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【摘 要】 连铸辊的质量以及寿命一直是影响到连铸生产十分重要的影响因素，因此做好连铸辊的结构设计对于生产有极为重要意义，基于此本文论述了连铸辊结构设计改造。
【关键词】 连铸辊;结构;设计
引言：
连铸辊这是连铸机设备之中十分重要的部件，而其加工的质量不仅同连铸设备的整体质量有关，并且也会直接影响到连铸设备的生产状况以及连铸坯的质量，对于钢铁企业的生产能力以及经济效益具有十分重要的作用。当前只有保证了连铸辊的尺寸精度、形位精度、表面粗糙度、堆焊后之后表面硬度都可以实现设计以及使用要求，才可以确保连铸机装配质量。为确保连铸辊各零件的尺寸精度、形位精度、表面粗糙度等等技术上的要求，应该制定出正确的修复加工工艺。
1、连铸辊的失效形式
通过市场调研并结合企业生产现场工况角度去分析，连铸辊主要有下列几种失效形式
1.1热冲击
连铸辊通过接触加热的金属而升温，生产过程中被冷却水冷却，最大温度和冷热的变化均会造成轧辊表面裂纹。最大温度、接触时间、冷却速度和冷却热变化都会影响轧辊的磨损速度和磨损面的化学变化。
1.2腐蚀
表面腐蚀是接触了冷却水而引起的，冷却水成分由于受当地水源的影响，其中高温下水中的无机盐与绝缘材料作用，pH值有时为5，甚至有时为4，从而导致应力腐蚀或晶间腐蚀。这两种腐蚀都可加速连铸辊表面裂纹的产生。
1.3磨料磨损
在连铸机下部，在钢表面发生氧化的部位，钢坯或板流和铸辊之间磨损可以诱发板材或线材与连铸辊之间的磨料磨损。
1.4疲劳
连铸辊的疲劳是由于辊表面的高应力所产生的弯曲而引起的.由于热冲击和腐蚀而形成的裂纹在疲劳应力区导致连铸辊裂纹产生。
1.5浸蚀
这是由于连铸辊表面与热金属之间的水接触产生的蒸汽而引起的，高速下产生冲击和高压是很普遍的。
2、连铸辊结构设计改造分析
2.1辊子与铸坯间的受力分析
在鑄坯过程之中，板坯扇形段辊子通常可以起到铸坯导向的作用。在生产的过程之中，装配好的辊子受矫直力以及铸坯重力的合力F的作用（F=1.5kN）之下，以及两侧轴承支反力T作用，T=F/2。达到长辊和短辊装配后的总长度的一半，L为短辊的长度。弯矩图如1所示
图一 弯矩图
图1中，F=1.5KN，Fa=T=F/2，Lm=732.5mm，L=610mm。足辊连接套处的弯矩为Ma=Fa×Lm=T×Lm，代入足辊装配尺寸，得出Ma=458Nm。连接芯套为内径d=40mm，外径D=55mm。
2.2连铸辊结构改造方案
2.2.1连铸辊结构设计
由于分节辊之间的连接水套密封问题一直困扰着连铸辊的使用寿命，故考虑取消中间连接水套，将连铸辊设计成芯轴加辊套结构。分节辊原设计固定端采用球面滚子轴承，自由端采用CARB轴承，每根三分节辊，采用3个球面滚子轴承和3个CARB轴承。改成芯轴加辊套结构后考虑到拆装方便全部采用球面滚子轴承，每根辊子用4个轴承，比原设计少2个。以宝钢宽厚板连铸机3CC为例，连铸辊辊径最小，承载力最大），对辊子结构改造前后的轴承性能进行比较。改造后的辊子轴承虽然承载能力并不比原设计的大，但满足工况载荷。
连铸辊由于工况条件非常恶劣，所以对轴承的保护尤为重要。本次改造设计了三重密封来保护轴承，第一重为迷宫密封，以防大颗粒的杂物入侵;第二重为叠环密封，以防小颗粒的杂物入侵;第三重为唇形密封圈密封，以防水和蒸汽入侵，同时由于采用芯轴加辊套结构，辊子间连接水套的密封问题已经完全不存在，当然该结构也给辊子装配和修复时的拆卸带来一些困难，同样给辊子传热也带来影响。因此，芯轴和辊套、芯轴和轴承的公差配合选用微量间隙配合，以便拆装，并且在芯轴和辊套的间隙之间填充铜泥（装配时在芯轴上涂上少许）以确保芯轴和辊套之间的传热及保护芯轴和辊套的配合面不会因锈蚀而咬合。
