生产车间设计.docx

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生产车间设计

轧钢车间设计

课程教案

井玉安

2005.1.20

教案用纸

内容

重点、要点

1.车间设计总论

摘要：

本章主要讲两个大问题，即车间设计（工艺设计）的主要内容和车间设计的基本程序，通过对这两个问题的掌握使学生对轧钢车间有一个总体认识，为毕业设计打基础。

1.1

车间设计的基本内容

1.1.1轧钢车间设计的基本内容

通常由生产工艺设计、机械设备设计、厂房与基础设计、供水与排水，热力（供气）与电力，通风与照明，运输等设计所组成。

其中车间生产工艺设计是整个轧钢车间设计的总体部分。

主要任务是根据设计任务书，确定生产工艺过程，确定轧机组成，选择所需各种设备，画出车间工艺平面布置图，最后对水、电、动力、热力、通风照明、厂房建筑等设计提出要求。

最后形成文件即车间设计说明书。

1.1.2轧钢车间工艺设计（车间设计说明书）的主要内容

一．总论（前言、综述、概况）（对该产品生产有一全面了解）

1．车间年产量、产品品种规格等

2．原材料、动力、燃料的来源及市场情况

3．本设计与同类企业相比具有的特点

4．目前建设的内容与远景规划

5．车间的劳动组织、建设投资、经济与社会效益

6．遗留问题与解决意见

7．若扩建需说明现状、扩建理由，并提出充分利用现有设备及构筑物挖潜革新的措施

8．其它要说明的问题

注：

对毕业设计综述应从以下几个方面论述、阐述：

1．品名称、品种、规格、用途、生产方法等

2．xxxx产品生产的发展历史（主要指生产方法重要的工艺变革及设备改进等）

3．目前的生产状况、主要指生产该产品目前采用的新工艺、新设备等技术

生产展望，发展方向、对未来的预测（提出那里应改进，应向何方向发展）

深入理解车间工艺设计的步骤及其内容。

二．产品方案与生产方案制定

1．产品方案编制：

选择典型（计算）产品，编制产品方案

2．生产方案选择制定：

选择工艺方案

三．生产工艺流程制定及金属平衡计算

1．根据生产方案，以计算产品为依据列出工艺流程表

2．依据工艺流程计算金属平衡，算出投料量

四．设备选择（初选、精选、确定）

1．主轧机选择、型式、吨位

2．其它设备选择

五．工艺参数计算

工艺规程制定与计算；温度制度；速度制度；张力制度；辊型制度；压力计算；冷却制度

六．设备校核

1．主要设备校核：

轧辊校核；电机校核；机架强度校核等

2．辅助设备校核：

包括加热炉产量校核、剪切机能力校核、矫直机能力校核

七．车间年产量计算

1．轧机工作图表绘制

2．轧机小时产量计算

3．轧机年产量计算

八．车间平面布置

1．金属流程线的确定

2．设备组成及设备间距的确定

3．仓库及辅助设施面积计算

4．厂房设计：

车间跨距、柱距、总长度、轨顶标高及总面积

5．内部运输

6．其它指标：

通风、采暖、电源

7．绘制车间平面布置图

九．各项技术经济指标

包括金属消耗、燃料消耗、电耗、水耗、设备消耗

其它内容：

参考文献

附表附图：

车间平面布置图、孔型图、程序、外文翻译、专题撰写。

1.2车间设计的基本程序

一般经过三个阶段：

初步设计、技术设计、施工设计。

但目前一般按：

可行性研究、初步设计、施工设计进行。

1.2.1可行性研究

是对所提工程项目从各有关方面进行调查和综合论证、为拟建项目提供科学依据、从而保证所建项目能生产出高质低耗产品，以最少投入获得最大利润。

一．可行性研究的主要内容

1．市场销售情况研究：

销售利润——建设规模及生产方案产品方案

2．经济效果研究：

综合考虑分析投资回收率、近期、远期利润、原料政策、投资风险程度等、资金（固定及流动资金）来源、利息、折旧等。

