HC轧机的发展及其特点

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1        摘要　介绍了HC轧机的发展及其特点；分析并阐述了攀钢4机架六辊HC机组AGC,张力测量,板形测量控制等系统的主要特点；同时介绍了该机组的使用情况。
　　关键词　HC轧机,控制,特点

Brief Introductionon Cold Tandem High Crown Control Mill
in Panzhihua Iron and Steel Company

Xia Wei　Yang Jun　Wang Qiuzhu
(Panzhihua Iron & Steel (Group)  Co.,617067)

　　Abstract　The development and characteristics of HC mill are introduced.The mainfeature ofAGC,tension measurement system,shape control,etc.of the Panzhihua Irou Steel Co.4 stands HC cold rolling mill are analyzed and descried in detail.At the same time,the operation condition of the mill are introduced too.
　　Keywords　HCmill,control,characteristics

1 概述
　　HC轧机是日本日立与新日铁公司于70年代初发明的新型六辊轧机。由于其独特的板形控制能力,大压下率,节能和适宜轧制硬薄带钢等优点,在世界范围内迅速发展,到1996年世界各地共安装了413台HC轧机。1982年我国开始研究HC轧机,第1台于1985年试车成功。目前国内已有HC轧机达40台。

2 HC轧机的特点
　　HC轧机有以下特点：
　　（1）增强了弯辊装置的效能。由于中间辊一端是悬臂的,所以用很小的弯辊力就能明显改变工作辊的挠度。
　　（2）扩大了辊型的调整范围。由于中间辊位置可以移动,即使工作辊原始辊型为零（即轧辊没有凸度）,配合液压弯辊也可在较大范围内调整辊型,因此可减少备用轧辊的数量。
　　（3）带钢板形稳定性好,实践表明,当中间辊调整到某一位置时,轧制力波动和张力变化对板形的影响很小。这样,可减小冷轧张力,也能控制良好的板形,并减少板形控制的操作次数。
　　（4）可以显著提高带钢平直度。可减少带钢边部变薄和裂边部分的宽度,减少切边损失。　　　（5）可采用小直径工作辊,大压下量,减少轧制道次和轧机数量。以攀钢HC轧机为例,采用了4机架,成品机架的最小工作辊直径可达422mm。当用2.0mm板生产0.3mm极薄带时,各机架的压下率分别为40.0%,39.3%,40.9%,30.2%,总压下率达85%。

3　攀钢HC冷连轧机组
　　攀钢HC机组于1992年从墨西哥购买并由德国MDS公司负责机械,液压部分配套改造,瑞典ABB公司负责电气,基础自动化和二级计算机控制系统及板形仪闭环控制的改造,该机组成为继武钢之后引进的又一套大型4机架六辊HC轧机。
　　该轧机主液压缸安装在机架下牌坊横梁上,液压缸的活塞设计具有辊缝设定功能,并可补偿轧辊辊径的减少量,热膨胀等。其安装具有以下优点：（1）油不会漏到带钢上；（2）可将位置传感器,压力传感器,伺服阀等直接安装在靠近主液压缸乳化液收集槽下的清洁区,具有动态特性好,维护方便的特点。同时机组设置有自动换辊系统,换辊快,轧制效率高。
　　自动化系统由过程计算机和基础自动化二级计算机完成。机组设计有多种自动控制功能,特别是用数学模型进行设定计算,可选择出最佳的轧制规程,又有自适应功能,可即时收集过程数据,不断地对控制量和模型参数修正,使设定计算数据更符合实际,能轧出板形好,厚度公差精度高的高质量冷轧板卷。
　　为克服轧机本身的弹性变形以及轧机的热膨胀和磨损等因素对轧出厚度的影响,ABB公司应用现代理论的观测技术,开发了NOVATUNE自适应控制器模型,它可以预测某些无法测量的变量参数,如：轧机的弹性变形,轧辊的热膨胀和磨损等。根据动态的控制过程调整自身内部的数学模型参数,用瞬间过程采样值预测出下一时刻该值偏离设定值的大小和方向,并根据预测值提前输出新的控制值,改善预测的精度。
3.1　工艺流程及主要设备性能参数
　　攀钢HC轧机工艺流程如图1所示。



图1　攀钢冷轧厂4机架六辊HC冷连轧机工艺流程
1-上料小车；2-开卷机；3-转向辊；4-入口夹送辊；5-1#测厚仪；6-1#机架；7-主液压缸；8-2#测厚仪；9-2#机架；10-3#机架；11-4#机架；12-压力传感器；13-3#测厚仪；14-板形仪；15-卸卷小车；16-卷取机；17-皮带助卷器；

