連鑄機扇形段軸承的失效分析及對策

王運方

(河南安陽鋼鐵股份有限公司， 河南 安陽 455004)

連鑄機是主要煉鋼設備之一，扇形段作為連鑄澆注過程中的關鍵部位，其正常運行直接關系到連鑄機的生產穩定性。由于工況條件惡劣，扇形段的故障率較高，尤其是扇形段軸承的使用壽命嚴重低于理論計算壽命，更換頻率非常高，不僅增加了生產成本，而且嚴重降低了生產效率。為此，對扇形段軸承的使用現狀進行跟蹤統計分析，找出影響使用壽命的主要因素，根據損壞特性，提出延長使用壽命的對策及措施。

1 使用現狀

國內通用的連鑄機以立彎式弧形連鑄機居多，連鑄機的扇形段一般由彎曲段、弧形段、矯直段、水平段組成。扇形段沿鑄坯運動流向，自上而下分布著不同輥徑的夾送輥。彎曲段位于連鑄機的最上部，依次向下是弧形段、矯直段、水平段。夾送輥中配置不同規格型號的軸承。

為了了解軸承的使用狀況，對扇形段近幾年的工作情況及故障進行了統計，結果見表1。

表1 扇形段故障統計分析

由表1可知，由于軸承損壞導致的扇形段故障的比例較大，當然也不排除由于其他原因造成的軸承提前失效。

扇形段輥子的固定側和自由側均一直采用承載能力高且能適應軸撓曲變形的調心滾子軸承，其中內徑110～160 mm的軸承居多。該部位軸承的工作環境比較惡劣，除了粉塵、雜物易進入外，周圍還有高溫水、水蒸氣及熱輻射等，工作溫度長期為150～250 ℃，短期甚至可達600 ℃。因此，軸承采用3組或4組的徑向游隙，軸承座采用內、外水冷結合的方式進行冷卻。

扇形段軸承的實際使用壽命一般以過鋼量來衡量，國內同行業目前沒有統一的標準。扇形段輥子一般連續工作4～6個月(或者過鋼量50×104～80×104t)后下線拆解，修復輥體，更換橡膠密封件及損壞的軸承座、軸承、透蓋、端蓋、旋轉接頭等零件。對于拆解下來的軸承，現場進行簡單外觀檢查，判斷是否二次上線使用、修復或者報廢處理。扇形段輥子軸承過鋼量達到(100～120)×104t應全部拆解下線。根據國內部分鋼廠的統計數據，每次檢修中約有8%～10%的扇形段輥子軸承損壞嚴重，必須更換，其余經過簡單清洗后仍可繼續使用。通過對近幾年的軸承使用情況進行跟蹤統計，發現其使用壽命嚴重低于理論計算壽命，更換頻率較高。

2 失效原因分析

扇形段軸承的使用壽命除取決于產品本身的質量外，還受制于一些重要因素，如選型、運輸、存儲、清潔、安裝、拆卸及潤滑等，任一環節出現問題，都會嚴重影響其使用壽命。因此必須采用正確的保管、安裝、使用、維護方法，否則將會不同程度地降低軸承的使用壽命。通過對煉軋廠扇形段軸承使用狀況進行分析，認為其故障及失效通常與冷卻、潤滑或裝配不當有關。軸承的各種失效形式所占比例各不相同(表2)，其中80%以上是由于潤滑與裝配不當產生過度磨損所致；10%左右是由于誘發因素所致；只有10%的軸承可達到疲勞極限或設計壽命。

表2 軸承的失效形式及比例

扇形段軸承的失效原因主要有以下幾個方面：

(1)安裝、拆卸方法不當。軸承沒有在潔凈的環境中進行安裝，安裝時受到污染；軸承在安裝、拆卸時使用工具及用力不當，導致套圈或保持架出現破碎、裂紋或變形；軸承安裝對中性不好，配合過松或過緊等。

(2)工作環境惡劣。扇形段軸承長期在污染嚴重的環境中工作，如果密封效果不好，異物會進入軸承內部從而導致滾道和滾子表面出現壓痕、啃傷(圖1)或者軸承卡死。

(a)滾道面 (b)滾子表面

(3)潤滑不良。扇形段軸承的潤滑方式是集中潤滑，如果液壓缸或液壓管路出現故障，軸承不能得到及時、充分潤滑，滾道和滾子表面會因干摩擦而發熱，出現磨損、剝落、變色等現象(圖2)。

