精品年产70万吨高速线材车间工艺设计毕业论文.docx
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精品年产70万吨高速线材车间工艺设计毕业论文
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HEBEIPOLYTECHNICUNIVERSITY
课程设计
论文题目:
年产70万吨高速线材车间设计
学生姓名：
周少颖
专业班级：
07成型2
学院：
轻工学院
指导教师：
郑申白教授
2011年03月10日
目 录
引言1
1原料的选择与金属平衡表2
1.1原料的选择2
1.1.1原料种类的选择2
1.1.2原料的质量、规格及尺寸偏差3
1.2金属平衡表3
2线材轧制速度的确定5
3主机列选择6
3.1机架数目的确定6
3.2粗轧机组的选择6
3.3中轧机组的选择7
3.4预精轧机组的选择7
3.5精轧机组及减定径机组的选择7
4孔型设计8
4.1孔型设计的内容8
4.2孔型系统的选取8
4.2.1粗轧机孔型系统的选取8
4.2.2中轧、预精轧及精轧轧机孔型系统的选取8
4.3孔型设计计算8
4.3.1确定各道次延伸系数8
4.3.2确定各道次轧件的断面面积9
4.3.3孔型设计计算9
4.4孔型在轧辊上的配置10
4.4.1孔型在轧辊上的配置原则11
4.4.2孔型在轧辊上的配置11
4.5轧辊的平均工作直径及轧辊转速的确定12
4.5.1工作辊径的确定12
4.5.2轧辊转速的确定12
5年产量计算15
5.1轧制节奏图表15
5.2典型产品的小时产量计算15
5.2.1典型产品Φ6.0mm轧机小时产量：
15
5.2.2轧钢机的平均小时产量15
5.3车间年产量计算16
5.3.1工作制度、工作小时数的确定16
5.3.2年产量计算17
6力能参数计算与强度校核18
6.1力能参数计算18
6.1.1轧制温度18
6.1.2轧制力计算20
6.1.3轧辊辊缝计算24
6.2电机功率的校核25
6.2.1传动力矩的组成25
6.2.2各种力矩的计算25
6.2.3电机校核26
6.2.4第一道次电机功率校核举例26
6.3轧辊强度的校核28
6.3.1强度校核29
6.3.2第一架轧机轧辊强度校核举例31
参考文献34
引言
线材是成卷交货的细长钢材，除部分直接用于金属制品、建筑用材以外，大部分是用于拉拔的原料，要求直径较小，物理性能均匀，金相组织尽可能索氏体化。
我国是世界上最大的线材生产国，年产量占世界生产总量三分之一以上，线材也是我国第二大钢材生产品种，在国内钢铁产量的比重一直较高。
2007年国内线材产量占我国钢材总产量比例的14.2%。
从线材进出口情况看，长期以来一直是我国主要钢材出口品种。
但由于资金及认识的滞后，我国仅有为数不多的几家线材厂能生产出高档次的线材产品，因此我国有时还需要从国外进口少量帘线钢丝、钢绞线、镀锌钢丝等硬线产品。
线材特点是断面小、散热快，而用户需要长度大的盘卷。
增大坯料断面，减少线径，则线材轧制道次越来越多。
增大盘重则造成轧制时间加长。
过去采用横列轧机只能生产100公斤盘重，Φ6.0材的尺寸公差达到0.5mm，索氏体化很少。
上世纪70年代我国曾大力发展4线复二重横列轧机，最高出口速度为16ms。
复二重横列轧机使用廉价交流电机，但盘重仍然很小，成材率仅80%左右。
同期，国外发展单线高速轧制，给线材轧制技术带来突破。
生产线全线为平立交替布置，轧件无扭运行，尽可能减少了事故隐患。
精轧为减少动态速降，采用成组传动的紧凑悬臂轧机，为高速下顺利轧制带来保证。
为解决高速线材冷却均匀问题，出现了吐丝机和散卷风冷线，大大改进了冷却效果。
目前，高线生产的最高出口速度达到150ms，成材率达到98%。
而且，随着生产技术的提高，高线所用的轧机刚度不断提高，Φ6.0尺寸精度从±0.4达到±0.1。
尤其为能顺利生产硬线，轧机能力不断加大，这对实现低温轧制，各种控轧控冷工艺都是必要的。
从磨损角度看，线材轧制公里数长，轧槽磨损大，容易出现堆拉钢事故。
因而，精轧机组最先采用碳化钨硬质辊环轧辊。
最近，人们又把预精轧后四架布置成安装碳化钨辊环的悬臂轧机，收到良好的效果。
1原料的选择与金属平衡表
1.1原料的选择
1.1.1原料种类的选择
