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高技术连铸设备开发系统

发布时间：2017-05-21 13:55:23 浏览：次

连铸设备是决定炼钢厂产能的最关键因素之一。其中的扇形辊子（segmentroll）、轴承（bearing）是在高温、高载荷及超低速转动等恶劣环境下使用，其故障超过整个铸机的50%。JFE在构建适应设备实际使用环境理论的同时，针对扇形段的主要构成要件进行相应技术开发，从而提高了设备可靠性，实现了设备长寿命化。以下概要介绍关于轴承、辊子及润滑环境改善的长寿命化技术。

    最近对钢铁需求的增加，更加迫切要求提高设备生产率。为此，JFE（制钢公司）以连铸设备的强韧化、构成要素的长寿命化为目标进行了相关技术开发。以下概要介绍实现了当今世界最高作业率的连铸机高可靠性技术。

    1.连铸设备构成连铸设备由钢包转台和中包车等浇钢设备、铸坯凝固用结晶器、铸坯支承及传输用辊道、铸坯切割器等构成。扇形段是铸机上的重要单元，由多根辊子构成。调查表明，过去10年间连铸设备的故障时间比率中，结晶器占7.5%、LT和TDC占8.3%、液压系统占8.6%、运输占9.5%、切割占15.6%、扇形段辊子占7.7%、轴承占42.8%。由以上数据可知，扇形段的故障占全部故障的50.5%即超过一半。因此，扇形段的强韧化是提高连铸设备可靠性的关键；而且，扇形段由辊子、轴承和密封装置等部件构成，其更换周期由其中寿命最短的构件决定，实际由轴承寿命和辊子何时龟裂来决定。在生产现场，即使一个部件损坏，更换往往也需要停产数小时；故开发构件的高可靠性技术十分重要。

    2.扇形段辊子用轴承的强韧化从载荷容量和调整性的观点，扇形段辊子多采用自动调整滚柱轴承。然而，该轴承相对于接触中心易形成不均匀面压分布，使作用于滚柱与内、外座圈之间的摩擦力矩平衡会崩溃歪斜；并且，即使面压均衡，也会因滚柱与内、外座圈轨道间的周速差而产生经常相对滑动（差动滑移），这在轴承结构上不可避免。为了避免歪斜力矩和差动滑移加剧轴承磨损，有必要将轴承改为圆筒滚柱和圆锥滚柱那样完全线接触型轴承。另外，为了在轴承外设置球面底座以追踪辊子挠曲、而开发了双列圆锥滚柱轴承。因圆筒滚柱轴承无接触角，可由另外部位承担径向和轴向载荷，具有接触面无复合载荷作用的优点，故能延长轴承寿命。另外，易获得遍及滚柱全长的均匀面压分布；且在滚柱上加工了特殊凸面，确保了其自动调整性能。

    3.改善润滑条件延长轴承寿命的技术当润滑油膜夹在轴承接触面之间而充分润滑时，轴承就不易磨损而损坏。在研究轴承油膜参数Λ（希腊字母读lambda）和其转动疲劳寿命之间的关系时，若以工作环境恶劣程度划分钢厂主要生产设备用轴承的工作条件，则连铸辊用轴承是最差的，其Λ≈0.05（轧辊用轴承的Λ≈5即要好大约100倍）。这是因该轴承运转是处于超低速、高载荷及高温水汽等恶劣环境中，难以在接触面间形成油膜而避免金属之间的直接接触，强化了差动滑移而加快了磨损。连铸轴承润滑一般用以矿物油为基的润滑脂（亦称耐热黄油）。采用超薄膜光干涉法可测定油膜厚度，精度达nm级。为了评价轴承磨损而进行的实机试验表明：低速回转轴承的油膜越厚，则其磨损速度就越慢。因此，新润滑脂的开发，应将使油膜厚度最大化作为目标来确定其最佳组成。最佳化的要点如下：a以高粘度矿物油和尿素增长剂为基础；b选定分子链不同的脂肪族和芳香族配合平衡为中心的尿素分子结构；c用添加剂提高油与金属的亲和性，促使油膜形成。新开发润滑脂已用于JFE所属的西日本制铁所的全部连铸机上，有效提高了扇形段的使用寿命；且还用于其它设备的边界润滑部位。

