铸轧机的结构设计

铸轧机的结构设计

一台机械能否正常运转不仅与其传动系统有着密切的关系, 而且还与结构设计的合理性有着更紧密的关系, 所以本章内容的设计及说明成为本次设计关键部分.铸轧机的主要结构部分包括:轧辊装置,上机架,下机架,侧封装置,和清辊装置. 由于双辊铸轧技术是一种用双辊的表面来冷却液态钢水并使之凝固以生产薄带钢的方法，其工艺特点是液体金属在结晶凝固的同时承受压力加工和塑性变形，在很短的时间内完成从液体金属到固态薄带的全过程. 所以铸轧辊的设计是轧机能够生产高质量棒线材的核心技术. 下面我将从辊芯, 辊套及其冷却方面开始设计。

2.1 铸轧辊套材料的选择及结构设计铸轧辊主要是由一个中心部位钻有进，出水孔，表面带有沟槽的辊芯和一个辊套组成的。它是铸轧机中最关键的部件，直接响影着产品的质量。所以辊芯，辊套从材料的选择，结构的设计，加工的顺序，装配的方法到使用过程每一步都显得十分重要。

2.1.1 铸轧辊辊套材料的选择

2.1.1.1 铸轧辊辊套的工作负荷

在铸轧过程中，熔铝进入连铸机轧制区并直接同辊套外表面接触，而这个辊套的内侧则受到冷却，就是为了吸收液铝中过多的热量，把它转变成固态铝。因此，这种铸轧辊的工作能力直接取决于辊套材料的热导性，而辊套被装到辊芯上，为了保障这种辊套在高温下都能牢固的固定在辊芯上，这种辊套材料应该有很低的热膨胀率，即必须在温度为600℃时显现出足够的强度和良好的塑性。由于在运行时受到复杂载荷的作用，在辊套的表面上会产生不同程度的网状热裂纹，裂纹的扩展速率主要是由力学性能和工艺特点决定的，特别是强度和可塑性的比率。

2.1.1.2 铸轧辊材料的选择

辊套材料应具备下述特性：导热性好，耐热变负载，有相当高的强度与刚度，不与铝熔体反应，所以确定辊套时要做综合考虑，根据多方面资料搜索，铸轧机辊套通常采用如下两种材料（见表一）这两种材料能使上述所要求的性能之间达到适当的匹配!保

证铸轧机具有最好的工作特性。

这两种钢经淬火后可以得到极细化碳化物均匀分布的马氏体组织，它们的裂纹敏感性低!可以满足对塑性的各种要求，同时又有良好的抗热应力性能和低的裂纹扩展速率。关于辊套的壁厚，一般认为辊芯直径在大于700mm时辊套的壁厚以70～80mm较为合理;小于Φ700mm时辊套的壁厚以50～60mm较为合理。当然在选择时应考虑辊芯上水槽及循环水冷却系统设计的合理性。

2.1.1.3 对铸轧辊辊套材料性能的要求

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3.1 导热性能的要求

单从传热这一角度考虑，辊套相当于一个结晶器，当铸轧区辊套表面与铝熔体接触时，吸收铝熔体的热量并使其迅速结晶凝固。在薄板快速连续铸轧时，要求单位辊缝宽度在单位时间内流过的铝熔体质量是常规铸轧的3 倍以上，辊面线速度应达常规铸轧的10 倍以上。经计算，此时要求铝熔体的冷却速度要达到800^4000 K /s 以上，而目前常规铸轧时铝熔体的冷却速度仅为80^300 K /s 。由此可见，只有大幅度提高辊套材料的导热系数，才可能实现铝熔体在铸轧区的快速凝固。通过对液相与固相铝材导热和界面导热的分析计算，与之相匹配的辊套材料的导热系数应该提高到常规铸轧辊套的3 倍以上。

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3.2 对抗疲劳性能的要求铸轧辊套表面的各部位周期性地进人铸轧区吸热，然后转出铸轧区，经由内、外冷系统散热，因而辊面承受周期性的热冲击。铸轧区的轧制应力一般也在200^ 300MPa之间，在交变热载荷和机械载荷共同作用下的疲劳损伤会导致辊套表面出现龟裂，是常规铸轧辊套的主要失效形式。在快速铸轧工况下，交变热载荷和机械载荷频率是常规铸轧的10 倍以上，辊面癣劳龟裂问题将会显得更加突出。

