鑄軋機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、鑄軋機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一臺(tái)機(jī)械能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)不僅與其傳動(dòng)系統(tǒng)有著密切的關(guān)系，而且還與結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)的合理性有著更緊密的關(guān)系,所以本章內(nèi)容的設(shè)計(jì)及說(shuō)明成為本次設(shè)計(jì)關(guān)鍵部 分.鑄軋機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部分包括：軋輥裝置，上機(jī)架，下機(jī)架，側(cè)封裝置，和清輥裝 置.由于雙輥鑄軋技術(shù)是一種用雙輥的表面來(lái)冷卻液態(tài)鋼水并使之凝固以生產(chǎn)薄 帶鋼的方法，其工藝特點(diǎn)是液體金屬在結(jié)晶凝固的同時(shí)承受壓力加工和塑性變 形，在很短的時(shí)間內(nèi)完成從液體金屬到固態(tài)薄帶的全過程.所以鑄軋輥的設(shè)計(jì)是 軋機(jī)能夠生產(chǎn)高質(zhì)量棒線材的核心技術(shù).下面我將從輥芯，輥套及其冷卻方面開 始設(shè)計(jì)。鑄軋輻套材料的選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄軋輥主要是由一個(gè)中心部位鉆有進(jìn)，出水孔，表面

2、帶有溝槽的輥芯和一 個(gè)輥套組成的。它是鑄軋機(jī)中最關(guān)鍵的部件，直接響影著產(chǎn)品的質(zhì)量。所以輥芯， 輥套從材料的選擇，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，加工的順序，裝配的方法到使用過程每一步都 顯得十分重要。2.1.1鑄軋輻輻套材料的選擇2.1.1.1鑄軋輻輻套的工作負(fù)荷在鑄軋過程中，熔鋁進(jìn)入連鑄機(jī)軋制區(qū)并直接同輥套外表面接觸，而這個(gè)輥 套的內(nèi)側(cè)則受到冷卻，就是為了吸收液鋁中過多的熱量，把它轉(zhuǎn)變成固態(tài)鋁。因 此，這種鑄軋輥的工作能力直接取決于輥套材料的熱導(dǎo)性，而輥套被裝到輥芯上， 為了保障這種輥套在高溫下都能牢固的固定在輥芯上，這種輥套材料應(yīng)該有很低 的熱膨脹率，即必須在溫度為600C時(shí)顯現(xiàn)出足夠的強(qiáng)度和良好的塑性。由于

3、在 運(yùn)行時(shí)受到復(fù)雜載荷的作用，在輥套的表面上會(huì)產(chǎn)生不同程度的網(wǎng)狀熱裂紋，裂 紋的擴(kuò)展速率主要是由力學(xué)性能和工藝特點(diǎn)決定的，特別是強(qiáng)度和可塑性的比 率。2.1.1.2鑄軋輻材料的選擇輥套材料應(yīng)具備下述特性：導(dǎo)熱性好，耐熱變負(fù)載，有相當(dāng)高的強(qiáng)度與剛度， 不與鋁熔體反應(yīng)，所以確定輥套時(shí)要做綜合考慮，根據(jù)多方面資料搜索，鑄軋機(jī) 輥套通常采用如下兩種材料（見表一）這兩種材料能使上述所要求的性能之間達(dá) 到適當(dāng)?shù)钠ヅ?保證鑄軋機(jī)具有最好的工作特性。表1兩種輯套用銅化學(xué)成分衷）鋼 神CSiMnSPNiCtCuVMePCrNiSMoV0.33 20,41OOBOr 0053 1i1. 380.G4Q踞0.410

4、. 34Cl 30.40. 01a.Cl 152.8。.瞻0. 20.85這兩種鋼經(jīng)淬火后可以得到極細(xì)化碳化物均勻分布的馬氏體組織，它們的裂紋敏 感性低!可以滿足對(duì)塑性的各種要求，同時(shí)又有良好的抗熱應(yīng)力性能和低的裂紋 擴(kuò)展速率。關(guān)于輥套的壁厚，一般認(rèn)為輥芯直徑在大于700mm時(shí)輥套的壁厚以 7080mm較為合理;小于700mm時(shí)輥套的壁厚以5060mm較為合理。當(dāng)然在 選擇時(shí)應(yīng)考慮輥芯上水槽及循環(huán)水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。2.1.1.3對(duì)鑄軋相輻套材料性能的要求2.1.1.3.1導(dǎo)熱性能的要求單從傳熱這一角度考慮，輥套相當(dāng)于一個(gè)結(jié)晶器，當(dāng)鑄軋區(qū)輥套表面與鋁熔 體接觸時(shí)，吸收鋁熔體的熱量并使其迅速

