薄帶鑄軋機組內水冷夾送輥的設計與分析

王祿明

上海電氣上重碾磨特裝設備有限公司 上海 200245

1 設計背景

我國政府已制定了2030碳達峰、2060碳中和的目標,鋼鐵等重點能耗行業受到重點關注。在這一目標下,政府要求鋼鐵行業到2025年實現碳達峰目標[1]。薄帶鑄軋技術是以液態金屬為原料,以側封擋板和鑄輥為結晶器,直接生產薄帶鋼卷的新技術。與傳統連鑄連軋方法相比,這一技術生產成本降低40%,能源消耗降低85%,水耗降低80%,二氧化碳、氮氧化物、二氧化硫等有害氣體排放量降低70%～90%[2-3]。

近年來,國內學術界對薄帶鑄軋技術的研究主要集中在鑄軋主機設備的零部件上,鑄輥是鑄機的關鍵零部件之一。宋黎等[4]利用ANSYS有限元軟件來模擬鑄輥在鎂合金鑄軋過程中的溫度場分布問題,得出冷卻水水速可以降低鑄輥的溫度場,冷卻水水溫對鑄輥冷卻的影響較小的結論。蔣恩等[5]從冷卻水流動的角度出發,對鑄輥水冷系統的流場進行數值模擬,有針對性地提出了降低流動方向上各水環間平均流速梯度的優化措施,進而降低輥身表面的溫度梯度,提高了鑄輥冷卻均勻性,改善了鑄帶表面質量。

薄帶鑄軋生產線全線均處于高溫環境,除了鑄輥需要充分考慮冷卻措施外,對于夾送輥、轉向輥等輔助輥也需要考慮冷卻問題。輔助輥的功能及工況與鑄輥完全不同,不宜照搬鑄輥的結構和冷卻方案,因此,很有必要對輔助輥的冷卻措施做進一步研究。筆者以1 350 mm夾送輥設備為研究對象,設計一種新型內水冷夾送輥,并應用ANSYS有限元軟件驗證該設計能否滿足強度要求。

2 設備簡介

A鋼廠是國內知名的民營鋼廠之一,一向以螺紋鋼等低端產品為其主導產品。近年來,為了優化產品結構,提高產品附加值,A鋼廠與國內眾多科研院所合作開發了一系列支撐產品轉型升級的新項目。其中,1 350 mm薄帶鑄軋生產線是由A鋼廠、B大學和C公司共同開發的高品質鋼短流程軋鋼生產線,該項目是我國首個完全自主知識產權的薄帶鑄軋項目。B大學負責鑄機等主機設備的開發,C公司負責軋機等輔機設備的設計制造。1 350 mm薄帶鑄軋生產線的輔機設備主要包括軋機、夾送輥、飛剪、卷取機等設備。薄帶鑄軋生產線如圖1所示。

圖1 薄帶鑄軋生產線

該薄帶鑄軋生產線共有兩套夾送輥設備,分別安裝在軋輥及飛剪前。筆者研究的對象為飛剪前夾送輥,飛剪前夾送輥設備主要包含機架、水冷平臺、壓下裝置、夾送輥輥子及傳動設備等零部件。飛剪前夾送輥設備如圖2所示。內部通水的上、下夾送輥輥子在機架窗口內滑動,水冷平臺上部安裝能夠快速響應且精確控制行程的伺服液壓缸,控制上夾送輥的傾斜度,從而在夾送帶鋼前進的同時實現糾偏功能。

圖2 飛剪前夾送輥設備

3 夾送輥輥子設計

3.1 輥子材質選擇

帶鋼到達飛剪前夾送輥的溫度一般為600～750 ℃,作為直接與之接觸的零件,對夾送輥的輥筒材料有較高的要求。要求夾送輥輥筒具有良好的耐高溫性能,在高溫環境下具有良好的耐磨性,并且具備良好的耐腐蝕性。

綜合考慮后,夾送輥輥筒選用高強度合金結構鋼32Cr3Mo1V。輥筒經調質后,常溫下抗拉強度超過1 300 MPa,高溫下性能雖有所下降,但仍能保持較強的耐磨性、抗沖擊性、抗腐蝕性[6]。夾送輥輥筒材料化學成分見表1,常溫下輥筒材料力學性能見表2。

表1 輥筒材料化學成分

表2 常溫下輥筒材料力學性能

3.2 輥子內部結構

按照輥身直徑,輥子可分為小輥徑、中輥徑和大輥徑。按照輥子用途,輥子可分為軋輥、夾送輥和輸送輥等。不同用途的輥子,承受的載荷也不同。陶凱等[7]著重于改進小輥徑、小載荷的輸送輥,采用在輥筒兩端嵌入中空短軸的結構,在輥筒內部形成空腔,從輥子一端直接注入的冷卻水充滿整個腔體,起到快速降低輥面溫度的冷卻效果。小輥徑輥子內腔截面較小,冷卻水用量也較小,選用直接冷卻的方式,冷卻水基本可以覆蓋整個輥面,具備良好的冷卻效果。中等輥徑輥子內腔較大,若選用直接冷卻的方式,冷卻水無法均勻分布于整個腔體,難以保證整個輥面的冷卻效果。

