年产50万吨高速线材车间及工艺设计

江西理工大学2011届本科生毕业论文目录第1章 绪论 11.1车间的一般概述 11.1.1车间设计的目的与任务 11.1.2车间设计的依据 11.1.3设计工作的原则 11.2可行性研究 21.2.1背景 21.2.2中国线材行业生产的现状 21.2.3设计任务 41.3厂址选择 41.3.1区域优势 41.3.2交通优势 41.3.3成本优势 51.3.4政策优势 5第2章产品与计算产品的确定 62.1产品方案的确定 62.2计算产品的选择 62.3计算产品的技术 7第3章生产工艺流程的制订 93.1制订生产工艺流程 93.1.1制订生产工艺流程的依据 93.1.2工艺流程简介 9第4章设备选择 114.1主要设备 114.1.1加热炉 114.1.2轧机 124.3控制冷却线 144.3.1水冷装置 144.3.2剪切装置 144.3.3吐丝机 144.3.4斯太尔摩冷却系统 144.3.5盘卷收集和处理系统 15第5章工艺计算 155.1坯料选择 165.2坯料加热制度确定 165.2.1加热温度确定 165.2.2加热速度的确定 175.2.3加热时间的确定 175.3计算产品的孔型设计 185.3.1孔型设计的基本原则 185.3.2选择孔型系统 185.4延伸系数校核 235.5填充系数的校核 235.6轧制速度的确定 245.7轧制力的计算 255.8主电机传动轧辊所需力矩及功率 275.8.1传动力矩的组成 275.8.2轧制力矩的确定 275.8.3附加摩擦力矩的确定 285.8.4空转力矩的确定 285.9编制生产工艺流程定额卡 295.10编制金属平衡表 305.10.1烧损 305.10.2几何损失 305.10.3工艺损失 30第6章轧辊及电机校核 316.1轧辊强度校核 316.2辊身强度的校核 316.3辊颈强度校核 326.4棍头校核 326.5电机校核 336.6等效力矩的计算 336.7电机的过热过载校核 34第7章设备负荷计算 347.1工作制度和年工作台时的决定 347.1.1工作制度 347.1.2设备工作台时的确定 357.2设备负荷能力计算 357.2.1设备小时生产定额 357.2.2年产量计算 357.2.3设备完成年计划产量所需台时 367.2.4设备完成年计划产量所需台数 367.2.5设备负荷率的计算 367.3轧钢机工作图表 377.3.1轧制节奏 377.3.2纯轧时间 377.3.3间隙时间 377.3.4轧制总延续时间 37第8章车间平面布置 388.1车间平面布置的原则 388.2车间整体平面设计内容 398.3金属流程线的确定 398.3.1设备间距的确定 398.3.2车间内仓库设施的布置 398.4车间厂房参数 40第9章车间劳动组织与技术经济指标 409.1车间劳动组织 409.1.1劳动定额 409.1.2车间劳动定员 409.2投资概算 429.2.1资金来源及投资预算 429.2.2产品成本预算 439.3投资回收期估算 449.4经济技术指标 45第10章安全技术及环保 4610.1安全技术 4610.2环境保护 46参考文献 47致谢 1第1章 绪论1.1车间设计的一般概述随着全球经济形势的持续回暖，全球经济逐步走出低谷，钢铁产品产能和需求都恢复增长态势。其主要市场空间不仅来自发达国家，还来自于发展中国家的强劲需求。1.1.1车间设计的目的与任务车间设计的目的就是为了建设新的企业，扩建或改建老企业。设计的任务是对需要建设得企业做出技术和经济得详细规划，确定出企业的生产经济状况，技术经济指标及施工的组织方法等。1.1.2车间设计的依据在进行车间设计之前，应从技术经济部分取得设计任务，而设计任务是有关部门根据国家计划经过充分讨论订出指定的基本内容：（1)车间的生产规模，生产品种；（2)车间的生产方案；（3)建厂地址，厂区范围和资源情况，水文地质，原材料、燃料、动力，供水以及供电等供应情况，还有运输情况等；（4)要求达到的经济效益和技术水平；（5)投资以及劳动定员的控制数字；（6)环保情况。设计任务书是进行车间设计的依据。1.1.3设计工作的原则设计工作原则有：（1）遵守国家的法律，法规，贯彻执行国家的经济建设方针与改革，提高经济效益与社会效益，为社会主义现代化服务；（2)从全局出发，服从国家或地区对产品的需要；（3)从实际出发，服从国家或地区对产品的确定设计标准，对生产工艺，主要设备和主工程设计要做到先进，合理，可靠。对非生产性的建设，应坚持适用，经济，在可能的条件下注意主观；（4)注意综合利用与环境保护，造福人民；（5)节约能源；（6）合理使用劳动力；（7）节约建厂用地，应尽量利用荒地，劣地，少占耕地。总平面图的布置凑合理；（8）立足于自力更生。1.2可行性研究1.2.1背景目前,我国钢铁行业区域布局存在不合理现象,钢铁工业“北重南轻”的布局长期未能改善,环渤海地区钢铁产能近4亿吨,50%以上产品外销,从而增加了运输成本,造成整个行业物流的成本非常高。2012年2月，国务院批复同意了《西部大开发“十二五”规划》这是国务院批复的第三个西部大开发五年规划。此次规划首次提到产业布局要考虑“物流配套能力”。由于,钢材具有典型的销售半径,产品一般只能覆盖300~500公里的需求。假如布局不合理,产品远途倒运必然增大物流成本。今年以来，西部地区，特别是四川、新疆等地螺纹钢价格明显高于上海地区300-400元/吨。随着《西部大开发“十二五”规划》的正式批复，西部地区将迎来基础建设高潮，也必将带动大量钢材需求。