板帶軋機(jī)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

張軍良，崔 順，劉輝,2，張小明，夏明星

(1 西北有色金屬研究院， 陜西 西安 710016)( 2 西安建筑科技大學(xué)， 陜西 西安 710055)

近年來，隨著制造工業(yè)的快速發(fā)展，用戶對(duì)成品板材、帶材的板形精度要求越來越苛刻[1]。西北有色金屬研究院正在實(shí)施的多品種小批量建設(shè)平臺(tái)項(xiàng)目中，要求可逆冷軋機(jī)組生產(chǎn)成品的最小厚度為0.2mm，成品在穩(wěn)速軋制時(shí)的縱向公差要求≤±0.006mm，比現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)要嚴(yán)的多。成品的精度要求與軋機(jī)制造水平密切相關(guān)，為此對(duì)軋機(jī)市場進(jìn)行了調(diào)研，對(duì)軋機(jī)的發(fā)展歷史及國內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行了考證。本文主要從軋機(jī)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀的角度，淺談了軋機(jī)的變化過程和發(fā)展趨勢。

1 板帶軋機(jī)發(fā)展歷程

18世紀(jì)末，英國H.科特首創(chuàng)水力驅(qū)動(dòng)的二輥軋機(jī)。1779年，J.皮卡德用蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)軋機(jī)，使軋機(jī)得到廣泛的應(yīng)用。1848年，德國發(fā)明萬能式軋機(jī)。1891年，美國鋼鐵公司創(chuàng)建四輥厚板軋機(jī)。1897年德國成功地應(yīng)用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)軋機(jī)。到20世紀(jì)，美國J.B.泰勒斯發(fā)明帶鋼熱連軋機(jī)組，同期美國又出現(xiàn)寬帶冷軋機(jī)。30年代開始有帶鋼冷連軋機(jī)組。50年代以后，張力和板型控制的大型冷連軋機(jī)組得到發(fā)展，同期還發(fā)明了連續(xù)鑄坯機(jī)，基本上取代了粗軋機(jī)，與熱連軋機(jī)構(gòu)成聯(lián)合機(jī)組。

2 板帶軋機(jī)的基本構(gòu)成

板、帶軋機(jī)的組成：由主電機(jī)、主傳動(dòng)、主機(jī)座(工作機(jī)座)和軋輥組成[2]，板材軋機(jī)輔設(shè)傳輸輥道，帶材軋機(jī)在機(jī)架輥道外輔設(shè)卷曲機(jī)構(gòu)。在很多場合板材與帶材軋制可以互換。圖1為板、帶軋機(jī)的組成示意圖。

(a) 板、帶軋機(jī)傳輸裝置示意圖 (b) 板、帶軋機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置示意圖

3 軋機(jī)各部分的發(fā)展變化

板、帶軋機(jī)由最初的簡單兩輥軋機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在的多輥高精度軋機(jī)，經(jīng)歷了兩百多年的發(fā)展歷程，軋機(jī)各部位均有不同程度的發(fā)展變化，分述如下。

3.1 輥系的發(fā)展變化

從1779年至今，軋機(jī)輥系的發(fā)展變化是最大的。先后出現(xiàn)了兩輥、三輥、四輥、五輥、六輥、偏八輥、十二輥、二十輥、三十輥、行星軋輥等，如圖2。

圖2 軋輥的布置形式

(1)兩輥軋機(jī)

從發(fā)明到現(xiàn)在一直在使用，主要用于板材的熱軋開坯及軟金屬的冷軋加工。具有道次加工率大、板型平整的優(yōu)點(diǎn)，是其它軋機(jī)不可替代的。

(2)三輥軋機(jī)

三輥軋機(jī)的形式有普通式和勞特式，普通式軋機(jī)是在早期保持軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)方向不變的情況下，為提高軋制效率而設(shè)計(jì)出來的，是對(duì)兩輥軋機(jī)的一種改進(jìn)，從左至右在1和2輥之間穿過，反向軋制時(shí)從2和3輥之間穿過，目的在于避免軋機(jī)反轉(zhuǎn)啟動(dòng)產(chǎn)生較大電流對(duì)電器設(shè)備的損壞及電能的無功消耗，提高軋制效率。勞特式軋機(jī)減小第二軋輥直徑，目的在于減小接觸面積，降低軋制力，實(shí)現(xiàn)較薄材料的軋制。

