熱軋板帶軋機牌坊螺栓孔的修復再制造探討

周武軍，鄒新長，周振宇，熊 雄，何 勛

（1.岳陽大陸激光技術有限公司，湖南岳陽 414000；2.湖南理工學院，湖南岳陽 414000；3.新余鋼鐵集團有限公司，江西新余 338000）

0 引言

軋機牌坊是熱軋板帶軋制過程中最重要的設備，對板帶成品率影響最大的板型控制技術就取決于牌坊的精度[1]。軋機牌坊一般為普通碳鋼材料，在板材軋制生產過程中高溫冷卻水腐蝕、軸承座與牌坊配合面之間產生的拍擊作用，使得牌坊襯板逐步產生間隙，緊固螺栓失去緊固作用。在襯板受到拍擊條件下，螺栓產生軸向微運動，加大牌坊螺栓孔螺紋的接觸面積，更加劇了螺栓與螺栓孔的磨損，易產生滑絲，進一步加大襯板與牌坊的間隙。在某些極端工況下，螺栓孔強度無法約束螺栓的運動，襯板產生瞬間滑動，對螺栓形成剪切作用并將其切斷，襯板失去螺栓的緊固后起到相應的作用（圖1）。這不僅加大了軋制難度，也加大了輥系對平衡缸、軋機牌坊的沖擊磨損，形成惡性循環，嚴重影響板帶板型精度控制與安全生產。螺栓孔的優劣已成為牌坊精度保持能力的重要指標，是影響牌坊軋制產品質量的一個重要因素。

圖1 冷卻水腐蝕后被破壞的螺栓及其襯板配合面

軋機牌坊本體螺栓孔的修復方法主要分為3 種[2-4]，分別是擴孔修復技術、螺栓孔現場堆焊再制技術以及鑲內外絲套修復再造技術。其中，前兩種方法已有較為成熟的修復方法和實踐，而牌坊現場螺栓孔采用鑲內外絲套再造技術無應用經驗，尚處于摸索階段。

（1）擴孔修復技術。螺栓孔損傷后，存在滑絲和腐蝕現象。針對小于M20 的螺栓孔，現場修復可采用擴孔攻絲的方法進行修復。該修復工藝技術不復雜，簡單快速，在原有螺栓孔的基礎擴大一個級數即可。在現場采用擴孔機具如磁力鉆和內磨機，選擇擴大后的螺栓孔的絲錐進行攻絲，經頭攻絲和二攻絲后，能滿足裝配的要求。該方法的缺點是，擴孔處理后的螺栓孔需要重新配制相應的螺栓。

（2）現場堆焊再制技術。螺栓孔損傷后，M48 或以上的較大的螺栓孔一般采用堆焊的修復工藝技術方法進行修復。牌坊本體材料一般為25#或35#鋼，考慮到作業機具和效率，現場對螺栓孔的修復作業時采用與本體材料相同的焊條或焊絲對其進行填堵。該方法需要先對損傷后的螺栓進行清理打磨，用內磨機將損傷的螺紋全部清理干凈，現場使用焊機配合，電焊或氣體保護焊對打磨清理后的孔進行逐層填補，填堵后經鉗工人員進行粗打磨、劃好孔的中心點，用磁力鉆機具鉆底孔和攻絲（某些大的螺栓孔的鉆孔攻絲還需要特定的裝備才能完成），才能完成對螺栓孔原有尺寸大小的修復。該方法能實現螺栓孔原始尺寸的恢復，在性能上沒有太多差別，但是為降低現場攻絲作業的難度，堆焊一般不選擇高強度和防腐蝕性能的材料。

1 鑲內外絲套修復再造技術

牌坊整體修復的工期一般為5～7 d，處理損傷的螺栓孔是整個修復項目中一個重要環節，螺栓孔的是否完好也是決定牌坊的精度保持能力的一個重要指標。采用磁力鉆+電磨機完成現場的鉆孔和攻絲作業，絲套提前預制準備可大大節約現場修復時間。絲套材料的選擇范圍廣泛，可以根據不同的需要，選擇比基材強度等級高的材料提升螺栓孔的使用壽命，同時材料的耐腐蝕性能應優于基材，以更好地承載力和抗疲勞強度的性能。

新余鋼鐵集團有限公司鑲內外絲套修復再造技術經歷了兩個發展階段。

1.1 外光面鋼絲套

早期采用的鋼絲套，內孔為要求螺栓孔標準螺紋和牙距，外圓為光面（圖2），與牌坊本體采用過盈配合方式進行鑲套，對接縫處小面積封焊處理。此處的焊接量不宜過大，在鋼套的接縫端外圓倒坡口，用變形小的氬弧焊，焊后打磨平整。該方法的缺點是在實際操作過程中，原有的螺栓孔需要鉆孔擴大，達到與鋼絲套外圓配合尺寸要求，鉆孔擴大采用磁力鉆，出現內孔的尺寸和形位公差超標，內孔的粗糙度不符合要求，裝配后實際受力配合面積甚至不足50%，配合面產生的摩擦力未達到設計要求，緊力靠氬弧焊焊接強度維持。在生產使用一個周期后出現絲套脫落的情況、被螺栓整體拉出，無法達到預期要求。