1.2.2中国线材行业生产的现状1. 工装现状高速线材轧机诞生的40多年来，随着科学技术的不断进步，高速线材行业的工艺、技术、装备的发展日新月异，轧机装备水平迅速提高，轧制速度由最初的50米/秒提升至120米/秒。表1.1是摩根轧机装备的发展情况。表1-1摩根第Ⅰ代至第Ⅵ代线材精轧机的轧制速度 代次 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 保证轧制速度，m/s 43 50 61 75 80 最大辊径时的轧制速度，m/s 50 60 75 90 100 电机最大速度时的轧制速度，m/s 60 72 90 112 120目前中国约有140条线材生产线，60个高速线材生产厂共77条高速线材生产线在生产，高速比约为50%。表1.2是中国高速线材设备状况。表1.2中国高速线材设备状况 设备来源 数量 设备投产 数量 引进新设备 32 20世纪80年代 20 引进二手设备 17 20世纪90年代 36 自制设备 28 21世纪 21中国目前正在生产的77条高速线材生产线的装备水平大致分为四个等级：（1） 具有世界领先水平的生产线。这类生产线主要特点是：单线轧制，盘重大，可进行热机轧制，轧制保证速度达120米/秒，采用超重型精轧机组和减定径机组，尺寸精度控制在±0.10毫米以内，全线控轧控冷。（2） 具有世界二流水平的生产线。这类生产线主要特点是：单线轧制，盘重较大，轧制速度可达到90米/秒以上，尺寸精度可以控制在±0.15毫米以内，采用延迟型风冷线，能实现控温轧制。（3） 一般水平的生产线。这类生产线的主要特点是：多线轧制，盘重较小，轧制速度一般在70米/秒以上，尺寸精度可以满足B级要求，采用了延迟型或标准型风冷段。（4） 较落后的生产线。这类生产线是对原有的复二重横列式轧机改造而成，或是20世纪80年代末至90年代初建成，由于当时的起点和市场定位就不高，所以装备水平和技术水平都低。其主要特点是：盘重很小（不超过1吨），轧制速度一般在70米/秒以下，尺寸精度控制水平很低。这类生产线目前约占1/6左右，随着产品结构调整步伐的加快和市场竞争压力的增大，以及装备精良的新生产线在近几年将不断地投人使用，这类落后的生产线退出舞台将是必然的。2. 产量现状中国是世界上线材产量最多的国家。2004年世界线材产量为11461万吨，中国产量占世界产量的43.2%。3. 产品结构现状中国线材在产量上是世界第一大国，也具有世界最先进的工装设备，但是品种结构上还不能与线材轧机设备相匹配，仍以一般碳结构钢为主。以2003年为例，一般碳结构钢盘条占总量的81.02%。中国的出口线材逐年增加，已经大于进口量，出口量超过100万吨，但在出口的品种中98.19%为普碳钢盘条。然而进口线材中不锈钢、合金钢、易切削钢盘条占约30%的比例，对于专用深加工产品80%以上需要进口，如帘线钢2004年进口量为81.7%，国内自产部分也仅仅是低级别帘线钢。中国出口线材品种的质量及价格也要远低于进口线材产品。平均计算，出口产品比进口产品的吨钢价格低将近200美元。以钢帘线用盘条为例，目前中国能够批量生产的只有宝钢、武钢、青钢、鞍钢和沙钢，产品质量与日本、欧洲同类产品有相当大的差距，日本新日铁生产产品售价平均高达8400元/吨，而国内售价在6000至7000元/吨。经过近10年的发展，中国线材的深加工比在25%至30%，大大低于发达国家50%至70%的水平。4. 产品质量现状中国虽然是线材产量大国，但部分专用产品质量还达不到国际标准。例如帘线钢，国内仅能生产得到贝卡尔特G09D认证的产品，而基本不能生产达到高级别帘线钢V00D技术条件的产品。目前世界众多线材生产大企业中，产品质量较好的属日本神户和德国撒斯特，其次有日本新日铁和住友及韩国浦项等。很多线材厂家不能生产高利润专用产品，主要原因在于不能保证产品的质量。5. 市场现状随着中国国民经济恢复到平稳发展阶段，线材行业也在迅速发展，目前，除个别品种外（钢帘线用钢、汽车弹簧钢、高级冷镦钢、超低碳钢等），基本都能满足用户需求，自给率不断上升。但中国线材市场仍存在问题，2005年中国线材产能可以达到6500万吨，而国内需求仅为4300余万吨，在此情况下，自给率也仅仅可达到93%左右，一些专用材仍需要进口。中国线材生产技术及装备进步很快，从工装状况和产量上来看，已属于线材大国，但在管理、生产技术方面与世界一流水平还有差距，不能称为强国。因此在我国新建高速线材车间是很有必要且可行的。1.2.3设计任务车间设计的目的是为了建设新的企业、扩建或是改建老企业。企业在建设中能否加快速度、保证质量和节约投资，在建成后能否达到最好的经济效果，设计工作是起决定性作用的。本次设计欲通过对国内外形势的调研，以国内某钢厂为背景，结合国内外先进的技术以及实际情况。设计年产量50万吨的高速线材车间，采用全线连续无扭轧制，主要生产碳素结构钢、弹簧钢、钢帘线、预应力钢丝钢绞线、冷镦钢和焊条钢等制品用线材，规格为Φ5.5～Φ20mm。1.3厂址选择厂址定于重庆市长寿宴家工业园区。1.3.1区域优势长寿区是重庆市地区性中心城市，地处重庆腹心地带，是重庆“一小时经济圈”的重要组成部分；位于三峡库区与沿江经济带的交汇处，是重庆主城区通往华东、华中、湘西地区的必经之路，水陆交通枢纽。是重庆经济社会资源向三峡库区辐射的重要中继站。1.3.2交通优势长寿是区域性交通枢纽，公路、铁路、航空、水路运输发达。