年产量160万tD36船板钢生产线设计.docx
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年产量160万tD36船板钢生产线设计
北京科技大学
专业课程设计
题目：
年产160万吨中厚板厂的工艺设计
（典型产品：
24×4350mm的D36船板钢）
2012年11月14日
摘要
本次设计的对象是年产量160万吨的4600mm中厚板厂。
结合设计条件及年产量要求完成了10个产品品种、10个产品规格的产品方案表和金属平衡表。
以钢种为Q195的连铸坯（500mm×1500mm×4100mm）轧制中厚板，典型产品规格为24mm×4350mm。
整个设计分四章进行详细描述，前言为中厚板的国内外发展概况的介绍及分析，总结了当前世界上中厚板生产技术的先进水平，包括设备、技术及理念。
第一章主要介绍设计要求和方案选择。
第二章分为七个小节，前三个小节分别对设计任务、生产品种及工艺流程进行了确定；制定了产品方案和生产工艺；介绍了车间平面布置，确定设备的间距、生产流线及设施面积的计算；第四小节对车间产量进行计算，包括各设备的生产能力、车间平均小时生产能力及车间年生产能力；第五小节进行力能参数的计算，内容包括轧制表的计算、工具设计及强度校核；第七小节进行主辅设备选择，根据产品的要求，合理确定设备参数。
第三章编制了技术经济指标，确定了车间内各项设备、原材料、动力等利用程度的指标。
第四章根据设计参数，绘制出简单车间平面布置图。
Abstract
Inthispaper,arollingmachineproductionlinewasdesignedformediumplateinwhichthetypicalproductionisD36shipplate（24mm×4350mm）.Therearefourchapterswerewrittentodescribethisdesign.Thefirstpartgavethedesignrequirement.Andinthesecondpart,thebodypart,allofthedesigndetailswerediscussedanddetermined.InChapter3,inviewoftheeconomyandenvironment,someindexesoftheproductionlinewerediscussed.Finally,theworkshopplanfigurewasputinthelastchapter.
前言
中厚板是指厚度4.5-25.0mm的钢板，厚度25.0-100.0mm的称为厚板，厚度超过100.0mm的为特厚板。
中厚板主要应用于建筑工程、机械制造、容器制造、造船、桥梁建造等。
还可以用来制造各种容器、炉壳、炉板、桥梁及汽车静钢钢板、低合金钢钢板、造船钢板、锅炉钢板、压力容器钢板、花纹钢板、汽车大梁钢板、拖拉机某些零件及焊接构件等。
通常中厚板用途简要总结如下：
广泛用来制造各种容器、炉壳、炉板、桥梁及汽车静钢钢板、低合金钢钢板、桥梁用钢板、造般钢板、锅炉钢板、压力容器钢板、花纹钢板、汽车大梁钢板、拖拉机某些零件及焊接构件具体应用。
随着国民经济建设，其需求量非常之大，范围也十分广：
（1）造船钢板：
用于制造海洋及内河船舶船体。
要求强度高、塑性、韧性、冷弯性能、焊接性能、耐蚀性能都好。
（2）桥梁用钢板用于大型铁路桥梁。
要求承受动载荷、冲击、震动、耐蚀等。
（3）锅炉钢板：
用于制造各种锅炉及重要附件，由于锅炉钢板处于中温（350℃以下）高压状态下工作，除承受较高压力外，还受到冲击，疲劳载荷及水和气腐蚀，要求保证一定强度，还要有良好的焊接及冷弯性能。
（4）压力容器用钢板：
主要用于制造石油、化工气体分离和气体储运的压力容器或其它类似设备，一般工作压力在常压到320kg/cm2甚至到630kg/cm2，温度在-20～50℃范围内工作，要求容器钢板除具有一定强度和良好塑性和韧性外，还必须有较好冷弯和焊接性能。
