400 mm硅鋼自動軋制試驗軋機

徐秀英，安利娟

(中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

1 前言

武鋼集團公司是我國生產(chǎn)硅鋼的主要基地，生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)管理等都是比較先進的。為開發(fā)取向硅鋼及無取向硅鋼新產(chǎn)品、取向硅鋼控軋工藝，武鋼委托西安重型機械研究所設(shè)計、研制的新型400 mm硅鋼熱軋試驗軋機，已于2005年11月進行熱負荷試車并投入生產(chǎn)。

該軋機是一套電動APC+液壓AGC的二輥可逆熱軋機，該設(shè)備成功地實現(xiàn)了在軋輥自動預(yù)壓靠后，可以按預(yù)設(shè)定的軋制表進行自動軋制，終軋溫度可保證在硅鋼軋制工藝試驗要求的溫度范圍內(nèi)。該軋機綜合了電動APC和液壓AGC各自的優(yōu)勢，實現(xiàn)了大壓下量快速給定、輥縫精調(diào)和軋制過程的輥縫控制?？刂葡到y(tǒng)先進、可靠，高精度的傳感器檢測設(shè)備的投入，為自動軋制過程的穩(wěn)定性及高控制精度提供了有力保證。產(chǎn)品帶材平直且板形好，帶厚1.5 mm左右的厚差可達到≤0.1 mm滿足試驗要求。

目前該軋機是國內(nèi)第一臺自動化水平較高、先進可靠的硅鋼熱軋試驗軋機，已經(jīng)不斷為武鋼集團公司開發(fā)新產(chǎn)品和提供新的工藝試驗數(shù)據(jù)，尤其對高端硅鋼及汽車板的生產(chǎn)，提供了有力的科學試驗數(shù)據(jù)支持。

2 主要工藝參數(shù)

坯料規(guī)格/mm 厚度×寬度×長度=(30～50)×150×200

成品規(guī)格/mm 厚度×寬度×長度=2.0×150×C (當坯料厚:30～50)1.5×150×C (當坯料厚:＜30)

成品精度/mm ≤0.1(帶才厚度1.5)

開軋溫度/℃ 1150(max1200)

終軋溫度/℃ ≥900～1000

軋機類型 二輥可逆軋機

軋輥尺寸/mm Φ450×350

軋輥最大開口度/mm 70

最大軋制壓力/kN 1 800

最大軋制力矩/kN·m 100

軋制速度/mm·s－10～1.0～2.5

電動壓下速度/mm·s－10～4～10.53

側(cè)導(dǎo)板通過油缸驅(qū)動

側(cè)導(dǎo)板移動行程/mm 50

側(cè)導(dǎo)板移動速度/mm·s－150～100

3 設(shè)備組成及功能

硅鋼熱軋試驗軋機由機械設(shè)備、液壓設(shè)備和電氣控制設(shè)備組成。

3.1 機械設(shè)備

3.1.1 機前(后)液壓導(dǎo)衛(wèi)板

包括喂料導(dǎo)衛(wèi)板、輥道及其工作臺等。喂料導(dǎo)衛(wèi)板用于帶鋼導(dǎo)向和限制翹頭，側(cè)導(dǎo)板由左右兩個油缸控制，有兩個導(dǎo)向桿，可以快速將導(dǎo)板推入推出。同時，由于油缸裝在螺母上，在油缸活塞桿伸出狀態(tài)時用手輪(或油馬達)通過絲杠、螺母可以微調(diào)并確定側(cè)導(dǎo)板開口度。

3.1.2 二輥可逆軋機

主要由軋輥裝置、機架裝置、電動壓下裝置、主傳動裝置、接軸抱緊裝置和快速換輥裝置等組成。

軋輥裝置中徑向軸承采用四列短圓柱滾子軸承，軋輥材質(zhì)采用高合金鑄鐵;軸承密封用防水、防氧化鐵皮的專用油封。

電動壓下裝置的電動壓下由兩臺小慣量非標直流電機驅(qū)動，通過一級圓弧圓柱蝸輪蝸桿減速，蝸桿采用尼曼蝸桿，壓下螺絲采用壓下專用推力軸承，保證了壓下系統(tǒng)精度高、效率高、噪音小、傳動平穩(wěn)。壓下螺絲位移由位移傳感器和光電編碼器檢測。

