酸洗軋機聯合機組設計與改造

辜蕾鋼 李 軻 王業科

(中冶賽迪工程技術股份有限公司 重慶400013)

1 前言

酸軋機組(又簡稱為PL-TCM)是上世紀80年代發展起來的一種冷軋工藝，適用于大型冷軋企業建設，依據品種和規格的不同，其生產規模一般可達到80～220萬t/a，主要軋制碳鋼系列產品，可生產鍍錫板、鍍鋅板、冷軋板的基板，能生產的鋼種包括軟鋼、高強鋼以及中低牌號無取向電工鋼，相比于連續酸洗+全連續冷軋的配置模式，具有工序簡化、投資省、節能、產品質量穩定、生產效率高等特點，它是一種非常先進、成熟的工藝，早已成為冷軋廠新建和改造的主流選擇，據不完全統計，1250mm以上規格酸軋機組國內已建設超過45條以上。酸軋機組一般分為入口段、工藝段、切邊段和軋機段，典型示意圖見圖1。

過去大型國有企業的酸軋機組的新建和改造一般都是外商技術負責，特別是改造項目，對技術要求更高，隨著近幾年國內工程設計技術和裝備制造技術的進步，現在國內工程公司已完全可以提供酸軋聯合機組的新建和改造技術服務，既能保證效果又能為客戶節省投資。

圖1 典型酸軋機組布置示意圖

2 設計理念

2.1核心工藝參數確定

設計酸軋機組，首先需根據產品大綱和生產規模確定機組核心工藝參數。一般情況下，根據用戶提供的原料條件、產品大綱、生產規模、產品用途及質量要求等綜合考慮酸軋機組的設計及設備配置，包括功能設計，如是否需要兼顧酸洗商品卷和軋硬卷兩種產品；機架數量的選擇，如根據原料和成品條件，制定軋制規程，考慮選擇3-6機架軋機數量等。目前酸軋機組設計覆蓋的產品厚度范圍一般最薄到0.15mm，最厚為3mm，寬度為700-2080mm。鋼種可覆蓋CQ/DQ/DDQ/EDDQ/SEDDQ, 高強鋼最高強度可到980MPa(個別機組設計可到1180MPa)。軋機寬度依據產品寬度來確定，一般軋機輥身有效寬度為成品帶鋼寬度+150mm，目前寬帶鋼冷軋機一般按軋輥寬度分為1450mm(或1420mm)，1550mm，1750mm，2030mm，2230mm軋機等。軋機機型的選擇需考慮4輥還是6輥軋機，目前因為6輥軋機在板形控制能力和壓下能力較強已成為鋼鐵企業選擇的主流。另外，需依據產品大綱進行軋制表計算和機組產量計算，根據計算結果確定機組各段最大工藝速度以及軋機主傳動能力、最大軋制力、各段活套量、酸槽長度等核心工藝參數。

2.2核心設備選型

酸軋機組的核心設備包括開卷機、焊機、活套、破鱗機、酸槽、圓盤剪、軋機、飛剪，卷取機等。

酸軋機組因為產量大，入口節奏要求較快的機組一般會配置步進梁運輸機和自動拆捆帶機，入口段一般采用雙開卷機配置，并配置夾鉗式開卷器可實現自動開卷穿帶功能。

關于焊機，過去酸軋機組一般有兩種選擇，即閃光焊機和激光焊機，隨著激光焊機技術進步和成本優化，目前激光焊機已成為主流。激光焊機有二氧化碳激光焊和固態激光焊兩種可供選擇。最早以二氧化碳激光焊為主在酸軋機組上應用很廣泛，隨著固體激光器焊接技術的進步，固體激光焊機應用也越來越廣泛，相比于氣體激光焊機有以下優點：1)使用成本低，其焊接氣體采用氬氣即可，不像氣體激光器必須使用氦氣，也不需要產生激光的工作氣體(CO2，氦氣，氮氣三者混合)；2)維護要求低，激光功率傳輸采用的是柔性的導光光纖，光纖為免維護；3)供電能量低，8kW固體激光能量只需40kVA的供電能量即可，而12kW(同樣焊接材料下)氣體激光能量需150kVA的供電能量；4)布置簡單，固體激光器可放在地面上，用柔性導光光纖連接至焊接頭即可，而氣體激光器需放在C形小車頂部平臺及側面平臺隨小車移動，需要采取防震措施。

