设计年产68万吨棒材生产车间

河北联合大学轻工学院

QINGGONG COLLEGE, HEBEI UNITED UNIVERSITY

毕业设计说明书

设计题目：设计年产68万吨棒材生产车间

学生姓名： 学 号： 专业班级：

学 部：材料化工部 指导教师：

2012年05月20日

摘 要 摘 要

根据任务书要求，设计年产68万吨棒材厂。

按照车间设计的步骤，主要完成建厂经济依据论述、产品大纲制定、轧机比较及布置选择、孔型系统的选择及典型产品的孔型设计、速度制度和产量确定，力能参数的计算及校核、辅助设备的选取、金属平衡以及水电消耗计算等。

设计中参阅了国内有关棒材轧机的先进工艺、轧机的装备、技术、孔型系统及一些辅助设备的论述，特别参考了唐钢棒材厂与八一棒材厂生产线参数，使本设计车间达到工艺合理、设备先进、留有进一步提升产品档次的现代棒材车间。棒材以定尺交货，横列式、半连续式、全连续式各种轧机都可以进行生产。平立交替的连轧棒材方式事故少，生产效率高，产量大。考虑生产时顺畅，自动化程度高、质量控制稳定，设计采用全线无扭连轧方式。产品规格为Φ12～32mm圆钢，Φ14～26mm螺纹钢。典型产品为Φ24的圆钢。 关键词：车间设计；棒材连轧；孔型设计；高精度

I

Abstract Abstract

According to the task requirement, an annual output of 680,000 tons of small bars factory is designed.

According to the design steps of the workshop, The following aspects are accomplished, such as the economic accordance of building the workshop, the distribution of output, mill comparison and layout chosen, pass system chosen and pass design of classic production, velocity computing and output planned, mechanical calculation and test, auxiliary equipment chosen, metal balance and water and electricity consume, etc.

Referring to the domestic advanced rolling technology, rolling equipment, pass and auxiliary equipment choosing, specially, referring to production line parameters of Tang Steel and Bayi Steel, this ensure that the technology is reasonable and equipment is advanced and there is space to produce high-profit rod.

Bar is sale by sizing. All kinds of rolling mill can produce bar, such as open-train mill, Bar to length delivery, bar-style, semi-continuous train and the continuous train. The pattern of continuous rolling bar in horizontal and vertical loopier has the specialty of the fewer accident, highly efficient and high output. In considering of the successfully producing, high lever automation, and stable quality controlling, the no twist continuous rolling is adopted in this paper. The production size range is from Φ12 to Φ32mm bar and from Φ14 to Φ26mm rebar. The classic production is Φ24 mm bar.

Key words: workshop design; continuous rolling bar; pass design; high precision

II

目 录 目 录

摘 要.............................................................................................................................I Abstract ........................................................................................................................ II 第1章 绪论 .................................................................................................................. 1

1.1 棒材的发展概况 ............................................................................................. 1

1.1.1 产能高 .................................................................................................. 1 1.1.2 生产装备参差不齐 .............................................................................. 2 1.1.3 管理水平逐年提高 .............................................................................. 2 1.1.4 高质量、高附加值的经济线材少 ...................................................... 2 1.2棒材的种类和用途 .......................................................................................... 4 1.3棒材的生产工艺 .............................................................................................. 4

1.3.1 棒材的生产特点 .................................................................................. 4 1.3.2 坯料 ...................................................................................................... 5 1.3.3 加热 ...................................................................................................... 5 1.3.4 轧制 ...................................................................................................... 6 1.3.5 冷却和精整 .......................................................................................... 6 1.4 小型棒材轧机的低温轧制 ............................................................................. 6 1.5 建厂依据 ......................................................................................................... 7 1.6 厂址的选择 ..................................................................................................... 7 第2章 产品大纲及坯料选择 .................................................................................... 9

2.1 产品大纲的确定 ............................................................................................. 9

2.1.1 编制产品大纲的原则 .......................................................................... 9 2.1.2 产品方案的主要内容 .......................................................................... 9 2.1.3 产品大纲 ............................................................................................ 10 2.2 坯料选择 ....................................................................................................... 10

