（机械设计及理论专业论文）一种提高无缝钢管表面质量的新型悬臂辊的设计.pdf

一种提高无缝钾4 管表面质量的新型悬臂辊的设计 摘要 悬臂辊是热轧无缝钢管生产线上再加热炉内用于输送被加热后钢管的重要部 件。现有的悬臂辊在高温下易于表面粘钢，并导致钢管表面划伤等表面质量缺陷。 针对这一问题，本文总结了国内外现有悬臂辊的使用状态，阐述了悬臂辊的表面 粘钢机理，并以此理论为基础，对悬臂辊的温度场进行了分析和计算；结合计算 结果，重新进行了新型悬臂辊的结构设计和材料设计；本文的主要内容包括： ( 1 ) 根据传热学、材料力学的相关知识，对新结构悬臂辊的内外壁温度和热 应力进行了计算，设计了合理的新结构，并验证了新结构悬臂辊不易粘钢； ( 2 ) 因原悬臂辊材料不具有新结构悬臂辊所要求的高温强度，又进行了新辊 体材料设计；开发了高效率悬臂辊材料分析系统，可同时进行悬臂辊的选材设计 与温度场、应力场的分析，使悬臂辊优化设计的准确性和速度大大提高： ( 3 ) 进行了新型悬臂辊的生产试验，试验数据表明：新型悬臂辊的辊面不粘 钢，钢管表面质量明显改善，辊体不开裂，寿命达到使用要求。证明新型悬臂辊 的结构设计和材料设计是成功的。 论文研究表明：根据粘钢机理指出悬臂辊粘钢是造成热轧钢管表面质量缺陷 的主要原因之一；据此开发的新型悬臂辊具有优良的不粘钢性能，提高了钢管表 面质量；此项研究对热轧钢管生产的提质降耗具有较大的意义。 关键词：表面质量；再加热炉：悬臂辊；结构设计；材料设计 a b s t r a c t c a n t i l e v e rr o i l e ri sak e ye q u i p m e n to ft h er e h e a t i n gf u r n a c eo nt h eh o t r o l li n go f s e 踟 i l l e s ss t e e lt u b ep r o d u c t i o nl i n e ，w h i c hi su s e dt oc o n v e ys t e e lt u b e s o w i n gt ot h e h i g ht e m p e r a t u r ei nt h ef u r n a c e ，s u r f a c em e t a lp i c k - u ph a p p e n sb e t w e e nc a n t i l e v e r r o l l e ra n ds t e e lt u b e s ，w h i c hc a u s e st u b es u r f a c ed e f e c t ss u c ha ss u r f a c es c r a t c h e s i n t h i sp a p e r ，ac a n t i l e v e rr o l l e rw i t han e wk i n do fs t r u c t u r ea n dm a t e r i a li ss u g g e s t e d t o s o l v et h i sp r o b l e m t h eu s e so ft h ee x i s t i n gc a n t i l e v e rr o l l e r sa th o m ea n da b r o a da r e s u m m a r i z e d ，a n dam e c h a n i s mo fs u r f a c em e t a lp i c k - u pi se x p o u n d e d c a n t i l e v e r r o l l e r s t h e r m a lf i e l di sa n a l y z e da n dc a l c u l a t e d t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e r i n c l u d et h r e ep a r t s f i r s t l y ，n e ws t r u c t u r ec a n t i l e v e rr o l l e r s i n s i d ea n do u t s i d ew a l lt e m p e r a t u r ea n d t h e m a is t r e s sa r ec a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h ek n o w l e d g eo fh e a tt r a n s f e r a n d t h e r m o e l a s t i c i t y s u r f a c em e t a lp i c k - u pi sn o te a s yf o r t h en e ws t r u c t u r ec a n t i l e v e r r o l l e r sa c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s s e e o