酸洗轧机联合机组设计与改造

辜蕾钢 李 轲 王业科

(中冶赛迪工程技术股份有限公司 重庆400013)

1 前言

酸轧机组(又简称为PL-TCM)是上世纪80年代发展起来的一种冷轧工艺，适用于大型冷轧企业建设，依据品种和规格的不同，其生产规模一般可达到80～220万t/a，主要轧制碳钢系列产品，可生产镀锡板、镀锌板、冷轧板的基板，能生产的钢种包括软钢、高强钢以及中低牌号无取向电工钢，相比于连续酸洗+全连续冷轧的配置模式，具有工序简化、投资省、节能、产品质量稳定、生产效率高等特点，它是一种非常先进、成熟的工艺，早已成为冷轧厂新建和改造的主流选择，据不完全统计，1250mm以上规格酸轧机组国内已建设超过45条以上。酸轧机组一般分为入口段、工艺段、切边段和轧机段，典型示意图见图1。

过去大型国有企业的酸轧机组的新建和改造一般都是外商技术负责，特别是改造项目，对技术要求更高，随着近几年国内工程设计技术和装备制造技术的进步，现在国内工程公司已完全可以提供酸轧联合机组的新建和改造技术服务，既能保证效果又能为客户节省投资。

图1 典型酸轧机组布置示意图

2 设计理念

2.1核心工艺参数确定

设计酸轧机组，首先需根据产品大纲和生产规模确定机组核心工艺参数。一般情况下，根据用户提供的原料条件、产品大纲、生产规模、产品用途及质量要求等综合考虑酸轧机组的设计及设备配置，包括功能设计，如是否需要兼顾酸洗商品卷和轧硬卷两种产品；机架数量的选择，如根据原料和成品条件，制定轧制规程，考虑选择3-6机架轧机数量等。目前酸轧机组设计覆盖的产品厚度范围一般最薄到0.15mm，最厚为3mm，宽度为700-2080mm。钢种可覆盖CQ/DQ/DDQ/EDDQ/SEDDQ, 高强钢最高强度可到980MPa(个别机组设计可到1180MPa)。轧机宽度依据产品宽度来确定，一般轧机辊身有效宽度为成品带钢宽度+150mm，目前宽带钢冷轧机一般按轧辊宽度分为1450mm(或1420mm)，1550mm，1750mm，2030mm，2230mm轧机等。轧机机型的选择需考虑4辊还是6辊轧机，目前因为6辊轧机在板形控制能力和压下能力较强已成为钢铁企业选择的主流。另外，需依据产品大纲进行轧制表计算和机组产量计算，根据计算结果确定机组各段最大工艺速度以及轧机主传动能力、最大轧制力、各段活套量、酸槽长度等核心工艺参数。

2.2核心设备选型

酸轧机组的核心设备包括开卷机、焊机、活套、破鳞机、酸槽、圆盘剪、轧机、飞剪，卷取机等。

酸轧机组因为产量大，入口节奏要求较快的机组一般会配置步进梁运输机和自动拆捆带机，入口段一般采用双开卷机配置，并配置夹钳式开卷器可实现自动开卷穿带功能。

关于焊机，过去酸轧机组一般有两种选择，即闪光焊机和激光焊机，随着激光焊机技术进步和成本优化，目前激光焊机已成为主流。激光焊机有二氧化碳激光焊和固态激光焊两种可供选择。最早以二氧化碳激光焊为主在酸轧机组上应用很广泛，随着固体激光器焊接技术的进步，固体激光焊机应用也越来越广泛，相比于气体激光焊机有以下优点：1)使用成本低，其焊接气体采用氩气即可，不像气体激光器必须使用氦气，也不需要产生激光的工作气体(CO2，氦气，氮气三者混合)；2)维护要求低，激光功率传输采用的是柔性的导光光纤，光纤为免维护；3)供电能量低，8kW固体激光能量只需40kVA的供电能量即可，而12kW(同样焊接材料下)气体激光能量需150kVA的供电能量；4)布置简单，固体激光器可放在地面上，用柔性导光光纤连接至焊接头即可，而气体激光器需放在C形小车顶部平台及侧面平台随小车移动，需要采取防震措施。

