镀锌机组三辊六臂系统稳定性对产品质量的影响及优化研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：钱永旺（1987），男，汉族，河北唐山人，本科，助理级工程师，设备科长，研究方向为机电。-187-镀锌机组三辊六臂系统稳定性对产品质量的影响及优化研究 钱永旺 李 江 李敬辉 刘晓峰 唐山燕阳冷轧有限公司，河北 唐山 063000 摘要：摘要：近年热镀锌带钢产品的使用量明显增加，产品发展日趋向高端方向发展，比如汽车板、家电板、锌铝镁等产品需求量日益突显，且使用者对带钢表面的镀锌质量要求越来越高。三辊六臂系统作为热镀锌机组锌锅区设备的核心，其运行的稳定性直接影响产线的产量和质量。文章以唐山地区某冷轧厂为例，以生产运行过程中陆续出现的沉没辊辊印、带钢表面横纹、三辊六臂轴套、衬套使用寿命低等问题为案例，对影响三辊六臂运行稳定性的结构因素、动平衡、装配精度、沉没辊沟参数等方面进行分析介绍并潜移默化的分享其解决技术难题的方式方法。关键词：关键词：三辊六臂；沉没辊；轴套衬套 中图分类号：中图分类号：TE6 三辊六臂系统由沉没辊、稳定辊、轴套衬套、支臂、连杆、刮刀等部件组成。沉没辊位于辊系的下部,用于改变带钢在锌锅中的运行方向。稳定辊则位于沉没辊的上方,起着限制带钢左右摆动的作用1。2022 年投产前期，生产现场先后出现了沉没辊辊印、带钢表面横纹、沉没辊使用寿命短等问题，其直接制约着热镀锌产品的表面质量和机组的综合效益。经过一年多的摸索与优化，上述缺陷基本解决，产品表面质量获得极大提高，同时三辊六臂装置的使用寿命由 1015天提高到了 2530 天。1 沉没辊辊印的研究分析 沉没辊印是由沉没辊上条状沉积物划伤冷轧带钢表面引起的2，通常出现在沉没辊使用周期的后期。观察发现印到带钢上的沉没辊印间距及深浅和沉没辊沟槽的宽度、间距有着直接关系，针对如何降低、杜绝沉没辊辊印的出现，我们组织对沉没辊沟槽参数进行了走访学习并试验。原设计选用的不锈钢 316L 材质和左右螺旋沟槽的沉没辊在行业内已属于较优组合，其左右螺旋槽以沉没辊的中线为界，当辊子在锌液内转动时，排锌槽的螺旋角作用能向两侧排除锌渣，降低了挤在沟槽和带钢之间的锌渣，使留存在带钢上的锌渣量降低。但是沉没辊的在线寿命还是比较短，往往是生产 10 天之后辊面结渣现象开始显现，其直接影响带钢表面质量，迫使机组频繁更换沉没辊。这样一方面降低了作业率和成材率，另一方面造成了大量的启停机三级品或废品。通过统计发现每次启停机造成的三级品或废钢约在 5-10 吨左右，不考虑停机损失的话每次更换沉没辊造成直接经济损失亦在几万元。如何提高沉没辊沟槽的排渣能力俨然成为一个急需攻关的技术问题。通过多方研究讨论并结合生产初期产线相对不稳定的现状，最终将解决问题的思路确定在无需增加投资的改变沉没辊沟槽参数的思路上。图 1 为沉没辊沟槽尺寸示意图，针对这些参数我们进行了大胆尝试，具体参数实验步骤见表 1。图 1 沉没辊沟槽尺寸示意 图 2 鼓型轴套封闭式 中国科技期刊数据库 工业 A-188-表 1 镀锌线沉没辊参数改造表 优化顺序 H（mm）P（mm）R1（mm）R2（mm）上机效果 第一阶段 2.0 30 4 2 排锌效果有所改善，使用周期约 12 天 第二阶段 1.8 30 5 2.5 效果提高，使用周期约 15天 第三阶段 1.6 25 5 2.5 纯锌产品正常使用 18 天后，虽未出现沉没辊辊印但出现了带钢横纹缺陷。通过对沉没辊沟槽关键尺寸的逐步分析优化，使我们镀锌锌生产纯锌产品时产品质量制约因素发生了改变，由沉没辊辊印转变为带钢横纹。2 带钢表面横纹的研究分析 带钢表面横纹，通常是因为锌锅内稳定辊旋转发生不稳定晃动，造成带钢相对气刀的喷吹距离产生波动从而使镀层厚度变化的宏观体现或因原料问题在镀锌后缺陷放大，体现出来的横向印记。