2.2.1连铸坯的特点 ..................................................................................... 10 2.2.2钢坯的特点 ......................................................................................... 11 2.2.3小钢锭的特点 ..................................................................................... 11 2.3 坯料选用时所考虑的因素 ......................................................................... 12

2.3.1 坯料形状尺寸 .................................................................................... 12

III

目 录 2.3.2表面缺陷清理 ..................................................................................... 13 2.3.3钢坯规格及允许偏差 ......................................................................... 13

第3章 轧机的选择 .................................................................................................. 14

3.1 轧机型式对比与选择 ................................................................................... 14

3.1.1 开式机架 ............................................................................................ 14 3.1.2 闭式机架 ............................................................................................ 14 3.1.3半闭口机架 ......................................................................................... 14 3.1.4 短应力线轧机 .................................................................................... 15 3.1.5 平立可转换轧机 ................................................................................ 15 3.2 轧机布置选择比较 ....................................................................................... 17

3.2.1 横列式布置轧机 ................................................................................ 17 3.2.2 连续式布置的轧机 ............................................................................ 18 3.3 棒材轧制工艺特点 ....................................................................................... 18 3.4 轧机机架数确定 ........................................................................................... 19 3.5 轧辊参数 ....................................................................................................... 20

3.5.1 轧辊材质 ............................................................................................ 20 3.5.2 轧辊直径 ............................................................................................ 20 3.5.3 轧辊辊颈直径和辊颈长度 ................................................................ 21 3.5.4 轧辊轴承 ............................................................................................ 21 3.5.5 轧辊的调整机构 ................................................................................ 22

第4章 孔型系统选择与设计 .................................................................................. 24

4.1 孔型设计的要求与基本原则 ....................................................................... 24 4.2 孔型系统的选择 ........................................................................................... 24

4.2.1 箱形孔型系统 .................................................................................... 24 4.2.2 椭圆－圆孔型系统 ............................................................................ 25 4.3 典型产品Φ24圆钢的孔型设计 .................................................................. 26

4.3.1 分配延伸系数 .................................................................................... 26 4.3.2 轧制各道次面积的确定 .................................................................... 27 4.3.3 各道次轧件尺寸及孔型尺寸计算 .................................................... 28 4.4 配辊 ............................................................................................................... 34

4.4.1 孔型沿辊身长度方向的配置 ............................................................ 35

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目 录 4.4.2 孔型在轧制面垂直方向的配置 ........................................................ 35

第5章 轧制节奏图表与产量计算 ............................................................................ 38

5.1 咬入角的计算 ............................................................................................... 38 5.2 前滑值的计算 ............................................................................................... 39 5.3 轧辊的线速度、转速及电机转速确定 ....................................................... 40 5.4 轧制节奏图表 ............................................................................................... 44

5.4.1 轧制间隙时间 .................................................................................... 45 5.4.2 轧制节奏时间 .................................................................................... 46 5.4.3 轧制总延续时间 ................................................................................ 46 5.5 轧钢机产量计算 ........................................................................................... 47

5.5.1 轧钢机产量概述 ................................................................................ 47 5.5.2 车间的年产量计算 ............................................................................ 49 5.6 车间金属平衡 ............................................................................................... 50 5.7 提高轧钢机产量的主要途径 ....................................................................... 51 第6章 力能参数的校核 .......................................................................................... 52

6.1 轧制温度的计算 ........................................................................................... 52 6.2 轧制力能计算及电机校核 ........................................................................... 55

6.2.1 平均单位压力的计算 ........................................................................ 55 6.2.2 轧制压力的计算 ................................................................................ 57 6.2.3 轧制力矩的计算 ................................................................................ 58 6.2.4 附加摩擦力矩的计算 ........................................................................ 58 6.2.5 空转力矩的计算 ................................................................................ 59 6.2.6 静力矩的计算 .................................................................................... 60 6.2.7 电机实际功率的计算 ........................................................................ 60 6.2.8 轧辊弹跳计算 .................................................................................... 62 6.3 轧辊强度的校核 ........................................................................................... 63

6.3.1 辊身强度的校核 ................................................................................ 64 6.3.2 辊颈强度的校核 ................................................................................ 65 6.3.3 传动端轴头强度的校核 .................................................................... 65

第7章 车间辅助设备的选择 .................................................................................. 68