關于活套，酸軋聯機一般會設置3個活套，即酸洗入口活套、酸洗出口活套、聯機活套，根據活套套量設計，一般酸洗入口活套為4層活套，酸洗出口活套和聯機活套為2層活套，特殊情況也可以考慮增加活套層數以增加活套量。活套車的設計可考慮采用雙向可控活套設計，如圖2所示。雙向可控活套有以下優點：1)活套內帶鋼運行時更穩定；2)有利于活套車調試，調試更方便，活套車沒有穿帶的情況下就可以開展調試工作；3)斷帶時安全性更高。

關于拉矯破鱗機，早期的酸軋機組或連續酸洗機組選用的一般為2輥平整破鱗機，其破鱗效果一般，目前選用的多為拉矯破鱗機，一般為2彎1矯，多為干式，配置有布袋除塵設備。早期的拉矯破鱗機多選用機械差動的傳動方式，隨著傳動控制技術的發展，為便于維護，目前主要選用電機獨立傳動控制方式。根據產品規格、強度以及延伸率控制要求，拉矯破鱗機出口最大張力的選擇可考慮36t、45t、60t、90t等。

圖2 雙向可控活套示意圖

關于酸洗槽，酸軋機組一般采用鹽酸酸洗，隨著酸槽技術的發展，目前一般采用淺槽紊流式酸洗技術居多，采用主噴和側噴相結合的方式加強紊流。酸洗槽的材質有鋼襯膠+耐酸磚和PPH酸槽兩種選擇，目前主流選擇采用PPH的較多，PPH材質相比較而言更易于維護，使用壽命更長。酸槽的長度依據最大酸洗速度和最短酸洗時間來確定，最短酸洗時間依據不同的鋼種和規格會有所區別，一般最短酸洗時間按不低于18s考慮，酸軋聯機的酸洗速度一般為200m/min～300m/min，通常對于配置了破鱗機的酸洗段酸槽一般為3～4個。

關于圓盤剪，一般采用雙塔式回轉式圓盤剪，圓盤剪側間隙、重疊量、剪切寬度可自動調節，可在線切更換刀頭，當變規格時，切邊段停機時間可控制在1.2分鐘以內，不會影響酸洗和軋機段的運行。圓盤剪切掉的廢邊一般可采用碎邊剪或廢邊卷取機處理，國內用戶一般依據廢邊的用途選擇配置。為保證切邊精度和剪切質量，圓盤剪前一般需設置雙糾偏聯動控制系統。

關于軋機的設計需考慮以下：

1)為保證軋機軋制的穩定性，軋機入口需考慮設置雙糾偏聯動控制系統，一個粗糾偏+一個精糾偏聯動控制。

2)一般采用5機架，也有采用4機架或6機架的。軋機類型一般為6輥或4輥軋機，目前國內的主流配置為6輥軋機，具有高的縱向剛度和橫向剛度，具有強的板形控制能力，能穩定地大壓下量軋制薄規格產品，帶工作輥正負彎輥，中間輥正彎，中間輥竄輥，末機架工作輥分段冷卻等功能，采用全液壓AGC控制以保證高的產品厚度精度。如果生產電工鋼產品，軋機工作輥需考慮軸移功能以控制邊部減薄，工作輥輥形根據產品控制需要可采用平輥或錐形輥設計。軋機工作輥和中間輥需設計全自動在線有鋼換輥。