2.2.2足辊优化设计方案
选取密封形式主要考虑因素：一是要有足够的密封面接触压力，第二是摩擦力应该做到尽量小，第三应该尽量减少永久性变形。唇形密封圈同0型密封圈相比而言，其综合性能比较好，使用寿命比较长。唇形密封圈只可以实现单项密封，该设计要用作双向密封则应该给使用两个密封圈，密封圈的断面形状左右对称，沟槽较为容易设计。唇形密封圈的密封压紧力则是伴随着介质压力的变化而产生变化，在工作之中从头至尾适应介质压力的变化，则是确保可以具有充足的密封压紧力，又不至于出现过大的摩擦力。0型密封通常则是依靠预紧力产生密封力，密封圈接触压力预先给定，工作之中不可以依据介质压力的变化而改变，如果要求封住一个很大的压力，那么预压力也必须很大，而大的预压力会使密封圈与密封面接触应力与接触面积增大，产生很大的摩擦阻力。过大的摩擦力有可能造成密封圈的破损。唇形密封圈可以通过唇部撑开、变形补偿磨损量，确保密封效果以及密封寿命;而0型圈随着摩擦余量的减少，那么将会直接影响到密封性。此外，0型圈在装配以及使用的过程之中比较容易出现翻滚、扭转等等现象;唇形密封的翻滚、扭转现象较好与0型密封，并且唇形密封圈有着“白闭”的特性，因此在使用唇形密封的形式可以具有更好的作用。
通过对于以上所提分析以及比较，该设计把扇形段足辊连接套上2对，左右两端各一对，之前的预压型0型圈密封可以改成分节辊内嵌唇形密封圈密封。每节辊了连接内孔内嵌2个唇形密封圈，首道密封距离连接面9mm，而第二个唇形密封圈之问距离则是5mm，唇形密封圈厚度全都为12mm。
2.3堆焊后的机械加工技术方法
对于连铸辊身产生环行龟裂长度大、辊径圆周麻坑点数多、坑径大的辊套修复时，首先以两端内孔为基准打表找正，将辊身外圆表面缺陷及疲劳层车去，其间要进行探伤，根据探伤结果，进行堆焊粗车后的辊身外圆，选取堆焊连铸辊专用焊丝，分层堆焊的方法（注意控制层间温度）进行修复。连铸辊的堆焊修复大致过程分为4个步骤：焊前准备、堆焊、焊后处理及质量检验等。
2.4减少直径修复方法
减少辊子直径修复方法，一般用在连铸辊首次修复时，且表面裂纹较小、腐蚀较浅时使用，例如当腐蚀深度小于1～1.5mm时，就应该使用减少辊子直径法进行修复。在少减辊子直径修复时，首先要编制好修复工艺，然后按照加工工艺对工件、找正基准，精车、抛光的外圆尺寸进行修复，同时要满足加工工艺的要求，最终保证图示尺寸公差和形位公差的要求。
3、使用效果
使用唇形密封的设计可以较好的解决漏水问题，并且有效延长辊子的使用寿命。在较长时间的生产状态以及恶劣的高温条件之下也不易有磨损现象的出现，并且对于密封圈、芯套以及内孔沟槽的精度要求比较低，加工难度较小，因为唇形密封圈的密封形式比较适合当前的要求。
4、结语
根据上述结构改造设计方案制作的一批连铸辊，经上线使用考核过钢量超过160万t。经检查发现辊子表面堆焊层有少量剥落，需要重新堆焊修复。而轴承完好无损，可以再次使用。由于过钢量的大幅度提高，辊子维修成本下降52%以上，同时连铸机作业率又得到进一步的提高。上述结构改造的实施不改变原设计的安装尺寸、润滑方式、水量和水质等能源介质。所以对系统和环境不产生影响，并且可以和原设计辊子进行互换，故无改造风险。
参考文献：
[1]吕健.论连铸关键设备再制造技术[J].价值工程，2013，13：53-54.
[2]曾跃辉.连铸辊的结构设计改造[J].连铸，2013，04：22-24.
[3]侯峰岩，任乔华，高锦岩.连铸关键设备再制造技术及应用[J].中国表面工程，2012，04：31-35.
