軋輥金屬異物粘結(jié)機(jī)理及清除裝置設(shè)計(jì)

1、軋輥金屬異物粘結(jié)機(jī)理及清除裝置設(shè)計(jì) 陶功明 官旭東（攀鋼新鋼釩軌梁廠 四川攀枝花 617062）摘要 軋輥粘結(jié)異物是生成軋疤的主要因素之一，而軋疤又嚴(yán)重制約生產(chǎn)產(chǎn)能和質(zhì)量。本文分析了軋輥粘結(jié)氧化鐵皮機(jī)理，認(rèn)為初次粘結(jié)在軋輥上的金屬異物結(jié)合力小用較小力即可去除，而碾壓后與軋輥貼合只能用修磨方式去除。本文重點(diǎn)介紹了一種可直接去除粘結(jié)物的清除裝置，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、功能、使用方法、效果及裝置主要材料的選擇等進(jìn)行了描述。該裝置使用后大幅度降低了軋疤廢品率、提高了產(chǎn)能。關(guān)鍵詞 軋輥材質(zhì) 粘結(jié) 金屬異物 清除裝置 軋疤Mechanism of sticking of foreign metal matter o

2、nto roll and design of cleaning deviceTao gongming Guan xudong(Rail & Bean Plant of New Steel & Vanadium Co.,Ltd. Panzhihua 617062,Sichuan)Abstract： Sticking of foreign metal matter onto the mill roll has been one of the major factors for the generation of scar defect on the rail product,sca

3、r defect has severely restricted the productivity of the rolling line and the quality of the product. This paper studys on and analyse the mechanism of sticking of foreign metal matter onto the roll with the conclusion that first time sticking,due to small sticking force, can be easily removed with

4、small force, sticking pressed in the roll can only be removed by grinding. This paper focuses on a cleaning device which can clean and remove the sticking foreign matter onto the roll. The paper describes the design strcucture of cleaning device, function, application and operation, efficiency and m

5、aterial selection of cleaning device as well. Application of the cleaning device has considerably decreased the scraping rate due to scar and meantime increased the productivity of the rolling line.key words：roll material, sticking, foreign metal matter cleaning device, scab1前言攀鋼軌梁廠CCS機(jī)架萬(wàn)能軋機(jī)生產(chǎn)線可按任一國(guó)

6、際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)任一斷面的鋼軌，工藝裝備達(dá)到世界先進(jìn)水平。實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)尺軋制、長(zhǎng)尺冷卻、長(zhǎng)尺矯直、長(zhǎng)尺檢測(cè)、長(zhǎng)尺加工及100m長(zhǎng)定尺交貨。具有尺寸精度高，平直度高，表面質(zhì)量高等特點(diǎn)，所軋鋼軌已用于時(shí)速350km/h的京津高速鐵路線上。但是，在鋼軌軋制過(guò)程中，受原料表面質(zhì)量、溫度、導(dǎo)衛(wèi)安裝精度和軋輥材質(zhì)等多種因素影響，熱軋鋼軌表面產(chǎn)生軋疤質(zhì)量缺陷，每年因軋疤缺陷判廢的鋼軌多達(dá)數(shù)千噸，07年萬(wàn)能線鋼軌軋疤廢品率為0.56%，08年為0.51%。嚴(yán)重影響了鋼軌合格率和萬(wàn)能線產(chǎn)能。通過(guò)對(duì)鋼軌軋疤缺陷的產(chǎn)生因素進(jìn)行機(jī)理分析，針對(duì)其主要因素之一軋輥粘結(jié)氧化鐵皮問(wèn)題,設(shè)計(jì)開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的萬(wàn)能水平輥和萬(wàn)能立輥氧