(a)外滾道表面 (b)滾子表面

(4)溫度過高。扇形段軸承工作環境溫度較高，軸承座采用內、外水冷結合的方式進行冷卻。如果冷卻裝置出現故障或忘記開關閥門等將造成軸承過熱而失效(圖3)。

圖3 套圈變色

(5)漏水。如果軸承座密封不好，冷卻水、高溫水及水蒸氣進入軸承內部，將導致銹蝕、腐蝕現象(圖4和圖5)。

圖4 銹蝕 圖5 腐蝕

(6)再次使用的軸承未清洗干凈或存在質量問題。扇形段在換輥時，拆卸下來的部分軸承經簡單清洗后再次安裝使用，由于軸承沒有完全拆解，內部清洗不徹底，如有雜質殘存于軸承內部，必然影響其使用壽命。使用過的軸承僅簡單從外觀上查看，發現不了內部缺陷，尤其是內滾道表面缺陷。如果存在質量問題的軸承繼續使用，必然很快失效。

(7)輥縫設計不合理、操作不當等其他原因，會使軸承承受突發載荷，導致軸承卡死或斷裂。

3 提高使用壽命的對策

(1) 改善安裝、使用環境，采用正確的安裝、拆卸方法。扇形段輥子定期修磨后，在清潔、干燥、相對恒溫的環境中安裝軸承，避免污染物進入軸承內部。軸承在安裝與拆卸時，應根據有關要求，使用合適的工具謹慎安裝和拆卸，禁止使用任何堅硬的工具直接敲擊軸承表面。檢查軸徑和軸承座孔尺寸及精度，保證合適的過盈量。

(2) 改善潤滑條件。選擇合適的潤滑劑，定期對軸承進行再潤滑；及時檢查液壓缸及管路的工作狀態，保證軸承得到及時、充分的潤滑。

(3) 開機前先確定冷卻水閥門是否開啟，管路是否暢通，避免人為因素導致軸承得不到較好的冷卻而燒傷。

(4) 定期檢查輥縫及軸承座的密封情況，一旦發現漏水應及時處理。對軸承座冷卻水流量、壓力分區控制，實時監控，確保對軸承進行連續穩定的冷卻。

(5) 改進輥縫設計，規范生產操作，避免因操作事故造成軸承提早失效。

(6) 對再次使用的軸承必須進行專業化清洗、檢查和修復(再制造)，以期達到新軸承的各項技術指標，更好地滿足使用要求。

(7) 對扇形段軸承進行統一編號，建立臺賬，跟蹤記錄其使用情況，發現問題及時匯報并采取有效措施。

4 軸承的清洗、全面檢測和再制造

4.1 清洗

拆卸下來的軸承必須徹底清洗干凈，應將滾子、保持架、隔圈從內外圈中拆解開來，用干凈的煤油或清洗劑進行清洗，使各零件的外觀、失效狀態能夠清晰地展現出來。為避免零件混亂，每套軸承都要分別編號，分開擺放。

4.2 全面檢測

對每套軸承的零件及成品必須100%進行檢查，判定軸承能否繼續使用。

全面檢測包括以下幾個方面：(1) 各零件的材料分析、裂紋探傷、失效分析等；(2) 各零件的尺寸、精度、硬度、表面粗糙度等；(3) 成套軸承的旋轉精度、游隙等；(4) 外觀檢測，包括表面腐蝕、銹蝕程度，滾道或滾子表面壓痕深度、磨損及燒傷程度、疲勞剝落情況，保持架變形、磨損程度等。

如果軸承出現以下情況，則必須報廢：(1) 套圈或滾子出現破碎、裂紋、嚴重銹蝕；(2) 滾道及滾子表面存在嚴重剝落、腐蝕坑；(3) 外滾道表面有明顯突起，磨損嚴重；(4) 軸承內、外徑尺寸超差或變形過大；(5) 套圈表面硬度低于58 HRC；(6) 保持架嚴重變形或斷裂。

4.3 再制造

對可再利用的軸承，檢查其損傷狀況，制定不同的修復(再制造)方案。

如外形尺寸、旋轉精度、徑向游隙、硬度、旋轉靈活性等均符合國家標準規定，不需任何處理各項性能指標均滿足要求的軸承可繼續使用。

如軸承的外形尺寸、旋轉精度、徑向游隙、旋轉靈活性均符合國家標準規定，僅滾道或滾子表面有輕微磨損、擦傷或腐蝕、銹蝕，則通過拋光、擦拭等外觀處理方法恢復軸承的性能，也可以通過不同軸承間的零件調配，重新組合成符合各項技術指標的新軸承。

如軸承滾道表面經過拋光、磨削等外觀處理后徑向游隙偏大，必須更換新的滾子以滿足各項性能要求。

當軸承套圈的損傷程度較為嚴重時，由于該類軸承尺寸不大，更換套圈的費用較高，加工周期也較長，建議直接報廢。

5 結束語

一年來對扇形段的運行情況進行跟蹤，采取改進措施后，設備故障發生率大大降低，扇形段軸承的使用壽命明顯提高，采購新軸承的數量及成本也得到了控制，每年可節約各項費用160多萬元。