軸承鋼管廠創新重器助高線軋機升級換代

    由哈爾濱哈飛工業有限責任公司、江蘇永鋼集團有限公司、北京科技大學、天津市先導倍爾電氣有限公司（以下分別簡稱哈飛、永鋼、北科大、先導倍爾）協作攻關研發的達到國際先進水平的雙機架減定徑機組，于2015年12月8日在永鋼一次試產成功，至今已運行近3年，取得了明顯效果：終軋溫度由950℃降到850℃以下，細化了晶粒，提高了產品性能；終軋速度由85m/s提高到105m/s,生產效率提高20%；尺寸精度由±0.25mm提高到±0.10mm；穿水后盤條表面不生銹；達到了降本增效和升級換代的目的。 

    據哈飛雙機架減定徑機組項目第一完成人丁長文總工介紹，該機組共有六大創新點。 

創新點一：結合國情領先國際的新潮設計 

    該項目結合國情，因地制宜并創新地提出了雙機架雙檔調速減定徑機組技術的設計思想，制造了國內首套雙機架減定徑機組并在永鋼成功應用，實現了低成本、高精度的線材軋制。 

    在國內近500條高速線材生產線中，90%的產品規格為?準5.5mm~?準16mm，雙機架兩檔變速完全能滿足上述產品的連軋工藝要求。國外4機架減定徑機組為9檔以上變速，結構復雜，技術和功能過剩，故障率高，價格昂貴。雙機架兩檔減定徑機組與4機架多檔減定徑機組相比，技術上同屬于第六代水平，但成本更低，價格只相當于后者的1/5，軋制速度可達105m/s，完全滿足軋制C級以上精度產品的要求。 

創新點二：傳動結構簡化 

    軸承鋼管廠現代高速線材正沿著增加軋機小時產量、提高軋機利用系數、無扭/微張力組合以及提高產品尺寸精度、表面質量和組織性能的方向發展，為此，該項目自主研發了增強型和自定心新型輥箱、頂交45°傳動方式、新的高承載能力的齒制形式和高速密封結構的傳動箱，以及新型迷宮式高速密封結構、雙檔高速變速箱等。 

    其在結構上設計單一增速機構，簡化了傳動結構，提高設備可靠性，簡化操作，便于維護使用。國外減定徑機是由一臺交流電機通過1套含有多個離合器的齒輪箱驅動2架230mm減徑機和2架150mm定徑機組成。其雙模塊減定徑機總體結構為4道次兩個模塊，由兩個電機分別驅動兩個變速箱，采用電氣連鎖實現速度匹配。這樣的傳動結構都相對復雜，特別是多檔離合結構利用率較低。同時，國外設備的雙電機輸入依靠電氣連鎖來進行速度匹配的模式，對自動化控制精度及孔型工藝方案精度等要求較高。國內這一項目采用的是一臺電機通過變速箱直連傳動箱的傳動結構，變速箱僅帶有一個離合裝置，產品規格和軋制速度分為高低兩檔，能軋制規格為?準5.5mm~?準16mm的產品，完全可以滿足軋制工藝要求。該項目設計的結構相對簡單實用，品種規格及軋制速度匹配簡單、合理，且可靠性高。 

    該機組的新型輥箱在結構設計上做了重大突破，對軋輥軸與油膜軸承間隙進行了優化設計，在新型偏心套、護帽、錐套、輥環等工藝件結構上進行了創新設計，在錐套、面板、密封件等常用易損件材質上進行了重大改進。 

    為該機組設計的新型傳動箱，集成45°一體化傳動箱體，齒輪設計上采用新制式弧齒錐齒輪，傳動精度高、承載能力強；傳動軸結構為簡支梁而不是懸臂梁方式，有較大的抗變形力和剛度。 

