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东北大学硕士学位论文 摘要 单机架可逆冷轧实验轧机的工艺研究 摘要 近年来，国内冷轧板带的产量大幅提高，市场日趋饱和，因此，建设冷轧实验轧 机变得十分必要。因为通过进行冷轧实验，可以快捷有效地对板带钢的冷轧工艺进行 优化，并可以进行新钢种的开发，达到提高生产效率、降低生产成本、提高产品质量 的目的。 本文介绍了轧制技术及连轧自动化国家重点实验室的单机架可逆冷轧实验轧机， 对冷轧实验的工艺进行了开发研究，主要内容包括： 1 介绍单机架可逆冷轧实验轧机的机械、液压、基础自动化等方面的特点，包 括轧机出入口张力卷取机、液压推上机构、乳化液润滑系统、自动厚度控制 系统等。 2 确定根据实验数据对板带钢冷轧所用数学模型进行参数回归的方法，其中对 摩擦系数模型及变形抗力模型系数的计算是优化生产工艺及进行新钢种工艺 开发的基础。 3 开发应用于单机架可逆冷轧实验轧机的离线的规程计算程序，根据不同的来 料情况及实验要求，为基础自动化提供设定数据。 4 进行奥氏体不锈钢s u s 3 0 4 的冷轧实验，获得其加工硬化曲线，并对回归得 到的数学模型进行实验验证。 关键词：单机架；冷轧实验轧机；参数回归；规程计算；3 0 4 不锈钢 东北大学硕士论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g yo f s i n g l es t a n d r e v e r s i b l ep i l o tc o l d r o l l i n gm i l l a bs t r a c t t h et o t a lo u t p u to fc o l dr o l l i n gs t r i pi sr a i s e dr a p i d l y , e v e nb e c a m es u p e r a b u n d a n c ei n r e c e n ty e a r s s ot h ep i l o tc o l dr o l l i n gm i l li sn e e d e db e c a u s ei tc a nb ec o n v e n i e n t l yu s e dt o r e d u c et h ec o s ta n di m p r o v et h eq u a l i t yb yo p t i m i z i n gp r o c e s so fc o l dr o l l i n ga n d d e v e l o p i n gn e ws t e e lg r a d e s t h es i n g l es t a n dr e v e r s i b l ep i l o tc o l dr o l l i n gm i l li nt h es t a t ek e yl a b o r a t o r yo f r o l l i n ga n da u t o m a t i o ni si n t r o d u c e d ，a n dt e c h n o l o g yo fc o l dr o l l i n gt e s ti sd e v e l o p e d b a s e do nt h em i l l t h em a i nw o r ki nt h i s 也e s i si sa sf o l l o w s ： 1 i n i r o d u c i n gf e a t u r e sf o rm a c h i n e s ，h y d r a u l i cs y s t e ma n da u t o m a t i o nc o n t r o l s y s t e m s o f t h e p i l o t c o l d r o l l i n g m i l l i n c l u d i n g t e n s i o n r e e l s ， h y d r a u l i c a l l y - a c t u a t e dn u t ，r o i l i n gs o l u t i o ns y s t e m s ，a u t o m a t i cg a u g ec o n t r o l s y s t e m s ，e t c 2 e s t a b l i s h i n gam e t h o dt or e g r e s st h ep a r a m e t e r so fm a t h e m a t i cm o d e l s t h e p a r a m e t e r so fr e s i s t a n c em o d e la n df r i c t i o nc o e f f i c i e n tm o d e la r et h ef o u n d a t i o n o f r o l l i n gp r o c e s so p t i m i z