宝钢2000mm五机架冷轧机全连续轧制装备的研究

宝钢2000mm五机架冷轧机全连续轧制装备的研究

1带钢连续轧料不管，钢和露天开采机都是德国西蒙泰克（sms）公司设计制造的年产品带钢210万吨的大型设备。原料带钢厚度是1.8～6.0mm,成品带钢厚度是0.35～3.5mm。按照设计规定,原料厚度范围为1.8～4.5mm的带钢(连续轧制料)采用全连续轧制方式(无头轧制),原料厚度范围为4.5～6.0mm的带钢(常规轧制料)采用常规轧制方式(单卷轧制)。这台轧机虽以全连续轧制方式为主,常规轧制方式为辅,但常规轧制的冷轧板仍然是限制轧机能力的大问题。为了更进一步地发挥轧机的生产能力和开发市场需要的高难度高附加值的产品,开展了常规轧制料全连续轧制的装备研究。根据常规轧制料实施全连续轧制的工艺要求,在不影响轧机正常生产的条件下,从1993年到1998年,全面完成了全连续装备的改造任务,实现了常规轧制料全连续轧制方式,极大地提高了轧机的生产能力。2传统研磨材料的连续导线分析2.1u3000研究计算常规轧制料采用全连续轧制,能够起到提高轧机生产能力的作用。例如钢卷重量为27.4t,用厚5.5mm、宽1500mm、长417.5m的热轧带钢轧成厚2.5mm、宽1520mm、长918.55m的冷轧带钢。对这同一种规格的常规轧制料进行理论计算,常规轧制和连续轧制两种轧制方式的计算结果如表1所示。理论计算的结果表明,同一卷常规轧制料采用不同的轧制方式所花费的轧制时间是不同的。就这卷钢而言,全连续轧制时间比常规轧制时间缩短3.84min。2.2带钢长度的确定可以根据带钢长度与轧制速度的关系进行可行性的分析。假设在活套内存贮的带钢有足够的长度(>V0t),那么充套钢卷的带钢长度L应符合轧机入口能够连续供料的条件。L(单位:m)的计算公式如下:L=V0t/(1-V0/V)(1)式中,V0是轧机入口速度,m/min;V是充套速度,m/min;t是焊机焊接时间,min。轧机出口飞剪能够分卷的最低剪切速度是130m/min。满足分卷要求的轧机入口速度V0的计算公式如下:V0=V5h5/h0≥130h5/h0(2)式中,h0、h5分别是轧机入口、出口的带钢厚度,mm;V5是轧机出口速度,m/min。公式(1)、(2)既表达工艺参数之间的关系,也反映了开卷机、活套、焊机和飞剪等相关设备能力对所需带钢长度的制约作用,因此可以根据这些设备的相关参数来确定全连续轧制的每卷料所必需的带钢长度。例如在自动分卷时,轧机入口速度必须确保轧机出口飞剪的正常分卷剪切速度不得低于130m/min;在充套时充套速度不得大于开卷机的最大速度780m/min。假若轧机入口速度V0等于130m/min,焊机正常焊接时间t为1.5min,用780m/min进行充套,那么每个全连续轧制的钢卷所必需的带钢长度是234m。实际上每卷常规轧制料的长度一般都在400m以上,远远超过这个全连续轧制所必需的长度。多年来的生产实绩证明,常规轧制料的长度完全可以满足全连续稳速轧制的要求。3提高带钢规格按原设计规定常规轧制料只能采用常规轧制方式,一卷一卷地轧制。如把常规轧制料从常规轧制方式改用全连续轧制方式,进入轧机入口活套的带钢最大规格要由4.5mm×1850mm提高到6.0mm×1850mm,需要提高入口段设备的通带能力;轧机出口的最大分卷带钢规格从2.0mm×1850mm提高到3.5mm×1850mm,需要提高分卷飞剪机的剪切能力。要想达到这样的目标,很显然,必须改造相关设备,提高机组的装备水平,以适应于常规轧制料全连续轧制的要求。3.1提高机输入设备的传送能力3.1.1采用全连续制备方式轧机入口段的活套是向轧机连续供料的关键设备,其设备能力将决定常规轧制料能否采用全连续轧制方式。若是常规轧制料采用全连续轧制方式的话,输送带钢的最大厚度将是原先的1.33倍,活套的总张力相应地要从原有的300kN提高到400kN。