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
2.1.1.
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。

2.1.1.
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。

2.1.1.3.3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HRC40～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
钢来制造,以前曾采用过45钢,由于在
4
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了水槽锈蚀问题，在这种工艺条件下，选择合理的配合，辊套壁厚可以使用到25mm～30mm。

但是,这会大幅提高生产成本,而且增加车削辊芯表面水槽的难度。

(2) 由于辊芯整体都为42CrMo合金钢，在辊芯表面肋片加工完后!进行磨削之前，对辊芯表面进行一次淬火处理!提高其硬度，使表面硬度比辊套硬度低10个HRC单位,达到HRC32～HRC35,左右,采用这种工艺后,辊套壁厚最薄可以使用到35mm左右,提高了单辊的产量.
2.2.2 铸轧辊辊芯冷却水供给方式
对铸轧辊进行通水冷却!是实现连铸连轧的唯一途径!也是区别于其它种类轧辊，带有自己特色的标志。

冷却强度主要取决于槽沟形式，现在通用的是采用纵向与环向槽沟相组合的联合槽沟，这种槽沟具有极好的冷却效果。

辊面同一横线两端的温度仅差1℃辊芯最基本的供水方式有两种。

（1）一进四出：即在辊芯中心钻有比较粗的冷却水输入孔!在输入孔外围圆周上钻四个回水孔，通过几组分布在径向截面上的8个相间45℃的径向孔与辊芯表面上的6个纵向槽沟相通，经过环型槽!使水循环起来!达到冷却辊套和辊芯作用。

这种供水方式所用的旋转水套比较简单，但在平时车削轧辊时!供水的轧辊操作侧要装带有中心孔的堵才能进行车削。

（2）三进三出：即在辊芯一端轴线中部的某圆上，均匀分布同样大小的六个孔，有三个进水孔，三个出水孔相间分布。

通过几组相间60℃的径向孔与辊芯表面的6个纵沟槽相连，经过环形槽连接使进出水达到循环。

这种供水方式所用的旋转水套比较复杂，但在平时车削轧辊时，不用考虑中心孔的问题。

2.2.3 铸轧辊辊芯与辊套的装配
辊芯和辊套之间过盈量的选择：由于辊套和辊芯的材质不同%，受热条件不一样，在强大轧制力的作用下，二者的膨胀量也不一样，所以必须选择适当的过盈配合，虽然在轧制过程中，允许辊套与辊芯之间有相对运动，但根据大量研究资料表明最大不应超过25mm/8小时。

过盈量过小，在轧制时辊套和辊芯之间会产生较大的相对运动，影响轧制过程的稳定，对控制板形极为不利。

而过盈量要是过大，就会产生过大的内应力，增加辊套炸裂的可能。

一般采用的过盈配合量
的经验公式为：
辊芯尺寸在Φ500mm～Φ700mm；过盈量(mm)=辊芯尺寸(mm)×1×650
辊芯尺寸在Φ700mm～Φ850mm；过盈量(mm)=辊芯尺寸(mm)×1×700 2.2.4 铸轧辊辊芯的结构图
图2-2 铸轧辊辊芯结构图
2.2.5 铸轧辊在生产中的合理使用
通常铸轧辊是从经过磨削换辊投入使用后，一直到辊面出现龟裂影响到铸轧板的质量时，才卸下重新修整。

裂纹的深度是修整的依据，先用车床将轧辊在半径方向去掉1.5mm～2.5mm，甚至更多，才可将龟裂层完全修整掉，过探伤确认后，再转到磨床,磨成铸轧工艺所要求的光洁度和辊凸度。

这种换辊修整的方法其实是很不经济的，因为辊面一旦出现龟裂后，它向纵深的发展速度是很快的，需要车削更多的辊套才能消除龟裂层，从而缩短辊套的使用周期。

所以最好的方法就是在辊面即将出现龟裂或龟裂刚产生时就进行换辊，实施车磨加工，这样对辊子的车削量就小得多，也就延长了辊套使用时间。

2.3 铸轧机机架的设计
铸轧机机架是工作机座的重要部件，轧辊轴承座及铸轧辊调整装置等都安装在机架上。

机架要求承受轧制力，必须承受足够的强度和刚度。

2.3.1 铸轧机机架的分类
根据轧钢机型式和工作要求，轧钢机机架分为闭式和开式两种。

2.3.1.1 闭式机架
闭式机架是一个整体框架，具有较高强度和刚度。

闭式机架主要用于铸轧力较大的初轧机，板坯轧机和板带轧机等。

对于板带轧机而言，为提高轧制精度，需要有较高的机架刚度。

对于某些小型和线材轧机，也往往采用刚度较好的闭式机架，以获得较好的轧件质量。

采用闭式机架的工作机座，在换辊时，轧辊是沿其轴线方向从机架的工作机座窗口中抽出或装入，这种轧机架一般都没有专用的换辊装置。

2.3.1.2 开式机架
开式机架由机架本体和上盖两部分组成，它主要用在横列式型钢轧机上，其主要优点是换辊方便。

因为，在横列式型钢轧机上如果采用闭式机架，由于受到相邻机座和联轴器的防碍，沿轧辊轴线方向换辊是相当困难的。

采用开式机架，只要拆下上盖，就可以很方便的将轧辊从上面吊出或装入。

开式/轧机主要缺点是刚度较差。

影响开式机架刚度和换棍速度的主要是上盖的连接方式。

2.3.2 铸轧机机架的特点
图2-3 铸轧机的系统图
条形材铸轧机的设计主要是由上机架和下机架组成，可成为开式机架，其换辊方式也是通过拧开上机架盖换取铸轧辊装置。

双辊铸轧机的完整装配系统设备示意图如上图所示。

上机架主要是由上机架盖及U型机架组成，它是安装轧辊轴承座及轧辊调整装置压下螺丝和平横装置挡板拉杆等设计的。

下机架主要是由四根立柱上底座和下底座而组成的。

上下机架通过螺栓连接成开式机架。

通过斜楔和地脚螺栓，牌坊紧密地与轨座一体紧固于地基上，以保证整体刚性和稳定性。

2.3.3 上机架结构的设计
上机架是由两个U型架和两个上机架盖组成，上盖与U型机架之间的斜度为１：５０的斜楔联接。

为简化机架斜楔孔的加工和防止斜楔磨损机架，楔孔做成不带斜度的长方孔。

上盖中部实际上也是冷却铸轧辊的水箱，箱体下部有喷水小孔。

上盖还对侧封装置进行定位，用两个M30×７０将上机架盖和侧封装置连接起来。

为了增强机架的稳定性，除了在上机架盖与U型架之间需要牢固联接外，两片U型架下部和上部都也牢固地联接。

当机架按技术要求装载地脚板上，两片U型架位置彼此找正后，将拉紧螺栓加热。

以下便是上机架的结构示意图：
图2-4 铸轧机上机架结构图
2.3.4下机架结构的设计
下机架的主要是由四个立柱以及上底座，下底座和槽钢组成。

四根立柱是通过四维焊接，焊接在下底座上，为了加强机架的稳定性在立柱三面采用连续三角焊缝焊接肋板进行加固。

上底座上焊有四个10mm的凸台将来与上机架进行联接，凸台的作用不仅节省了材料而且可以起到一定的平横作用。

图2-5 铸轧机下机架结构图
的作用。

此外，下机架四周用槽钢进行加固，起到稳定性的作用。

下机架下底座上有M16×３０的螺母对两个支撑二次冷却系统进行定位。

这使的整套铸轧机系统显得合理紧凑。