3．工艺技术研究：

工艺技术及设备

4．工程条件研究：

资源储量、原料来源、厂址气象、水文地址、交通运输、水电动力、建筑材料、协作区域、文化生活设施、环保（三废处理）等，进行综合分析比较。

二．其它方面：

劳动力来源、费用、人员培训、建设进度、工厂组织机构体制可行性研究步骤

1．调查研究收集资料：

市场研究、相关企业调研。

——调研报告。

2．对资料进行客观分析、预测、判断、提出方案。

3．方案比选：

几个方案、各述利弊、分析比较、选择最佳方案。

4．编制可行性研究报告：

项目名称；主办单位；主要技术负责人与经济负责人；项目审批文件；承办企业的情况与条件；生产规划；物料供应；厂址选择；技术与设备；建设资金；项目实施与进度；人员培训；经济效益评价等。

1.2.2初步设计（技术设计）

按设计任务书给定的条件，在可行性研究的基础上进行的设计，最后形成设计说明书。

其中初步设计是基础设计，技术设计则更详尽严密。

1.2.3施工设计

是设计的最后阶段，任务是为制造设备、厂房基础、其它构筑物的施工提供依据。

内容包括：

车间的土建设计；设备施工图纸；各项施工文件及说明。

1.3车间设计的依据

车间设计任务书是依据，由有关上级部门下达。

设计任务书的基本内容包括：

1．车间的生产规模、品种

2．生产方案

3．建厂地址，厂区范围，资源利用状况、各种材料供应、运输等

4．要求达到的技术水平，经济及社会效益

5．投资及劳动定员的控制数字。

6．环保要求

重点掌握可行性研究的主要内容

2生产方案与产品方案制定

2.1产品方案的编制

2.1.1产品方案定义

产品方案是指所设计的工厂式车间拟生产的产品名称、品种、规格、状态以及年计划产量。

产品方案一段在设计任务书中加以规定。

产品方案是进行车间设计的主要依据，根据产品方案可以确定生产方案（工艺）及选择设备。

2.1.2编制产品方案依据

主要依据是：

国民经济发展对产品的要求；产品在全国的平衡；建厂地区的资源条件、自然条件、投资等。

2.1.3计算（典型）产品的选择

计算产品定义：

用做进行车间设计依据的产品。

选择依据：

有代表性（产量大、有代表性）；通过所以工序；要与实际相接近，要保留一定的调整余量。

产品方案与计算产品确定后，按产品名称、合金牌号、状态、规格范围、产品等列成表，如表2.1所示。

表2.1某冷连轧厂（车间）产品方案

产品名称

产品规格/mm

产量

/万吨

所占比例/%

厚

宽

长

普通及深冲用低碳钢板

0.2~0.3

600~1500

1000~6000

52.5

52.5

普通及深冲用低碳钢带

0.2~0.3

600~1500

卷

22.5

22.5

镀锌钢板

0.25~0.55

700~1500

1000~6000

13.5

13.5

镀锌钢带

0.25~0.55

700~1500

卷

1.5

1.5

镀锡钢板

0.15~0.55

520~1050

400~1000

9.0

9.0

镀锡钢带

0.15~0.55

520~1050

卷

1.0

1.0

合计

100

100

2.1.4产品标准与技术要求

1．技术要求：

指产品的牌号、规格、表面质量及组织性能等方面的要求。

2．产品标准分为国标（GB）部标（YB）企标（QB），它是根据产品使用上的技术要求和生产部门可能达到的技术水平而制定的。

产品标准一般包括：

规格标准（产品牌号、形状、尺寸、表面质量及相关参数）；性能标准（化学成分、物化性能、机械力学性能、热处理性能、晶粒度、性能及其它特殊性能等）；实验标准（取样部位、试样形状尺寸、试验条件及实验方法）；交货标准（交货验收时的包装、标志、方法及部位等）。