线材车间的原料按其生产方式分为钢锭、轧制钢坯和连铸钢还三种。
钢锭由于铸造工艺的限制，一般断面较大，而且为了脱模不可避免地在钢锭长度方向带有锥度，这就造成以钢锭为原料生产线材时的轧制道次多，轧制过程中温降大。
目前，用钢锭作原料直接轧成线材的生产方式已被淘汰。
轧制钢坯经粗轧机开坯轧制而成，其规格范围广、钢种多但并不能消除偏析、缩孔等缺陷且再生产过程中要发生烧损、切头、切尾等。
故轧制钢坯很少用。
高速线材轧机采用连铸坯为原料后，与采用轧坯相比，从炼钢到成材，能耗可降低80kgt标煤，金属收得率提高10%左右、能耗低、劳动条件改善、生产率提高。
因此本设计原料选用连铸坯。
[1]
2.原料断面形状的选择
选择方形坯，不需要特别翻转，也正好配合平立的扁箱和方箱孔型，实现与椭圆-园孔型的过渡。
3.原料单重的选择
大盘重要求坯料重量大。
粗略按以下计算：
金属氧化损失一般占坯重的1%，粗轧切头在3kg以下，预精轧切头一般为1.5kg，精轧前切头一般为1.2kg，成品切头一般为3kg则：
………………………………
（1）
式中：
——坯料单重；
——成品盘重。
由用户要求和设备经济性考虑，盘重一般为2.0t左右，取坯料约为2.10t
4.原料尺寸的选择
坯重一定情况下，选择大断面坯可以缩短坯料长度，但断面过大使轧制道次增加，机架数增加，投资加大。
断面小则长度大。
对高速线材轧机坯料，一般为120mm2～160mm2之间，结合现场选150mm2。
坯料长受加热炉宽度限制，一般不超过12m的加热炉技术较为成熟，加热上限温度较高。
另外从连轧出入口速度考虑，由连轧关系
式中：
——坯料、成品断面积；
——坯料、成品轧制速度。
轧线出口速度对车间生产能力和技术水平起决定作用，出口速度高，可以增大盘重，提高产量。
而且相应提高了入口速度，避免粗轧辊速度低，产生严重热龟裂。
但控制水平要求也相应提高。
考虑先进性和经济性，参考现场取为120ms。
为满足粗轧热应力状态下轧辊不龟裂的速度应大于0.11ms，所以坯料边长
……………………………………………
（2）
式中：
——取产品大纲中最小断面尺寸。
则180mm
由于坯料重2t左右，取连铸坯密度为7.8gm3，则钢坯的长约为：
L==11.96m
故最终选择150方X12m的方坯，单重达2.10吨。
1.1.2原料的质量、规格及尺寸偏差
1.原料质量
1）连铸坯表面不得有肉眼可见的裂纹、重皮、结疤、夹杂。
2）表面不得有深度大于3mm的划痕、压痕、擦伤、气孔、皱纹、耳子、凸块、凹坑和深度大于2mm的发纹。
3）连铸坯横截面不得有缩孔、皮下气泡
2.原料的规格及尺寸偏差
表1原料的规格及尺寸偏差
名义尺寸（mm）
长度（mm）
宽度（mm）
对角线偏差
单重（kg）
150×150
尺寸
150
偏差
±4
尺寸
150
偏差
±4
6mm
2100
钢坯长，总弯曲度小于100mm，不得有明显的扭转。
1.2金属平衡表
轧制过程中线材消耗一般由烧损、切损、轧废、检查样品及人为的钢号混乱等组成。
其中烧损约占0.5%，轧废约占0.8%，检查样品约占0.2%，则年产70万吨的硬线线材车间金属平衡表如下。
表2金属平衡表
钢坯（万t）
成品（万t）
损耗（t）
质量
比例（%）
71.43
100
70
98
烧损
3571.5
0.5
切损
3571.5
0.5
轧废
5714.4
0.8
检查样品
1428.6
0.2
金属消耗系数为：
2线材轧制速度的确定
目前高速线材轧制速度已达150ms，保证速度达130ms，这是为保证长达几千米的大盘卷在轧制时间内，头尾温差不致过大。
这样使单线轧机产量最高可达年产100万t。
这比出口速度16ms的四线复二重轧机产量高的多。
而且由于单线轧制，次生连缀事故大大减少，事故处理也变得容易。
故高线厂都是单线轧机，老厂则将多线轧机改建为单线（马钢）。
由于轧制速度的提高，受入口速度限制的坯料断面允许进一步增大。
目前，对100ms的轧机其坯料断面尺寸已扩大到铸坯，也有的使用~方坯。
这对于保证线材的产品质量和提高连铸坯生产都是有利的。
由于受运输和开卷原因的限制，坯料单重和成品单重仍维持在2.0～2.5t左右，没有进一步增加的趋势。
轧制过程，轧件热量向外散发，引起温降。
但塑性变形时，原子活动能力增加，即一部分功转为热量。
