安钢第二炼轧厂3500MM炉卷轧机卷筒国产化设计与应用

朱龙

（安阳钢铁股份公司第二炼轧厂，河南 安阳 455004）

前言

安阳钢铁公司第二炼轧厂2005年10月投产一条3500mm炉卷轧机生产线，在轧机两侧配置了机前和机后两座卷取炉，卷筒采用国外进口件，价值650万元。使用3-6个月时间，卷筒表面开始出现严重裂纹失效现象，沿卷筒穿带槽口产生大尺寸贯穿性裂纹，并逐步向两侧延伸发展（见图一、图二）。后来通过与山东烟台蓝鲸金属修复有限公司的合作，对产生裂纹失效的卷筒进行焊接修复，修复后的卷筒使用效果，在此基础上对卷筒的制作工艺进行重新设计，改变制作工艺，生产出焊接卷筒，不仅大大提高了使用寿命，降低成本消耗，而且开创了卷筒制造新工艺，使卷筒备件国产化，取得了显著的效果。

图一1＃卷筒窗口南端裂纹

图二 1＃卷筒窗口北端裂纹1卷取炉的结构及工作原理

卷取炉主要作用是在中厚板、钢带的可逆轧制过程中，对轧件进行卷取、保温，保证带钢头、尾部的终轧温度，而且还能够降低轧辊的损耗，以保证产品的最终质量。该生产线采用的卷取炉形式为底部封闭式，卷取炉内直径为1900mm的中空合金钢卷筒，能够承受的额定温度为1100℃。卷筒上带有槽口，用于咬入带钢的前端，带钢通过台式倾动板导入槽口，然后在轧制过程中带钢绕着卷筒进行卷取，带钢在卷取过程中会产生张力，目的是要消除带钢松弛以防止带钢在卷入第一圈时被扯出卷筒的狭槽。卷取炉内安装有烧嘴，可使炉内温度保持在一定的范围内，但卷取炉只能起到保温作用，而不具有对带钢进行加热的功能。

2 卷筒存在的问题及分析

2.1 存在问题

该卷筒直径1900mm，长5230mm，材质ASTM A297HK25（奥氏体耐热钢），属于特大型铸件，截面构造变化复杂，如此大尺寸的卷筒采用整体模型一次铸造在同类设备中极为少见。经过使用发现：在很短的时间内即出现严重的大尺寸贯穿性裂纹而造成破坏性失效，表现为典型的脆性断裂特征。

2.2 分析

经北京科技大学材料学院进行的扫描电镜及能谱分析初步结果显示，在卷筒断口处晶界合金偏析严重，断口形貌为沿晶断裂的热疲劳裂纹，且铸态组织特别粗大。

图三 粗大晶粒及裂纹沿晶断裂

按照材料断裂理论分析，疲劳断裂分为两个阶段即裂纹的萌生和裂纹的发展，由于铸造卷筒本体大量存在裂纹，也即省略了第一阶段，而筒体材料的脆性特征也大大加快了裂纹的发展速度。

铸造卷筒母体材料的晶界异相和成分偏析是导致晶界脆化的内在因素，是导致卷筒大断面沿晶断裂的主因。铸造卷筒整体铸造后必须以及其缓慢的速度冷却，又无法再次进行高温固溶处理，所以晶界异相的产生也就无法避免。

3 焊接卷筒的材料设计

选择焊接卷筒的设想由于铸造卷筒的早期失效主要是无法实现高温固溶处理，加之由于二炼轧在线炉卷辊筒系国外厂家独家生产，极其高昂的价格和低寿命使设备运行成本居高不下，因此，我们大胆尝试焊接卷筒，以铸造卷筒为基础雏形，根据焊接工艺的特点重新进行设计。

3.1 基本钢种的选定

基本钢种的选定主要考虑：1、工况条件对热疲劳性能的影响；2、制作过程的工艺性；3、市场采购机会。依据上述原则焊接卷筒拟采用310S（国产牌号为 0Cr25Ni20）

3.2 含碳量的选定及微量元素的作用

310S的含碳量为0.04%,而铸造卷筒的含碳量达0.16%以上。低的含碳量有利于阻止晶界在高温下导致的合金扩散和富集，从而强化高温应力疲劳强度；添加的铌、铝、氮等微量元素可进一步改善高温热疲劳性能。

3.3 经过固溶处理的锻造和轧制材料的断裂韧性

高温固溶处理是保证310S耐热钢性能的极为重要的工艺保证。为此进行的对比试验显示出令人信服的实验结果：1、所选310S锻造和轧制钢材在炉卷条件下具备良好的热疲劳抗力，无初时裂纹缺陷，并且具有优良的强韧配合；2、在炉卷条件下长期服役也不会产生内部组织变化和晶界脆化；3、在长期使用后还具备良好的焊接性能，为以后的修复提供了必要的技术准备。

4 结构设计和强度校核

4.1 结构强度设计的基本构想

由于铸造卷筒的早期失效主要是材料热处理工艺的无法实现造成的，所以在焊接卷筒结构强度设计时以铸造卷筒为参照系，在结构形式上参考了飞机和潜艇的龙骨框架结构，从而增强焊接卷筒的抗冲击载荷能力，如图三所示。

图五 焊接卷筒龙骨架结构示意图

4.2 整体强度分析与校核

强度的分析与校核由东北大学机械学院用现有最流行强度计算软件进行，主要使用第四强度理论的有限元法进行运算，换算为强度系数之比达到了1.21,基本实现了预定强度目标。

材料加权分析及性价比预期

在焊接卷筒结构强度增加的基础上，由于大量采用了轧板及无缝钢管，其综合强度的增加十分显著。虽然高温强度参数缺失，但依据常温强度的计算仅材料的重新选择所获得的强度系数便可达1.5以上.如此焊接卷筒和铸造卷筒的强度比便达到1.71，即便考虑到高温的影响，这样一个结果也符合改造的预期。再加上热轧材料的无缺口效应，其服役使用周期将达到可靠实用的程度。焊接卷筒的设计寿命为：保质期一年，免维护使用两年，修复使用五年。

5 生产应用

焊接卷筒2010年1月上线使用，在使用中基本参数正常，运转平稳，一个月后开盖检查，表面完好，经测量卷筒本身没有发生变形；表明焊接卷筒的刚度和强度达到了设计要求。