高速大压下率单机架六辊可逆冷轧机研发

付建辉 秦定生 杨可托 任福平 马国柱 王康 杨学军

(中冶陕压重工设备有限公司 陕西西安 710119)

1 前言

带钢冷轧机按机架排列方式分为连续式冷轧机和可逆式冷轧机。连续式冷轧机成材率高、生产效率高，承担着带钢的主要生产任务；可逆式冷轧机具有生产灵活、投资较小的特点，适用于多品种、小批量的生产，在市场上具有相当的竞争力。

可逆式冷轧机主要包括四辊轧机、六辊轧机、二十辊轧机以及十八辊轧机等，在常规中宽带碳钢轧制时，目前六辊轧机使用最为广泛。据粗略统计，当前中国国内建有中宽带碳钢单机架六辊可逆冷轧机300多台，总产能约占冷轧板带产品总量的20%左右。

冷轧机基本结构形式主要有SMS公司开发的CVC轧机(Continuously Variable Crown)和日立公司开发的HC轧机(High Crown Control Mill)，以及在此基础上进一步研发的各类轧机，如SMS公司的CVCplus轧机、三菱日立公司的UCM轧机(Utility Crown Mill)、UCMW轧机、中国一重的VCMS轧机(Variable Crown Middle Roller Shift)、中冶陕压的SY牌轧机等。

中国自主研发成套的单机架六辊可逆冷轧机在20世纪80年代已在中国成功运行，但只是一些中小型冷轧机[1]。进入21世纪以后后，中国国内建设投产了一大批中宽带钢单机架六辊可逆冷轧机，以不断满足中国经济高速发展的需要。

该自主研发轧机在总结国内外单机架六辊可逆轧机的经验上，立足中国高端装备水平，研发了1150mm、1200mm、1250mm、1380mm、1450mm、1500mm、1700mm系列。既有传统的直流传动控制系统，也有高效节能的交流变频传动控制系统，具有高速、稳定、轧薄、大压下率、高质量的特点。其中1150mm、1380mm六辊可逆冷轧机推广30余台套，走出了一条创新发展之路。

2 机组主要参数及工艺流程

2.1 产品规格

设计年产量最大可达30万t，产品主要面向建材、家电市场。钢种主要为普通碳素钢、优质碳素钢、低合金结构钢，代表钢号为Q195、Q215、08Al、20、Q235、SPHC、SPHD、SPHE，抗拉强度可达700MPa。

来料为经酸洗后的热轧带材，典型规格为：厚度1.2mm～4.0mm，宽度800mm～1300mm，钢卷内径610mm，钢卷外径900mm～2000mm；成品厚度为0.15mm～1.2mm，宽度800～1300mm，钢卷内径508mm，钢卷外径900mm～2000mm。

2.2 机组布置与工艺流程

单机架六辊可逆轧机主要包括六辊轧机本体、开卷机、机前卷取机以及机后卷取机，机组的示意图如图1所示。

图1 单机架可逆冷轧机机组示意图1-上卷小车；2-开卷机；3-开头矫直机；4-机前卷取机；5-1#卸卷车；6-机前装置；7-六辊可逆冷轧机；8-机后装置；9-机后卷取机；10-2#卸卷车

酸洗后的热轧钢卷由行车吊运至入口段的上卷鞍座上，通过测宽、测径光电开关以及激光测距仪，上卷小车将钢卷运至开卷机，实现自动上卷。

开头伸缩摆动导板将开卷机上的钢卷开头并导入夹送辊，由夹送辊将带头送入矫直辊，两个下矫直辊与上矫直辊的压下配合，对带材进行直头。切头剪根据带头的情况，进行切头和事故切断。后摆动导板在开卷轧制时处于水平位置作为过渡导板，后摆动导板头部带有自由辊，可逆轧制时兼作机前卷取机的压辊。

机组继续以穿带速度将带材向前推进，经过机前装置中的转向引料装置、测厚仪装置、挤干装置、对中装置，再经过六辊轧机、机后装置，带头进入机后卷取机，机组升速轧制，完成第一道次轧制。在机前、机后转向辊及其压辊的作用下，机后卷取机反转，使带尾向机前卷取机方向运行，开始第二道次轧制。如此反复经过数道次轧制直到轧成成品卷材。

在成品道次完成后，机组卸张开辊缝，切断带尾。卸卷小车将钢卷从卷取机卸下，送往固定鞍座进行打捆，此时一个完整的轧程结束。轧制完成的冷硬卷运入轧后库内存放，可供给下游的镀锌机组或退火机组作进一步处理，亦可作为冷硬卷直接销售给客户。

2.3 主要技术参数

典型机组主要技术参数如表1所示。

表1 典型机组主要技术参数

3 机组装备水平及创新点

1)轧机采取高速(最高可达1250m/min以上)、大乳化液量进行薄带轧制，碳钢轧制最薄成品厚度可达0.15mm以下，一个轧程压下率可达96%以上，生产效率非常高。

