棒材Ф550粗軋機組軋輥優化設計

劉桂華，禹國剛，劉寶超

（1.天津鋼鐵集團有限公司，天津300301；2.天津理工大學工程訓練中心，天津300191）

棒材Ф550粗軋機組軋輥優化設計

劉桂華1，禹國剛2，劉寶超1

（1.天津鋼鐵集團有限公司，天津300301；2.天津理工大學工程訓練中心，天津300191）

針對棒材Ф550粗軋機組軋輥發生的輥頸斷裂事故，分析出產生原因為球墨鑄鐵軋輥輥頸強度不足。通過選用半鋼軋輥、重新優化設計其配輥，校核與計算Ф550半鋼軋輥輥頸強度，能夠滿足生產需求，避免了軋輥輥頸斷裂的事故，保證了生產的穩定順行。

軋輥；輥頸；強度；材質；安全系數

1　引言

目前小型軋機的主導機型為短應力線軋機，無牌坊的拉桿結構，使軋制力應力回線縮短，軋機的整體剛度增強，設備總重降低，產品質量提高［1］。我公司棒材生產線始建于2004年，2006年2月建成投產。軋機主體設備和工藝技術由意大利達涅利公司引進，電氣傳動和自動化控制系統由意大利安薩爾多公司引進。生產線由18架摩根沙碼第五代高剛度短應力線軋機組成，以6-8-4工藝布局，平立交替布置。產品規格包括Φ10～Φ50mm螺紋鋼和Φ16～Φ75mm熱軋圓鋼［2］。摩根沙碼第五代高剛度短應力線軋機采用短的應力回線結構，棒材生產線中粗軋、中軋及精軋機組僅采用此短應力線軋機，有效地提高了軋機的剛度和產品尺寸精度。其中軋輥是軋機的主要負載件，直接與紅鋼接觸，在軋制壓力作用下，會產生彈性變形，軋輥設計直接影響鋼材的產量與質量。意大利達涅利公司設計棒材生產線有6架粗軋機組，其中1～4架軋機軋輥直徑Φ650 mm，輥身長度1 100 mm；5～6架軋機軋輥直徑Φ550 mm，輥身長度700 mm，軋輥材質均為珠光體球墨鑄鐵。自2006年棒材廠投產以來，第5架軋機曾多次發生軋輥輥頸斷裂，造成嚴重生產事故，問題處理時間長，給生產帶來極大的安全隱患。本文通過對第5架軋機軋輥輥頸強度的校核以及軋輥材質和配輥設計優化，使軋輥滿足生產要求，保證生產的穩定順行。

2　Φ550鑄鐵軋輥輥頸強度校核與計算

軋輥是由輥身、輥徑、輥頭等3部分構成。輥身和輥頸的過渡區幾何形狀不連續，會產生應力集中，且輥頸比輥身直徑小，這是軋輥最薄弱的地方，斷輥事故常發生在此位置。軋制力沿垂直方向作用于軋輥上，軋輥受力圖如圖1所示。

2.1支反力計算

式中，P為最大軋制力；C為支撐點到輥身距離；L為輥身長度；RB為支反力；a為壓下螺絲間距。

2.2輥徑彎曲力矩計算

圖1　軋輥受力示意圖

式中，Mj為輥徑彎曲力矩。

2.3輥徑彎曲應力計算

式中：σj為輥頸彎曲應力；d為輥頸直徑。

2.4輥頸扭轉力矩計算

式中：Mn為輥頸扭轉力矩；Δh為最大壓下量；v1為軸承摩擦系數。

2.5輥頸扭轉應力計算

式中，τn為輥頸扭轉應力。

2.6球墨鑄鐵軋輥的合成應力計算

式中，σh為合成應力。

2.7安全系數

由表1可知，Φ550鑄鐵軋輥輥頸合成應力180.44 MPa，球墨鑄鐵軋輥許用應力為78.4～117.6 MPa，輥頸合成應力大于鑄鐵軋輥許用應力值；輥頸安全系數2.49小于3，因此，達涅利公司設計粗軋機組第5架軋機，因壓下量大，承受軋制力大，?550軋輥選用珠光體鑄鐵材質不能滿足強度要求，導致輥頸斷裂事故的發生。

3　Ф550軋輥材質與配輥設計優化

3.1軋輥材質優化

達涅利原設計第5架軋機Φ550軋輥材質為珠光體球墨鑄鐵軋輥，根據國標GB/T1504-2008鑄鐵軋輥標準，輥頸抗拉強度要求≥450MPa。結合棒材實際生產情況，所有規格產品第5架軋機最大壓下量為42mm，從而計算得到生產過程中最大軋制力1 500 kN，輥頸彎曲應力156.17 MPa，扭轉應力58.38 MPa，合成應力180.44 MPa，均大于鑄鐵軋輥許用應力，因此，認定球墨鑄鐵軋輥選材不合理，而選用半鋼軋輥材質。依據國標GB/T1503-2008鑄鋼軋輥標準，輥頸抗拉強度≥600 MPa，能夠滿足生產要求。

