[科普中国]-环件轧机

环件轧机是用于轧制中厚度钢板的轧钢设备。环件轧机由工作机座和传动装置组成，工作机座主要包括轧机机架，辊系，平衡系统，压下装置和换辊装置。传动装置由大型电动机和减速机组成，由于电动机制作技术的发展，现代环件轧机通常由电动机直接拖动。

历史环件轧机的出现和发展已经经历了几百年的时间，十九世纪中叶美国开始使用三辊劳特中板轧机，进入二十世纪五十年代后，我国先后建成二十多套三辊劳特式轧机用于中板生产。从二十世纪八十年代开始，各企业陆续进行技术改造，以四辊可逆式中厚板轧机取而代之。轰鸣百年的三辊劳特式轧机退出历史舞台。四辊可逆式的成为现代中厚板生产主力机型，主要是由于大型直流电机及控制系统制造技术发展，解决了轧机大扭矩的可逆式拖动。近三十年来，大功率变频调速技术的发展又取代了轧机传动的直流系统。历史上，曾经用蒸汽机做为往复轧制的动力拖动环件轧机。早在1890年，中国就引进蒸汽机拖动的2450mm中板轧机。这台轧机在抗战时期从汉口搬迁到重庆，一直运行到二十世纪八十年代以后，使用了百年之久。1

发展趋势现代环件轧机越来越趋于大型化，精密化，自动化。以满足钢板控制轧制技术的要求，能够生产高强度的合金钢板。电子计算机的应用使轧机提高了自动化控制程度。中厚板轧机普遍采用了液压AGC（钢板厚度自动控制系统）。中厚板的精度和生产效率大幅度提高。1

环轧机及其电气控制传统的用自由锻机锻压环件生产铝合金环件的生产工艺，由于受锻压机械能力的限制，只能加工直径3m以下的环件。随着国防及航空航天事业的发展，我国对直径3m以上的铝合金环件的需求越来越大。为此，设计研制了加工直径可达5m铝合金环件的专用设备———环轧机。

环轧机轧制原理环轧机轧制原理，如图1。

主要由4个辊完成轧制： 辊1为主轧辊、辊2为芯辊、辊3辊4为左右定心辊。图示中标出了各辊及环件的位置及运动方式。其中主轧辊为主动辊，其他辊为被动辊，由环件旋转带动其转动。主轧辊在旋转的同时，还在该辊与位置不动的芯辊圆心连线的方向上运动，即压下运动，两辊间的辊缝决定了环件的壁厚。当主轧辊以适当的转速和移动速度向芯辊靠近时，在两辊间的环件上产生轧制力，并使环件转动。当轧制力满足环件的锻透条件时，环件在与主轧辊接触点切线方向上延伸，使环件直径增大。左右定心辊的作用为保持轧制过程的平稳及环件的圆度。

轧制一般分为以下几个过程：

（1） 初轧阶段： 此阶段以小的压下量和移动速度进行轧制，对坯料表面进行平整，为快速轧制做好准备。

（2） 连续轧制阶段： 根据不同环件的生产工艺要求，调整轧辊转速和压下速度，实现快速连续轧制。

（3） 整形阶段： 当环件尺寸即将达到要求尺寸时，减少压下量直至停止压下，进行整形轧制，对环件进行最终规圆整形。2

各辊的驱动和轧制控制的主要参量1、各辊的驱动

由于铝合金环件的规格尺寸、合金成分、温度等不同，因此各种环件以及每个环件轧制的各阶段的各辊运行参数也不相同。要求各辊运行能够平滑调速，运行过程平稳。为此上述各辊的驱动均采用Z4系列直流电动机来完成。通过机械变速装置使各辊速度调速范围及输出功率达到环件轧制的要求。

2、轧制控制主要参量关系

环轧机在轧制过程中要对如下主要参数实施控制和检测：

（1） 各辊的运行速度： 主轧辊的转速和压下速度决定了环件轧制力和轧制速度； 左右定心辊的移动需适时跟踪环件直径的变化。

（2） 轧制中各辊的位置： 由于芯辊的位置不动，主轧辊的位置决定了环件的壁厚。在满足锻透条件下壁厚的变化决定了环件直径的变化。左右定心辊的位置决定了轧制过程的稳定和环件的圆度。

（3） 各辊的压力： 为保证设备安全运行和生产合格产品，各辊均设置了压力检测装置，当辊与环件间压力达到设备能力或产品生产工艺允许值时，将自动调整各相关运行辊的速度。2