晏家工业园区毗邻长江黄金水道，是重庆主城区通往三峡库区的水陆交通枢纽，也是通往华中、华东地区的必经之路，具有明显的区位和水陆交通优势，是少有的具备水路、公路、铁路、航空近距离联运的工业园区。既能参与主城产业分工协作和承接主城区“退二进三”的梯度转移，融入重庆主城共同发展；又能影响和带动三峡库区产业发展，辐射湖南、湖北、贵州、四川等省。　　1、公路网络发达。上海经重庆至成都、福州经重庆至成都两条高速公路在园区交汇。园区江南钢城可通过南岸—涪陵高等级公路和即将开建的沿江高速公路直达重庆城市二环，连同邻水—南川高速公路构成交通主骨架。　　2、铁路运输便捷。建成的渝怀铁路和建设中的渝怀铁路复线、渝利铁路、渝万城际铁路从长寿境内穿过。渝怀铁路在长寿晏家建有长寿客货火车站，在长寿江南建有渝怀铁路王家坝货运编组站。渝利铁路建成后可实现4小时通达武汉，8小时通达上海；渝万城际铁路建成后每天开行114对，时速达300公里，可以实现从重庆主城12分钟到长寿区。　　3、水运港口优势突出。重庆主城长寿港区分为长江以南和长江以北两部分，共37个泊位，总通过能力将超过1亿吨，万吨级船队可常年通航，可直抵武汉、南京、苏州、上海等地，并通过江海联运通达世界各地，水运交通相当便利。4、航空运输快速高效。晏家工业园区距重庆江北国际机场仅50公里，经渝长高速公路可直达机场，具有便捷的航空运输优势。江北国际机场正在成为国际商业门户枢纽机场，为园区的物流提供了良好的航空运输条件。1.3.3成本优势　　由于长寿特殊的区位条件，晏家工业园区入驻企业的土地成本、基建成本、规费成本都大大低于东部沿海地区和重庆市主城区。劳动力成本至少比重庆主城地区低30%，比沿海地区低60%。1.3.4政策优势　　重庆市是西部惟一的直辖市和国家重点关注的库区，因此晏家工业园区集中了许多优惠政策，可以享受直辖市、西部大开发、三峡库区、特色工业园区的多项优惠政策，形成了“政策洼地”效应。一是重庆直辖后国家给予了一系列优惠政策，以及由此带来的直辖效应。二是解决库区产业空虚，确保移民稳得住、逐步能致富的问题得到国家的高度重视，国家设立三峡库区产业发展基金等一系列优惠政策为库区产业发展带来新的机遇。同时，重庆还具有西部大开发政策，老工业基地振兴政策等。第2章产品方案与计算产品的确定2.1产品方案的确定产品方案是指所设计的工厂或车间拟生产的产品名称、品种、规格、状态及年计划产量。产品方案是进行车间设计的主要依据，根据产品方案可以选择设备和确定生产工艺。编制产品方案应考虑以下原则：1)满足国民经济发展的要求；2)产品的平衡；考虑全国各地生产的布局和配套加以平衡；3)建厂地区的条件，生产资源、自然条件、投资等的可能性。进行产品方案编制时要以上述三点为依据，全面考虑，三者不可偏废。产品方案是进行车间设计的主要依据，因为产品方案不但规定了车间的类型，同时也规定了车间生产品种的方向。根据产品方案可以选择设备和确定生产工艺。根据以上原则，可以确定生产方案为：表2-1生产方案 序号 产品分类 代表钢号 产量万吨 比例% 1 碳结钢 40# 13.4 26.8 2 冷镦钢 SCr440 13.5 27 3 弹簧钢 65Mn 15 30 4 焊条钢 YGW12 1.6 3.2 5 软线钢 SWRM12 1.0 2 6 帘线钢 B72LX 5.5 11 合计 50 1002.2计算产品的选择车间生产的产品品种、规格及状态组合起来可能有数十种、数百种以上。但是在设计中不可能对每种合金的每一个产品的每一个品种、规格及状态都进行详细的工艺计算。为了减少设计工作量，加快进度，同时又不影响整个设计质量，可以将各类产品进行分组，从中选取典型产品作为计算产品。计算产品选择的原则:1）有代表性这些计算产品从全车间总体来说，在合金、品种、规格、产量和工艺特点等方面有代表性。2）通过所有的程序所选的所有计算产品要通过各工序，但不是每一种计算产品都通过各工序，而是对所有计算产品综合来看的。3）所选的计算产品要与实际相接近4）计算产品要留一定的调整余量根据以上原则,计算产品确定如表2-2。 名称 牌号（mm） 钢种 年产量(万吨) 标准 圆钢 Φ9 40 5.4 GB/T699-1999 圆钢 Φ11 65Mn 15 GB/T1222-20072.3计算产品的技术标准在制定工艺流程时，不论用哪种加工方式和选用什么工序，都必须保证产品达到相应的技术要求，产品才能具有较高的使用价值。因此，产品的技术要求是制定工艺流程的首要依据，是组织生产的基本文件。根据ZBH44002-88和GB/T3429-94规定，计算产品的几何形状与尺寸精确度，钢的化学成分与性能以及表面质量如下：1.化学成分标准表2-3： 牌号 化学成分% 不大于% C Si Mn P S Cr Ni Cu 40 0.37～0.45 0.17～0.37 0.50～0.80 ≤0.035 ≤0.035 ≤0.25 ≤0.25 ≤0.25 65Mn 0.62~0.70 0.17~0.37 0.90~1.20 ≤0.035 ≤0.035 ≤0.25 ≤0.30 ≤0.252.力学性能标准表2-4： 牌号 抗拉强度 伸长率 断面收缩率 40 ≥570 ≥19 ≥45 65Mn 820~925 14~22.5 ≤103.表面质量盘条的表面不得有肉眼可见的裂纹、结疤、折叠及夹杂。允许以实际尺寸算起不超过尺寸公差之半的个别细小划痕、压痕、麻点及深度不超过0.2mm的小裂纹存在。4.直径允许偏差直径允许偏差为0.25mm。5.脱碳层深度允许脱碳深度为2.00%。6.