n d l y , an e wr o l l e r m a t e r i a ld e s i g ni sc a r r i e do u t m a t e r i a l s f r o mt h e c a n t i l e v e rr o l l e r sw h i c hn o th a v i n gt h en e ws t r u c t u r er e q u i r e dh i g ht e m p e r a t u r e s t r e n g t h h i g h l ye f f i c i e n tm a t e r i a la n a l y s i so fc a n t i l e v e rr o l l e rs y s t e mi sd e v e l o p e d w h i c hc a ns i m u l t a n e o u s l yr o l lc a n t i l e v e rd e s i g na n dm a t e r i a l s e l e c t i o no ft h e t e m p e r a t u r ef i e l d ，s t r e s s f i e l da n a l y s i s ，s ot h a tt h ed e s i g no fc a n t i l e v e r r o l l e r s o p t i m i z eg r e a t l ye n h a n c et h ea c c u r a c ya n ds p e e d f i n a l l y , an e wt y p eo fc a n t i l e v e rr o l l e rp r o d u c t i o ni st e s t e d t e s td a t as h o w s t h a t s u r f a c em e t a lp i c k u po ft h en e wt y p eo fc a n t i l e v e rr o l l e rc a nh a r d l yb ef i n d s t e e l t u b e s ，s u r f a c eq u a l i t yi si m p r o v e da n dr o l l e rb o d yw o u l dn o tc r a c k t h eu s eo f c a n t i l e v e rr o l l e r ，sl i f ei ss a t i s f i e d i ti sp r o v e dt h a tt h es t r u c t u r eo ft h en e wr o l l e r c a n t i l e v e rd e s i g na n dm a t e r i a ld e s i g ni su s e f u l t h i sp a p e rs h o w st h a tt h ec a n t i l e v e rr o l l e rs u r f a c em e t a lp i c k u pi sam a i nr e a s o n t oc a u s ed e f e c t si nt h es u r f a c eq u a l i t yo fh o t r o l l e ds t e e lt u b e s t h en e wt y p eo f c a n t i l e v e rr o l l e rd e v e l o p e di nt h i sp a p e rh a sa l le x c e l l e n tl i o n s t i c kp e r f o r m a n c e , w h i c hi m p r o v e st h es u r f a c eq u a l i t yo fs t e e lt u b e s t h es t u d yo fh o t r o l l e ds t e e lt u b e p r o d u c t i o np l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei ni m p r o v i n gq u a l i t ya n dr e d u c i n gc o n s u m p t i o n k e yw o r d s ：s u r f a c eq u a l i t y ；r e - h e a t i n gf u r n a c e ；c a n t i l e v e rr o l l e r s ；s t r u c t u r a ld e s i g n ； m a t e r i a l sd e s i g n i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 储摊：i 讹 日期：2 0 0 9 年多月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖 南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书。 