电控系统概述主要电控部件及其作用

（1）PLC： 该系统是较为复杂的电控系统，不仅要对上述各直流电动机实施控制，还要根据设备运转需要对如芯辊升降，夹紧松开，润滑油泵等其他电动机、电磁阀等设备实施控制。为此选用西门子S7－300系列PLC作为控制核心，完成对各电动机、电磁阀等设备的控制。模块化结构的S7－300系列PLC产品具有高性能的中央处理器和种类繁多的功能模块，具有强大快速的数据运算和信息处理能力及通讯能力，可以非常方便灵活的组成用来完成各种不同控制要求的电控系统，具有体积小，便于组态，运行稳定可靠的特点。

本系统主要配置：

CPU315－2DP： 用于数据运算和信息处理。

SM321： 用于各种按钮，转换开关，行程开关等信号的输入。

SM322： 用于输出各种阀、接触器等控制信号。

（2） 直流调速器： 环件的轧制质量取决于各直流电动机的运转质量。

为此选用ABB公司的直流调速器DCS500系列，对各直流电动机实施驱动控制。它是一种内含80186EM微处理器CPU和应用专用集成电路ASIC控制的，双闭环数字化直流调速装置，具有强大的信息处理监控和通讯功能，可通过丰富的软件功能块的选择和设置，方便地实现用户的控制要求，具有性能可靠，运行稳定的特点。该系统直流电动机的驱动控制均采用DCS502B调速器，各调速器均通过适配器NPBA-12与PROFIBOS－DP总线连接。其中，用于主轧辊驱动的两台直流调速器进行了功率扩展，并且构成了主从方式的控制系统。

（3） 计算机： 用于输入和显示各种轧制控制参数和曲线，比如： 输入各直流电机的速度给定，显示各电机电流、转速、各辊位置、环件直径等，实现人机信息的交换。

（4） 轧制过程中各直流电动机的转速，各辊的位置是重要的控制参数，检测需准确可靠，故选用每转1024脉冲倍加福增量型旋转编码器，实现对各直流电动机的转速和由其驱动的辊的位置的检测。

（5） 压力检测采用冶自欧博CH-V型轧制力检测仪，以确保轧制过程安全稳定。

（6） 环件直径检测： 采用激光测距仪，测距范围0～5m。2

环轧机运行控制环轧机运行控制由PLC控制完成，在自动控制过程中，定心辊应处的位置，将随环件直径和壁厚的变化而变化。其数据将由激光测距仪及压下电机编码器即压下辊位置获得。驱动定心辊的电机的运转是依据实测的定心辊位置与计算的位置的比较结果控制的。定心辊的实际位置，是自动轧制过程能否稳定运行的关键，若定心辊与环件外沿距离过大则可能引起环件摆动，过小会因环件圆度不均等因素，使定心辊夹持环件而影响环件转动，因此，实测的距离与计算的距离的差值应保持一定的范围。

即设定上下限范围，当差值达到下限值时，电机运转，当差值达到上限值时，停止运行。电动机的转速，可根据不同合金规格的环件设定或调整。从而实现自动控制。在轧制过程中，有时会因环件温度低，壁厚和圆度不均等因素，使运行辊承受很大的压力，如果该压力达到或超过设备承受能力，则会造成设备故障和安全事故。在环轧机相关的运行辊设置了压力检测装置———轧制力检测仪。

在PLC软件中为相应辊设置了压力设定值。比如当主机辊的压力达到或超过所设定值时，PLC发出指令，停止压下电机运转，待主轧辊压力降至设定值以下并调整压下电机转速后，启动压下电机运行，确保轧制过程的安全运行。

传统的金属环件轧制设备，其压下和定心机构多采用液压传动，适合于小规格尺寸且材质和规格尺寸单一的环件轧制。而大规格铝合金环件其合金品种，尺寸规格多样，轧制过程中尺寸变化范围大，轧制过程中各辊适时跟踪环件尺寸变化时难以准确控制定位。利用直流电机调速平滑，转速稳定的特点辅以本文所述的各种控制措施，取得良好效果，该设备投入生产使用后，生产出了大批包括直径达5M的铝合金环件，为祖国的国防及航空航天事业做出了贡献。2

本词条内容贡献者为:

尹维龙 - 副教授 - 哈尔滨工业大学