大型連鑄機扇形段零段壽命研究

王麗遠， 劉占峰， 岳志坤

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司， 河北 唐山 063200）

引言

連鑄機扇形段零段是連鑄機關鍵設備之一，在連鑄過程中零段輥一直與紅熱的鑄坯表面接觸，大量的熱能傳到零段輥中，受到很大的熱負荷。同時由于冷卻水的作用和輥子轉動，使得在零段輥內產生交變的熱負荷，零段輥容易疲勞失效，一旦失效，會影響連鑄坯的表面質量，造成巨大的經濟損失，所以研究零段輥的失效情況十分必要。

以大型2150 連鑄機的零段輥為研究對象，調研發現，零段輥受到鑄坯因高溫產生的鼓肚力和因連鑄輥壓下產生的反作用力而引起循環載荷，還有高溫鑄坯的熱輻射與冷卻水降溫帶來的交變熱循環作用，經常會發生不同程度的磨損、腐蝕和彎曲等失效問題，給正常的生產帶來不利影響。因此，對2150 連鑄機扇形零段進行了改造，減少因為零段失效帶來的經濟損失。本課題以此為背景，對改造前后的零段輥進行分析。進一步研究輥列的主要控制要素，針對性地在實際生產中優化、改進，使連鑄輥的品質和壽命得以提高，使其運行穩定可靠。

1 2150 扇形段零段組成結構

扇形段0 號段的鋼結構包括2 個大型裝配框架，活動框架與固定框架通過2 個由許多拉桿連接在一起的側框架定位，包括板坯作用于彎曲段的靜壓力和彎曲力。彎曲段可通過墊片來設定成不同的厚度。0 號扇形段通過4 個耳軸來精確定位。兩個上耳軸與結晶器臺支撐框架上的底座連接，兩個下耳軸與鑄坯導向架支撐框架上的底座連接。上部連接留有余隙以易于拆除0 號扇形段。上部連接配有護板，防止金屬噴濺或溢出。

2150 mm 連鑄機扇形段零段有17 排輥子，分別為5 排170 實心輥，12 排180 實心輥，如圖1 所示。

圖1 扇形段輥子結構（單位：mm）

2 2150 板坯連鑄機扇形段失效調研與分析

2150 板坯連鑄機在線共有4 個零段，離線有12個周轉修復零段，改造前連續15 個月內，由于達不到連鑄機的功能精度，兩臺2150 連鑄機共更換零段68個，平均每月更換4.53 個零段，平均在線時間27d，過鋼量約為6 萬t，已嚴重影響鑄機的產品質量。

零段未到壽命下線嚴重影響了零段的功能和精度，更換1 個零段需要近4 h，每月因輥縫超標造成的停機時間就近18 h，制約了檢修周期，同時完整修復一個零段需要近60 萬元的備材費、人工費，離線在線共需約100 個人工，并且每月單是零段修復費用就需要200 多萬。

因此，為了保證零段的功能和精度，提高連鑄機的產品質量，對零段輥失效的主要形式和其產生原因以及影響零段輥壽命的因素進行分析。

2.1 2150 連鑄機零段下線原因分析

通過對下線的68 個零段進行解體，將所有的零段下線原因進行統計，采用六西格瑪的帕托圖中的二八原則分析得知，影響零段壽命的主要原因為弧輥縫超差和輥子不轉造成，該兩種原因造成扇形段零段下線的比例高達79.8%。漏鋼臥坯下線由于是事故狀態造成的結果，因此不將其列入分析范疇，如圖2 所示。

圖2 扇形段零段下線原因Pareto 圖

2.2 2150 連鑄機零段輥失效形式分析

為了進一步確定影響零段輥壽命的主要失效形式，將采用六西格瑪中的故障樹分析方法進行分析。首先將零段按照設備結構逐層拆分，從宏觀的零段裝配細化到每一個螺栓墊片，羅列出零段每一個零部件的裝用量。然后對由于輥縫超差和輥子不轉下線的零段進行解析，分析零段每一個零部件是否為影響零段輥縫超差和輥子不轉的因素。最后按照其影響次數畫出其故障分析樹，如圖3 所示。