7、化鐵皮清除裝置。該裝置的應(yīng)用大大降低了鋼軌的軋疤缺陷，提高了鋼軌班產(chǎn)能力。經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益十分顯著。2軋疤缺陷對(duì)鋼軌生產(chǎn)的影響2.1影響表面質(zhì)量高速及出口鋼軌標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定軋疤缺陷深度頭部不得大于0.30毫米,其它部位不得大于0.5毫米。部分出口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不得修磨，未經(jīng)修磨的鋼軌表面缺陷肉眼可見。同時(shí)，未修磨的軋疤缺陷中有尖角和直棱邊，在鋼軌使用過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋缺陷。部分國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)均要求對(duì)軋疤缺陷進(jìn)行修磨。修磨后的部位會(huì)出現(xiàn)凹坑，從外觀看剛修磨后的鋼軌缺陷部分明顯。尺寸比未修磨部位小，且顏色發(fā)亮，影響鋼軌的出廠檢驗(yàn)。同時(shí)，修磨不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生馬氏體（比如連續(xù)修磨時(shí)間太長(zhǎng)）使鋼軌在使用過(guò)

8、程中萌生裂紋缺陷。修磨不當(dāng)還會(huì)產(chǎn)生尖角或直棱缺陷，使用后演變?yōu)榱鸭y缺陷。2.2影響產(chǎn)能鋼軌軋疤缺陷的修磨,降低鋼軌精整產(chǎn)能。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，每修磨一處軋疤缺陷平均耗時(shí)2.7分鐘。因100米軌定尺較長(zhǎng)，只能采用在線檢查、在線修磨方式進(jìn)行生產(chǎn)，當(dāng)出現(xiàn)批量軋疤缺陷時(shí)，在線修磨將使探傷、矯直、軋制等各個(gè)前工序堵料停產(chǎn)；25米等短尺鋼軌的離線修磨，也會(huì)大量占用場(chǎng)地和人工，浪費(fèi)人力物力資源，對(duì)生產(chǎn)影響極大。根據(jù)國(guó)內(nèi)軌梁廠鋼軌生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，修磨缺陷中軋疤缺陷占87%。07年100軌在線修磨率為28%，班產(chǎn)能力低。熱軋產(chǎn)能損失較大。3軋輥粘結(jié)氧化鐵皮機(jī)理跟蹤萬(wàn)能軋機(jī)鋼軌表面軋疤缺陷產(chǎn)生因素，主要?dú)w為以下幾大類

9、：輥道運(yùn)輸撞擊軋線輔助設(shè)備、設(shè)施，進(jìn)鋼撞擊衛(wèi)板或孔型，衛(wèi)板材質(zhì)選擇不當(dāng)形成粘結(jié)，鋼坯缺陷切割渣脫落，軋輥粘結(jié)異物等。其中軋輥粘結(jié)異物形成的軋疤缺陷實(shí)物圖見圖1圖1軋輥粘結(jié)物形成的軋疤缺陷實(shí)物軋輥粘結(jié)異物的原因較多，主要為：軋件撞擊孔型使孔型掉肉；軋制材質(zhì)與軋件材質(zhì)接近類似膠結(jié)地粘在軋輥表面；軋輥上堅(jiān)固的氧化膜被破壞，破壞處軋件與軋輥摩擦系數(shù)增加，而形成粗糙面導(dǎo)致氧化鐵皮粘結(jié)在軋輥上。3.1軋件撞擊孔型軋件進(jìn)鋼不正撞擊軋輥使孔型缺損，形成周期性的軋疤缺陷。有時(shí)軋件上的金屬異物卡在軋邊機(jī)孔型中也會(huì)形成周期性的軋疤缺陷。初始粘附力較小易除掉。3.2軋輥材質(zhì)選擇目前U1、U2和UF軋輥均選用高碳半鋼軋