2.2生产方案的选择

2.2.1生产方案定义

是指为完成任务书中规定的产品的生产任务而采取的生产方法。

选择生产方案时，应考虑设计规模、产品质量及技术经济指标的要求。

2.2.2选择生产方案的依据

1．金属与合金的品种、规格、状态及质量要求。

2．年产量大小

3．投资多少、建设速度、机械化的程度及将来发展。

4．经济效果、工艺的成熟条件等。

2.2.3钢材的生产方案

一．板带钢生产：

~0.2薄带箔材，0.2~0.4薄板，4~中厚板

1．中厚板生产：

单机四辊可逆式，双机架（2+4或4+4）可逆式；半连轧连轧

2．热轧薄板带钢：

全连续式，半连续式、3/4连续式2.0~12mm→0.8mm

3．冷轧带钢：

单机可逆、连轧（3机架4机架5机架6机架）0.1~2.0mm

二．型钢生产

1．横列布置普通轧法

2．万能轧法

3．型钢连轧

4．热及冷弯型钢

5．挤压法

三．管材生产

1．热轧法：

自动轧管机、连轧管机、两辊斜轧穿孔、三辊斜轧穿孔、菌式穿孔机、张力减径机、皮格尔轧管、狭舍尔轧管机

2．热挤压

3．焊接：

直缝焊、螺旋焊

4．冷加工：

冷轧冷拔、冷旋压

四．线材生产以下成卷交货一般断面为圆形

1．横列式（二辊轧机）

2．半连续式（三辊轧机）

3．连续式（二辊+45°无钮式或二辊+Y型无钮）（单线或三线）

2.3轧钢生产中的先进生产工艺

1．连铸连轧紧凑式机组

2．以热代冷

3．低温大压下控轧超强控冷（轧机电位大、冷床超强冷却）

4．柔性轧制技术

5．连铸型管坯

6．热送热装直轧

重点理解：

产品方案、生产方案的定义、制定的方法、目的。

重点理解：

型、板、管、

线材的生产中最佳方案。

3生产工艺流程制定及金属平衡计算

3.1工艺流程制定

一．热轧板带

连铸坯→清理→（补偿）加热→轧制→冷却→精整→检查验收→入库

轧制分粗轧和精轧，冷却为层流冷却，精整主要包括矫直、横切、纵切。

二．冷轧板带

热轧卷→柱矫→酸洗→切边→轧制→卷取→退火（退火分光亮退火和黑退火）→平整→精整（矫直、纵切分条横切）→检查包装→入库

三．热轧型钢

方坯（型坯）→清理→（补偿）加热→轧制→剪锯切→冷却→矫直

四．无缝管材

圆坯→穿孔→轧制→均整→张力减径→冷却→精整（矫直、切头尾、检查、车丝）→包装→入库

五．线材

方坯→加热→轧制（粗中、预精、精轧）→冷却（水冷、风冷）→集卷→打捆→检查→入库

3.2金属平衡计算

是指生产车间在一定时期内（通常为一年）生产产品的收支情况，即投入与产出情况。

编制金属平衡表目的是确定出为完成年计划产量所需的投料量。

主要工作是计算产品的成材率、然后编制金属平衡表。

3.2.1计算成品（材）率（金属消耗系数）

1．成材率定义：

指成品重量与投料之比的百分数，亦即一吨原料能够生产出的合格产品重量的百分数。

用公式表示为

A=

100%3.1

式中、A─成材率%

Q─投料量

W─损失料量

成品率的倒数就是金属消耗系数。

成品率是车间生产中的一项重要指标、它的高低反映了生产管理和工艺技术设备等各方面的水平，直接影响企业的生产成本。

因此产前必须对其进行正确估算。

3.2.2影响成品率的主要因素

凡是造成废品的生产及销售因素都是影响成品率的因素。

（1）烧损：

氧化烧损1~5%一般表面积愈大、加热时间越长、温度越高、气氛氧化性越强则烧损越大。

（2）溶损：

在酸、碱或化学处理等过程中的损失。

0.1~1.0%

（3）几何损失：

切头、切尾、切边残屑消理（车皮、锯切、铲）1~10%

（4）工艺损失：

技术损失、各工序由于设备、工具、技术操作及表面介质等问题造成的质量不合要求的产品。

如诈漏、轧断、轧卡、卡钢、超差、浪形、轧扭、腰薄、耳子、性能不合格等。

