400 mm硅钢自动轧制试验轧机

徐秀英，安利娟

(中国重型机械研究院有限公司，陕西 西安 710032)

1 前言

武钢集团公司是我国生产硅钢的主要基地，生产设备、生产工艺、生产管理等都是比较先进的。为开发取向硅钢及无取向硅钢新产品、取向硅钢控轧工艺，武钢委托西安重型机械研究所设计、研制的新型400 mm硅钢热轧试验轧机，已于2005年11月进行热负荷试车并投入生产。

该轧机是一套电动APC+液压AGC的二辊可逆热轧机，该设备成功地实现了在轧辊自动预压靠后，可以按预设定的轧制表进行自动轧制，终轧温度可保证在硅钢轧制工艺试验要求的温度范围内。该轧机综合了电动APC和液压AGC各自的优势，实现了大压下量快速给定、辊缝精调和轧制过程的辊缝控制。控制系统先进、可靠，高精度的传感器检测设备的投入，为自动轧制过程的稳定性及高控制精度提供了有力保证。产品带材平直且板形好，带厚1.5 mm左右的厚差可达到≤0.1 mm满足试验要求。

目前该轧机是国内第一台自动化水平较高、先进可靠的硅钢热轧试验轧机，已经不断为武钢集团公司开发新产品和提供新的工艺试验数据，尤其对高端硅钢及汽车板的生产，提供了有力的科学试验数据支持。

2 主要工艺参数

坯料规格/mm 厚度×宽度×长度=(30～50)×150×200

成品规格/mm 厚度×宽度×长度=2.0×150×C (当坯料厚:30～50)1.5×150×C (当坯料厚:＜30)

成品精度/mm ≤0.1(带才厚度1.5)

开轧温度/℃ 1150(max1200)

终轧温度/℃ ≥900～1000

轧机类型 二辊可逆轧机

轧辊尺寸/mm Φ450×350

轧辊最大开口度/mm 70

最大轧制压力/kN 1 800

最大轧制力矩/kN·m 100

轧制速度/mm·s－10～1.0～2.5

电动压下速度/mm·s－10～4～10.53

侧导板通过油缸驱动

侧导板移动行程/mm 50

侧导板移动速度/mm·s－150～100

3 设备组成及功能

硅钢热轧试验轧机由机械设备、液压设备和电气控制设备组成。

3.1 机械设备

3.1.1 机前(后)液压导卫板

包括喂料导卫板、辊道及其工作台等。喂料导卫板用于带钢导向和限制翘头，侧导板由左右两个油缸控制，有两个导向杆，可以快速将导板推入推出。同时，由于油缸装在螺母上，在油缸活塞杆伸出状态时用手轮(或油马达)通过丝杠、螺母可以微调并确定侧导板开口度。

3.1.2 二辊可逆轧机

主要由轧辊装置、机架装置、电动压下装置、主传动装置、接轴抱紧装置和快速换辊装置等组成。

轧辊装置中径向轴承采用四列短圆柱滚子轴承，轧辊材质采用高合金铸铁;轴承密封用防水、防氧化铁皮的专用油封。

电动压下装置的电动压下由两台小惯量非标直流电机驱动，通过一级圆弧圆柱蜗轮蜗杆减速，蜗杆采用尼曼蜗杆，压下螺丝采用压下专用推力轴承，保证了压下系统精度高、效率高、噪音小、传动平稳。压下螺丝位移由位移传感器和光电编码器检测。

主传动装置由两台直流电机分别驱动上、下轧辊，并且选用小转动惯量的Z4系列电机，有利于频繁起动、制动;主减速机双输入、双输出，齿轮为硬齿面，两套轮系各自独立，互不干涉，以满足上、下轧辊单独传动，并设置一台油泵进行循环润滑。

3.2 液压设备

主要包括轧辊冷却系统、液压传动系统、液压压下系统设备等。

(1)轧辊冷却系统设备。主要包括冷却系统设备、过滤装置及喷嘴横梁。在轧机入、出口侧装有4根喷嘴横梁(每侧2根)，形成上下各一排喷嘴，流量通过节流阀来调节冷却水。

(2)液压传动系统设备。主要包括动力站和控制阀站。

(3)液压压下控制系统。主要包括压下动力站、控制阀站、蓄能器过滤装置及压下油缸装置。每个压下油缸装置上均安装有压力传感器，高精度位移传感器(MTS)，并配有集成阀块。在集成阀块上安装有电液伺服阀，安全溢流阀。油缸形式采用压下式活塞缸。

3.3 电气设备

两辊热轧试验轧机自动化控制系统包括AGC计算机控制系统、全数字直流传动控制系统、可编程逻辑控制系统和计算机操作显示系统。

电气控制系统具有完整的轧机控制和操作功能，主要有轧制工艺操作控制、轧机速度控制、液压系统控制、电动压下位置控制、液压辊缝自动控制、轧辊冷却等辅助控制等。另外，控制系统可对轧制和实验过程中的一些实时参数进行测量并整理存储归档。系统还设有完善的操作及监控显示系统和故障诊断报警系统。

