硬質(zhì)合金軋輥在高速線材精軋機(jī)組中的應(yīng)用

硬質(zhì)合金軋輥在高速線材精軋機(jī)組中的應(yīng)用

邯鄲鋼鐵集團(tuán)有限公司有限的一條直線廠的精壓機(jī)采用碳化鋯聯(lián)合輥。初始徑為216mm，最大設(shè)計直徑為200mm。該輥由3部分組成:碳化鎢輥環(huán)、鋼質(zhì)輥套和端蓋。輥環(huán)和輥套用粘結(jié)劑粘和在一起后,蓋上端蓋壓緊而成,其結(jié)構(gòu)見圖1。采用組合結(jié)構(gòu)軋輥較之整體的碳化鎢輥環(huán)有很多優(yōu)點,既利用了碳化鎢的高耐磨性、高硬度,又利用了鋼材的良好韌性。高速線材精軋機(jī)組采用懸臂式結(jié)構(gòu),軋輥裝配時,輥先套在懸臂輥軸上,然后把一圓錐軸套插入軋輥與輥軸之間,在圓錐軸套上施加一液壓力,依靠過盈配合,保證軋輥與輥軸之間的連接強(qiáng)度,使得軋制時在力矩的作用下不產(chǎn)生相對滑動,見圖2。但軋輥在使用過程中經(jīng)常受損,如裂紋、碎輥等,嚴(yán)重影了生產(chǎn),使得軋制成本居高不下。筆者通過對軋工作時的環(huán)境因素、受力進(jìn)行分析,試圖找到軋輥壞的原因。1抗彎疲勞分析1.1碳化銻用應(yīng)力一般軋輥在工作時,對離心力不予考慮,但是高速線材精軋機(jī)組軋輥轉(zhuǎn)速高,目前線材最高速度已超過1000rad/s,邯鋼線材廠軋輥最高轉(zhuǎn)速亦達(dá)到了720rad/s,故對離心力的作用不容忽視。對離心力的計算可假設(shè)軋輥為有孔厚壁圓筒,其計算如下。徑向應(yīng)力:切向應(yīng)力:式中:μ為泊松比,對碳化鎢軋輥μ=0.22;ρ為材料密度,對碳化鎢軋輥ρ=13.5g/cm3;ω為角速度,ω=720rad/s;r2為外圓半徑,r2=0.216m;r1為中心孔半徑,r=0.11m;r為任一點半徑。最大徑向應(yīng)力發(fā)生在1處,最大切向應(yīng)力發(fā)生在中心孔內(nèi)徑上(r=r1)。取r=r1=0.11代入式(1)、式(2)計算得σr1=0,στ1=2.79×108N/m2。1.2熱應(yīng)力的計算軋輥在軋制時,一方面要接觸到1000℃的軋件而受到熱傳遞,另一方面要受到冷卻水的冷卻作用。當(dāng)穩(wěn)定軋制時,軋輥溫升亦達(dá)到穩(wěn)定,軋輥表面溫度要比心部溫度高,由于溫差,在軋輥內(nèi)部產(chǎn)生一熱應(yīng)力,其熱應(yīng)力的計算可簡化為一長厚壁圓筒的熱應(yīng)力計算。當(dāng)溫度線性分布時,沿壁厚的應(yīng)力為徑向應(yīng)力:切向應(yīng)力:式中:α為熱膨脹系數(shù),對碳化鎢軋輥α=6.0×10-6℃-1;Δt為內(nèi)外表面溫度差;E為彈性模量,對碳化鎢軋輥E=5.5×1011N/m2。最大切向應(yīng)力發(fā)生在中心孔內(nèi)徑上(r=r1)取r=r1=0.11代入式(3)、式(4)計算得:σr2=0,1.3u30005.2路徑生長至中心孔外應(yīng)力用30t的液壓力把圓錐軸套壓入軋輥和輥軸之間,此時在圓錐軸套上所受到的力見圖3。由于圓錐軸套錐角較小,近似認(rèn)為Q與摩擦力F1,F2相平式中:Q為液壓推力,Q=30×104N;f為摩擦系數(shù),計算時取f=0.15;N2為軋輥內(nèi)孔所受徑向力。p=N2/S=N2/(2πr1b),式中:p為軋輥內(nèi)孔單位面積應(yīng)力;b為軋輥寬度,b=0.07m。在軋輥內(nèi)沿壁厚的應(yīng)力為最大徑向應(yīng)力發(fā)生在中心孔內(nèi)徑上(r=r1),此時σr3=p。取r=r1=0.11代入式(5)、式(6)計算得σr3=-2.07×107N/m2,στ3=3.52×107N/m2。1.4碳化渣的彈性模數(shù)比輥軸的p值變化由于軋輥轉(zhuǎn)速較高,離心力會改變配合件在靜配合后所產(chǎn)生的變形量,從而影響配合表面壓應(yīng)力p值的大小,當(dāng)被包容件的彈性模數(shù)比包容件低時,高速回轉(zhuǎn)使p值增加。碳化鎢的彈性模數(shù)比輥軸的彈性模數(shù)大3倍,高速回轉(zhuǎn)使p值增加,進(jìn)而增大裝配應(yīng)力。但輥環(huán)在受熱后要膨脹,使p值減小,與離心力使p值增加的作用相反,且裝配應(yīng)力στ3數(shù)值較小,故此處忽略配合性能造成的影響。1.5剪切應(yīng)力的確定在軋制過程中,軋輥要承受很大的軋制力矩,相應(yīng)的在軋輥內(nèi)部產(chǎn)生很大的切應(yīng)力,切應(yīng)力數(shù)值與軋制力矩成正比,與軋輥寬度成反比。式中:τ為剪切應(yīng)力;M為軋制力矩。最大剪應(yīng)力發(fā)生在中心孔內(nèi)徑上(r=r1)取r=r1=0.11代入式(7)計算得τ=8685N/m2(M取420N·m)。2拉伸性能校核對拉伸和壓縮強(qiáng)度極限不等的碳化鎢材料,其強(qiáng)度校核采用莫爾理論,再由以上的計算得知:離心力、熱應(yīng)力、裝配應(yīng)力的影響較大,其他因素影響較小?？紤]前3個因素,強(qiáng)度校核如下。式中:ν為拉伸強(qiáng)度極限/壓縮強(qiáng)度極限,ν=0.2;σb為強(qiáng)度極限,σb=1.2×109N/m2;n為安全系數(shù)。離心力受設(shè)備工藝條件限制,不能減小;裝配應(yīng)力即使有一定誤差(如10%),由于數(shù)值較小,影響亦不大;熱應(yīng)力受溫差影響較大,當(dāng)Δt=100℃時,強(qiáng)度校核即不能通過。可見熱應(yīng)力之關(guān)鍵性,減少碎輥應(yīng)從加大對軋輥的冷卻著手,適當(dāng)控制裝配壓力。3產(chǎn)品的攻關(guān)能力邯鋼線材廠精軋機(jī)軋輥歷年來每當(dāng)使用至Υ212mm時,輥碎裂頻頻發(fā)生,嚴(yán)重影響正常的生產(chǎn)秩序,生產(chǎn)成本、輥耗居高不下。2002年下半年以來,對其進(jìn)行了重點攻關(guān),主要是保證了冷卻條件,如冷卻水的連續(xù)供應(yīng)和采用正確的噴射方向和方式,使