关于活套，酸轧联机一般会设置3个活套，即酸洗入口活套、酸洗出口活套、联机活套，根据活套套量设计，一般酸洗入口活套为4层活套，酸洗出口活套和联机活套为2层活套，特殊情况也可以考虑增加活套层数以增加活套量。活套车的设计可考虑采用双向可控活套设计，如图2所示。双向可控活套有以下优点：1)活套内带钢运行时更稳定；2)有利于活套车调试，调试更方便，活套车没有穿带的情况下就可以开展调试工作；3)断带时安全性更高。

关于拉矫破鳞机，早期的酸轧机组或连续酸洗机组选用的一般为2辊平整破鳞机，其破鳞效果一般，目前选用的多为拉矫破鳞机，一般为2弯1矫，多为干式，配置有布袋除尘设备。早期的拉矫破鳞机多选用机械差动的传动方式，随着传动控制技术的发展，为便于维护，目前主要选用电机独立传动控制方式。根据产品规格、强度以及延伸率控制要求，拉矫破鳞机出口最大张力的选择可考虑36t、45t、60t、90t等。

图2 双向可控活套示意图

关于酸洗槽，酸轧机组一般采用盐酸酸洗，随着酸槽技术的发展，目前一般采用浅槽紊流式酸洗技术居多，采用主喷和侧喷相结合的方式加强紊流。酸洗槽的材质有钢衬胶+耐酸砖和PPH酸槽两种选择，目前主流选择采用PPH的较多，PPH材质相比较而言更易于维护，使用寿命更长。酸槽的长度依据最大酸洗速度和最短酸洗时间来确定，最短酸洗时间依据不同的钢种和规格会有所区别，一般最短酸洗时间按不低于18s考虑，酸轧联机的酸洗速度一般为200m/min～300m/min，通常对于配置了破鳞机的酸洗段酸槽一般为3～4个。

关于圆盘剪，一般采用双塔式回转式圆盘剪，圆盘剪侧间隙、重叠量、剪切宽度可自动调节，可在线切更换刀头，当变规格时，切边段停机时间可控制在1.2分钟以内，不会影响酸洗和轧机段的运行。圆盘剪切掉的废边一般可采用碎边剪或废边卷取机处理，国内用户一般依据废边的用途选择配置。为保证切边精度和剪切质量，圆盘剪前一般需设置双纠偏联动控制系统。

关于轧机的设计需考虑以下：

1)为保证轧机轧制的稳定性，轧机入口需考虑设置双纠偏联动控制系统，一个粗纠偏+一个精纠偏联动控制。

2)一般采用5机架，也有采用4机架或6机架的。轧机类型一般为6辊或4辊轧机，目前国内的主流配置为6辊轧机，具有高的纵向刚度和横向刚度，具有强的板形控制能力，能稳定地大压下量轧制薄规格产品，带工作辊正负弯辊，中间辊正弯，中间辊窜辊，末机架工作辊分段冷却等功能，采用全液压AGC控制以保证高的产品厚度精度。如果生产电工钢产品，轧机工作辊需考虑轴移功能以控制边部减薄，工作辊辊形根据产品控制需要可采用平辊或锥形辊设计。轧机工作辊和中间辊需设计全自动在线有钢换辊。

