实际受力配合面积甚至不足50%，配合面产生的摩擦力未达到设计要求，紧力靠氩弧焊焊接强度维持。在生产使用一个周期后出现丝套脱落的情况、被螺栓整体拉出，无法达到预期要求。

图2 外圆为光面的钢丝套（最初的螺栓套）

1.2 外圆细牙钢丝套

针对外光面钢丝套出现的问题，采用内外都是螺纹方式，内孔采用标准的螺纹和牙距，外圆采用标准的细牙方式。以M42×65 的螺栓孔为例，预制内外丝套，内孔为M42×4.5 粗牙，外圆为M52×2细牙（图3a））。外圆采用细牙螺纹，深度浅，可以缩短修复工期、减少现场作业的时间。

图3 外圆细牙螺纹的钢丝套

虽然改后的螺栓孔和原有的螺栓孔强度没有发生变化，在实际操作过中，由原来的光孔变成螺纹孔，在增加了结合强度，但也增加了作业时间和劳动。同时，细牙螺纹加工质量的优劣受磁力钻的精度和作业人员的技能的差异的影响，易产生孔的细牙和丝套外细牙相互咬死现象发生。

为了增加内外丝套与本体的结合强度，在外圆上增加5～15 mm 的空档焊接区域（图3b）），在钢丝套的受力强度上比全丝扣的钢丝套要增强很多。此焊接区域为丝套与牌坊本体手工氩弧焊堆焊区域，效果优于不焊接的丝套，但在实际运行过程中也出现过丝套焊接区域脱焊现象。

1.3 外圆粗牙钢丝套

细牙螺纹缺点是抗拉值、强度较粗牙低，且螺纹容易损伤，不能多次拆装，同时配套的螺栓孔也要同等精确，尺寸稍有误差，容易使得丝套按照出现不可见的问题。针对外圆细牙丝套的缺陷与不足，改进设计为外圆粗牙螺纹。粗牙螺纹的特点是具有较高的强度，互换性好，且有标准可对照。

结合上述两种情况和实际运行出现的问题，在现有的基础上再次进行改进，由原来设计的外细牙M52×2 螺纹改为粗牙M56×4 螺纹，外圆一端相应减少1～3 扣牙距作为空档区（图4）。螺栓孔修复再造过程中，利用英国优尼博UNIBORE100FR PLUS 磁力钻进行现场作业，该磁座吸力高达35 000 N，钻孔直径1～100 mm、主轴转速50～450 r/min，具有过热过载保护、无级调速功能。该设备主要完成原损伤螺栓孔的中心点的定位、扩孔和攻丝作业（如下图所示攻丝后的效果图），解决了螺栓孔的抗腐蚀能力和强度。经镶丝套、手工氩弧封边处理、钳修打磨、过丝处理，完成螺栓孔的修复作业。

图4 外圆粗牙螺纹的钢丝套及粗牙孔

2 螺栓孔衬板配合面激光熔覆修复再制造

螺栓孔衬板配合面的高精度，对于减小衬板与牌坊间的间隙，减小轧制过程中对螺栓的剪切冲击力，提高螺栓孔的使用寿命具有重要意义。在轧机牌坊的再修复过程中，首先通过机加工除去轧机牌坊表面腐蚀产物；然后采用激光熔覆再制造加工技术在衬板配合面表面熔覆一层0.4～0.5 mm 厚的金属功能层，提高牌坊本体表面的耐磨损、耐蚀耐磨性能，提升轧机牌坊的使用要求；最后通过机加工精整提高表面质量和加工精度（图5）。

图5 螺栓孔衬板配合面激光熔覆加工

激光熔覆技术不仅可以有效解决轧机牌坊的腐蚀磨损和抗冲击的问题，还可以避免传统表面加工方法无法克服的工艺热变形、组织粗大、热疲劳损伤、结合强度低等技术难题[5-6]。另外，轧机牌坊配合面的抗腐和抗磨损能力的提升，可以保证轧机牌坊和衬板面的间隙，减少对螺栓孔的腐蚀、磨损和冲击，增强轧机牌坊的使用精度保持能力。