5、結(jié)晶凝固。在薄板快速連續(xù)鑄軋時(shí)，要 求單位輥縫寬度在單位時(shí)間內(nèi)流過的鋁熔體質(zhì)量是常規(guī)鑄軋的3倍以上，輥面線 速度應(yīng)達(dá)常規(guī)鑄軋的10倍以上。經(jīng)計(jì)算，此時(shí)要求鋁熔體的冷卻速度要達(dá)到 8004000 K /s以上，而目前常規(guī)鑄軋時(shí)鋁熔體的冷卻速度僅為80300 K /s。 由此可見，只有大幅度提高輥套材料的導(dǎo)熱系數(shù)，才可能實(shí)現(xiàn)鋁熔體在鑄軋區(qū)的 快速凝固。通過對(duì)液相與固相鋁材導(dǎo)熱和界面導(dǎo)熱的分析計(jì)算，與之相匹配的輥 套材料的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)該提高到常規(guī)鑄軋輥套的3倍以上。2.1.1.3.2對(duì)抗疲勞性能的要求鑄軋輥套表面的各部位周期性地進(jìn)人鑄軋區(qū)吸熱，然后轉(zhuǎn)出鑄軋區(qū)，經(jīng)由內(nèi)、 外冷系統(tǒng)散熱，因而輥面承受周期性

6、的熱沖擊。鑄軋區(qū)的軋制應(yīng)力一般也在200” 300MPa之間，在交變熱載荷和機(jī)械載荷共同作用下的疲勞損傷會(huì)導(dǎo)致輥套表面 出現(xiàn)龜裂，是常規(guī)鑄軋輥套的主要失效形式。在快速鑄軋工況下，交變熱載荷和 機(jī)械載荷頻率是常規(guī)鑄軋的10倍以上，輥面癬勞龜裂問題將會(huì)顯得更加突出。 在研制輥套材料時(shí)，一方面要考慮提高其抗疲勞性能，另一方面應(yīng)通過提高材料 的導(dǎo)熱性能，降低輥套的表面溫度，輥套表面與內(nèi)壁之間、輥面軋制區(qū)與周邊之 間在傳熱過程中的溫度梯度，從而降低熱沖擊載荷，提高輥套的使用壽命。此外 還要在結(jié)構(gòu)上考慮降低機(jī)械載荷，特別是輥套與輥芯過盈裝配時(shí)的裝配應(yīng)力。2.1.1.3.3對(duì)強(qiáng)度硬度的要求鑄軋要有比常規(guī)鑄軋

7、更大的變形率，才能達(dá)到減小后續(xù)軋制道次的目的，因 此要求快速鑄軋輥套材料在鑄軋溫度下能保持高的強(qiáng)度和硬度，保證在軋制力作 用下不發(fā)生塑性變形，在與輥芯的配合上不出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象，具有良好的熱強(qiáng) 性。2.1.1.3 .4對(duì)耐腐蝕性的要求腐蝕和腐蝕疲勞是極限鑄軋中一個(gè)不容忽視的問題。要求輥套材料具有好的 耐腐蝕性能，防止工作表面蝕損而發(fā)生腐蝕疲勞，同時(shí)，亦可防止內(nèi)冷水槽銹蝕 堵塞而降低內(nèi)冷效果。2.1.2鑄軋輻輻套制備的工藝過程輥套鋼在煉鋼過程中，必須準(zhǔn)確測(cè)定每爐鋼中的各種元素的化學(xué)成分，含量 超出或達(dá)不到要求的，通過填加調(diào)整的方法，使其達(dá)到要求的范圍。因?yàn)槠鰳O 少的鋼錠材料對(duì)淬火輥套的抗熱裂性