i n ga n dn e ws t e e lg r a d ed e v e l o p i n g 3 e x p l o r i n ga no f f - l i n ep r o g r a mo fs c h e d u l ec a l c u l a t i n gf o rt h ep i l o tm i l lw h oc a n o f f e rs e t u pd a t af o rt h eb a s i ca u t o m a t i o ns y s t e mb a s e do nt h eb l a n ka n dt h e e x p e r i m e n t a lr e q u i r e m e n t 4 c o l dr o i l i n ge x p e r i m e n t so fs u s 3 0 4a r et a k e na n dt h ew o r kh a r d e n i n gc u r v ei s a c h i e v e d m o r ee x p e r i m e n t sa r et a k e nt ov a l i d a t et h em o d e l sr e g r e s s e d k e y w o r d s ：s i n g l es t a n d ，p i l o tc o l dr o l l i n gm i l l ，p a r a m e t e rr e g r e s s ，r o l l i n gs c h e d u l e ， s u s 3 0 4s t a i n i e s ss t e e l i i i 东北大学硕士学位论文声明 声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名：班f 注肘 v t期：- 2 , h 。f7 工 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外冷轧的发展概况 冷轧板带钢表面美观、加工性能好，是汽车、建筑、家电、食品等行业必不可少 的原材料，其生产难度大、精度高，是钢铁工业各工序中的重点、难点，具有较高的 附加值。其产量和质量水平反映了一个国家钢铁工业的强弱。 板带钢冷轧通常采用热轧产品为原料，经过一台轧机往复轧制或者多机架的连续 轧制成形。除轧制外，现代的冷轧机组还包括了酸洗、退火、镀锌、镀锡、涂层等工 艺过程。i l l 1 1 1 国外冷轧的发展概述 钢的冷轧最早可以追溯到十八世纪末期，不过当时其主要作为热轧之后的精轧工 序。作为一个独立生产工艺的板带钢冷轧， 冷轧机发展以后，才真正得到推动。之后， 单机架可逆、多机架连轧几个阶段。 是在具有较小中辊( 工作辊) 的劳特三辊 冷轧机的形式发展经过了单机架不可逆、 最早出现的连轧机只是几台轧机的简单组合，有些机架之间采用自由活套，不能 控制张力，随着卷取机和电机驱动的共同发展，首先带来卷取机与轧机之间，然后是 连轧机相邻机架间的带钢张力控制的发展，形成了真正意义上的现代冷连轧机。1 9 2 8 年美国威尔顿钢铁厂投产的五机架冷连轧机组是最早投入使用的冷连轧机组。1 9 7 1 年 n k k 福山厂建设了第一套全连续轧机，将多卷来料焊接到一起进行轧制，在卷号发生 变化时采用动态变规格技术，卷取机前的横剪将连续的冷轧带钢分卷。现在又出现了 酸洗冷轧联合机组等复合生产线。8 0 年代末以来，随着世界小钢厂的发展，尤其是 薄板坯连铸连轧技术的发展及对热带深加工的需要，四辊可逆式冷轧机成为小钢厂热 带深加工的主要生产设备。九十年代以来，全球新建单( 双) 机架可逆式宽带钢冷轧 机达5 0 多套，是新建连轧机的2 倍。美国在新一轮钢铁设备更新中，7 条短流程连铸 连轧生产线配套的都是单( 双) 机架可逆式冷轧机。1 2 j 1 3 j 早期出现过劳特三辊式冷轧机，但是最主要的轧机形式为二辊和四辊配置。由于 二辊轧机不能兼顾轧制力和压下量，因此大辊径支撑辊、小辊径工作辊的四辊轧机是 带钢冷轧用的最通用的轧机。为了更好地控制板形，六辊轧机在二十世纪八十年代以 后发展迅速，包括h c 轧机、u c 轧机等，可以横移或者弯曲中间辊。另外，二十世 东北大学硕士论文第一辛- 4 j t c e 纪五十年代开发的二十辊森吉米尔轧机多用于不锈钢和电工钢的轧制。 二十世纪六十年代之后，随着电机等机械设备的发展以及连轧恒张力控制的实现， 冷轧的速度、轧制力、功率等都大幅提高。以二十世纪六十年代建设的美国杨斯顿薄 板与钢管公司建设的印第安纳港厂2 0 3 2 m m 薄板轧机为例，其g l n 速度达1 6 0 0 m m i n ， 五机架总功率达2 7 6 0 2 千瓦【4 】。 最早的轧机靠手动调节压下螺丝进行辊缝调节，后来先后出现了电动压下、电动 双压下、电一液双压下、全液压压下等辊缝调节方式，使对辊缝进行在线快速、高精度 调节得以实现。