2 不保密团。 滞在以上相应方框内打，v ，) 导师签名：歹乃二 日期。岬年每月7 日 飙1 铴刖钼 高校教师硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 热轧无缝钢管生产线上的悬臂辊是再加热炉内用于输送加热后钢管的重要设 备部件。步进式再加热炉主要用于连轧后钢管的再加热，不仅要使被加热钢管达 到张力减径机顺利生产和轧成后力学性能所需的温度，而且要求被加热钢管的表 面不能氧化起泡，加热均匀【l 】。因高温的悬臂辊辊面与被加热后的钢管接触并发 生磨擦，辊面状况直接影响到钢管表面质量的好坏。由于再加热炉内的温度通常 保持在9 5 0 1 0 5 0 ，在这样的温度下，即使是由耐热钢制成的悬臂辊也很容易损 坏，产生一系列问题： 高温使悬臂辊强度不够，极易在轴颈处断裂、变形；同时高温使其硬度降低， 易与钢管发生粘连，导致钢管表面擦伤、表面凹坑等缺陷，使钢管不能满足质量 要求，造成重大的经济损失；悬臂辊的辊面过量磨损，原来的v 字形辊变成了u 字形，使局部壁厚减薄；悬臂辊所处的高温环境使辊面被氧化而出现整体壁厚减 小或被磨穿的情况等。 1 2 国内外步进式加热炉悬臂辊的现状和发展 步进式加热炉是专门用来加热的设备，它的悬臂辊多采用金属结构，而在 1 0 0 0 c 以上的高温情况下，金属炉辊的寿命都比较低：为了延长其使用寿命，大 部分企业都采用高铬高镍耐热合金制作悬臂辊，但其造价高，每根炉辊高达2 3 万元，甚至达6 万元，而使用寿命也就是1 年左右，就悬臂辊而言，从当前情况 看就是造价高、寿命短。 1 1 2 国外悬臂辊现状与发展 无论是我国引进的进口设备的悬臂辊还是国外钢管厂的悬臂辊，其主要型式有三 种：第一种是耐热合金钢炉辊，但辊面粘钢较严重；第二种是采用氮化硅、氧化镁等合 成的粉末烧结成的炉辊；第三种是热喷涂炉辊。据p r a x a i r 公司介绍，采用气体爆 燃喷涂方法( d g u n ) ，对7 0 0 以下的低、中温区域的钢辊喷涂镍铬碳化铬 ( n i c r - 9 0 c r 3 c 2 ) 材料；对7 0 00 c 以上的高温区域钢辊喷涂钴基高温合金 ( c o t a s i c r a l y + a 1 2 0 3 ) 复合材料1 2 】。据文献【3 ，4 】报道，目前应用在c a l 高温钢辊 的喷涂材料还有氧化锆一氧化钇和氧化铝一氧化铬等陶瓷材料。这些材料工作在一 定环境下对防止钢辊表面结瘤有效果，但是，在高温状态下不稳定，甚至会与钢 板表面析出元素发生化学反应。对钢辊实施热喷涂，可以缓解表面结瘤的产生。 一种提高无缝铡管表面质量的新型悬臂辊的设计 但是对于因低熔点化合物( 主要为s i o 复合氧化物) 产生的结瘤则与涂层的材料 有一定关系，而且容易发生在水平型连续退火炉的非氧化区间段【5 1 。其它喷涂方 法有：等离子喷涂，如川崎公司在s c h 2 2 基材( 2 5 c r 2 0 n i 0 4 c ) 上等离子喷涂c r 3 c 2 与n i c r ( 或n i c o ) 混合粉末，制成连续热处理炉炉辊【6 】，还研制过等离子喷涂 a 1 2 0 3 、z r 0 2 s i 0 2 、a 1 2 0 3 c r 2 0 3 等炉辊，其使用寿命均为2 个月左右【7 8 l ；爆炸喷涂， 如日本钢铁公司名古屋工厂采用爆炸喷涂c o c r a i y o y 2 0 3 + c r b 2 新技术，使辊子耐 磨性能较c o c r a i y - a 1 2 0 3 炉辊提高l 倍以上，抗结瘤能力强于a 1 2 0 3 + c o c r a i y 、 z r 0 2 5 0 s i 0 2 辊【9 】；火焰喷涂，如川崎公司通过火焰喷涂5 5 b n n i 1 4 c r 8 f e 3 5 a i 形成自净涂层，应用于高温退火炉辊，该炉辊具有陶瓷辊4 倍的耐磨性及自净抗 结瘤特性【1 0 】。 由于炉辊是高温设备，为此各国都在研究提高悬臂辊耐热性，并降低悬臂辊 的制作成本。 1 2 2 国内悬臂辊现状与发展 在我国，绝大多数悬臂辊采用的是c r - n i 耐热合金钢经离心浇铸而成，在钢管行 业使用的悬臂辊有两种：耐火浇注料炉辊和耐热钢炉辊。耐火浇注料炉辊的钢芯 由4 5 # 钢制成，外裹以耐火材料。这种炉辊虽然价格便宜，但耐火材料易龟裂、剥 落、维修量大，而且需要风冷。综合考虑其性能价格比，可认定它并非是理想的 炉用辊。悬臂辊所处的环境是1 0 5 0 左右的高温，要求材料具有良好的抗高温氧 化性，同时，每根悬臂辊将承受约5 0 0 k g 的钢管重量，也应具有较好的热强性， 此外还要防止疲劳裂纹的产生。满足上述性能要求的材料通常以c r - n i 钢为主，炉 辊所处的特殊工作环境，使炉温的高低成为炉辊材料选择的主要依据，炉子实际 的热处理温度不得高于所选材料的最高工作温度。