酸洗机组破鳞辊结构改进对提高使用寿命的分析研究

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摘 要：破鳞辊是酸洗机组开卷机区域重要的附属设备之一，其主要作用是对热轧卷进行预破鳞，将带钢表面附着力差、粗大的氧化铁皮去除。破鳞辊在工作过程中直接与大张力、高速的带钢表面接触，其结构的优劣对破鳞辊的可靠性和使用寿命紧密相关。本文以某钢厂酸洗机组破鳞辊为例，通过对破鳞辊使用情况的分析，找出影响其使用寿命的主要因素，提出新的结构改进方案，并予以实施，大大提高了破鳞辊的使用寿命。

关键词：酸轧机组 破鳞辊 使用寿命

1 引言

某钢厂五冷轧作为新建的生产高表面精度、高质量冷轧精品的项目已于2008年竣工投产，其中酸轧机组引进德国西马克公司技术。该机组破鳞辊是开卷机区域重要的附属设备之一，其主要作用是对热轧卷进行预破鳞，去除带钢表面附着力差、粗大的氧化铁皮，是对拉矫机破鳞作用的一个补充，共同保证酸洗后带钢表面质量。

破鳞辊依照西马克公司图纸制造，设计精巧，破鳞效果好。然而在使用中发现破鳞辊在平均使用不到四个月后就需要下机修复，大大低于其它同类机组破鳞辊的使用周期。过于频繁的更换，增加了机组停机时间的同时也增加了设备的维护、检修费用。表1为该机组上通道破鳞辊在2010年12月18日至2012年8月7日期间更换情况说明，经简单计算每套破鳞辊的平均使用寿命仅为3.27个月。

鉴于此，有必要对该破鳞辊进行分析、改进，延长其工作寿命，提高使用经济性。

2 破鳞原理

破鳞辊的工作机理是利用铁基体与氧化铁皮覆层材料性能的巨大差异，采用机械方法进行弯曲，基体材料受力后产生一定的弹性变形，表面氧化铁皮则由于较低的弹性变形且破坏强度低，同时与铁基体附着力差，这样当氧化铁皮不能适应金属形状变化而引起的内应力大于其破坏强度时，它便要破裂。带钢在经过破鳞辊时上下表面处于不同的应力状态，最终产生不同形式的氧化铁皮剥落。相关的研究表面，大弯曲能取得较好的破鳞效果。

具体来说，当带钢通过破鳞辊时，带钢两个表面变形情况不同，一个表面受到张力拉伸，氧化铁皮和铁基体的界面会产生裂纹，而与破鳞辊接触的另一面将受到压缩力的作用，氧化铁皮会被挤碎成网状，有的不再附着于基体上，直至脱落，其破鳞示意图见图1.

图1 破鳞示意图

3 原破鳞辊的使用分析

3.1 破鳞辊工作环境

五冷轧酸轧机组主要处理热轧普通碳钢卷和高强钢卷，入口段带钢最高运行速度可达 ，开卷机区域带钢的最大张力为 。在带钢冲套、甩尾的整个过程中，破鳞辊完全投入使用，工作过程中，氧化铁皮剥落，粉尘较大。此外由于热轧来料卷型、板型良莠不齐、带钢平均厚度大，在高速开卷、冲套过程中难免会对破鳞辊造成异常的冲击和振动，在生产高强钢时，情况更为严重。

3.2 破鳞辊结构

破鳞辊主要由安装在同一辊盒内的工作辊和支撑辊组组成。工作辊为单辊，直径为134mm；支撑辊组由两列共16个支撑辊组成，每个支撑辊直径120mm；两类棍子均为被动辊，呈品型分布。由于工作辊直接与带钢接触，表面做了硬化处理，硬化层深度2.5mm，HRC58-62。工作辊和支撑辊通过轴承组件安装在辊盒内，整个破鳞辊共有34个滚动轴承。

图2 破鳞辊结构

3.3 破鳞辊使用现状及分析

正如前文所述，机组破鳞辊平均使用寿命仅不到四个月，远低于其它同类机组的破鳞辊平均使用寿命。初步分析认为：破鳞辊结构复杂，转动部件多，工作环境恶劣，维护保养不便是影响破鳞辊工作寿命的主要原因。

机组上破鳞辊更换标准为辊面出现异常磨损、粘结、划痕、剥落、热损伤、异常声音与振动等劣化迹象，预计会影响带钢表面质量就应更换。结合破鳞辊的历史更换记录，在7次更换中有5次是由工作辊磨损严重引起，有2次是由异音引起。故，我们可把工作辊磨损和破鳞辊的异常声音与振动，作为影响破鳞辊使用寿命的主要原因而加以分析。

