400 mm硅鋼自動軋制試驗軋機

徐秀英，安利娟

(中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

1 前言

武鋼集團公司是我國生產硅鋼的主要基地，生產設備、生產工藝、生產管理等都是比較先進的。為開發取向硅鋼及無取向硅鋼新產品、取向硅鋼控軋工藝，武鋼委托西安重型機械研究所設計、研制的新型400 mm硅鋼熱軋試驗軋機，已于2005年11月進行熱負荷試車并投入生產。

該軋機是一套電動APC+液壓AGC的二輥可逆熱軋機，該設備成功地實現了在軋輥自動預壓靠后，可以按預設定的軋制表進行自動軋制，終軋溫度可保證在硅鋼軋制工藝試驗要求的溫度范圍內。該軋機綜合了電動APC和液壓AGC各自的優勢，實現了大壓下量快速給定、輥縫精調和軋制過程的輥縫控制。控制系統先進、可靠，高精度的傳感器檢測設備的投入，為自動軋制過程的穩定性及高控制精度提供了有力保證。產品帶材平直且板形好，帶厚1.5 mm左右的厚差可達到≤0.1 mm滿足試驗要求。

目前該軋機是國內第一臺自動化水平較高、先進可靠的硅鋼熱軋試驗軋機，已經不斷為武鋼集團公司開發新產品和提供新的工藝試驗數據，尤其對高端硅鋼及汽車板的生產，提供了有力的科學試驗數據支持。

2 主要工藝參數

坯料規格/mm 厚度×寬度×長度=(30～50)×150×200

成品規格/mm 厚度×寬度×長度=2.0×150×C (當坯料厚:30～50)1.5×150×C (當坯料厚:＜30)

成品精度/mm ≤0.1(帶才厚度1.5)

開軋溫度/℃ 1150(max1200)

終軋溫度/℃ ≥900～1000

軋機類型 二輥可逆軋機

軋輥尺寸/mm Φ450×350

軋輥最大開口度/mm 70

最大軋制壓力/kN 1 800

最大軋制力矩/kN·m 100

軋制速度/mm·s－10～1.0～2.5

電動壓下速度/mm·s－10～4～10.53

側導板通過油缸驅動

側導板移動行程/mm 50

側導板移動速度/mm·s－150～100

3 設備組成及功能

硅鋼熱軋試驗軋機由機械設備、液壓設備和電氣控制設備組成。

3.1 機械設備

3.1.1 機前(后)液壓導衛板

包括喂料導衛板、輥道及其工作臺等。喂料導衛板用于帶鋼導向和限制翹頭，側導板由左右兩個油缸控制，有兩個導向桿，可以快速將導板推入推出。同時，由于油缸裝在螺母上，在油缸活塞桿伸出狀態時用手輪(或油馬達)通過絲杠、螺母可以微調并確定側導板開口度。

3.1.2 二輥可逆軋機

主要由軋輥裝置、機架裝置、電動壓下裝置、主傳動裝置、接軸抱緊裝置和快速換輥裝置等組成。

軋輥裝置中徑向軸承采用四列短圓柱滾子軸承，軋輥材質采用高合金鑄鐵;軸承密封用防水、防氧化鐵皮的專用油封。

電動壓下裝置的電動壓下由兩臺小慣量非標直流電機驅動，通過一級圓弧圓柱蝸輪蝸桿減速，蝸桿采用尼曼蝸桿，壓下螺絲采用壓下專用推力軸承，保證了壓下系統精度高、效率高、噪音小、傳動平穩。壓下螺絲位移由位移傳感器和光電編碼器檢測。

主傳動裝置由兩臺直流電機分別驅動上、下軋輥，并且選用小轉動慣量的Z4系列電機，有利于頻繁起動、制動;主減速機雙輸入、雙輸出，齒輪為硬齒面，兩套輪系各自獨立，互不干涉，以滿足上、下軋輥單獨傳動，并設置一臺油泵進行循環潤滑。