据有关资料介绍，炉温7 5 0 左右时，应选用c r 2 0 n i l o 钢作为辊身材料；炉温8 5 0 左右时，应选用c r 2 0 n i l 4 钢；炉温9 0 0 左右时，选用c r 2 5 n i 2 0 s i 2 钢；炉温若在11 0 0 或更高一些时， 选用c r 2 8 n i 4 8 w 5 钢【1 1j 。 目前，国内辊体普遍使用的是c r 2 5 n i 2 0 s i 2 耐热钢，其抗氧化性能很好，连 续使用最高温度为9 0 0 ，间歇使用最高温度为1 0 5 0 1 1 0 0 c 1 2 】。但我国的镍资 源匿乏，由该材质制成的炉辊价格昂贵，一般厂家难以承受。近年来，国内有关 科研和生产部门做了大量试验研究，开发了一批少镍材料制作的炉辊，如北京钢 铁研究总院研制的节镍型高温炉用耐热钢3 c r 2 4 n i 7 s i n 在9 0 0 - 1 1 0 0 范围内使用， 具有较好的抗氧化性能及良好的机械性能。其室温强度、高温短时强度以及持久 强度均高于c r 2 5 n i 2 0 s i 2 。3 c r 2 4 n i 7 s i n 的时效脆性倾向也较小，长期使用后，仍 有一定的强度和塑性，用来替代c r 2 5 n i 2 0 s i 2 钢是安全可靠的，故而选定 3 c r 2 4 n i 7 s i n 钢来制作炉辊【l 引。这两种炉辊寿命都不长，而且悬臂辊辊面很容易粘钢， 2 高校教师硕i ? 学位论文 同时也易使管体出现黑印、擦伤、粘钢、凹坑等质量缺陷，从而导致张力减径后的钢 管表面出现质量问题，如麻点、凹痕、外擦伤等，致使钢管成材率或等级降低，造成 较大的经济损失。针对国内步进式加热炉存在的问题，国内多家单位都在研究不 粘钢悬臂辊，但据现有报道，都没有彻底解决辊面粘钢问题。 国内已采用或试验过的悬臂辊结构有四种，其一是冷却水只冷却辊轴，不冷却 辊体，辊体表面温度与炉内温度相差无几；其二是将辊轴伸长到辊体端部，在辊 体内腔填充磷酸耐火浇注料；其三的结构与第二种相似，但辊体填充料改为 c r 2 5 v i 2 0 s i 2 耐热钢；其四是辊体与辊轴装配后，焊好端头盖板，在辊体内腔 浇入低熔点金属铝，最后焊中间盖板，再做真空处理 1 4 1 ( 详细的特点说明及结 构图参见本文第二章第二节) 。 1 3无缝钢管表面缺陷分析 热轧无缝钢管的工艺流程为：管坯加热一穿孔一轧管一再加热一张力减径一 冷却l i5 1 。在实际的生产过程中，无缝钢管表面常常会出现各种各样不同的缺陷， 严重影响了钢管的表面质量，降低了无缝钢管的成品率。为提高无缝钢管的表面 质量，必须减少钢管的外表面缺陷。无缝钢管的外表面缺陷分为两类：钢管外表 面划伤和网状横向裂纹。 1 3 1 钢管外表面划伤 钢管外表面划( 擦) 伤可分为热态和冷态划伤。热态划伤的划痕与管体呈同 一个颜色，冷态划伤的划痕呈白亮色。冷态划伤主要是机械划伤如辊道、接料臂、 传送链，矫直辊及出入口导槽( 管) 等，另外吊运过程也会产生一些划伤。热态 划( 擦) 伤与工具如轧辊、导槽( 管) 、设备如定心辊、辊道等有关。这里主要描 述的是由热区再加热炉悬臂辊道引起的划伤，因这类缺陷在生产中大量产生，尽 管其深度较浅仅0 3 m m 左右，但由于批量出现且在每支管子上通体呈带状，严重 地影响了钢管的外观质量，使用户难以接受。 这种划伤的产生有两个原因：一是由于炉内个别辊子卡住不能旋转，在高温 下辊面粘结了氧化物，当钢管经过这一辊道时粘结的氧化物就会将钢管的外表面 划伤，这种划伤的划线较长；二是辊速与轧件存在速度差，当钢管从再加热炉出 炉并进入定( 减) 径机时，其运行速度受到定( 减) 径机轧制速度的限制而立即 减小，但悬臂辊道还以原运行速度转动，此时辊道表面的线速度大于钢管运行的 线速度，以致辊道表面粘接的氧化物就会划伤钢管外表面，一般这种划伤产生的 划线较浅较短，呈断续状，多出现在钢管的后半部分【1 6 l 。 一种提高无缝钢管表面质量的新型悬臂辊的设计 1 3 2 钢管外表面网状横向裂纹 钢管表面的横向裂纹是在减径过程中形成的，且只发生在钢管的外表面。在 横裂纹轻微的钢管上，横裂纹主要分布在数个纵向条状区域内，在横裂纹严重的 钢管上，横裂纹遍布整个钢管表面。这种缺陷严重影响高压锅炉管的探伤合格率。 形成原因：对钢管表面网状裂纹作金相分析发现，裂纹斜向深入基体内，沿 钢管的纵向伸长，顺、逆轧制方向都有，裂纹在外壁上的垂直深度为0 1 0 - 0 2 5 m m ， 斜长为0 3 o 9 r a m ，裂纹的边缘有明显的脱碳现象，而该位置的管壁外侧却有非 脱碳的基体存在。由于成品管的脱碳现象发生在步进炉中，且只发生在钢管外侧， 说明微裂纹是在张力减径过程中，轧辊将外壁的金属卷入到钢管基体内形成的。 因此，我们认为表面横裂纹的产生是工艺因素和张减工具因素共同作用的结果。 步进炉加热温度过高或加热时间过长使钢管表面脱碳较多，表层强度低于内层， 表面氧化物多，塑性较差。钢管进入张减机后，一方面在辊底处受到轧辊的轧制 力作用，金属流动加快，而在辊缝处管体金属受到拉应力，当这种拉应力过大， 就会造成钢管在辊缝处产生周期性横裂；另一方面由于辊缝处相邻两侧的弧线互 为相交造成辊缝处的非平滑过渡，使钢管在此处过充满( 轧辊轻微的窜动就会形成 过充满) ，造成钢管表面在减径时形成轧痕，继而产生微裂纹。