　　机组主要性能参数：工作辊辊身长度1220mm,工作辊直径460/422mm,中间辊直径490/440mm,支撑辊直径1090/1000mm,最大轧制力15MN,最大轧制速度1200m/min,成品厚度0.25～2.50mm,成品宽度720～1120mm,年生产能力约53万t,张力轧制,机组需年作业率52.42%。轧机采用直流电机传动,电机主要技术参数见表1。

表1　攀钢冷轧厂主轧机电机技术参数

项目 开卷机 1#机架 2#机架 3#机架 4#机架 卷取机
电机功率/kW 752 2240 2980 14902 13052 900
转速／r.min－1 235~900 125~375 200~520 300~800 355~900 250~950
传动比 3.190 1.000 1.000 1.000 1.000 1.255
速度／m.min－1 450 180~542 289~751 405~1080 479~1200 1200

3.2　机组的主要特点
　　该机组经改造后,总体性能达到了国际90年代水平。下面介绍轧制线调整、辊缝控制、张力控制、带钢厚度控制、板形控制、各种补偿功能等。
3.2.1　轧制线调整机构
　　为保证轧制线恒定,辊缝调整方便,该HC轧机在轧机牌坊上横梁设抽动粗调,斜楔精调机构,以及垫片调节轧制线,粗调分4级,每级22.5mm,精调从0～25mm范围内无级调整,垫片用于调节余量,垫片有2.5,5,10mm3种,轧制线调整精度为±1.5mm。其结构如图2所示。



图2　攀钢HC轧机轧制线调整机构示意图
1-斜楔液压缸；2-机架横梁；3-斜楔；4-阶梯板；5-阶梯板液压缸

　　调整基准面为使用最大辊径时,上支撑辊中心与轧制线距离,即1495mm(1#、2#机架)、1465mm(3#、4#机架)。上支撑辊、上中间辊和上工作辊磨损后,换辊时调整轧制水平线。调整机构重新调整量S为：

S=1495-(Db/2+Di+Dw)(1#、2#机架)
S=1465-(Db/2+Di+Dw)(3#、4#机架)