(3)四輥軋機(jī)

四輥軋機(jī)是為了解決板、帶材厚度和寬度的矛盾而設(shè)計(jì)的，隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)板、帶材的寬度要求越來越高。如果要軋制寬板、帶材，則需要增加輥身長度，軋制力作用于軋輥兩端，軋輥中間產(chǎn)生彎曲，導(dǎo)致板、帶材厚度不均。為了軋出寬而薄的板、帶材，設(shè)計(jì)了四輥軋機(jī)，較粗的支承輥用來限制軋輥的彎曲變形，較細(xì)的工作輥用來減小接觸面積，實(shí)現(xiàn)較薄材料的軋制。

(4)五輥軋機(jī)

五輥軋機(jī)是對(duì)四輥軋機(jī)的一種改進(jìn)，其作用原理與三輥軋機(jī)相同，目的是避免反向啟動(dòng)對(duì)設(shè)備的損害及降低能耗，同時(shí)又能軋制較薄的材料。

(5)偏八輥軋機(jī)

偏八輥軋機(jī)也是對(duì)四輥軋機(jī)的改進(jìn)，主要是為了解決四輥軋機(jī)工作輥前后方向的彎曲變形問題，以利獲得尺寸精度更高的板材，滿足工業(yè)需要。其作用原理是工作輥向軋制出口方向偏置，靠大輥支撐避免向軋制進(jìn)口方向彎曲，靠中間換向輥和小支承輥的作用避免向軋制出口方向彎曲，由此可保證輥縫平直，軋出的板、帶材尺寸均勻一致。

(6)六輥軋機(jī)

六輥軋機(jī)與偏八輥軋機(jī)的原理基本相同，目的在于限制工作輥的彎曲，不同之處在于支撐輥呈左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，依然通過減小工作輥的直徑軋制出更薄更寬的板材。

(7)HC六輥軋機(jī)

HC六輥軋機(jī)是最近幾十年開發(fā)研制的新型軋機(jī)，是在原四輥軋機(jī)的基礎(chǔ)上增加了一對(duì)中間輥，利用中間輥的左右抽動(dòng)改變工作輥的接觸面積，實(shí)現(xiàn)軋輥凸度的在線調(diào)整，同時(shí)還可以對(duì)工作輥施加彎曲力，進(jìn)一步調(diào)整凸度。隨著軋制過程的進(jìn)行，材料的硬度不斷變化，變形抗力逐步增大，要獲得厚度均勻的板、帶材，需及時(shí)調(diào)整凸度，HC六輥軋機(jī)能夠很好的滿足這種要求。

(8)20輥和30輥軋機(jī)

20輥和30輥軋機(jī)是為了軋制箔材而設(shè)計(jì)的，作用原理是通過逐級(jí)支撐保持軋輥不變形，此種支撐方式增加了支撐輥的數(shù)量，減小了支承輥的直徑，工作輥的直徑可以降低到很小的程度，30輥軋機(jī)工作輥?zhàn)钚≈睆娇蛇_(dá)2mm，軋制產(chǎn)品厚度可達(dá)0.0015mm，由此可滿足不同行業(yè)對(duì)箔材的要求。

(9)行星軋機(jī)

行星軋機(jī)由兩個(gè)大直徑支承輥帶動(dòng)兩組行星輥系，板坯或扁錠一次通過即可熱軋成薄帶，壓下率達(dá)90～95%。若在前道工序配以連鑄機(jī)，后道工序配以平整機(jī)則可簡化熱軋帶鋼的生產(chǎn)工藝。大型行星軋機(jī)的輥身長度可達(dá)1450mm。此種軋機(jī)工作效率極高，軋制板、帶材的性能較好，不足之處是磨輥維護(hù)不方便，對(duì)行星輥的直徑一致性要求較高。

