寶鋼2000mm五機(jī)架冷軋機(jī)全連續(xù)軋制裝備的研究

寶鋼2000mm五機(jī)架冷軋機(jī)全連續(xù)軋制裝備的研究

1帶鋼連續(xù)軋料不管，鋼和露天開采機(jī)都是德國(guó)西蒙泰克（sms）公司設(shè)計(jì)制造的年產(chǎn)品帶鋼210萬(wàn)噸的大型設(shè)備。原料帶鋼厚度是1.8～6.0mm,成品帶鋼厚度是0.35～3.5mm。按照設(shè)計(jì)規(guī)定,原料厚度范圍為1.8～4.5mm的帶鋼(連續(xù)軋制料)采用全連續(xù)軋制方式(無(wú)頭軋制),原料厚度范圍為4.5～6.0mm的帶鋼(常規(guī)軋制料)采用常規(guī)軋制方式(單卷軋制)。這臺(tái)軋機(jī)雖以全連續(xù)軋制方式為主,常規(guī)軋制方式為輔,但常規(guī)軋制的冷軋板仍然是限制軋機(jī)能力的大問(wèn)題。為了更進(jìn)一步地發(fā)揮軋機(jī)的生產(chǎn)能力和開發(fā)市場(chǎng)需要的高難度高附加值的產(chǎn)品,開展了常規(guī)軋制料全連續(xù)軋制的裝備研究。根據(jù)常規(guī)軋制料實(shí)施全連續(xù)軋制的工藝要求,在不影響軋機(jī)正常生產(chǎn)的條件下,從1993年到1998年,全面完成了全連續(xù)裝備的改造任務(wù),實(shí)現(xiàn)了常規(guī)軋制料全連續(xù)軋制方式,極大地提高了軋機(jī)的生產(chǎn)能力。2傳統(tǒng)研磨材料的連續(xù)導(dǎo)線分析2.1u3000研究計(jì)算常規(guī)軋制料采用全連續(xù)軋制,能夠起到提高軋機(jī)生產(chǎn)能力的作用。例如鋼卷重量為27.4t,用厚5.5mm、寬1500mm、長(zhǎng)417.5m的熱軋帶鋼軋成厚2.5mm、寬1520mm、長(zhǎng)918.55m的冷軋帶鋼。對(duì)這同一種規(guī)格的常規(guī)軋制料進(jìn)行理論計(jì)算,常規(guī)軋制和連續(xù)軋制兩種軋制方式的計(jì)算結(jié)果如表1所示。理論計(jì)算的結(jié)果表明,同一卷常規(guī)軋制料采用不同的軋制方式所花費(fèi)的軋制時(shí)間是不同的。就這卷鋼而言,全連續(xù)軋制時(shí)間比常規(guī)軋制時(shí)間縮短3.84min。2.2帶鋼長(zhǎng)度的確定可以根據(jù)帶鋼長(zhǎng)度與軋制速度的關(guān)系進(jìn)行可行性的分析。假設(shè)在活套內(nèi)存貯的帶鋼有足夠的長(zhǎng)度(>V0t),那么充套鋼卷的帶鋼長(zhǎng)度L應(yīng)符合軋機(jī)入口能夠連續(xù)供料的條件。L(單位:m)的計(jì)算公式如下:L=V0t/(1-V0/V)(1)式中,V0是軋機(jī)入口速度,m/min;V是充套速度,m/min;t是焊機(jī)焊接時(shí)間,min。軋機(jī)出口飛剪能夠分卷的最低剪切速度是130m/min。滿足分卷要求的軋機(jī)入口速度V0的計(jì)算公式如下:V0=V5h5/h0≥130h5/h0(2)式中,h0、h5分別是軋機(jī)入口、出口的帶鋼厚度,mm;V5是軋機(jī)出口速度,m/min。公式(1)、(2)既表達(dá)工藝參數(shù)之間的關(guān)系,也反映了開卷機(jī)、活套、焊機(jī)和飛剪等相關(guān)設(shè)備能力對(duì)所需帶鋼長(zhǎng)度的制約作用,因此可以根據(jù)這些設(shè)備的相關(guān)參數(shù)來(lái)確定全連續(xù)軋制的每卷料所必需的帶鋼長(zhǎng)度。例如在自動(dòng)分卷時(shí),軋機(jī)入口速度必須確保軋機(jī)出口飛剪的正常分卷剪切速度不得低于130m/min;在充套時(shí)充套速度不得大于開卷機(jī)的最大速度780m/min。假若軋機(jī)入口速度V0等于130m/min,焊機(jī)正常焊接時(shí)間t為1.5min,用780m/min進(jìn)行充套,那么每個(gè)全連續(xù)軋制的鋼卷所必需的帶鋼長(zhǎng)度是234m。實(shí)際上每卷常規(guī)軋制料的長(zhǎng)度一般都在400m以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)這個(gè)全連續(xù)軋制所必需的長(zhǎng)度。