（5）汽车大梁钢，用于制造汽车大梁（纵梁、横梁）用厚度为2.5-12.0mm的低合金热轧钢板。
由汽车大梁形状复杂，除要求较高强度和冷弯性能外，要求冲压性能好。
我国是造船业大国，预期今后几年将是我国造船业大力发展的一段时期，造船技术的发展，促使造船及采油平台用钢的需求量不断增加，这就需要大量的高强度、高精度、具有良好低温冲击韧性、焊接性能的船体用结构钢。
焊接钢结构用中厚钢板产品（通常指厚度范围为6～80mm的钢板）已几乎占所有扁平材钢铁产品（FlatSteelProducts）的一半，并被认为是当今钢结构桥梁、船舶及海洋平台、高层建筑钢结构、管线、压力容器等制造领域用钢的主导产品。
毋庸置疑，这些领域对结构轻量化、低制造成本、高安全可靠度等技术经济指标的不断追求，也带动了世界范围内中厚钢板产品的开发及工程应用。
总观世界上钢铁技术发达国家中厚板钢铁产品开发及应用的发展历程不难发现，中厚钢板产品的开发正如其他薄带材、长型材、铸锻材等一样，一方面充分利用了近、现代冶金学研究成果，另一方面又因其产品厚度、工程应用等特殊要求而带动了冶金学理论的不断发展，两者相辅相成，相互促进，并成为铁基材料学中研究最多的对象产品之一。
虽然我国中厚板轧机的数量和产量已居世界之最,但与国外先进水平相比轧机规模小、装备水平低、生产能力分散。
我国每套中厚板轧机平均能力2002年最高为61.5万t，低于国外的89万t。
日本最高为202万t。
国内单机产量仅为日本的26%，德国的45%（2006年数据）。
日本中厚板生产为世界之冠，约占钢板生产的20%以上。
中厚板生产日益趋向合金化和大型化。
轧机日趋重型化、高速化和自动化，绝大多数是大轧制力、大功率、高刚度的最新一代中厚板轧机，为实现其真正意义上的控轧控冷工艺、生产出性能优良的中厚板产品创造了装备上的有利条件。
到2009年6月，我国已建成和正在规划建设的中厚板生产线共有55条，其中轧机尺寸3.5m的9条、2.8m的4条、3.8m的2条、4.3m的1条、5.1m的2条（未计算正在设计中的鞍钢在营口鲅鱼圈的5.5m生产线），18条生产线能释放产能2000万t。
根据上海钢联电子商务股份有限公司研究中心发布的《2012年中国钢铁市场预测报告（年度报告）》，2012年期间，欧债危机间歇性发作，钢铁市场悲观情绪难以缓解。
2011年3月份以来，国际钢市整体表现震荡走低，10月份以后，越来越多的钢厂加入到减产行列，后期市场供应持续下降。
欧洲市场需求疲软，而且目前需求仍在萎缩，钢厂减产短期内并不能引领市场复苏，欧洲钢铁市场或仍将保持低迷。
美国薄板价格继续下滑，长材稳定。
目前美国经济相对较好，钢铁需求问题不大，薄板价格下滑主要是供应过剩。
亚洲市场整体下滑，中国市场暴跌带动周边市场下滑。
亚洲市场宏观面的积极因素正在积累，比如中国宏观调控方向发生微调，印尼和越南央行开始降息，需求前景有转好迹象。
2011年7月份以后，由于铁矿石价格的上涨，大中型企业大多处于赢亏平衡或亏损的状态，9月份之后，钢铁企业全国钢铁企业几乎没有赢利，中小企业赢利状况也比较严峻。
为了变革低迷的行业现状，国内钢铁企业开始采取多种措施。
兼并重组，提高行业集中度，提升技术含量，加工配送，扩大企业产业链，加强对原料价格的掌控能力、适当扩大非钢产业的投入等等是企业走出当前困境，值得尝试的较好途径。
加强企业的研究能力，从前期的“重生产”积极向“重采购和销售”的经营模式转变，逐步掌握并利用金融、期货市场规避价格风险，提高对信息服务的重视和利用程度，降本增效。
成功企业的经验应该可以借鉴和吸收，期待国内钢铁企业能够尽快地“由大到强”。
2011年11月，《钢铁工业“十二五”发展规划》正式对外发布，对未来五年钢铁行业发展战略和目标做出了调整，并对钢铁工业转型升级进行了部署。