    在該機組的兩檔高速增速箱里，研制者創新設計了液壓驅動的兩組齒輪軸串和一組花鍵式離合器，通過液壓缸控制離合器不同的位置實現不同組齒輪的嚙合，從而可滿足軋制工藝的不同速比的要求。需要變速時，液壓缸帶動撥叉動作，電機在5r/min工況，撥叉帶動花鍵套與不同齒輪花鍵組嚙合，實現自動變速。由于增速箱輸出軸轉速較高，研制者創新設計了新型迷宮式組合密封，該密封在轉速3000r/min以上時仍運行可靠、無泄漏。 

創新點三：傳動方式獨特 

    該機組采用頂交45°傳動方式、新的高承載能力的齒制形式和高速密封結構的傳動箱?？紤]高速、重載、重心低、結構緊湊等傳動因素，該機組在其傳動箱上創新設計了45°軸串齒輪嚙合。以前第五代軋機45°傳動是將精軋機大底座安裝面設計制造成45°，各軋機安裝上面，這種形式在軋機安裝時會形成安裝間隙，與制造公差等因素交織在一起造成高速運轉時傳動不穩定、設備震動大。新型傳動箱將第五代軋機大底座和錐箱合二為一設計成45°一體化傳動箱體，各帶有齒輪的軸串裝配其上從而實現45°傳動，減少了中間安裝因素造成的公差積累，傳動精度更高。該機組還對高速齒輪多采用格里森齒制的傳統設計進行了突破，創新設計了新制式弧齒錐齒輪，其傳動精度高，承載能力強，可靠性高。齒輪、軸串動平衡齒輪采用分體和組合整體二次動平衡，滿足高速旋轉的要求，齒輪和動平衡精度均采用最高等級。 

創新點四：傳動設備新穎 

     軸承鋼管廠研制者為該機組自主研發了增強型和自定心新型輥箱，高速輥軸軸串裝配結構，設計了自定心式裝配形式，極大地減小了因裝配及使用不當產生不平衡質量而引起的設備穩定性問題。機組輥箱采用插入式結構、懸臂輥環，箱體內存有偏心套機構用來調整輥縫。偏心套內裝有油膜軸承與軋輥軸，在懸臂的軋輥軸端用錐套固定輥環。軋機在105m/s軋制時，軋輥軸轉速達9000r/min以上，高速軸的動平衡精度對設備運行穩定性有極大的影響。該項目高速輥軸軸串各件均采用了G1級的動平衡工藝，同時在軸串裝配結構上均采用了自定心式的裝配配合結構，不僅解決了動平衡穩定性問題，而且簡化了拆裝操作，提高了使用維護效率。 

    為實現控制軋制和控冷軋制，研制者為該機組設計了新型輥箱。由于軋制過程中軋輥軸的變形是導致輥箱燒毀的因素之一，新輥箱在結構設計上做了重大改進，其中，通過計算機有限元載荷計算分析，將軋輥軸油膜軸承輥徑合理加大以增強剛性，減少彈性變形；在新型偏心套結構上與第五代結構形式比較進行了創新和改進，在叉耳與滑塊配合公差、精度、軸承部位等方面進行優化設計，保證輥縫間隙、油膜軸承與軋輥軸之間間隙靈活、合理，輥縫跳動小，油膜承載力強。護帽、錐套、輥環等工藝件的反復安裝、拆卸，容易造成間隙過大破壞其動平衡，影響軋機傳動和軋制精度，為此，研制者在設計上考慮了上述綜合因素，設計鎖緊套，增加錐套與輥環之間的壓力。同時，錐套和護帽之間采用錐面配合形式，容易定心，拆裝方便，可靠，有力保證了軋機傳動和軋制精度。對于錐套、面板、密封件等常用易損件，研制者將其材料設計為適合軋鋼工況的不銹鋼材料，延長其使用壽命。 