上世纪五十年代起，出现了很多的厚度自动控制a g c ( a u t o m a t i cg a u g e c o n t r 0 1 ) 方法，如秒流量a g c 、辊缝前馈a g c 、辊缝反馈a g c 、厚度计式a g c 、张 力前馈a g c 、张力反馈a g c 等。现在建设的冷轧机多采用多种a g c 联合控制。 5 1 随着用户对产品质量要求的不断提高以及检测仪表和新工艺、新设备的出现，为 了克服各种板形缺陷，出现了液压弯辊、支撑辊变形、轧辊位移、分段冷却等板形控 制手段。 二十世纪六十年代以前，轧制过程中仅应用有单机自动化，六十年代以后，计算 机控制在冷轧生产线中投入使用。最初计算机控制采用集中控制，即用1 台计算机对 整个生产线的各个环节进行控制，所有控制信息及检测信号都由该计算机处理。集中 控制时系统响应速度慢，可靠性差，软件维护困难。一旦某个环节出现问题，将造成 整个生产线停机，影响轧机的生产效率。【司自二十世纪七十年代起，随着计算机技术 的快速发展，现代化带钢轧制生产线全部采用分布式计算机，实行分级控制。这种多 级控制系统的产生是由于生产规模越来越大，信息来源越来越多，对计划管理和信息 收集的及时性要求越来越高，因此要求管理计算机系统能直接指挥过程计算机系统， 过程计算机也能直接向管理计算机系统进行汇报。多级控制系统也称为信息管理级控 制系统m i s ( m a n a g e m e n ti n f o r l t l a t i o ns y s t e m ) 。 1 1 2 国内冷轧的发展概况 1 9 6 2 年鞍钢冷轧厂建成，成为我国冷轧板生产的发源地。当时从前苏联引进了 1 7 0 0 m m 和1 2 0 0 m m 单机架四辊可逆冷轧机，设计年生产3 0 万吨冷轧板卷。1 9 7 8 年 武钢冷轧厂从原西德等国家引进1 7 0 0 m m 五机架串列式冷轧机，其工艺设备和技术全 部由德国引进，生产冷轧板卷、热镀锌板卷以及镀锡板，设计产能达1 0 0 万吨年，从 此我国冷轧生产技术进入一个飞速发展的新时期。1 9 8 9 年宝钢建成2 0 3 0 m m 五机架冷 连轧厂，设计产能2 1 0 万吨年。1 9 8 9 年，鞍钢冷轧厂从德国引进1 6 8 0 m m 四机架串 列式冷轧机，产能达到1 0 0 万吨年，2 0 0 0 年鞍钢又对该生产线进行了改造，增加了 一台六辊h c 轧机，产能增加至1 5 0 万吨年。1 9 9 0 年上海益昌薄板从法国引进1 2 2 0 m m 五机架串列冷轧机，产能为5 0 万吨年，2 0 0 1 年，该冷轧机组改造完成，产能增加到 东北大学硕士论文第一章绪论 7 0 万吨年。1 9 9 5 年本钢引进1 6 7 6 m m 四机架冷轧机，设计产能为7 0 万吨年。1 9 9 6 年，攀钢引进1 2 2 0 m m 六辊h c 四机架串列式冷连轧机，设计产能为5 0 万吨年。1 9 9 8 年宝钢建成1 4 2 0 m m c v c 五机架酸洗一冷轧联合机组，设计产能为7 0 万吨年。2 0 0 0 年，宝钢建成1 5 5 0 m m u c m w 五机架酸洗一冷轧联合机组，设计产能为1 0 0 万吨年。 2 0 0 4 年，鞍钢1 7 8 0 冷轧酸洗机组建成投产。2 0 0 4 年，马钢设计产能1 5 0 万吨年的冷 轧薄板线投产。2 0 0 5 年3 月，邯钢1 3 0 万吨年的冷轧薄板投产。2 0 0 5 年3 月，设计 产能为1 3 0 万吨年的包钢酸轧机组建成投产。2 0 0 5 年6 月，宝钢1 8 0 0 m m 酸洗连轧 机组建成投产，设计产能为1 7 0 万吨年。1 7 j 虽然在国外的发展速度很快，单( 双) 机架可逆式冷轧机在国内的大型钢铁联合 企业中应用仍然较少，并且多数都是9 0 年代以前建设的传统四辊可逆冷轧机。新增的 单( 双) 机架可逆式冷轧机多数建设在一些规模较小的民营企业或轧制不锈钢、硅钢 的企业。如武钢、太钢、宁波宝新、张家港浦项不锈钢等引进的二十辊十二辊可逆 轧机均用于不锈钢或硅钢的生产。另外，武钢海口冷轧薄板厂、唐钢、昆钢、武钢、 首钢等引进了多台四辊或六辊可逆轧机。【s 】然而，在本世纪以来我国钢铁快速发展的 几年里，由于我国对冷轧板卷的持续需求和价格的一路走高，很多民营企业都建设了 投资较少、成本回收较快的单( 双) 机架可逆冷轧机，其中又以单机架四辊形式最为 常见。 2 0 0 4 年我国共生产冷轧板卷1 2 4 6 万吨，冷轧板卷的进口需求得到大大缓解。现 在我国仍有一些冷连轧机组正在建设之中。包括本钢浦项冷轧、涟钢冷轧薄板、宝钢 1 8 0 0 m m 冷轧、首钢顺义冷轧薄板、攀钢二冷轧、宁波建龙、酒钢冷轧厂、柳州钢铁 公司1 8 0 0 m m 冷轧、八一钢铁五机架c d c m 冷轧等大型连轧机组，同时还有多条年产 量在l o 。5 0 吨的单( 双) 机架可逆轧机正在建设之中。f g 据统计，我国的在建、续建、 拟建以及改造项目达到三十多项，总产能超过三千万吨，这些项目投产以后，我国的 冷轧薄板产能将达到四千万吨以上。 可以预见，随着我国冷轧机产能的提高，甚至市场的饱和，品种规格变换快、投 资少的现代可逆冷轧机必然会同国际上的发展趋势一样得到更为广泛的应用。