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1、我国中厚板生产设备 工艺技术的发展 王国栋 刘相华 王 君 东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室 沈阳 110004 摘 要 结合我国近年自主建设的中厚板轧机 介绍了我国在中厚板生产设备 工艺技术方面所进行的研究开 发工作和取得的重要进展 中厚板的核心轧制技术 即强力中厚板轧机 轧后控制冷却系统 中厚板轧制的 TMCP 技术 尺寸精度自动控制 组织性能预测与控制技术 中厚板轧机的计算机控制系统等 已经成功地应用 于我国自行开发的中厚板生产线上 表明我国已经具备了具有我国自主知识产权的成套的中厚板生产 设备和 自动化技术 我国正在变为中厚板生产强国 关键词 中厚板轧机 控制冷却 TMCP
2、尺寸精度控制 自主知识产权 THE DEVELOPMENT OF PRODUCTION TECHNOLOGIESAND EQUIPMENT FOR STEEL PLATE IN CHINA WANG Guodong LIU Xianghua WANG Jun The State Key Lab of Rolling and Automation NEU Shenyang 110004 ABSTRACT Based on the plate mills built by China the important development of the equipment and technology
3、 and the great progress in the plate production in recent years in China are intro2 duced The core technology of plate production such as manufacture of strong plate mills con2 trolled cooling systems the TMCP technology of plate production control of dimension accuracy prediction of the microstruct
4、ure and properties of hot rolled plate and computer control system of plate mill have been used in Chinese plate production lines which means that China has predominat2 ed the systematic technology in the plate production equipment automatic control with indepen2 dent intellective property China is
5、becoming a strong country in the plate production KEY WORDS plate mill controlled cooling TMCP dimension control independent intellective properties 1 前言 中国已经连续 8 年稳定地成为世界钢材产量的 第一大国 但是我国中厚板轧机的装备水平尚有一 定的差距 目前中国正在运行的宽幅中厚板轧机数 量有限 还没有很好地应用控制轧制和控制冷却等提 高产品力学 物理性能的工艺技术 生产产品的质量 和品种远远不能满足国民经济发展的需要 为了缩 小与发达国家
6、中厚板轧机先进水平之间的差距 提高 工艺技术和装备水平 改变产品和技术经济指标比较 落后的局面 就必须淘汰落后的工艺技术和设备 不 断地对现有的中厚板轧机进行现代化技术改造和兴 建新机组 这是中国由钢铁生产大国走向钢铁强国的 重要一步 近些年 中国的中厚板生产企业 设计 科研和 机 电 液设备制造等有关单位围绕着中厚板生产的 2004 年 9 月 中国冶金 第 9期 总第 82 期 工艺 设备 电气和自动化控制系统等方面进行了大 量的研究与开发工作 通过消化吸收引进技术 结合 生产和市场的实际情况进行技术 科研的攻关 已经 和正在利用国内自己的力量 建设一批具有国际先进 水平的中厚板轧机 在中
7、厚板生产 设备和自动化控 制系统等各个方面都取得了重要的成果 积累了宝贵 的经验 经过自主技术集成 集成中创新的模式 使 我国中厚板轧制技术不断发展 逐步形成具有中国自 主知识产权的现代化的中厚板生产 设备 自动化技 术体系 2 强力型中厚板轧机 最近建设的中厚板轧机均属于强力型轧机 单位 辊面宽轧制力达到 20 kN mm 单位辊面宽的轧制力 矩达到 115 kN m mm 单位辊面宽的轧制功率达到 4 kW mm 轧机刚度达到 10 MN mm 的高水平 可 以实现低温大压下控制轧制 图 1 主轧机投入使用 例如 2003 年初投产的首钢 3 500 mm 中厚板轧 机 最大轧制力达到 7
8、4 MN 最大轧制力矩达到 2 3 070 kN m 最高轧制速度 616 m s 实测静压靠机 械刚度达到 1017 MN mm 首钢 3 500 mm 四辊轧机的制造者第二重型集 团公司采用大型CAD 软件 Pro Engineer 建立了机架 实体模型 使用有限元软件 ANSYS 对机架进行有限 元分析计算 优化了机架设计 轧机机械静压靠刚度 达到 1017 MN mm 该机架质 量 325 t 高 度为 12132 m 运用凝固模拟软件 FT star 对铸件可能 产生的缩孔 缩松缺陷进行预测 优化了铸造工艺 采 用连续保温浇铸技术 解决单片 570 t 钢水大型牌坊 的冶炼 浇注 保