創新點五：新型孔型系統 

     軸承鋼管廠研制者為該機組設計了新型的“8+2”模式的孔型系統，實現了大壓下量的低溫軋制，產品性能和表面質量顯著提高。該項目在孔型設計上采用了線材傳統的、共用性大的橢圓—圓孔型系統，由于該項目采用的是230mm輥箱，最大軋制力為330kN，具有較大的壓下率，軋件斷面可靈活地進行適量調整，從而大大簡化了粗軋、中軋、預精軋和精軋機組的孔型系統。同時，該機組可直接調用精軋機組成品孔型，對其余精軋孔型進行架次微調就可進行生產，工藝成熟，入門簡單，投產快。 

    這種成熟簡便的工藝孔型系統對于該項目的推廣，以及對于用戶的順利投產及后期的維護使用都是十分有利的。簡單實用也是該項目的一個重要特性。 

創新點六：低壓交流變頻傳動 

    該機組控制系統實現了690V、2500kW電機低壓交流變頻傳動控制系統在冶金軋鋼領域的首次應用，為國內外首創在減定徑機傳動控制系統上開發應用低壓變頻系統，亦可用其替代國外壟斷進口的中壓3300V變頻系統，并完全可以擴展至其他應用場合。 

    該項目采用低壓AC690V控制方案，投資成本約為進口中壓方案的1/2，性能相當。區別于常規的中壓AC3300V控制方案，該方案采用高性能復雜應用多機傳動、模塊化傳動裝置的低壓AC690VS120變頻器，結構簡單，維護方便，S120變頻器在國內已廣泛應用，很多技術人員已經熟悉，比較容易掌握，故障診斷方便，能很快找出問題。 

    軸承鋼管廠該控制方案縮短了整套設備的供貨周期，S120變頻裝置由國內成套組裝，供貨周期3個月，而常規中壓控制方案使用的變頻裝置為全進口設備，訂貨周期在半年以上。 

    該機組使用S120變頻器，調節精度、動態性能均高于傳統的LCI方案，與國外最高端的中壓SM150變頻器性能相當。 

該機組選用低壓S120系列變頻器，對供電開關柜、整流變壓器、變頻裝置、電動機、電纜進行綜合考量，整體成本較中壓方案大大降低。 

    S120變頻功率單元在國內生產，因此功率單元備件供應價格較低且周期短。成套裝置的其余輔助元器件均為通用器件，均為國內生產，后期備件更換替代容易。而進口裝置許多輔助元器件也是進口的，備件價格十分昂貴，供貨周期很長。 

    該產品通用、靈活而模塊化，調試簡單快速，自動組態，易于被技術人員掌握。 

    該技術解決了生產中的關鍵問題。生產中，雙機架減定徑機與精軋機之間的電氣協調控制對連續順行軋制極為關鍵，可以說是最重要的控制環節，主要靠以下措施保證： 

 S120變頻功率單元在國內生產，因此功率單元備件供應價格較低且周期短。成套裝置的其余輔助元器件均為通用器件，均為國內生產，后期備件更換替代容易。而進口裝置許多輔助元器件也是進口的，備件價格十分昂貴，供貨周期很長。 

    該產品通用、靈活而模塊化，調試簡單快速，自動組態，易于被技術人員掌握。 

    該技術解決了生產中的關鍵問題。生產中，雙機架減定徑機與精軋機之間的電氣協調控制對連續順行軋制極為關鍵，可以說是最重要的控制環節，主要靠以下措施保證： 

    一是硬件保證：自動化PLC及操作站、傳動變頻器、網絡通信等優化配置，保證了整體協調性、快速性。 

    二是設備、電控柜、電機、編碼器、電纜線路等的正確安裝和接線作業，保證了電機抗震動和抗干擾的穩定運行要求。 

    三是 軸承鋼管廠成熟、經驗化的傳動變頻器調試優化方法，保證了傳動裝置動態特性要求，達到快速性和穩定性的統一。 

    四是軟件控制程序和控制算法保證了出口速度的精確計算、速度給定精度、動態速度補償精確和方便的工藝參數修改、存儲和調用窗口。 

    五是靈活的操作臺操作、手動速度干預和上游機架間的級聯速度配合，短時間內進行有效的速度調節，保證軋制節奏。

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