式中,Db为支撑辊直径；Di为中间辊直径；Dw为工作辊直径。
3.2.2　辊缝控制
　　辊缝控制功能主要有3种：即控制平均辊缝,控制总轧制力；控制倾斜。执行机构安装在机架下牌坊上的主液压缸。液压缸活塞位置（辊缝）由安装在缸体内的线性数字累积脉冲传感器测量,轧制力由装在机架的压力传感器测量。1#～3#机架配有位置和倾斜控制系统,4#机架配有位置/轧制力及倾斜控制系统。由位置控制方式向压力方式的转换是平滑无冲击性的（反之亦然）。另外,可手动增加/降低辊缝。
　　倾斜控制可与位置控制或压力控制同时运行。位置方式和轧制力方式是互补的,在任一时刻只有一种方式起作用。位置方式在轧制力方式不发生作用时随时起作用；压力控制只有当轧制力超过预设定值时发生作用。
　　其次,机组设计有自动抬起和快速抬起辊缝功能,用于在断带或在压力很大等情况时自动或快速抬起辊缝。同时,如果轧制力测量系统关闭或轧制力超过预设极限,自动报警功能将产生警报。
3.2.3　自动厚度控制（AGC）
　　在本HC机组中的厚度控制系统,其基本控制思想是在第1机架消除绝大部分厚差,并在整个轧制过程中维持各机架的金属秒流量相等,以此来控制带钢的厚度。
　　（1）入口AGC
　　①直接前馈控制
　　1#测厚仪测出的厚度偏差被延迟传送,直到带钢的相应部分到达1#轧机。该延迟包含对1#测厚仪测量时间和1#轧机辊缝反应时间的补偿,延迟的信号通过前馈控制器作用于1#机架辊缝,1#机架入口段的带钢长度测量是一个关键,机组采用1#机架前转向辊上的脉冲发生器测量其长度,
　　②前馈/反馈控制
　　1#测厚仪的厚度偏差信号转换成绝对偏差作为前馈信号提供给NOVATUNE(自适应控制器）,2#测厚仪的厚度偏差信号转换成绝对偏差作为反馈信号提供给NOVATUNE,从而构成前馈/反馈控制,NOVATUNE输出信号通过辊缝控制系统进行辊缝控制。
　　③第2机架直接前馈控制
　　经1#机架产生的厚度偏差,在1#机架无法进行直接调整,而这个偏差量如果不及时消除,必然给后部机架带来偏差。根据秒流量原理,通过改变2#机架带钢入口速度,可维持2#机架金属秒流量恒定来控制,而2#机架带钢入口速度等于1#机架出口速度,故改变1#机架速度即可达到目的,2#测厚仪的厚度偏差信号被延迟传输,该延迟传输包含对2#测厚仪测量时间和1#机架传动装置反应时间的补偿,延迟传输的信号通过前馈控制器作用于1#机架速度。
　　（2）出口AGC
　　出口AGC有两种控制方式,分别采用单独的NOVATUNE控制器,控制轧制普通板和超薄板。3#测厚仪的厚度偏差百分比信号转换成绝对偏差信号作为反馈信号传给NOVATUNE,其输出信号在轧制普通板时,控制3#,4#机架速度,在轧制超薄板时,控制4#机架速度。
　　（3）速度监控
　　出口AGC的输出改变3#和4#机架的操作状态,这对厚度精度将产生不良影响,故要求其速度改变要限制在一个较小的范围内。因此,对于出口速度超出调节范围的要”卸荷“一部分到入口机架中去。
3.2.4　张力测量控制系统
　　张力测量系统由张力计和张力辊组成。张力计置于张力辊轴承座下,带钢通过时对张力辊产生压力被张力计测出,再用力的平衡原理计算出张力值。
　　（1）机架间张力控制
　　当张力误差超过张力参考值的死区范围时,张力限制起作用,在光面辊轧制模式下,所有机架间的张力由辊缝调节来控制。在毛面辊轧制模式下,1#～2#,2#～3#机架间张力是通过辊缝调节来控制,3#～4#机架间张力是由4#机架的速度调节来控制。
　　（2）开卷张力和卷取张力控制
　　在开卷机和1#机架间以及卷取机和4#轧机间的张力分别由拉曳式开卷机和张力卷取机通过比较电机电能和机械能来保持带钢张力达到预设定值。
　　（3）张力补偿控制
　　工艺要求各机架在轧制过程中,不能因轧制速度改变而影响轧制力。但是,当轧机升速或减速时,随着轧制速度的变化,轧辊与轧件的摩擦力发生变化,轧件的变形速度相随变化。这样将引起轧制力发生变化使得轧机的弹跳系数发生变化,结果影响出口板材的厚度发生变化,为了保证轧制力恒定,采用张力补偿控制。通过检测相应机架的速度,改变张力调节器的设定值,随着轧机升速或减速,张力给定值减小或增大。
3.2.5　板形测量控制系统
　　在原日立轧机的设计中,没有板形测量设备,带钢板形的控制是根据轧制模型通过辊缝倾斜,工作辊弯曲,中间辊侧移等控制系统进行开环控制,带钢板形不能进行实时测量,不能根据实际的板形进行及时调整,很难保证其板形质量。
　　在改造设计中,增加了一套ABB公司的板形测量与控制系统,对带钢板形进行实时测量和在线控制起到十分重要的作用。
　　（1）测量原理
　　在本HC机组中,为测量带钢板形,在末架轧机与卷取机之间设置一个由ABB生产的类似转向辊的板形应力测量辊,其结构如图3所示。测量辊设计成实心钢芯,轴向相互呈90°刻有4条凹槽,磁弹性传感器就固定在凹槽中,每排23个。钢芯外面再采用热装方法套上钢环形成约20kN的预压力以保护传感器,钢环具有坚硬的表面,同时又有足够的弹性输送带钢压力,测量辊沿辊身分为宽度为52mm的23个段,从而也将带钢分成相应的段,在每个钢环间有一狭缝,使各个区段可单独进行测量,测量辊具有一般轧辊的强度,此外辊子可重新修磨（钢环可磨）,每个板形辊在使用过程中工作时间可超过10年,当带钢经过辊子时,卷取张力使带钢施与辊子一个径向力,这个力沿辊身因带钢延伸率不同而不同,当板平直度低时,说明其沿宽度方向上的延伸率差别大,各部分应力差别大。当带钢经过测量辊时,板施加给测量辊的径向力沿宽度方向也不同,测量辊内的传感器即可测量出沿辊身的径向力分布,这些即代表带钢板形并显示出来,经处理系统而获得的板形曲线与理想的板形曲线（即目标板形曲线,原控制系统中存有数十条板形曲线）进行比较,两者之差即为板形误差,操作工根据经验将轧机的各种板形控制功能合理运用组合来将这个误差减少直到消除。



