步进炉炉门升降链条螺旋调整装置改造

王丽果

（北京首钢机电有限公司曹妃甸检修分公司，河北唐山 063200）

1 步进梁式加热炉

步进梁式加热炉是单块模式轧制板坯的热轧带钢生产线的核心设备之一，功能是冷装25 ℃、热装＞500 ℃的板坯在炉内加热到1300±20 ℃的轧制温度，布料方式分为双排布料（短尺）和单排布料（长尺）。由装钢机将装钢辊道输送过来的板坯装入炉内水梁装料端，再由出钢机将加热到轧制温度的板坯从炉内水梁出料端托出至出钢辊道上。

2 加热炉炉门结构

在每座加热炉的装料端、出料端设有装料炉门及附属的液压升降机构。为适应加热炉双排、单排布料，装料炉门装置和出料炉门装置由左右两套带水冷框的焊接炉门、两侧水冷炉门框、炉顶钢结构、炉门液压升降装置组成，两套炉门装置相对于加热炉中心线对称布置，并且焊后要砌筑重质浇注料；炉门的作用是在不装钢或出钢的情况下封住炉内热量，保持炉压[1]。炉门液压升降装置采用液压缸驱动链轮、链条传动，可使炉门上升和下降，两扇炉门既可一起升降，也可单独升降；由位移传感器控制液压缸行程，不仅可以控制炉门升降的极限位置，还可与步进梁、装钢机、出钢机进行连锁控制。液压炉门升降装置由液压缸、链轮、重载滚子链条、链条连接件、螺旋调整装置组成（图1～图3）。

图1 炉门装置

图2 链轮链条螺旋调整装置

图3 螺旋调整装置

3 螺旋调整装置螺栓疲劳断裂

首钢京唐2250 生产线于2008 年12 月投产，1580 生产线于2009 年12 月投产，两线各设置4 座加热炉。从投产至2016年发生过两次螺旋调整装置的M42×3 mm 左旋螺栓或右旋螺栓在螺纹根部疲劳，瞬间断裂造成炉门脱落的停机故障（图4）。由于炉门本体上方砂封刀脱落，如果临时生产会剐蹭炉体端墙上部耐材导致脱落，同时封火不严导致端墙上方钢结构受到高温烟气烘烤变形。每个炉门水冷钢结构和砌筑耐材总重约8 t，同时导致次生故障：下部炉门槛内部蛇形冷却水管微小裂纹漏水造成外部耐材脱落，倾斜挤压造成两套炉门耐材同时局部脱落。只能停炉降温后更换炉门及螺旋调整装置。

图4 螺栓根部瞬间疲劳断裂

4 螺纹根部断裂原因

（1）炉门液压升降机构的上部升降链条由于链条连接件和链轮距离很长，需要由螺旋调整装置调整张紧程度，保持炉门上升、下降过程中，两条水平布置的重载滚子链条张紧程度相同，同步动作。目的是一方面保持两条链条同时均匀受力，链轮链条不会产生异常磨损；另一方面两个炉门不管是一起升降还是单独升降，在上升、下降的过程中炉门保持水平，不互相干涉和剐蹭，防止炉门耐材脱落导致停炉后拆卸炉门重新砌筑耐火材料。

（2）螺旋调整装置结构：①中间为调整节，一端是左旋螺纹另一端是右旋螺纹；②两侧为左旋螺栓和右旋螺栓；③左旋螺栓和右旋螺栓通过连接销轴一端连接链条紧固件，另一端连接链条。通过旋转中间调整节，一方面调整链条的总长度，一方面调整链条的张紧程度，调整行程762～1027 mm。

（3）螺栓强度校核。螺旋调整装置中的螺栓承受轴向变载荷，强度校核公式[2]：

式中 σl——许用应力，MPa

P——轴向力，N；为炉门重量的50%，40 000 N

A——受力面积，mm2；

M42 螺纹小径为38.75 mm，1179.4 mm2

结果计算，σl=44.1 MPa。

左旋或右旋螺栓材料45#钢，屈服应力为360 MPa。根据预紧连接螺栓的安全系数M30～M60 取值为6.5～10[2]，安全系数取值为8，计算许用应力σlp=360/8=45 MPa。σl≤σlp，说明螺旋调整装置符合强度要求。

（4）故障原因：①炉门升降动作频繁，螺旋调整装置承受反复交变拉—压应力，长时间运行导致左旋螺栓或右旋螺栓的螺纹根部产生疲劳源，然后扩展，最后瞬间断裂；②反复的交变拉—压载荷，造成疲劳源萌生的位置变化比较大，疲劳源可以在内部也可以在外部，即使螺纹根部（外部）初期疲劳缺陷，如表面微小裂纹，在周期性设备点检、巡检时也非常不易发现，除非拆卸后磁粉探伤，而这又增加了周期性检修期间的工作量；③螺旋调整装置在制造阶段螺纹加工精度低、表面粗糙度低，螺纹旋合长度方向不是全部螺纹承受反复交变应力，起、停瞬间因为螺纹副之间间隙造成巨大冲击和振动。螺栓连接结构在振动环境下，一方面容易发生夹紧力的下降，导致被连接件的松动，另一方面造成螺栓断裂[3]。

5 螺旋调整装置改造

（1）在炉门升降链条螺旋调整装置的两侧增加对称装置的保险板2 件，考虑到螺旋调整装置的实际张力调节作用，即需要实际生产时调节总长度及张紧程度；为了便于安装，保险板一侧为圆形定位孔和连接销轴小间隙配合，另外一侧为槽形调节孔[4]。同时，一方面在炉门升降链条调整张紧程度以后，首先实际测量两端连接销轴的中心距，然后根据实测数据确定保险板中心距；另一方面左旋或右旋螺栓瞬间断裂后炉门需要保持水平状态，避免炉门倾斜造成两套炉门挤压导致炉门耐材脱落，因此槽形调节孔两孔距离为10～20 mm（图5）。

图5 增加了保险板的螺旋调整装置

（2）在中间调整节外侧增加锁紧螺母，调整链条张紧程度后，紧固锁紧螺母，消除由于制造阶段螺纹加工精度低造成的螺纹副之间的间隙，消除炉门升降启停瞬间由于间隙造成的频繁冲击。

（3）2 件连接销轴适度加长，一端台阶，一端开口销定位。通过以上改造措施的实施，即使左旋螺栓或右旋螺栓在螺纹根部瞬间断裂，两侧保险板可起到连接作用，炉门只会微小角度倾斜，不足以造成炉门本体上部砂封刀损坏，也不足以因倾斜挤压造成两套炉门耐材同时局部脱落，更不会脱落掉下引发停炉更换炉门及其他次生故障。只需短时间内更换螺旋调整装置就可以恢复生产。

6 改进效果

螺旋调整装置改造后至今，发生过一次左旋螺栓在螺纹根部断裂故障，故障后用倒链固定两端链条后，不停炉，在很短时间内更换完成螺旋调整装置。此方案解决了螺旋调整装置左旋或右旋螺栓偶尔疲劳断裂引发的停炉更换及次生故障的技术问题，为热轧步进式加热炉炉门升降链条螺旋调整装置的改进提供了参考借签。