在研制辊套材料时，一方面要考虑提高其抗疲劳性能，另一方面应通过提高材料的导热性能，降低辊套的表面温度，辊套表面与内壁之间、辊面轧制区与周边之间在传热过程中的温度梯度，从而降低热冲击载荷，提高辊套的使用寿命。此外还要在结构上考虑降低机械载荷，特别是辊套与辊芯过盈装配时的装配应力。

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3.3 对强度硬度的要求

铸轧要有比常规铸轧更大的变形率，才能达到减小后续轧制道次的目的，因此要求快速铸轧辊套材料在铸轧温度下能保持高的强度和硬度，保证在轧制力作用下不发生塑性变形，在与辊芯的配合上不出现应力松弛现象，具有良好的热强性。

2.1.1.3 .4 对耐腐蚀性的要求

腐蚀和腐蚀疲劳是极限铸轧中一个不容忽视的问题。要求辊套材料具有好的耐腐蚀性能，防止工作表面蚀损而发生腐蚀疲劳，同时，亦可防止内冷水槽锈蚀堵塞而降低内冷效果。

2.1.2 铸轧辊辊套制备的工艺过程

辊套钢在炼钢过程中，必须准确测定每炉钢中的各种元素的化学成分，含量超出或达不到要求的，通过填加调整的方法，使其达到要求的范围。因为偏析极少的钢锭材料对淬火辊套的抗热裂性有良好的影响，并且有均匀的力学性能。辊套用普通锻造方法成型，初锻钢锭尽可能锻粗，然后进行冲孔和芯棒扩锻! 锻造过程不但使辊套成型而且提高它的性能。通过改善铸态组织和锻合锻态组织下常存的显微空穴，显著增加其韧性。锻造采用的锻造比至少为4。

锻造以后，这个半成品要进行正火，经过车床进行初加工后!对辊套进行淬火，淬火后达到的硬度为HRC4～0 HRC42。辊套要进行严格的超声波探伤，检查其内部是否存在夹渣，气孔，裂纹等缺陷。接下来进行内外径粗加工及内径精磨，且要求在长度方向上留10mm左右余量,如果不立即进行热装,在内孔涂上一层防锈脂,以便储存。

辊套置备的工艺过程为: 原料选配一在稳定温度下各合金组分依次熔炼一离心浇注一固溶一粗加工一一级时效一半精加工一二级时效一精加工一热装。

2.1.3 铸轧辊结构图的绘制

图2-1 铸轧辊辊套结构图

2.2 铸轧辊辊芯的设计

铸轧辊在轧制过程中要受到弯曲应力，扭转应力，接触应力，由于温度分布不均或交替变化引起的温度应力及轧辊制造过程中形成的残余应力等的综合影响，所有的这些应力最后都要作用到铸轧辊的辊芯上! 而辊芯中的冷却水孔和辊芯表面的循环强制冷却水槽沟的存在，减弱了辊芯抵抗上述各种应力的能力，所以如何确定辊芯的材料，热处理，循环强制冷却水的供水方式对铸轧辊的使用寿命，产品质量就显得特别重要。

2.2.1 铸轧辊辊芯材料的选择和热处理

现在辊芯通常采用42CrMo 或50CrMo 4 钢来制造,以前曾采用过45钢,由于在强度和抗蚀性上表现欠佳而不再采用。

材料为42CrMo的铸轧辊芯粗加工后辊芯被淬火或回火，经过热处理后的硬度为HRC20～HRC22,然后再依据图纸进行加工成成品，供与辊套热装成铸轧辊使用。通过对相关资料的阅读，我了解到42CrMo辊芯的加工工艺芯采用了两种方法，以提高其使用寿命和增加强度。

(1) 为了提高辊芯肋片的强度，硬度和抗锈蚀能力，用埋弧焊机在辊芯表层堆焊一层不锈钢，不锈钢层的厚度一般为16mm～18mm,同时在辊芯原合金钢与不锈钢层之间要有一层约3mm左右的过渡层。不锈钢表面硬度要比辊套硬度高近10个HRC单位，要求堆焊后辊芯的表面硬度为HRC50左右。这样既提高了辊芯强度延长辊套寿命又基本解决