由于成品率直接影响生产成本，因此实际生产中应尽可能采取措施提高成材率，主要应从工艺、设备、原料、管理（操作）四个方面入手。

3.2.3编制金属平衡表

将钢种、各项消耗指标、年产量、成材率、需坯量列在以下表格中，即为金属平衡表。

表3.1冷轧薄板钢金属平衡表

序号

钢种

坯料

规格

/mm

消耗/%

年产量

/万吨

成品率

/%

需坯量

/万吨

溶损

烧损

切损

工艺损失

t

%

t

%

t

%

t

%

1

2

3

4

∶

∶

重点理解

金属平衡的制定方法及意义、影响成品率的主要因素

4设备选择

主要内容是确定出车间设备的种类、型式、结构、规格、数量及能力。

包括主要设备和辅助设备。

对主要设备应在预选基础上进行必要的设备负荷计算。

对重要部件进行强度校核。

对辅助设备可依经验选取不进行验算。

设备选择一般原则是：

Ø要满足产品方案的要求，保证高质量的产品。

Ø要满足生产方案及生产工艺流程的要求。

Ø要注意设备的先进性和经济性的合理性（性价比）

4.1主要设备的选择

不同的产品应采用不同形式的轧机，轧机的结构、数目、配置、吨位直接影响产品的产量、质量，因此选择轧机时应以生产方案和产品方案为依据进行反复推敲。

4.1.1轧机结构形式

1．二辊轧机：

可逆及不可逆两种。

管线都用。

2．三辊轧机：

等径及不等径之分。

板、型、线用。

3．四辊轧机：

可逆及不可逆两种。

优点多，主要用于板带轧制。

变种：

HC、CVC、PC

4．其它轧机：

多辊轧机、万能轧机、行星轧机、斜辊轧机、特殊轧机

4.1.2轧机数目确定

一般规律是：

1．热轧板带：

半连轧为2架粗轧+7架精轧；3/4连轧为4架粗轧+7架精轧；全连轧为6架粗轧+7架精轧。

2．冷轧带钢：

1架粗轧+4架~6架精轧。

3．型钢：

与机架的布置形式关系较大。

对顺列式和连续式布置的轧机，机架数不少于其轧制道次数N=lgμz/lgμp；对横列式轧机而言，主要应参照同类企业经验值确定，计算做为参考。

4．线材：

一般为6架粗轧、7架中轧、预精轧2架、精轧10~15架，粗中轧每架可轧2~3道次，精轧轧1道次。

4.1.3轧机的布置形式

各类轧机的布置种类繁杂、但基本形式有以下5种：

1．单机架轧机：

一般均为可逆轧制。

比较适用于大型钢材轧制或生产相对比较较落后的企业，其布置示意图如下图所示。

2．横列式轧机：

一般由2~3架轧机横向排列，整个车间由2~4排、4~12架轧机组成。

轧件在其中穿梭轧制或使用活套及围盘轧制，主要用于型线材生产。

重点了解如何选择设备、如何布置设备

3．纵（顺）列式轧机：

每架只轧一道、轧件越轧越长，轧速越轧越高。

生产效率高，但厂房长、投资大。

适于大断面成品钢材的轧制。

4．半连续式轧机：

前半部分有可逆道次、后半部分连续。

结构紧凑、生产效率和投资比例适中，一般用于冷热板带的生产。

5．连续式轧机：

每架只轧一道同时轧件在各架轧机上同时过钢，保持秒流量相等的原则。

自动化、机械化程度高，生产效率高，用于冷热板带及线材生产。

4.1.4轧机主要参数

1．轧辊：

主要参数是辊身直径及辊身长度。

选择辊身直径时主要考虑抗弯强度和容许挠度、最小可轧度，同时要满足咬入条件要求。

辊身长度一般与所轧板材宽度及辊身上所布孔型数目有关。

根据经验一般：

Dmax=（1500~2000）hmin（带张力轧制时）

Dmax=1000hmin（无张力轧制时）

或D=KH

式中H—原料坯厚度

K—系数

L=Bmax+a

式中a—辊身长度余量

Bmax＜400时a=50~100

Bmax=400~1200时a=200~400