不圆度偏差不圆度不大于公差直径的50%。第3章生产工艺流程的制订3.1制订生产工艺流程合理的生产工艺流程应该是在满足产品技术条件的前提下，要尽可能低的消耗，最少的设备、最小的车间面积、最低的产品成本，并且根据车间具体的技术经济条件确定车间机械化和自动化程度，以利于产品质量和产量的不断提高和使工人具有较好的劳动条件。3.1.1制订生产工艺流程的依据·根据生产方案的要求：由于产品的产量、品种、规格及质量的不同，所采用的生产方案就不同，那么主要工序就有很大的差别。因此生产方案是编制生产工艺流程的依据；·根据产品的质量要求：为了满足产品技术条件，就要有相应的工序给予保证，因此，满足产品标准的要求是设计生产工艺流程的基础。·根据车间生产率的要求：由于车间的生产规模不同，所要求的工艺过程复杂程度也不同。在生产同一产品情况下，生产规模越大的车间，其工艺流程也越复杂。因此，设计时生产率的要求是设计工艺流程的出发点。3.1.2工艺流程简介钢坯的准备：连铸坯150×150×16000装炉加热：将钢坯加热到奥氏体温度，以利于轧制。高压水除鳞：坯料在加热炉加热之后，进入粗轧机组之前，需高压水除鳞，破除坯料表面的氧化铁皮和次生氧化铁皮，以免压下表面产生缺陷。粗、中、精轧机组轧制：使轧件轧成成品的尺寸，其中，粗轧机组5架，中轧机组4架，预精轧机组4架，精轧机组10架，这条生产线上共有23架轧机。飞剪切头尾：轧件进入每组轧机之前都要进行切头尾工作，目的是为了除去温度过低的头部以免损伤辊面，并防止轧件头部卡在机架间导卫装置中，卡断剪用于中轧机组、预精轧机组和精轧机组前，在事故状态下碎断轧件。穿水冷却：为了降低进入精轧机组的轧件温度，在精轧机组之前设置水箱，以控制终轧温度。吐丝成卷：轧出的线材在穿水冷却后，通过吐丝成卷形成散卷。斯太尔摩散卷冷却：控冷线按不同的钢种和产品用途，控制其冷却速度，以得到相应的成品质量。精整与运输：包括集卷、修整、检查、取样、捆轧、称重挂标牌，用集卷装置收集散卷，并将其挂到P-S运输线上的C形钩上，依次完成集卷、修整、检查、取样、捆轧、称重挂标牌等工序，之后卸卷入库。连铸坯上料运送坯料称重加热连铸坯热装运送缓冲储存高压水除磷预精轧机轧制飞剪切头（尾）中轧机轧制粗轧机轧制飞剪切头（尾）水冷箱冷却飞剪切头（尾）无扭精轧机轧制在线测径水冷箱控制冷却P&F线钩式运输机运输及冷却运卷小车卸卷、挂钩集卷机集卷夹送辊吐丝机头尾精整人工表面、尺寸质量检查取样盘卷称重压紧打捆斯太尔摩运输机冷却发货入库挂标签卸卷高速线材车间工艺流程框第4章设备选择设备选择的内容是确定出车间设备的种类、型式、结构、规格、数量及能力。金属压力加工车间的生产设备可分为：主要设备与辅助设备，对主要设备、应在预选的基础上进行必要的设备负荷计算，以及零部件强度校核计算。对于辅助设备，一般不进行验算，可在主要设备确定后，再确定与之配套的辅助设备。设备选择一般考虑如下原则：1、要满足产品方案的要求，保证获得高质量的产品。2、要满足生产方案及生产工艺流程的要求。每种生产方案都要求与之相适应的主要设备以及相应的辅助设备，生产工艺流程中的每一个工序必须按该工序的工艺要求选择设备。3、要注意设备的先进性与经济上的合理性。在可能条件下，尽可能选用机械化、自动化程度化程度高的先进设备，以利于提高生产效率和设备利用系数，一般为70～80%。此外，还要注意选择标准设备，力求投资少，而有较好的技术经济指标。4、要考虑设备之间的合理配置与平衡工艺设计者要注意主要设备之间以及主要设备与辅助设备之间的合理配置与平衡。4.1主要设备4.1.1加热炉（1）炉型选择目前国内钢厂多使用步进式加热炉，步进式加热炉与推钢式加热炉相比较，有加热能力增加、擦伤减少和容易维修等优点。而且炉子的预热段、加热段、均热段分得很清楚，在加热段升温到所规定的温度，均热段为消除锭坯内外温度而进行均热，所以本设计选用侧进侧出步进梁式连续加热炉。本高线车间坯料规格为150×150。（2）炉子尺寸的确定1.炉子的宽度主要根据坯料长度确定，如下：（4-1）式中：l—坯料的最大长度，mm；n—坯料排列数；—钢坯和炉墙以及钢坯和钢坯之间的间隔，一般取0.15~0.3m已知l=16000mm=16.0m，取n=1，=0.25则：B=1×16.0+2×0.25=16.5m2．炉子的长度主要根据加热炉产量决定，公式如下：（4-2）式中：Q—加热炉小时产量；L—加热炉有效长度，m；n—加热炉内装料排数；G—每根料重，吨；b—加热钢料断面宽度，m；T—加热时间，h；本车间年产量为50万吨，取加热炉的加热能力110t/h，G=2.055t，n=1，b=0.13，T=3.5所以：炉子的全长=有效长度+1~3m=22.5m计算加热炉的有效面积：F=B×L=16.5×20.9=344.85m23．加热炉性能参数·炉型：步进梁式加热炉·装出料方式：侧进侧出，单排出料·炉底有效面积：344.85m2·采用热源：发生炉煤气·温度自动控制段：8个·最大加热能力：130t/h4.1.2轧机（1）轧机的组成全线共有23架轧机，其有关参数见主轧机参数表。全部轧机分为粗轧、中轧、预精轧、精轧组，前13架轧机为平立交替布置，立辊轧机均为上传动，后10架精轧机组为摩根第六代型超重级轧机。整个轧制过程轧件无需扭转。以下是主轧机的特点：·粗、中轧机组：粗、中轧机组由9架二辊平立交替布置的轧机组成，立式轧机为上传动。·预精轧机组：由4架平立交替布置的悬臂式机架组成。采用碳化钨辊环，油膜轴承；压下装置为手动偏心机构，各架由电机单独传动。