而随着 市场的饱和，用户要求不断提高，工艺开发变得十分重要。因此，需要一个灵活的工 具来快速地判断不同的工艺会对产品的性能产生什么影响，帮助我们在很短的时问内 利用较少的材料进行一些实验，这些实验可以让工艺参数在技术允许的限度下进行大 范围的变化，进而得到产品的性能范围。冷轧实验轧机正是应此要求而出现的。 1 2 冷轧实验轧机概述 根据功能定位的不同，冷轧实验轧机可以分为以设备开发为主的实验轧机、以板 东北大学硕士论文第一章绪论 7 0 万吨年。1 9 9 5 年本钢引进1 6 7 6 m m 四机架冷轧机，设计产能为7 0 万吨年。1 9 9 6 年，攀钢引进1 2 2 0 r a m 六辊h c 四机架串列式冷连轧机，设计产能为5 0 万吨年。1 9 9 8 年宝钢建成1 4 2 0 m m c v c 五机架酸洗一冷轧联合机组，设计产能为7 0 万吨年。2 0 0 0 年，宝钢建成1 5 5 0 m m u c m w 五机架酸洗冷轧联合机组，设计产能为1 0 0 万吨年。 2 0 0 4 年，鞍钢1 7 8 0 冷轧酸洗机组建成投产。2 0 0 4 年，马钢设计产能1 5 0 万吨年的冷 轧薄板线投产。2 0 0 5 年3 月，邯钢1 3 0 万吨年的冷轧薄板投产。2 0 0 5 年3 月，设计 产能为1 3 0 万吨年的包钢酸轧机组建成投产。2 0 0 5 年6 月，宝钢1 8 0 0 m m 酸洗连轧 机组建成投产，设计产能为1 7 0 万吨佯。1 7 虽然在国外的发展速度很快，单( 双) 机架可逆式冷轧机在国内的大型钢铁联合 企业中应用仍然较少，并且多数都是9 0 年代以前建设的传统四辊可逆冷轧机。新增的 单( 双) 机架可逆式冷轧机多数建设在一些规模较小的民营企业或轧制不锈钢、硅钢 的企业。如武铡、太钢、宁波宝新、张家港浦项不锈钢等引进的二十辊十二辊可逆 轧机均用于不锈钢或硅钢的生产。另外，武钢海口冷轧薄板厂、唐钢、昆钢、武钢、 首钢等引进了多台四辊或六辊可逆轧机。口1 然而，在本世纪以来我国钢铁快速发展的 几年里，由于我国对冷轧板卷的持续需求和价格的一路走高，很多民营企业都建设了 投资较少、成本回收较快的单( 双) 机架可逆冷轧机，其巾又以单机架四辊形式最为 常见。 2 0 0 4 年我国共生产冷轧板卷1 2 4 6 万吨，冷轧板卷的进口需求得到大大缓解。现 在我国仍有一些冷连轧机组正在建设之中。包括本钢浦项冷轧、涟钢冷轧薄板、宝钢 1 8 0 0 m m 冷轧、首钢顺义冷轧薄板、攀钢二冷轧、宁波建龙、酒钢冷轧厂、柳州钢铁 公司1 8 0 0 m m 冷轧、八一钢铁五机架c d c m 冷轧等大型连轧机组，同时还有多条年产 量在1 0 一5 0 吨的单( 双) 机架可逆轧机正在建设之中。p 1 据统计，我国的在建、续建、 拟建以及改造项目达到三十多项，总产能超过三千万吨，这些项目投产以后，我国的 冷轧薄板产能将达到四千万吨以上。 可以预见，随着我国冷轧机产能的提高，甚至市场的饱和，品种规格变换快、投 资少的现代可逆冷轧机必然会同国际上的发展趋势一样得到更为广泛的应用。而随着 市场的饱和，用户要求不断提高，工艺开发变得_ 卜分重要。因此，需要一个灵活的_ l = 具来快速地判断不同的工艺会对产品的性能产生什么影响，帮助我们在很短的时胁内 利用较少的材料进行一些实验，这些实验可以让工艺参数在技术允许的限度下进行人 范围的变化，进而得到产品的性能范围。冷轧实验轧机正是应此要求而出现的。 1 2 冷轧实验轧机概述 根据功能定位的不同，冷轧实验轧机可以分为以设备开发为丰的实验轧机、以板 根据功能定位的不同，冷轧实验轧机可以分为以殴备开发为主的实验轧机、以板 东北大学硕士论文 第一章绪论 形、板厚控制开发为主的实验轧机和以品种开发为主的实验轧机等几类。 1 2 1 国外冷轧实验轧机概况 国外的冷轧实验轧机建设具有较长的历史，数量繁多且已发展出现了功能定位各 不相同的几类轧机。 1 设备开发用实验轧机。只有大型的轧机制造商在进行新型轧机开发和研究时才 会建设设备开发用实验轧机。日立公司的h c 实验轧机，三菱广岛研究所的p c 实验 轧机，达涅利的6 h 3 c 实验轧机等均为此类轧机。 2 板形、板厚控制开发用实验轧机。此类实验轧机通常前后安装卷取机，配置测 厚仪、板形仪等精密的监测仪器，并且使用a g c 等自动控制系统对厚度及板形等迸 行控制，因此投资较大。德国阿亨大学塑性成形研究所冷轧实验轧机即是四辊配置、 电动压下的该类轧机 3 品种开发用实验轧机。品种开发用实验轧机要求轧件短小，厚度适应范围宽， 机械系统、控制系统尽量简单。现在奥钢联工程技术公司( v a i ) 和韩国现代均建设 了此类轧机。其中，v a i 的实验轧机采用了液压张力系统，并且配有退火及热镀锌模 拟设备，可对整个冷轧车间的工艺进行模拟。其轧机如图1 1 所示。 图1 1 v a i 冷轧实验轧机 f i g 1 1p i l o tc o l dr o i l i n g m i l l i n v a i 1 2 2 国内冷轧实验轧机概况 国内的冷轧实验轧机与国外相比数量较少且发展较为落后，以品种开发实验轧机 为主。按照机架布置形式可以分为以下几种。 