高速大壓下率單機架六輥可逆冷軋機研發(fā)

付建輝 秦定生 楊可托 任福平 馬國柱 王康 楊學軍

(中冶陜壓重工設備有限公司 陜西西安 710119)

1 前言

帶鋼冷軋機按機架排列方式分為連續(xù)式冷軋機和可逆式冷軋機。連續(xù)式冷軋機成材率高、生產(chǎn)效率高，承擔著帶鋼的主要生產(chǎn)任務；可逆式冷軋機具有生產(chǎn)靈活、投資較小的特點，適用于多品種、小批量的生產(chǎn)，在市場上具有相當?shù)母偁幜Α?/p>

可逆式冷軋機主要包括四輥軋機、六輥軋機、二十輥軋機以及十八輥軋機等，在常規(guī)中寬帶碳鋼軋制時，目前六輥軋機使用最為廣泛。據(jù)粗略統(tǒng)計，當前中國國內(nèi)建有中寬帶碳鋼單機架六輥可逆冷軋機300多臺，總產(chǎn)能約占冷軋板帶產(chǎn)品總量的20%左右。

冷軋機基本結構形式主要有SMS公司開發(fā)的CVC軋機(Continuously Variable Crown)和日立公司開發(fā)的HC軋機(High Crown Control Mill)，以及在此基礎上進一步研發(fā)的各類軋機，如SMS公司的CVCplus軋機、三菱日立公司的UCM軋機(Utility Crown Mill)、UCMW軋機、中國一重的VCMS軋機(Variable Crown Middle Roller Shift)、中冶陜壓的SY牌軋機等。

中國自主研發(fā)成套的單機架六輥可逆冷軋機在20世紀80年代已在中國成功運行，但只是一些中小型冷軋機[1]。進入21世紀以后后，中國國內(nèi)建設投產(chǎn)了一大批中寬帶鋼單機架六輥可逆冷軋機，以不斷滿足中國經(jīng)濟高速發(fā)展的需要。

該自主研發(fā)軋機在總結國內(nèi)外單機架六輥可逆軋機的經(jīng)驗上，立足中國高端裝備水平，研發(fā)了1150mm、1200mm、1250mm、1380mm、1450mm、1500mm、1700mm系列。既有傳統(tǒng)的直流傳動控制系統(tǒng)，也有高效節(jié)能的交流變頻傳動控制系統(tǒng)，具有高速、穩(wěn)定、軋薄、大壓下率、高質(zhì)量的特點。其中1150mm、1380mm六輥可逆冷軋機推廣30余臺套，走出了一條創(chuàng)新發(fā)展之路。

2 機組主要參數(shù)及工藝流程

2.1 產(chǎn)品規(guī)格

設計年產(chǎn)量最大可達30萬t，產(chǎn)品主要面向建材、家電市場。鋼種主要為普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼、低合金結構鋼，代表鋼號為Q195、Q215、08Al、20、Q235、SPHC、SPHD、SPHE，抗拉強度可達700MPa。

來料為經(jīng)酸洗后的熱軋帶材，典型規(guī)格為：厚度1.2mm～4.0mm，寬度800mm～1300mm，鋼卷內(nèi)徑610mm，鋼卷外徑900mm～2000mm；成品厚度為0.15mm～1.2mm，寬度800～1300mm，鋼卷內(nèi)徑508mm，鋼卷外徑900mm～2000mm。

2.2 機組布置與工藝流程

單機架六輥可逆軋機主要包括六輥軋機本體、開卷機、機前卷取機以及機后卷取機，機組的示意圖如圖1所示。

圖1 單機架可逆冷軋機機組示意圖1-上卷小車；2-開卷機；3-開頭矯直機；4-機前卷取機；5-1#卸卷車；6-機前裝置；7-六輥可逆冷軋機；8-機后裝置；9-機后卷取機；10-2#卸卷車

酸洗后的熱軋鋼卷由行車吊運至入口段的上卷鞍座上，通過測寬、測徑光電開關以及激光測距儀，上卷小車將鋼卷運至開卷機，實現(xiàn)自動上卷。

開頭伸縮擺動導板將開卷機上的鋼卷開頭并導入夾送輥，由夾送輥將帶頭送入矯直輥，兩個下矯直輥與上矯直輥的壓下配合，對帶材進行直頭。切頭剪根據(jù)帶頭的情況，進行切頭和事故切斷。后擺動導板在開卷軋制時處于水平位置作為過渡導板，后擺動導板頭部帶有自由輥，可逆軋制時兼作機前卷取機的壓輥。

