连铸辊损坏原因分析与提高使用寿命的措施.pdf

第32卷 第6期 2010年12月 山东冶金 Shandong Metallurgy Vol.32 No.6 December 2010 摘要 周期性变化的热应力及机械应力是导致连铸辊产生热疲劳裂纹、 龟裂与掉肉损坏的主要原因， 从设计、 冷却方式、 材质方面进行了改进， 主要通过堆焊方式提高连铸辊寿命， 堆焊材料为以氮作为固溶强化元素的超低碳材料， 同时指出应 进一步提高堆焊材料的抗疲劳性能。 关键词 连铸辊； 损坏原因； 使用寿命； 热应力； 堆焊 中中图分类号号 TF341.6文献标识码 B文章编号 1004-4620 （2010） 06-0071-02 连铸辊损坏原因分析与提高使用寿命的措施 丁凤琴 1， 张润生1， 公茂秀2， 袁培燕2， 卢新宇2 （1 济钢集团有限公司， 山东 济南 250101； 2 山东省冶金科学研究院， 山东 济南 250014） 收稿日期 2010-08-06 作者简介 丁凤琴， 女， 1967年生， 2007年毕业于北京科技大学机电 工程专业。现为济钢装备部工程师， 从事设备管理工作。 1前言 连铸辊是连铸生产中的关键备件之一， 一般一 条连铸线上不同辊径及结构的辊子， 都在200根左 右， 其工作质量直接制约着连铸生产的产量和质 量。随着我国连铸技术的发展， 连铸辊的制造技术 也日益完善。近年来， 连铸辊制造材料与品种规格 逐步改进， 制造与堆焊修复工艺不断提高， 辊面经过 堆焊之后， 连铸辊的在线使用寿命可提高1～3倍以 上， 满足了我国炼钢连铸生产不断发展的需要。 2连铸辊损坏原因分析 连铸坯出结晶器时温度一般在1 200 ℃， 到水 平段时仍有800 ℃左右。而从结晶器足辊到水平段 连铸辊， 其辊面温度呈冷热周期变化 ［1］。徐宝陞、 董 绍华 ［2］对连铸机辊子温度场和热应力研究表明， 连 铸辊与铸坯接触点的最高温度可达近500 ℃。因此 周期性变化的温度场， 必然引起周期性变化的热应 力。而连铸辊同时还承受铸坯自垂下滑力、 鼓肚力、 矫直力、 拉坯力以及辊子传动阻力等机械应力。经 分析与测试， 连铸辊损坏的主要原因是热应力和机 械应力的复合作用， 而机械应力仅为热应力的1/10 左右， 主要是热应力的周期性变化导致连铸辊产生 热疲劳裂纹、 龟裂与掉肉。 3提高连铸辊使用寿命的措施 3.1改进设计 奥钢联连铸机设计将单根连铸辊 （最大挠度8 mm） 改为二分节 （最大挠度3 mm） 或三分节 （最大挠 度1 mm） ， 以减少辊子受载荷时的挠度。其设计优 化了连铸辊承受载荷和辊间间距的关系， 降低了受 力的弯距， 减少了应变， 也减少了连铸辊对裂纹扩张 的敏感性 ［3］。 结晶器足辊表面开U形螺旋冷却水槽， 以增强 足辊的表面冷却。近年来， 设计又改为开双螺旋U 形冷却槽加气雾冷却， 进一步降低辊面温度， 减少热 应力、 热疲劳， 提高连铸辊使用寿命。 3.2改进冷却方式 原喷淋冷却系统只是使用压力为0.4 MPa冷却 水， 为降低辊面温度， 在水管的水平喷嘴上加入压力 为0.04 MPa的压缩空气， 使水滴雾化， 雾化后水滴直 径大部分＜100 μm。这有利于提高冷却效率， 使辊 面温度下降200 ℃左右， 减小了热应力、 热疲劳。辊 子的使用寿命仅取决于本身与铸坯磨擦产生的机械 磨损。 3.3改进材质 连铸辊所处的高温工作环境， 其材质自然应优 先选择耐热钢。所以第一代连铸辊采用了15CrMo、 15CrMoV耐热钢， 经锻造、 加工、 调质、 表面淬火后直 接使用。由于硬化层厚度小等原因， 连铸辊使用寿 命短， 一般过钢量仅12～20万t。 第二代连铸辊曾采用过1Cr13、 2Cr13不锈钢， 在正常的生产中， 循环热应力一般不会超过其高温 强度极限， 耐腐蚀且塑性好。1Cr13 断面收缩率 50％， 延伸率18％， 是延缓裂纹发展速度的理想材 料。但是， 如整个连铸辊使用不锈钢， 则成本太高， 所以， 进一步研发了复合材料连铸辊。 第三代连铸辊采用了堆焊强化技术。母材为 15CrMo或30CrMo、 42CrMo， 采用堆焊的方式强化辊 面， 堆焊材料为1Cr13Ni4或1Cr13NiMo等。如宝钢 最初采用日本新日铁一哈德专利H102F， 鞍钢采用 神户制钢所研制的第五代堆焊材料KRC14、 KRC32， 美国林肯公司的Lincore423Cr等， 多为Cr-Ni系列的 堆焊材料。连铸辊使用寿命提高， 过钢量可达30～ 60万t。 第四代连铸辊进一步改进了堆焊材料。