楊旭東，景群社，李仲平

(山西百一機(jī)械設(shè)備制造有限公司，山西 太原 030003)

1 前言

連鑄機(jī)的作用是將熔融鋼水經(jīng)結(jié)晶器凝結(jié)成坯殼，再經(jīng)過(guò)密排連鑄輥組成的弧形通道最后成坯。因此，由連鑄輥組成的誘導(dǎo)裝置對(duì)鑄流起著支撐和導(dǎo)向作用。連鑄輥?zhàn)鳛檫B鑄機(jī)的主要備件，其品質(zhì)、壽命嚴(yán)重影響著連鑄生產(chǎn)的效率。尤其是結(jié)晶器下方的彎曲段，連鑄生產(chǎn)事故多發(fā)部位。為此，針對(duì)典型事故的剖析、研究彎曲段的具體工況條件、使用要求以及的具體情況，通過(guò)分析進(jìn)一步了解輥列的主要控制要素，針對(duì)性地在實(shí)際生產(chǎn)中優(yōu)化、改進(jìn)，使連鑄輥的品質(zhì)和壽命得以提高、并穩(wěn)定可靠，降低連鑄生產(chǎn)噸鋼成本［1］。

2 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)連鑄輥磨損現(xiàn)象

該連鑄機(jī)澆注板坯最大斷面230 mm×1 650 mm，彎曲段輥徑為 φ150 mm，輥距約185 mm，芯軸式三分節(jié)結(jié)構(gòu)，輥面堆焊不銹鋼。

鑄機(jī)發(fā)生的一次漏、“凍”鋼事故，如圖1所示。整個(gè)彎曲段充滿了“凍”鋼坯，下口內(nèi)弧側(cè)有6根輥?zhàn)幽p異常嚴(yán)重，表面像是經(jīng)過(guò)切削加工一樣。

圖1 事故連鑄輥

調(diào)查檢測(cè)結(jié)果:①上機(jī)使用共21天，過(guò)鋼量315爐。②六只輥全部為中間輥套且研死不轉(zhuǎn)，其余基本正常。③磨損異常嚴(yán)重:內(nèi)弧17#輥磨損深度16 mm，寬度約100 mm;內(nèi)弧16#輥磨損深度17 mm，寬度約100 mm;內(nèi)弧15#輥磨損深度8 mm，寬度130 mm;內(nèi)弧8#輥磨損深度14 mm，寬度約100 mm;內(nèi)弧13#輥磨損深度8 mm，寬度約90 mm;內(nèi)弧10#輥磨損深度4 mm，寬度約50 mm。

3 連鑄輥工作狀態(tài)磨損原因分析

檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，輥套磨損最嚴(yán)重的單邊為17 mm，圖2為模擬在線連鑄情況，兩輥中心距只有185 mm，鑄坯厚度是200 mm。從理論上講，上下兩只輥夾住鑄坯，中間輥磨損0.5 mm鑄坯就不會(huì)接觸到輥?zhàn)?，不可能單邊磨損17 mm，所以問(wèn)題出在彎曲段連鑄輥的實(shí)際工況和連鑄工藝上。

圖2 連鑄在線鑄坯與輥?zhàn)硬糠制拭婺M

根據(jù)連鑄工藝要求，在結(jié)晶器內(nèi)結(jié)晶成殼，鑄坯被拉出結(jié)晶器時(shí)，坯殼的厚度要達(dá)到15～20 mm。也就是說(shuō)，鑄坯在進(jìn)入彎曲段時(shí)，形成的是15～20 mm厚的坯殼包裹著鋼水。鋼水溫度約1 485℃的熔融鋼水，鋼水在重力的作用下，會(huì)下垂鼓肚成雨滴形，與剛進(jìn)入彎曲段的鑄坯接近。

液芯鑄坯出了結(jié)晶器，坯殼在鼓肚內(nèi)部靜壓力的作用下，膨脹變成近似雨滴形狀，擠壓包裹在輥套上，如圖3所示。輥?zhàn)硬晦D(zhuǎn)時(shí)，磨損不斷加深。一個(gè)彎曲段中，現(xiàn)場(chǎng)只有這六只中間輥套磨損，其余卻基本完好。