随着轧制过程的进 行，钢管不断纵向伸长，这些小的裂纹逐渐扩大并形成裂口，由于管体内部的含碳 量高于表层的，使其强度高于表层强度，因而裂纹深入扩张受到较大阻力，这时裂 纹或停止长大，或转向阻力较小的方向发展，即继续在脱碳层内沿轧制方向或逆轧 制方向呈一定角度长大l i 。 1 4 课题的来源和研究内容 1 4 1 课题的来源 本课题来源于某钢管厂的生产实际，该厂半浮动芯棒连轧机组设计规模为年 产热轧无缝钢管1 6 5 万吨。钢管热轧变形工艺路线由锥形穿孔一六架半浮动芯棒 连轧一二十四架张力减径等变形工序组成。 半浮动芯棒连轧管机既具有限动芯棒连轧管机的变形条件合理、轧出荒管的 尺寸精度高、延伸系数大和芯棒短等优点，同时又具有全浮动芯棒连轧管机的轧 制节奏快、生产效率高的优点，因此是当代生产小直径热轧无缝钢管的最佳机型。 但是，该机组试车投产近几年来，生产中钢管却出现了多种缺陷，这些缺陷导致 了钢管废品率较高。 统计发现，在该厂产生的废品中，有5 0 以上是钢管表面质量的缺陷，尤其 是外表面的划伤。如前所述，钢管的外表面划伤是钢管在轧制或输送过程中，外 表面与轧制工具、设备部件或其他物体接触所致。经过现场分析，并结合该厂的 4 高校教师硕l 学位论文 生产实际，我们认为钢管表面的划伤很可能与输送辊道( 包括脱管后辊道、再加热 悬臂辊道、减径后辊道) 的表面粘钢有关。很显然，钢管温度越高，钢管表面越软， 钢管表面被划伤的可能性也越大；同时，输送辊道的表面粘钢也与高温有关，因 此，步进炉悬臂辊粘钢的可能性应大于其它输送辊。据此，我们对该厂的步进式 再加热炉的悬臂辊进行了重点分析，发现悬臂辊表面的粘钢现象相当严重，经常 需要停产检修甚至更换，严重影响了该厂的正常生产。 通过现场观察发现：当悬臂辊表面粘钢严重时，成品钢管出现表面划伤的比 例大幅增加。研究被划伤的成品钢管表面，可以看到划伤位置总是集中在此批钢 管的某几个尺寸区段，将对应钢管这几个尺寸区段的几根悬臂辊抽出，发现其表 面粘钢都十分严重，更换新的悬臂辊后，成品钢管在以上几个尺寸区段不再出现 表面划伤。这一试验表明：悬臂辊的表面粘钢与钢管的表面划伤存在因果关系。 原步进式加热炉设计是按炉温9 0 0 左右设计，主要产品为普通钢级无缝钢 管；悬臂辊通过辊轴内部通冷却水加以冷却，通水后的悬臂辊表面温度大概有 8 7 0 左右。原悬臂辊材料是c r 2 5 n i 2 0 s i 2 ，其最高耐热温度为9 0 0 左右。查钢 管厂生产记录得知：自2 0 0 3 年开始，所生产的钢管品种发生变化，主要产品由普 通钢管变为合金化高钢级高压锅炉无缝钢管等，步进式加热炉的炉温相应调整为 1 0 5 0 左右，而悬臂辊粘钢导致的钢管表面大量划伤也是从2 0 0 3 年品种改变后开 始出现的。 显然，在炉内温度上升到1 0 5 0 时，悬臂辊表面温度也有1 0 0 0 左右，而材 料的耐热性只有9 0 0 ，不能达到要求，悬臂辊在高温下与钢管发生粘钢，导致 了钢管废品的产生和悬臂辊的损坏。 粘钢最严重时，工人每隔十五天左右就要抽出一至两根辊子进行打磨，去掉 粘在辊面上的粘结物。这既耗费大量的维修时间，又造成生产线停机时间增加， 设备利用率和作业率都会降低。 1 4 2 课题的研究内容 针对目前悬臂辊的使用现状和失效情况，通过重新设计悬臂辊的结构，重新 确定辊体的材料成分，希望研制出新型的抗粘钢悬臂辊，以提高钢管的表面质量： 开发高效率的悬臂辊材料优化设计程序，将辊体材料选择、炉温变化、辊体温度 变化和辊体热应力分布变化统一考虑，从而极大地减少设计的工作量并得到最佳 设计结果，使悬臂辊材料选择设计的准确性和速度大大提高。课题的内容包括以 下几个方面： 1 设计悬臂辊的结构，以改善辊子冷却状况可从提高辊面材料的导热性， 加大水冷效果，改善辊体在炉内的暴露面积等方面考虑，寻找最佳解决方案。 2 重新设计悬臂辊材料并开发悬臂辊的材料优化设计程序炉温升高和悬臂 5 一种提高无缝钢管表面质量的新型悬臂辊的设计 辊的结构改变后，辊体的温度分布及热应力分布都将发生变化，应设计新的悬臂 辊材料以改善温度分布和热应力分布并提高材料的热强度和高温耐磨性，杜绝辊 子产生裂纹并失效。不同的辊体材料具有不同的导热性和高温力学性能，开发加 热炉悬臂辊的材料优化设计程序，将辊体材料选择、炉温变化、辊体温度变化和 辊体热应力分布变化统一考虑。 3 悬臂辊试验进行新旧悬臂辊对比试验和新型悬臂辊的大批量工业性试 验，验证悬臂辊新结构、新材料的合理性。 6 高技教师硕士学位论文 第2 章新型悬臂辊的结构设计 2 1 悬臂辊的失效分析 原悬臂辊采用的结构是辊轴直接水冷，辊面间接水冷。辊面温度只比再加热 炉温度低3 0 c 左右，悬臂辊工作于1 0 5 0 ( 2 高温的步进式再加热炉内，而且承受较 大的载荷，钢管线速度约为1 2 m l s ( 步进式再加热炉的示意图见圈2 1 ) 。 1 捧烟口 2 送科机构3 烧嘴4 出炉炉门 5 悬臂辊道6 被加热钢管7 带弧形齿的固定集和步进粱 田2 1 步进式再加热炉妒雇示意圈 在实际的工作中，悬臂辊的失效形式主要有以下几种： l 辊面过量磨损，原来的v 字形辊变成了u 字形，使局部壁厚减薄( 如图 22 所示) ；高温氧化，壁厚减小，高温下辊面被氧化使整体壁厚减小或被磨穿( 如 图23 所示) 。