10、輥。軋輥成份性能見表1。正常情況下U1沒(méi)有出現(xiàn)軋輥粘結(jié)氧化鐵皮的現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)3道軋制后，進(jìn)入U(xiǎn)2軋制時(shí)，會(huì)產(chǎn)生粘結(jié)氧化鐵皮的現(xiàn)象，特別是立輥粘結(jié)頻次較高，每8小時(shí)會(huì)出現(xiàn)1-2次粘結(jié)修磨。U2軋制1道次后進(jìn)入U(xiǎn)F軋制時(shí)，在水平輥側(cè)壁粘結(jié)異物出現(xiàn)的頻次較高，平均每8小時(shí)修磨4-6次。表1 高碳半鋼軋輥的化學(xué)成份及性能CSiMnPSCrNiMo0.030.03硬度：55-60HS；抗拉強(qiáng)度：795Mpa；延伸率：1.2%從上述現(xiàn)象看，軋制壓下量越大，軋輥粘結(jié)異物越輕微，反之越嚴(yán)重；同樣，軋制溫度越高軋輥粘結(jié)異物越輕微，反之越嚴(yán)重。說(shuō)明每個(gè)機(jī)架的軋輥材質(zhì)選擇應(yīng)有所區(qū)別，不能選用同一軋輥材質(zhì)。單純從溫度角

11、度看，溫度越低軋件屈服強(qiáng)度越大，越接近軋輥瞬間高溫下的屈服強(qiáng)度，軋件表面越容易出現(xiàn)與軋輥類似膠結(jié)的狀態(tài)，屈服強(qiáng)度低的軋件金屬或氧化鐵皮越容易粘結(jié)在軋輥上。不同機(jī)架處的平均溫度見表2。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室獲得的不同溫度下U75V應(yīng)力應(yīng)變值見圖2表2 不同機(jī)架處的軋件平均溫度機(jī)架號(hào)U1U2UF平均溫度1000950900圖2（A）時(shí)的變形抗力曲線圖2（B）時(shí)的變形抗力曲線圖2（C）時(shí)的變形抗力曲線從上圖看出，溫度每降低50，屈服強(qiáng)度便增加50MPa左右。因此溫度越低，屈服強(qiáng)度與軋輥瞬間高溫屈服強(qiáng)度越接近。異物與軋輥在初始粘結(jié)時(shí)，粘結(jié)力較小，易于清除。3.3 氧化膜破壞從表1可以看出，高碳半鋼軋輥碳含量高但鉻

12、含量更高，因此軋輥主要考慮的是提高軋輥硬度及強(qiáng)度的問(wèn)題。對(duì)軋輥的防粘結(jié)性能考慮較少，也就是說(shuō)軋輥中沒(méi)有足夠的碳形成自潤(rùn)滑的防粘功能。軋輥在高溫、高速、大壓下量和驟冷驟熱條件下工作，表面氧化膜周期性地承受著巨大的交變應(yīng)力。達(dá)到一定疲勞極限后,輥面氧化膜中微裂紋在裂紋源處產(chǎn)生、擴(kuò)展。當(dāng)裂紋尺寸長(zhǎng)大到一定程度時(shí)，垂直于輥面的裂紋與平行于輥面的裂紋匯合，在軋輥和軋件之間強(qiáng)大剪應(yīng)力作用下,輥面氧化膜產(chǎn)生剝落。一旦軋輥輥面氧化膜出現(xiàn)剝落，剝落的氧化膜會(huì)粘結(jié)在軋件上，在下一孔型中形成小軋疤。同時(shí)，軋輥輥面氧化膜剝落后,輥面變得相當(dāng)粗糙,在軋件變形區(qū),前后滑的作用使軋輥與軋件具有相對(duì)運(yùn)動(dòng),此時(shí)輥面凹入的部分對(duì)

13、軋件表面的氧化鐵皮或金屬起到存儲(chǔ)和刮削的作用，形成一個(gè)初始粘結(jié)物。當(dāng)下一支軋件進(jìn)入時(shí)，存儲(chǔ)和刮削的氧化鐵皮或金屬就壓入軋件表面形成小軋疤。如果金屬異物不掉，則下一支軋件表面與粘結(jié)異物性質(zhì)相同的氧化鐵皮或金屬又覆蓋其上，反復(fù)碾壓后使該處所粘結(jié)的金屬異物越積越大，越粘越牢固，從而在輥面形成大的凸塊。氧化膜的剝落程度在初期比較嚴(yán)重，也比較粗糙，以后逐漸減輕，直至輥面新的氧化膜最終重新建立。因此在實(shí)際生產(chǎn)中可以看到，氧化鐵皮缺陷產(chǎn)生初期比較嚴(yán)重（特別是UF）,以后逐漸減輕。這與氧化物中Cr含量的變化規(guī)律是一致的。從以上分析和實(shí)際生產(chǎn)觀察，粘結(jié)物在第一次粘結(jié)時(shí)，與軋輥結(jié)合不緊密，可以輕易去除。但當(dāng)軋輥旋