当变形速度较快，热量聚集大于散发热量，轧件温度便升高。
轧制过程中，速度大于10m，就会有温升。
线材断面小，如果产生过大升温，轧件过于柔软，不能挺直前进，就会阻碍进入下一孔型，造成事故。
为消除这一问题，须采用精轧机前的预水冷，并须在精轧机内设置机架间水冷装置。
一般要求轧件在进入精轧机前的温度不能高于950℃，故预精轧机到精轧机架间距从12m加大到36m，安放几组水冷与恢复段。
没有精轧前的降温措施，出口速度就会受到限制。
3主机列选择
3.1机架数目的确定
由坯料尺寸（150mm×150mm）和所轧制的最小断面的轧件尺寸（Φ5.5mm）确定轧制道次。
考虑到坯料尺寸偏差和热膨胀因素，所以总延伸系数为：
……………………………（3）
一般全线平均延伸系数为：
∴轧制道…………………………………（4）
取整得，精轧最后两架为减径机。
轧机最后为两架定径机（不考虑在内）。
参考现场实际生产情况及相关资料将26+4架轧机分为粗轧、中轧、预精轧、精轧及减定径五组机组。
其中粗轧6架，中轧6架，预精轧6架，精轧8架，减定径机4架。
3.2粗轧机组的选择
粗轧机组是使坯料得到初步压缩和延伸，得到温度合适、断面形状正确、尺寸合格、表面质量良好、端头规矩、长度适合工艺要求的轧件。
本设计选用6架平～立辊交替布置的二辊无牌坊式粗轧机组，采用单独传动方式。
这种粗轧机组的平一立轧机为单独传动，过去只能单线无扭轧制，主要用在产品精度要求很高的轧机上。
目前，立辊轧机已发展成为可转换为水平轧机的结构（如图1），其传动方式有上传动和下传动两种。
有了这种结构的轧机，在粗轧机组上既可单线无扭轧制，又可多线轧制。
它为产品精度要求高，年产量要求大的高速线材轧机车间提供了条件。
例如奥钢联里木～多纳维茨厂就采用了这种粗轧机组，从而满足了中轧和精轧机组的双路布置，单线轧制的需要[2]。
图1立辊可转换为水平辊的轧机示意图
1一水平机架；2一立式机架
3.3中轧机组的选择
中轧的作用是继续缩减从粗轧机组轧出的轧件断面，为精轧提供形状正确、尺寸精确的中间料为保证足够的压下量。
本设计所选的中轧机组参考宝钢高线厂、安钢高线厂等高速线材厂，为6架平～立交替布置的、双支点、长辊身、多孔型无牌坊轧机。
3.4预精轧机组的选择
预精轧机组继续缩减从中轧机组轧出来的轧件断面，为后面的精轧机组轧机提供尺寸精确和形状正确的轧件。
本设计前两架选用无牌坊轧机，后四架选用悬臂轧机。
图2为预精轧机的机列布置，属于平一立悬臂式轧机交替配置[2]。
图2预精轧机的机列布置
l一水平机架；2一立式机架
3.5精轧机组及减定径机组的选择
高速线材轧机的精轧机组是最具特色的关键设备，它的水平决定整套线材轧机的水平。
从高速轧机的诞生与发展看，不论那一种型式的轧机都追求实现高速，而要达到高速都必须解决高速运转所产生的振动问题。
减少振动的方法，一是提高制造精度实现平衡；二是降低轧机高度，缩小轧机尺寸，降低运转部位到基础的距离和尽可能缩减转动体的体积；三是取消振动不可控制的零部件，如轧机接袖、袖套、联轴器。
振动问题解决了，轧机运转速度可以提高。
这也是设计、生产、制造、使用高速轧机的根本原则。
在此基础上，产生了许多不同型式的高速机组，并各具特点，其中摩根高速无扭机组的优势更多一些，应用也更广泛些。
本设计中的精轧机组和减定径均为顶交45°超重型无扭轧机，它们分别由1台交流电机经联合齿轮箱集中传动，碳化钨辊环，辊缝由偏心套对称调节。
精轧机组为8架。
减定径机为4架，用换辊小车整机架快速更换。
4孔型设计
4.1孔型设计的内容
孔型设计是型钢生产的工具设计。
孔型设计的全部设计和计算包括三个方面：
1.断面孔型设计
根据原料和成品的断面形状和尺寸及对产品性能的要求，确定孔型系统、轧制道次和各道次的变形量，以及各道次的孔型形状和尺寸。
2.配辊
确定孔型在各机架上的分配及其在轧辊上的配置方式，以保证轧件能正常轧制、操作方便、成品质量好和轧机产量高。
4.2孔型系统的选取
4.2.1粗轧机孔型系统的选取
1.1#轧机的孔型为平箱，2#轧机的孔型为立箱。
箱形孔型系统的轧件变形较为均匀，角部没有改变，容易温度偏低。
由于箱形孔型系统的特点，在线材生产上它多用于轧制的头几道次，并用于轧制断面尺寸在60×60毫米以上的轧件。
在400毫米轧机上这种孔型最小轧出断面尺寸为56×56毫米；在300毫米轧机上这种孔型最小轧出断面为45×45毫米。