2)轧机具有压下调偏、工作辊正/负弯辊(也可单侧控制)、中间辊正弯辊、中间辊横移、轧辊冷却流量调整等控制手段，以得到更好的板形。

3)轧机配置AGC系统，具有全行程秒流量控制、恒辊缝控制、恒轧制力控制、轧辊偏心补偿、加减速补偿控制等功能。

4)关于乳化液吹扫除油，在带钢上方设置气幕阻挡，下方设置空气放大器抽吸，再与辊式挤干相结合，使轧机出口带钢免接触乳化液，从而保证高质量的钢板表面残油量要求。

5)采用快速工作辊和中间辊换辊装置，实现在线换辊，缩短换辊时间，提高轧机利用率。

6)主轧机、开卷机和机前、机后卷取机传动采用交流变频调速系统，电机维护量少，提高了控制系统的精度和动态响应特性，实现了对电机速度和转矩的精确控制，电控精度高，高效节能，运行成本低。

7)采用全新的轧制控制策略，极大提高轧机低速段、加减速时的张力控制精度和带钢厚差控制精度。

8)机组具有轧制工艺数据库、数据显示及操作控制、产品质量跟踪功能、高速轧制数据自动记录、自动报表产生、故障报警及记录管理功能，并配置有远程诊断系统。

4 机组主要设备配置

4.1 开卷机

开卷机用于带钢第一道次轧制时的开卷，并为第一道次带钢轧制提供必要的张力。主要由卷筒、外支撑、压辊、传动电机、减速机、可伸缩万向节轴、制动器、底座、CPC对中液压缸及润滑系统等组成，主要轴承、旋转接头、CPC均采用国际一流品牌。

开卷机本体在对中液压缸作用下，可在底座上滑动，实现钢带CPC自动对中。卷筒为四棱锥轴型式，减速机为两级硬齿面传动。为方便开卷和防止松带，在卷轴上方设有压辊，压辊摆动由液压缸驱动。

4.2 开头矫直机

开拓矫直机用于带材开头、夹送、矫直、切头(切尾)，以及第一道次时为轧机提供后张力；后压辊在逆向轧制时帮助卷取、卸卷时收紧带尾。主要由开头伸缩摆动导板、夹送辊、三辊直头装置、切头剪和后摆动导板压辊组成。

伸缩摆动导板的伸缩和摆动、上夹送辊升降、上矫直辊升降、后摆动导板压辊的摆动均为液压缸驱动。上夹送辊由液压马达传动，进行引料；下夹送辊不带动力，安装有两个编码器，用于检测开卷轧制时带材速度及AGC控制。上、下矫直辊均不带动力。

4.3 机前装置

机前装置用于带钢穿带时的宽度方向对准轧制中心线、测厚、机前卷取时带钢引料、转向测速及轧制时钢带表面的乳化液挤干和吹扫。主要由机前转向引料装置、测厚仪装置、挤干装置和对中导板组成。

机前转向引料装置的引料辊和压辊装在同一摆轴的两个145°夹角的摆臂上，轴的摆动靠与轴端相连的180°摆动缸实现。当引料辊落下时，协助摆动导板将从轧机方向来的带头送入机前卷取机；当压辊落下时，将卷取机出来的钢带压在偏导辊上，靠压辊上的液压马达驱动送料；其余时间引料辊和压辊保持打开状态。

挤干装置由上下偏置的两对辊子组成，穿带时上辊抬起，轧制时上辊降下，使带材呈S形穿过，起稳定展平带材的作用。在挤干前后还设有上下共三排气刀，吹除带材表面的残液。检修时挤干装置可向传动侧移动，退出轧制线。

对中导板设在紧靠轧机的入口侧，用于穿带时带材对中，由液压马达通过减速机、同步齿轮齿条驱动左、右滑座，带动侧导板开合，其开口度可根据带宽调整。

4.4 六辊可逆冷轧机

六辊可逆冷轧机由机架装配、辊系装配、弯窜及平衡装置、推上装置、轧线标高调整装置、乳化液喷射系统、主传动装配、换辊装置以及机上平台、楼梯、排烟罩及液压润滑配管组成。