14、轉(zhuǎn)一周時(shí)，粘結(jié)物或壓入軋件本體形成軋疤?；蚶^續(xù)粘結(jié)在軋輥上，由于已受到大的軋制力作用，與軋輥本體緊密貼合，只有通過(guò)砂輪修磨方式才能去除。如圖3。 圖3 經(jīng)反復(fù)與軋件接觸后的軋輥粘結(jié)物4 去除軋輥表面粘結(jié)物的裝置軋輥表面的粘結(jié)物，目前有多種方法進(jìn)行去除。如：潤(rùn)滑軋制技術(shù)，高壓水噴射軋輥表面，優(yōu)化軋輥材質(zhì)等。但上述方法投入均較大，且清除效果較差，還會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染和能源消耗。根據(jù)萬(wàn)能軋機(jī)的特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了直接接觸軋輥工作面的異物清除裝置，可使粘結(jié)物在受到下一軋制力之前被清除掉。4.1裝置結(jié)構(gòu)萬(wàn)能軋機(jī)軋輥位于上、下、左、右四個(gè)方向，其中去除萬(wàn)能軋機(jī)上水平輥和下水平輥表面粘結(jié)物的裝置結(jié)構(gòu)相同。去除萬(wàn)能軋

15、機(jī)頭部立輥和底部立輥表面粘結(jié)物裝置的結(jié)構(gòu)相同。下水平輥和底部立輥結(jié)構(gòu)描述如下：(1)水平輥表面粘結(jié)物清除裝置結(jié)構(gòu)將植有鋼絲毛刷子的活動(dòng)板與固定框架通過(guò)調(diào)整螺栓、螺旋彈簧和滑動(dòng)板連接到一起。水平輥孔型位置每一個(gè)面都按其形狀設(shè)置一套植有鋼絲毛刷子的活動(dòng)板；然后將這些植有鋼絲毛刷子的活動(dòng)板及其固定框架組合成與水平輥孔型相匹配的形狀，最后安裝在一個(gè)整體框架內(nèi)，再將這個(gè)整體框架固定在下水平輥的出口衛(wèi)板上。具體結(jié)構(gòu)示意見圖4。圖4 萬(wàn)能水平輥粘結(jié)物清除裝置圖 (2)立表面粘結(jié)物清除裝置結(jié)構(gòu)將植有鋼絲毛刷子的活動(dòng)板與固定框架通過(guò)調(diào)整螺栓、螺旋彈簧和滑動(dòng)板連接到一起，然后將這個(gè)框架固定在立輥軸承座內(nèi)部的空隙內(nèi)

16、，在立輥軸承座的入口側(cè)和出口側(cè)對(duì)稱布置。刷體結(jié)構(gòu)同水平輥。具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖5。圖5 萬(wàn)能立輥粘結(jié)物清除裝置圖分。立軋輥異物裝置安裝在萬(wàn)能軋機(jī)立軋輥?zhàn)w側(cè)壁上，如圖4、圖5所示，刷頭7在彈簧力的作用下與軋輥8孔型面接觸，軋輥8孔型面與刷頭7及其調(diào)整范圍相適應(yīng)。4.2 粘結(jié)物清除裝置功能鋼軌在萬(wàn)能軋機(jī)中軋制時(shí)，上、下水平輥軋制鋼軌的腹腔，底部立輥軋制鋼軌的軌底，頭部立輥軋制鋼軌的軌頭，這幾個(gè)部位的軋輥表面都容易粘結(jié)異物。因此，這種去除萬(wàn)能軋機(jī)軋輥表面粘結(jié)物的裝置要按上、下水平輥、鋼軌頭部立輥和鋼軌底部立輥分別配置。同時(shí)裝置具備以下功能：(1)軌軋制過(guò)程中，隨著軋輥的轉(zhuǎn)動(dòng)，軋輥表面與鋼絲毛刷子之間