8、有良好的影響，并且有均勻的力學(xué)性能。輥 套用普通鍛造方法成型，初鍛鋼錠盡可能鍛粗，然后進(jìn)行沖孔和芯棒擴(kuò)鍛!鍛造 過程不但使輥套成型而且提高它的性能。通過改善鑄態(tài)組織和鍛合鍛態(tài)組織下常 存的顯微空穴，顯著增加其韌性。鍛造采用的鍛造比至少為4。鍛造以后，這個(gè)半成品要進(jìn)行正火，經(jīng)過車床進(jìn)行初加工后!對(duì)輥套進(jìn)行淬 火，淬火后達(dá)到的硬度為HRC40HRC42。輥套要進(jìn)行嚴(yán)格的超聲波探傷，檢查 其內(nèi)部是否存在夾渣，氣孔，裂紋等缺陷。接下來(lái)進(jìn)行內(nèi)外徑粗加工及內(nèi)徑精磨， 且要求在長(zhǎng)度方向上留10mm左右余量,如果不立即進(jìn)行熱裝，在內(nèi)孔涂上一層防 銹脂，以便儲(chǔ)存。輥套置備的工藝過程為:原料選配一在穩(wěn)定溫度下各合

9、金組分依次熔煉一離 心澆注一固溶一粗加工一一級(jí)時(shí)效一半精加工一二級(jí)時(shí)效一精加工一熱裝。2.1.3鑄軋輻結(jié)構(gòu)圖的繪制圖2-1鑄軋輥輥套結(jié)構(gòu)圖鑄軋輻輻芯的設(shè)計(jì)鑄軋輥在軋制過程中要受到彎曲應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，接觸應(yīng)力，由于溫度分布 不均或交替變化引起的溫度應(yīng)力及軋輥制造過程中形成的殘余應(yīng)力等的綜合影 響，所有的這些應(yīng)力最后都要作用到鑄軋輥的輥芯上!而輥芯中的冷卻水孔和輥 芯表面的循環(huán)強(qiáng)制冷卻水槽溝的存在，減弱了輥芯抵抗上述各種應(yīng)力的能力，所 以如何確定輥芯的材料，熱處理，循環(huán)強(qiáng)制冷卻水的供水方式對(duì)鑄軋輥的使用壽 命，產(chǎn)品質(zhì)量就顯得特別重要。2.2.1鑄軋相輻芯材料的選擇和熱處理現(xiàn)在輥芯通常采用42CrM

10、o或50CrMo4鋼來(lái)制造,以前曾采用過45鋼,由于在 強(qiáng)度和抗蝕性上表現(xiàn)欠佳而不再采用。材料為42CrM o的鑄軋輥芯粗加工后輥芯被淬火或回火，經(jīng)過熱處理后的硬 度為HRC20HRC22，然后再依據(jù)圖紙進(jìn)行加工成成品，供與輥套熱裝成鑄軋輥 使用。通過對(duì)相關(guān)資料的閱讀，我了解到42CrMo輥芯的加工工藝芯采用了兩種 方法，以提高其使用壽命和增加強(qiáng)度。(1)為了提高輥芯肋片的強(qiáng)度，硬度和抗銹蝕能力，用埋孤焊機(jī)在輥芯表層 堆焊一層不銹鋼，不銹鋼層的厚度一般為16mm18mm，同時(shí)在輥芯原合金鋼與 不銹鋼層之間要有一層約3mm左右的過渡層。不銹鋼表面硬度要比輥套硬度高近10個(gè)HRC單位，要求堆焊后輥

11、芯的表面硬度為HRC50左右。這樣既提高了輥芯 強(qiáng)度延長(zhǎng)輥套壽命又基本解決了水槽銹蝕問題，在這種工藝條件下，選擇合理的 配合，輥套壁厚可以使用到25mm30mm。但是，這會(huì)大幅提高生產(chǎn)成本,而且增 加車削輥芯表面水槽的難度。(2)由于輥芯整體都為42CrMo合金鋼，在輥芯表面肋片加工完后!進(jìn)行磨削 之前，對(duì)輥芯表面進(jìn)行一次淬火處理!提高其硬度，使表面硬度比輥套硬度低10 個(gè)HRC單位，達(dá)到HRC32HRC35,左右，采用這種工藝后，輥套壁厚最薄可以使用 到35mm左右，提高了單輥的產(chǎn)量.2.2.2鑄軋輻輻芯冷卻水供給方式對(duì)鑄軋輥進(jìn)行通水冷卻!是實(shí)現(xiàn)連鑄連軋的唯一途徑!也是區(qū)別于其它種類 軋輥，