表1　Ф550鑄鐵軋輥輥頸強度參數計算表

3.2軋輥配輥設計優化

Φ550軋輥輥身長度700 mm，達涅利原設計配輥4個軋槽，第一個軋槽中心距軋輥邊緣距離為113 mm，而軋輥輥頸均是在使用第一個軋槽軋制過程中發生斷裂。考慮到軋輥輥頸上的彎曲應力是由最大支反力決定，必須通過加大第一個軋槽與軋輥邊緣距離的方式減小軋制過程中作用在軋輥輥頸上的支反力和彎曲應力。因此將輥身配輥由4個軋槽優化設計為3個，第一個軋槽中心到軋輥邊緣距離變為192 mm，軋輥的安全系數就會增加。

3.3Φ550半鋼軋輥輥頸強度校核與計算

在軋輥材質和配輥設計完成后，同樣要對半鋼軋輥輥頸的彎曲和扭轉應力進行核算，所有參數計算與鑄鐵軋輥相同，只是合成應力計算因材質不同而有所區別，鑄鐵軋輥用摩爾理論（第二強度理論）計算合成應力，而鋼軋輥根據第四強度理論計算合成應力，計算公式為：

式中，σh為合成應力。

計算結果如表2所示。由表2可知，粗軋機組第5架軋機選用半鋼軋輥優化設計配輥后，輥頸安全系數達到3.6。對于正常棒材生產，輥頸安全系數可取3～5，因此半鋼軋輥輥頸強度滿足生產要求，能夠保證生產順行。

表2　設計優化后?550半鋼軋輥輥頸強度參數計算表

4　軋輥使用情況

粗軋機組第5架軋機的Φ550軋輥優化為半鋼材質，配輥設計成3個軋槽，對實際生產過程中第一個軋槽的使用情況進行跟蹤（見表3）。同時考慮到影響軋輥使用壽命的因素，除了彎曲應力、扭轉應力、接觸應力外，還有因溫度分配不均勻或交替變化引起的溫度應力過大，壓下量過大，造成軋機負載過大等因素。因此，為提高軋輥的安全系數，優化了各鋼種的加熱工藝和粗軋機組軋制技術參數，適當提高開軋溫度，合理分配各道次壓下量，降低了第5架軋機的軋制負荷。

表3　第5架軋機新材質軋輥使用后第一個軋槽的過鋼量跟蹤/t

半鋼材質Φ550軋輥投入使用后，沒有再發生軋輥輥頸斷裂的事故，第一個軋槽過鋼量正常，為安全穩定生產提供了有力的保障。

5　結論

利用摩爾理論（第二強度理論）計算校核粗軋機組第5架軋機Φ550鑄鐵軋輥輥頸強度，分析出輥頸斷裂的原因是軋輥輥頸合成應力大于鑄鐵軋輥許用應力，且安全系數低。根據輥頸斷裂均發生在使用邊沿軋槽的特點，重新優化設計了軋輥配輥、各鋼種的加熱工藝和粗軋機組軋制技術參數，適當提高開軋溫度，合理分配各道次壓下量。選用半鋼材質軋輥，根據第四強度理論計算輥頸的合成應力，得出軋輥輥頸的安全系數，可以滿足生產需求。

［1］賈慧靈，任學平，竇劍琳.Ф320軋機軋輥強度有限元分析［J］.冶金設備，2008，168（2）：8-37.

［2］劉桂華.Ф16 mm螺紋鋼三切分軋制工藝開發與應用［J］.天津冶金，2015（4）：41-44.

［3］鄒家祥.軋鋼機械［M］.3版.北京：冶金工業出版社，2000.

Optim ization of Design for Roll ofФ550 Bar Roughing M ill

LIU Gui-hua1，YU Guo-gang2and LIU Bao-chao1
（1.Tianjin Iron and Steel Group Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China；
2.Engineering Training Center of Tianjin University of Technology，Tianjin 300191，China）

The cause for the accident of roll neck rupture at roll ofФ550 bar roughingmill was analyzed as the deficiency of the strength of ductile cast iron roll neck.The production demand wasmet through selecting semisteel roll，re-optimizing design and roll arrangement and calculating and checking the strength ofФ550 semisteel roll neck.The reoccurrence of the same rupture was avoided and stable and smooth production ensured.

roll；roll neck；strength；material；safety factor

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.04.014

2016-04-08

2016-04-25

劉桂華（1968—），女，碩士，高級工程師，主要從事棒材生產技術研發及管理工作。