操作站具备轧线设备监控、参数设定、轧件跟踪、故障诊断、参数趋势分析等多项功能，构成简洁、方便、友好的人机界面，为产品质量作业率的提高提供了可靠的保证。

3.3.1 AGC计算机控制系统

AGC计算机控制系统由AGC控制站和AGC操作站组成。AGC控制站完成厚度控制所需的实时控制和逻辑控制功能，并完成厚度控制系统所需的操作、显示、管理和维护功能。

控制站硬件包含一台工控计算机及其外围设备和输入输出板卡。控制站软件主要实现油缸位置控制、油缸压力控制、压力补偿厚度控制、自动压靠控制、辅助调试支持等功能。

操作站硬件包含一台工控计算机及其外围设备。操作软件是用 MS－VB、MS－VC、MSAPI编制的基于图示的应用系统，主要实现参数设定、实时数据数值显示、历史数据趋势显示、控制状态设定、轧制工艺文件输入输出、入/出口厚度采样记录及统计、控制参数显示/修改输入输出、回路参数整定、AGC故障显示等功能。

3.3.2 直流传动控制系统

轧机上下辊分别传动，采用两套独立的全数字直流传动控制装置。选用SIEMENS 6RA70系列直流传动装置，采用四象限六脉冲可逆控制、速度控制系统。装置配有MASTER DRIVES CBP通讯卡，通过PROFIBUS－DP网与CPU进行数据交换。

两台压下电机采用两套独立的全数字直流传动控制装置，选用SIEMENS 6RA70系列直流传动装置，采用四象限六脉冲可逆控制、速度/位置控制系统。实现轧机的辊缝(位置)控制。各直流传动装置通过PROFIBUS－DP现场总线连网，大大减少了电缆使用量，降低了建设成本，还为系统提供很大的灵活性和扩展性。

3.3.3 PLC逻辑控制系统

PLC系统选用SIEMENS S7－300系列产品，PLC作为自动化控制的基础，用于轧制工艺生产过程控制。西门子CPU315－2DP与工业控制计算机及直流传动装置通过PROFIBUS网进行数据交换。将程序控制命令发送给主传动及压下直流传动装置，驱动电机运行，完成主轧机自动起/制动、反向运转以及电动APC的工作，实现大压下量快速辊缝给定。系统配置数字量输入输出模块、模拟量输入输出模块、通讯模块、电源、装配导轨、接口模块等。

3.3.4 计算机操作显示系统

系统配有上位操作计算机，以西门子Wicc组态软件为平台开发的操作界面简洁、方便、直观。

4 轧制流程

该试验轧机轧制流程如图1所示。

图1 轧制流程图Fig.1 Flow chart for rolling of experimental rolling mill

(1)轧前准备工作，调整轧机前(后)侧导板的开口度。首先，油缸将推板推出，根据坯料宽度和工艺要求用手轮(或油马达)通过丝杠、螺母调整到所需开口度，然后油缸返回;

(2)与此同时将坯料原始数据如轧件编号、材质、尺寸、规格等输入计算机;

(3)输入轧制规程到计算机，包括每道次压下量、轧制速度等;

(4)进行轧辊自动预压靠并调零;

(5)开启〈轧制〉按钮，电动压下装置工作，轧辊摆好第一道辊缝;

(6)坯料放到机前工作台后，由人工喂入轧辊，与此同时，轧机入出口均有测温仪检测坯料温度，并在计算机及操作台实时显示记录，机前侧推板油缸动作，迅速将推板推至已调好的开口度，使坯料对中喂入轧辊;

(7)轧制时上位计算机实时显示并记录轧制力、辊缝、速度、电流、电压等轧制参数;

(8)轧件轧出，轧辊迅速自动反转并升至所要求轧制速度;同时压下装置工作，电动压下自动依据轧制规程迅速压下所要求位移，液压压下进行压下精调，调整好第二道辊缝;机后侧导板快速将坯料对中，坯料再次送入轧辊进行第二道次轧制。

以此类推，轧机按轧制程序自动进行其余道次轧制至成品后，上轧辊自动抬起，喷水冷却轧辊，一个轧程自动完成。

轧制结束各力能参数及轧制过程相应数据可以自动生成报表，可根据日期、材质等要求进行打印。

5 主要工艺特点

热轧硅钢轧制主要的工艺特点就是要保证终轧温度在规定的范围内，必须每道次间隙时间不超过3 s，即可以满足轧制过程中轧件的温降要求，那么对设备主要要求的就是“快”。当上道次轧制结束，主电机必须立刻降速、制动反转、升速至该道轧制速度值;同时压下装置必须立刻调整好该道次所需辊缝值;机前、机后对中装置及其它辅助条件也要做好准备，满足下一道次轧制的要求等等，即轧制过程要尽量减少辅助时间。另外既要确保检测和控制的精确性、满足产品的板形及精度要求，又要保证轧制设备运行的快速性;所以操作程序必须实现自动轧制控制。

要实现自动轧制控制，该硅钢试验轧机设备具有以下功能特点:

