镁合金连铸连轧工艺与设备设计

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1 前言

1.1 课题背景

1.1.1镁合金材料发展概况

金属镁作为质轻、节能、环保的优秀金属元素，在全球金属矿产资源日益枯竭、价格大幅攀升的情况下，镁以其资源优势、价格优势、产品性能优势在工业生产中的地位进一步凸显，在未来发展中镁将成为最重要的金属材料。

目前镁合金主要应用于以铸造为主生产的一些机械零件，但受到铸造工艺专业特点的局限，使镁合金应用的空间相当狭小。据有关统计，对于每种金属材料的消耗，板材要占到7 0％以上。在生产中对板材进行各种形状的成形加工，可以生产出很多优质的机械结构零件。板材加工能极大简化金属加工流程，降低成本，扩大实用范围。然而板材成形加工又对板材的加工性能提出了更高的要求：希望通过成型加工得到的组织结构均匀、晶粒细小，容易取得满意的效果。随着汽车、、航空航天、计算机、通讯和消费电子产品等领域节能、环保及舒适的要求，迫切需要优质宽幅的镁合金薄板等金属材料。然而传统的镁合金薄板生产工艺主要是采用热轧和挤压方法，由于热轧工艺和挤压工艺流程长、成材率低、成本高导致价格昂贵，而挤压薄板又受幅面的限制，生产效率低下，因此传统工艺生产的薄板应用领域十分有限。

因此，积极探究镁合金液态连铸连轧技术，生产工艺流程、性能高、成本低的连铸连轧板材，对于镁及镁合金的应用推广，推动产业发展，具有十分重要的意义。 1.1.2板带连铸连轧技术发展概况

板带铸轧技术的发展至今已有150余年的历史。1846年，英国人贝塞麦（Bessemer）就提出，从两个旋转辊轮上方浇注金属液，通过内部具有循环冷却作用的铸轧辊辊缝下边引出铸轧带坯，但是由于当时技术水平和生产工艺条件的限制未能获得成功。在随后的100多年里这项技术始终不为人们重视，到1930年德国人容汉斯(Junghans)报道了立式连续铸轧成功的信息。

在以后的发展中，又依次出现了法国斯卡尔（Scal）公司研制的3C(Continuous Caster Between Cylinder)双辊水平式铸轧机，美国的黑兹利特（Hazelett）公司提出的双带式连铸机，但是由于带坯上表面皮下夹杂物影响生产质量而停止。20世纪80年代以来，随着科学技术的不断发展，对于双带式产生的问题得到解决。其中，德国和日本相继有企业建立试验机组，对该项技术的发展起到了推动作用。

从1964年我国开始研制双辊式铸轧机。在1965年研制出辊径φ400mm的下注式板带铸轧机，并成功生产出宽700mm的带坯。但因故中间试验停止，直到1975年此项技术得到国家相关部委的验收。此后板带铸轧技术在我国快速发展。

截至目前，根据不完全的统计，我国实际生产中投入的双辊式板带铸轧机在100

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套之上。不论是有色金属铸轧板带铸轧技术装备还是生产工艺，我国已完全掌握了这项技术，生产设备和产品均能达到国际先进水平。

1.2 镁合金板带连铸连轧生产的特点

在板带连续铸轧技术应用以前，世界上板带生产长期沿用模铸热轧的传统方式组织生产。该方法依次经过铸锭、切割、铣面、加热、开坯、热轧等一系列工序，且存在投资多、占地面积大、生产周期长、参与人员多、能耗大、生产成本高等一系列显著的缺点。与传统模铸法相比，镁合金的连铸连轧技术具有以下的特点：