1 单机架可逆式实验轧机。这是一种最为常见的轧机。东北大学轧制技术及连轧 东北大学硕士论文 第一章绪论 自动化国家重点实验室的2 辊冷轧实验轧机、4 辊冷轧实验轧机、6 辊u c 冷轧实验轧 机，本溪高等冶金专科学校的普通冷轧实验轧机，陕西压延设备厂的2 4 辊可转换实 验轧机等都属于该类轧机。这些轧机或者在出入口安装了卷取机提供张力，或者不能 提供张力。多数采用电动压下，检测仪表较少，不能实现对厚度、板形精确控制。 2 双机架四辊可逆式实验轧机。北京科技大学高效轧制工程技术中心建设有一台 该形式的实验轧机。轧机采用四辊配置，液压压下，出入口安装有两台卷取机。该轧 机轧辊尺寸为4 0 0 m m * 中1 6 0 m m 中4 0 0 m m ；最大允许轧制力1 5 0 0 k n ；最大允许轧制 力矩1 0 k n m ；主电机额定功率1 6 5 k w ，4 5 0 转，分，总传动比3 1 8 ；总传动效率o 9 5 。 3 多机架连轧实验轧机。东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室的三机 架连轧实验轧机属于该类轧机。该实验轧机兼有实验和生产能力，配备有美国西屋公 司的分布式计算机控制系统，英国欧陆公司全数直流传动系统和德国福尔默公司的接 触式测厚仪，以及国产的液压伺服系统、液压缸位移传感器、轧制力传感器、张力传 感器、带钢位置跟踪编码器、板形仪等，可以实现精确的厚度控制，液压弯辊系统配 合板形仪可以对板形进行较好的控制。该实验轧机的缺点是建设成本、实验成本较高。 综合国内外冷轧实验轧机的建设情况，根据实验室钢种开发的要求，选择了单机 架可逆式轧制、卷取机提供张力的形式。实验轧机还配置了测速编码器、压头、测厚 仪等检测设备，提高了实验轧机的操作精度，可以良好地模拟冷轧生产，并通过对实 验数据的精确记录和分析，达到钢种开发的目的。 1 3 本文的意义以及主要研究内容 1 3 1 目的和意义 将轧制技术及连轧自动化国家重点实验室的三机架冷连轧改造为单机架可逆冷轧 实验轧机。通过进行冷轧实验研究，为生产轧机提供最佳的模型和合理的初值，达到 新钢种冷轧工艺开发的目的。 1 3 2 研究内容 本文结合单机架可逆冷轧实验轧机的建设调试及利用该轧机进行的实验，进行模 型参数回归计算以及基于该数学模型进行过程控制级模型设定程序的制订。由于冷轧 实验时轧件往往较短，不需要进行在线的自学习，因此本文只给出了离线用的模型设 定程序。 本文的主要研究内容包括以下几个方面： 1 单机架冷轧实验轧机介绍。介绍东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验 东北大学硕士论文第一章绪论 室的四辊单机架可逆冷轧实验轧机的机械、液压、基础自动化等方面的特点。 2 模型参数的回归。根据实验得到的实际数据，与模型计算的数据进行比较，回 归获得精确的模型参数。该数学模型中应包括一个自学习系数，在工业生产中，只需 通过现场数据回归该系数对模型进行修正。 3 轧制规程计算及设定计算。根据模型参数回归得到的数学模型，确定总的轧制 道次数以及各道次的出口厚度、速度、单位张力制度，对轧机的辊缝、轧辊转速、总 张力等进行设定。对比设定值与实际值，评估模型参数回归的精度。 4 应用单机架冷轧实验轧机进行冷轧实验。进行了s u s 3 0 4 不锈钢单片无张力轧 制实验，对数学模型和回归计算进行实验验证。 东北大学硕士论文第二章冷轧实验轧机介绍 第二章冷轧实验轧机介绍 虽然在工厂的规模生产中，板带冷轧多数采用多机架连轧机，但是在进行冷轧实 验时，单机架往复轧制更为可行，因为单机架轧机设备费用低，实验时的能量、材料 消耗低，更适合进行钢种开发。因此将轧制技术及连轧自动化国家重点实验室中的三 机架连轧实验轧机改造成单机架可逆冷轧实验轧机。 该单机架可逆冷轧实验轧机的主要作用是进行新钢种的工艺开发，具有以下的特 点： 1 具有对轧制过程进行可靠、精确控制的能力，保证实验数据的可靠性、准确性、 复现性，为开展高水平的研究奠定基础。因此，这就需要实验轧机具有精确的执行功 能、完善的检测功能，并且可以实时进行数据处理及存储。 2 可逆轧制，两侧卷取电机可以正反转。卷取机提供前后张力，可以据此获得张 力对轧制力的影响，进而确定合理的张力制度。一个轧程的总道次数可以是奇数或者 偶数，由过程机计算决定。 3 实验轧机的能力较小。其工作辊直径为1 1 0 m m ，工作辊辊身长度为3 0 0 r n m ， 最大轧制速度一般限制在1 0 m s 以内，总轧制力极限值为1 0 0 0 k n ，轧制功率极限值 为l o o k w 。 4 控制系统由过程机和基础自动化两级组成。其过程机实现如来料、成品、轧辊 数据的管理、数据统计、规程计算等功能：基础自动化实现自动厚度控制、自动张力 控制等功能。 5 本实验轧机还侧重应用于不锈钢等特殊钢种，需要考虑这些钢种加工硬化严重 的轧制特点设计变形抗力模型。 2 1 机械部分 2 1 1 工作机座 工作机座是直接承受金属塑性变形的工作部件，它主要包括轧辊、轴承、牌坊、 压下机构和平衡装置。 