主傳動裝置由兩臺直流電機分別驅(qū)動上、下軋輥，并且選用小轉(zhuǎn)動慣量的Z4系列電機，有利于頻繁起動、制動;主減速機雙輸入、雙輸出，齒輪為硬齒面，兩套輪系各自獨立，互不干涉，以滿足上、下軋輥單獨傳動，并設(shè)置一臺油泵進行循環(huán)潤滑。

3.2 液壓設(shè)備

主要包括軋輥冷卻系統(tǒng)、液壓傳動系統(tǒng)、液壓壓下系統(tǒng)設(shè)備等。

(1)軋輥冷卻系統(tǒng)設(shè)備。主要包括冷卻系統(tǒng)設(shè)備、過濾裝置及噴嘴橫梁。在軋機入、出口側(cè)裝有4根噴嘴橫梁(每側(cè)2根)，形成上下各一排噴嘴，流量通過節(jié)流閥來調(diào)節(jié)冷卻水。

(2)液壓傳動系統(tǒng)設(shè)備。主要包括動力站和控制閥站。

(3)液壓壓下控制系統(tǒng)。主要包括壓下動力站、控制閥站、蓄能器過濾裝置及壓下油缸裝置。每個壓下油缸裝置上均安裝有壓力傳感器，高精度位移傳感器(MTS)，并配有集成閥塊。在集成閥塊上安裝有電液伺服閥，安全溢流閥。油缸形式采用壓下式活塞缸。

3.3 電氣設(shè)備

兩輥熱軋試驗軋機自動化控制系統(tǒng)包括AGC計算機控制系統(tǒng)、全數(shù)字直流傳動控制系統(tǒng)、可編程邏輯控制系統(tǒng)和計算機操作顯示系統(tǒng)。

電氣控制系統(tǒng)具有完整的軋機控制和操作功能，主要有軋制工藝操作控制、軋機速度控制、液壓系統(tǒng)控制、電動壓下位置控制、液壓輥縫自動控制、軋輥冷卻等輔助控制等。另外，控制系統(tǒng)可對軋制和實驗過程中的一些實時參數(shù)進行測量并整理存儲歸檔。系統(tǒng)還設(shè)有完善的操作及監(jiān)控顯示系統(tǒng)和故障診斷報警系統(tǒng)。

操作站具備軋線設(shè)備監(jiān)控、參數(shù)設(shè)定、軋件跟蹤、故障診斷、參數(shù)趨勢分析等多項功能，構(gòu)成簡潔、方便、友好的人機界面，為產(chǎn)品質(zhì)量作業(yè)率的提高提供了可靠的保證。

3.3.1 AGC計算機控制系統(tǒng)

AGC計算機控制系統(tǒng)由AGC控制站和AGC操作站組成。AGC控制站完成厚度控制所需的實時控制和邏輯控制功能，并完成厚度控制系統(tǒng)所需的操作、顯示、管理和維護功能。

控制站硬件包含一臺工控計算機及其外圍設(shè)備和輸入輸出板卡。控制站軟件主要實現(xiàn)油缸位置控制、油缸壓力控制、壓力補償厚度控制、自動壓靠控制、輔助調(diào)試支持等功能。

操作站硬件包含一臺工控計算機及其外圍設(shè)備。操作軟件是用 MS－VB、MS－VC、MSAPI編制的基于圖示的應(yīng)用系統(tǒng)，主要實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、實時數(shù)據(jù)數(shù)值顯示、歷史數(shù)據(jù)趨勢顯示、控制狀態(tài)設(shè)定、軋制工藝文件輸入輸出、入/出口厚度采樣記錄及統(tǒng)計、控制參數(shù)顯示/修改輸入輸出、回路參數(shù)整定、AGC故障顯示等功能。