對(duì)這個(gè)現(xiàn)象繼續(xù)分析，磨損的輥套都研死不轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)的輥套都沒(méi)有磨損。原因是輥?zhàn)拥幕瑒?dòng)摩擦力和滾動(dòng)摩擦力不同。對(duì)比同條件下滑動(dòng)摩擦力和滾動(dòng)摩擦力。

滑動(dòng)摩擦力 F1=FN×μ(滑動(dòng)摩擦因數(shù))，鋼對(duì)鋼狀態(tài)下，摩擦因數(shù)μ=0.1。

滾動(dòng)摩擦力 F2=FNrΔφ × μg·/rΔφ =FNμg(滾動(dòng)摩擦因數(shù))，滾動(dòng)摩擦因數(shù)典型數(shù)值:φ1.5875mm 鋼 球 對(duì) 鋼 滾 道 狀 態(tài) 下 μg=0.00004［2］。

所以 F1/F2=μ/μg=2 500倍

綜上所述，在相同狀態(tài)下簡(jiǎn)單比較，滑動(dòng)摩擦力是滾動(dòng)摩擦力的兩千多倍。這就可以分析清楚磨損現(xiàn)象了，鑄坯進(jìn)入彎曲段，鼓肚壓力非常大，同時(shí)，受到輥列的熱軋校平作用，被壓平。在壓縮過(guò)程中，鑄坯瞬間近乎裹在輥套上，形成粘著磨損和磨粒磨損形式。

圖3 鑄坯包裹輥?zhàn)幽M圖

當(dāng)輥套不轉(zhuǎn)時(shí)，由滾動(dòng)摩擦區(qū)域瞬時(shí)變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦區(qū)域，摩擦力瞬間連續(xù)、數(shù)倍加大，輥套逐漸無(wú)法承受，很快被磨損，出現(xiàn)平面缺損，這種磨損根本無(wú)法在線觀察到，那么磨損不斷續(xù)續(xù)，直到鑄坯鼓肚尺寸過(guò)大，在進(jìn)入下一組輥列時(shí)，因尺寸過(guò)大而無(wú)法通過(guò)，拉矯輥打滑報(bào)警，鑄坯拉不出，像是“凍”在彎曲段里邊，從而徹底形成“凍”鋼熱停機(jī)事故。而此時(shí)輥列就出現(xiàn)了圖1的狀態(tài)。

4 輥?zhàn)痈g磨損形式分析

圖4、圖5為鋼廠現(xiàn)場(chǎng)拍攝的輥?zhàn)邮褂煤笙戮€照片。明暗相間，呈螺旋紋路，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果，如圖4所示，輥面完整光滑沒(méi)有任何損傷。輥面呈螺旋狀疏松掉塊，單邊深度0.3 mm，如圖5所示。

圖4 1600爐輥?zhàn)邮茈娀瘜W(xué)腐蝕狀態(tài)

對(duì)此進(jìn)行成份與堆焊工藝、工況三方面的研究。

圖5 3830爐輥?zhàn)邮茈娀瘜W(xué)腐蝕狀態(tài)

(1)成份Cr含量13，在Cr不銹鋼領(lǐng)域有N/8理論，就是說(shuō)Cr含量達(dá)到1/8時(shí)，基本具備防腐蝕能力，但卻處在最低水平，而1/8的Cr含量是12.5%，工業(yè)上為表達(dá)簡(jiǎn)單，有時(shí)圓整到13%，該成份依然易被腐蝕。

(2)堆焊工藝過(guò)程如圖6所示。工藝方案為自動(dòng)熔敷外層金屬，形成如圖6近似形狀的焊接熔池。熔池冶金過(guò)程會(huì)產(chǎn)生碳化鉻，最重要的是碳化鉻本身具有強(qiáng)烈的“熱遷移”現(xiàn)象。熔池兩邊薄冷卻快，中間厚冷卻速度較慢。碳化鉻在熔池中隨著冷卻從熔池兩邊析出，并隨著螺旋狀熔敷過(guò)程同時(shí)進(jìn)行熱遷移，這樣造成熔敷中心高鉻，兩邊出現(xiàn)貧鉻區(qū)并形成螺旋紋路，從而出現(xiàn)螺旋紋狀防腐失效帶。腐蝕介質(zhì)主要是保護(hù)渣及高溫蒸汽。