加热炉的炉辊工作环境极为恶劣，其使用寿命都不长，一般为8 个 月到3 年不等。 图2 2 辊面磨成u 型的悬臂辊 圈2 3 辊面氧化烧穿的悬臂辊 2 辊面产生粘钢现象导致表面粗糙不平，硬的凸起的部分会划伤钢管表面 严重影响钢管的质量甚至使钢管不合格( 如图2 4 所示) 。 田2 4 牯铜严重的悬臂辊 3 、内部产生裂纹或断裂( 如图25 所示) 。 满，i 蠢j 瓢缈、ii ? i 。冀澎黛 t “p 一1 。：莶阁 围25 内部产生裂纹的悬臂辊 第一种情况属正常失效形式，在设计寿命的考虑之内：第二、三种失效形式 会使悬臂辊在设计寿命之前就失效，大大影响钢管厂的生产，断裂失效还可能引 起安全事故，要严格控制。 总的柬说，悬臂辊的失效形式有三种：磨损、枯钢和裂纹。其中对钢管质量 影响最大的是辊面粘钢。 高校教师硕l ：学位论文 2 1 1 悬臂辊的表面粘钢机理 2 1 1 1 粘钢的微观原理 钢管在加热炉中传送过程中，辊子表面受到高温及摩擦力的作用。因为辊面 材料和钢坯材料的晶格类型与晶格间距相近而使两者的表面原子在界面处发生作 用，形成所谓的界面键。界面键的增多与加强，在宏观上会使辊面与钢管表面间 产生热焊合，从而导致辊面粘钢。 从理论上，两个接触固体表面间的相互作用力应包括使原子或分子结合成固 体的所有可能的键力，即共价键、离子键、金属键与范德瓦尔斯力等。不同键力 之间的作用范围是不一样的。范德瓦尔斯力是一种长程作用力，其有效作用范围 不超过两个原子间距。而离子键、共价键及金属键是一种短程作用力，只有当原 子间距较接近时才起作用。从悬臂辊的工作状况看，引起辊面粘着损伤的界面键 主要是这种短程的原子结合力，即金属键，它是导致辊面粘钢的根本原因。 辊面粘钢取决于粘着点的形成与长大，又取决于钢管与辊子材料的表面状态 和互熔性，以及表面摩擦力和表面温度等。从理论上讲，任何两个洁净的金属体 相互接触都会产生粘着点，但粘着点的长大与否取决于材料的性质和外部因素。 如果在辊面和钢管面只出现粘着点而不长大，那么在辊表面宏观上就不出现粘钢 损伤，如果出现粘着点又长大，则宏观上会出现粘钢现象【l 引。 2 1 1 2 粘钢的宏观原理 原来加热炉内炉温为9 0 0 左右，后来提高到1 0 5 0 。炉温的升高使得悬臂 辊表面的温度也相应升高。当辊面温度高于辊套材料的最高耐热温度时，辊面出 现氧化皮，这种氧化皮在高温下是半熔融状态的。与此同时，钢管表面也有一层 半熔融状态的氧化皮。这两种氧化皮相接触，粘合在一起，加上两者的相对运动， 导致了悬臂辊的粘钢和钢管表面的划伤缺陷。 鉴于粘钢的产生和氧化铁皮有密切的关系，因此有必要对氧化铁皮的形成机 理作详细分析。钢的氧化是在加热炉加热过程中，氧原子与铁原子发生反应的结 果，即在加热过程中，炉气中的氧原子通过钢坯表面向钢坯内部扩散，而铁原子 则由钢坯内部向外扩散，当两种元素相遇时，在一定条件下就会起化学反应生成 氧化物，氧化铁皮正是钢坯表面在一定条件下被氧化的产物。 研究表明，高于5 7 0 ( 2 形成的氧化铁皮由f e 2 0 3 、f e 3 0 4 和f e o 组成。其中， 最外层是f e 2 0 3 ，中间层为f e 3 0 4 ，内层为f e o ( 如图2 6 所示) 。f e o 在氧化铁皮 中随着钢坯表面温度的增加而增加，当钢的温度超过7 0 0 c 时，f e o 在氧化铁皮 中的含量大约为9 5 【2 们。氧化过程的继续进行，必须克服一定的动力学阻碍，这 些阻碍是温度、压力、气氛条件、接触面积以及钢的化学组成等综合影响的结果， 在氧化刚开始时，氧化层是不连续的，由一些离散的核心向四周延伸，当这些核 9 一种提商无缝钢管表面质量的新型悬臂辊的设计 心结合在一起的时候，在钢坯表面的法线方向发生离子的传递，铁的阳离子和电 子通过氧化膜进行扩散，在钢坯表面的气体氧化铁皮界面，发生界面化学反应， 氧被还原成氧离子，低价铁离子被氧化成高价铁离子。 氧化物中氧的扩散速度比铁的扩散速度慢，钢坯表面氧化铁皮的生长需要更 多的铁离子透过氧化铁皮层向外扩散，由于钢坯表面的氧较多，因此氧化铁皮的 生长速度主要受铁的扩散的影响，而环境温度和加热时间对铁原子的扩散距离起 决定性作用，环境温度越高、加热时间越长，铁原子的扩散距离就越远，其浓度 梯度则不断变小。由于大量的铁原子存在且易于与氧化物中的氧发生反应，加剧 了氧化铁皮的生成。 因此钢在加热过程发生氧化的基本条件是：( 1 ) 必须有氧或氧化性介质的存 在，如二氧化碳、水蒸气等；( 2 ) 氧和铁接触，并进行相互扩散；( 3 ) 具有一定的化 学反应条件，如温度、化学浓度、时间等。 影响氧化铁皮形成的主要因素有：加热温度、加热时间、炉内气氛、钢管与 辊体材料成分等。 图2 6 铁离子扩散示意图【2 l l 1 加热温度的影响 钢材在室温下就开始氧化，它是一个缓慢复杂的过程，首先是氧向钢材表面 扩散，然后吸附进行化学反应，生成氧化铁，向钢材内部扩散，随着温度的升高， 反应速度加快。 温度越高，单位时间内生成氧化铁皮的量就越多， 皮量与温度丁的关系： w = a t o 5 e 。