（1）合金板带的铸造与轧制集中于一台设备，且近乎同时完成。比之于传统的方式省去了铸锭加热、开坯、热轧等多道工序，减少了废料的再次熔炼，极大节约了能源消耗；

（2）省略铸锭铣面和热轧后切头去尾的工序，成材率提高；

（3）设备简单集中、投资少、占地面积小、建造速度快、生产成本低； （4）生产连续稳定，生产工艺简化、生产周期缩短、人员配备少、生产率提高、易实现自动化。

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2工艺与设备设计方案

2.1 设计任务

设计任务包括以下两个方面： （1） 镁合金连铸连轧工艺参数：

轧制镁合金板带的牌号：AZ31（Al 3%，Zn0.1%），性能参数见表2.1：

表2.1 轧制镁合金性能参数

抗拉强度/MPa 拉伸/MPa 220 屈服强度 /MPa 压缩/MPa 180 承载/MPa 325 剪切强度/MPa 弹性模量/MPa 硬度 /HR 290 160 45 73

生产的镁合金板带参数：宽300—600mm，厚0.5—9mm；

铸轧机轧辊速度：0.5—1m/s. （2） 镁合金连铸连轧设备的设计：

此部分的主要设计内容在铸轧机的设计，其余部分只作简要设计说明。

2.2 方案设计

2.2.1 镁合金连铸连轧生产工艺确定

镁合金的连铸连轧工艺与设备用来制作镁合金的条带或板材，其特点是将熔融的镁合金溶液通过铸嘴倒入一对转向相反、内部通冷却水的铸轧辊之间，在这对辊缝中完成浇铸、冷却、结晶、凝固、轧制和出坯等一系列的工艺过程，其间同时进行着复杂的流变和物理化学过程。其组织生产基本原理如图2.1所示。

图2.1镁合金连铸连轧工艺与设备基本原理示意简图

1.熔炼中间包2.溶液输送装置3.轧辊4.牵引机5.剪切机6.卷取机

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从前图所示可以看出，整个生产线可以概括为熔炼系统、浇铸系统、铸轧系统和牵引卷曲系统四大部分。

这种工艺巧妙地把铸造和轧制两种工艺结合起来，相比于传统的方式先铸造出镁合金铸锭后经加热炉加热，再进行轧制的生产流程，具有简化工艺、改善劳动条件、增加金属收得率、节约能源、提高连铸坯质量、便于实现机械化和自动化的优点，能够满足用户的生产需求。

结合生产厂家现阶段生产实际，对生产工艺流程作出如下的设计：

镁合金锭熔化——镁液输送镁液流嘴——铸轧机——连轧机——剪切机——矫直机——精轧机——后续处理——产品。

此生产工艺与传统的生产流程相比，具有工艺流程短、可控性强的显著特点。 2.2.2 镁合金连铸连轧核心设备设计方案的确定

鉴于生产线设备较多和本人学识有限，在此次设计中仅对铸轧中的核心部件即铸轧机进行相关设计。

（1）铸轧机形式

经过一个世纪的发展，板带铸轧设备的形式已有10余种之多，按结构可进行以下的分类：

? 双辊式板带铸轧设备：这种铸轧机是将液态金属注入两个相对旋转的铸轧辊的辊

缝，通过轧辊内部冷却水将热量带走，同时通过双辊间形成的铸轧区连续轧制出薄的带板。双辊式铸轧机包括下注双辊式铸轧机、倾斜双辊式铸轧机、水平双辊式铸轧机等三种形式，其中倾斜式还分为低速和高速两种；

? 带轮式铸轧设备：由铸轮凹槽同旋转外包的钢带形成移动式铸模，将液态金属注

入铸轮凹槽和旋转带钢之间，通过铸轮内冷却水带走热量，得到薄的板带，然后进一步轧制出较好的带材；

? 双带式铸轧设备：在两张紧的平行钢带之间注入液态金属，依靠由双带形成的移

动结晶器铸成薄的带坯，再轧制出带材；

? 其他形式的铸轧设备：除以上三种设备以外还有单辊式、多辊式等形式的铸轧设

备。

结合厂家生产设备将铸轧机形式定为水平双辊式铸轧机，这种铸轧机与其他铸轧机相比具有安装调试方便、易于维护的特点

（2）设备组成

本次设计的镁合金板带铸轧机列的设备主要包括工作机座、万向接轴、联轴器、接轴平衡机构、分齿箱、减速器、电动机等部件。

? 工作机座：作为铸轧机的执行机构，它由轧辊及其轴承、轧辊调整装置、机架等

零部件和机构组成；

? 连接轴：铸轧机中电机运动产生的力矩是通过连接轴传递到轧辊的。铸轧机中常

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用的连接轴有万向接轴、梅花接轴、齿轮接轴以及联合接轴等，具体选择视情况而定；