·无扭精轧机组：为10架型无扭超重型机组，前5架为230mm超重型机架以提高轧制能力；后5架为160mm超重型机架，以在高速下提高能力。悬臂式碳化钨辊环，液压换辊，电机经增速箱伸出2根长轴，再经伞齿轮驱动各对轧辊。轧辊轴径向为滑动轴承套支撑，轴向为滚珠轴承。油膜轴承用在从动轴上。10个机架封闭于一个可开启的保护罩内，并设有“鱼线”及事故废钢箱。表4-1主轧机基本参数 轧机序号 轧机型式 轧辊尺寸/mm 功率/kW 主电机转速/r∙min-1 型式 辊径 辊身长 1 粗轧机组 φ600二辊立平 600/510 800 700 360/1200 直流 2 φ580二辊水式 580/500 800 600 360/1200 3 φ520二辊立平 520/420 800 600 360/1200 4 φ520二辊水式 520/420 800 600 360/1200 5 φ450二辊立平 450/360 800 600 360/1200 6 中轧机组 φ450二辊水平 450/360 650 550 360/1200 直流 7 φ450二辊立式 450/360 650 550 360/1200 8 φ450二辊水平 450/360 650 550 360/1200 9 φ360二辊立式 360/270 650 550 360/1200 10 预精轧机组 φ360二辊水平 360/270 400 550 360/1200 直流 11 φ280二辊立式 280/200 350 550 360/1200 12 φ280二辊水平 280/200 350 550 360/1200 13 φ280二辊立式 280/200 350 550 360/1200 14~23 精轧机组 V型超重型无扭精轧机组 280/200 70 6800 850/1600 交流同步机（2）轧机的主要技术参数的确定1．轧辊直径辊身直径是表征轧机的特性参数，通常从辊身直径大小来称呼轧机规格，因此轧辊直径是轧机的一个重要参数。选择轧辊直径时要考虑，轧制时轧辊强度和刚度，及其允许挠度，同时要注意咬入角的允许值，通常可根据轧机轧辊直径与轧制的坯料高度选择：D=K1∙H（4-3）式中：H——坯料高度，mm；对于中型型钢轧机K1=2.9~5.0本车间拟采用规格为150×150连铸坯，轧制Ф5.5~20mm的线材，为保证轧辊抗弯强度及钢要求，现用150×150mm的坯料进行计算。则粗轧机组第一机架的辊径为：D=150×2.8～150×5.0=435～750mm取D=600mm为粗轧机组第一机架的轧辊直径。为满足连轧过程中秒流量相等要求，按照连轧过程中轧辊直径逐渐递减原则确定各个机组轧辊直径，再考虑轧机的系列化。2．电机选择根据以上轧机轧辊直径、辊身长度、机架数、机器型式的确定，确定连轧机组轧辊的主传动电机：粗轧机组采用400KW/600KW的直流电机、中轧和预精轧机组采用600KW/700KW的直流电机；精轧机组由于采用集体传动，故采用一台6800KW的交流电机。这些电机传动参数见主轧机参数表。4.3控制冷却线4.3.1水冷装置精轧机（定径机）前水箱：2个水冷箱，第一段水箱长度6m，第二段水箱长3m，环形喷嘴。水箱的最大温降为75℃。精轧机后水箱：一个水箱长度6m，环形喷嘴。每个水箱最大温降：标准冷却为75℃，芯热回火冷却为150℃。水流量和温度由自动闭环温控系统调节，人工进行预先设定。4.3.2剪切装置轧线共安装3台飞剪，用于切头尾、事故碎断、和倍尺剪切。一台冷剪机和两台砂轮锯。1#飞剪位于粗轧机组5#轧机之后，用于轧件的切头、切尾、和事故碎断处理。启停工作制。由主电机、剪机本体、前后导槽、收集装置组成。飞剪的结构形式是曲柄连杆式飞剪，由一台直流电机驱动，剪切精度可达到±30mm。剪切最大断面15000mm²，剪切温度大于850℃。2#飞剪位于中轧机组9#轧机之后，精轧机组之前。在生产中对轧件实施切头切尾和事故碎断处理。由主电机、剪机本体、前后导槽、收集装置组成。其剪切精度可以控制在±25mm。切头、切尾长度50～200mm，剪切温度大于850℃。3#飞剪位于预精轧之后，精轧之前。主要用于需要时的切头尾，剪切温度大于820℃。4.3.3吐丝机卧式，水平倾角为20°，设计最大速度150m/s，吐圈直径1075mm，一般允许振动值范围2.50mm/s~3.81mm/s，最大为5.04mm/s。4.3.4斯太尔摩冷却系统其形式为辊道延迟型，运输机速度为（6~120）m/min，辊子最大允许温度为900℃，线材冷却速度（0.3~17）℃，每个风机风量154700m/h，运输机总长为60m。共10个运输段，每段6长。每段辊道通过变速电机靠齿轮减速装置链式驱动。1至6段，每段配有个2风机，第7和第10段，各配有1个风机，风机入口设有风门调节机构。隔热罩通过气缸启闭。4.3.5盘卷收集和处理系统盘卷收集和处理系统的设备组成及有关参数见下表：表4-2盘卷收集和处理系统 名称 性能参数 名称 性能参数 集卷机 由集卷筒、线卷室和双芯棒组成。集卷筒内设有气动分离爪，用于分离前后2个盘卷。盘卷卷室的2个门由液压缸驱动，打开移走已形成的盘卷。双芯棒两臂位于水平和竖直位置，通过液压马达旋转180°后，两种位置互换。集卷筒带有线圈分配器。 