3)在设计许可范围内尽可能选择小辊系轧机以节约能源。工作辊润滑可采用干油或油气润滑，支承辊可采用油气或稀油润滑，一般根据轧机速度和负荷来确定轴承润滑方式。工作辊弯辊为控制板形的需要，可考虑采用无间隙切换的设计方式，弯辊缸为防止泄露，采用双密封设计，并采用内套设计，便于检修维护。工作辊和中间辊采用四列圆锥滚子轴承，可配置止推轴承实现在线窜辊，支承辊采用高精度四列圆柱滚子轴承，结合高响应动态液压AGC控制(位置模式下，进行25μm的阶跃响应测试，要求上升时间< 0.028s，超调量<20%),可确保带钢稳态厚度精度控制效果可达到如下效果：对0.25mm厚产品可控制在±1%以内，对2mm厚产品可控制在±0.5%以内。

4)与轧机配套的乳化液润滑和冷却系统，通常的配置需考虑2个供液系统，为保证成品板面清洁度，每个系统需考虑3级过滤，即真空过滤、磁过滤、反冲洗过滤。除了设计带钢润滑和轧辊冷却外，对于高速运行和大压下量的轧制工况，机架间的带钢冷却的设计也是必不可少的。对于镀锡板或电工钢轧机乳化液系统的设计还需考虑额外配置单独的供液箱，便于生产不同产品时切换使用。

5)轧机设计时，还需考虑当某台轧机故障时，可以采用甩机架轧制功能，最大程度降低停机风险，减少损失。

关于飞剪，采用高精度的转鼓式飞剪，实现不停机动态剪切，剪刃采用平剪刃和V形剪刃配合，剪刃间隙能自动和手动调节，剪切速度最高可达到300m/min。

关于卷取机，一般选用双卷筒卷取机[1]，即卡罗赛尔卷取机，可极大缩短卷取机距离末机架的距离，保证稳定穿带卷取，尤其对极薄规格带钢穿带有帮助；卷采用芯轴外套式卷筒，卷筒圆跳动可调，能保证更高的安装精度；皮带助卷器设多档张力，可以适应不同带钢厚度的卷取。对于厚度小于0.4mm厚的钢卷，需设置上套筒装置，以防止内圈塌卷。

2.3电气传动及自动化系统设计要点

电气主传动可选交直交方案和直流方案，目前主流是交直交方案，具有功率因数高、速度响应快、电流响应快、速度控制精度高、谐波少、效率高、节能降耗。

关于轧机厚度控制和板形控制，在第1 机架前后、第5 机架前后配置了测厚仪和激光测速仪，可以实现第1、第5 机架的前馈、反馈和秒流量厚度控制，第2机架的前馈厚度控制，以及第4机架的反馈厚度控制[2]，在轧机入口、轧机之间和轧机出口配置了张力计，在第5 机架出口配置了板形仪，1#机架支撑辊具有偏心补偿，所有AGC 缸上均配有SONY磁尺和压力传感器，可有效地控制带钢厚度精度和板形精度。

为保证生产出好的产品质量，机组需考虑配置以下核心工艺控制模型：

1)拉矫破鳞模型：通过优化设定延伸率、张力、弯曲辊和矫直辊插入量等工艺参数，从而达到破碎带钢表面氧化铁皮，改善来料板形的作用。模型可以根据钢种和规格自动计算并设定上述工艺参数，实现良好的破鳞效果。

2)酸洗模型：通过优化设定酸洗温度、浓度、流量以及酸洗速度等工艺参数，能确保连续稳定的去除氧化铁皮，低速时不出现过酸洗，高速时不出现欠酸洗，提升酸洗质量，并尽可能降低酸液温度以节约生产热能消耗，也有助于减少设备老化，延长设备寿命。模型可以实现工艺参数的自动设定，降低工人劳动强度，而且对生产过程能有效监控，有利于酸洗质量的分析。通过模型酸洗速度优化功能，能挖掘酸洗设备最大生产能力，实现机组酸洗产能最大化。