? 分齿箱：通过分齿箱的传输力矩被分成两个相反方向的传动形式，这样就保证了

轧辊的啮合旋转，且速度同步，方向相反； ? 减速器：将电动机传出的转速降低到所需要的程度；

? 电动机：在本次设计中选取电动机作为铸轧机的动力源，其型号的选取与铸轧机

工作制度相关，具体型号选取见电动机选取部分。

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根据受力可列出各段弯矩方程：

a?b1时,M?Px 当 0?x?22a?ba11a?b2?x?时，M?Px?q(x?) 22222式中 P——轧制力；

a——压下螺丝中心距； b——轧件宽度； q——单位长度轧制力。 辊身中央截面弯曲力矩

ab MD?P(?) （3.8）

48弯曲应力 ?D?辊径危险截面处的弯矩： Md?弯曲应力： ?d?MD (3.9) 0.1D3PC （3.10） 2Md （3.11） 0.1d3辊径处的扭转应力： ?d?式中 D——铸轧辊直径；

d——辊径直径； Mn——铸轧辊的扭矩。

Mn (3.12)

0.2d3由前面公式（3.8）、（3.9）、（3.10）、（3.11）、（3.12）代入数据得

ab0.940.6MD?P(?)?7.8?106?(?)?1.248?106(N?m)4848MD1.248?106?D???99.84(MPa)330.1D0.1?0.5P7.8?106 Md?C??0.07?0.273?106(N?m)22MdPc7.8?106?0.07?d????155.33(MPa)3330.1d0.2d0.2?0.26p559550?9550?Mnn?38?3.93(MPa)?d??0.2d30.2d30.2?0.263辊径处危险截面的弯曲应力和扭转应力合成按第四强度理论计算有：

22?d4??d?3?d?155.332?3?3.932?155.47MPa?[?]?295(MPa)

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满足强度要求。 3.2.3 铸轧辊轴承选择

（1）铸轧辊轴承工作特点

轧辊轴承是铸轧机中的重要部件，同一般轴承相比较具有以下特点： 1. 工作负荷大 受轴承外围尺寸限制和较短辊径内需承受很大的需用应力的制约导致工作时单位压力比一般的轴承高2-4倍，甚至更高。

2. 转动速度低 在铸轧过程中轧辊的转速不会太高，以便于热量的传递 3. 工作环境差 整个铸轧过程有大量的热交换，一部分热量会传递到轴承，使其在高温环境下工作，又由于轧辊内部的冷却系统通过轴承安放位置，使其温度有所减缓。

（2）铸轧辊轴承选择

轧辊用轴承一般为滑动轴承、滚动轴承和液体摩擦轴承。但是目前滑动轴承趋于淘汰，只有少量的老式轧机使用。结合轧辊受力，多采用多列滚子轴承，其具有径向尺寸小和较好的抗冲击能力的特点。

此处选择四列圆锥滚子轴承，此轴承即可承受径向力又可承受轴向力。 由辊径尺寸选择四列圆锥滚子轴承的型号为：382052 GB/T300——1995. 3.2.4铸轧辊轴承寿命校核

轴承寿命与当量动载荷关系式

106C?() （3.13） Lh? 60nP式中 Lh——轴承额定寿命，h； n——轴承转速，r/min；

C——额定动载荷，N； P——当量动载荷，N；

ε——寿命指数，对于球轴承ε=3；对于滚子轴承ε=当量动载荷计算公式： 式中 X——径向系数；

Y——轴向系数； Fr——径向载荷，N； Fa——轴向载荷，N。

鉴于设计中采用的四列圆锥滚子轴承仅承受径向力，故有

1Fr=P=3.9×106（N）

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10。 3P?XFr?YFa （3.14）

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P=XFr=1.0×3.9×106=3900（KN）

轴承额定动载荷C=2710KN，轴承最高转速n=0.498r/min，则其寿命：

106C?10627103Lh?()??()?9777(h)