綜合考慮后,筆者對夾送輥內部結構選用螺旋式冷卻水道設計。輥子內部采用螺旋式冷卻水道是一種有效的冷卻方式,在連鑄、熱連軋生產線中均有相關研究[8]。操作側軸頭中空且安裝一根輸送水管,傳動側軸頭中心為盲孔,冷卻水從輸送水管流入,至傳動側盲孔折彎,經螺旋式冷卻水道引導,流至操作側軸頭出水口流出,實現對輥筒及兩端軸頭的冷卻。螺旋式水道輥子結構如圖3所示。

圖3 螺旋式水道輥子結構

陳思陽[9]就鑄輥冷卻水道對冷卻效果的影響問題進行研究,比較了三種不同截面形狀的冷卻水道,發現矩形截面形狀流道的冷卻效果最好,進一步研究了矩形截面深寬比對冷卻效果的影響,得出深寬比為1∶5的水道冷卻效果較好的結論。筆者借鑒這一結論,結合夾送輥的實際情況,建立了夾送輥的三維模型。夾送輥輥身長度為1 570 mm,輥筒內外徑分別為530 mm、650 mm,螺旋式冷卻水道總長為1 270 mm,螺旋板高度為36.5 mm,螺旋板厚度為10 mm,螺距為210 mm,深寬比為1∶5.2。夾送輥三維模型如圖4所示。

圖4 夾送輥三維模型

4 ANSYS軟件分析

螺旋式冷卻水道的主要作用是引導冷卻水均勻覆蓋整個輥面,降低輥面溫度。該水道并非輥子的受力結構,對輥子的受力分析影響較小。為了方便后續分析,刪除輥子的螺旋式冷卻水道及進水管等結構。假設冷卻水充滿輥子內腔,冷卻水的溫度為25 ℃。簡化后夾送輥三維模型如圖5所示。

飛剪前夾送輥處的帶鋼溫度一般為650～750 ℃,查閱資料后發現,該溫度與鎂合金、鋁合金鑄軋輥的工作溫度相近。內水冷的鎂合金、鋁合金鑄軋輥進入鑄軋區后,輥筒外表面溫度快速升高,不同文獻中描述的輥筒外表面的最高溫度略有差別,但均未超過600 ℃[10]。夾送輥的工況較鎂合金、鋁合金鑄軋輥好,可以合理推斷,夾送輥輥筒外表面的最高溫度亦不會超過600 ℃。

同樣的工況下,如果夾送輥在600 ℃時可以滿足設計方的使用要求,由此可以推斷,該夾送輥在其它較低的溫度下亦可以保持正常工作。高溫下夾送輥輥筒材料力學性能見表3。

表3 高溫下輥筒材料力學性能

將簡化的夾送輥三維模型導入ANYSY有限元軟件,對其進行靜力學分析[11]。

采用六面體網格的方法劃分有限元網格,夾送輥模型網格劃分如圖6所示,劃分有限元網格共產生436 704個節點、284 824個單元。

圖6 夾送輥模型網格劃分

正常工況下,夾送輥兩端軸頭的軸承處均承受257 000 N的壓力,傳動側軸頭同時還要承受8 300 N·m的扭矩,夾送輥轉速為120～180 r/min。夾送輥卡住時,對夾送輥強度要求最高。假設輥子卡住不動,同時對夾送輥三維模型施加與正常工況相等的載荷,校核這一狀態下夾送輥的受力情況。夾送輥模型約束和載荷加載情況如圖7所示。

圖7 夾送輥模型約束和載荷

根據有限元分析結果,夾送輥等效應力云圖如圖8所示。等效應力分析表明,夾送輥產生的最大應力值為76.649 MPa,產生位置為夾送輥軸頭兩側的圓角過渡處,該應力值遠小于材料在600 ℃時的屈服強度752 MPa。

圖8 夾送輥等效應力云圖

夾送輥變形云圖如圖9所示。分析顯示,夾送輥產生的最大變形量約為0.381 mm,最大變形出現在操作側軸頭端部位置,軸承安裝處的變形量約為0.169 31 mm,設計時重點考慮軸承安裝處變形量的影響。針對這一變形,設計時選用調心滾子軸承24144CC/W33,可以較好地滿足工況要求。

圖9 夾送輥變形云圖

上述分析結果表明,這一夾送輥的結構設計較為合理,在給定的工況和溫度下,能夠滿足正常工作的要求。

5 結束語

筆者以1 350 mm薄帶鑄軋機組內水冷夾送輥為研究對象,設計了一種內部采用螺旋式冷卻水道的中等輥徑、中等載荷夾送輥,冷卻水道對輥筒外表面有良好的冷卻效果。應用ANSYS有限元軟件驗證了這一設計滿足在高溫工況條件下的強度要求,為中等輥徑、中等載荷內水冷夾送輥的設計提供了參考依據。針對筆者假設輥筒外表面溫度為600 ℃,后續將重點考慮輥筒材料的導熱性能,確定輥筒的實際溫度。