3)在設計許可范圍內盡可能選擇小輥系軋機以節約能源。工作輥潤滑可采用干油或油氣潤滑，支承輥可采用油氣或稀油潤滑，一般根據軋機速度和負荷來確定軸承潤滑方式。工作輥彎輥為控制板形的需要，可考慮采用無間隙切換的設計方式，彎輥缸為防止泄露，采用雙密封設計，并采用內套設計，便于檢修維護。工作輥和中間輥采用四列圓錐滾子軸承，可配置止推軸承實現在線竄輥，支承輥采用高精度四列圓柱滾子軸承，結合高響應動態液壓AGC控制(位置模式下，進行25μm的階躍響應測試，要求上升時間< 0.028s，超調量<20%),可確保帶鋼穩態厚度精度控制效果可達到如下效果：對0.25mm厚產品可控制在±1%以內，對2mm厚產品可控制在±0.5%以內。

4)與軋機配套的乳化液潤滑和冷卻系統，通常的配置需考慮2個供液系統，為保證成品板面清潔度，每個系統需考慮3級過濾，即真空過濾、磁過濾、反沖洗過濾。除了設計帶鋼潤滑和軋輥冷卻外，對于高速運行和大壓下量的軋制工況，機架間的帶鋼冷卻的設計也是必不可少的。對于鍍錫板或電工鋼軋機乳化液系統的設計還需考慮額外配置單獨的供液箱，便于生產不同產品時切換使用。

5)軋機設計時，還需考慮當某臺軋機故障時，可以采用甩機架軋制功能，最大程度降低停機風險，減少損失。

關于飛剪，采用高精度的轉鼓式飛剪，實現不停機動態剪切，剪刃采用平剪刃和V形剪刃配合，剪刃間隙能自動和手動調節，剪切速度最高可達到300m/min。

關于卷取機，一般選用雙卷筒卷取機[1]，即卡羅賽爾卷取機，可極大縮短卷取機距離末機架的距離，保證穩定穿帶卷取，尤其對極薄規格帶鋼穿帶有幫助；卷采用芯軸外套式卷筒，卷筒圓跳動可調，能保證更高的安裝精度；皮帶助卷器設多檔張力，可以適應不同帶鋼厚度的卷取。對于厚度小于0.4mm厚的鋼卷，需設置上套筒裝置，以防止內圈塌卷。

2.3電氣傳動及自動化系統設計要點

電氣主傳動可選交直交方案和直流方案，目前主流是交直交方案，具有功率因數高、速度響應快、電流響應快、速度控制精度高、諧波少、效率高、節能降耗。

關于軋機厚度控制和板形控制，在第1 機架前后、第5 機架前后配置了測厚儀和激光測速儀，可以實現第1、第5 機架的前饋、反饋和秒流量厚度控制，第2機架的前饋厚度控制，以及第4機架的反饋厚度控制[2]，在軋機入口、軋機之間和軋機出口配置了張力計，在第5 機架出口配置了板形儀，1#機架支撐輥具有偏心補償，所有AGC 缸上均配有SONY磁尺和壓力傳感器，可有效地控制帶鋼厚度精度和板形精度。

為保證生產出好的產品質量，機組需考慮配置以下核心工藝控制模型：

1)拉矯破鱗模型：通過優化設定延伸率、張力、彎曲輥和矯直輥插入量等工藝參數，從而達到破碎帶鋼表面氧化鐵皮，改善來料板形的作用。模型可以根據鋼種和規格自動計算并設定上述工藝參數，實現良好的破鱗效果。

2)酸洗模型：通過優化設定酸洗溫度、濃度、流量以及酸洗速度等工藝參數，能確保連續穩定的去除氧化鐵皮，低速時不出現過酸洗，高速時不出現欠酸洗，提升酸洗質量，并盡可能降低酸液溫度以節約生產熱能消耗，也有助于減少設備老化，延長設備壽命。模型可以實現工藝參數的自動設定，降低工人勞動強度，而且對生產過程能有效監控，有利于酸洗質量的分析。通過模型酸洗速度優化功能，能挖掘酸洗設備最大生產能力，實現機組酸洗產能最大化。