为防止出现拚设备的现象,让现有活套设备满足要求,进行了以下工作:(1)主要设备参数由于常规轧制料来自于酸洗机组,因此可以依据酸洗活套的主要设备参数来推断轧机活套设备的潜力。酸洗活套和轧机活套主要设备参数如表2所示。根据表2比较这两套活套小车主要机电设备参数,轧机活套小车的电机功率比酸洗活套小车电机功率大,因此可以初步认为轧机活套具有通过常规轧制料的能力。(2)电气装置的驱动能力和机械设备为了定量说明问题,以活套最大工作张力400kN为运行条件,进一步复核校验活套机电设备的能力。在电气设备方面,从整流变压器到直流电机所有电气设备都进行了校验计算,证实了活套电气装置有足够的驱动能力。在机械设备方面,利用有限元分析软件复核计算活套钢架钢结构强度以及机械设备能力,证实了高达9m多的钢结构的位移和应力均在允许范围之内,机械设备(包括支架、地脚螺栓)都是安全可靠的。经以上复核校验证明,活套确实具有输送常规轧制料的能力。3.1.2水冷却器系统按照常规轧制料实施连轧的要求,并依据历年的设备故障记录,确定设备改造项目。(1)改造焊机后夹送辊,电机由12kW改为25kW,以适应常规轧制料焊接工艺的起套要求。(2)改造活套电机背包式空气—水冷却器系统,提高了活套电机的冷却能力,使电机的温升符合电气设备通用维修技术标准的规定。(3)改造2#控制辊压紧辊框架,使它能够承受压紧6.0mm×1850mm带钢的要求。(4)改造第一机架入口三辊导向装置,满足了6.0mm×1850mm带钢的全连续轧制的要求。3.1.3设备功能的改进和设备控制参数的改变(1)修改计算机控制的数学模型，最大允许通过活套的钢厚为4.5mm放大到6.0mm,活套最大张力从300kN放大到400kN,并相应调整了活套张力系统的控制参数。(2)通过添加miebach焊接程序，调整焊接传统缓冲料的最大带钢规格为6.0mm×1850mm的要求。通过以上的机电计算机设备改造和功能完善,提高了轧机入口段的通带能力,满足了输送常规轧制料的要求。3.2最大制备电机的力学性能在常规轧制料实施全连续轧制方式以后,为了适应优化轧制规范的需要,相应地修改了轧机主传动电机的控制参数。根据他激直流电机的控制特性,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。常规轧制料在全连续轧制时轧制速度比较低,往往使电机处在恒力矩控制方式下运行。在这样的情况下,按照电机额定功率放开机架的最大轧制力矩是一件非常重要的工作。根据电机力矩的公式,每个机架电机所能提供的轧制力矩应按下式计算:式中,i是齿轮的传动比。计算的结果如表3所示。表3表明,在机架电机功率相同的情况下,各个机架的轧制力矩是不同的。在计算机控制系统中规定各个机架最大轧制力矩是280kN·m。在轧制过程中各个机架的轧制力矩都被控制在280kN·m的范围内,使1,2机架电机的能力只能用到68%,因而限制了1,2机架电机的能力。对轧制常规轧制料而言,1,2机架的电机容易处在恒力矩控制方式下运行,往往使后面机架的电机出现严重的过载现象,造成电机容量不足的假象,第4机架电机甚至会发生跳电的事故。为了轧制常规轧制料的需要,对应6900kW的电机功率修改各个机架最大轧制力矩的设定值是一件非常必要的工作,这项工作对1,2机架来说尤其重要。通过调整电机的控制参数,起到了发挥电机能力的作用。3.3提高机螺纹出口螺纹剪切机的切割能力3.3.1研制新型飞剪机冷轧成品带钢厚度是0.35～3.5mm。轧机出口原先使用的分卷飞剪机是德国西马克(SMS)的滚筒式平直剪刃飞剪机。它的最大剪切板厚为2.0mm,远小于剪切3.5mm的要求,不能满足厚规格冷轧板剪切的要求,只能一卷一卷地轧制。