寶鋼2000mm五機架冷軋機全連續(xù)軋制裝備的研究

寶鋼2000mm五機架冷軋機全連續(xù)軋制裝備的研究

1帶鋼連續(xù)軋料不管，鋼和露天開采機都是德國西蒙泰克（sms）公司設計制造的年產(chǎn)品帶鋼210萬噸的大型設備。原料帶鋼厚度是1.8～6.0mm,成品帶鋼厚度是0.35～3.5mm。按照設計規(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)。這臺軋機雖以全連續(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能力的大問題。為了更進一步地發(fā)揮軋機的生產(chǎn)能力和開發(fā)市場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)軋制料實施全連續(xù)軋制的工藝要求,在不影響軋機正常生產(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,實現(xiàn)了常規(guī)軋制料全連續(xù)軋制方式,極大地提高了軋機的生產(chǎn)能力。2傳統(tǒng)研磨材料的連續(xù)導線分析2.1u3000研究計算常規(guī)軋制料采用全連續(xù)軋制,能夠起到提高軋機生產(chǎn)能力的作用。例如鋼卷重量為27.4t,用厚5.5mm、寬1500mm、長417.5m的熱軋帶鋼軋成厚2.5mm、寬1520mm、長918.55m的冷軋帶鋼。對這同一種規(guī)格的常規(guī)軋制料進行理論計算,常規(guī)軋制和連續(xù)軋制兩種軋制方式的計算結果如表1所示。理論計算的結果表明,同一卷常規(guī)軋制料采用不同的軋制方式所花費的軋制時間是不同的。就這卷鋼而言,全連續(xù)軋制時間比常規(guī)軋制時間縮短3.84min。2.2帶鋼長度的確定可以根據(jù)帶鋼長度與軋制速度的關系進行可行性的分析。假設在活套內存貯的帶鋼有足夠的長度(>V0t),那么充套鋼卷的帶鋼長度L應符合軋機入口能夠連續(xù)供料的條件。L(單位:m)的計算公式如下:L=V0t/(1-V0/V)(1)式中,V0是軋機入口速度,m/min;V是充套速度,m/min;t是焊機焊接時間,min。軋機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入口速度V0的計算公式如下:V0=V5h5/h0≥130h5/h0(2)式中,h0、h5分別是軋機入口、出口的帶鋼厚度,mm;V5是軋機出口速度,m/min。公式(1)、(2)既表達工藝參數(shù)之間的關系,也反映了開卷機、活套、焊機和飛剪等相關設備能力對所需帶鋼長度的制約作用,因此可以根據(jù)這些設備的相關參數(shù)來確定全連續(xù)軋制的每卷料所必需的帶鋼長度。例如在自動分卷時,軋機入口速度必須確保軋機出口飛剪的正常分卷剪切速度不得低于130m/min;在充套時充套速度不得大于開卷機的最大速度780m/min。假若軋機入口速度V0等于130m/min,焊機正常焊接時間t為1.5min,用780m/min進行充套,那么每個全連續(xù)軋制的鋼卷所必需的帶鋼長度是234m。實際上每卷常規(guī)軋制料的長度一般都在400m以上,遠遠超過這個全連續(xù)軋制所必需的長度。多年來的生產(chǎn)實績證明,常規(guī)軋制料的長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)格按原設計規(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,進入軋機入口活套的帶鋼最大規(guī)格要由4.5mm×1850mm提高到6.0mm×1850mm,需要提高入口段設備的通帶能力;軋機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的剪切能力。要想達到這樣的目標,很顯然,必須改造相關設備,提高機組的裝備水平,以適應于常規(guī)軋制料全連續(xù)軋制的要求。3.1提高機輸入設備的傳送能力3.1.1采用全連續(xù)制備方式軋機入口段的活套是向軋機連續(xù)供料的關鍵設備,其設備能力將決定常規(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,活套的總張力相應地要從原有的300kN提高到400kN。為防止出現(xiàn)拚設備的現(xiàn)象,讓現(xiàn)有活套設備滿足要求,進行了以下工作:(1)主要設備參數(shù)由于常規(guī)軋制料來自于酸洗機組,因此可以依據(jù)酸洗活套的主要設備參數(shù)來推斷軋機活套設備的潛力。酸洗活套和軋機活套主要設備參數(shù)如表2所示。根據(jù)表2比較這兩套活套小車主要機電設備參數(shù),軋機活套小車的電機功率比酸洗活套小車電機功率大,因此可以初步認為軋機活套具有通過常規(guī)軋制料的能力。(2)電氣裝置的驅動能力和機械設備為了定量說明問題,以活套最大工作張力400kN為運行條件,進一步復核校驗活套機電設備的能力。在電氣設備方面,從整流變壓器到直流電機所有電氣設備都進行了校驗計算,證實了活套電氣裝置有足夠的驅動能力。在機械設備方面,利用有限元分析軟件復核計算活套鋼架鋼結構強度以及機械設備能力,證實了高達9m多的鋼結構的位移和應力均在允許范圍之內,機械設備(包括支架、地腳螺栓)都是安全可靠的。經(jīng)以上復核校驗證明,活套確實具有輸送常規(guī)軋制料的能力。3.1.2水冷卻器系統(tǒng)按照常規(guī)軋制料實施連軋的要求,并依據(jù)歷年的設備故障記錄,確定設備改造項目。(1)改造焊機后夾送輥,電機由12kW改為25kW,以適應常規(guī)軋制料焊接工藝的起套要求。