12、帶有自己特色的標(biāo)志。冷卻強(qiáng)度主要取決于槽溝形式，現(xiàn)在通用的是采用 縱向與環(huán)向槽溝相組合的聯(lián)合槽溝，這種槽溝具有極好的冷卻效果。輥面同一橫 線兩端的溫度僅差1C輥芯最基本的供水方式有兩種。一進(jìn)四出：即在輥芯中心鉆有比較粗的冷卻水輸入孔!在輸入孔外圍圓 周上鉆四個(gè)回水孔，通過幾組分布在徑向截面上的8個(gè)相間45 C的徑向孔與輥芯 表面上的6個(gè)縱向槽溝相通，經(jīng)過環(huán)型槽!使水循環(huán)起來(lái)!達(dá)到冷卻輥套和輥芯作 用。這種供水方式所用的旋轉(zhuǎn)水套比較簡(jiǎn)單，但在平時(shí)車削軋輥時(shí)!供水的軋輥 操作側(cè)要裝帶有中心孔的堵才能進(jìn)行車削。三進(jìn)三出：即在輥芯一端軸線中部的某圓上，均勻分布同樣大小的六 個(gè)孔，有三個(gè)進(jìn)水孔，三個(gè)出水

13、孔相間分布。通過幾組相間60C的徑向孔與輥芯 表面的6個(gè)縱溝槽相連，經(jīng)過環(huán)形槽連接使進(jìn)出水達(dá)到循環(huán)。這種供水方式所用 的旋轉(zhuǎn)水套比較復(fù)雜，但在平時(shí)車削軋輥時(shí)，不用考慮中心孔的問題。2.2.3鑄軋輻輻芯與輻套的裝配輥芯和輥套之間過盈量的選擇：由于輥套和輥芯的材質(zhì)不同，受熱條件不 一樣，在強(qiáng)大軋制力的作用下，二者的膨脹量也不一樣，所以必須選擇適當(dāng)?shù)倪^ 盈配合，雖然在軋制過程中，允許輥套與輥芯之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但根據(jù)大量研究 資料表明最大不應(yīng)超過25mm/8小時(shí)。過盈量過小，在軋制時(shí)輥套和輥芯之間會(huì) 產(chǎn)生較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，影響軋制過程的穩(wěn)定，對(duì)控制板形極為不利。而過盈量要 是過大，就會(huì)產(chǎn)生過大的內(nèi)應(yīng)力，

14、增加輥套炸裂的可能。一般采用的過盈配合量的經(jīng)驗(yàn)公式為：輥芯尺寸在500mm700mm；過盈量(mm)=芯尺寸(mm) X1X 650輥芯尺寸在700mm850mm；過盈量(mm)=芯尺寸(mm) X1X 7002.2.4鑄軋相輻芯的結(jié)構(gòu)圖圖2-2鑄軋輥輥芯結(jié)構(gòu)圖2.2.5鑄軋輻在生產(chǎn)中的合理使用通常鑄軋輥是從經(jīng)過磨削換輥投入使用后，一直到輥面出現(xiàn)龜裂影響到鑄 軋板的質(zhì)量時(shí)，才卸下重新修整。裂紋的深度是修整的依據(jù)，先用車床將軋輥在 半徑方向去掉1.5mm2.5mm，甚至更多，才可將龜裂層完全修整掉，過探傷確 認(rèn)后，再轉(zhuǎn)到磨床，磨成鑄軋工藝所要求的光潔度和輥凸度。這種換輥修整的方 法其實(shí)是很不經(jīng)濟(jì)