6 r ( g e m 2 ) 其中：卜时间，m i r a 卜温度，k ； 单位面积上生成的氧化铁 ( 2 1 ) 在6 0 0 - - - 1 1 0 0 。c 温度范围内：a = 6 3 0 ，b = 9 0 0 0 由式( 2 1 ) 可知，单位面积上生成的氧化铁皮量形与温度丁呈指数关系。其速 率的增加是非常快的，其关系如图2 7 所示。钢在6 5 0 以下时基本上不生成氧化 1 0 高校教师硕七学位论文 铁皮：当其温度超过7 6 0 时氧化铁皮厚度就达到可以测量的程度，当炉内温度 超过8 0 0 时，氧化铁皮厚度就显著增加。氧化烧损量随着温度升高而剧烈增加。 设8 0 0 时的氧化烧损量为l ，则1 0 0 0 时氧化烧损量为其4 倍，1 2 0 0 时约为 l o 倍，1 4 0 0 时增加到2 0 倍。一般情况下，再加热炉炉温控制在1 0 0 0 1 1 0 0 ， 钢坯正好处在氧化烧损量生成较高的温度段。可见，温度是影响氧化铁皮生成的 主要因素。 。 2 加热时间的影响 由式( 2 1 ) 也可以看出，加热时间与氧化烧损成正比，即在相同的条件下，加 热时间越长，氧化生成的铁皮越厚，钢的氧化烧损越多。尤其是钢在高温条件下， 停留时间越长，氧化铁皮生成量就越大。 3 炉内气氛的影响 量 譬 誓 墨 嚣 图2 7 氧化铁皮量与温度的关系图1 2 1 j 表2 1 炉内气氛组成 一种提商无缝钢管表面质量的新型悬臂辊的设计 表2 1 为某个时间段里面加热炉内气氛的成分图。加热炉炉内气氛决定于燃 料成分、空气消耗系数及燃烧完全程度。炉气中一般含有c 0 2 、h 2 0 、0 2 、s 0 2 、 c o 、h 2 、c h 4 和n 2 ，它们与钢的化学反应各有不同。其中0 2 、c 0 2 、h 2 0 、s 0 2 等为氧化性气体，氧化性最强的是0 2 ，其次是s 0 2 、h 2 0 和c 0 2 。钢管在炉内加 热时，其表层的金属与炉气接触，在高温下与炉气中的这些氧化性气体发生氧化 反应便形成了氧化铁皮。般认为，还原性气氛能有效地抑制钢坯脱碳过高，但 具体情况还有待进一步研究。 ( 1 ) 0 2 钢在加热的情况下，0 2 即使浓度很小，也能使钢氧化。这些氧化 反应是不可逆的，所以炉气中尽可能除去自由氧离子，以减少钢坯氧化。 ( 2 ) c o 和c 0 2c 0 2 对高温加热的板坯起氧化作用，而c o 则起还原作用。 若增大c o 的浓度，在一定条件下可抑制氧化反应进行，即能避免钢的氧化；但 在高温的情况下，一般c o 的含量会很低。 ( 3 ) h 2 0 和h 2 水蒸气对钢有氧化作用，为防止水蒸气对钢的氧化，炉气 中应有足够的h 2 含量。 ( 4 ) h 2 sh 2 s 燃烧时生成s 0 2 ，炉气中的s 0 2 可大大增加钢的氧化程度， 因为s 0 2 与氧化铁反应生成f e s 而使氧化铁皮熔点降低( 1 1 9 0 ( 2 ) 加剧氧化铁皮熔 化，使得氧化深入进行。 炉内氧化性气体越多，越容易氧化。如前所述，在这些氧化性气体中，s 0 2 和0 2 是对氧化影响最大的成分，其次是h 2 0 ，再者是c 0 2 。当加热炉处于还原性 气氛时，还原性气体如c o ，h 2 ，c h 4 ，n 2 等越多，则不容易发生氧化。操作时， 供风量不足，燃料燃烧不完全，c o 、h 2 、c h 4 、n 2 等气体含量越多，炉气就倾向 于还原性气氛；如果供风量过多，炉气中的0 2 等成分就越多，此时炉气就倾向于 氧化性气氛。因此，操作时，恰当的控制炉内气氛是减少氧化的有效办法。 s 0 2 与铁生成硫化铁的比例在氧化铁皮中的含量较低。但s 0 2 的存在对钢坯 的加热质量和成品钢材的质量影响很大，含有s 0 2 的氧化铁皮熔点显著降低。当 炉温大于9 0 0 时，氧化铁皮为液态化合物，其渗入铁碳组织的晶格间，不仅增 加铁的烧损而且表面含硫量增加，对钢材的机械性能尤其对合金钢危害更大。s 0 2 主要来源于燃料，特别是对燃油工业炉，使用低硫油对控制钢坯加热质量，减少 炉内粘钢现象的作用十分明显。 总而言之，加热炉炉内温度、加热时间及炉内气氛等都是造成钢坯氧化烧损 过高的主要原因，也是解决问题的关键所在【2 。 2 1 1 3 提高悬臂辊表面抗粘钢性的措施 随着对粘钢缺陷认识的深入，发现其成因来自于氧化铁皮，减轻氧化铁皮的 粘附牵扯一些较难控制的细节。可以说，从炉辊结构、材质、除鳞效果及炉内气 氛等方面来考虑，并采取切实可行的措施，这种质量缺陷将会大幅度减轻。 1 2 高校教师硕i j 学位论文 1 改进辊体的结构，增大与辊轴的接触面积，使聚集在辊套表面的热量可以 充分地传给辊轴，从而被冷却水带走。 2 改进辊体材料以提高辊体材料的耐热性能和热传导性能。 3 增加除鳞装置在进炉前增加表面除鳞( 去除氧化铁皮) 装置，除鳞压力 为5 lo m p a ，通过除鳞后，荒管表面的氧化铁皮清理较为干净，这样带进炉内 的氧化铁皮大量减少，在客观上也减轻了氧化铁皮在悬臂辊表面的粘结。 