7.1 加热设备的选择 ........................................................................................... 68

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目 录 7.1.1 炉型的选择 ........................................................................................ 68 7.1.2 产量计算 ............................................................................................ 70 7.1.3 炉子尺寸的确定 ................................................................................ 70 7.2 剪切设备的选择 ........................................................................................... 71

7.2.1 1＃飞剪机 ........................................................................................... 71 7.2.2 2＃飞剪机 ........................................................................................... 73 7.2.3 3＃倍尺剪 ........................................................................................... 74 7.2.4 4＃定尺剪 ........................................................................................... 75 7.3 冷却设备的选择 ........................................................................................... 77

7.3.1 冷床的结构与形式 ............................................................................ 77 7.3.2 冷床的参数确定 ................................................................................ 77 7.4 起重设备的选择 ........................................................................................... 79 7.5 导卫装置的选择 ........................................................................................... 80 7.6 活套的设计 ................................................................................................... 80 第8章 车间平面布置 .............................................................................................. 82

8.1 布置的原则及设备间距的确定 ................................................................... 82

8.1.1 车间平面布置的原则 ........................................................................ 82 8.1.2 设备间距的确定 ................................................................................ 82 8.2 仓库面积的计算 ........................................................................................... 84 8.3 车间组成及厂房参数 ................................................................................... 84 8.4 车间工艺流程 ............................................................................................... 85 结 论 .......................................................................................................................... 87 参考文献 ...................................................................................................................... 88 谢 辞 .......................................................................................................................... 89

VI

第1章 绪论 第1章 绪论

我国棒材的总产量在钢材总量中的比例超过40%，在世界上是最高的。这是由于国家经济的不断的提升，使得建筑类用的棒材的需求也不断的增加。

棒材的70%用作建筑，其余用作各种零部件用材。除螺纹钢筋直接应用于建筑之外，有相当部分加工成各种轴类零件。建筑用材要求在较高的屈服强度下，保持一定的延伸率。机械零件要求机加工性能良好，对组织也有一定要求。作为建筑用材，提高尺寸精度和机械性能的均匀程度，可以节省大量钢材，同样对于加工轴类，也可减少车削，降低成本。

在现代社会的国民生产中，由于钢铁材料的用途十分广泛，不论农业、工业、国防建设，都需要有质量优良，品种齐全，数量足够的钢铁，因此钢铁工业的发展有着非常重要的意义。我国是一个发展中国家，住房尚需大量发展，建筑用钢的需求在很长一段时间内都将是很高的。另外随着人民生活水平的提高，相应汽车用钢的需求也会越来越多。

棒材作为钢铁产品的组成部分，即便是在当前国际经济危机的大环境下，由于我国采取扩大内需，建设基础设施，鼓励发展房地产业的政策，棒材的生产仍然十分重要。

1.1 棒材的发展概况

钢铁材料以其所具有的特性—较高的强度和韧性、易加工成型性、绿色可循环性在未来时期内仍将是重要的结构材料。随着我国汽车制造、电气机械、船舶制造工业的发展,板材、管材在钢材中所占的比例将逐渐提高,线棒材所占比例将有所下降,但其绝对值仍在上升。而且线棒材生产结构将发生很大的变化我国目前线棒材生产有如下特点。

1.1.1 产能高

我国棒材无论是轧机数量，还是产量均居世界第一位，而且其产量还在以较快速度增长(年平均增长速度为15%左右)，目前我国线棒材占钢材总产量的48%~50%。与此同时，美国同期线棒材产量占钢材总产量的22%左右,日本同期线棒材产量占钢材总产量的27%左右，而且几年来产量相对平稳。因此我国线棒材无论是所占钢材总产量的比例还是绝对产量均高于美国和日本。

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河北联合大学轻工学院 毕业设计说明书 1.1.2 生产装备参差不齐