多年來(lái)的生產(chǎn)實(shí)績(jī)證明,常規(guī)軋制料的長(zhǎng)度完全可以滿足全連續(xù)穩(wěn)速軋制的要求。3提高帶鋼規(guī)格按原設(shè)計(jì)規(guī)定常規(guī)軋制料只能采用常規(guī)軋制方式,一卷一卷地軋制。如把常規(guī)軋制料從常規(guī)軋制方式改用全連續(xù)軋制方式,進(jìn)入軋機(jī)入口活套的帶鋼最大規(guī)格要由4.5mm×1850mm提高到6.0mm×1850mm,需要提高入口段設(shè)備的通帶能力;軋機(jī)出口的最大分卷帶鋼規(guī)格從2.0mm×1850mm提高到3.5mm×1850mm,需要提高分卷飛剪機(jī)的剪切能力。要想達(dá)到這樣的目標(biāo),很顯然,必須改造相關(guān)設(shè)備,提高機(jī)組的裝備水平,以適應(yīng)于常規(guī)軋制料全連續(xù)軋制的要求。3.1提高機(jī)輸入設(shè)備的傳送能力3.1.1采用全連續(xù)制備方式軋機(jī)入口段的活套是向軋機(jī)連續(xù)供料的關(guān)鍵設(shè)備,其設(shè)備能力將決定常規(guī)軋制料能否采用全連續(xù)軋制方式。若是常規(guī)軋制料采用全連續(xù)軋制方式的話,輸送帶鋼的最大厚度將是原先的1.33倍,活套的總張力相應(yīng)地要從原有的300kN提高到400kN。為防止出現(xiàn)拚設(shè)備的現(xiàn)象,讓現(xiàn)有活套設(shè)備滿足要求,進(jìn)行了以下工作:(1)主要設(shè)備參數(shù)由于常規(guī)軋制料來(lái)自于酸洗機(jī)組,因此可以依據(jù)酸洗活套的主要設(shè)備參數(shù)來(lái)推斷軋機(jī)活套設(shè)備的潛力。酸洗活套和軋機(jī)活套主要設(shè)備參數(shù)如表2所示。根據(jù)表2比較這兩套活套小車主要機(jī)電設(shè)備參數(shù),軋機(jī)活套小車的電機(jī)功率比酸洗活套小車電機(jī)功率大,因此可以初步認(rèn)為軋機(jī)活套具有通過(guò)常規(guī)軋制料的能力。(2)電氣裝置的驅(qū)動(dòng)能力和機(jī)械設(shè)備為了定量說(shuō)明問(wèn)題,以活套最大工作張力400kN為運(yùn)行條件,進(jìn)一步復(fù)核校驗(yàn)活套機(jī)電設(shè)備的能力。在電氣設(shè)備方面,從整流變壓器到直流電機(jī)所有電氣設(shè)備都進(jìn)行了校驗(yàn)計(jì)算,證實(shí)了活套電氣裝置有足夠的驅(qū)動(dòng)能力。在機(jī)械設(shè)備方面,利用有限元分析軟件復(fù)核計(jì)算活套鋼架鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及機(jī)械設(shè)備能力,證實(shí)了高達(dá)9m多的鋼結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力均在允許范圍之內(nèi),機(jī)械設(shè)備(包括支架、地腳螺栓)都是安全可靠的。經(jīng)以上復(fù)核校驗(yàn)證明,活套確實(shí)具有輸送常規(guī)軋制料的能力。3.1.2水冷卻器系統(tǒng)按照常規(guī)軋制料實(shí)施連軋的要求,并依據(jù)歷年的設(shè)備故障記錄,確定設(shè)備改造項(xiàng)目。(1)改造焊機(jī)后夾送輥,電機(jī)由12kW改為25kW,以適應(yīng)常規(guī)軋制料焊接工藝的起套要求。(2)改造活套電機(jī)背包式空氣—水冷卻器系統(tǒng),提高了活套電機(jī)的冷卻能力,使電機(jī)的溫升符合電氣設(shè)備通用維修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。(3)改造2#控制輥壓緊輥框架,使它能夠承受壓緊6.0mm×1850mm帶鋼的要求。(4)改造第一機(jī)架入口三輥導(dǎo)向裝置,滿足了6.0mm×1850mm帶鋼的全連續(xù)軋制的要求。3.1.3設(shè)備功能的改進(jìn)和設(shè)備控制參數(shù)的改變(1)修改計(jì)算機(jī)控制的數(shù)學(xué)模型，最大允許通過(guò)活套的鋼厚為4.5mm放大到6.0mm,活套最大張力從300kN放大到400kN,并相應(yīng)調(diào)整了活套張力系統(tǒng)的控制參數(shù)。