(1)轧制速度要求达到2.5 m/s;

(2)由于总压下量大，道次压下量最大可达15～25mm;要求快速压下，速度最高可达到10.53 mm/s;

(3)为了实现自动轧制控制，缩短道次间隙时间，控制系统必须及时准确地采集到轧件进出轧辊时的信号，以便控制系统能够及时发送命令给传动装置驱动设备电机快速启、制动运行，但由于轧机的工作过程中各因素的影响，此信号很难准确采集，成为成功实现自动轧制运行控制的瓶颈问题;

(4)实现自动轧制，必须保证控制系统的准确性、可靠性、及时性和稳定性。

6 主要功能

根据工艺要求为了实现电机的快速启、制动功能，依据直流电机在额定磁场下，电动机以额定转矩加速到额定转速所经历的时间

式中，t为电动机起、制动时间;GD2为飞轮转矩;Me为动态转矩。

只有当GD2很小时，t才能达到较小，即电机启、制动快，因此在电机选择时主传动采用两台小惯量直流电机，通过一台联合减速箱体分别驱动上、下轧辊。同样电动压下也采用两台直流小惯量电机驱动，通过各自的传动机构作用到对应的压下螺丝，使上轧辊快速压下、抬起。

为满足大压下量快速压下和带材成品高精度的要求，压下装置采用电动压下+液压压下控制。电动压下在进行大压下量时投入，用于轧制时快速调整给定辊缝，液压压下用于轧制过程辊缝的精调和恒辊缝的控制。为了满足设备及工艺要求主传动电机及压下电机控制均采用各自独立的全数字直流传动控制装置进行控制，为了进一步保证主机两台电机启动、制动、升速、降速、正转、反转的快速调整及压下设备的快速反复启、制动和升、降速的快速调节。根据转矩平衡方程式

式中，Tmax为电机转矩;TL为负载转矩。

要实现电机的最快的起动和制动控制，当负载转矩TL一定时，只要电机转矩Tmax为最大，将产生最大加速度，同时通过电机转矩特性T=CMφId知，要电机的力矩T最大只要将电机电枢电流Id调到最大即可。同理，要实现最佳制动过程也是将电枢电流调到最大，产生一个最大的反向力矩即可。因此，该轧机传动控制系统充分的利用此电机控制原理进行控制调节，完全达到甚至优于设计参数要求。

为了更好的提高产品精度，电动压下位移量的检测和液压压下辊缝的检测，都采用高精度MTS位移传感器，轧制压力的检测也选用了高精度的压力传感器，并根据设备特点采取了特殊的安装形式如图2所示，位移传感器A(两套)用于电动压下，位移传感器B(两套)用于液压压下，确保检测数据的准确性，保证了自动控制系统的准确性、可靠性、及时性和稳定性。

图2 位移传感器的安装Fig.2 Special mounting form

为了更好的完成用户的要求，方便操作维护，为用户提供准确可靠的实验数据，该试验轧机轧制规程的操作程序设计为自动控制和人工操作两种控制方式，可以互相切换。系统可以实现对各力能参数及其它相关数据的实时采集监测、屏幕显示及打印功能;设有轧制压力、轧制力矩(主电机电流)、每种材料不同规格坯料的轧制规程如道次计算厚度、轧件温度、轧机速度等的检测和显示功能，并能自动生成报表，可随时打印报表;轧机同时具有轧制压力，主电机电流的过载保护、轧机紧急停车和故障报警功能。

为节省辅助时间，设备也做了相应的改进创新，机前(后)液压侧导板开发了新的方案，其设备简图如图3所示，生产前可以微调并根据需要确定侧导板开口度，轧制时可以按程序要求快速将导板推进(保证开口度)或退回原处。

图3 液压侧导板装置Fig.3 Sketch of hydrolic side guiding plate control device in experimental prototype

7 结束语

硅钢热轧试验机组用于硅钢工艺试验，开发研制硅钢新产品、新工艺。由于取向硅钢的生产对终轧温度要求很严，必须在规定的范围内，为此，对轧制速度、轧制时间要求很高、很严。该硅钢热轧试验机组在设备设计、自动控制系统等方面，为满足这项要求开发了多项新的设计方案、检测办法，同时程序控制的不断完善，满足设计要求:轧辊可以实现自动预压靠，成功实现自动轧制。轧制表预设定和道次的辊缝给定、轧辊的制动、反转、升速等准确顺利，其轧制过程时间、每道次轧制速度可以根据需要调整。

轧制工艺表预设定并记忆随时可以调用;轧制报表包括坯料、产品数据、轧制力能参数可以实时检测、记忆、打印，满足试验要求。

该试验轧机对于硅钢尤其取向硅钢新产品、新工艺的开发研制具有深远意义。

该硅钢热轧自动轧制试验轧机是国内第一台，填补了国内空白。

［1］ 潘纯久．二十辊轧机高精度冷轧钢带生产［M］．北京:冶金工业出版社，1998．

［2］ ［美］L．R金兹伯格·马东清［译］．板带轧制工艺学［M］．北京:冶金工业出版社，2003．