3)轧机设定模型：通过优化设定辊缝、辊速、张力、轧制力、弯辊力、压下率等工艺参数，实现带钢稳定生产。设定模型包括高精度辊缝模型、轧制力模型、变形抗力模型，摩擦系数模型、弯辊力模型、轧辊热凸度模型、轧辊磨损模型等，采用独具特色的多点设定控制策略，提高控制精度。采用合理的张力分配策略，特别是针对极薄带钢轧制的张力控制策略。基于严谨板形理论，综合考虑辊系弹性变形、轧辊热变形和轧辊磨损变形的影响，开发了最佳弯辊力快速求解模型。模型的精准设定结合高精度的厚度控制策略，轧制成品可达到同规格过渡段超差长度≤5m，变规格过渡段超差长度≤15m；轧制力设定偏差≤±10%；弯辊力设定值人工干预率≤5%；轧制数学模型整体框架见图3。

图3 轧制数学模型整体框架

4) 板形反馈控制系统：采用基于最优化原理的板形控制方法，具备执行机构功效系数在线计算、目标板形曲线在线灵活设定等功能，同时采用了板形测量值补偿、带钢头部板形控制方法等多项核心专利技术，控制系统的平直度误差≤7I单位，其构成示意图见图4所示。

3 改造工程实践

3.1必要性

该大型冷轧企业原为连续式酸洗机组和串列式冷轧机方式生产轧硬卷，随着区域市场向好，冷轧产品的需求量增大，迫切需要提升轧机产能，但原设备存在如下问题需要进行改造。

1)轧机产量不高，设备原为进口二手设备且非常老旧，没有快速有钢换辊功能，机组的有效作业时间少；

2)因串列式连轧机固有的工艺特点决定每卷都要穿带、甩尾，生产效率低，带钢头尾超差长度厂，金属成材率也较低；

图4 冷轧板形控制系统构成示意图

3)轧机轧制薄规格的能力也较弱不能生产0.25m以下带钢；

4)酸洗机组为单开卷方式，入口节奏受到制约；

5)酸洗破鳞机原为2辊平整破鳞，破鳞效果欠佳，影响酸洗效果；

6)酸洗机组焊机为老一代闪光焊机，设备问题非常多，焊接质量一般；

7)机组的自动化水平不高，工人劳动强度大；

8)成品带钢表面清洁度不高。

3.2改造目标

针对机组存在的上述问题，确定的主要改造目标为：

1)为提高酸洗和轧机金属成材率，将酸洗机组和轧机进行联机改造，并将机组生产能力提升至100万t/a；

2)能生产极薄带钢，要求最小带材轧制厚度到0.2mm；

3)考虑到周边市场有酸洗商品卷需求，改造后机组需还能生产酸洗卷；

4)提高产品质量，包括厚度公差、板形质量、表面质量；

5)针对设备老旧、控制系统落后等特点，提升机组的自动化控制水平；

6)充分利旧现有设备和土建基础以减少投资。

3.3主要改造设计措施

围绕改造目标，制定相应的改造措施如下。

1)提升机组产能和金属成材率方面，考虑到现有串列式轧机和连续酸洗机组的布置特征，具备改为酸轧机组的条件。在酸洗机组和连轧机之间增加钢结构联机活套。轧机没有有钢快速换辊功能，需改造。由于酸洗机组入口节奏和轧机出口节奏受限，酸洗入口改为为步进梁+双开卷方式，并配置带钢夹持开卷器以实现自动带钢自动穿带。轧机出口原来的停剪改为飞剪，并设置双卷筒卷取机+步进梁方式提升出口节奏。将原闪光焊机更换为激光焊机。原酸洗段能力经核算满足产能扩产要求，所以利旧，只是增加了倒带清洗功能。