Bmax＞1200时a=200~400热轧取上限，冷轧取下限；

对型钢轧机辊身长度应为所配孔型数总宽度加辊扁宽。

至于管材穿孔机及均整机的辊身长度除考虑强度外，还要考虑管坯的咬入条件及成管后的表面质量。

L与D确定后，还应考虑L/D的比值，L/D大则轧机弹跳大、所轧产品精度差。

2．机架主柱断面积

3．主电机功率（后面电机校核一章讲）

4.2辅助设备选择

轧钢车间主要的辅助设备有：

加热设备；切断设备；冷却设备；矫直设备；卷取设备；起重运输设备。

4.2.1加热设备选择

1．种类：

用于坯料加热的炉子，将钢坯温度加热到开轧温度。

主要均热炉和加热炉，均热炉主要用于坯料的温均热、加热炉用于升温。

2．炉型：

轧钢用加热炉主要有：

推钢式加热炉主要用于板坯、方坯加热；步进式加热炉主要用于板坯、方坯、管坯加热；环形加热炉主要用于圆坯和管坯加热。

3．产量：

按时间计算：

Q=LnG/bT吨/小时

按生产率算：

Q=PF/1000吨/小时

4．炉子尺寸：

由钢料长度确定宽度、由产量及推钢比等确定长度

B=L+2C单排料

B=2L+3C双排料C≈0.15~0.3m

4.2.2切断设备

1．锯机：

有冷锯和热锯之分。

用于型钢和管钢的锯切。

一般布置在成品轧机之后冷床之前的作业线上。

型式大都是滑座式锯和四连杆式锯，锯片有钢片和无齿片两种。

2．剪切机：

平刃剪、斜刃剪、飞剪、圆盘剪、滚切组合剪等。

一般剪切薄板带钢边缘和分条用圆盘剪、其它用于定尺切头尾之用。

3．火焰切割、等离子切割、线切割、激光切割等。

4.2.3矫直设备

将钢材矫直。

按结构特点分：

压力矫直机、拉伸（张力）矫直机、平整机、拉伸弯曲矫直机、斜辊矫直机、型钢矫直机等。

1．拉伸弯曲矫直机：

用于矫直板带钢、其主要参数是辊径、辊距、辊数

2．斜辊矫直机：

矫直辊轴线在空间上交叉布置。

辊型是双曲线形，主要参数是曲线凹度、辊径、辊距、辊数。

3．型钢矫直机：

矫直型钢，有闭口式和悬臂式两种，其孔型形状类似于型钢轧机的孔型，一般为装配组合孔型，通过辊圆的调整来矫直不同类别的钢材。

5工艺参数计算

主要是工艺规程制定与计算。

同时，计算轧制速度、变形速率、制定轧制温度、计算轧制压力、张力，确定轧辊辊型、孔型，制定冷却工艺（开冷、终冷温度、冷却速度等），最后给出这些工艺参数的表格。

6设备矫核

6.1轧辊校核

6.1.1轧辊咬入能力校核

COSa=

tga﹤f实现自然咬入

6.1.2轧辊强度校核

辊身校核弯曲强度；辊径校核弯曲加扭转；辊头校核扭转强度；另外四辊轧机在选用轧辊材质时要校核工作辊辊面的挤压应力；

6.2电机能力校核

6.2.1传动力矩的组成

要确定主电机功率、必须首先确定传动轧辊的力矩。

在轧制过程中，在主电机轴上，传动轧辊所需力矩由以下几个部分构成：

M=Mz/i+Mm+Mr+Md

式中：

Mz—轧制力矩使轧件产生塑性变形

i—轧辊与主电机间的传动比

Mm—附加摩擦力矩、作用于轴承、传动机构等位置

Mr—空转力矩。

克服空转时的摩擦力距

Md—动力距，克服加速、起动等时刻的惯性力矩

1．轧制力矩的计算

按轧件对轧辊的作用力、轧制力矩

Mz=2P·a

式中：

a—力臂a=ψLj

ψ—力臂系数，冷轧板带时0.33~0.42，热轧板带时0.42~0.50

Lj—接触弧长度

按能耗曲线确定轧制力矩时需要一些经验数据，一般对于型钢和管钢为吨位产品能耗占总延伸系数的关系图，如图6.1所示。

根据能耗曲线，第n+1道次的单位能耗为（an+1-an）kwh，若轧件重量为G吨，则该道次总能耗为A=（an+1-an）G

再按轧制所耗功A与轧制力矩关系Mz=A/ωt=AR/vt算出Mz即可。

式中ω—角速度/弧度

t—时间/s

v—轧辊圆周速度/m/s