《规划》规划回顾了“十一五”期间我国钢铁工业取得的主要成就和目前面临的主要问题，明确了“十二五”期间钢铁工业发展的九项重点任务，包括加快产品升级、深入推进节能减排、强化技术创新和技术改造、淘汰落后生产能力、优化产业布局、增强资源保障能力、加快兼并重组、进一步提高国际化水平以及加强钢铁产业链延伸和协同，并从发展环境、2015年粗钢消费量以及中远期粗钢消费量进行了预测。
表0-1.下游行业主要用钢材品种主要差距及“十二五”期间升级方向
中国钢铁工业现已进入全面结构调整期。
企业全面实施结构调整，转变经济增长方式，提高市场竞争力，这也是企业面对日趋激烈的市场竞争所做出的必然选择。
1.设计要求及方案选择
1.1设计要求
设计主体为一条中厚板生产线。
年产量160万吨，以24×4350的D36船板钢为典型产品。
1.2产品方案的确定
表1-1.产品大纲
1.2.1产品大纲
序号
产品名称
代表钢号
执行标准
产品规格
（厚×宽/mm）
产量
万t/a
%
1
造船板
d36
GB712
24×4350
24
15
2
碳素结
构钢
Q195
GB700
40×3100
20.8
13
3
管线钢
X80
APISPEC5L
20×2600
19.2
12
4
低合金高强度钢
Q295，
345
GB1591
60×2800
12.8
8
5
建筑结构板
Q235GJ
SN490B
YB4104-2000
JISG3136
50×3200
17.6
11
6
锅炉板
16Mnq
20q
GB713
20×3500
16
10
7
压力容器板
20R
SPV235
GB6554
JISG3115
10×3600
12.8
8
8
汽车大梁板
06TiL
16MnL
GB3273
12×2600
9.6
6
9
工程机械用钢
StE460
DIN17102
70×4100
16
10
10
耐候钢
Q235NH
GB/T4171
28×3100
11.2
7
合计
160
100
1.2.2典型产品的技术要求及金属平衡图
一、产品的技术要求
为能使实物质量更好地符合GB712-2000，制定了D36高强度船板化学成分、性能及厚度公差的内控要求．表1-2和表1-3分别列出了船板刚D36的熔炼成分和性能要求。
表1-2.船板钢D36的熔炼成分/%
钢种
C
Mn
Si
P
S
Nb
D36
≤0.18
0.9～1.6
≤0.5
≤0.035
≤0.035
0.02～0.05
表1-3.船板钢D36的性能要求
钢种
σs/MPa
σb/MPa
δs/%
20℃冲击功/J
纵向
横向
D36
≥355
490～630
21
≥34
≥24
注：
厚度公差为±0．3mm．
成分控制包含以下几个方面：
（1）C、Mn控制
C含量增高,强度、硬度增大,而塑性、韧性相应降低。
Mn在钢中是有益元素,锰还可以与S化合成MnS,减轻硫的有害作用。
为保证具有良好的韧性、焊接性能和高的强度,C控制在0.08%～0.14%,Mn控制在1.10%～1.50%,利用低C和微合金化的设计原理,即在C—Mn固溶强化的基础上,配合细晶强化、沉淀强化的手段达到所要求性能。
（2）碳当量
为保证钢板具有较高的强度和良好的焊接性能,在实际生产中合理控制成分,确保钢板焊接碳当量。
新钢公司中板厂采用TMCP状态交货碳当量Ceq为0.38%。
（3）S、P控制
S是钢中最有害的元素产生“热脆性”使钢材变得极脆，降低钢的韧性和塑性。
在钢中增加含锰量，可消除硫的有害作用，避免“热脆。
P也是钢中的有害元素提高钢的强度和硬度，却使钢的室温塑性、韧性急剧降低，脆性转化温度升高，在冷加工中易于断裂，即“冷脆”。
P也使焊接性能变坏。
为保证各项性能S、P含量应尽可能低。
4）Nb控制
Nb作为重要的微合金元素，用以细化晶粒提高钢的强度和韧。
Nb在钢中的作用十分显著，能在低碳的情况下提高钢的强度。