3.2 液壓設備

主要包括軋輥冷卻系統、液壓傳動系統、液壓壓下系統設備等。

(1)軋輥冷卻系統設備。主要包括冷卻系統設備、過濾裝置及噴嘴橫梁。在軋機入、出口側裝有4根噴嘴橫梁(每側2根)，形成上下各一排噴嘴，流量通過節流閥來調節冷卻水。

(2)液壓傳動系統設備。主要包括動力站和控制閥站。

(3)液壓壓下控制系統。主要包括壓下動力站、控制閥站、蓄能器過濾裝置及壓下油缸裝置。每個壓下油缸裝置上均安裝有壓力傳感器，高精度位移傳感器(MTS)，并配有集成閥塊。在集成閥塊上安裝有電液伺服閥，安全溢流閥。油缸形式采用壓下式活塞缸。

3.3 電氣設備

兩輥熱軋試驗軋機自動化控制系統包括AGC計算機控制系統、全數字直流傳動控制系統、可編程邏輯控制系統和計算機操作顯示系統。

電氣控制系統具有完整的軋機控制和操作功能，主要有軋制工藝操作控制、軋機速度控制、液壓系統控制、電動壓下位置控制、液壓輥縫自動控制、軋輥冷卻等輔助控制等。另外，控制系統可對軋制和實驗過程中的一些實時參數進行測量并整理存儲歸檔。系統還設有完善的操作及監控顯示系統和故障診斷報警系統。

操作站具備軋線設備監控、參數設定、軋件跟蹤、故障診斷、參數趨勢分析等多項功能，構成簡潔、方便、友好的人機界面，為產品質量作業率的提高提供了可靠的保證。

3.3.1 AGC計算機控制系統

AGC計算機控制系統由AGC控制站和AGC操作站組成。AGC控制站完成厚度控制所需的實時控制和邏輯控制功能，并完成厚度控制系統所需的操作、顯示、管理和維護功能。

控制站硬件包含一臺工控計算機及其外圍設備和輸入輸出板卡。控制站軟件主要實現油缸位置控制、油缸壓力控制、壓力補償厚度控制、自動壓靠控制、輔助調試支持等功能。

操作站硬件包含一臺工控計算機及其外圍設備。操作軟件是用 MS－VB、MS－VC、MSAPI編制的基于圖示的應用系統，主要實現參數設定、實時數據數值顯示、歷史數據趨勢顯示、控制狀態設定、軋制工藝文件輸入輸出、入/出口厚度采樣記錄及統計、控制參數顯示/修改輸入輸出、回路參數整定、AGC故障顯示等功能。

3.3.2 直流傳動控制系統

軋機上下輥分別傳動，采用兩套獨立的全數字直流傳動控制裝置。選用SIEMENS 6RA70系列直流傳動裝置，采用四象限六脈沖可逆控制、速度控制系統。裝置配有MASTER DRIVES CBP通訊卡，通過PROFIBUS－DP網與CPU進行數據交換。

兩臺壓下電機采用兩套獨立的全數字直流傳動控制裝置，選用SIEMENS 6RA70系列直流傳動裝置，采用四象限六脈沖可逆控制、速度/位置控制系統。實現軋機的輥縫(位置)控制。各直流傳動裝置通過PROFIBUS－DP現場總線連網，大大減少了電纜使用量，降低了建設成本，還為系統提供很大的靈活性和擴展性。

3.3.3 PLC邏輯控制系統

PLC系統選用SIEMENS S7－300系列產品，PLC作為自動化控制的基礎，用于軋制工藝生產過程控制。西門子CPU315－2DP與工業控制計算機及直流傳動裝置通過PROFIBUS網進行數據交換。將程序控制命令發送給主傳動及壓下直流傳動裝置，驅動電機運行，完成主軋機自動起/制動、反向運轉以及電動APC的工作，實現大壓下量快速輥縫給定。系統配置數字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、通訊模塊、電源、裝配導軌、接口模塊等。