圖3 影響零段輥縫超差和輥子不轉的故障樹

由故障樹可以得知，影響扇形段零段輥子不轉的主要因素為零段輥潤滑不到位造成。影響對弧輥縫超差的主要因素為輥面及輥子部件的熱疲勞失效和輥面磨損，其在故障樹中表現為輥面開裂，輥面磨損嚴重，軸及軸承座的材料和強度性能差，如圖4、圖5 所示。對于軸承的原因主要為疲勞壽命的問題，由于維護成本的關系，投產1 年多的時間，零段輥的軸承更換量很少，日后維護只需加強軸承的到期更換工作即可，所以不作為本課題的討論對象。

圖4 零段輥開裂圖

圖5 零段輥軸承座變形圖

3 連鑄機扇形段零段改造措施現場試驗及效果評析

3.1 軸承座強度加強改造

為了提高軸承座的強度，從其材料和結構尺寸均進行了強化。軸承座側板的寬度由24 mm 增大到46 mm，底板厚度由32 mm 增大到35 mm，如圖6 和圖7 所示，同時材質由原設計材料Q235B 變更為42CrMo 鍛造，熱處理為調質處理HB240-260。軸承座結構尺寸的變化未對零段輥的熱力分布產生影響，此結果已在零段輥的有限元熱力分析中得到論證。選擇更加耐熱的材料，而且進行鍛造和熱處理無疑將軸承座的強度提高到了一個新的高度。

圖6 改造前零段軸承座（單位：mm）

圖7 改造后零段軸承座（單位：mm）

第一個經過軸承座強度加強改造的零段S0-2在1 號機2 流上線，之后兩個月改造的零段陸續上線。2 流零段S0-2 檢修離線檢查時，發現有部分輥子表面有裂紋，決定下線修復，在線時間4 個半月，過鋼量為29 萬t。自S0-2 下線后兩個月兩臺鑄機共更換13 個零段，可見軸承座強度加強改造的效果很明顯，過鋼量有了大幅度的提升，下線的零段輥如圖8 所示。

圖8 扇形段零段輥子端部裂紋

3.2 零段輥改造

從扇形段零段兩個月的更換記錄發現下線原因有漏鋼和輥子開裂兩種，見下頁表1，下頁圖9。雖然由于軸承座強度的加強改造已經使零段輥的壽命有了明顯的提升，但是由于種種原因零段輥的改造進度緩慢，為此改造后的零段輥上線已經迫在眉睫。

圖9 扇形段零段輥子端部裂紋

表1 扇形段零段兩個月更換記錄

為解決零段輥輥面開裂和輥面磨損的具體改造方案為：輥體材料由21CrMoV5-11 改為42CrMo，直徑增加10 mm；軸原設計材料45 鋼，為了提高強度，在結構改進同時將材料改為42CrMo 鍛造，原熱處理調質處理HB217-255，改為HB255-275。

經過改造的零段輥上線后，通過近1 年扇形段零段的維護記錄可以得知，扇形段零段的壽命已經大幅度提升，個別的零段過鋼量已經達到28 萬t 以上。由于輥面磨損和開裂下線的零段比例大幅度降低，見圖10，而且下線零段輥的表面質量也很好，總體來說此次改造是很成功的。

圖10 改造后下線輥子

3.3 經濟效益分析

通過對比分析，改進后平均壽命為由6 萬t 提高到了18.2 萬t，平均每月減少零段更換2 臺左右，完整修復1 個零段需要近60 萬的備材費、人工費，離線在線共需約100 個人工，每月節省費用約120萬元、200 個人工，產生了可觀的經濟效益。

4 結語

本課題以對2150 連鑄機零段的改造為基礎，以改造前后的零段輥為研究對象，通過比較分析，得出了影響零段壽命的主要因素，最后在現場對扇形段零段實施了改造，經實際驗證改造效果良好。實踐分析證明：零段輥材質應選擇熱膨脹系數小的材料，改造實施時將零段輥輥身材料更換為42CrMo。通過現場實施改造措施，2150 扇形段零段通鋼量從6 萬t提高到18.2 萬t，輥子壽命有了較大提高，輥子維修成本降低120 萬元/月，改造效果明顯。