9、温 运输等问题 这是当时中国浇注 的最大的牌坊 根据最大轧制力 74 MN 的要求 设计伺服缸的 缸径达 1 450 mm 有效行程 50 mm 中心安装磁尺及 内部设计导向装置的简洁形式 为了满足平面形状 控制MAS 轧制的要求 最高压下速度达 29 mm s 要 求每台液压缸流量 Q 2 87315 L min 这些指标达 到了此前我国之最 经过生产实践的考验 轧机与液压系统各项性能 指标稳定 达到设计要求 能够满足TMCP 技术对轧机 的需要 自动化控制水平也大幅度提高 表 1 是建设 中的中厚板轧机 它们中间绝大多数属于强力型轧机 表 1 建设中的中厚板轧机 序 号 公司轧机参数 序
10、号 公司轧机参数 1宝钢5000 单机架 引进 2江西新余3800 双机架 引进 3沙钢5000 单机架 引进 4湖南华菱3800 双机架 引进 5河南永兴3500 单机架6首钢秦皇岛4300 双机架 引进 7河北文丰3000 双机架8南钢3500 炉卷轧机 引进 9辽宁北台3500 双机架10安阳3500 炉卷轧机 引进 11 河北唐山3500 双机架12韶钢3500 炉卷轧机 引进 13天津3500 双机架 3 加速冷却装置 中国中厚板轧机长期以来存在的一大问题是未 装备轧后水冷设备或水冷能力不足 被认为世界上最 图 2 加速冷却装置在工作中 干旱0的轧机 过去为了得到需要的材料性能 常用
11、 的方法是增加材料的合金含量 近年中国开发了 U 型管层流 高密度直管层流 水幕冷却等各种形式的 控制冷却装置和相应的高精度数学模型 以及自动控 2 中国冶金 制系统 具有高速冷却 良好的冷却均匀性及冷却过 程的自动化控制能力等 提高钢板冷却均匀性是确保钢板质量的重要内 容 为了确保钢板的厚度方向质量均匀 采用了钢板 上下表面冷却均匀的控制技术 提出了合理确定上下 表面水量控制的经验公式 为了保证钢板长度方向 上冷却均匀 对头尾对应的区段采取减小水量或遮蔽 措施 使头尾部的终冷温度和其它部分一致 对于头 尾存在的温度梯度 采用辊道适当加速的方法进行控 制 为了保证冷却过程中横向温度分布均匀性
12、采取 横向水量凸度和边部遮蔽的方法进行控制 遮蔽调 宽装置采用链传动完全适应现场工况 易于保养维 护 调节灵活可靠 表 2 控制冷却系统的应用情况 序号公司 轧机控制冷却系统 1济钢2500水幕 2鞍钢2500直管层流 3鞍钢4300U 形管层流 4首钢3500直管层流 5南钢2500直管层流 6酒钢3000气雾 7新余2500U 形管层流 8武钢2800U 形管层流 9秦皇岛3400水幕 10营口2700直管层流 表 3 首钢 3500 轧机控冷系统主要参数 冷却装置形式高密度直集管层流冷却 冷却装置数量28 组 冷却区长度 宽度 m28 315 瞬时最大水量 m3 h 18 000 系统供
13、水能力 m3 h 1 4 000 辊道运动速度 m s 1012 215 薄膜阀响应时间 s 1 高位水箱容积 m150 高位水箱高度 m13 冷却钢板规格 mm 10 50 3 250 38 000 冷却温度控制指标 e 20 占 95 首钢 3500轧机采用的直管式冷却系统 开发出 减缓冷却速率的稀疏冷却方法 从而得到不同的冷却 速率 满足不同规格 不同材质的钢板的冷却要求 为了满足一些钢种的冷却要求 设计采用特殊冷却模 式 例如前段快冷 后段快冷 前后快冷等冷却模式 并已经在产品开发过程中发挥作用 此外还开发了大流量快冷与高分辨率精调组合式 冷却系统 在控冷区入口和出口侧 采用大口径出水
14、 管 目的是得到大流量 使轧件能够获得快的冷却速 度 在控冷区的中间部分 减小出水管的孔径 提高每 组集管降温能力的分辨率 以精确控制轧件温度 该系统冷却均匀性控制性能优良 经过冷却的钢 板 板形良好 整张钢板的温度均匀一致 同板温差 在 20 e 以内的点数 90 实测钢板的平均终冷 温度控制在 20 e 的点数达 93 以上 在 TMCP 技术应用和钢种开发中起到了重要的支撑作用 4 高精度尺寸形状控制系统 新近建设的轧机采用交 交变频电气传动系统 和高响应性的液压压下系统 为高精度的控制提供了 重要的前提条件 首钢中厚板轧机采用了中厚板轧 机二级计算机控制系统 过程控制计算机的主要功 能
15、包括 在全轧制线上对轧件进行跟踪 对全轧制线 工艺参数进行初始设定计算 修正计算和自适应计 算 对轧制规程负荷分配和规程优化 基础自动化计 算机接收来自过程控制计算机的指令信息 对各个区 段上的具体设备进行直接数字闭环控制 轧机区基 础自动化的主要任务包括轧区辊道控制 电动压下位 置自动控制 APC 液压压下厚度自动控制 AGC 清零 刚度测试 偏心补偿 数据通讯等 控冷区基础 自动化的主要任务是根据过程机的指令来对冷却水 阀门组态进行直接控制 表 4 首钢 3500 轧机主电机及传动系统参数 项目参数 电机型式交流调速同步电动机 额定功率 kw7 000 过载能力100 额定负载连续工作 可
16、重复 250 额定负载 60s 短期重复 动态速降 s 0125 静态精度 不大于正负 0101 速度响应 ms小于 70 电流响应 ms小于 10 表 5 首钢 3500 液压压下系统主要参数 项目参数 最大负荷力 MN74 压下速度 mm s 129 系统频响 Hz18 系统压力 MPa30 油缸内泄漏 mL min 1 15 系统最大流量 L min 1 5 747 HAPC 控制周期 ms1 APC 定位精度 mm0101 AGC 控制周期 ms2 轧机过程控制系统采用了独立开发的轧制与冷 却的数学模型 针对目前控轧控冷过程残余应变对 3 第 9 期 王国栋等 我国中厚板生产设备 工艺技术的发展 图 3 首钢 3500 轧机的计算机控制系统 变形抗力计算精度影响较大的现象 建立在线残余应 变计算模型 针对中厚板多道次可逆且温度测量可靠 性较低等特点 设法消除温度累积误差对轧制力计算 精度的影响 提出合理轧制力模型的自学习算法 针 对中厚板轧制过程轧件宽度变化范围大 工作辊与支 撑辊辊径变化大 工作辊与支撑辊凸度变化大及轧制 力变化大等特点 基于轧辊弹跳模型的精度 研究中 厚板轧
