分享：罩式退火爐爐臺承重板裂紋分析與修復

爐臺承重板作為罩式退火爐的重要設備，它的穩定運行對生產安全有著重大的影響。文章從工作環境、受力情況、安裝精度及位置、材質等方面入手，運用有限元法，分析了承重板出現裂紋的原因，探討了設備修復方法及注意事項，提高了設備的使用壽命，降低了設備維護成本。承重板裂紋修復方案確定后，共完成8件承重板的修復工作。修復后使用時間最長的承重板已使用一年以上，使用效果良好，承重板板面平整無變形，無裂紋再繼續產生。承重板裂紋修復方案對類似工況及結構工件的維護方法、檢查方式都有借鑒作用，為維修人員能更迅速、高效地查找出現故障的原因提供了參考。

罩式退火爐一般采用爐群化生產，而爐臺承重板是罩式退火爐的關鍵設備。受退火生產工藝的影響，爐臺承重板在生產周期內將承受反復交變的熱應力[1]，如果出現問題將對生產穩定和機組運行安全造成重大影響。某鋼鐵公司冷軋廠在罩式退火爐群承重板投用1~2年后，部分承重板開始出現裂紋，并且裂紋長度隨生產次數增加而不斷增長。當承重板的裂紋長度增長到一定程度時，承重板將可能出現局部嚴重變形、塌陷等故障，屬于安全生產的嚴重隱患，因此應該強制報廢。但是，由于爐臺承重板備件成本較高且數量較多，如果全部更換將導致退火爐芯軸報廢，從而造成較大的浪費。因此，需要對爐臺承重板斷裂部分的原因進行分析，制定修復方案，并針對后續爐臺承重板全新備件的結構及材質提出改造方案，才能更有效且低成本地解決該問題。

裂紋原因分析

在整個退火生產周期過程中，承重板主要在高低溫不斷交變的工作環境下承受鋼卷的壓力，經檢測判斷產生裂紋的原因為：承重板結構設計的缺陷和承重板選用材質耐熱性偏低。

承重板結構形狀影響

爐臺承重板裂紋出現位置均處于同一位置并均布，同時裂紋在出現后往中部擴展過程中，均經過承重板上安裝定位孔位置。安裝定位孔為沉孔結構，并處于懸空狀態，底板未支撐該部位，在90~100 t鋼卷壓力下，易產生應力集中，形成薄弱點。從出現的初始位置來看，裂紋均從承重板懸空處邊緣出現，見圖1。

另外，承重板在工作過程同時承受30~700℃反復交變的溫度變化，特別是在升溫階段，爐底板邊緣和中央部分存在溫差，因此邊緣和中央部分的受熱后熱膨脹速率不一樣，邊緣膨脹得快，中央膨脹得慢，承重板不斷遭受周期性的交變熱應力作用，在承重板懸空的薄弱點——安裝定位孔位置，受到反復變化應力的作用，容易產生應力集中，導致邊緣首先出現裂紋并沿著定位孔位置逐漸向中央擴展，裂紋不斷擴大，直至承重板報廢[2]。

承重板材質影響

為分析承重板制造材料對裂紋產生的影響，對承重板取樣后進行了金相分析。結果表明，材質中Ni含量極少，不足0.5%，導致承重板在高溫下耐熱能力、塑性和韌性相比不銹鋼材質大幅降低，在≥700℃的高溫中，承重板結構的薄弱區域易產生龜裂現象。

從對承重板產生裂紋的原因分析可知，承重板結構設計的缺陷及選用材質成分高溫耐熱性偏低，是導致承重板產生裂紋的主要原因。

修復方案及改進措施

為避免出現裂紋的承重板報廢，嘗試對承重板進行修復，同時針對承重板原有結構缺陷進行改進，使其滿足生產工藝的要求。此次對承重板改進主要是有效利用原有舊件，材質的影響不可改變，因此以改進承重板結構，降低熱變形及熱應力為主要方向。

修復方案的確定與實施

從裂紋集中出現在承重板定位孔處可知，定位孔處截面積變化較大，屬于應力集中部位，反復加熱過程產生的熱應力使冷卻較慢的厚壁處受拉伸，冷卻較快的薄壁處受壓縮，導致受熱應力后裂紋產生。通過加工改變承重板的結構，去除裂紋，同時降低承重板所受的熱應力及變形量，達到消除裂紋影響，提高承重板壽命的目的，修復方案按以下幾方面進行：

