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文档简介
硬质合金轧辊在高速线材精轧机组中的应用
邯郸钢铁集团有限公司有限的一条直线厂的精压机采用碳化锆联合辊。初始径为216mm,最大设计直径为200mm。该辊由3部分组成:碳化钨辊环、钢质辊套和端盖。辊环和辊套用粘结剂粘和在一起后,盖上端盖压紧而成,其结构见图1。采用组合结构轧辊较之整体的碳化钨辊环有很多优点,既利用了碳化钨的高耐磨性、高硬度,又利用了钢材的良好韧性。高速线材精轧机组采用悬臂式结构,轧辊装配时,辊先套在悬臂辊轴上,然后把一圆锥轴套插入轧辊与辊轴之间,在圆锥轴套上施加一液压力,依靠过盈配合,保证轧辊与辊轴之间的连接强度,使得轧制时在力矩的作用下不产生相对滑动,见图2。但轧辊在使用过程中经常受损,如裂纹、碎辊等,严重影了生产,使得轧制成本居高不下。笔者通过对轧工作时的环境因素、受力进行分析,试图找到轧辊坏的原因。1抗弯疲劳分析1.1碳化锑用应力一般轧辊在工作时,对离心力不予考虑,但是高速线材精轧机组轧辊转速高,目前线材最高速度已超过1000rad/s,邯钢线材厂轧辊最高转速亦达到了720rad/s,故对离心力的作用不容忽视。对离心力的计算可假设轧辊为有孔厚壁圆筒,其计算如下。径向应力:切向应力:式中:μ为泊松比,对碳化钨轧辊μ=0.22;ρ为材料密度,对碳化钨轧辊ρ=13.5g/cm3;ω为角速度,ω=720rad/s;r2为外圆半径,r2=0.216m;r1为中心孔半径,r=0.11m;r为任一点半径。最大径向应力发生在1处,最大切向应力发生在中心孔内径上(r=r1)。取r=r1=0.11代入式(1)、式(2)计算得σr1=0,στ1=2.79×108N/m2。1.2热应力的计算轧辊在轧制时,一方面要接触到1000℃的轧件而受到热传递,另一方面要受到冷却水的冷却作用。当稳定轧制时,轧辊温升亦达到稳定,轧辊表面温度要比心部温度高,由于温差,在轧辊内部产生一热应力,其热应力的计算可简化为一长厚壁圆筒的热应力计算。当温度线性分布时,沿壁厚的应力为径向应力:切向应力:式中:α为热膨胀系数,对碳化钨轧辊α=6.0×10-6℃-1;Δt为内外表面温度差;E为弹性模量,对碳化钨轧辊E=5.5×1011N/m2。最大切向应力发生在中心孔内径上(r=r1)取r=r1=0.11代入式(3)、式(4)计算得:σr2=0,1.3u30005.2路径生长至中心孔外应力用30t的液压力把圆锥轴套压入轧辊和辊轴之间,此时在圆锥轴套上所受到的力见图3。由于圆锥轴套锥角较小,近似认为Q与摩擦力F1,F2相平式中:Q为液压推力,Q=30×104N;f为摩擦系数,计算时取f=0.15;N2为轧辊内孔所受径向力。p=N2/S=N2/(2πr1b),式中:p为轧辊内孔单位面积应力;b为轧辊宽度,b=0.07m。在轧辊内沿壁厚的应力为最大径向应力发生在中心孔内径上(r=r1),此时σr3=p。取r=r1=0.11代入式(5)、式(6)计算得σr3=-2.07×107N/m2,στ3=3.52×107N/m2。1.4碳化渣的弹性模数比辊轴的p值变化由于轧辊转速较高,离心力会改变配合件在静配合后所产生的变形量,从而影响配合表面压应力p值的大小,当被包容件的弹性模数比包容件低时,高速回转使p值增加。碳化钨的弹性模数比辊轴的弹性模数大3倍,高速回转使p值增加,进而增大装配应力。但辊环在受热后要膨胀,使p值减小,与离心力使p值增加的作用相反,且装配应力στ3数值较小,故此处忽略配合性能造成的影响。1.5剪切应力的确定在轧制过程中,轧辊要承受很大的轧制力矩,相应的在轧辊内部产生很大的切应力,切应力数值与轧制力矩成正比,与轧辊宽度成反比。式中:τ为剪切应力;M为轧制力矩。最大剪应力发生在中心孔内径上(r=r1)取r=r1=0.11代入式(7)计算得τ=8685N/m2(M取420N·m)。2拉伸性能校核对拉伸和压缩强度极限不等的碳化钨材料,其强度校核采用莫尔理论,再由以上的计算得知:离心力、热应力、装配应力的影响较大,其他因素影响较小。考虑前3个因素,强度校核如下。式中:ν为拉伸强度极限/压缩强度极限,ν=0.2;σb为强度极限,σb=1.2×109N/m2;n为安全系数。离心力受设备工艺条件限制,不能减小;装配应力即使有一定误差(如10%),由于数值较小,影响亦不大;热应力受温差影响较大,当Δt=100℃时,强度校核即不能通过。可见热应力之关键性,减少碎辊应从加大对轧辊的冷却着手,适当控制装配压力。3产品的攻关能力邯钢线材厂精轧机轧辊历年来每当使用至Υ212mm时,辊碎裂频频发生,严重影响正常的生产秩序,生产成本、辊耗居高不下。2002年下半年以来,对其进行了重点攻关,主要是保证了冷却条件,如冷却水的连续供应和采用正确的喷射方向和方式,使
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