本实验轧机的辊系配置为四辊式，工作辊传动。工作辊辊身最大直径1 1 0 n m a ，最 小直径1 0 5 m m ，辊身长度3 0 0 m m ，辊头直径5 4 m m ，材质为9 c r 2 ，工作辊的形状见 图2 1 。支撑辊辊身最大直径3 2 5 m m ，最小直径3 1 5 r a m ，辊身长3 0 0 m m ，材质为9 c r 。 东北欠学硕士论文第二章冷轧实验轧机介绍 最大轧制速度1 0 m s 。 、一 。【= l 坦 图2 1 工作辊示意图 f i g 2 1s k e t c ho f w o r kr o l l 工作辊使用规格为中5 5 中5 0 3 5 的滚针轴承，其特点是承载能力大、密封性好、 寿命长；支撑辊使用规格为中1 7 0 中2 8 0 1 5 0 的双列圆锥滚柱轴承，其特点是直径 较小，宽度较大，可承受高载荷，对中性好，接触线长，可以提高轴承的可靠性和寿 命 1 0 】【1 l 】。 采用闭式机架，两片机架的上部通过箱形横梁连接，机架下面则通过横梁连接， 固定在底座上。闭式机架的特点是具有较高的强度和刚度，可以获得较好的尺寸精度。 其窗口高度为1 4 3 5 m m ，窗口宽度为3 8 0 m m ，立柱断面尺寸为2 2 0 m m 1 7 0 m m 。在下 支撑辊轴承座下面安装了换辊用的辊道和换辊液压缸。 o s 侧和d s 侧的电动压下由两台相同的电机分别实现。电机型号为j z l 2 - 6 ，额定 功率3 5 k w ，额定转速为8 7 5 转分。压下电机采用涡轮蜗杆减速箱，两级速比分别为 i - 2 0 、i = 3 5 ，因此总减速比为7 0 0 。压下螺丝直径为9 0 m m ，螺距为2 m m ，压下螺丝 的最大行程为1 0 0 m m 。另外还装备有5 - 3 型自整角机，自整角机减速箱速比为i = 3 5 ， 自整角机转一圈相当于压下螺丝垂直移动o 2 m m 的距离。在冷轧过程中，电动压下不 适合频繁快速调整，因此本实验轧机还配有液压推上机构，其液压缸直径2 0 0 r a m ，最 大行程2 5 m m 。 支撑辊平衡用弹簧能提供的最大平衡力为1 4 4 0 0 n 。工作辊平衡用平衡油缸直径 3 9 m m ，半衡油压为5 m p a 。 2 1 2 传动装置 轧机的传动装置包括减速机、齿轮机座、联接轴等，它们把电动机的运动和能量 传递给轧辊完成金属的塑性变形。 该实验轧机的传动方式为一台电机通过减速机和齿轮机座同时驱动上工作辊和下 工作辊。电机与减速器之间和减速器与齿轮机座之间均用c l 6 y 型联轴器连接。齿轮 机座与工作辊之间用滑块式万向接轴相连。 减速机为z d 3 5 型标准减速机，传动比为i = 2 。 齿轮机座采用人字齿轮机座，其减速比为1 ，最大输入扭矩为6 1 0 k g m ，齿面传 东北大学硕士论文第二章冷轧实验轧机介绍 递扭矩为3 0 5 0 n 1 2 1 ，齿轮轴转速范围2 0 0 6 0 0 转分，采用稀油循环润滑。其啮合特性 见表2 1 。 表2 1 人字齿轮机座啮合特性 t a b l e2 1t h ee n g a g ec h a r a c t e ro f p i n i o ng e a r 2 1 3 驱动主电机 主电机为他励直流电机，型号为z z j 8 2 型，额定励磁电压1 9 2 v ，额定励磁电流 8 7 a ，额定功率为1 1 6 k w ，额定电压为2 2 0 v ，额定电流5 9 5 a ，额定转速为4 7 0 转份。 工作定额1 0 0 。 2 1 4 卷取装置 左右卷取电机均采用z z j o 7 1 型号的他励直流电机。额定功率5 4 k w ，额定电压为 2 2 0 v ，额定电流为2 7 3 a ，定额2 5 ，额定转速为5 9 0 转分。额定励磁电压2 2 0 v ， 额定励磁电流4 7 a 。 卡紧和放开带钢通过卷筒的涨缩实现。涨开时，卷筒直径为3 0 0 m m ，收缩时，卷 筒直径为2 9 8 m m 。 卷取机的其他技术参数： 带材规格：厚度1 o o 1 2 r a m ；宽度1 0 0 2 2 0 m m ； 带卷规格：内径3 0 0 m m ，外径5 0 0 r a m ，卷重2 2 0 千克； 卷取张力：2 5 0 0 2 0 0 0 0 n ； 卷取速度：最大2 m s ； 减速机速比：i = 5 ； 液压缸压力：6 0 m p a 。 减速箱为斜齿轮减速箱，其啮合特性见表2 2 。 表2 2 卷曲机减速箱的啮合特性 t a b l e2 , 2t h ee n g a g ec h a r a c t e ro f s p e e dr e d u c e rf o rc o i l e r 东北大学硕士论文 第二章冷轧实验轧机介绍 2 2 液压系统 液压系统是交由中冶迈克液压有限责任公司完成的。其主要部分为a g c 及液压 弯辊系统，分别提供推上的轧制力和正负弯辊力。