1) 對承重板中間板進行加熱后初步校平，要求校平完成后承重板平面最高點與最低點的高度差<5 mm。

2) 沿承重板中間板裂紋方向，加工完全貫穿承重板的止裂槽，將存在裂紋的區域全部切除以后，在止裂槽的末端，加工應力孔，使工件加工止裂槽后在受熱狀態下，起到形成伸縮縫并釋放應力的作用，有效阻斷裂紋延伸[3]。

3) 重新定位承重板安裝位置。在止裂槽加工完成后，承重板裝配后止裂槽邊緣仍處于懸空狀態，受力較差，為改善承重板的受力狀況，將承重板以原設計安裝位置為基準，順時針旋轉約8°~9°進行安裝(見圖2)。使止裂槽及定位孔均在底板支撐范圍內，以便能在生產過程中，對止裂槽周圍區域提供有效支撐，同時避免受熱后限制承重板的熱膨脹方向，使其沿承重板徑向進行收縮，改善承重板薄弱區域的受力狀況，有效消除應力集中。

承重板修復方案的有限元分析

根據承重板裂紋產生的原因分析及對應的修復方案，采用有限元分析軟件對承重板修復前受力及變形量，修復后調整安裝位置前后的受力及變形量進行分析，驗證裂紋產生原因及調整承重板安裝位置是否合理。

1) 承重板的預備模型工作。

利用三維軟件分別建立承重板修復前、修復后的三維模型(見圖3)，根據對承重板材質的合金成分分析，材料較為接近40Cro鋼，設置材料的機械性能為：σb=757 MPa，σs=540 MPa，E=206 GPa。

已知承重板承受的最大鋼卷重量為1 MN，受力集中在承重板上的墊板處，并受底板支撐，按照實際的工作情況，選用強迫位置約束選項，設置承重板法向禁止移動，同時依據承重板支撐底板結構約束的面積進行校正，同時考慮在實際應用中的安全性，所加載荷均取實際工作中的最大值，用于判斷處于最危險時候的情況。

2) 承重板修復前受力情況分析。

在對修復前承重板模型進行網格劃分后，應用ANSYS有限元受力分析軟件進行分析驗證，受力薄弱處(見圖4)與實際產生裂紋處部位吻合，變形方向與實際裂紋延伸方向吻合。其中定位銷孔處變形量最大，產生裂紋的原因為銷孔薄弱處承受預應力。在實際工況中承重板同時承受重力及熱膨脹力，疊加導致應力變形加劇，驗證了此前關于裂紋產生原因的分析[4]。

3)承重板修復后安裝位置調整的受力情況分析。

對承重板修復后的有限元計算主要針對承重板的變形量及應力進行分析。分別針對承重板在工位置調整前后的狀態進行分析，在對修復后承重板模型進行網格劃分后，應用ANSYS有限元受力分析軟件對承重板在調整按照位置前后所受應力、變形量情況進行計算，結果如圖5所示。

從有限元法計算結果可知，承重板所受應力主要集中在承重板邊部，其中應力最大的地方是在承重板底部支撐接觸的邊緣處；變形量主要為與鋼卷邊部接觸位置，其中最大變形量在承重板最外側。

根據計算結果，在進行承重板按照位置調整后，承重板在承受100 t鋼卷時，最大變形量降低14.2%，最大應力值降低21.34%，說明承重板修復完成后，調整原有安裝位置，可以改善增加應力釋放槽后的承重板強度，降低變形量及應力，達到改進承重板的受力狀況，提高承重板使用壽命的目的[5]。

結束語

1) 承重板裂紋修復方案確定后，共完成8件承重板的修復工作，修復后的承重板使用時間最長已達一年以上，目前使用效果良好，承重板板面平整無變形，無裂紋再繼續產生。因此，繼續按該修復方案加工修復剩余變形的承重板。

2) 采用此修復方案對承重板進行修復，修復成本僅為全新件的10%，既保證生產持續穩定進行，又大幅降低了設備維護成本。

3) 承重板裂紋問題的解決，使得對今后類似工況及結構工件的維護方法、檢查方式都有了借鑒，為維修人員能更迅速、高效地查找出現故障的原因提供了參考。

參考文獻

[1] 張景進. 板帶冷軋生產. 北京：冶金工業出版社，2006

[2] 宋庭新，羅元文，朱若燕. 提高退火爐用圓盤構建熱疲勞壽命的研究. 北工學院學報，2003(8)：14

[3] 成大先. 機械設計手冊．北京：化學工業出版社，2009

[4] 曹華軍，舒林森，許磊，等. 復雜機械零件的六面體有限元網格生成方法. 機械工程學報，2014(15)：114

[5] 房慶華. 基于ANSYS的開卷機主軸結構研究. 科技創新與生產力，2013(9)：107

文章來源——金屬世界