创新重器助高线轧机升级换代

介绍

由哈尔滨哈飞工业有限责任公司、江苏永钢集团有限公司、北京科技大学、天津市先导倍尔电气有限公司(以下分别简称哈飞、永钢、北科大、先导倍尔)协作攻关研发的达到国际先进水平的双机架减定径机组,于2015年12月8日在永钢一次试产成功,至今已运行近3年,取得了明显效果:终轧温度由950℃降到850℃以下,细化了晶粒,提高了产品性能;终轧速度由85m/s提高到105m/s,生产效率提高20%;尺寸精度由±0.25mm提高到±0.10mm;穿水后盘条表面不生锈;达到了降本增效和升级换代的目的。 定径机组
据哈飞双机架减定径机组项目第一完成人丁长文总工介绍,该机组共有六大创新点。

六大创新点

创新点一:结合国情领先国际的新潮设计
该项目结合国情,因地制宜并创新地提出了双机架双档调速减定径机组技术的设计思想,制造了国内首套双机架减定径机组并在永钢成功应用,实现了低成本、高精度的线材轧制。
在国内近500条高速线材生产线中,90%的产品规格为?准5.5mm~?准16mm,双机架两档变速完全能满足上述产品的连轧工艺要求。国外4机架减定径机组为9档以上变速,结构复杂,技术和功能过剩,故障率高,价格昂贵。双机架两档减定径机组与4机架多档减定径机组相比,技术上同属于第六代水平,但成本更低,价格只相当于后者的1/5,轧制速度可达105m/s,完全满足轧制C级以上精度产品的要求。
创新点二:传动结构简化
现代高速线材正沿着增加轧机小时产量、提高轧机利用系数、无扭/微张力组合以及提高产品尺寸精度、表面质量和组织性能的方向发展,为此,该项目自主研发了增强型和自定心新型辊箱、顶交45°传动方式、新的高承载能力的齿制形式和高速密封结构的传动箱,以及新型迷宫式高速密封结构、双档高速变速箱等。
其在结构上设计单一增速机构,简化了传动结构,提高设备可靠性,简化操作,便于维护使用。国外减定径机是由一台交流电机通过1套含有多个离合器的齿轮箱驱动2架230mm减径机和2架150mm定径机组成。其双模块减定径机总体结构为4道次两个模块,由两个电机分别驱动两个变速箱,采用电气连锁实现速度匹配。这样的传动结构都相对复杂,特别是多档离合结构利用率较低。同时,国外设备的双电机输入依靠电气连锁来进行速度匹配的模式,对自动化控制精度及孔型工艺方案精度等要求较高。国内这一项目采用的是一台电机通过变速箱直连传动箱的传动结构,变速箱仅带有一个离合装置,产品规格和轧制速度分为高低两档,能轧制规格为?准5.5mm~?准16mm的产品,完全可以满足轧制工艺要求。该项目设计的结构相对简单实用,品种规格及轧制速度匹配简单、合理,且可靠性高。
该机组的新型辊箱在结构设计上做了重大突破,对轧辊轴与油膜轴承间隙进行了优化设计,在新型偏心套、护帽、锥套、辊环等工艺件结构上进行了创新设计,在锥套、面板、密封件等常用易损件材质上进行了重大改进。
为该机组设计的新型传动箱,集成45°一体化传动箱体,齿轮设计上采用新制式弧齿锥齿轮,传动精度高、承载能力强;传动轴结构为简支梁而不是悬臂梁方式,有较大的抗变形力和刚度。
在该机组的两档高速增速箱里,研制者创新设计了液压驱动的两组齿轮轴串和一组花键式离合器,通过液压缸控制离合器不同的位置实现不同组齿轮的啮合,从而可满足轧制工艺的不同速比的要求。需要变速时,液压缸带动拨叉动作,电机在5r/min工况,拨叉带动花键套与不同齿轮花键组啮合,实现自动变速。由于增速箱输出轴转速较高,研制者创新设计了新型迷宫式组合密封,该密封在转速3000r/min以上时仍运行可靠、无泄漏。
创新点三:传动方式独特
该机组采用顶交45°传动方式、新的高承载能力的齿制形式和高速密封结构的传动箱。考虑高速、重载、重心低、结构紧凑等传动因素,该机组在其传动箱上创新设计了45°轴串齿轮啮合。以前第五代轧机45°传动是将精轧机大底座安装面设计制造成45°,各轧机安装上面,这种形式在轧机安装时会形成安装间隙,与制造公差等因素交织在一起造成高速运转时传动不稳定、设备震动大。新型传动箱将第五代轧机大底座和锥箱合二为一设计成45°一体化传动箱体,各带有齿轮的轴串装配其上从而实现45°传动,减少了中间安装因素造成的公差积累,传动精度更高。该机组还对高速齿轮多采用格里森齿制的传统设计进行了突破,创新设计了新制式弧齿锥齿轮,其传动精度高,承载能力强,可靠性高。齿轮、轴串动平衡齿轮采用分体和组合整体二次动平衡,满足高速旋转的要求,齿轮和动平衡精度均采用最高等级。
创新点四:传动设备新颖
研制者为该机组自主研发了增强型和自定心新型辊箱,高速辊轴轴串装配结构,设计了自定心式装配形式,极大地减小了因装配及使用不当产生不平衡质量而引起的设备稳定性问题。机组辊箱采用插入式结构、悬臂辊环,箱体内存有偏心套机构用来调整辊缝。偏心套内装有油膜轴承与轧辊轴,在悬臂的轧辊轴端用锥套固定辊环。轧机在105m/s轧制时,轧辊轴转速达9000r/min以上,高速轴的动平衡精度对设备运行稳定性有极大的影响。该项目高速辊轴轴串各件均采用了G1级的动平衡工艺,同时在轴串装配结构上均采用了自定心式的装配配合结构,不仅解决了动平衡稳定性问题,而且简化了拆装操作,提高了使用维护效率。