a g c 及弯辊系统技术参数如下： 主工作压力：2 5 m p a ； 循环工作压力：2 - 5 m p a ； 主系统流量：3 81 m i n ； 循环系统流量：4 01 m i n ； 冷却水流量：7 01 m i n ； 主电机参数：a c 3 8 0 v2 2 k w1 5 0 0 r p m ； 循环电机参数：a c 3 8 0 v4 k w1 5 0 0 r p m ； 电磁铁电压：d c 2 4 v ； 工作介质：n 4 6 抗磨液压油。 另外，液压系统还可以实现以下功能： 1 前后除油辊的控制，用以除掉板带表面多余的润滑油。 2 换辊控制，用于快速更换轧辊。 3 工作辊平衡，用以平衡工作辊重量，消除咬钢和抛钢时的冲击。 4 卸卷小车的横移和升降。 5 前后卷取机的涨缩，用以上卷和卸卷。 其主要电气设备见表2 3 。 表2 , 3 液压系统电气设备清单 t a b l e2 3e l e c t r i ca c c e s s o r i e so f h y d r a u l i cs y s t e m 东北大学硕士论文第二章冷轧实验轧机介绍 2 3 润滑站 2 3 1 工艺润滑部分 在冷轧过程中，工艺润滑有如下作用： 1 通过润滑剂在轧辊和带钢表面形成一层油膜，防止相互问的吸附作用，并且渗 入两个接触表面上的凹凸细孔把带钢与轧辊隔开，从而降低接触面上的摩擦，进而降 低轧制力和轧制功率。 2 润滑剂的覆盖防止了轧辊表面的氧化，带有润滑剂的轧制过程对带钢有磨光的 作用，因此可以提高带钢表面的光洁度。 3 工艺润滑还可以在一定程度均匀散布轧制时摩擦所产生的热量，调节和控制轧 辊的辊形。 4 带钢在冷轧时会产生巨大的热量，可能造成粘辊现象，润滑剂可以有效阻止粘 辊的发生。 1 2 1 1 3 l 四辊轧机通常采用的润滑剂为乳化液，其主要成分是油相、水及乳化剂，通过乳 化剂的作用，油相以细小液滴的形式分布于水中形成两液相的稳定系统。其中油相一 般采用矿物油，乳化剂是一种表面活化剂，可降低液面或液滴表面张力，增加油脂在 水中的溶解度，另外还有润湿作用、乳化作用以及消泡作用。为了获得混合均匀的乳 化液，在乳化液站上装备了搅拌电机。为了保证乳化液的温度在要求的范围内，为乳 化液站配备了电加热器。使用之后的乳化液通过轧机下部的收集箱收集并经过过滤再 生，循环利用14 1 5 】。工艺润滑系统电气设备见表2 4 。 表2 4 工艺润滑系统电气设备 t a b l e2 4e l e c t r i ca c c e s s o r i e so f p r o c e s sl u b r i c a t i n gs y s t e m 润滑剂喷嘴一共有四组，分别位于轧机前后轧线的上下侧。每组有两个喷嘴，呈 扇面均匀喷射到带钢的上下表面。 东北大学硕士论文第二章冷轧实验轧机介绍 在轧机的左右出口的上下侧均设有乳化液喷嘴，乳化液由喷嘴呈扇面均匀喷射到 轧件的表面上。乳化液的最大压力可以达到0 5 m p a ，最大流量可以达到2 51 m i n ，乳 化液的温度可以加热至5 0 。为了防止乳化液随轧件穿过轧机到出口侧卷取机，还配 有气刀对乳化液进行清扫。 喷到轧件上的乳化液会流入轧机底座的回收槽中，并最终通过回收管路回到乳化 液站，因此乳化液站配有一个磁滤器用以吸附乳化液中的铁屑，一个精滤器用以过滤 其它杂质。 2 3 2 设备润滑部分 设备润滑采用普通机油润滑，其主要电气设备见表2 5 。 表2 5 设备润滑系统电气设备 t a b l e2 5e l e c t r i ca c c e s s o r i e so ff a c i l i t yl u b r i c a t i n gs y s t e m 2 4 传动及基础自动化 基础自动化部分采用最新的西门子s 7 4 0 0 对调速器及其它动作元件进行控制，用 w i n c c 做成人机界面，通过各种测量仪表，进行轧制过程的跟踪以及数据的采集。基 于上述设备，实现了对轧制过程速度、张力和厚度的自动控制。 2 4 1 检测仪表 对轧制过程中轧制力、张力、速度、位置等的监测是进行精确控制的基础。对于 冷轧实验轧机，监测获得的实时数据对于进行模型的回归也至关重要，因此，本实验 轧机安装了完备的监测仪表，见表2 6 。 2 4 2 调速器 o s 侧以及d s 侧压下电机均使用规格为6 r a 7 0 1 8 - 6 d v 6 2 0 的s i m o r e gd c m a s t e r 调速器。主电机使用规格为6 r a 7 0 7 5 6 d v 6 2 0 的s i m o r gd cm a s t e r 调 速器。两侧卷取机使用原来三连轧配置的欧陆公司的s s d 一5 9 0 调速器。 6 r a 7 0s i m o r e gd cm a s t e r 系列调速器是全数字紧凑型整流器，输入为三相 电源，可向变速直流驱动用的电枢和励磁供电，额定电枢电流从1 5 a 至2 2 0 0 a 。 