2)提升产品质量方面，原有连轧机为4辊轧机和6辊轧机的混合轧机。前4机架为4辊轧机，原轧机弯辊和上支承辊平衡液压缸均设计在轴承座上，轧机设计很老旧，原轧机不满足快速换辊，生产效率低，维护费用高，此种设计不适应全连续冷连轧机生产工况。第5机架原中间辊设计小于工作辊，轧制时打滑现象频繁，原设计不合理，因此将5个机架的轧辊辊系全部更新，并设计工作辊、中间辊有钢快速换辊功能。原支承辊采用的油膜轴承，成品带钢厚度精度不高，改造为滚子轴承，改造后结合高精度厚度控制，带钢稳态厚度精度可从20μm提升至4μm左右，新增板形辊测量及控制系统。酸洗段更换2辊平整破鳞机为2弯1矫拉矫破鳞机。更换轧机乳化液系统磁过滤器，乳化液系统管路和喷射阀组改造。

3)提升轧制薄规格产品能力，利旧1-4机架主传动，将第5机架轧机的轧辊更换为更小辊系轧机。

4)提升机组自动化控制水平方面，更新入口段、轧机段、出口段自动化控制系统，新增轧机设定模型，新增板形反馈控制系统。

5)除尘方面，拉矫破鳞机在运行过程中会产生大量的粉尘，设置一套除尘系统处理后达标排放；

6)在降低运行噪音方面，在入口段设置一组液压升降式提升辊，目的是当带钢焊接完毕高速运行时以尽量减少带钢与导板和惰辊接触产生的大量噪音。

改造后机组产能达到100万t/a，能生产酸洗商品卷和轧硬卷，轧机最大速度提升至1250m/min,改造前后的主要参数见下表1。

表1 酸轧机组改造前后的参数对比表

3.4其他注意设计事项

改造项目在建设时应关注以下方面。

1)资料问题。客户提供的竣工资料和现场实际不符的情况时有发生，所以结合原始资料和现场调研就显得十分重要，特别是针对一些隐蔽工程，前期的现场调研时间一定要考虑充足，否则后期到现场修配改的工作量较大，也会对停机施工工期造成重大影响。

2)施工方法的选择。改造过程中会涉及到现有设备基础的破除，要充分考虑破除设备基础时对利旧设备及基础的影响。比如原酸洗槽为钢衬胶+耐酸砖材质，在酸槽平台施工时，需采用先进、可靠的切割技术对改造基础进行破除，尽量减少平台振动对设备的影响。

3)停机改造时间的选择。停机改造时间的确定需考虑天气状况，该项目涉及到轧机牌坊现场加工，土建基础破除及再造等工程，现场机械加工和土建施工对环境温度都有一定的要求。

3.5核心设备设计及制造

随着国内轧钢装备的技术进步，对于酸轧机组中的核心设备，包括拉矫破鳞机、激光焊机、轧机、双卷筒卷取机等设备的设计及制造，国内公司都能供货，从实施效果看效果不错。

3.6改造效果

改造停机时间为5个月，包括改造设备拆除、旧设备基础破除、新设备基础制作、轧机牌坊现场加工、设备安装、单体设备调试、冷负荷试车、热负荷试车。热负荷试车后一个月，机组能批量高速(≥1000m/min以上)轧制0.27mm厚产品，产品厚度精度稳态控制在4μm以内，同规格过渡段长度控制在5m以内，变规格过渡段长度控制在15m以内，产品板面质量也大大改善，机组月产量大大提升，已达设计产能，各项质量指标和生产消耗指标达到了设计要求，从指标的横向对比看，已达到国内先进水平。

4 结语

随着国内冷轧技术多年的积淀与进步，国内工程公司伴随冷轧项目建设的热潮共同成长并日益成熟，目前已完全能够提供大型酸洗轧机联合机组的新建及改造服务。从某大型冷轧企业的酸轧机组改造工程实践效果来看，机组的各项指标达到了国内先进水平，这充分证明了国内的设计技术、装备制造技术、自动化控制技术是可靠的、成熟的。当然，尽管国内工程公司在大型冷轧装备技术国产化的道路上取得了不错的成绩，但技术永无止境，还应继续坚持自主创新，加大工艺、装备研发并与工程实践相结合，为我国向钢铁制造强国迈进的道路上贡献更大力量。