考虑到我们镀锌原料为冷硬自产原料且在其他客户处并未出现类似质量问题，我们初步将问题锁定在三辊六臂装置上。为解决这一问题，我们先后组织人员开展了多项工作。主要有对三辊六臂中心线、标高以及相对塔顶转向辊的位置关系进行检测调整；对三辊六臂上机前装配精度及零部件加工精度进行检查等，均未解决问题。为了彻底解决问题我们对三辊六臂各零部件使用情况进行了记录分析，最终将影响因素怀疑到稳定辊上。原因有二：其一，通常新采购的稳定辊，第一次上机时带钢出现横纹的时间会明显延后。其二，随着横纹的出现会偶发稳定辊打滑的现象并在下线稳定辊上发现了对应横纹痕迹。知果寻因问题豁然开朗，因稳定辊打滑，导致异常摩擦出现，摩擦力矩及摩擦偏角使稳定辊位置发生变化，造成锌层厚度波动，最终体现为带钢表面横纹问题。通过对新稳定辊及修复稳定辊进行对比，发现新稳定辊专业厂家出厂时对动平衡有很严苛的要求。而修复时实际修复工作为退锌并对辊面进行修磨，一般不会造成原始动平衡参数变化，固通常只按图纸要求进行轴头同心度手动盘车打表检查。经过对稳定辊动平衡检测，发现修复后稳定辊动平衡较差。讨论分析稳定辊动平衡变差的原因，最终确认为稳定辊在工作时沉没在溶化的锌液内(锌液温度在 46010)，高温会造成稳定辊发生热膨胀，换辊时吊出后稳定辊因冷却不均匀而发生形变，使初始动平衡参数改变。为解决这一问题我们要求每次修复时在修复单位内均要进行动平衡检测并拍摄影像资料提供给我方质检人员，且在我方验收现场制作了简易的静平衡检测装置，以辅助验收。通过对沉没辊、稳定辊动平衡的关注，总结出在实验转速 400 转每分钟时，沉没辊动平衡控制在 250g以内，稳定辊动平衡控制在 100g 以内时，带钢表面横纹出现时间明显延后，沉没辊换辊周期可以达到 22 天以上。3 严控装配精度并优化结构进一步延长换辊周期 2022 年 12 月中旬现场下机的沉没辊出现了两侧轴套衬套磨损严重不均匀的现象。经查询装配记录发现沉没辊辊凸垫与挡板耐磨块之间的定位间距控制在12mm 的左侧磨损量仅为 2mm 左右，而定位间距为 20mm的一侧轴套磨损达到了 8mm 以上。我厂现在采用的轴套衬套形式如图二所示，通过分析研究认为造成两侧磨损不一致的原因为锌锅辊系运行时在带钢的作用下会产生轴向窜动，特别是在板形不好时，轴向窜动较为严重，因而轴瓦的轴向定位面受力较大，也会产生较大的摩擦力，严重时导致辊子被卡住转动不良3。沉没辊辊凸垫与挡板耐磨块之间间距不合理，造成挡块对沉没辊轴向窜动限制能力降低，致使辊子在锌锅内旋转时向间距大的一侧窜动加剧，行程偏磨影响沉没辊使用寿命。经过我们不段摸索优化间隙控制限值，最终将沉没辊辊凸垫与挡板耐磨块之间的距离标定尺寸限定为：10mm12mm，稳定辊辊凸垫与挡板耐磨块之间的距离标定尺寸限定为：6mm8mm。至 2023 年 1 月，两条产线运行逐步稳定下来，设备运转率达到 92%，月设备故障停机时间不到 60 分钟。也有时间将两条线的运行状态进行分类统计对比，我们发现1#镀锌机组带钢出锌锅后的稳定程度较2#镀锌机组要差。为找到原因并解决这一问题，我们将现场中国科技期刊数据库 工业 A-189-设计进行了对比，发现 1#镀锌机组支臂与连杆为卡槽式固定（如图三），设计有一定间隙，2#镀锌机组支臂与连杆为螺栓连接将连杆与支臂紧紧的固定到一起使其形成一个整体（如图四）。图 3 1#线大臂与连杆的情况 图 4 2#线大臂与连杆的情况 通过与两家设计单位进行沟通了解到 1#线设计时连杆端部与支臂间距为25mm，设计师按锌液温度为600（铝锌硅产品）设计，而现场现阶段实际生产以纯锌产品为主，使用温度在 460左右，这样造成连杆与支臂在锌锅内存有一定间隙，约为 4-5mm 左右，造成连杆与支臂不能涨紧，大臂稳定性稍差。