P&F钩式运输机 C形钩数量/个 约70 C形钩能力/t 最大3 最高集卷温度/℃ 600 运行速度/m∙s-1 0.3 长度/m 约500 盘卷打捆机 盘卷尺寸/mm 外径1250/1200内径900/850 打捆周期/s 32 盘卷重量/t 2.11 最大压紧力/kN 400 盘卷高度/mm 2700/3200 最大线卷重量/t 3 运卷小车 小车通过齿轮条系统有电机驱动进行横移 卸卷机 液压升降、液压横移 小车最大横移距离/m 约11.8 运输车速度/mm∙s-1 700 侧移车速度/mm∙s-1 250 小车最大速度/mm∙s-1 690 卸卷站存放能力/t 最大5第5章工艺计算工艺计算是确定各种计算产品的工艺流程和初选设备的基础上，根据产品产量的要求，制品的工艺性能以及设备的特点，对个主要设备或工序进行具体的科学分析和必要的理论计算，从而确定出各种产品在各工序的准确而具体的生产工艺流程、工艺参数及其各种消耗定额，并确定各部分及各环节之间的协作配套关系。工艺计算的内容包括：主要加工工序的工艺规程的制定；编制生产工艺流程定额卡。5.1坯料选择目前，轧钢厂普遍使用的坯料有三种：连铸坯，初轧坯，锻压坯，本车间使用坯料为150×150连铸坯。因为连铸坯具有：金属收得率提高10%左右；每吨钢大致可节约热能14万大卡；可以降低产品成本可达10%的优点。由于本车间使用的是在上游车间已经清理合格的坯料，所以本车间不再需要另设钢坯的清理设备，只需在上料的同时，经目视检查，如果发现不合格钢坯，剔除即可。5.2坯料加热制度确定坯料加热制度包括加热温度、加热时间、加热速度、燃料选择、炉型结构及辅助设备选择。坯料经过清理后，在进入粗轧之前，需要将其加热，目的是提高钢坯的塑性，降低金属变形抗力以及改善金属内部组织和性能，以便于轧制。一般来说，把坯料加热到奥氏体单相固熔的组织的温度范围内，并有足够的时间以均化组织及融化碳酸物，从而得到具有塑性良好的面心晶格，较低变形抗力、良好机械性能的金属组织，保证顺利轧制。5.2.1加热温度确定坯料的加热温度主要取决于各种钢的特性和压力加工工艺要求，以保证钢材的质量和产量。高线轧制过程中，当轧制速度大于9m/s时，轧件是升温的；当达到100m/s时，在精轧段就要开始控冷，甚至必须降低钢坯的开轧温度。所以高线轧机钢坯加热温度不再单纯是为了使钢坯获得尽可能大的塑性和尽可能小的变形抗力以及轧后不存在有害的残余加工应力的要求，而必须与轧机、轧制速度和控轧控冷要求结合起来，按高速轧制工艺及控制工艺确定钢坯的加热温度。加热温度的选择应依钢种不同而不同。对于碳素钢，最高加热温度应低于固相线100~150℃，加热温度偏高，时间偏长，会使奥氏体晶粒过分长大，引起晶粒之间的结合力减弱。钢的机械性能变坏，这种缺陷成为过热。加热温度过高或在高温下时间过长，金属晶粒除长得很粗大外，还使偏析夹杂富集的晶粒边界发生氧化或融化在轧制时金属经受不住变形，往往发生碎裂，这种缺陷称为过烧。过烧的金属无法进行补救，只能报废。过烧实质上是过热的进一步发展，因此防止过热即可防止过烧。表5-1某些钢的加热及过烧温度 钢种 加热温度，℃ 过烧温度，℃ 碳素钢1.5%C 1050 1140 碳素钢1.1%C 1080 1180 碳素钢0.9%C 1120 1220 碳素钢0.7%C 1180 1280 碳素钢0.5%C 1250 1350 碳素钢0.2%C 1320 1470 碳素钢0.1%C 1350 1490 硅锰弹簧钢 1250 1350 镍钢3%Ni 1250 1370 8%镍铬钢 1250 1370 铬钒钢 1250 1350 高速钢 1280 1380根据上述理由，拟定计算产品的加热温度如表5-2所示。表5-2计算产品坯料的加热参数 计算产品 弹簧钢 加热温度，℃ 11505.2.2加热速度的确定加热速度是指在单位时间内钢的温度变化。加热速度应根据各种金属在某温度范围内的塑性和导热性以及钢的温度应力来确定。一般坯料加热可分为：预热段、加热段、均热段。在预热段很多合金钢和高碳钢在500-600℃以下塑性很差，因此应放慢加热速度以免使坯钢中部产生“穿孔”开裂的缺陷。当温度达到700℃以上时钢的塑性和导热性都大大提高。此时金属坯料内部的热应变力较小，应尽可能快的加热，这样不仅提高加热炉的生产能力，同时还可防止或减轻某些缺陷如氧化、脱碳及过热等。当钢坯温度达到加热要求温度后，为使钢坯首尾、内外以及上下各处的温度均匀，应在该温度下停留一段时间，对一般的碳钢及低合金钢，由于在低温时其塑性及导热都比较好，所以可缩短或者除去预热段，从而提高生产率。5.2.3加热时间的确定加热时间是指钢坯装炉后，加热到加工要求的温度所需的时间。原料的加热时间长短不仅影响加热设备的生产能力，同时也影响钢材的质量。即使加热温度不过高，也会由于时间过长而造成加热缺陷。合理的加热时间取决于原料的钢种、尺寸、装炉温度、加热速度及加热设备的性能与结构。关于加热时间的计算，目前用理论方法还很难满足生产实际的要求，常用的经验公式有：（5-1）式中：——加热时间，h；——坯料厚度或直径，cm；——修正系数。考虑钢种成分和其它因素影响，各种钢的修正系数见表5.3。表5-3各种钢的修正系数 钢种 Kl值 碳钢 0.10～0.15 低合金钢 0.15～0.20 高合金结构钢 0.20～0.30 高合金工具钢 0.30～0.40本设计的小型轧钢厂，计算产品是65锰弹簧钢，则加热时间为（0.15～0.20）×15=2.25～3h，取加热时间为2.5h。5.3计算产品的孔型设计5.3.1孔型设计的基本原则钢坯只有依次通过一系列孔型，经过若干道次的轧制变形后，才能获得所要求的断面形状和尺寸的型钢，把为达到此目的而确定各孔型形状，计算各孔型尺寸，把孔型合理地配置在轧辊上等工作称为孔型设计。