图3　攀钢HC轧机板形测量辊结构原理及应力示意图

3.2.6　板形控制
　　轧机有工作辊弯辊、轧辊倾斜、中间辊窜动、分段冷却4种功能来控制板形。自动板形控制即是通过完整的轧制回路控制系统,使用上述控制手段来校正带钢板形偏差。
　　（1）中间辊窜动
　　HC轧机特别设计有可窜动的中间辊,用三级计算机设置窜动量,系统设计为无负荷移动,移动位置精度±2mm,4#机架可手动调节中间辊位置。通过中间辊窜动与工作辊相结合获得凸度可对复合波浪等不易消除的板形缺陷进行控制,根据来料宽度,调节中间辊轴向移动量,窜动量按下式计算：S=(辊身长度-带钢宽度-校正值)/2。
　　（2）弯辊控制
　　机组除在1#～4#机架设计了正弯辊系统外,在4#机架还同时设有负弯辊,这些系统控制既可“自动”又可“手动”。弯辊能对带钢的中间浪和边浪实现较好的控制,弯辊与中间辊一起使用可调整负凸度的来料。
　　（3）倾斜调整
　　轧辊倾斜调整主要用于消除带钢的线性板形误差。可通过调整压下,由板形控制功能中的倾斜功能调整来料的缺陷。
　　（4）冷却
　　冷却分分段冷却和基本冷却。分段冷却是通过控制工作辊面的热度分布而控制带钢的板形。基本冷却的目的是防止在轧制过程中工作辊面过热,并有润滑作用。该HC轧机上,下辊冷却形式一样,布置相反,动作同步。上,下辊的冷却喷嘴各分两排,一排是分段冷却喷嘴,一排是冷却喷嘴。每排共设23个喷嘴,基本冷却喷嘴中间15个是恒开的,两边的4个根据带钢实际宽度决定开或关,分段喷嘴的开或关根据板形控制需要来决定。
3.2.7　轧机的补偿功能
　　机组设计有多种补偿控制功能。除前述的张力控制功能外,还有轧辊偏心的补偿控制,油膜补偿控制等。
　　轧辊偏心补偿控制又称几何补偿控制。由于轧辊辊身椭圆度,辊颈椭圆度,轧辊与轴承偏心,或轴承偏心等几何因素,板材在轧制过程中产生周期性厚度变化,攀钢冷连轧机基础自动化系统对1#机架采用了几何补偿控制功能,通常几何补偿控制是指对支撑辊的几何补偿,这主要是工作辊的辊径较小,研磨精度高,在轧制时的力皆传给支撑辊,所以工作辊的偏心作用并不明显,轧辊偏心补偿,采用轧制力信号测量辊缝偏差,以辊缝控制功能调节辊缝以补偿支撑辊偏心带来的任何差异。
　　油膜补偿控制：攀钢冷连轧机支撑辊采用了油膜轴承。由于油膜厚度与转速有较大关系,轧机在升减速时,油膜厚度发生了变化,故应对油膜厚度进行补偿。
　　其次,由于机架的弹性变形,轧辊膨胀,轧辊磨损等原因对带钢的精度影响难于准确测量,故开发了自适应控制器对这部分进行补偿,提高了带钢的精度。

4　轧制润滑
4.1　润滑剂
　　该HC轧机生产厚度为0.25～2.5mm的薄板,跨越了两个冷却润滑区（0.4mm以下为极薄板）。特别是在轧制0.25mm板时,4个机架的压下率均在30%以上,个别机架达40%以上,这种大压下率对于轧制液的润滑性能有较高的要求。攀钢HC轧机采用的是Qua Rerol N436-DPD乳化液。该乳化液具有用合成脂代替动物脂,油品采用可控制的油颗粒度,综合考核成本低等特点。奎克公司经几十年的研究,开发出乳化油颗粒直径测量方法,进而采用添加聚合物的方法,实现对乳化液中油颗直径进行调控（该公司独有技术）,从而达到油颗粒在乳化液配制输送及轧制过程中的稳定性,始终保持2.3m左右。这样不仅可以精确地控制乳化液的润滑与冷却效果,而且可大幅度降低轧制油的消耗,提高乳化液使用寿命。
4.2　润滑剂配制
　　机组设计了A,B两套乳化液系统以满足不同的浓度要求。
　　（1）除轧制0.25～0.35mm厚的极薄带外,其余厚度规格的薄带轧制,到第4机架时压下量已变得很小,这时对润滑的要求不是太高,故4#机架采用浓度较低的乳化液。
　　（2）浓度低的乳化液含油量小,在一定程度上也起到清洁作用,对带钢表面质量有一定的积极作用。
　　（3）轧制厚0.25～0.35mm带钢时,各机架的压下率相近,均在30%以上,对润滑性能有严格要求,故1#～4#机架采用同一种浓度的乳化液（3.5%～4.0%）。
　　（4）配制后的乳化液呈半稳定性,使得乳化液在辊缝中易分解,润滑效果更好。
　　（5）材料塑性差,板厚小,轧制速度高或材质较硬时,必须使用润滑性能较高的乳化液,这时油滴较大,在半稳定状态下工作。
4.3　润滑剂的使用
　　输送到机架的乳化液通过喷嘴喷射到轧辊和带钢上,起到冷却和润滑作用。喷射装置由喷射梁和喷嘴组成。由于成品机架对板形的要求更为严格,故第4机架与前3架布置是不同的。

5　使用情况
　　该机组于1996年6月投入试生产,当年产量约5万t。1997年年产量25万t,达产50%,并于1997年10月生产出0.23mm的极薄带,而设计极限为0.25mm。这充分说明,该机组的设计是成功的,其自动控制系统先进可靠。