3.3.4 計算機操作顯示系統

系統配有上位操作計算機，以西門子Wicc組態軟件為平臺開發的操作界面簡潔、方便、直觀。

4 軋制流程

該試驗軋機軋制流程如圖1所示。

圖1 軋制流程圖Fig.1 Flow chart for rolling of experimental rolling mill

(1)軋前準備工作，調整軋機前(后)側導板的開口度。首先，油缸將推板推出，根據坯料寬度和工藝要求用手輪(或油馬達)通過絲杠、螺母調整到所需開口度，然后油缸返回;

(2)與此同時將坯料原始數據如軋件編號、材質、尺寸、規格等輸入計算機;

(3)輸入軋制規程到計算機，包括每道次壓下量、軋制速度等;

(4)進行軋輥自動預壓靠并調零;

(5)開啟〈軋制〉按鈕，電動壓下裝置工作，軋輥擺好第一道輥縫;

(6)坯料放到機前工作臺后，由人工喂入軋輥，與此同時，軋機入出口均有測溫儀檢測坯料溫度，并在計算機及操作臺實時顯示記錄，機前側推板油缸動作，迅速將推板推至已調好的開口度，使坯料對中喂入軋輥;

(7)軋制時上位計算機實時顯示并記錄軋制力、輥縫、速度、電流、電壓等軋制參數;

(8)軋件軋出，軋輥迅速自動反轉并升至所要求軋制速度;同時壓下裝置工作，電動壓下自動依據軋制規程迅速壓下所要求位移，液壓壓下進行壓下精調，調整好第二道輥縫;機后側導板快速將坯料對中，坯料再次送入軋輥進行第二道次軋制。

以此類推，軋機按軋制程序自動進行其余道次軋制至成品后，上軋輥自動抬起，噴水冷卻軋輥，一個軋程自動完成。

軋制結束各力能參數及軋制過程相應數據可以自動生成報表，可根據日期、材質等要求進行打印。

5 主要工藝特點

熱軋硅鋼軋制主要的工藝特點就是要保證終軋溫度在規定的范圍內，必須每道次間隙時間不超過3 s，即可以滿足軋制過程中軋件的溫降要求，那么對設備主要要求的就是“快”。當上道次軋制結束，主電機必須立刻降速、制動反轉、升速至該道軋制速度值;同時壓下裝置必須立刻調整好該道次所需輥縫值;機前、機后對中裝置及其它輔助條件也要做好準備，滿足下一道次軋制的要求等等，即軋制過程要盡量減少輔助時間。另外既要確保檢測和控制的精確性、滿足產品的板形及精度要求，又要保證軋制設備運行的快速性;所以操作程序必須實現自動軋制控制。

要實現自動軋制控制，該硅鋼試驗軋機設備具有以下功能特點:

(1)軋制速度要求達到2.5 m/s;

(2)由于總壓下量大，道次壓下量最大可達15～25mm;要求快速壓下，速度最高可達到10.53 mm/s;

(3)為了實現自動軋制控制，縮短道次間隙時間，控制系統必須及時準確地采集到軋件進出軋輥時的信號，以便控制系統能夠及時發送命令給傳動裝置驅動設備電機快速啟、制動運行，但由于軋機的工作過程中各因素的影響，此信號很難準確采集，成為成功實現自動軋制運行控制的瓶頸問題;

(4)實現自動軋制，必須保證控制系統的準確性、可靠性、及時性和穩定性。

6 主要功能

根據工藝要求為了實現電機的快速啟、制動功能，依據直流電機在額定磁場下，電動機以額定轉矩加速到額定轉速所經歷的時間

式中，t為電動機起、制動時間;GD2為飛輪轉矩;Me為動態轉矩。

只有當GD2很小時，t才能達到較小，即電機啟、制動快，因此在電機選擇時主傳動采用兩臺小慣量直流電機，通過一臺聯合減速箱體分別驅動上、下軋輥。同樣電動壓下也采用兩臺直流小慣量電機驅動，通過各自的傳動機構作用到對應的壓下螺絲，使上軋輥快速壓下、抬起。