R—半径/m

注意：

用能耗法算出的中为轧制力矩和摩擦力矩之和。

2．附加摩擦力矩

轧制过程中克服轴承、传动机构中的摩擦力所需力矩。

故有两部分组成

Mm=Mm1+Mm2

Mm1=P/2×f1×d1×4=P×d1×f1为轴承中的附加摩擦矩

P—轧制力

f1—轴承摩擦系数滑动轴承f1=0.05~0.1

滚动轴承f1=0.003~0.01

液体摩擦轴承f1=0.003~0.004

Mm2=（1/η1-1）（Mz+Mm1）/i为换算到主电机轴上的摩擦力矩

η1—传动机构（减速机、齿轮机座）的效率

齿轮：

η1=0.96~0.98

皮带：

η1=0.85~0.90

最后Mm=Mm1/i+Mm2

3．空转力矩：

是空载转动轧机主机列所需力矩。

空转时轧辊、接轴、齿轮、飞轮等到主电机的传动比不同，因轴颈半径各不相同，因此，应分别计算后再加合。

即MK=

∑MKn=∑（Gn×Fn×dn）/2in

通常按经验定：

MK=（0.03~0.06）MH

MK—电动机的额定转矩

4．动力距：

起动及加减速度时的惯性力矩。

Md=GD2/375×dn/dt

式中G—转动部分重量

D—转动部分惯性直径

dn/dt—角加速度

6.2.2静负荷图

要校核和选择主电机，除知其负荷值外，还需知轧机负荷随时间的变化图，力矩随时间变化的图称为静负荷图。

静力矩为：

M=Mz/i+Mm+Mr

轧制时间按：

tn=Ln/vnLn—轧后轧件长度

间隙时间按间隙动作所需时间或经验现场数据定。

静负荷图的画法如图6.2所示。

图6.2各类轧钢机的静负荷图

6.2.3负荷图的画法（动静负荷图合成）

6.2.4主电机功率计算

当主电机的传动负荷图确定后，才能对电动机的功率进行计算。

此工作由两部分组成：

一是由负荷图算出“等效力矩”，它不能超过电机的额定力矩，二是负荷图中的最大力矩不能超过电动机的允许过载负荷和持续时间。

若为新选电机，则应依据等效力矩和所要求的转速选择电机。

1．等效力矩计算

轧机工作时电机负荷是间断式的不均匀负荷，而电动机的额定力矩是指电动机在一定负荷下长期工作时其温升在允许的范围内的力矩。

因此，校核电机时首先应计算出等效力矩：

Mjum=

∑tn—轧制时间内各段纯轧时间/s

∑t`n—轧制时间内各段间隙时间/s

Mn—纯轧时间所对应的力矩/N.m

M`n—间隙时间对应的空转力矩/N.m

2．电机校核

校核电动机温升条件学：

Mjum﹤MH

校核电动机过载条件学：

Mmax≤KG×MH

KG—电动机的过载系数直流2.0~2.5

交流2.5~3.0

电动机达到最大KG×MH时，允许持续时间为15s，否则电机将升温。

3．电动机功率的计算

对新电机，需要根据等效力距计算电动机的功率。

即：

N=（1.03Mjum×n/η）kw

n—电机转数、r/min

η—电动机到轧机的传动功率。

重点理解

轧辊强度校核方法

难点是电机能力校核，包括电机力矩计算和校核

7车间年产量计算

7.1轧机工作图表

轧制过程安排的合理与否，直接影响到轧机产量和轧制质量，从而影响到生产企业的各个方面。

表示轧制过程中轧制道次和时间关系的图表即为轧制图表。

轧制图表是分析和研究轧制过程的工具，通过对轧机工作图表的分析，可清楚看出轧件在轧制过程中的轧制时间，各道次的间隙时间，轧制总的延续时间，轧制过程中的交叉轧制情况，轧件在任意某一时刻所处的位置等，从而分析轧钢机的工作情况，找出工序间的薄弱环节便于改进，使轧制过程趋于合理，准确计算各种时间从而计算轧机产量，挖掘轧机潜力，计算轧制中的轧制压力和电机的负荷，合理安排工艺。

7.1.1基本概念

1）纯轧时间：

轧件在轧辊缝中产生塑性变形的时间。

2）间隙时间：

道次间隙时间和上下两