良好的孔型设计应该做到：得到符合要求的形状、精确的尺寸、良好的表面质量和内部组织以及力学性能均佳的优质线材。（1）轧制工艺稳定、生产操作简单、轧钢机调整方便，并使轧机具有尽可能高的生产能力。（2）使轧制能耗和轧辊消耗最低。（3）劳动条件好，安全，便于实现高度机械化、自动化操作。为达到上述要求，获得最佳的效果，孔型设计者除应掌握金属在孔型设计的方法步骤外，还必须熟悉轧机设备工艺特点和操作习惯，针对具体轧机工艺特点和操作条件进行相应的孔型设计看，并在实践中不断改进和完善。5.3.2选择孔型系统轧制某种产品，一般需要一定数量对形状和尺寸都有严格要求的孔型，即所谓精轧孔型。按轧制顺序，在精轧孔型以前的孔型，是将大断面的钢锭或钢坯尽量用较少的轧制道次轧成第一个精轧孔型所需的断面形状和尺寸的轧件，通常称之为延伸孔型。选择延伸孔型的依据如下：（1）轧机条件；（2）坯料的技术条件；（3）生产技术水平及操作人员的熟练程度等。根据以上原则，并结合产品实际情况，采用最为合适的孔型系统使其既能适应各种合金钢种的轧制，以便于各种坯料顺利进行。为此，选择椭圆—圆孔型系统。该孔型系统具有下列优点：（1）孔型共用性大，有利于提高轧机生产能力；（2）压下量大，对轧制大断面轧件有利；（3）孔型磨损均匀，能耗相对较小；（4）氧化铁皮易脱落，轧件表面质量好。根据以上原则，确定出粗轧第一个道次的孔型为箱型，后续轧制道次为平-立交替的椭圆-圆形孔型系统。是因为椭圆-圆孔型系统变形较为均匀，在孔型中轧出的轧件没有尖锐的棱角，可以保证轧机断面各处冷却均匀，轧制时不易形成裂纹，而且此孔型形状有利于去除轧件表面的氧化铁皮，使轧件具有良好的表面质量。综上所述，这套孔型系统共用性广，变形均匀，轧辊平立交替、无扭转轧制，是较合适的孔型系统，可获得好的轧材表面质量及机械性能。（1）、确定轧制道次数本高线车间的主导产品是以150×150的弹簧钢连铸坯轧制成的Ф11mm线材，下面就以此详述孔型设计的过程。11mm为冷尺寸，考虑到热膨胀，成品孔型轧件的出口直径依来确定，取为11.1mm；又考虑到钢坯的断面组成，根据经验其断面积F0=0.9965×（110×110）mm2。则总的延伸系数：（5-2）=236.880根据车间生产经验，可拟定该车间平均延伸系数=1.297，根据公式，把此式取对数，则可求出计算产品的轧制道次：（5-3）=21所以计算产品的轧制道次n=21。（2）、成品孔K1的确定成品孔为一平圆。成品孔的尺寸主要有宽度尺寸和高度尺寸,由于成品孔垂直方向的温度低于水平方向的温度，又大于宽展条件的变化，为防止成品过充满出现耳子，必须是大于，一般宽度尺寸要按正公差或部分公差考虑。则按公式：,式中d——圆钢公称直径；——正公差；——热膨胀系数，与钢种和终轧温度有关，查的普通碳素钢的热膨胀系数为，取1.012。高度尺寸采用部分负公差设计，则有公式,式中——负公差。采用高精度法成品孔设计，孔型设计用切线连结成品孔的扩张角小于30°，则有：式中S——为辊缝。辊缝S可以根据经验选择，一般圆钢成品孔辊缝S与d关系为表5-4： d/mm 10—19 20—28 30—50 S/mm 1.5—2 2—3 3—24圆孔面积计算公式为：式中R——孔型半径，mm；θ——扩张角，rad；S——辊缝，mm；——孔型宽度，mm。（3）、成品再前圆孔K3的确定（这是成品孔为圆-椭-圆系统设计方法）基圆直径：孔型宽度：式中——成品圆钢直径。（4）、成品前孔K2的确定（这是成品孔为圆-椭-圆系统设计方法）用绝对宽展系数法计算，椭圆的孔型宽度和高度：式中——K3孔的方坯或圆坯直径；——椭圆孔型的绝对宽展系数；——成品孔的绝对宽展系数；——成品圆钢直径；绝对宽展系数的选择可查以下表：轧件在椭圆-圆精轧孔型中宽展系数表5-5： 孔型 成品孔 椭圆孔 圆孔 β 0.3-0.5 0.8-1.2 0.4-0.5椭圆孔型面积的计算公式：式中——孔型宽度，mm；h——孔型高度，mm；S——辊缝，mm。精轧（定径机）孔型系统为椭-圆-圆系统，则其设计方法为：K1的设计方法和圆-椭-圆系统的相同。K2的确定，K2为圆孔，则圆直径：孔型宽度：式中——成品圆钢直径。K3的确定，K3为椭圆孔，需根据K4和K2两个圆孔来确定K3。K4为预精轧的成品孔，为延伸孔。其尺寸可以根据公式：d为圆孔直径，F为轧件面积。由K4和K2的尺寸，再根据中间中间扁孔型设计方法确定出K3轧件的尺寸：式中B,H——进入中间孔的轧件宽度和高度，mm，——中间孔下一孔轧出的轧件宽度与高度，mm，——中间孔型内和下一孔型内的绝对宽展系数。一般中间扁孔椭圆孔的宽展系数为0.35～0.55，下一个孔（圆孔）的宽展系数为0.25～0.35.则根据公式可算得椭圆孔型宽和高：式中b,h——分别为轧件的宽和高，mm（5）、延伸孔的确定延伸椭圆孔方法同椭-圆-圆系统中的K4算法相同.延伸圆孔,由延伸系数确定各道次的轧件面积和圆孔轧件的直径及相关尺寸,再根据轧件尺寸确定孔型尺寸：式中d——圆孔直径（轧件直径）辊缝：(6)、箱孔的确定粗轧开坯，用箱型孔轧制，可使轧件整个宽度变形均匀，减少辊型的磨损。轧件侧表面的氧化皮易于脱落，可以改善表面质量。箱型孔尺寸：孔型槽底宽度：孔型槽口宽度：孔型高度：辊缝：式中——来料宽度——本孔型压下量——本孔型宽展系数——来料高度箱孔孔型面积计算公式为：式中y——孔型侧壁斜度，——孔型槽底宽度，mm；——孔型槽口宽度，mm。