3.3.2 直流傳動控制系統(tǒng)

軋機上下輥分別傳動，采用兩套獨立的全數(shù)字直流傳動控制裝置。選用SIEMENS 6RA70系列直流傳動裝置，采用四象限六脈沖可逆控制、速度控制系統(tǒng)。裝置配有MASTER DRIVES CBP通訊卡，通過PROFIBUS－DP網(wǎng)與CPU進行數(shù)據(jù)交換。

兩臺壓下電機采用兩套獨立的全數(shù)字直流傳動控制裝置，選用SIEMENS 6RA70系列直流傳動裝置，采用四象限六脈沖可逆控制、速度/位置控制系統(tǒng)。實現(xiàn)軋機的輥縫(位置)控制。各直流傳動裝置通過PROFIBUS－DP現(xiàn)場總線連網(wǎng)，大大減少了電纜使用量，降低了建設(shè)成本，還為系統(tǒng)提供很大的靈活性和擴展性。

3.3.3 PLC邏輯控制系統(tǒng)

PLC系統(tǒng)選用SIEMENS S7－300系列產(chǎn)品，PLC作為自動化控制的基礎(chǔ)，用于軋制工藝生產(chǎn)過程控制。西門子CPU315－2DP與工業(yè)控制計算機及直流傳動裝置通過PROFIBUS網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換。將程序控制命令發(fā)送給主傳動及壓下直流傳動裝置，驅(qū)動電機運行，完成主軋機自動起/制動、反向運轉(zhuǎn)以及電動APC的工作，實現(xiàn)大壓下量快速輥縫給定。系統(tǒng)配置數(shù)字量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊、通訊模塊、電源、裝配導(dǎo)軌、接口模塊等。

3.3.4 計算機操作顯示系統(tǒng)

系統(tǒng)配有上位操作計算機，以西門子Wicc組態(tài)軟件為平臺開發(fā)的操作界面簡潔、方便、直觀。

4 軋制流程

該試驗軋機軋制流程如圖1所示。

圖1 軋制流程圖Fig.1 Flow chart for rolling of experimental rolling mill

(1)軋前準備工作，調(diào)整軋機前(后)側(cè)導(dǎo)板的開口度。首先，油缸將推板推出，根據(jù)坯料寬度和工藝要求用手輪(或油馬達)通過絲杠、螺母調(diào)整到所需開口度，然后油缸返回;

(2)與此同時將坯料原始數(shù)據(jù)如軋件編號、材質(zhì)、尺寸、規(guī)格等輸入計算機;

(3)輸入軋制規(guī)程到計算機，包括每道次壓下量、軋制速度等;

(4)進行軋輥自動預(yù)壓靠并調(diào)零;

(5)開啟〈軋制〉按鈕，電動壓下裝置工作，軋輥擺好第一道輥縫;

(6)坯料放到機前工作臺后，由人工喂入軋輥，與此同時，軋機入出口均有測溫儀檢測坯料溫度，并在計算機及操作臺實時顯示記錄，機前側(cè)推板油缸動作，迅速將推板推至已調(diào)好的開口度，使坯料對中喂入軋輥;

(7)軋制時上位計算機實時顯示并記錄軋制力、輥縫、速度、電流、電壓等軋制參數(shù);

(8)軋件軋出，軋輥迅速自動反轉(zhuǎn)并升至所要求軋制速度;同時壓下裝置工作，電動壓下自動依據(jù)軋制規(guī)程迅速壓下所要求位移，液壓壓下進行壓下精調(diào)，調(diào)整好第二道輥縫;機后側(cè)導(dǎo)板快速將坯料對中，坯料再次送入軋輥進行第二道次軋制。