圖6 焊接熔池圖

(3)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行檢測(cè)，其中電導(dǎo)率過(guò)高，達(dá)到1 623 μs/cm，在1 050℃的高溫下對(duì)輥?zhàn)訕?gòu)成電解液。貧鉻區(qū)生產(chǎn)陽(yáng)極，金屬本身構(gòu)成陰極，發(fā)生電極電位反應(yīng)，即腐蝕反應(yīng)。長(zhǎng)期惡劣工況下輥面發(fā)生嚴(yán)重的電化學(xué)反應(yīng)，出現(xiàn)螺旋紋路狀炭黑現(xiàn)象，加之輥面機(jī)械磨損，產(chǎn)生疏松，螺旋掉塊，如圖5所示。致使輥?zhàn)訌氐资?，甚至?duì)鑄坯表面造成高低不平的壓痕。表1為連鑄冷卻水檢測(cè)結(jié)果。

表1 煉鋼連鑄冷卻水檢測(cè)

5 失效分析結(jié)果與對(duì)策

失效分析結(jié)果如下:

(1)彎曲段的輥?zhàn)庸ぷ鳡顟B(tài)上部從第八對(duì)輥?zhàn)娱_(kāi)始起弧，將直坯矯彎產(chǎn)生弧形坯;

(2)在線檢測(cè)，輥列承受單輥矯直反力20 kN及鋼水靜壓力產(chǎn)生的鼓肚力;

(3)輥?zhàn)映惺? 000℃左右高溫，且上部輥列被鑄坯近乎包裹，而不是線接觸;

(4)輥?zhàn)映惺車?yán)重的機(jī)械磨損;

(5)輥?zhàn)庸ぷ髦幸坏┛ㄗ钑?huì)迅速磨損甚至造成重大事故;

(6)輥列要求具備更好的耐腐蝕能力，降低濃差電池反應(yīng)和電極電位反應(yīng)所造成的破壞。

對(duì)策如下:

(1)設(shè)計(jì)采用機(jī)械性能較高的基體金屬，針對(duì)性設(shè)計(jì)外層復(fù)合金屬的化學(xué)成份;

(2)改進(jìn)熔覆技術(shù)，調(diào)整熔覆控制參數(shù)，消除晶間析出帶;

(3)改進(jìn)提高熔覆過(guò)程溫控手段，穩(wěn)定優(yōu)化復(fù)合層機(jī)械性能，更加適應(yīng)高溫、高腐蝕的輥列使用要求;

(4)優(yōu)化熱處理控制參數(shù)，提高輥面硬度至HRC56～58，大幅提高輥身抗磨損能力，同時(shí)通過(guò)硬化提高耐腐蝕能力;

(5)改進(jìn)輥?zhàn)痈邷貭顟B(tài)下軸承轉(zhuǎn)動(dòng)游隙，消除熱膨脹導(dǎo)致的轉(zhuǎn)動(dòng)失效。

6 結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)例分析了連鑄輥失效原因，并在堆焊工藝上、輥?zhàn)友b配上，水冷系統(tǒng)上做出了改進(jìn)，大大降低了輥?zhàn)拥哪p程度，從而提高了輥?zhàn)拥氖褂脡勖?/p>

［1］ 李富帥．連鑄輥長(zhǎng)壽命技術(shù)研究［C］．連鑄學(xué)術(shù)會(huì)議．中國(guó)金屬學(xué)會(huì)，海口，2007，11．

［2］ 成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第3版)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1993．

［3］ 劉成俊，范培耕．板坯連鑄輥失效原因及其修復(fù)技術(shù)［J］．重慶鋼鐵高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，1998，(4)．