根据以上方法，得出各道次的孔型尺寸如下表5-6： 机组 道次 孔型形状 孔型号 孔型尺寸 Hk高mm Bk宽mm 辊缝mm 面积mm² 粗轧机 1 箱 K21 113.92 165.02 20.00 19450.46 2 椭 K20 97.20 186.59 22.00 13459.68 3 圆 K19 113.92 114.92 12.00 10258.29 4 椭 K18 73.15 147.73 16.00 7991.87 5 圆 K17 87.26 88.26 14.80 6054.47 中轧机 6 椭 K16 56.78 112.75 14.00 4794.02 7 圆 K15 67.33 68.33 10.00 3604.98 8 椭 K14 43.66 87.08 12.00 2882.90 9 圆 K13 51.85 52.85 6.10 2280.19 10 椭 K12 33.53 67.12 9.00 1701.52 11 圆 K11 39.87 40.87 7.10 1272.66 预精轧 12 椭 K10 26.00 51.49 7.00 1012.56 13 圆 K9 30.80 31.80 3.90 758.93 精轧 14 椭 K8 20.20 21.20 6.00 586.40 15 圆 K7 23.87 24.87 4.50 460.60 16 椭 K6 15.47 16.47 4.80 350.80 17 圆 K5 18.37 19.37 1.80 271.97 18 椭 K4 12.00 13.00 3.30 205.98 19 圆 K3 14.20 15.20 2.20 164.95 20 椭 K2 9.29 10.29 2.50 122.93 21 圆 K1 10.99 18.33 2.15 100.445.4延伸系数校核由公式：可算得Φ11规格的总延伸为：，而两者近乎相等，故Φ11规格延伸系数合理。5.5填充系数的校核成品孔型尺寸在计算的时候是由书中的经验公式求出的，因此，应进行成品孔型充满度的校核，而其余孔型符合要求，不需校核。校核公式为：则Φ11规格的成品孔，符合要求。5.6轧制速度的确定连续轧制时，随着轧件断面的压缩轧制其轧制速度递增，保持正常轧制的条件是轧件在轧制线上每一机架的秒流量相等。则其关系式为：式中1、2、…、n——逆轧制方向的轧机序号；、、…、——各道次轧制后的轧件断面面积；、、…、——各轧制道次轧件的轧出速度；C——连轧常数。由于有前滑的存在，轧件离开轧辊的轧出速度大于轧辊的线速度。前滑的大小用前滑系数表示，则此时秒流量为：式中、…——各轧制道次的前滑系数；、…——各轧制道次的轧辊转速；——考虑前滑后的连轧常数。在孔型轧制时，前滑值一般取其平均值：式中——变形区中性角的平均值，；——咬入角的平均值；β——摩擦角，一般为12°～27°——轧辊工作直径的平均值；——轧件轧后高度的平均值。又已知成机架轧辊的轧速：则成品孔的连轧常数：轧件出口速度的选取十分重要，过高的出口速度虽可提高生产率，但易引起温升过高，出现芯部过热、芯溶现象；而过低的出口速度会造成较大温降，严重影响轧制参数、力矩、功率、变形速度及生产效率等等。现在根据产品规格以及生产能力的要求，同时考虑同类现代化轧机已达到的最大终轧速度来确定成品孔的轧出速度。因此定Φ11的轧出速度为100m/s，带入上式即可求出成品孔的连轧常数及其它道次的轧制速度。5.7轧制力的计算(1)、各机组的轧制温度为了计算轧辊和轧机其他各个部件的强度，以及校核和选择电动机的负荷，正确的制定压下制度，必须确定轧制力，而计算轧制力，首先需要确定各道次的温度。由于棒材轧制的工艺特性，轧制过程中的温度难以用公式来计算。所以，在此以同类车间生产实际中采集的数据来大概确定各道次的温度，详见下表5-7。各道次的轧制温度5-7： 道次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 轧制温度（℃） 1056 1050 1047 1040 1039 1032 1025 1020 1010 道次 10 11 12 13 14 15 16 17 18 轧制温度（℃） 1005 1001 1001 994 986 971 965 955 950 道次 19 20 21 轧制温度（℃） 950 948 944(2)、孔型轧制力的计算①、平均单位轧制压力的计算爱克伦公式用于热轧计算平均单位压力，同时也适用于孔型轧制。其公式为：式中——考虑外摩擦对单位压力的影响系数，f——摩察系数，，式中a为关于轧辊的参数，对于刚轧辊，对于铸铁轧辊。t——轧制温度；——粘性系数，经修正后，,式中为决定于轧制速度的系数，可以查下表确定：轧制速度:5-8 轧制速度m/s 小于6 6～10 10～15 15～20 系数 1 0.8 0.65 0.6K——变形抗力；——变形程度系数，；——轧制速度，，H、h——该道次的压下量，该道次轧前、轧后的高度；R——工作辊径。②、变形抗力的确定根据经验公式，可求得变形抗力：式中C、Mn、Cr——合金钢中C、Mn、Cr的含量。③、接触面积的计算轧件与轧辊的接触面积：式中——轧件平均宽，它等于轧辊入辊和出辊处的宽度的平均值；l——接触弧长。根据以上公式，则轧制力的公式为：式中——平均单位压力，F——轧件与轧辊的接触面积。根据轧制力公式，算的各道次的轧制力如下表5-9： 65Mn，Φ11规格各道次轧制力 道次 轧制力P 平均单位压力p 变形抗力K 变形程度系数ε 接触面积F 轧制温度 工作辊径D 外摩擦系数m 粘性系数η 轧制速度v 平均压下量 轧辊直径