热轧板带轧机弯窜装备关键技术研发与应用

一、研究的背景与问题制造业是我国国民经济的主导产业，是实体经济的主体，是技术创新的主战场，也是供给侧结构性改革的重要领域，中国经济要实现高质量发展，必须有高质量的制造业作为支撑。当前，钢铁等传统制造业仍是我国工业经济的主体，仍是具有竞争力的板块，关乎综合国力，也关系到国计民生，既是实现“六稳”的重要领域，还是培育新动能的主要来源。推动传统制造业高质量发展，需要破解“中低端产品过剩、中高端产品短缺”的结构性矛盾。我国是钢铁大国，其中板带材是最主要的钢材产品，约占钢材总量的45%，被广泛应用于汽车制造、航空、造船、精密仪表、民用建筑、家用电器、食品包装等各个行业。随着现代工业技术的发展，对板带的品种、规格和产量的要求越来越高，因此，生产高级精品板带材，促进产品升级和结构优化，推动钢铁制造业高质量发展，是我国的重大战略需求和发展方向。板形是板带材的重要质量指标，弯窜系统是改善板形的核心系统，具有改善板形、提高生产率、降低辊耗等优点，是现代板带轧机的的核心功能和结构。但是，弯窜系统因其机电液控多系统集成特性决定的复杂性，以及市场对品种、板形控制的要求越来越高，现有弯窜辊技术的成熟度和可靠度仍然不足，存在故障率高、运行不稳定等诸多问题，严重影响轧机正常生产。我国现有弯窜装备技术主要是通过消化吸收外商技术而来，至今面临外商的专利封锁和技术保密，尤其是在宽幅板带材轧机弯窜方面，国内新建和改造市场长期被外商垄断，不利于我国冶金核心装备的国产化，也不利于我国钢铁企业的高质量发展。因此，开发具有我国自主知识产权的热轧板带轧机高效、高精度弯窜装备势在必行，同时研究开发保障弯窜装备设计及制造高质量的先进技术方法也具有重要意义。二、解决问题的思路与技术方案中冶赛迪工程技术有限公司针对现有弯窜装备故障率高、运行不稳定、缺乏先进的设计和评价方法等问题，中冶赛迪项目团队从理论、方法、试验和应用等多个维度进行分析，制订了开发具有高效、高精度、自适应和环保特点的弯窜装备技术路线（图1），确立了5个方面的研究内容。图1技术路线图三、主要创新成果中冶赛迪项目团队经过不断的研发和工程实践，系统研究了弯窜辊对板形控制的影响、高精度弯窜辊机电液系统耦合模拟仿真、弯辊装置离线模拟加载测试和验证评价方法等核心技术和方法，形成了热轧板带轧机高效高精度弯窜装备技术及相关设计验证方法，主要技术内容和创新点如下：1、高效高精度弯窜装备技术现有弯窜结构的固有缺陷，导致其安装间隙大、固定结构易损坏，无对轧机变形和磨损的适应能力，受振动影响大，进而引起弯窜运行不稳定，故障率高等普遍问题，严重影响轧机正常生产。此外，现有结构对安装精度要求高、制造工艺性差、更换困难，不利于弯窜辊质量的保证，同时，改造时对牌坊的加工要求高，不可避免地造成对牌坊的较大损伤；配管复杂，油容积大，严重影响控制精度。