(2)改造活套電機背包式空氣—水冷卻器系統(tǒng),提高了活套電機的冷卻能力,使電機的溫升符合電氣設備通用維修技術標準的規(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)改造第一機架入口三輥導向裝置,滿足了6.0mm×1850mm帶鋼的全連續(xù)軋制的要求。3.1.3設備功能的改進和設備控制參數(shù)的改變(1)修改計算機控制的數(shù)學模型，最大允許通過活套的鋼厚為4.5mm放大到6.0mm,活套最大張力從300kN放大到400kN,并相應調整了活套張力系統(tǒng)的控制參數(shù)。(2)通過添加miebach焊接程序，調整焊接傳統(tǒng)緩沖料的最大帶鋼規(guī)格為6.0mm×1850mm的要求。通過以上的機電計算機設備改造和功能完善,提高了軋機入口段的通帶能力,滿足了輸送常規(guī)軋制料的要求。3.2最大制備電機的力學性能在常規(guī)軋制料實施全連續(xù)軋制方式以后,為了適應優(yōu)化軋制規(guī)范的需要,相應地修改了軋機主傳動電機的控制參數(shù)。根據(jù)他激直流電機的控制特性,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)軋制時軋制速度比較低,往往使電機處在恒力矩控制方式下運行。在這樣的情況下,按照電機額定功率放開機架的最大軋制力矩是一件非常重要的工作。根據(jù)電機力矩的公式,每個機架電機所能提供的軋制力矩應按下式計算:式中,i是齒輪的傳動比。計算的結果如表3所示。表3表明,在機架電機功率相同的情況下,各個機架的軋制力矩是不同的。在計算機控制系統(tǒng)中規(guī)定各個機架最大軋制力矩是280kN·m。在軋制過程中各個機架的軋制力矩都被控制在280kN·m的范圍內,使1,2機架電機的能力只能用到68%,因而限制了1,2機架電機的能力。對軋制常規(guī)軋制料而言,1,2機架的電機容易處在恒力矩控制方式下運行,往往使后面機架的電機出現(xiàn)嚴重的過載現(xiàn)象,造成電機容量不足的假象,第4機架電機甚至會發(fā)生跳電的事故。為了軋制常規(guī)軋制料的需要,對應6900kW的電機功率修改各個機架最大軋制力矩的設定值是一件非常必要的工作,這項工作對1,2機架來說尤其重要。通過調整電機的控制參數(shù),起到了發(fā)揮電機能力的作用。3.3提高機螺紋出口螺紋剪切機的切割能力3.3.1研制新型飛剪機冷軋成品帶鋼厚度是0.35～3.5mm。軋機出口原先使用的分卷飛剪機是德國西馬克(SMS)的滾筒式平直剪刃飛剪機。它的最大剪切板厚為2.0mm,遠小于剪切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)技術資料查詢,目前世界上冷板剪切飛剪機的最大剪切能力不超過3.0mm(實際使用不超過2.5mm)。為了達到常規(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。在綜合考慮軋機的生產(chǎn)和設備各種因素以后,確定了研制新剪機的“四個不改變”原則,即:不改變SMS飛剪機的電機,不改變SMS飛剪機的電控系統(tǒng)參數(shù),不改變SMS飛剪機的滾筒飛輪轉矩的大小,不改變SMS飛剪機的安裝尺寸。在“四個不改變”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fmax和Fmax兩個最大剪切力相等時,則可得到螺旋剪的最大板厚hmax的數(shù)值。計算結果是hmax?3.5mm。由此可見,只有符合“四個不改變”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新型螺旋飛剪機新型飛剪機是由寶鋼與西安重型機械研究所共同研制成功的,實際剪切最大板厚可以達到5.8mm,滿足了各種規(guī)格冷軋板全連續(xù)軋制的要求。利用螺旋剪刃技術大幅度提高飛剪機的剪切能力,在國際上還沒有這方面的實例可供參考,因此研制這臺飛剪機的難度極高。關鍵技術之一在于否定了國內外傳統(tǒng)的“按給定軌跡”確定飛剪機構參數(shù)的方法,提出了“按工藝要求直接求解飛剪機構參數(shù)”的原理,找到了最大剪切鋼板厚度可達7.0mm的新機構數(shù)組X;關鍵技術之二在于突破了國內外螺旋刃滾筒式飛剪機一律取螺旋角β=1°的做法,建立了以β為協(xié)衡因子的“數(shù)學橋模型”,構成了“X+β”的機械理論。根據(jù)“X+β”理論創(chuàng)新設計了“寶鋼2030mm外耦滾筒機構協(xié)衡飛剪機”,產(chǎn)生了一系列突破效應。(1)該飛剪機突破了冷板剪切的滾筒飛剪機不能剪較厚板材的國內外歷史性難題,并挖掘了平直刃飛剪的設備潛力,已將最大剪切板厚2.0mm的平直刃飛剪改造成實際剪切板厚達到5.8mm的螺旋刃飛剪。(在理論上最大剪切板厚可以達到7.0mm)(2)該飛剪機跟原先的德國SMS公司的飛剪機相比較,有著明顯的優(yōu)越性。a)使用原飛剪機的驅動電機,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范圍內剪切冷軋板,剪刃間隙不用調整。c)刀片壽命長,刀片更換周期由2～3個月延長到1年以上。d)剪切斷口質量好,剪切毛刺小。(3)該飛剪機剪切機構的特征參數(shù)與國內外相關飛剪進行比較,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,超過這類飛剪的國內外的常規(guī)范圍(U=5～10)。b)螺旋角β≠1°,突破了國內外螺旋刃滾筒式飛剪機一律取螺旋角β=1°的做法。該飛剪機從1998年4月16日安裝在軋機上以來,至2001年6月底已剪切帶鋼約700多萬t,剪切30多萬次。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,估計全年對常規(guī)軋制料的產(chǎn)能貢獻超