东北大学硕士论文第二章冷轧实验轧机介绍 表2 6 检测仪表 t a b l e2 6d e t e e t i o nd e v i c e s 6 r a 7 0 1 8 - 6 d v 6 2 0 调速器的主要参数如下 电枢 额定输入电压：3 a c4 0 0 v ( + 1 5 - 2 0 ) 额定输入电流：2 5 a 额定频率：4 5 6 5 h z 额定直流电压：4 2 0 v 额定直流电流：3 0 a 励磁 额定输入电压：2 a c 4 0 0 v ( + 1 5 一2 0 ) 额定输入电流：5 a 额定频率：4 5 6 5 h z 额定直流电压：3 2 5 v 额定直流电流：5 a 过载能力：最大为额定电流的1 8 0 额定输出：1 2 6 k w 6 r a 7 0 7 5 6 d v 6 2 0 调速器的主要参数： 电枢 额定输入电压：3 a c4 0 0 v ( + 1 5 一2 0 ) 额定输入电流：1 7 5 a 额定频率：4 5 6 5 h z 额定直流电压：4 2 0 v 东北大学硕士论文第二章冷轧实验轧机介绍 额定直流电流：2 1 0 a 励磁 额定输入电压：2 a c 4 0 0 v ( + 1 5 2 0 ) 额定输入电流：5 a 额定频率：4 5 6 5 h z 额定直流电压：3 2 5 v 额定直流电流：1 5 a 过载能力：最大为额定电流的1 8 0 额定输出：8 8 k w 在冷轧实验轧机系统中电机转速均使用脉冲编码器获得，给定的速度值也都是数 字量，这时6 r a 7 0 调速器的控制精度为a n = 0 ；0 0 6 的电机额定转速。当使用模拟测速 机和模拟给定时的控制精度为a n = 0 1 的电机额定转速。 s s d 一5 9 0 直流调速器是全新的第二代全数字调速系统，具有优良的性能，可以提 供直流两象限( 单向) 及四象限( 可逆) 的运行控制，并实现了全系列的标准化。使 用的s s d 。5 9 0 的具体参数如下： 电枢： 额定输入电压：3 a c 2 4 0 v ( 1 0 ) 最大输入电压：5 0 0 v 额定频率：5 0 6 0 h z 额定直流电压：4 6 0 v 额定直流电流：3 6 0 a 励磁： 最大输入电压：5 0 0 v 额定输入电流：2 0 a 额定频率：5 0 6 0 h z 额定直流电压：2 2 0 v 额定直流电流：2 0 a 辅助电源：a c 2 2 0 v ( 1 0 ) ，5 0 6 0 h z 反馈信号传输：5 7 0 1 塑料光导纤维 最大转速：1 5 0 0 r p m 额定功率：1 5 0 k w 过载能力：负载为2 0 0 额定负载时1 0 秒；负载为1 5 0 额定负载时3 0 秒 在冷轧实验轧机系统中电机转速均使用脉冲编码器获得，给定的速度值也都是数 字量，这时s s d 一5 9 0 调速器的控制精度为a n = 0 0 1 的电机额定转速。当使用模拟测 东北大学硕士论文第二章冷轧实验轧机介绍 速机和模拟给定时的控制精度为a n = 0 1 的电机额定转速。 2 4 3p l c 系统配置 s 7 4 0 0 自动化系统采用模块化设计。它所具有的模板的扩展和配置功能使其能够 按照不同的需求灵活组合。本实验轧机的p l c 配置情况如下： 1 电源模块：p 8 3 0 7 ，1 2 0 2 3 0 v a c 输入，2 4 v d c 2 a 输出。2 块，分别位于p l c 总站和扩展模板中。 2 中央处理器模块：c p u 4 1 6 2 d p ，功能强大，集成的p r o f i b u s - d p 接口使它能 作为主站直接连接到p r o f i b u s d p 现场总线。执行一条二进制指令仅需o 0 8 毫秒， 具有1 6 m br a m 的扩展存储能力，最多可以有2 6 2 1 4 4 个数字量输入输出或者1 6 3 8 4 个模拟量输入输出，最多能够建立4 4 个站的简单网络，数据传输最大速率为1 2 m b i t s 。 3 功能模版：f m 4 5 8 1 d p 基本模板和e x m 4 3 8 1i o 扩展模板。f m 4 5 8 1 d p 基本 模扳可以执行计算、开环控制和闭环控制任务，p r o f i b u sd p 接口可以连接到分布 式i o 和驱动系统，通过扩展模板可以对i o 和通讯进行模块化扩展。e x m 4 3 8 1i o 扩展模板是专用于f m 4 5 8 1 d p 基本模板的插入式扩展模板，它用于读入和输出有时 间要求的信号，可以输入输出数字量和模拟量，可连接增量编码器和绝对值编码器。 4 通讯处理器：c p ，4 4 3 基本型通讯处理器用于将s 7 4 0 0 的主站连接到 p r o f i b u s ，可以减轻c p u 的通讯任务。 5 模拟量输入输出模板：用于模拟量的输入输出，包括轧制力、油压、厚度、 张力、压下油缸的伺服阀工作点、电动压下速度设定值等。 6 数字量输入输出模板：用于数字量的输入输出，包括位移、速度、辊缝等。 7 远程i o 站：e t 2 0 0 m 是高密度配置的模块化i o 站，可以用于s 7 4 0 0 p l c 的 信号、功能和通讯模块的扩展，最大传输速率为1 2 m b i f f s 。安装在操作台上。 p l c 主站和e t 2 0 0 m 之间通过p r o f i b u s d p 总线连接，接口模板和f m 4 5 8 之间 用s c 6 3 接口电缆连接。 2 4 4