機組繼續(xù)以穿帶速度將帶材向前推進，經(jīng)過機前裝置中的轉向引料裝置、測厚儀裝置、擠干裝置、對中裝置，再經(jīng)過六輥軋機、機后裝置，帶頭進入機后卷取機，機組升速軋制，完成第一道次軋制。在機前、機后轉向輥及其壓輥的作用下，機后卷取機反轉，使帶尾向機前卷取機方向運行，開始第二道次軋制。如此反復經(jīng)過數(shù)道次軋制直到軋成成品卷材。

在成品道次完成后，機組卸張開輥縫，切斷帶尾。卸卷小車將鋼卷從卷取機卸下，送往固定鞍座進行打捆，此時一個完整的軋程結束。軋制完成的冷硬卷運入軋后庫內(nèi)存放，可供給下游的鍍鋅機組或退火機組作進一步處理，亦可作為冷硬卷直接銷售給客戶。

2.3 主要技術參數(shù)

典型機組主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 典型機組主要技術參數(shù)

3 機組裝備水平及創(chuàng)新點

1)軋機采取高速(最高可達1250m/min以上)、大乳化液量進行薄帶軋制，碳鋼軋制最薄成品厚度可達0.15mm以下，一個軋程壓下率可達96%以上，生產(chǎn)效率非常高。

2)軋機具有壓下調(diào)偏、工作輥正/負彎輥(也可單側控制)、中間輥正彎輥、中間輥橫移、軋輥冷卻流量調(diào)整等控制手段，以得到更好的板形。

3)軋機配置AGC系統(tǒng)，具有全行程秒流量控制、恒輥縫控制、恒軋制力控制、軋輥偏心補償、加減速補償控制等功能。

4)關于乳化液吹掃除油，在帶鋼上方設置氣幕阻擋，下方設置空氣放大器抽吸，再與輥式擠干相結合，使軋機出口帶鋼免接觸乳化液，從而保證高質(zhì)量的鋼板表面殘油量要求。

5)采用快速工作輥和中間輥換輥裝置，實現(xiàn)在線換輥，縮短換輥時間，提高軋機利用率。

6)主軋機、開卷機和機前、機后卷取機傳動采用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，電機維護量少，提高了控制系統(tǒng)的精度和動態(tài)響應特性，實現(xiàn)了對電機速度和轉矩的精確控制，電控精度高，高效節(jié)能，運行成本低。

7)采用全新的軋制控制策略，極大提高軋機低速段、加減速時的張力控制精度和帶鋼厚差控制精度。

8)機組具有軋制工藝數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)顯示及操作控制、產(chǎn)品質(zhì)量跟蹤功能、高速軋制數(shù)據(jù)自動記錄、自動報表產(chǎn)生、故障報警及記錄管理功能，并配置有遠程診斷系統(tǒng)。

4 機組主要設備配置

4.1 開卷機

開卷機用于帶鋼第一道次軋制時的開卷，并為第一道次帶鋼軋制提供必要的張力。主要由卷筒、外支撐、壓輥、傳動電機、減速機、可伸縮萬向節(jié)軸、制動器、底座、CPC對中液壓缸及潤滑系統(tǒng)等組成，主要軸承、旋轉接頭、CPC均采用國際一流品牌。

開卷機本體在對中液壓缸作用下，可在底座上滑動，實現(xiàn)鋼帶CPC自動對中。卷筒為四棱錐軸型式，減速機為兩級硬齒面?zhèn)鲃印榉奖汩_卷和防止松帶，在卷軸上方設有壓輥，壓輥擺動由液壓缸驅(qū)動。

4.2 開頭矯直機

開拓矯直機用于帶材開頭、夾送、矯直、切頭(切尾)，以及第一道次時為軋機提供后張力；后壓輥在逆向軋制時幫助卷取、卸卷時收緊帶尾。主要由開頭伸縮擺動導板、夾送輥、三輥直頭裝置、切頭剪和后擺動導板壓輥組成。