(2)通過(guò)添加miebach焊接程序，調(diào)整焊接傳統(tǒng)緩沖料的最大帶鋼規(guī)格為6.0mm×1850mm的要求。通過(guò)以上的機(jī)電計(jì)算機(jī)設(shè)備改造和功能完善,提高了軋機(jī)入口段的通帶能力,滿足了輸送常規(guī)軋制料的要求。3.2最大制備電機(jī)的力學(xué)性能在常規(guī)軋制料實(shí)施全連續(xù)軋制方式以后,為了適應(yīng)優(yōu)化軋制規(guī)范的需要,相應(yīng)地修改了軋機(jī)主傳動(dòng)電機(jī)的控制參數(shù)。根據(jù)他激直流電機(jī)的控制特性,在基速以下,采用恒力矩控制方式,在基速以上,采用恒功率控制方式。常規(guī)軋制料在全連續(xù)軋制時(shí)軋制速度比較低,往往使電機(jī)處在恒力矩控制方式下運(yùn)行。在這樣的情況下,按照電機(jī)額定功率放開機(jī)架的最大軋制力矩是一件非常重要的工作。根據(jù)電機(jī)力矩的公式,每個(gè)機(jī)架電機(jī)所能提供的軋制力矩應(yīng)按下式計(jì)算:式中,i是齒輪的傳動(dòng)比。計(jì)算的結(jié)果如表3所示。表3表明,在機(jī)架電機(jī)功率相同的情況下,各個(gè)機(jī)架的軋制力矩是不同的。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中規(guī)定各個(gè)機(jī)架最大軋制力矩是280kN·m。在軋制過(guò)程中各個(gè)機(jī)架的軋制力矩都被控制在280kN·m的范圍內(nèi),使1,2機(jī)架電機(jī)的能力只能用到68%,因而限制了1,2機(jī)架電機(jī)的能力。對(duì)軋制常規(guī)軋制料而言,1,2機(jī)架的電機(jī)容易處在恒力矩控制方式下運(yùn)行,往往使后面機(jī)架的電機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重的過(guò)載現(xiàn)象,造成電機(jī)容量不足的假象,第4機(jī)架電機(jī)甚至?xí)l(fā)生跳電的事故。為了軋制常規(guī)軋制料的需要,對(duì)應(yīng)6900kW的電機(jī)功率修改各個(gè)機(jī)架最大軋制力矩的設(shè)定值是一件非常必要的工作,這項(xiàng)工作對(duì)1,2機(jī)架來(lái)說(shuō)尤其重要。通過(guò)調(diào)整電機(jī)的控制參數(shù),起到了發(fā)揮電機(jī)能力的作用。3.3提高機(jī)螺紋出口螺紋剪切機(jī)的切割能力3.3.1研制新型飛剪機(jī)冷軋成品帶鋼厚度是0.35～3.5mm。軋機(jī)出口原先使用的分卷飛剪機(jī)是德國(guó)西馬克(SMS)的滾筒式平直剪刃飛剪機(jī)。它的最大剪切板厚為2.0mm,遠(yuǎn)小于剪切3.5mm的要求,不能滿足厚規(guī)格冷軋板剪切的要求,只能一卷一卷地軋制。根據(jù)技術(shù)資料查詢,目前世界上冷板剪切飛剪機(jī)的最大剪切能力不超過(guò)3.0mm(實(shí)際使用不超過(guò)2.5mm)。為了達(dá)到常規(guī)軋制料全連續(xù)軋制生產(chǎn)工藝的要求,所以需要研制新型的飛剪機(jī)。在綜合考慮軋機(jī)的生產(chǎn)和設(shè)備各種因素以后,確定了研制新剪機(jī)的“四個(gè)不改變”原則,即:不改變SMS飛剪機(jī)的電機(jī),不改變SMS飛剪機(jī)的電控系統(tǒng)參數(shù),不改變SMS飛剪機(jī)的滾筒飛輪轉(zhuǎn)矩的大小,不改變SMS飛剪機(jī)的安裝尺寸。在“四個(gè)不改變”的前提條件下,選擇了螺旋剪替代平直剪的改造方案,從而達(dá)到了提高飛剪剪切能力的作用。SMS平直剪能夠剪切的最大帶鋼規(guī)格是1850mm×2.0mm,其最大剪切力Fmax公式如式(4)所示。Fmax=τb1850mm×2.0mm(4)式中,τb——帶鋼的極限剪切強(qiáng)度。螺旋剪的剪切力的大小跟板厚h的平方成正比。其最大剪切力fmax公式如(5)所示。fmax=kτbh2maxmax2/(2tanβ)(5)式中,k為修正系數(shù)(取值≥1);β為螺旋角(取值1°)。