[4]李建平，徐自立，刘绍岩.新型复合连铸辊的研制[J].上海金属，2003，03：19-22.
【关键词】 连铸辊;结构;设计
引言：
连铸辊这是连铸机设备之中十分重要的部件，而其加工的质量不仅同连铸设备的整体质量有关，并且也会直接影响到连铸设备的生产状况以及连铸坯的质量，对于钢铁企业的生产能力以及经济效益具有十分重要的作用。当前只有保证了连铸辊的尺寸精度、形位精度、表面粗糙度、堆焊后之后表面硬度都可以实现设计以及使用要求，才可以确保连铸机装配质量。为确保连铸辊各零件的尺寸精度、形位精度、表面粗糙度等等技术上的要求，应该制定出正确的修复加工工艺。
1、连铸辊的失效形式
通过市场调研并结合企业生产现场工况角度去分析，连铸辊主要有下列几种失效形式
1.1热冲击
连铸辊通过接触加热的金属而升温，生产过程中被冷却水冷却，最大温度和冷热的变化均会造成轧辊表面裂纹。最大温度、接触时间、冷却速度和冷却热变化都会影响轧辊的磨损速度和磨损面的化学变化。
1.2腐蚀
表面腐蚀是接触了冷却水而引起的，冷却水成分由于受当地水源的影响，其中高温下水中的无机盐与绝缘材料作用，pH值有时为5，甚至有时为4，从而导致应力腐蚀或晶间腐蚀。这两种腐蚀都可加速连铸辊表面裂纹的产生。
1.3磨料磨损
在连铸机下部，在钢表面发生氧化的部位，钢坯或板流和铸辊之间磨损可以诱发板材或线材与连铸辊之间的磨料磨损。
1.4疲劳
连铸辊的疲劳是由于辊表面的高应力所产生的弯曲而引起的.由于热冲击和腐蚀而形成的裂纹在疲劳应力区导致连铸辊裂纹产生。
1.5浸蚀
这是由于连铸辊表面与热金属之间的水接触产生的蒸汽而引起的，高速下产生冲击和高压是很普遍的。
2、连铸辊结构设计改造分析
2.1辊子与铸坯间的受力分析
在鑄坯过程之中，板坯扇形段辊子通常可以起到铸坯导向的作用。在生产的过程之中，装配好的辊子受矫直力以及铸坯重力的合力F的作用（F=1.5kN）之下，以及两侧轴承支反力T作用，T=F/2。达到长辊和短辊装配后的总长度的一半，L为短辊的长度。弯矩图如1所示
图一 弯矩图
图1中，F=1.5KN，Fa=T=F/2，Lm=732.5mm，L=610mm。足辊连接套处的弯矩为Ma=Fa×Lm=T×Lm，代入足辊装配尺寸，得出Ma=458Nm。连接芯套为内径d=40mm，外径D=55mm。
2.2连铸辊结构改造方案
2.2.1连铸辊结构设计
由于分节辊之间的连接水套密封问题一直困扰着连铸辊的使用寿命，故考虑取消中间连接水套，将连铸辊设计成芯轴加辊套结构。分节辊原设计固定端采用球面滚子轴承，自由端采用CARB轴承，每根三分节辊，采用3个球面滚子轴承和3个CARB轴承。改成芯轴加辊套结构后考虑到拆装方便全部采用球面滚子轴承，每根辊子用4个轴承，比原设计少2个。以宝钢宽厚板连铸机3CC为例，连铸辊辊径最小，承载力最大），对辊子结构改造前后的轴承性能进行比较。改造后的辊子轴承虽然承载能力并不比原设计的大，但满足工况载荷。
连铸辊由于工况条件非常恶劣，所以对轴承的保护尤为重要。本次改造设计了三重密封来保护轴承，第一重为迷宫密封，以防大颗粒的杂物入侵;第二重为叠环密封，以防小颗粒的杂物入侵;第三重为唇形密封圈密封，以防水和蒸汽入侵，同时由于采用芯轴加辊套结构，辊子间连接水套的密封问题已经完全不存在，当然该结构也给辊子装配和修复时的拆卸带来一些困难，同样给辊子传热也带来影响。因此，芯轴和辊套、芯轴和轴承的公差配合选用微量间隙配合，以便拆装，并且在芯轴和辊套的间隙之间填充铜泥（装配时在芯轴上涂上少许）以确保芯轴和辊套之间的传热及保护芯轴和辊套的配合面不会因锈蚀而咬合。
2.2.2足辊优化设计方案