總之，軋機(jī)輥系的變化是隨著人們對(duì)材料性能、尺寸精度、工作效率、節(jié)能減排的要求而逐漸發(fā)展起來得，是前人智慧的結(jié)晶，值得我們學(xué)習(xí)和借鑒。今后，若對(duì)材料提出更高要求時(shí)，必然會(huì)有更新型的輥系出現(xiàn)，這是歷史發(fā)展的必然。

3.2 牌坊的發(fā)展變化

早期的機(jī)架牌坊分為閉式和開式[3]，如圖3。閉式牌坊具有剛度好，強(qiáng)度高，適用于大加工率、大變形抗力的場合。開式牌坊則具有換輥方便的優(yōu)點(diǎn)。

圖3 牌坊的形式

早期牌坊的橫截面一般設(shè)計(jì)為正方形，以下簡稱正方形牌坊，目前則普遍青睞于橫截面為長方形的牌坊，以下簡稱為板式牌坊。圖4給出了牌坊橫截面積為285600mm2，斷面尺寸分別為534.5×534.5mm2、510×560mm2、420×680mm2的ANSYS有限元分析結(jié)果，分別定義斷面尺寸534.5×534.5mm2、510×560mm2、420×680mm2的牌坊為0號(hào)正方形牌坊、1號(hào)常規(guī)牌坊、2號(hào)板式牌坊。其軋制力方向位移數(shù)據(jù)如表1所示。

(a)0號(hào)正方形牌坊建模 (b)0號(hào)正方形牌坊仿真結(jié)果圖

(c) 1號(hào)常規(guī)牌坊仿真結(jié)果圖 (d) 2號(hào)板式牌坊仿真結(jié)果圖

表1三種不同牌坊的軋制力方向位移比較

牌坊號(hào)牌坊斷面尺寸(mm2)斷面面積(mm2)軋制力方向最大位移(mm)0534.5×534.5285690.250.7641510×5602856000.75812420×6802856000.7456

通過比較三種牌坊，不難得出2號(hào)板式牌坊軋制力方向最大位移小于0號(hào)正方形牌坊及1號(hào)常規(guī)牌坊。可見，板式牌坊較正方形牌坊及常規(guī)牌坊具有更好的剛度，并且不易發(fā)生彎曲變形，可有效保證軋件的尺寸精度。對(duì)上面1、2號(hào)板式牌坊做力學(xué)分析對(duì)比，得出表2中的數(shù)據(jù)。

表2 不同截面尺寸的板式牌坊力學(xué)分析對(duì)比表

從表2中數(shù)據(jù)得出：2號(hào)板式牌坊較1號(hào)板式牌坊具有更好的截面特性，承載性能更好，變形更小，更安全?？傊?，牌坊的變化是朝著提高剛度、減小變形、有利操作的方向發(fā)展，更趨合理、更趨實(shí)用。

3.3 傳動(dòng)方式的發(fā)展變化

傳動(dòng)方式的變化主要表現(xiàn)如下：早期的傳動(dòng)方式是電機(jī)帶動(dòng)減速箱齒輪，再帶動(dòng)兩根連接軸，使上下輥反向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)板材軋制。此種方式的主要缺點(diǎn)在于：當(dāng)上下輥徑相差較大時(shí)，軋出板材會(huì)向輥徑較小的一面彎曲。目前，主流的傳動(dòng)方式已改為雙電機(jī)單獨(dú)傳動(dòng)上下輥，通過調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)上下輥的線速度相同，進(jìn)而軋出平整的板材。

3.4 電機(jī)的發(fā)展變化

電機(jī)的變化經(jīng)歷了三個(gè)階段，第一階段是交流不可調(diào)速階段，軋制速度設(shè)計(jì)為較低的恒定的速度，人工操作能夠適應(yīng)，依靠轉(zhuǎn)換開關(guān)改變軋制方向。此種方式效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，能耗高，設(shè)備損傷大。