2#镀锌机组设计理念为将大臂与连杆固定为一个整体，这样热膨胀时按同一个整体考虑，大臂结构相对稳定。经与两家设计师深度探讨，认为 1#线卡槽式连接方式受生产不同产品工艺温度区别的影响，连杆与大臂间隙无论如何选择，都会一定程度一定规格产品出现不稳定的情况。2#镀锌机组采取的螺纹固定的连接方式若固定不紧，会因热变形不一致造成大臂变形。为降低风险我们将每次固定的预紧力控制在 200-250KN 并进行点焊固定处理并制定了大臂变形后修复的预案。经过我们现场将近一年的使用测试，未出现大臂异常变形的情况，现已经对 1#线大臂与连杆的结构进行了改造，目前使用正常，带钢出锌锅后抖动情况也得到了明显改善，随着上述改善投入使用，我们三辊六臂在生产纯锌产品时更换周期能达到 25 天-30 天，产线作业率及效益明显提高。4 沉没辊、稳定辊衬套使用寿命短问题 随着对产线设备和工艺的熟悉，相关人员的工艺操作能力和设备维护能力得到了锻炼提高，加之针对现场问题不断深挖改进及相关管理制度、操作流程的制定，我们镀锌产线于 23 年 3 月进入了提高产品质量和拓展产品规格的阶段。2#镀锌线产品规格由大锌花产品发展为中铝中镁锌铝镁产品。本文对产线其他改造不做介绍，重点介绍三辊六臂轴套衬套方面的研究。之前生产大锌花产品可在线使用近 30 天的轴套、衬套在生产锌铝镁产品时只能使用 5-7 天。经过对热镀铝锌过程中的沉没辊轴套及轴瓦进行了失效分析,采用扫描电镜和能谱仪对其微观组织形貌进行观察。结果表明轴套及轴瓦的失效过程是腐蚀、磨损协同作用的结果4。锌液成分由原来的 Al 含量（0.2-0.3%）变为锌铝镁（Al 5.6-6.2%镁含量 2.0-2.5%），其对轴套、衬套的腐蚀能力急剧增强，原来选用的 316L 材质衬套已经不适用于现在的工况，我们针对这一情况对材质进行了详细研究。现在使用的轴套从材质来看，基本上可分为两类，一类为耐磨合金整体铸造而成，另一类为用 316L 基体上面熔敷一层约 2mm(单边)左右的耐磨合金经。过多次尝试发现钨钴合金和钴钼磁合金整体铸造的轴套、衬套使用性价比较优。两种材料相对来说钨钴合金价格略低于钴钼磁合金，使用性能上钨钴合金能达到25-28天，而钴钼磁合金可以达到 30 天以上且单边磨损量在1-2mm。考虑到轴套的磨损情况，不同产线运行速度、辊期平均张力等都有差异，导致轴套使用时间不同5，但整体对比来说钴钼磁合金热强性更好一些，不易变形、耐磨性更好、焊接性优于钨钴合金。5 结语 随着热镀锌板得到更广泛的应用，特别是应用于汽车和家电行业的产品对质量要求日趋严格，价格竞争更加激烈，如何提高镀锌产线核心设备三辊六臂装中国科技期刊数据库 工业 A-190-置的使用寿命和质量越来越受到从业人员的关注。本文以新投产产线从试生产到达产、提产、提质过程中遇到的问题入手，分享总结出来的经验供同行参考。文章明确了沉没辊左右螺旋型沟槽设计为现有形式中的首选，其参数大家可以借鉴本文的数据并结合各自产品矩阵进行合理优化。展现了三辊六臂结构、装配精度、动静平衡、材质等对带钢质量的影响。但笔者认为本文所描述的遇到各种难题时解决问题的思路价值更大于得到的结论。参考文献 1任全民.热镀锌稳定辊打滑故障研究与设备改造J.中国冶金 2013,23(05):44-47.2弓俊杰,于海卫,周研.镀锌生产线沉没辊使用研究J.河北冶金,2012(9).3杜仲,张保红,熊宁.热镀铝锌轴套及轴瓦失效机理分析J.江西科学,2020,38(02):234-238.4王超,王伟,赵克欣.冷轧热镀锌线气刀三辊六臂稳定性优化的研究J.综合,2021(22).5解士玲,谷彦鹏.锌锅沉没辊振动分析研究J.山西冶金,2021,44(03):75-76,133.