3)軋機設定模型：通過優化設定輥縫、輥速、張力、軋制力、彎輥力、壓下率等工藝參數，實現帶鋼穩定生產。設定模型包括高精度輥縫模型、軋制力模型、變形抗力模型，摩擦系數模型、彎輥力模型、軋輥熱凸度模型、軋輥磨損模型等，采用獨具特色的多點設定控制策略，提高控制精度。采用合理的張力分配策略，特別是針對極薄帶鋼軋制的張力控制策略。基于嚴謹板形理論，綜合考慮輥系彈性變形、軋輥熱變形和軋輥磨損變形的影響，開發了最佳彎輥力快速求解模型。模型的精準設定結合高精度的厚度控制策略，軋制成品可達到同規格過渡段超差長度≤5m，變規格過渡段超差長度≤15m；軋制力設定偏差≤±10%；彎輥力設定值人工干預率≤5%；軋制數學模型整體框架見圖3。

圖3 軋制數學模型整體框架

4) 板形反饋控制系統：采用基于最優化原理的板形控制方法，具備執行機構功效系數在線計算、目標板形曲線在線靈活設定等功能，同時采用了板形測量值補償、帶鋼頭部板形控制方法等多項核心專利技術，控制系統的平直度誤差≤7I單位，其構成示意圖見圖4所示。

3 改造工程實踐

3.1必要性

該大型冷軋企業原為連續式酸洗機組和串列式冷軋機方式生產軋硬卷，隨著區域市場向好，冷軋產品的需求量增大，迫切需要提升軋機產能，但原設備存在如下問題需要進行改造。

1)軋機產量不高，設備原為進口二手設備且非常老舊，沒有快速有鋼換輥功能，機組的有效作業時間少；

2)因串列式連軋機固有的工藝特點決定每卷都要穿帶、甩尾，生產效率低，帶鋼頭尾超差長度廠，金屬成材率也較低；

圖4 冷軋板形控制系統構成示意圖

3)軋機軋制薄規格的能力也較弱不能生產0.25m以下帶鋼；

4)酸洗機組為單開卷方式，入口節奏受到制約；

5)酸洗破鱗機原為2輥平整破鱗，破鱗效果欠佳，影響酸洗效果；

6)酸洗機組焊機為老一代閃光焊機，設備問題非常多，焊接質量一般；

7)機組的自動化水平不高，工人勞動強度大；

8)成品帶鋼表面清潔度不高。

3.2改造目標

針對機組存在的上述問題，確定的主要改造目標為：

1)為提高酸洗和軋機金屬成材率，將酸洗機組和軋機進行聯機改造，并將機組生產能力提升至100萬t/a；

2)能生產極薄帶鋼，要求最小帶材軋制厚度到0.2mm；

3)考慮到周邊市場有酸洗商品卷需求，改造后機組需還能生產酸洗卷；

4)提高產品質量，包括厚度公差、板形質量、表面質量；

5)針對設備老舊、控制系統落后等特點，提升機組的自動化控制水平；

6)充分利舊現有設備和土建基礎以減少投資。

3.3主要改造設計措施

圍繞改造目標，制定相應的改造措施如下。

1)提升機組產能和金屬成材率方面，考慮到現有串列式軋機和連續酸洗機組的布置特征，具備改為酸軋機組的條件。在酸洗機組和連軋機之間增加鋼結構聯機活套。軋機沒有有鋼快速換輥功能，需改造。由于酸洗機組入口節奏和軋機出口節奏受限，酸洗入口改為為步進梁+雙開卷方式，并配置帶鋼夾持開卷器以實現自動帶鋼自動穿帶。軋機出口原來的停剪改為飛剪，并設置雙卷筒卷取機+步進梁方式提升出口節奏。將原閃光焊機更換為激光焊機。原酸洗段能力經核算滿足產能擴產要求，所以利舊，只是增加了倒帶清洗功能。