Nb在钢中形成细小的碳、氮化物，抑制奥氏体晶粒长大和奥氏体的再结晶，使钢材晶粒细化。
二、金属平衡图
成品率是指成品重量与投料量相比的百分数。
其计算公为
式中A——成品率，％；
Q——投料量（原料重量），t；
W——金属的损失重量，t。
成品率是一项重要的技术经济指标，成品率的高低反映了生产组织管理及生产技术水平的高低。
影响成品率的因素是各工序的各种损失。
金属损失主要有以下几种：
（1）烧损：
金属在高温状态下的氧化损失称为烧损。
金属加热过程中的烧损与加热温度和时间有关系，加热温度越高，时间越长，烧损量就越大。
烧损率一般在1%～5%。
（2）切损：
切损是指切头、切尾、切边等大块残料损失。
钢材切损主要与钢种坯料尺寸以及原料状况等有关。
本车间产品切损均为0.1%～6％。
（3）轧废：
轧件各工序生产中由于设备和工具、操作技术以及表面介质问题所造成的不符合质量要求的产品。
表1-4.金属平衡表
编号产品单根原料成品烧损/%切损/%轧废/%金属消耗成材率/%
重量/kg重量/kg系数/%
1造船板17550159171.46.21.71.10390.7
2碳素结构钢222320221.66.01.41.09991.0
3管线钢877579761.75.81.61.10090.9
4低合金结构板17550159531.36.01.81.10090.9
5建筑结构板17550159881.86.11.01.09891.1
6锅炉板176913961.66.01.41.09991.0
7压力容器板877580021.76.11.01.09691.2
8汽车大梁板17550159251.36.01.71.09991.0
9工程机械用钢17550159351.95.81.51.10190.8
10耐磨钢板13966127091.86.01.21.09991.0
2.分析与设计
2.1坯料选择与工序组成
2.1.1坯料的选择
原料的种类、尺寸重量的选择，不仅要考虑其产品和质量，而且要综合考虑生产技术经济指标的情况及生产的可能条件。
为满足成品质量，原料应满足一定的技术要求。
本厂以钢种为Q195的连铸坯（500mm×1500mm×4100mm）轧制中厚板，典型产品规格为24mm×4350mm的D36船板钢。
同时，坯料应满足以下的技术要求:
（1）钢的化学成分符合标准
（2）坯料表面不得有缺陷
（3）对坯料的缺陷必须清理
2.1.2工艺流程的确定
工艺流程：
优质高炉铁水（废钢）→100t氧气底顶复吹转炉冶炼→钢包合金化→LF炉精炼→直弧R8．0板坯连铸→热送热装→板坯加热→粗除鳞→四辊粗轧→精除鳞→四辊精轧→控制冷却→矫直→空冷→上表检验→翻板→精整（取样一性能检测）→成品检验→标志→入库．
2.2轧机的组成
2.2.1轧机型式及布置形式
一、轧机型式
本设计的粗轧机和精轧机都选用四辊可逆式轧机。
由于对钢坯要横纵轧，在每个四辊可逆轧机后面配立辊轧机。
二、轧机布置形式
本设计采用四辊式加四辊式的双机架布置形式。
双机架式布置，是在两架轧机上完成由原料到成品的整个轧制过程，是现代中厚板生产的主要方式。
由于粗轧和精轧两个阶段的任务非别由两架轧机承担，所以双机架式有轧机产量高、产品尺寸精度高、板型和表面质量好、换辊时间少的优点。
2.2.2轧机各部分的选择
一、机架的选择
机架是轧机的主要组成部分，它是装置轧辊及其调整装置和其它零件，并且在轧制过程中承受巨大轧制压力的框架。
因此机架的要求除了有足够的强度和刚性外，还要考虑装卸方便，快捷换辊等方面的要求。
一般轧机的机架分为开口式，闭口式和半闭口式。
本设计中轧机均为闭口式机架。
二、轧辊的选择
1、辊身长度
L=b+a
式中b为钢板的最大宽度b=4350mm；
a是随钢板宽度变化的值，对宽钢板a=200～400mm;
取a=250mm；
所以，L=b+a=4350+250=4600mm.