60nP60?0.498390010满足轴承的使用寿命。

3.3 铸轧机机架

3.3.1 铸轧机机架结构及尺寸

铸轧机架俗称牌坊，是铸轧机的重要组成部分，其承受来自轧辊、轴承座和压下螺丝的轧制力，在其上安装着整个铸轧设备的工作部分。因此，铸轧机机架要有足够的强度和刚度，其结构要满足铸轧机零部件装卸和换辊的需要。

铸轧机机架依结构可分为闭式机架和开式机架两种。其中，因闭式机架具有较好的强度和刚度，其应用最为广泛。在此次设计中亦选择闭式机架作为铸轧机工作机架。其结构形式如图3.3所示。

图3.3闭式机架结构

B—机架窗口宽度；H—机架窗口高度；l—机架立柱高度；b—机架立柱宽度

机架主要结构参数包括：窗口宽度B、窗口高度H和机架立柱的横断面面积F（F=l×b）。其中，为了便于换辊，窗口宽度应稍大于轧辊最大直径；机架窗口高度主

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要依据铸轧机最大开口度、轴承和轴承座径向厚度、压下螺丝最小伸出端（至少2-3扣螺纹）、余量系数以及换辊等要求制定。一般设计公式为：

H?H1?H2?H3?S1?S2 （3.15） 式中 H1——两轧辊接触时，上下轴承座间的最大距离，mm；

H2——安全臼以及均压块高度，mm； H3——下轴承座底垫板高度，mm； S1——轧辊换辊时的最大开口度，mm；

S2——机架窗口高度尺寸余量，通常取150——250mm。

在设计中对以上参数依据设计要求进行了选择性应用，则有H1=1185mm，H2=85mm，H3=130mm。故机架窗口高度H=1400mm。

机架窗口宽度B：取B=600mm>D=500mm，保留适当换辊间隙。

机架立柱横截面面积F：根据厂家设计经验，立柱横截面积最佳为矩形截面，此处也采用矩形截面。依经验公式，横截面积F与轧辊辊径尺寸关系：

F=d2 (3.16) 式中 d——辊径尺寸，d=260mm。 则有F=2602=67600（mm2）。

为避免轧件轧出时与立柱相碰，l应小于轴承座宽度，取l=360mm，则F67600?187.8(mm)，圆整b=200mm。 b=?l3603.3.2 铸轧机机架强度校核

由于铸轧机机架结构比较复杂，，不易进行精确强度计算，故将其视为一平面刚架，求出框架的静不定力矩，继而对机架进行强度校核。

（1） 静不定力矩M0：

机架受力变形时，上下横梁中间的挠角为零，，可把平面刚架进一步简化为悬臂支架，下横梁中间截面固定，上横梁中间截面作用有P/2和静不定力矩M0，如图3.4所示。

有变形协调条件，M0应保证上横梁转角为零，以求和原来的刚架等效。由θ=0即可求得静不定力矩M0.

由单位力法求变形，得：

???上横梁： Mx??MxMxdx (3.17) EIxPx?M0 （3.18） 2???1 Mx- 14 -

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图3.4 机架简化简图及弯矩图

立柱： Mx?lPpl?M0??1?M0 （x?1） （3.19） 2222???1 Mx下横梁： Mx?Px?M0 (3.20) 2???1 Mx式中 Mx——机架计算横截面由力P/2和M0产生的弯矩；、

??1在计算截面产生的弯矩； ?——单位力矩Mx MxIx——计算截面的惯性矩； E——材料的弹性模量；

x——机架中心线至计算截面的水平距离。

将上面的结果分别代入方程（3.17）并积分求出静不定力矩M0：

ll1l?2?3I24I3Pl4I M0?1?1 （3.21）

l3l1l24??2I1I22I3式中 l1,l2——机架横梁和立柱轴线长度。

又由于上下横梁截面相等，则惯性矩相等，即I1=I3，而l1=l3,则上式可简化为

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