2)提升產品質量方面，原有連軋機為4輥軋機和6輥軋機的混合軋機。前4機架為4輥軋機，原軋機彎輥和上支承輥平衡液壓缸均設計在軸承座上，軋機設計很老舊，原軋機不滿足快速換輥，生產效率低，維護費用高，此種設計不適應全連續冷連軋機生產工況。第5機架原中間輥設計小于工作輥，軋制時打滑現象頻繁，原設計不合理，因此將5個機架的軋輥輥系全部更新，并設計工作輥、中間輥有鋼快速換輥功能。原支承輥采用的油膜軸承，成品帶鋼厚度精度不高，改造為滾子軸承，改造后結合高精度厚度控制，帶鋼穩態厚度精度可從20μm提升至4μm左右，新增板形輥測量及控制系統。酸洗段更換2輥平整破鱗機為2彎1矯拉矯破鱗機。更換軋機乳化液系統磁過濾器，乳化液系統管路和噴射閥組改造。

3)提升軋制薄規格產品能力，利舊1-4機架主傳動，將第5機架軋機的軋輥更換為更小輥系軋機。

4)提升機組自動化控制水平方面，更新入口段、軋機段、出口段自動化控制系統，新增軋機設定模型，新增板形反饋控制系統。

5)除塵方面，拉矯破鱗機在運行過程中會產生大量的粉塵，設置一套除塵系統處理后達標排放；

6)在降低運行噪音方面，在入口段設置一組液壓升降式提升輥，目的是當帶鋼焊接完畢高速運行時以盡量減少帶鋼與導板和惰輥接觸產生的大量噪音。

改造后機組產能達到100萬t/a，能生產酸洗商品卷和軋硬卷，軋機最大速度提升至1250m/min,改造前后的主要參數見下表1。

表1 酸軋機組改造前后的參數對比表

3.4其他注意設計事項

改造項目在建設時應關注以下方面。

1)資料問題。客戶提供的竣工資料和現場實際不符的情況時有發生，所以結合原始資料和現場調研就顯得十分重要，特別是針對一些隱蔽工程，前期的現場調研時間一定要考慮充足，否則后期到現場修配改的工作量較大，也會對停機施工工期造成重大影響。

2)施工方法的選擇。改造過程中會涉及到現有設備基礎的破除，要充分考慮破除設備基礎時對利舊設備及基礎的影響。比如原酸洗槽為鋼襯膠+耐酸磚材質，在酸槽平臺施工時，需采用先進、可靠的切割技術對改造基礎進行破除，盡量減少平臺振動對設備的影響。

3)停機改造時間的選擇。停機改造時間的確定需考慮天氣狀況，該項目涉及到軋機牌坊現場加工，土建基礎破除及再造等工程，現場機械加工和土建施工對環境溫度都有一定的要求。

3.5核心設備設計及制造

隨著國內軋鋼裝備的技術進步，對于酸軋機組中的核心設備，包括拉矯破鱗機、激光焊機、軋機、雙卷筒卷取機等設備的設計及制造，國內公司都能供貨，從實施效果看效果不錯。

3.6改造效果

改造停機時間為5個月，包括改造設備拆除、舊設備基礎破除、新設備基礎制作、軋機牌坊現場加工、設備安裝、單體設備調試、冷負荷試車、熱負荷試車。熱負荷試車后一個月，機組能批量高速(≥1000m/min以上)軋制0.27mm厚產品，產品厚度精度穩態控制在4μm以內，同規格過渡段長度控制在5m以內，變規格過渡段長度控制在15m以內，產品板面質量也大大改善，機組月產量大大提升，已達設計產能，各項質量指標和生產消耗指標達到了設計要求，從指標的橫向對比看，已達到國內先進水平。

4 結語

隨著國內冷軋技術多年的積淀與進步，國內工程公司伴隨冷軋項目建設的熱潮共同成長并日益成熟，目前已完全能夠提供大型酸洗軋機聯合機組的新建及改造服務。從某大型冷軋企業的酸軋機組改造工程實踐效果來看，機組的各項指標達到了國內先進水平，這充分證明了國內的設計技術、裝備制造技術、自動化控制技術是可靠的、成熟的。當然，盡管國內工程公司在大型冷軋裝備技術國產化的道路上取得了不錯的成績，但技術永無止境，還應繼續堅持自主創新，加大工藝、裝備研發并與工程實踐相結合，為我國向鋼鐵制造強國邁進的道路上貢獻更大力量。