伸縮擺動導板的伸縮和擺動、上夾送輥升降、上矯直輥升降、后擺動導板壓輥的擺動均為液壓缸驅(qū)動。上夾送輥由液壓馬達傳動，進行引料；下夾送輥不帶動力，安裝有兩個編碼器，用于檢測開卷軋制時帶材速度及AGC控制。上、下矯直輥均不帶動力。

4.3 機前裝置

機前裝置用于帶鋼穿帶時的寬度方向?qū)受堉浦行木€、測厚、機前卷取時帶鋼引料、轉向測速及軋制時鋼帶表面的乳化液擠干和吹掃。主要由機前轉向引料裝置、測厚儀裝置、擠干裝置和對中導板組成。

機前轉向引料裝置的引料輥和壓輥裝在同一擺軸的兩個145°夾角的擺臂上，軸的擺動靠與軸端相連的180°擺動缸實現(xiàn)。當引料輥落下時，協(xié)助擺動導板將從軋機方向來的帶頭送入機前卷取機；當壓輥落下時，將卷取機出來的鋼帶壓在偏導輥上，靠壓輥上的液壓馬達驅(qū)動送料；其余時間引料輥和壓輥保持打開狀態(tài)。

擠干裝置由上下偏置的兩對輥子組成，穿帶時上輥抬起，軋制時上輥降下，使帶材呈S形穿過，起穩(wěn)定展平帶材的作用。在擠干前后還設有上下共三排氣刀，吹除帶材表面的殘液。檢修時擠干裝置可向傳動側移動，退出軋制線。

對中導板設在緊靠軋機的入口側，用于穿帶時帶材對中，由液壓馬達通過減速機、同步齒輪齒條驅(qū)動左、右滑座，帶動側導板開合，其開口度可根據(jù)帶寬調(diào)整。

4.4 六輥可逆冷軋機

六輥可逆冷軋機由機架裝配、輥系裝配、彎竄及平衡裝置、推上裝置、軋線標高調(diào)整裝置、乳化液噴射系統(tǒng)、主傳動裝配、換輥裝置以及機上平臺、樓梯、排煙罩及液壓潤滑配管組成。

1)機架裝配

機架裝配包含兩片牌坊、上下橫梁、軌座、下支撐輥軌道、支撐輥鎖緊裝置、工作輥鎖緊裝置、機內(nèi)墊板、機內(nèi)軌道裝配、接軸夾緊裝置、入出口吹氣裝置、導板及防濺門等組成。

2)輥系裝配

工作輥輥徑小，適用于薄帶軋制和變形抗力大的金屬材料軋制。支承輥、中間輥、工作輥主軸承均采用四列圓柱滾子軸承，并采用油氣潤滑。

3)彎竄及平衡裝置

上下工作輥軸承座通過T形槽與安裝在機架窗口中部的四個缸塊中的活塞式油缸連接，實現(xiàn)工作輥正負彎輥。

上下中間輥軸承座通過中間輥橫移機構中上下中間輥彎輥油缸實現(xiàn)中間輥正彎輥，竄輥缸塊實現(xiàn)中間輥竄輥。

上支撐輥平衡機構，由安置在牌坊窗口內(nèi)的四個平衡缸塊來完成。

4)推上裝置

AGC缸裝在牌坊底部，是軋機壓下控制的執(zhí)行機構，其特點是結構剛度大、磨擦系數(shù)低、密封性能好，以保證系統(tǒng)總體具有較高的響應特性。保證油缸在工作時有極高的位置分辨精度，因此該油缸采用合金鋼材質(zhì)，經(jīng)特殊設計和加工工藝處理，滿足上述要求。壓下油缸帶高精度磁致位移傳感器。

5)軋線標高調(diào)整裝置

軋線標高調(diào)整裝置是由安裝在牌坊上部的一套斜楔和階梯墊板組合使用，無級調(diào)整軋線標高。因為工作輥、中間輥和支承輥的軋輥磨削量總量大，因此軋線標高調(diào)整裝置的調(diào)整量也比較大。