圖2 外圓為光面的鋼絲套（最初的螺栓套）

1.2 外圓細牙鋼絲套

針對外光面鋼絲套出現的問題，采用內外都是螺紋方式，內孔采用標準的螺紋和牙距，外圓采用標準的細牙方式。以M42×65 的螺栓孔為例，預制內外絲套，內孔為M42×4.5 粗牙，外圓為M52×2細牙（圖3a））。外圓采用細牙螺紋，深度淺，可以縮短修復工期、減少現場作業的時間。

圖3 外圓細牙螺紋的鋼絲套

雖然改后的螺栓孔和原有的螺栓孔強度沒有發生變化，在實際操作過中，由原來的光孔變成螺紋孔，在增加了結合強度，但也增加了作業時間和勞動。同時，細牙螺紋加工質量的優劣受磁力鉆的精度和作業人員的技能的差異的影響，易產生孔的細牙和絲套外細牙相互咬死現象發生。

為了增加內外絲套與本體的結合強度，在外圓上增加5～15 mm 的空檔焊接區域（圖3b）），在鋼絲套的受力強度上比全絲扣的鋼絲套要增強很多。此焊接區域為絲套與牌坊本體手工氬弧焊堆焊區域，效果優于不焊接的絲套，但在實際運行過程中也出現過絲套焊接區域脫焊現象。

1.3 外圓粗牙鋼絲套

細牙螺紋缺點是抗拉值、強度較粗牙低，且螺紋容易損傷，不能多次拆裝，同時配套的螺栓孔也要同等精確，尺寸稍有誤差，容易使得絲套按照出現不可見的問題。針對外圓細牙絲套的缺陷與不足，改進設計為外圓粗牙螺紋。粗牙螺紋的特點是具有較高的強度，互換性好，且有標準可對照。

結合上述兩種情況和實際運行出現的問題，在現有的基礎上再次進行改進，由原來設計的外細牙M52×2 螺紋改為粗牙M56×4 螺紋，外圓一端相應減少1～3 扣牙距作為空檔區（圖4）。螺栓孔修復再造過程中，利用英國優尼博UNIBORE100FR PLUS 磁力鉆進行現場作業，該磁座吸力高達35 000 N，鉆孔直徑1～100 mm、主軸轉速50～450 r/min，具有過熱過載保護、無級調速功能。該設備主要完成原損傷螺栓孔的中心點的定位、擴孔和攻絲作業（如下圖所示攻絲后的效果圖），解決了螺栓孔的抗腐蝕能力和強度。經鑲絲套、手工氬弧封邊處理、鉗修打磨、過絲處理，完成螺栓孔的修復作業。

圖4 外圓粗牙螺紋的鋼絲套及粗牙孔

2 螺栓孔襯板配合面激光熔覆修復再制造

螺栓孔襯板配合面的高精度，對于減小襯板與牌坊間的間隙，減小軋制過程中對螺栓的剪切沖擊力，提高螺栓孔的使用壽命具有重要意義。在軋機牌坊的再修復過程中，首先通過機加工除去軋機牌坊表面腐蝕產物；然后采用激光熔覆再制造加工技術在襯板配合面表面熔覆一層0.4～0.5 mm 厚的金屬功能層，提高牌坊本體表面的耐磨損、耐蝕耐磨性能，提升軋機牌坊的使用要求；最后通過機加工精整提高表面質量和加工精度（圖5）。

圖5 螺栓孔襯板配合面激光熔覆加工

激光熔覆技術不僅可以有效解決軋機牌坊的腐蝕磨損和抗沖擊的問題，還可以避免傳統表面加工方法無法克服的工藝熱變形、組織粗大、熱疲勞損傷、結合強度低等技術難題[5-6]。另外，軋機牌坊配合面的抗腐和抗磨損能力的提升，可以保證軋機牌坊和襯板面的間隙，減少對螺栓孔的腐蝕、磨損和沖擊，增強軋機牌坊的使用精度保持能力。

3 總結

通過對牌坊螺栓孔的采用鑲內外絲套再造修復技術，再配合牌坊襯板配合面采用激光再制造的方法，大大減小了牌坊本體的腐蝕速度，解決了牌坊運行中螺栓的滑絲和斷裂問題，為軋機精度保持能力提供強有力的支撐，提升了產品質量。此方法有效解決了軋機牌坊螺栓孔修復的問題，值得借鑒和推廣。