箱形孔型道次延伸系数一般为1.20～1.40。
2.3#～6#轧机的孔型依次为：
椭圆—圆—椭圆—圆
这种孔型系统的优点在于：
1）孔型形状能使轧件从一种断面平滑地转换成另一种断面，从而避免金属由于剧烈的不均匀变形面产生局部应力。
2）在此孔型系统中轧出的轧件没有尖锐的棱角，轧件冷却均匀。
3）孔型形状及变形特点有利于去除轧件上的氧化铁皮，使轧件具有良好的表面。
4）必要时可在延伸孔型中获得圆断面成品，从而减少换辊[3]。
4.2.2中轧、预精轧及精轧轧机孔型系统的选取
综合比较各种孔型系统，本设计的中轧、预精轧、精轧及减定径轧机孔型选取椭圆—圆孔型系统。
4.3孔型设计计算
4.3.1确定各道次延伸系数
典型产品（Φ6.0mm）总延伸系数为864.13
由延伸系数的分配原则确定各道次延伸系数见表3
表3各道次的延伸系数
轧制道次
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
12
14
延伸系数
1.28
1.3
1.3
1.3
1.3
1.3
1.3
1.3
1.3
1.3
1.3
1,3
1,3
1.3
轧制道次
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
延伸系数
1.3
1.3
1.3
1.3
1.3
1.3
1.21
1.21
1.21
1.21
1.21
1.21
1.21
1.21
4.3.2确定各道次轧件的断面面积
按逆轧顺序进行计算：
由公式[7]：
.
.
.
………………………………………………………（5）
所以，各道次轧件断面面积如表4
表4各道次轧件断面面积
轧制道次
1
2
3
4
5
6
7
断面面积
轧件尺寸
轧制道次
断面面积
轧件尺寸
轧制道次
断面面积
轧件尺寸
轧制道次
断面面积
18991.16
8
3026.55
Φ62
15
482.33
22
88.72
Φ10.6
14608.59
9
2328.12
16
371.02
Φ21.8
23
73.33
11237.37
10
1790.86
Φ47.8
17
285.40
24
60.60
Φ8.8
8644.13
Φ105
11
1377.58
18
219.54
Φ16.8
25
50.08
6649.33
12
1059.68
Φ36.8.0
19
168.88
26
41.39
Φ7.3
5114.87
Φ80.7
13
815.14
20
129.91
Φ12.9
27
34.21
3934.52
14
627.03
Φ28
21
107.36
28
28.27
Φ6.0
4.3.3孔型设计计算
由程序计算得各个孔型尺寸如下表：
表5孔型参数
规
格
机架
轧件尺寸（mm）
孔型尺寸（mm）
高度
宽度
高度
宽度
椭圆圆弧半径
圆扩张角
辊缝
Φ7
1
115
150.5
120
160
15.0
2
117.7
117.7
125
125
12.0
3
84.8
135.8
84.8
1509
193.9
20.8
4
98
98
98
107.5
30
15.0
5
57
120.5
57
133.9
113.7
13.4
6
73.5
73.5
73.5
82.3
30
12.5
7
41.7
91
41.7
101.1
165.9
10
8
54.5
54.5
54.5
63.6
30
8.5
9
32.4
66.6
32.4
74
62
7.9
10
41.3
41.3
41.3
47.6
30
7.5
11
25.8
49.9
25.8
55.5
44.4
6.3
12
32
32
32
36.5
30
6.0
13
20.8
38.2
20.8
42.4
32.7
5.2
14
25.3
25.3
25.3
28.5
30
5.0
15
16.1
30.4
16.1
33.8
27.2
4.3
16
19.8
19.8
19.8
22.5
30
4.0
17
13.9
23
13.9
25.6
18.4
3.5
18
16.3
16.3
16.3
18
25
3.2
19
12.3
18.5
12.3
20.6
13.7
3.0
20
13.9
13.9
13.9
15.1
25
2.2
21