1)机架装配

机架装配包含两片牌坊、上下横梁、轨座、下支撑辊轨道、支撑辊锁紧装置、工作辊锁紧装置、机内垫板、机内轨道装配、接轴夹紧装置、入出口吹气装置、导板及防溅门等组成。

2)辊系装配

工作辊辊径小，适用于薄带轧制和变形抗力大的金属材料轧制。支承辊、中间辊、工作辊主轴承均采用四列圆柱滚子轴承，并采用油气润滑。

3)弯窜及平衡装置

上下工作辊轴承座通过T形槽与安装在机架窗口中部的四个缸块中的活塞式油缸连接，实现工作辊正负弯辊。

上下中间辊轴承座通过中间辊横移机构中上下中间辊弯辊油缸实现中间辊正弯辊，窜辊缸块实现中间辊窜辊。

上支撑辊平衡机构，由安置在牌坊窗口内的四个平衡缸块来完成。

4)推上装置

AGC缸装在牌坊底部，是轧机压下控制的执行机构，其特点是结构刚度大、磨擦系数低、密封性能好，以保证系统总体具有较高的响应特性。保证油缸在工作时有极高的位置分辨精度，因此该油缸采用合金钢材质，经特殊设计和加工工艺处理，满足上述要求。压下油缸带高精度磁致位移传感器。

5)轧线标高调整装置

轧线标高调整装置是由安装在牌坊上部的一套斜楔和阶梯垫板组合使用，无级调整轧线标高。因为工作辊、中间辊和支承辊的轧辊磨削量总量大，因此轧线标高调整装置的调整量也比较大。

6)乳化液喷射装置

采用大流量乳化液系统，13000L/min。上工作辊、下工作辊喷管装置，入出口各2组；上中间辊、下中间辊、上支承辊喷管装置，入出口各1组。

7)主传动装配

包括接轴、减速箱、安全联轴器、传动电机。主传动减速箱采用上下两层的齿轮减速，通过两台交流变频电机分别驱动上下工作辊进行轧制。

4.5 机后装置

机后装置功能与机前装置的类似，用于带钢测厚、机后卷取时带钢引料、转向测速及轧制时钢带表面的乳化液挤干和吹扫，以及成品剪切和事故处理。主要由挤干装置、测厚仪装置、液压剪、机后转向引料装置组成。机后装置中包含液压剪，不设对中导板，其余各个设备与机前装置的基本相同。液压剪为下切式斜刃剪，最大剪切力为150kN。

4.6 卷取机

机前卷取机用于带钢可逆轧制时的机前卷取和开卷，并为带钢轧制提供必要的张力。机前卷取机由卷筒、活动支撑、传动电机、减速机、制动器、推板、底座及润滑系统等组成。机后卷取机和机前卷取机结构基本相同，仅布置反向。主要轴承、旋转接头采用国际一流品牌。

卷筒为四棱锥轴型式，钳口为轴向斜揳，液压自动夹紧，减速机为两级硬齿面传动。机前卷取机的压辊装设在开头矫直机的后摆动导板上，机后卷取机的压辊安装在减速机上。为方便卸卷设有推板装置，安装在减速机顶部，液压缸驱动。活动支撑为封闭锥套式，打开及关闭液压缸驱动。

5 电气传动及自动化系统

5.1 供配电

对于恒速电机等负荷采用动力变压器，对于变频电机等谐波较大的负荷，采用整流变压器。整条生产线共配置了2台整流变压器和1台动力变压器。

机组设置一套UPS系统，向自动化系统等提供不间断电源。

5.2 电气传动

机组传动系统分主传动系统和辅助传动系统两部分。主传动系统均采用全交流变频调速，辅助传动系统中由变频调速系统和恒速控制两部分组成。

大功率直流电机的转速受限，而且交流变频调速范围大、精度高、运行维护成本低，当前主流的高水平六辊可逆冷轧机主传动通常选用交流变频电机。机组主电机主要参数如表2所示。

主传动采用SIEMENS公司的SINAMICS S120变频调速装置，公共直流母线型式。对于恒速电动机，采用马达控制中心(MCC)来进行控制，并配置必要的PLC接口信号。

5.3 基础自动化系统

本套可逆冷轧机组的基础自动化控制系统，由SIMATIC S7-400+2×FM458 、S7-300PLC及HMI系统构成。

AGC系统控制功能由一块FM458来完成。工艺逻辑控制及顺序控制功能由S7-400完成，电机速度控制、卷取机张力控制等工艺控制功能由S7-400和另外一块FM458完成。数据采集和所有机组辅助设备控制由S7-300PLC及若干远程I/O站ET200M完成。HMI系统完成机组参数设定、显示及运行状态监控。

在优化电控的情况下，张力控制精度：稳态≤±1.5%，动态≤±3%。0.2mm以下极薄料稳速轧制的厚度公差控制在±4um，轧机主令速度、入口、出口带钢厚差实际情况见图2。

表2 机组主电机的主要参数

图2 带钢厚度控制精度曲线

6 结语

新一代单机架六辊可逆冷轧机自2018年8月底投产以来，运行效果很好，为客户创造了良好的经济效益和社会效益。在此基础上，新一代单机架六辊可逆冷轧机已成功销往一带一路海外国家，必将为中国冶金装备成套出口海外做出新贡献。