以此類推，軋機按軋制程序自動進行其余道次軋制至成品后，上軋輥自動抬起，噴水冷卻軋輥，一個軋程自動完成。

軋制結(jié)束各力能參數(shù)及軋制過程相應(yīng)數(shù)據(jù)可以自動生成報表，可根據(jù)日期、材質(zhì)等要求進行打印。

5 主要工藝特點

熱軋硅鋼軋制主要的工藝特點就是要保證終軋溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)，必須每道次間隙時間不超過3 s，即可以滿足軋制過程中軋件的溫降要求，那么對設(shè)備主要要求的就是“快”。當上道次軋制結(jié)束，主電機必須立刻降速、制動反轉(zhuǎn)、升速至該道軋制速度值;同時壓下裝置必須立刻調(diào)整好該道次所需輥縫值;機前、機后對中裝置及其它輔助條件也要做好準備，滿足下一道次軋制的要求等等，即軋制過程要盡量減少輔助時間。另外既要確保檢測和控制的精確性、滿足產(chǎn)品的板形及精度要求，又要保證軋制設(shè)備運行的快速性;所以操作程序必須實現(xiàn)自動軋制控制。

要實現(xiàn)自動軋制控制，該硅鋼試驗軋機設(shè)備具有以下功能特點:

(1)軋制速度要求達到2.5 m/s;

(2)由于總壓下量大，道次壓下量最大可達15～25mm;要求快速壓下，速度最高可達到10.53 mm/s;

(3)為了實現(xiàn)自動軋制控制，縮短道次間隙時間，控制系統(tǒng)必須及時準確地采集到軋件進出軋輥時的信號，以便控制系統(tǒng)能夠及時發(fā)送命令給傳動裝置驅(qū)動設(shè)備電機快速啟、制動運行，但由于軋機的工作過程中各因素的影響，此信號很難準確采集，成為成功實現(xiàn)自動軋制運行控制的瓶頸問題;

(4)實現(xiàn)自動軋制，必須保證控制系統(tǒng)的準確性、可靠性、及時性和穩(wěn)定性。

6 主要功能

根據(jù)工藝要求為了實現(xiàn)電機的快速啟、制動功能，依據(jù)直流電機在額定磁場下，電動機以額定轉(zhuǎn)矩加速到額定轉(zhuǎn)速所經(jīng)歷的時間

式中，t為電動機起、制動時間;GD2為飛輪轉(zhuǎn)矩;Me為動態(tài)轉(zhuǎn)矩。

只有當GD2很小時，t才能達到較小，即電機啟、制動快，因此在電機選擇時主傳動采用兩臺小慣量直流電機，通過一臺聯(lián)合減速箱體分別驅(qū)動上、下軋輥。同樣電動壓下也采用兩臺直流小慣量電機驅(qū)動，通過各自的傳動機構(gòu)作用到對應(yīng)的壓下螺絲，使上軋輥快速壓下、抬起。

為滿足大壓下量快速壓下和帶材成品高精度的要求，壓下裝置采用電動壓下+液壓壓下控制。電動壓下在進行大壓下量時投入，用于軋制時快速調(diào)整給定輥縫，液壓壓下用于軋制過程輥縫的精調(diào)和恒輥縫的控制。為了滿足設(shè)備及工藝要求主傳動電機及壓下電機控制均采用各自獨立的全數(shù)字直流傳動控制裝置進行控制，為了進一步保證主機兩臺電機啟動、制動、升速、降速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)的快速調(diào)整及壓下設(shè)備的快速反復(fù)啟、制動和升、降速的快速調(diào)節(jié)。根據(jù)轉(zhuǎn)矩平衡方程式

式中，Tmax為電機轉(zhuǎn)矩;TL為負載轉(zhuǎn)矩。

要實現(xiàn)電機的最快的起動和制動控制，當負載轉(zhuǎn)矩TL一定時，只要電機轉(zhuǎn)矩Tmax為最大，將產(chǎn)生最大加速度，同時通過電機轉(zhuǎn)矩特性T=CMφId知，要電機的力矩T最大只要將電機電樞電流Id調(diào)到最大即可。同理，要實現(xiàn)最佳制動過程也是將電樞電流調(diào)到最大，產(chǎn)生一個最大的反向力矩即可。因此，該軋機傳動控制系統(tǒng)充分的利用此電機控制原理進行控制調(diào)節(jié)，完全達到甚至優(yōu)于設(shè)計參數(shù)要求。