15、的，因?yàn)檩伱嬉坏┏霈F(xiàn)龜裂后，它向縱深的發(fā)展速度是很快的， 需要車削更多的輥套才能消除龜裂層，從而縮短輥套的使用周期。所以最好的方 法就是在輥面即將出現(xiàn)龜裂或龜裂剛產(chǎn)生時(shí)就進(jìn)行換輥，實(shí)施車磨加工，這樣對(duì) 輥?zhàn)拥能囅髁烤托〉枚?，也就延長(zhǎng)了輥套使用時(shí)間。鑄軋機(jī)機(jī)架的設(shè)計(jì)鑄軋機(jī)機(jī)架是工作機(jī)座的重要部件，軋輥軸承座及鑄軋輥調(diào)整裝置等都安 裝在機(jī)架上。機(jī)架要求承受軋制力，必須承受足夠的強(qiáng)度和剛度。2.3.1鑄軋機(jī)機(jī)架的分類根據(jù)軋鋼機(jī)型式和工作要求，軋鋼機(jī)機(jī)架分為閉式和開式兩種。2.3.1.1閉式機(jī)架閉式機(jī)架是一個(gè)整體框架，具有較高強(qiáng)度和剛度。閉式機(jī)架主要用于鑄軋 力較大的初軋機(jī)，板坯軋機(jī)和板帶軋機(jī)等。對(duì)于

16、板帶軋機(jī)而言，為提高軋制精度， 需要有較高的機(jī)架剛度。對(duì)于某些小型和線材軋機(jī)，也往往采用剛度較好的閉式 機(jī)架，以獲得較好的軋件質(zhì)量。采用閉式機(jī)架的工作機(jī)座，在換輥時(shí)，軋輥是沿 其軸線方向從機(jī)架的工作機(jī)座窗口中抽出或裝入，這種軋機(jī)架一般都沒有專用的 換輥裝置。2.3.1.2開式機(jī)架開式機(jī)架由機(jī)架本體和上蓋兩部分組成，它主要用在橫列式型鋼軋機(jī)上， 其主要優(yōu)點(diǎn)是換輥方便。因?yàn)?，在橫列式型鋼軋機(jī)上如果采用閉式機(jī)架，由于受 到相鄰機(jī)座和聯(lián)軸器的防礙，沿軋輥軸線方向換輥是相當(dāng)困難的。采用開式機(jī)架， 只要拆下上蓋，就可以很方便的將軋輥從上面吊出或裝入。開式/軋機(jī)主要缺點(diǎn) 是剛度較差。影響開式機(jī)架剛度和換棍速

17、度的主要是上蓋的連接方式。2.3.2鑄軋機(jī)機(jī)架的特點(diǎn)圖1雙輾鑄軋機(jī)1-鋼包,2-甲間包；3-激光傳尷器f 4-鑄軋輸5-液壓嘉如6, 7-覲外瀏溫佻8-畿性測(cè)置的9-卷取機(jī)圖2-3 鑄軋機(jī)的系統(tǒng)圖條形材鑄軋機(jī)的設(shè)計(jì)主要是由上機(jī)架和下機(jī)架組成，可成為開式機(jī)架，其換 輥方式也是通過擰開上機(jī)架蓋換取鑄軋輥裝置。雙輥鑄軋機(jī)的完整裝配系統(tǒng)設(shè)備 示意圖如上圖所示。上機(jī)架主要是由上機(jī)架蓋及U型機(jī)架組成，它是安裝軋輥軸承座及軋輥調(diào)整 裝置壓下螺絲和平橫裝置擋板拉桿等設(shè)計(jì)的。下機(jī)架主要是由四根立柱上底座和 下底座而組成的。上下機(jī)架通過螺栓連接成開式機(jī)架。通過斜楔和地腳螺栓，牌坊緊密地與軌 座一體緊固于地基上，以保證整體剛性和穩(wěn)定性。2.3.3上機(jī)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上機(jī)架是由兩個(gè)U型架和兩個(gè)上機(jī)架蓋組成，上蓋與U型機(jī)架之間的斜度為 1：50的斜楔聯(lián)接。為簡(jiǎn)化機(jī)架斜楔孔的加工和防止斜楔磨損機(jī)架，楔孔做成 不帶斜度的長(zhǎng)方孔。上蓋中部實(shí)際上也是冷卻鑄軋輥的水箱，箱體下部有噴水小 孔。上蓋還對(duì)側(cè)封裝置進(jìn)行定位，用兩個(gè)M30X 7 0將上機(jī)架蓋和側(cè)封裝置連接 起來(lái)。為了增強(qiáng)機(jī)架的穩(wěn)定性，除了在上機(jī)架蓋與U型架之間需要牢固聯(lián)接外， 兩片U型架下部和上部都也牢固地聯(lián)接。當(dāng)機(jī)架按技術(shù)要求裝載地腳板上，兩片 U型架位置彼此找