為滿足大壓下量快速壓下和帶材成品高精度的要求，壓下裝置采用電動壓下+液壓壓下控制。電動壓下在進行大壓下量時投入，用于軋制時快速調整給定輥縫，液壓壓下用于軋制過程輥縫的精調和恒輥縫的控制。為了滿足設備及工藝要求主傳動電機及壓下電機控制均采用各自獨立的全數字直流傳動控制裝置進行控制，為了進一步保證主機兩臺電機啟動、制動、升速、降速、正轉、反轉的快速調整及壓下設備的快速反復啟、制動和升、降速的快速調節。根據轉矩平衡方程式

式中，Tmax為電機轉矩;TL為負載轉矩。

要實現電機的最快的起動和制動控制，當負載轉矩TL一定時，只要電機轉矩Tmax為最大，將產生最大加速度，同時通過電機轉矩特性T=CMφId知，要電機的力矩T最大只要將電機電樞電流Id調到最大即可。同理，要實現最佳制動過程也是將電樞電流調到最大，產生一個最大的反向力矩即可。因此，該軋機傳動控制系統充分的利用此電機控制原理進行控制調節，完全達到甚至優于設計參數要求。

為了更好的提高產品精度，電動壓下位移量的檢測和液壓壓下輥縫的檢測，都采用高精度MTS位移傳感器，軋制壓力的檢測也選用了高精度的壓力傳感器，并根據設備特點采取了特殊的安裝形式如圖2所示，位移傳感器A(兩套)用于電動壓下，位移傳感器B(兩套)用于液壓壓下，確保檢測數據的準確性，保證了自動控制系統的準確性、可靠性、及時性和穩定性。

圖2 位移傳感器的安裝Fig.2 Special mounting form

為了更好的完成用戶的要求，方便操作維護，為用戶提供準確可靠的實驗數據，該試驗軋機軋制規程的操作程序設計為自動控制和人工操作兩種控制方式，可以互相切換。系統可以實現對各力能參數及其它相關數據的實時采集監測、屏幕顯示及打印功能;設有軋制壓力、軋制力矩(主電機電流)、每種材料不同規格坯料的軋制規程如道次計算厚度、軋件溫度、軋機速度等的檢測和顯示功能，并能自動生成報表，可隨時打印報表;軋機同時具有軋制壓力，主電機電流的過載保護、軋機緊急停車和故障報警功能。

為節省輔助時間，設備也做了相應的改進創新，機前(后)液壓側導板開發了新的方案，其設備簡圖如圖3所示，生產前可以微調并根據需要確定側導板開口度，軋制時可以按程序要求快速將導板推進(保證開口度)或退回原處。

圖3 液壓側導板裝置Fig.3 Sketch of hydrolic side guiding plate control device in experimental prototype

7 結束語

硅鋼熱軋試驗機組用于硅鋼工藝試驗，開發研制硅鋼新產品、新工藝。由于取向硅鋼的生產對終軋溫度要求很嚴，必須在規定的范圍內，為此，對軋制速度、軋制時間要求很高、很嚴。該硅鋼熱軋試驗機組在設備設計、自動控制系統等方面，為滿足這項要求開發了多項新的設計方案、檢測辦法，同時程序控制的不斷完善，滿足設計要求:軋輥可以實現自動預壓靠，成功實現自動軋制。軋制表預設定和道次的輥縫給定、軋輥的制動、反轉、升速等準確順利，其軋制過程時間、每道次軋制速度可以根據需要調整。

軋制工藝表預設定并記憶隨時可以調用;軋制報表包括坯料、產品數據、軋制力能參數可以實時檢測、記憶、打印，滿足試驗要求。

該試驗軋機對于硅鋼尤其取向硅鋼新產品、新工藝的開發研制具有深遠意義。

該硅鋼熱軋自動軋制試驗軋機是國內第一臺，填補了國內空白。

［1］ 潘純久．二十輥軋機高精度冷軋鋼帶生產［M］．北京:冶金工業出版社，1998．

［2］ ［美］L．R金茲伯格·馬東清［譯］．板帶軋制工藝學［M］．北京:冶金工業出版社，2003．