本技术通过对弯辊力窜辊量对板形控制的影响、弯窜结构对轴承寿命的影响、弯窜液压伺服系统机液耦合特性、油容积对弯窜控制精度影响等方面的研究，创造性提出组合斜楔+抗剪止口的弯窜装备高强度无间隙安装固定方法，开发出模块化的高效高精度弯窜装备，具有如下特点：（1）采用组合斜楔+抗剪止口的弯窜装备高强度方式安装固定，消除弯辊块因安装间隙过大而受轧制振动影响大进而引起的不稳定问题，显著降低故障率60%；（2）采用可灵活配置的模块化结构设计，各模块独立安装，各模块间采用止口强化固定，各模块及易损件的安装拆卸方便，互换性强；通过弯窜块内部油路优化取代外露配管结构设计，减少外部配管，维护点少，维护空间大，操作方便，不仅可满足定制化市场需求，更大幅降低维护及备件成本35%以上；（3）具有良好的适应性，一方面组合斜楔+抗剪止口的安装固定方法对安装精度要求低，制造工艺性好，加工和安装效率可提升20%；另一方面，可适应目前市场上的大部分机型改造，牌坊的适应性改造加工量少，牌坊受损伤程度小。以本成果在TATA-UK的应用为例，牌坊加工量仅为国际知名外商的30%，以本成果在港陆钢铁的应用为为例，牌坊无需加工，即可满足本成果的安装要求，而国内外现有弯窜结构均无法实现。（4）弯窜装备的最大能力受结构限制小，最大弯辊力可达2000kN/轴承座，最大窜辊量可达±220mm，窜辊精度达到±0.5mm。2、高精度弯窜系统机液耦合动力学仿真系统、方法及应用弯窜是典型的“机电液系统装备”，由于机电液各子系统间具有高关联性、高耦合性、高复杂性，传统的“构建和测试”的设计方法昂贵且耗时，忽略了复杂机械系统的力与能量的传递规律，目前液压控制系统仿真广泛采用的简化弹簧系统，不能实时反映复杂系统中子系统之间的耦合特性，冲击振动等动静态特性高精度描述困难。本技术通过二次开发的基于控制系统导入法的机电液协同仿真技术，结合对油容积对系统阶跃响应的影响、液压弹簧刚度和机械负载刚度耦合特性的分析，开发出基于Stribeck模型摩擦参数的高精度弯窜系统机液耦合动力学仿真系统及仿真方法，仿真度可正向指导工程设计应用，设计效率提高30%，对部件修复、功能升级、系统优化等工作具有直接指导意义，并具有很好的普适性，可在全行业推广应用，如已在轧机AGC和AWC、高压水除鳞等装备改造中得到成功应用。本技术在TATA-UK弯辊改造等项目中的应用效果得到用户高度认可，并被建议在用户的全线装备改造中推广应用。3、液压弯辊离线工况模拟及集成测试技术弯辊系统是机电液控多系统关联耦合的复杂系统，接口关系多，界面关系复杂，其上线功能性能难以一次达成，而其调试整改将耗费大量成本，尤其对改造项目影响巨大。在此之前，尚无法实现离线状态下轧机工况模拟加载及集成测试，无法离线全面验证评价液压弯辊装置的动静态特性和有载机械性能，弯辊系统上线功能性能的一次达成率难以保证。本技术发明了液压弯辊离线模拟加载及集成测试系统与方法，开创性地实现离线状态下模拟轧机工况并全面验证评价液压弯辊装置的动静态特性和有载机械性能，可实现弯辊装备上线功能性能的100%一次达成，与同类工程相比，缩短工期20-50%，节省建设工期和成本20%以上，我国冶金核心装备质量水平达到西方工业质量标准。图2

离线模拟工况及集成测试四、应用情况与效果本项目技术具有完全自主知识产权，通过持续研究和工程实践，经权威评价已达到国际先进水平，并于2016年与SMS、DANIELI和PT等国际冶金巨头的同台竞标中脱颖而出，实现在TATA-UK的首台套工业化应用，是我国首次向发达国家逆向输出热连轧核心装备，应用效果得到用户高度评价，并因此将中冶赛迪纳入该公司优秀供应商名录。成果首台套应用以来，已陆续实现在英国塔塔钢铁弯窜改造、唐山港陆钢铁1450热轧弯窜改造、宝钢德盛1780热轧搬迁、唐山港陆1700热轧弯窜改造等多个项