一、研究的背景与问题
随着钢材技术的发展和双碳战略的要求，石油天然气管线、工程机械、汽车制造等行业对高强带钢产品需求日益增强，地下卷取机作为热连轧带钢生产线三大主机设备之一对高强带钢稳定生产至关重要。
2010年以前，国内热轧带钢高强钢卷取机市场为外商把控，国内已投用的所有地下卷取机装备技术仅能满足常规的生产工艺要求及产品规格，部分高强钢生产的卷取机也受限于产品规格和卷取温度，只能高温卷取生产X70及以下强度产品。随着热轧高强钢生产减量化技术的发展，采用控轧工艺+快速强力冷却的生产方式成为主流，而卷取温度也降至400℃以下，相较于通过合金成分设计+控轧+400℃~600℃高温卷取的生产路径，前者对卷取机能力和稳定性提出了更高要求。
攀西2050热轧工程提出建设先进高强钢（X100-X120、TQ1200、DP800等）抗拉强度1200MPa以上、厚度20mm以上、宽度1900mm以上、卷取温度200℃~600℃的宽幅带钢生产线需求，已有卷取技术从卷取能力、卷取稳定性和卷取质量上已不能满足生产需要。
为响应国家推进大型冶金成套设备自主化号召，满足客户对高强钢生产不断追求更强、更宽、更厚和更低温度的强烈需求，中冶赛迪基于攀西2050热轧工程项目，针对传统地下卷取机普遍存在的卷取能力不足、稳定性不高、卷取质量不佳等难题，开展科研立项并提出了研发具有自主知识产权的高强度、高刚度、高稳定性和高卷取品质的热轧高强带钢强力地下卷取机成套装备技术总体目标，旨在打破国外技术垄断，实现热轧产线核心技术装备国产化自主创新和可控，引领热轧卷取机高强化和数字化发展，实现热轧高质量发展。
二、解决问题的思路与技术方案
通过深入分析高强钢的市场需求变化和国内外技术现状，针对传统地下卷取机普遍存在的卷取能力不足、稳定性不高、卷取质量不佳等难题，采用满足厚规格、大宽度、高强度带钢低温卷取生产的强力型地下卷取机工艺及装备关键技术开发路线（图1）。充分发挥中冶赛迪自身长期积累的卷取机工程设计经验和技术储备，并联合在卷取机力学理论研究上底蕴较深的燕山大学和在轧机振动方面有较深理论和实践基础的重庆大学合作攻关理论研究和开发，结合一系列国内外热轧工程咨询和成套建设项目的成果技术应用验证，实现了强力地下卷取机的立项研发目标和科技自主创新进步。
图1 项目技术路线图
三、主要创新性成果
中冶赛迪项目团队经过不断的研发和工程实践，重点围绕高强卷取技术面临的卷取机张力设定与卷取钢卷品质关系、卷取机传动系统的振动分析与抑制、夹送辊与卷取机卷筒的几何布置优化和强力卷取机组装备的结构创新等难题进行理论研究和创新装备开发，成果技术应用验证、评价方法及体系的建立，形成了热轧带钢强力型地下卷取机组关键技术及成套装备技术及相关设计验证方法，主要技术内容和创新性成果如下：
1、提出了一套钢卷卷形品质与卷取关键参数设定的评价方法，建立了相应的评价体系，可更好地指导设计和生产。
（1）针对不同产品规格带钢的卷取生产，系统分析了影响卷取钢卷的能力和卷取钢卷的品质的关键在于卷取张力的合理设定、夹送辊与卷筒位置关系、主电机参数合理选型等因素。
（2）建立了卷取张力设定与卷取钢卷品质关系模型，形成理论研究报告，开发了一套卷取张力设定与钢卷品质分析软件。通过不同卷取张力下钢卷在各过程中的内部应力变化计算分析，可判断和预报钢卷品质，如是否松卷、层间滑移、横向翘曲等，进而为优化和调整卷取张力设定值提供支撑。经工程生产实际数据和软件预测的张力对比，计算张力在理论最大和最小张力范围内，且计算值与实测值误差均控制在15%以内，在设定的卷取张力下，钢卷无松卷和层间滑移现象，钢卷质量合格率100%。
（3）建立了夹送辊和卷筒主电机分阶段力能计算模型，形成理论研究报告，开发了一套标准的卷取机夹送辊和卷筒主电机功率计算软件。通过输入卷取区布置参数、设备参数、卷取带钢的基本参数，实现对夹送辊、卷筒力力能参数计算，获取带钢速度－时间、卷筒电机转速－时间、卷筒力矩－时间、卷筒力矩－转速等关系曲线，为卷取机组设计提供了理论支撑。软件计算值与实际生产数据比较，力矩偏差基本都在10％以内。
（4）分析了夹送辊和卷筒几何布置与带钢卷取穿带影响因素，建立了一套系统的卷取机穿带分析模型和理论计算方法，开发了相应的分析计算软件，可有效指导卷取机工程设计与事故分析。经工程实践验证，成果技术应用卷取机卷取穿带成功率达到100%。