第二階段為自20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的直流調(diào)速電機(jī)傳動(dòng)，相比交流不可調(diào)速電機(jī)，它實(shí)現(xiàn)了速度大小的靈活掌控，以及相對(duì)容易的轉(zhuǎn)向，此種方式設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性好，生產(chǎn)效率高，操作靈活方便，比第一階段有很大進(jìn)步。

第三階段為20世紀(jì)80年代，發(fā)展起來的交流變頻調(diào)速階段，它通過對(duì)交流電頻率的調(diào)整實(shí)現(xiàn)速度調(diào)整，電機(jī)運(yùn)行安全可靠，減少故障，免維護(hù)，提高效率[4]。中日合資成都聯(lián)虹鉬業(yè)有限公司擁有的450t四輥冷軋可逆軋機(jī)，主要用來軋制鎢鉬板材，該軋機(jī)主傳動(dòng)部分采用交流變頻調(diào)速電機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)軋制速度0～90m/min無級(jí)可調(diào)。交流變頻電機(jī)價(jià)格較直流電機(jī)昂貴，但是其速度控制系統(tǒng)的相應(yīng)速度約在30～40rad/s，大約是直流電機(jī)的2～3倍，并且交流電機(jī)從零到高速軋制過程中的速度控制精度可達(dá)到±0.01 rad/s，而直流電機(jī)的速度控制精度約為±0.05 rad/s。交流變頻電機(jī)調(diào)速已逐漸成為未來軋機(jī)主電機(jī)的首選。

3.5 安全系統(tǒng)的發(fā)展變化

軋機(jī)設(shè)計(jì)一般都要考慮安全裝置，當(dāng)軋機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在設(shè)定的某處優(yōu)先破壞，防止其它部位的損壞。早期的安全環(huán)節(jié)設(shè)定在壓下螺栓底部，在該處設(shè)定一個(gè)安全節(jié)(鋼塊)，當(dāng)軋機(jī)過載時(shí)，該鋼塊被壓垮，從而達(dá)到卸載目的，此種裝置缺點(diǎn)在于鋼塊飛出易傷人。后來將安全環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)在萬向聯(lián)軸節(jié)，即：萬向節(jié)銷釘設(shè)計(jì)為薄弱環(huán)節(jié)，當(dāng)軋機(jī)過載時(shí)，銷釘被剪斷，軋機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，此種方式修復(fù)銷釘需要一定時(shí)間和成本。最新的設(shè)計(jì)是當(dāng)軋機(jī)過載時(shí)，液壓系統(tǒng)安全閥門被沖開，液壓油快速回流，使軋機(jī)卸載，修復(fù)時(shí)只要使閥門復(fù)位即可。

3.6 壓下系統(tǒng)的發(fā)展變化

早期的兩輥軋機(jī)一般設(shè)計(jì)為手動(dòng)壓下，利用一個(gè)很大的圓盤舵，帶動(dòng)蝸輪蝸桿副，實(shí)現(xiàn)壓下。后來發(fā)展成電動(dòng)壓下，利用交流電機(jī)帶動(dòng)，通過摩擦片離合器實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確壓下。目前的軋機(jī)已發(fā)展為電動(dòng)壓下和液壓壓下相結(jié)合，以電動(dòng)壓下實(shí)現(xiàn)大范圍輥縫調(diào)整，再以液壓方式實(shí)現(xiàn)小范圍準(zhǔn)確調(diào)整，有效地保證了軋件的尺寸準(zhǔn)確性。

3.7 控制系統(tǒng)的發(fā)展變化

軋機(jī)控制系統(tǒng)包括壓下控制、軋輥轉(zhuǎn)速控制、帶材張力控制、厚度測量、信息反饋、安全報(bào)警、緊急停車等。所有控制系統(tǒng)的發(fā)展都經(jīng)歷了由手動(dòng)控制到模擬控制以至今天的人工智能控制的發(fā)展歷程。

早期的手動(dòng)控制是靠人工操作按鈕，使電機(jī)正反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到預(yù)期目的。后來的模擬控制是依靠計(jì)算機(jī)模擬工藝過程，存儲(chǔ)程序，按設(shè)定的工藝路線自動(dòng)運(yùn)行，對(duì)于相同的材料可執(zhí)行相同的程序，反復(fù)進(jìn)行，獲得一致的結(jié)果。