為了更好的提高產(chǎn)品精度，電動壓下位移量的檢測和液壓壓下輥縫的檢測，都采用高精度MTS位移傳感器，軋制壓力的檢測也選用了高精度的壓力傳感器，并根據(jù)設(shè)備特點采取了特殊的安裝形式如圖2所示，位移傳感器A(兩套)用于電動壓下，位移傳感器B(兩套)用于液壓壓下，確保檢測數(shù)據(jù)的準確性，保證了自動控制系統(tǒng)的準確性、可靠性、及時性和穩(wěn)定性。

圖2 位移傳感器的安裝Fig.2 Special mounting form

為了更好的完成用戶的要求，方便操作維護，為用戶提供準確可靠的實驗數(shù)據(jù)，該試驗軋機軋制規(guī)程的操作程序設(shè)計為自動控制和人工操作兩種控制方式，可以互相切換。系統(tǒng)可以實現(xiàn)對各力能參數(shù)及其它相關(guān)數(shù)據(jù)的實時采集監(jiān)測、屏幕顯示及打印功能;設(shè)有軋制壓力、軋制力矩(主電機電流)、每種材料不同規(guī)格坯料的軋制規(guī)程如道次計算厚度、軋件溫度、軋機速度等的檢測和顯示功能，并能自動生成報表，可隨時打印報表;軋機同時具有軋制壓力，主電機電流的過載保護、軋機緊急停車和故障報警功能。

為節(jié)省輔助時間，設(shè)備也做了相應(yīng)的改進創(chuàng)新，機前(后)液壓側(cè)導(dǎo)板開發(fā)了新的方案，其設(shè)備簡圖如圖3所示，生產(chǎn)前可以微調(diào)并根據(jù)需要確定側(cè)導(dǎo)板開口度，軋制時可以按程序要求快速將導(dǎo)板推進(保證開口度)或退回原處。

圖3 液壓側(cè)導(dǎo)板裝置Fig.3 Sketch of hydrolic side guiding plate control device in experimental prototype

7 結(jié)束語

硅鋼熱軋試驗機組用于硅鋼工藝試驗，開發(fā)研制硅鋼新產(chǎn)品、新工藝。由于取向硅鋼的生產(chǎn)對終軋溫度要求很嚴，必須在規(guī)定的范圍內(nèi)，為此，對軋制速度、軋制時間要求很高、很嚴。該硅鋼熱軋試驗機組在設(shè)備設(shè)計、自動控制系統(tǒng)等方面，為滿足這項要求開發(fā)了多項新的設(shè)計方案、檢測辦法，同時程序控制的不斷完善，滿足設(shè)計要求:軋輥可以實現(xiàn)自動預(yù)壓靠，成功實現(xiàn)自動軋制。軋制表預(yù)設(shè)定和道次的輥縫給定、軋輥的制動、反轉(zhuǎn)、升速等準確順利，其軋制過程時間、每道次軋制速度可以根據(jù)需要調(diào)整。

軋制工藝表預(yù)設(shè)定并記憶隨時可以調(diào)用;軋制報表包括坯料、產(chǎn)品數(shù)據(jù)、軋制力能參數(shù)可以實時檢測、記憶、打印，滿足試驗要求。

該試驗軋機對于硅鋼尤其取向硅鋼新產(chǎn)品、新工藝的開發(fā)研制具有深遠意義。

該硅鋼熱軋自動軋制試驗軋機是國內(nèi)第一臺，填補了國內(nèi)空白。

［1］ 潘純久．二十輥軋機高精度冷軋鋼帶生產(chǎn)［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1998．

［2］ ［美］L．R金茲伯格·馬東清［譯］．板帶軋制工藝學［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2003．