3.3.1 工作辊磨损情况分析

破鳞辊工作辊直接与运行的带钢表面接触，难免会产生磨损。当辊面硬化层被磨掉，或局部严重磨损预计会影响带钢表面质量即需更换。图3为工作辊磨损严重需下机更换的破鳞辊。

图3 因局部磨损需更换的破鳞辊

通过对破鳞原理和破鳞辊结构的介绍，我们知道该结构下工作辊的直径相对较小，硬化层厚度也较薄，虽然小辊径能带来好的破鳞效果，但同时也削弱了工作辊的耐磨性，降低了破鳞辊的使用寿命。

建立如图4所示的磨损模型，其中 为工作辊直径， 为硬化层深度，令 为截面单位时间磨损量。

（1-1）

从式1-1可以看出，要提高工作辊的耐磨性可以从增大辊径 ，提高硬化层深度 两个方面入手。

3.3.2 异常声音与振动分析

根据现场经验，破鳞辊的异常声音与振动大多与轴承的非正常磨损有关。滚动体不充分，氧化物颗粒渗入都能引起非正常磨损。破鳞辊共有34个滚动轴承，任意一个轴承的损坏都有可能引起停机事故，假设在一定条件下一个轴承的使用可靠系数是0.99，那么整个破鳞辊的可靠系数为 0.9934≈0.71。故，可从提高单个轴承的可靠系数和减少轴承使用数量两个方面考虑，降低异常磨损发生的概率。

原设计中支撑辊的作用是增加工作辊的刚性，若增大工作辊辊径使之有足够的刚性，则可考虑省去支撑辊，仅保留工作辊和使用2个轴承，维护保养方便的同时大大提高了轴承影响的可靠系数。另外，随着辊径的增大相应可选择承载力更大、性能更优的轴承。

综上分析，在不考虑破鳞效果的前提下，可以通过改变破鳞辊结构，采用大尺寸单辊形式，以达到延长工作辊的使用时间、减小轴承异常磨损概率、提高破鳞辊可靠系数和使用寿命的目的。

3.4 破鳞效果与生产成本的平衡

虽然大弯曲能取得较好的破鳞效果，但弯曲的增大也不能随心所欲，一方面要考虑对材料加工硬化的影响，另一方面棍子太细会带来磨损块、使用周期短、生产成本上升等问题。因此选择破鳞辊结构与工作辊辊径大小时应综合平衡破鳞效果与生产成本的关系。

正如前文所述，破鳞辊主要作用是对热轧卷进行预破鳞，将带钢表面附着力差、粗大的氧化铁皮去除，我们知道机组中主要用来破鳞的设备是拉矫机，大多数的氧化铁皮是在这里被去除。可以认为，若破鳞辊的维护成本明显高于同类机组时，在不影响产品质量的和环保要求允许的情况下，可以适当降低破鳞效果以达到与生产成本的平衡。

某酸洗机组破鳞辊采用单辊形式，结构简单、使用寿命长，经对比分析认为本机组也可参照单辊形式设计新的破鳞辊。

4 新结构破鳞辊的使用情况

参照其它同类机组入口段破鳞辊的结构形式，结合本机组的使用环境，我们设计了新的破鳞辊，采用单辊形式，工作辊直径加大至250mm，硬化层深度提高至5mm，轴承、轴承座、油封等相关零部件也作相应选择与调整。

新结构破鳞辊已于2011年9月在机组入口下通道试验性投入使用，使用至今工作情况良好，正常工作时间超过20个月，没有因破鳞效果不好而影响带钢酸洗质量的情况发生，说明新结构破鳞辊的破鳞效果与实际生产是相适应的。

图5 原破鳞辊实物图 图6 改进后上机的破鳞辊

6 结束语

破鳞辊虽然不是酸轧机组的关键设备，但其破鳞效果与生产实际的匹配一方面影响设备的维护成本，另一方面也影响了整个机组的生产顺行。效果与成本的关系，在各个机组应该是普遍存在的，如何平衡好两者的关系，寻求最优点是每个技术工作者孜孜不懈追求的目标。本文从所在机组破鳞辊的工作环境、结构、使用情况出发，分析了影响其使用寿命的主要原因，在参考其它同类机组和平衡效果与成本关系的基础上，设计了新的结构并予以实施，大大提高了破鳞辊的使用寿命。

参考文献：

[1] 宝钢股份C502酸轧机组机械设备培训教材2007年5月

[2] 王建军，李同庆. 拉矫机破鳞原理的研究[J]. 上海金属， 1999，21（1）： 12～15

作者简介：韩铁拴，男，1981年12月，宝钢湛江钢铁有限公司冷轧项目组，工学硕士学位，从事设备维护工作。