根据技术资料查询,目前世界上冷板剪切飞剪机的最大剪切能力不超过3.0mm(实际使用不超过2.5mm)。为了达到常规轧制料全连续轧制生产工艺的要求,所以需要研制新型的飞剪机。在综合考虑轧机的生产和设备各种因素以后,确定了研制新剪机的“四个不改变”原则,即:不改变SMS飞剪机的电机,不改变SMS飞剪机的电控系统参数,不改变SMS飞剪机的滚筒飞轮转矩的大小,不改变SMS飞剪机的安装尺寸。在“四个不改变”的前提条件下,选择了螺旋剪替代平直剪的改造方案,从而达到了提高飞剪剪切能力的作用。SMS平直剪能够剪切的最大带钢规格是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——带钢的极限剪切强度。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为修正系数(取值≥1);β为螺旋角(取值1°)。当fmax和Fmax两个最大剪切力相等时,则可得到螺旋剪的最大板厚hmax的数值。计算结果是hmax≫3.5mm。由此可见,只有符合“四个不改变”研制原则的螺旋剪,才能继续使用SMS飞剪的电控系统,才能继续保持SMS飞剪最大剪切力的能力,才能让飞剪的最大剪切板厚由2.0mm增加到3.5mm以上,以适应各种规格冷轧带钢分卷和切头切尾的需要。3.3.2新型螺旋飞剪机新型飞剪机是由宝钢与西安重型机械研究所共同研制成功的,实际剪切最大板厚可以达到5.8mm,满足了各种规格冷轧板全连续轧制的要求。利用螺旋剪刃技术大幅度提高飞剪机的剪切能力,在国际上还没有这方面的实例可供参考,因此研制这台飞剪机的难度极高。关键技术之一在于否定了国内外传统的“按给定轨迹”确定飞剪机构参数的方法,提出了“按工艺要求直接求解飞剪机构参数”的原理,找到了最大剪切钢板厚度可达7.0mm的新机构数组X;关键技术之二在于突破了国内外螺旋刃滚筒式飞剪机一律取螺旋角β=1°的做法,建立了以β为协衡因子的“数学桥模型”,构成了“X+β”的机械理论。根据“X+β”理论创新设计了“宝钢2030mm外耦滚筒机构协衡飞剪机”,产生了一系列突破效应。(1)该飞剪机突破了冷板剪切的滚筒飞剪机不能剪较厚板材的国内外历史性难题,并挖掘了平直刃飞剪的设备潜力,已将最大剪切板厚2.0mm的平直刃飞剪改造成实际剪切板厚达到5.8mm的螺旋刃飞剪。(在理论上最大剪切板厚可以达到7.0mm)(2)该飞剪机跟原先的德国SMS公司的飞剪机相比较,有着明显的优越性。a)使用原飞剪机的驱动电机,把最大剪切带钢厚度由2.0mm提高到生产需要的3.5mm,起到了增大剪切力的作用。b)在板厚0.35～3.5mm范围内剪切冷轧板,剪刃间隙不用调整。c)刀片寿命长,刀片更换周期由2～3个月延长到1年以上。d)剪切断口质量好,剪切毛刺小。(3)该飞剪机剪切机构的特征参数与国内外相关飞剪进行比较,具有以下的特色:a)剪切板厚范围广,剪切板厚范围比值U=32,超过这类飞剪的国内外的常规范围(U=5～10)。b)螺旋角β≠1°,突破了国内外螺旋刃滚筒式飞剪机一律取螺旋角β=1°的做法。该飞剪机从1998年4月16日安装在轧机上以来,至2001年6月底已剪切带钢约700多万t,剪切30多万次。剪切带材厚度范围为0.35～3.5mm,最大宽度为1850mm,最大剪切速度300m/min,完全满足了生产要求。4常规轧板t在完成常规轧制料全连续装备的改造以后,原料厚度从1.8mm到6.0mm的带钢全面实施了全连续轧制方式的生产工艺。将原本采用两种轧制方式合并为一种轧制方式,提高了冷轧板的成材率,每年减少常规轧制料厚度超差降废量600多t,提高了宝钢2030mm冷连轧机的轧制能力。根据生产记录(表4),常规轧制料的平均小时产量由239.46t上升到622.40t。在常规轧制料的产能上可提高约2.6倍,估计全年对常规轧制料的产能贡献超