9.4
16.4
9.4
18.2
13.7
2.5
22
11.2
11.2
11.2
12.5
25
3.0
23
8.2
12.9
8.2
14.3
9.8
2.0
24
9.4
9.4
9.4
10.3
25
2.4
25
6.7
10.9
6.7
12.1
8.6
1.7
26
7.8
7.8
7.8
8.6
25
2.0
27
5.6
9.0
5.6
10
7.1
1.5
28
6.5
6.5
6.5
7.1
25
1
4.4孔型在轧辊上的配置
在孔型系统及各孔型的尺寸确定后，还要合理地将孔型分配和布置到各机架的轧辊上去。
配辊应做到使轧制操作方便，保证产品质量和产量，并使轧辊得到有效的利用。
4.4.1孔型在轧辊上的配置原则
为了合理配置孔型，一般应遵守如下原则：
1.孔型在各机架的分配原则是力求轧机各架的轧制时间均衡。
2.根据各孔型的磨损程度及其对质量的影响，每一道备用孔型的数量在轧辊上应有所不同。
如成品孔和成品前孔对成品的表面质量与尺寸精确度有很大影响，所以成品孔和成品前孔在轧较长度允许的范围内应多配几个，这样当孔型磨损到影响成品质量时，可以只换孔型，而不需换辊。
3.确定孔型间随即辊环宽度时，应同时考虑辊环强度以及安装和调整轧辊辅件的操作条件：
1）辊环强度取决于轧辊材质、轧槽深度和辊环根部的圆角半径大小。
2）钢轧辊的辊环宽度应大于成等于槽深高度之半。
3）铸铁辊的辊环宽度应大于或等于槽深高度。
4）确定辊环宽度时除考虑其强度外，还应考虑导板的厚度或导板箱的尺才以及调整螺丝的长度和操作所需的位置大小，边辊环宽度中小型轧机取80～120mm。
4.4.2孔型在轧辊上的配置
孔型在轧辊上的配置包括：
垂直方向上的配置和辊身长度方向上的配置。
垂直方向上的配置和轧辊的名义直径、原是直径、工作直径有关；而孔型在辊身长度方向上的配置要考虑的因素有：
1.成品孔和成品前孔应尽量争取单独配置，即不配置在同一架轧机的同一轧线上，以便实观单独调整，保证成品质量。
2.分配到各架轧机上的轧制道次应力争使各架轧机轧制时间负荷均衡，以便获得较短的轧制节奏，有利于提高轧机产量。
3.根据各个孔型磨损对成品质量影响程度不同，在轧辊上孔型配置数目也不相同。
成品孔应尽可能多配，成品前孔和再前孔根据条件和可能也应多配一些。
这样做的另一好处是可以减少换辊次数、减少轧辊储备数量，并能降低轧辊消耗。
4.轧辊相邻孔型间的凸台叫辊环，在轧辊长度方向上要留有足够的宽度，以保证辊环强度和满足安装导卫和调整的要求。
在满足了上述要求的条件下辊环宽度可适当减小。
以便能多安排孔型数目。
铸铁辊环的宽度一般可考虑等于轧槽深度，而钢辊辊环可以小些轧辊两端的辊环宽度对于大中型轧机可取100mm以上，而对小型轧机～般在50～100mm的范围内选取。
至于在孔型倾斜配置的情况下，还应考虑设置止推斜面辊环的要求。
4.5轧辊的平均工作直径及轧辊转速的确定
4.5.1工作辊径的确定
1.粗中轧机（1～14#轧机）工作辊径的确定
箱形孔：
………………………………………………（6）
………………………………………（7）
…………………………………………………（8）
式中：
为轧辊工作直径
为辊环直径
为孔型高度
根据以上公式计算粗中轧机工作辊径如下表。
表6短应力线轧机工作辊平均辊径
机架号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
510
485
502
342
423
385
368
335
381
356
390
370
223
216
2.预精轧、精轧、减定径机（15～30#轧机）工作辊径的确定
椭圆孔：
………………………………………（9）
圆孔：
………………………………………（10）
式中：
为轧辊工作直径
为辊环直径
为孔型高度
根据以上公式计算预精轧、精轧、减定径机工作辊径如下表。
表7碳化钨悬臂轧机工作辊平均辊径
机架号
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
229
223
212
208
214
212
218
215
219
217
221
220
223
221
表中27#
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