當(dāng)fmax和Fmax兩個(gè)最大剪切力相等時(shí),則可得到螺旋剪的最大板厚hmax的數(shù)值。計(jì)算結(jié)果是hmax?3.5mm。由此可見,只有符合“四個(gè)不改變”研制原則的螺旋剪,才能繼續(xù)使用SMS飛剪的電控系統(tǒng),才能繼續(xù)保持SMS飛剪最大剪切力的能力,才能讓飛剪的最大剪切板厚由2.0mm增加到3.5mm以上,以適應(yīng)各種規(guī)格冷軋帶鋼分卷和切頭切尾的需要。3.3.2新型螺旋飛剪機(jī)新型飛剪機(jī)是由寶鋼與西安重型機(jī)械研究所共同研制成功的,實(shí)際剪切最大板厚可以達(dá)到5.8mm,滿足了各種規(guī)格冷軋板全連續(xù)軋制的要求。利用螺旋剪刃技術(shù)大幅度提高飛剪機(jī)的剪切能力,在國(guó)際上還沒(méi)有這方面的實(shí)例可供參考,因此研制這臺(tái)飛剪機(jī)的難度極高。關(guān)鍵技術(shù)之一在于否定了國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)的“按給定軌跡”確定飛剪機(jī)構(gòu)參數(shù)的方法,提出了“按工藝要求直接求解飛剪機(jī)構(gòu)參數(shù)”的原理,找到了最大剪切鋼板厚度可達(dá)7.0mm的新機(jī)構(gòu)數(shù)組X;關(guān)鍵技術(shù)之二在于突破了國(guó)內(nèi)外螺旋刃滾筒式飛剪機(jī)一律取螺旋角β=1°的做法,建立了以β為協(xié)衡因子的“數(shù)學(xué)橋模型”,構(gòu)成了“X+β”的機(jī)械理論。根據(jù)“X+β”理論創(chuàng)新設(shè)計(jì)了“寶鋼2030mm外耦滾筒機(jī)構(gòu)協(xié)衡飛剪機(jī)”,產(chǎn)生了一系列突破效應(yīng)。(1)該飛剪機(jī)突破了冷板剪切的滾筒飛剪機(jī)不能剪較厚板材的國(guó)內(nèi)外歷史性難題,并挖掘了平直刃飛剪的設(shè)備潛力,已將最大剪切板厚2.0mm的平直刃飛剪改造成實(shí)際剪切板厚達(dá)到5.8mm的螺旋刃飛剪。(在理論上最大剪切板厚可以達(dá)到7.0mm)(2)該飛剪機(jī)跟原先的德國(guó)SMS公司的飛剪機(jī)相比較,有著明顯的優(yōu)越性。a)使用原飛剪機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī),把最大剪切帶鋼厚度由2.0mm提高到生產(chǎn)需要的3.5mm,起到了增大剪切力的作用。b)在板厚0.35～3.5mm范圍內(nèi)剪切冷軋板,剪刃間隙不用調(diào)整。c)刀片壽命長(zhǎng),刀片更換周期由2～3個(gè)月延長(zhǎng)到1年以上。d)剪切斷口質(zhì)量好,剪切毛刺小。(3)該飛剪機(jī)剪切機(jī)構(gòu)的特征參數(shù)與國(guó)內(nèi)外相關(guān)飛剪進(jìn)行比較,具有以下的特色:a)剪切板厚范圍廣,剪切板厚范圍比值U=32,超過(guò)這類飛剪的國(guó)內(nèi)外的常規(guī)范圍(U=5～10)。b)螺旋角β≠1°,突破了國(guó)內(nèi)外螺旋刃滾筒式飛剪機(jī)一律取螺旋角β=1°的做法。該飛剪機(jī)從1998年4月16日安裝在軋機(jī)上以來(lái),至2001年6月底已剪切帶鋼約700多萬(wàn)t,剪切30多萬(wàn)次。剪切帶材厚度范圍為0.35～3.5mm,最大寬度為1850mm,最大剪切速度300m/min,完全滿足了生產(chǎn)要求。4常規(guī)軋板t在完成常規(guī)軋制料全連續(xù)裝備的改造以后,原料厚度從1.8mm到6.0mm的帶鋼全面實(shí)施了全連續(xù)軋制方式的生產(chǎn)工藝。將原本采用兩種軋制方式合并為一種軋制方式,提高了冷軋板的成材率,每年減少常規(guī)軋制料厚度超差降廢量600多t,提高了寶鋼2030mm冷連軋機(jī)的軋制能力。根據(jù)生產(chǎn)記錄(表4),常規(guī)軋制料的平均小時(shí)產(chǎn)量由239.46t上升到622.40t。在常規(guī)軋制料的產(chǎn)能上可提高約2.6倍,估計(jì)全年對(duì)常規(guī)軋制料的產(chǎn)能貢獻(xiàn)超