目前的人工智能控制系統(tǒng)不但可以設(shè)定程序，按程序規(guī)定執(zhí)行預(yù)定的操作，而且可以根據(jù)運(yùn)行過程的結(jié)果偏差自動(dòng)修改程序，達(dá)到預(yù)定目的。以帶材軋制為例，來料厚度、成品厚度、道次壓下量、張力等參數(shù)可預(yù)先設(shè)定，存入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，啟動(dòng)程序，軋制過程自動(dòng)進(jìn)行，厚度測量系統(tǒng)得到信息傳寄給計(jì)算機(jī)，經(jīng)過比對(duì)得出結(jié)果偏差，系統(tǒng)自動(dòng)修正程序，使軋制產(chǎn)品尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求。2002年西部金屬材料股份有限公司和東北大學(xué)軋制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與陜西壓延設(shè)備廠共同研究開發(fā)的550鎢鉬板材軋機(jī)，將自動(dòng)檢測和計(jì)算機(jī)模擬及工藝優(yōu)化控制應(yīng)用到鎢、鉬軋制過程中，為大規(guī)格鎢鉬板軋制技術(shù)的研究和開發(fā)提供了設(shè)備保障[5]。

詳細(xì)的發(fā)展歷程比較復(fù)雜，很難逐一描述，僅以傳動(dòng)過程的變頻調(diào)速為例，足以說明控制系統(tǒng)發(fā)展變化歷程的復(fù)雜，表3給出了電氣傳動(dòng)與變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展變化。

表3 電氣傳動(dòng)與變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展變化

特 征 應(yīng)用年代飽和磁放大器供電的交流調(diào)速傳動(dòng)20世紀(jì)60年代初～60年代后期靜止串級(jí)調(diào)速交流調(diào)速傳動(dòng)20世紀(jì)70年代中～現(xiàn)在循環(huán)變流器供電的交流變頻調(diào)速傳動(dòng)20世紀(jì)80年代后期～現(xiàn)在電壓或電流型6脈沖逆變器供電的交流變頻調(diào)速傳動(dòng)20世紀(jì)80年代初～現(xiàn)在BJT(IBJT)PWM逆變器供電的交流變頻調(diào)速傳動(dòng)20世紀(jì)90年代初～現(xiàn)在

3.8 多機(jī)架軋機(jī)的發(fā)展

為提高軋制效率，在單機(jī)架軋機(jī)往復(fù)軋制的基礎(chǔ)上發(fā)展出多機(jī)架連軋機(jī)，用于材料的開坯軋制，獲得熱軋板，若機(jī)前配置連鑄裝置，實(shí)現(xiàn)連鑄連軋，生產(chǎn)效率可大幅度提高。在軋制鋼板材方面，薄板坯連鑄連軋機(jī)的使用率為85%以上[6]。武漢鋼鐵集團(tuán)引進(jìn)西馬克公司CSP技術(shù)的薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線已于2009年3月投產(chǎn)使用，設(shè)計(jì)產(chǎn)能達(dá)250萬噸/年，可生產(chǎn)厚度為8～127mm、寬度為900～1600mm的熱軋鋼板。

4 結(jié)論

① 軋機(jī)自最早的水力驅(qū)動(dòng)二輥軋機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在的多輥軋機(jī)，經(jīng)歷了傳動(dòng)方式、電機(jī)、控制系統(tǒng)多方面的變化過程；

② 軋機(jī)機(jī)架板式牌坊在剛度、承載性能、加工產(chǎn)品的精度等方面優(yōu)于正方形牌坊，機(jī)架牌坊的變化朝著提高剛度、減小變形、利于操作的方向發(fā)展；

③ 軋機(jī)制造水平必須保持與時(shí)俱進(jìn)，力求簡單、方便、省力、實(shí)用、節(jié)能、環(huán)保，以滿足我國鋼鐵和有色金屬行業(yè)板、帶材的需求。

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