2、辊身直径
D=L/k,k:
系数。
对于四辊轧机的工作辊，k=2.5～4.0;对于四辊轧机的支承辊，k=1.8～2.7.
对于工作辊取k=3.0，D工=4600÷3.0=1533mm，取工作辊D工=1500mm。
对于支撑辊取k=2.0，D支=4600÷2.0=2300mm，取支撑辊D支=2300mm。
3、辊颈直径和辊颈长度
辊颈尺寸与所用的轴承形式有关。
选取滚动轴承，由于其外围尺寸较大，辊颈直径就无法取得很大。
轧辊轴颈直径和轴颈长度一般按下式选取：
d=（0.5～0.55）D
l=（0.83～1.0）d
式中d—轧辊辊颈直径，mm；
D—轧辊辊身直径，mm；
l—轧辊辊劲长度，mm。
如果选取滑动轴承，则允许轧辊辊劲直径大些。
则使用滑动轴承时辊劲尺寸按下式选取：
d=（0.67～0.75）D
l=（0.83～1.0）d
本设计中工作辊轴用滚动轴承，则辊颈及长度为
d工=0.54×1533=827.8≈830mm
l工=0.92×827.8=761.6≈760mm
支撑辊选用滑动轴承，则辊颈及长度为
d支=0.74×2300=1702≈1700mm
l支=0.84×1702=1429≈1430mm
4、轧辊的材质
在本连轧车间内，粗轧机组的立辊和工作辊，考虑到强度和咬入条件，采用铸钢辊，精轧机的工作辊采用铸铁辊。
粗轧机和精轧机的支承辊均采用铸铁辊。
5、轧辊轴承的选择
轧辊轴承用于支承转动的轧辊，采用轴承应有小的摩擦系数、足够的强度、寿命长亦便于换辊。
本设计中粗轧机和精轧机的工作辊采用滚动轴承，支承辊采用油膜轴承。
各架机座的性能参数见表2-1.
表2-1.各机座性能参数
轧辊
辊身
辊颈
主电机
速比
材质
D/mm
L/mm
d/mm
l/mm
功率/kw
转速/rpm
粗
轧
工作
1500
4600
830
760
6750×2
0～±50/120
1.9:
1
铸钢
支承
2300
4600
1700
1430
铸铁
精
轧
工作
1500
4600
830
760
6750×2
0～±50/120
1.9:
1
铸铁
支承
2300
4600
1700
1430
铸铁
6、轧辊的调整装置
轧辊调整装置有以下作用：
（1）调整两工作辊轴线之间的距离，以保证正确的辊缝开口度，给定所需的压下量。
（2）调整轧辊与工作辊辊道水平面的相对位置，在连轧机组中，还需调整各机座间轧辊的相对位置，以保证轧制线高度一致。
（3）调整两工作辊平行度。
（4）更换轧辊或处理事故时需要的操作。
（5）调整轧辊轴向位置，以保证型钢有槽轧辊的孔型对准，在新型板带轧机和高性能凸度可控轧机中，轴向调整轧辊以获得理想板形。
（一）、压下装置
轧辊的压下装置属于调整装置一种，轧辊压下装置的结构型式分手动压下装置，电动压下装置，和液压压下装置三种。
在本设计中，由于粗轧轧机主要任务是减小厚度，精度要求不高，因此选用成本相对较低的电动压下装置，就可满足生产需求。
在精轧中，轧制速度快，且要控制带钢板型，因此，需选择全液压压下装置。
（二）、平衡装置
轧辊平衡装置的作用：
（1）轧件尚未进入轧机之前，轧辊间没有轧件时消除轧机机构间间隙。
（2）当压下螺丝反转时，帮助提升上轧辊。