为实现控制轧制和控冷轧制,研制者为该机组设计了新型辊箱。由于轧制过程中轧辊轴的变形是导致辊箱烧毁的因素之一,新辊箱在结构设计上做了重大改进,其中,通过计算机有限元载荷计算分析,将轧辊轴油膜轴承辊径合理加大以增强刚性,减少弹性变形;在新型偏心套结构上与第五代结构形式比较进行了创新和改进,在叉耳与滑块配合公差、精度、轴承部位等方面进行优化设计,保证辊缝间隙、油膜轴承与轧辊轴之间间隙灵活、合理,辊缝跳动小,油膜承载力强。护帽、锥套、辊环等工艺件的反复安装、拆卸,容易造成间隙过大破坏其动平衡,影响轧机传动和轧制精度,为此,研制者在设计上考虑了上述综合因素,设计锁紧套,增加锥套与辊环之间的压力。同时,锥套和护帽之间采用锥面配合形式,容易定心,拆装方便,可靠,有力保证了轧机传动和轧制精度。对于锥套、面板、密封件等常用易损件,研制者将其材料设计为适合轧钢工况的不锈钢材料,延长其使用寿命。
创新点五:新型孔型系统
研制者为该机组设计了新型的“8+2”模式的孔型系统,实现了大压下量的低温轧制,产品性能和表面质量显著提高。该项目在孔型设计上采用了线材传统的、共用性大的椭圆—圆孔型系统,由于该项目采用的是230mm辊箱,最大轧制力为330kN,具有较大的压下率,轧件断面可灵活地进行适量调整,从而大大简化了粗轧、中轧、预精轧和精轧机组的孔型系统。同时,该机组可直接调用精轧机组成品孔型,对其余精轧孔型进行架次微调就可进行生产,工艺成熟,入门简单,投产快。
这种成熟简便的工艺孔型系统对于该项目的推广,以及对于用户的顺利投产及后期的维护使用都是十分有利的。简单实用也是该项目的一个重要特性。
创新点六:低压交流变频传动
该机组控制系统实现了690V、2500kW电机低压交流变频传动控制系统在冶金轧钢领域的首次应用,为国内外首创在减定径机传动控制系统上开发应用低压变频系统,亦可用其替代国外垄断进口的中压3300V变频系统,并完全可以扩展至其他应用场合。
该项目采用低压AC690V控制方案,投资成本约为进口中压方案的1/2,性能相当。区别于常规的中压AC3300V控制方案,该方案采用高性能复杂应用多机传动、模块化传动装置的低压AC690VS120变频器,结构简单,维护方便,S120变频器在国内已广泛应用,很多技术人员已经熟悉,比较容易掌握,故障诊断方便,能很快找出问题。
该控制方案缩短了整套设备的供货周期,S120变频装置由国内成套组装,供货周期3个月,而常规中压控制方案使用的变频装置为全进口设备,订货周期在半年以上。
该机组使用S120变频器,调节精度、动态性能均高于传统的LCI方案,与国外最高端的中压SM150变频器性能相当。
该机组选用低压S120系列变频器,对供电开关柜、整流变压器、变频装置、电动机、电缆进行综合考量,整体成本较中压方案大大降低。
S120变频功率单元在国内生产,因此功率单元备件供应价格较低且周期短。成套装置的其余辅助元器件均为通用器件,均为国内生产,后期备件更换替代容易。而进口装置许多辅助元器件也是进口的,备件价格十分昂贵,供货周期很长。
该产品通用、灵活而模块化,调试简单快速,自动组态,易于被技术人员掌握。 该技术解决了生产中的关键问题。生产中,双机架减定径机与精轧机之间的电气协调控制对连续顺行轧制极为关键,可以说是最重要的控制环节,主要靠以下措施保证:
S120变频功率单元在国内生产,因此功率单元备件供应价格较低且周期短。成套装置的其余辅助元器件均为通用器件,均为国内生产,后期备件更换替代容易。而进口装置许多辅助元器件也是进口的,备件价格十分昂贵,供货周期很长。 该产品通用、灵活而模块化,调试简单快速,自动组态,易于被技术人员掌握。

 主要保证措施

该技术解决了生产中的关键问题。生产中,双机架减定径机与精轧机之间的电气协调控制对连续顺行轧制极为关键,可以说是最重要的控制环节,主要靠以下措施保证:
一是硬件保证:自动化PLC及操作站、传动变频器、网络通信等优化配置,保证了整体协调性、快速性。
二是设备、电控柜、电机、编码器、电缆线路等的正确安装和接线作业,保证了电机抗震动和抗干扰的稳定运行要求。
三是成熟、经验化的传动变频器调试优化方法,保证了传动装置动态特性要求,达到快速性和稳定性的统一。
四是软件控制程序和控制算法保证了出口速度的精确计算、速度给定精度、动态速度补偿精确和方便的工艺参数修改、存储和调用窗口。
五是灵活的操作台操作、手动速度干预和上游机架间的级联速度配合,短时间内进行有效的速度调节,保证轧制节奏。

来源: 中国冶金报