选取密封形式主要考虑因素：一是要有足够的密封面接触压力，第二是摩擦力应该做到尽量小，第三应该尽量减少永久性变形。唇形密封圈同0型密封圈相比而言，其综合性能比较好，使用寿命比较长。唇形密封圈只可以实现单项密封，该设计要用作双向密封则应该给使用两个密封圈，密封圈的断面形状左右对称，沟槽较为容易设计。唇形密封圈的密封压紧力则是伴随着介质压力的变化而产生变化，在工作之中从头至尾适应介质压力的变化，则是确保可以具有充足的密封压紧力，又不至于出现过大的摩擦力。0型密封通常则是依靠预紧力产生密封力，密封圈接触压力预先给定，工作之中不可以依据介质压力的变化而改变，如果要求封住一个很大的压力，那么预压力也必须很大，而大的预压力会使密封圈与密封面接触应力与接触面积增大，产生很大的摩擦阻力。过大的摩擦力有可能造成密封圈的破损。唇形密封圈可以通过唇部撑开、变形补偿磨损量，确保密封效果以及密封寿命;而0型圈随着摩擦余量的减少，那么将会直接影响到密封性。此外，0型圈在装配以及使用的过程之中比较容易出现翻滚、扭转等等现象;唇形密封的翻滚、扭转现象较好与0型密封，并且唇形密封圈有着“白闭”的特性，因此在使用唇形密封的形式可以具有更好的作用。
通过对于以上所提分析以及比较，该设计把扇形段足辊连接套上2对，左右两端各一对，之前的预压型0型圈密封可以改成分节辊内嵌唇形密封圈密封。每节辊了连接内孔内嵌2个唇形密封圈，首道密封距离连接面9mm，而第二个唇形密封圈之问距离则是5mm，唇形密封圈厚度全都为12mm。
2.3堆焊后的机械加工技术方法
对于连铸辊身产生环行龟裂长度大、辊径圆周麻坑点数多、坑径大的辊套修复时，首先以两端内孔为基准打表找正，将辊身外圆表面缺陷及疲劳层车去，其间要进行探伤，根据探伤结果，进行堆焊粗车后的辊身外圆，选取堆焊连铸辊专用焊丝，分层堆焊的方法（注意控制层间温度）进行修复。连铸辊的堆焊修复大致过程分为4个步骤：焊前准备、堆焊、焊后处理及质量检验等。
2.4减少直径修复方法
减少辊子直径修复方法，一般用在连铸辊首次修复时，且表面裂纹较小、腐蚀较浅时使用，例如当腐蚀深度小于1～1.5mm时，就应该使用减少辊子直径法进行修复。在少减辊子直径修复时，首先要编制好修复工艺，然后按照加工工艺对工件、找正基准，精车、抛光的外圆尺寸进行修复，同时要满足加工工艺的要求，最终保证图示尺寸公差和形位公差的要求。
3、使用效果
使用唇形密封的设计可以较好的解决漏水问题，并且有效延长辊子的使用寿命。在较长时间的生产状态以及恶劣的高温条件之下也不易有磨损现象的出现，并且对于密封圈、芯套以及内孔沟槽的精度要求比较低，加工难度较小，因为唇形密封圈的密封形式比较适合当前的要求。
4、结语
根据上述结构改造设计方案制作的一批连铸辊，经上线使用考核过钢量超过160万t。经检查发现辊子表面堆焊层有少量剥落，需要重新堆焊修复。而轴承完好无损，可以再次使用。由于过钢量的大幅度提高，辊子维修成本下降52%以上，同时连铸机作业率又得到进一步的提高。上述结构改造的实施不改变原设计的安装尺寸、润滑方式、水量和水质等能源介质。所以对系统和环境不产生影响，并且可以和原设计辊子进行互换，故无改造风险。
参考文献：
[1]吕健.论连铸关键设备再制造技术[J].价值工程，2013，13：53-54.
[2]曾跃辉.连铸辊的结构设计改造[J].连铸，2013，04：22-24.
[3]侯峰岩，任乔华，高锦岩.连铸关键设备再制造技术及应用[J].中国表面工程，2012，04：31-35.
[4]李建平，徐自立，刘绍岩.新型复合连铸辊的研制[J].上海金属，2003，03：19-22.