17、產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，在滑動(dòng)摩擦力的作用下，鋼絲毛刷子能夠?qū)④堓伇砻嫠辰Y(jié)的異物刷除掉。(2)裝置與軋輥表面直接接觸，軋輥冷卻水隨時(shí)澆在裝置上，因此裝置上配備的鋼絲毛刷子要能耐腐蝕、不生銹。4.3清除裝置主要部件選擇(1)鋼絲選擇鋼絲刷毛的受力分析圖6鋼絲刷毛的受力分析圖N為鋼絲與軋輥孔型面密切接觸的力，即鋼絲對(duì)軋輥孔型面的正壓力，它與彈簧的彈力大小相等；F為鋼絲對(duì)軋輥孔型面的刷洗力，它與摩擦力f的大小相等，方向相反。F、N之間的數(shù)值關(guān)系式為：F=N(為摩擦系數(shù))由于各鋼絲尖與軋輥孔型面直接接觸，它們之間的摩擦系數(shù)接近于1，故彈簧的彈力近似認(rèn)為等于鋼絲對(duì)軋輥孔型面的刷洗力。鋼絲刷洗力條件為：清除輥面異

18、物的力鋼絲的刷洗力F鋼絲的彈性極限根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，刷除輥面異物的力約500牛頓。故鋼絲刷毛的刷洗力F500牛頓鋼絲材質(zhì)選擇由于鋼絲刷毛的工作環(huán)境溫度較高，油、汽、水等污物較多，要求鋼絲具有耐油防銹功能，故選擇不銹鋼絲。鋼絲直徑和長(zhǎng)度選擇64l3 F = 3Ed4 d：毛刷子鋼絲直徑 l：刷毛長(zhǎng)度 E：不銹鋼絲彈性模量=19400根據(jù)該裝置上線使用的實(shí)際工作空間，選擇刷毛長(zhǎng)度為15mm，則鋼絲刷毛的直徑為：64l3 64*153d4 = 3EF 3*3.14*19400*500= 0.00236d0.225mm通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，既能保證刷洗效果，又能減少鋼絲彎曲變形，選擇鋼絲刷毛直徑為d=1

19、.5mm。（2）彈簧的選擇因軋機(jī)機(jī)架內(nèi)空間有限，彈簧占位不能過(guò)多，故選用扭轉(zhuǎn)彈簧。見圖7 圖7 彈簧形狀圖彈簧材料的選擇：由于彈簧安裝在導(dǎo)衛(wèi)裝置上，其工作環(huán)境溫度較高，油、汽、水等污物較多，要求彈簧具有耐油防銹功能，故選擇不銹鋼彈簧。彈簧直徑的選擇：彈簧常數(shù)：用字母k 表示，即當(dāng)彈簧被扭轉(zhuǎn)時(shí)，每增加1°扭轉(zhuǎn)角的負(fù)荷(kgf/mm)。彈簧常數(shù)公式（單位：kgf/mm）：k=(E*d4 )/(1167*Dm*P*N*R)E=鋼性模數(shù)：琴鋼絲E=21000 ,不銹鋼絲E=19400 ,磷青銅線E=11200，黃銅線E=11200；d=線徑；Do=OD=外徑；Dm=MD=中徑=Do-d；N=總?cè)?shù)R=負(fù)荷作用的力臂；p=3.1416根據(jù)該裝置上線使用的實(shí)際空間大小，選擇Dm =中徑=70mm，N=3，R=30mm，K=30kgf/mm，則：d4 =k*(1167*Dm*P*N*R)/E=30*(1167*70*3.1416*3*30)/19400=35718d =1