    4.改善使用环境延长轴承寿命连铸坯（特别是厚板坯）在辊道上运动速度极慢（一般为1~3m/分），加之高温、水汽环境，且扇形段轴承内接触面都处于发生金属接触的边界润滑状态下，故较之流体润滑，轴承寿命会大幅下降；另外，水与夹杂物向轴承内的混入也加速了轴承损坏。为此，JFE开发了润滑脂—空气系统：向双层配置的密封空间供给清洁空气，以确保空间弱正压，并排出空气进行密封冷却。因轴承内产生负压时吸入清洁空气，在阻止从外部混入水和夹杂物的同时，利用空气冷却密封胶圈，抑制其硬化，也能延长轴承寿命。还采用了润滑油—空气系统：在向轴承压送的空气流中滴下润滑油，使之沿管内壁连续而少量地输往给油点，既能防止水与夹杂物混入轴承内，还能减少环境污染。该系统已在JFE所属的东日本制铁所4号铸机上使用，效果良好；今后拟扩大其在重要生产设备上的使用。

    5.连铸辊的强韧化技术连铸辊承受水汽氧化和热龟裂的复合损伤，而如何抑制快速扩展的热龟裂则是最重要的技术。为此，JFE进行了多方面研究和开发。

    5.1耐热龟裂性的强化原理关于金属热疲劳和材料特性研究方面，过去的研究都难以满足材料设计的要求。为此，JFE根据对供试材热龟裂路径和金属组织关系的观察，采用回归计算建立了以下实验式：PH/C=бy.λ/α×10-2….（1）式中PH/C：抗热龟裂系数бy：0.2%屈服强度（MPa）λ：导热率（w/mk）α：线胀系数（×10-6/℃、室温～500℃）因（1）式由金属组织能控制的要素构成，故此建议式就从金属设计角度、揭示了实用的金属耐热龟裂强化原理。

    5.2连铸辊堆焊金属设计堆焊金属的设计方针如下：再原有的金属KBS240（代表成分为0.06C-12.5Cr-3.99Ni）基础上，为提高屈服强度而提高了C（碳）含量，抑制了δ的生成，δ→γ相变时析出的MC（金属C化物）成了γ的生成核，有细化γ晶和析出强化作用；为了降低年金属线胀系数而应减少残余A（奥氏体的）量，故限制了C含量上限。另外，为了改善其耐蚀、耐热裂性，还调整了Cr、Ni含量，并向金属中加入了Co、Mo、V以及Nb、W、Cu等微合金化元素。新开发堆焊金属superKBS-Ⅰ、KBS-Ⅱ的代表成分（%）分别为0.19C-13.3Cr-0.2Ni-Co-Mo-V-Cu和0.19C-12.9Cr-0.1Ni-Co-Mo-V-Nb-W-Cu。

    5.3开发金属的组织与性能从KBS-Ⅱ的凝固组织显微图片可知：在原γ晶界及其中心都有C化物，γ晶粒细小，加之M（马氏体）相变而形成细小M块和任意方向的板条，从而提高了其耐热裂性能。从原来和新开发堆焊金属的性能对比可知：较之前者，由于后者降低了线胀系数（α）而提高了导热率（λ），且因C化物增多而减少了固溶C，因C化物析出而提高了屈服强度（从原来材的579MPa提高到开发材的932MPa和960MPa）、及抗拉强度（从原来材的793MPa提高到开发材的1078MPa和1113MPa）。

    5.4开发金属评价对原来材KBS240、开发材KBS-Ⅰ和KBS-Ⅱ分别取样进行高频感应急热急冷试验，结果表明：KBS240的裂纹长度L=400nm、抗热裂系数PH/C=7.5；而KBS-Ⅰ、Ⅱ的L分别仅为250和150nm，PH/C则分别＞15。这充分说明开发材（特别是KBS-Ⅱ）的抗裂性能比原来材优良得多。将KBS-Ⅱ开发材用于从支配热裂寿命的铸坯矫直部到水平段辊子的堆焊，完全可以确保在水平段过坯量≥500万吨后，辊子运转仍处于良好状态。

    连铸机扇形段由多数零部件构成，延长其寿命须开发提高各零部件可靠性的技术。本开发技术适应实际使用条件与环境，且具有理论和实用价值，既能延长扇形段寿命，又可促进铸机高效稳定运转。