（3）在回辊板带轧机上，由于上辊平衡装置作用，避免了工作辊与支承辊间的打滑。
平衡装置类型有弹簧平衡、重锤平衡和液压平衡装置。
在本设计中，轧机的轧辊平衡装置采用液压平衡装置。
（三）、换辊装置
在本设计中四辊轧机工作辊采用横移式快速换辊装置换辊，支撑辊采用液压缸单架更换。
三、预选各轧机电机
粗轧机和精轧机的电机均选用6750KW的电机。
2.3工艺制度的编制
本设计工艺制度的制定包括：
（1）变形制度
主要是确定所采用的轧制方法、轧制道次和到此压下量。
（2）温度制度
包括加热温度制度和冷却温度制度。
（3）速度制度
包括确定咬入速度、抛出速度和稳定轧制速度，加速度，减速度及各段速度所对应时间，间隙时间，总延伸时间。
（4）主要设备之间的距离
主要是轧机之间的距离，及其与加热炉之间的距离
2.3.1变形制度的确定
一、轧制方式和轧制道次
设计采用粗轧和精轧两个阶段轧制，即采用综合轧制法与立辊轧边法相结合，先在粗轧阶段用立辊轧制一道次，然后转90°，进行宽展轧制6道次，使坯料的宽度等于成品的宽度，然后再转90°纵轧9道次成型。
并且立辊在横轧过程中控制板坯的长度，使其在长度方向上保持不变。
在精轧阶段，立辊轧边控制板坯的宽度，直至纵轧成形。
分配压下量，编制压下规程表，采用按经验分配压下量再校核、修正的方法。
取最大压下量为
max等于52mm，轧制道次n＝16。
二、道次压下量
1.限制压下量的因素
在各种轧机上轧制中厚板，为了提高轧机产量，通常总希望以较少的道次轧出成品。
这就需要加大道次压下量，但它受到下列因素的限制，设计中必须全面考虑，合理分配。
1）金属塑性—般以板坯或连铸坯轧制中厚板时，不存在塑性条件限制压下量的问题。
只有在以钢锭为原料或轧制某些特殊钢种时才需考虑塑性的限制。
实践证明，倘若道次压下率允许越过50％，则金属塑性就不是限制压下量的主要因素。
2）咬入条件根据平辊自然咬入条件，只有当α≤β时，金属才能被轧辊咬入建立轧制过程。
因此，每道次压下量
应小于由最大咬入角
所决定的最大压下量，即
式中：
D—轧辊直径；
f—轧辊与轧件的摩擦系数。
平辊热轧板材时，摩擦系数即最大允许咬入角主要与轧制速度、轧辊材质、轧制温度、钢种等因素有关。
根据实验资料，热轧碳钢当t＞700℃及v＜5m/s时，摩擦系数可按下式计算：
钢轧辊f＝1.05-0.0005×t-0.056×v
冷硬铸铁辊f=0.94-0.0005×t-0.056×v
根据经验数据，在不同轧制速度下平辊轧制的最大咬入角如下表
表2-2.不同轧制速度下平辊轧制的最大咬入角
轧制速度/m/s
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.5
最大咬入角/°
25
23
22.5
22
21
17
11
二辊和四辊可逆式中厚板轧机，咬入时可降低轧制速度（即低速咬入），有较好的咬入条件，实际最大咬入角可达22～25°，故在这类轧机上轧制时，咬入条件不是限制压下量的主要因素。
3）轧辊强度在轧制中厚板的多数道次中，轧辊强度经常是限制压下量的主要因素，特别是在三辊劳特轧机及二辊轧机上轧制较宽钢
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