4 控制炉内气氛，降低氧化铁皮的粘性并减少氧化铁皮的生成 目前公司供给该厂的煤气采用先加压后混合的工艺，煤气热值一直不稳定， 该厂加热炉的燃烧控制系统是根据热值分析仪来分析热值，并根据热值高低来调 节空燃比，生产的前期由于煤气中含焦油高，经常堵塞热值仪，目前由于热值仪 的零部件损坏而没有投入使用，这样就造成空燃比不合适，经常出现煤气过剩的 现象。因此一方面要尽快投入热值仪，另一方面要从热值的稳定性入手，保证炉 内燃烧时为弱氧化性气氛。 5 减少水蒸汽的带入由于煤气含水较多，冷煤气经预热后带入大量水蒸汽， 而水蒸汽在炉内高温下加剧了氧化铁皮的生成。因此应考虑在煤气进入用户前加 煤气干燥设施，减少煤气的含水量。 6 定期对氧化铁皮的成份进行检测分析，对煤气质量进行跟踪检测。 检测煤气成份主要是跟踪h 2 s 的含量，考虑到h 2 s 含量太高可能会降低氧化 铁皮的熔点，增强其粘附性，应考虑在焦化或动力厂上脱硫设施，将h 2 s 的含量 降至2 0 0 m g m 3 以下。 2 1 2 悬臂辊磨损失效影响因素及改进措施 2 1 2 1 悬臂辊磨损失效影响因素 磨损分粘着磨损、磨料磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损等多种，发生在悬臂 辊与钢管间的磨损以粘着磨损和磨料磨损为主。粘着磨损过程是一种十分复杂 的现象，它牵涉到摩擦系统中工作的外部因素和材料的内部因素。外部因素系 指载荷、相对运动形式、运动速度、持续时间、环境温度、介质和润滑条件等； 内部因素主要是指材料的化学成分、显微组织和力学性能。摩擦系统中任一参 数变化都将引起磨损发生变化。由于磨损的复杂性，多样性，同时，磨损又是 一种微观和动态过程，所以摩擦系统中某一参数在某一条件下对材料的耐磨性 有利，而在另一条件下可能变得不利。 1 材料性能对磨损的影响 ( 1 ) 配对材料的固溶性两个金属表面发生粘着，首先与他们形成的固溶 体特性有关。由固溶性大的材料组成的摩擦副，粘着倾向大，结合点比较牢固； 反之则粘着倾向小，结合点易于被切开。一般来说，相同金属或晶格类型，晶 一种提高无缝钢管表面质量的新型悬臂辊的设计 格间距、电子密度、电化学性质相近的金属，互溶性大，容易发生粘着，反之 发生粘着倾向小。也有些金属，虽然互溶，但它们之间可形成金属化合物，因 此也不容易发生粘着。多相金属由于组织不连续，所以比单相金属粘着倾向小； 金属与非金属组成的摩擦副比金属组成的摩擦副粘着倾向小。 ( 2 ) 材料的塑性和脆性脆性材料的抗粘着性能比塑性材料好，塑性材料 的粘着破坏多发生在离表面一定深度处，接点的断裂常发生在离表面较深处， 磨屑颗粒较大，表面粗糙。而脆性材料破坏处离表面较浅，磨屑呈细片状1 2 3 1 。 ( 3 ) 材料的硬度硬度高的金属比硬度低的金属不容易粘着，在高温下工 作受磨损的材料应具有高的红硬性。 ( 4 ) 金属材料的冶金因素材料表面不得有铸造缺陷。 2 压力的影响 粘着磨损在一定范围内与载荷成正比，粘着磨损一般当压力增大到某一数值 时会急剧增大，严重时发生咬死，也就是由轻微磨损转变为严重磨损，这种转 变是由于表面温度和沿深度的温度梯度影响分子间的相互作用，以及相接触的 微凸体下的塑性区相互作用引起的。轻载时，相接触的微凸体下的塑性区相互 独立，重载时各塑性区相互作用。若亚表层完全呈塑性，则发生严重磨损或咬 死。 3 温度影响 红热钢管带来的热量及悬臂辊和钢管之间的摩擦过程产生的热量，使表面温 度升高。表面温度对磨损影响主要有： ( 1 ) 悬臂辊表面硬度发生变化金属的硬度通常与温度有关，温度愈高， 则硬度愈低，在无其它影响下微凸体发生粘着的可能性与磨损率随硬度的降低 而增加。 ( 2 ) 破坏表面膜形成温度也会导致各种氧化膜和其它化合物的形成，从 而改变表面间相互作用的性质。 ( 3 ) 温度还会引起相变、再结晶等，使磨损率发生较大的变化【2 4 1 。 2 1 2 2 改进措施 从以上分析可知，粘着磨损与摩擦副材料的性质、载荷大小和工作环境条件 等方面有着密不可分的关系。重要零部件的过度磨损意味着其精度的丧失，机 器效率的降低和零件的失效，为了保证其工作寿命，应设法提高其耐磨性。换 言之，必须采用各种降低粘着作用的有效手段，以使稳定磨损阶段磨损量减至 最小。 1 合理的结构设计减少悬臂辊的受力：如采用预应力结构，以机械力来抵 消部分热应力，从而降低悬臂辊的循环应力幅值。 1 4 高校教师硕j ：学位论文 2 改进冷却系统或采用复合悬臂辊以降低悬臂辊表面的温度。 3 提高材料性能，通过研究实际工况及此工作环境下材料的磨损机理，设 计针对性的高温抗磨材料。 2 1 2 3 提高耐磨性与防止裂纹之间的矛盾 两粗糙表面接触时，实际上是微凸体的相互接触。在压力的作用下，会在接 触区的某些部分发生粘着。如果两表面有相对运动，微凸体就在粘着分离粘着 的进程中发生破坏，表现为工作表面材料的损失【2 5 1 ，这就是磨损，因此表面粗糙 度的大小与磨损有一定的关系。提高零件的耐磨性除了改善表面粗糙度之外，最 重要的方法是从材料成分、组织、力学性能入手，从本质上提高材料的耐磨性。 磨损的普遍规律是硬度越高，耐磨性就越好。经过热处理的钢，其耐磨性随着硬 度增加而增加。钢中含碳量及碳化物生成元素的含量越多，其相对耐磨性越大【2 6 1 。 对于铁基材料来说，碳是最有影响的元素【2 7 1 。硬度相同时，c