第三代 􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀦊 􀤊􀦊 􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀤊􀦊 􀤊􀦊 经验交流经验交流 71 山东冶金2010年10月第32卷 连铸辊采用的堆焊材料都是以碳作为固溶强化元素 来提高堆焊层的硬度， 但由于碳在高温下 （400～ 900 ℃） 极易和Cr形成Cr23C6这类金属间化合物， 造成堆焊层尤其是搭接过渡区铬的贫化， 而连铸辊 长期在热疲劳下又有大量的冷却水， 易造成堆焊层 晶间贫铬开裂损坏。而此时连铸辊系中的轴承、 轴 承座、 芯轴、 旋转接头、 润滑等系统的零件还完好无 损。为此， 开展了进一步改进堆焊材料的研究。英 国焊接合金公司研发出了Crome core 414N-O （WA 414N-O） 以氮作为固溶强化元素的超低 C 堆焊材 料， 合金成分为OCr13Ni4MoVN， 避免形成Cr23C6， 其强化机理是形成均匀弥散的氮化物， 从而避免铬 的贫化现象而引起的晶间开裂 ［4-6］， 其过钢量可达 100万t以上。但其采用明弧堆焊， 焊丝售价高 （曾 达到6～7万元/t） 。经长期试验， 国内企业现已普遍 采用国产焊丝 （1Cr13Ni4Mo） 埋弧堆焊工艺， 成本大 幅降低， 效果基本相同。采用进口焊丝与国产焊丝 堆焊的堆焊层金相组织对比见图1。 4结语 连铸辊的使用寿命取决于多种因素， 包括连铸 辊的设计、 冷却方式以及生产中的维护。如发生漏 钢、 滞坯 （铸坯停顿） ； 设备维护保养不良， 冷却水质 不良， 造成喷嘴堵塞又得不到及时更换， 而引起辊面 温度上升； 润滑不良导致轴承咬死， 辊子停止转动； 辊面磨损等都会引起辊面温度升高， 引发裂纹。因 此， 连铸辊的使用寿命问题是一个系统工程。 另外， 连铸辊制造、 堆焊、 修复单位众多， 连铸辊 的制造与修复质量良莠不齐， 除本身原因外， 对连铸 机的使用特点了解不够， 缺乏针对性， 也是导致连铸 辊使用寿命低的原因之一。 连铸辊的制造、 修复应针对其设计特点、 冷却方 式及应用环境等选择堆焊材料及堆焊方式。另一方 面， 改进堆焊材料的抗疲劳性能也可提高连铸辊的 使用寿命。 参考文献 ［1］ 刘仲华.复合连铸辊生产工艺 ［C］ //王平.全国连铸技术研讨会 论文集.上海 中国金属学会冶金部科技司， 1994 401. ［2］ 徐宝陞， 董绍华.连铸机辊子温度场和热应力研究 ［J］ .冶金设 备， 1986 （2） 1-8. ［3］ 许宏伟.现代化板坯连铸机的设计思想 ［C］ //发展中国家连续 铸钢国际学术会议论文集.北京 1993 521. ［4］ 李完奎， 刘新民， 胡国清.R10 300 mm板坯连铸机拉胶辊机械 应力分析 ［J］ .重型机械， 1989 （3） 39. ［5］ 黄诚， 公茂秀， 何绪友.中板φ1 550 mm支承辊的堆焊与修复 强化 ［J］ .山东冶金， 2003， 25 （3） 20-21. ［6］ 公茂秀， 宋家来， 于广娟.表面工程技术在冶金设备修复再造 中的应用与展望 ［J］ .山东冶金， 2008， 30 （3） 75-78. 0Cr13Ni4MoVN明弧堆焊 6001Cr13Ni4Mo埋弧堆焊 400 图1不同焊丝及堆焊方式堆焊的焊层金相组织 􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣􀥣 （上接第70页） 料不化结坨， 降低炉渣流动性， 影响 溅渣效果或粘结于炉底造成炉底上涨。 6） 用氧气吹扫炉底。对炉渣黏稠或炉底严重超 出受控范围的个别炉次， 可以采用短时间吹氧将黏 稠炉渣或粘附在炉底的炉渣吹稀的方法控制炉底上 涨［3］。要求氧气压力＜0.7 MPa， 氧枪枪位距液面 0.5～1.5 m， 吹氧时间＜15 s。 3实施效果 通过对以上控制措施的合理运用， 收效显著。 1转炉2008年3月～2010年7月3个炉役的炉底运 行数据见表2， 可以看出炉底上涨超出受控范围的 次数明显减少， 同时每次超出受控范围的持续时间 也大幅缩短。 通过采取炉底和液面双向监控， 合理调整渣系、 优化吹炼枪位和溅渣枪位， 并随时掌握炉型情况， 根 据监控数据及时调整操作， 使炉底上涨情况得到有 效控制， 同时对钢铁料消耗和成本控制也起到了良 好作用。 参考文献 ［1］ 王雅贞， 李承祚.转炉炼钢问答 ［M］ .北京 冶金工业出版社， 2004 184. ［2］ 郑沛然.炼钢学 ［M］ .北京 冶金工业出版社， 1994 27-35. ［3］ 张盛昌， 刘勇， 杜超伶， 等.转炉炉底上涨的原因及预防措施 ［J］ .河南冶金， 2005 （6） 43-45. 表21转炉炉底受控情况 炉役代码 A B C 炉龄/炉 16 502 16 056 16 316 炉底上涨次数 25 24 7 每次持续时间/d 19.16 3.54 3.00 72