基于上述创新研究成果，并结合主传动扭振分析成果，首次完整建立起一套热轧带钢地下卷取机组工艺、装备设计及生产控制计算方法和高质量卷取评价体系，解决了以完技术主要依靠经验水平，导致设计和生产的不确定性，更难以从机理上说明何种设备结构、设备规格及卷取参数范围能实现高质量稳定卷取的难题，可很好地指导卷取机工程设计和生产。
2、揭示了卷取机传动系统的关键工艺参数与轴系扭振的映射机理，形成了一套卷取机传动系统振动控制技术，解决了强力卷取机生产高强钢的共振难题。
针对高强度钢卷取生产和低温卷取生产时卷取机的强烈振动尤其是传动系统的扭振问题，借鉴轧机扭振的有关理论，结合卷取机传动系统尤其是卷筒的复杂特点开展了具有前瞻性的扭振和弯曲振动研究。建立了一套卷取机传动系统扭振集中质量参数计算分析数学模型，开发了一套基于MATLAB的集中质量参数模型的卷取机传动系统扭振分析软件。通过输入传动系统各轴段的转动惯量和扭振刚度，可计算所设计卷取机传动系统的固有频率、振型和动力响应等，掌握卷取机的动态特性，为卷取机传动系统的控制提供依据，也可分析判断发生扭振或系统破坏的原因，并提出改进建议。经与有限元模型分析结果比较验证，软件理论计算相对误差均不超过15%；实际生产证明卷取机生产运行稳定、未出现强烈振动现象，与成果软件核算的传动系统结论相符。
3、提出独立L型机架强力封闭式牌坊夹送辊、双限位双模式分规格出口活门控制、双排水腔轴承防水长寿命内冷辊等技术，满足宽度≥1800mm，厚度≥22mm的X80以上高级别管线钢等高强钢卷取生产要求。
针对高强钢生产穿带时对卷取机夹送辊的冲击性更强，常规卷取机及部分已建高强卷取机结构没有很好的解决夹送辊抗冲击问题，导致夹送辊在带钢穿带时振动强烈，进而影响有载辊缝压下稳定性，造成穿带困难或卷取带钢紧密度不够。同时，卷取机输送辊道因高频次的冷热交替工况，传统辊道结构轴承易进水而失效，增加设备维护量和带钢划伤缺陷等，创新提出和开发了封闭式独立牌坊夹送辊、分规格出口活门、双排水腔防水结构内冷辊道、3.5辊助卷强力卷取机和强力卷取机液压伺服控制技术。相对摇臂式夹送辊、传统牌坊夹送辊（机架坐落在卷取机架上）和卷取机，本成果技术大大提高了高强钢厚规格宽带钢卷取生产穿带时的抗冲击和倾翻能力、解决了厚带钢穿带对夹送辊有载辊缝的直接冲击导致辊缝控制不稳、运输辊道轴承易失效导致的卡阻和带钢划伤、高强钢卷不紧等问题，完全满足高强钢宽厚规格低温卷取稳定生产要求。
本项目成果技术与国内外同类先进技术对比（表1、表2），主要技术指标相当，具有优良的卷取质量、位置控制精度、控制响应时间和抗冲击振动能力。同时，还掌握了卷取力能及带钢卷取质量综合分析评价方法，开发了仿真软件系统，为卷取机的高效、高可靠性设计提供了重要支撑，具有差异化竞争优势。
表1 本成果设备性能指标与国际先进水平对比表
表2 本成果强力卷取机与国际最先进水平强力卷取机对比表
四、应用情况与效果
依托本成果技术，中冶赛迪先后承担并实施了攀西2050热轧卷取机成套、新余1580热轧3#卷取机成套、TATA-UK 2032热轧卷取改造成套，以及宝钢德盛1780热轧工程和攀钢钒1450热轧技改工程设计及辅助设备成套等项目的成功应用，成果和技术软件还在多个相关工程咨询和设计项目中得到应用和技术支撑并推广至高强平整机组的项目开拓和实施中，取得了良好的经济效益。
典型应用之一：攀西2050热轧工程强力型地下卷取机，至今已累计卷取超过4500万吨成品钢卷，其中管线钢X70、X80、X100等高强钢生产已累计超过100万吨。目前，机组运转正产，各种性能指标稳定。机组设备性能获得业主和宝钢、鞍钢等相关参观考察单位人员的充分肯定。
典型应用之二：新余1580热轧3#强力卷取机，于2022年6月投产，至今稳定生产汽车大梁钢、管线钢、IF钢、第二代先进汽车用钢等高强产品，累计超过300万吨，各项性能指标均达到设计指标，满足用户要求。
图2 攀西2050热轧强力地下卷取机
图3 新余1580热轧强力地下卷取机
同时，本项目成果实现了热连轧带钢卷取技术的进步，为厚规格、高强度热轧宽带钢生产创造了条件，打破了国外技术垄断，实现了核心装备自主创新和技术可控，为客户迈向高强产品生产和降本增效提供了油市场竞争力的国产化方案，为冶金装备国产化的高质量发展提供了良好的示范效应，开创了国内卷取机数字化设计先河，推动了行业装备数字化设计发展，取得了良好的社会效益。
摘自：中国金属学会
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