6)乳化液噴射裝置

采用大流量乳化液系統(tǒng)，13000L/min。上工作輥、下工作輥噴管裝置，入出口各2組；上中間輥、下中間輥、上支承輥噴管裝置，入出口各1組。

7)主傳動裝配

包括接軸、減速箱、安全聯(lián)軸器、傳動電機。主傳動減速箱采用上下兩層的齒輪減速，通過兩臺交流變頻電機分別驅(qū)動上下工作輥進行軋制。

4.5 機后裝置

機后裝置功能與機前裝置的類似，用于帶鋼測厚、機后卷取時帶鋼引料、轉向測速及軋制時鋼帶表面的乳化液擠干和吹掃，以及成品剪切和事故處理。主要由擠干裝置、測厚儀裝置、液壓剪、機后轉向引料裝置組成。機后裝置中包含液壓剪，不設對中導板，其余各個設備與機前裝置的基本相同。液壓剪為下切式斜刃剪，最大剪切力為150kN。

4.6 卷取機

機前卷取機用于帶鋼可逆軋制時的機前卷取和開卷，并為帶鋼軋制提供必要的張力。機前卷取機由卷筒、活動支撐、傳動電機、減速機、制動器、推板、底座及潤滑系統(tǒng)等組成。機后卷取機和機前卷取機結構基本相同，僅布置反向。主要軸承、旋轉接頭采用國際一流品牌。

卷筒為四棱錐軸型式，鉗口為軸向斜揳，液壓自動夾緊，減速機為兩級硬齒面?zhèn)鲃?。機前卷取機的壓輥裝設在開頭矯直機的后擺動導板上，機后卷取機的壓輥安裝在減速機上。為方便卸卷設有推板裝置，安裝在減速機頂部，液壓缸驅(qū)動?；顒又螢榉忾]錐套式，打開及關閉液壓缸驅(qū)動。

5 電氣傳動及自動化系統(tǒng)

5.1 供配電

對于恒速電機等負荷采用動力變壓器，對于變頻電機等諧波較大的負荷，采用整流變壓器。整條生產(chǎn)線共配置了2臺整流變壓器和1臺動力變壓器。

機組設置一套UPS系統(tǒng)，向自動化系統(tǒng)等提供不間斷電源。

5.2 電氣傳動

機組傳動系統(tǒng)分主傳動系統(tǒng)和輔助傳動系統(tǒng)兩部分。主傳動系統(tǒng)均采用全交流變頻調(diào)速，輔助傳動系統(tǒng)中由變頻調(diào)速系統(tǒng)和恒速控制兩部分組成。

大功率直流電機的轉速受限，而且交流變頻調(diào)速范圍大、精度高、運行維護成本低，當前主流的高水平六輥可逆冷軋機主傳動通常選用交流變頻電機。機組主電機主要參數(shù)如表2所示。

主傳動采用SIEMENS公司的SINAMICS S120變頻調(diào)速裝置，公共直流母線型式。對于恒速電動機，采用馬達控制中心(MCC)來進行控制，并配置必要的PLC接口信號。

5.3 基礎自動化系統(tǒng)

本套可逆冷軋機組的基礎自動化控制系統(tǒng)，由SIMATIC S7-400+2×FM458 、S7-300PLC及HMI系統(tǒng)構成。

AGC系統(tǒng)控制功能由一塊FM458來完成。工藝邏輯控制及順序控制功能由S7-400完成，電機速度控制、卷取機張力控制等工藝控制功能由S7-400和另外一塊FM458完成。數(shù)據(jù)采集和所有機組輔助設備控制由S7-300PLC及若干遠程I/O站ET200M完成。HMI系統(tǒng)完成機組參數(shù)設定、顯示及運行狀態(tài)監(jiān)控。

在優(yōu)化電控的情況下，張力控制精度：穩(wěn)態(tài)≤±1.5%，動態(tài)≤±3%。0.2mm以下極薄料穩(wěn)速軋制的厚度公差控制在±4um，軋機主令速度、入口、出口帶鋼厚差實際情況見圖2。

表2 機組主電機的主要參數(shù)

圖2 帶鋼厚度控制精度曲線

6 結語

新一代單機架六輥可逆冷軋機自2018年8月底投產(chǎn)以來，運行效果很好，為客戶創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。在此基礎上，新一代單機架六輥可逆冷軋機已成功銷往一帶一路海外國家，必將為中國冶金裝備成套出口海外做出新貢獻。