近年来我国小型轧机向连续化发展,线材生产则趋向采用高速线材轧机，到2002年6月底,全国共投产连续及半连续小型轧机70套，设计产能超过提高,一般连续小型及高速线材轧机投产后2年左右即能达到或超过设计产量。2000年以后，不少小型线材轧机的成材率达到97%，一些实行负偏差轧制的轧机，成材率约在98%以上。另外，由于注重产品质量的提高，开发了400MPaⅢ级带肋钢筋。并且，不少企业努力增加硬线生产比例，特别是在扩大高强度低松弛预应力钢丝、钢绞线生产份额，改善冷墩钢质量，扩大产品规格上采取了多项措施。最近新投产的几套高速线材轧机，可提供Ф5-25mm线材，直径公差达±0.1mm，椭圆度达0.14mm，可满足不同用户的需求。

1.1.3 管理水平逐年提高

近年来，我国线棒材厂总体生产管理水平不断提高，一般连续小型及高速线材轧机投产后2年左右即能达到或超过设计产量。2000年以后，不少小型线材轧机的成材率达到97%，一些实行负偏差轧制的轧机，成材率约在98%以上。另外，由于注重产品质量的提高，开发了400MPaⅢ级带肋钢筋。并且，不少企业努力增加硬线生产比例，特别是在扩大高强度低松弛预应力钢丝、钢绞线生产份额，改善冷墩钢质量，扩大产品规格上采取了多项措施。最近新投产的几套高速线材轧机，可提供Ф5-25mm线材，直径公差达±0.1mm，椭圆度达0.14mm，可满足不同用户的需求。

1.1.4 高质量、高附加值的经济线材少

金属制品是高速线材的深加工产品，其使用价值优于热轧产品，可节约金属30%-40%。据统计，发达国家金属制品的产量已占线材产量的50%-70%。我国虽然线材产量占钢材总产量的21.9%(居世界第一位)，可用于金属制品的只占线材产量的30%，很多高质量要求的产品仍靠进口。

随着炼铁炼钢技术的发展和工业电气自动化的进一步发展，随着电子计算机自动控制技术的广泛应用，棒材生产技术也有突飞猛进的发展。总的看来，棒材生产的发展趋向和特点如下：

(1)过程日趋连续化，半连续轧制和连续轧制已经占取了主流，出现了连续

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第1章 绪论 钢坯轧机和连续棒材轧机，使效率大为提高。

(2)轧制速度不断提高，生产过程的连续化，为提高轧制速度创造了条件。 (3)生产过程自动化日益完善，大大减少了劳动强度，提高了质量，减少了车间定员，提高了经济效益

(4)生产过程日趋大型化，炼铁炼钢能力大幅度提高。

(5)采用自动控制，不断提高产品的精度和质量，采用计算机控制可以大幅度提高产品的精度和质量。

(6)不断扩大钢材的品种规格和增加螺纹钢产品的比重。

(7)大力发展新工艺新技术，节约能源，减少金属消耗，降低成本。 学习和研究轧钢生产是我们轧钢技术人员的一项重要工作。在科学技术发达，并不断发展的今天，要求我们在设计改建扩建一个厂时，要认真慎重地考虑，并仔细分析轧钢生产和趋势以及市场需求，来达到高产、优质、低消耗的宗旨。

现代棒材生产主要采用的新工艺，新设备：

1)大批料低能耗。全热装式热直接轧制技术，以日本NKK高森厂为代表的大批料直接轧制，边角补热的方式是降低成本，提高产品竞争力的有效途径。我国目前有数家工厂也做过一些尝试。目前广泛应用的是连铸热装、蓄热式加热炉等；

2)柔性轧制技术； 3)高精度轧制；

4)全短应力无扭高速轧制.目前国际上先进的生产线，象意大利ABS IWNA厂，采用全短应力线平立交替无扭轧制；

5)低温轧制和控制轧制；

6)多线切分技术。国内两线切分技术已经得到了广泛应用，三线切分技术目前也有几家得到成功应用，并取得预期效益。四线切分仅广钢从巴登引进，目前尚不稳定。随着材料研究的深入，高强度钢在市场上所占的比重会越来越大，用小规格产品替代原来的中大规格已经成为必然的趋势。熟练掌握并应用好多线切分技术对连轧棒材生产线是十分必要的；

7)棒材轧后热芯回火（TEMPCDRE）工艺； 8)在线尺寸检测；

9)在线多条矫直和飞剪定尺剪切； 10)自动堆叠机。 11）无头轧制 12）高精度轧制

本车间设计参阅了国内有关棒材轧机的先进工艺、轧机的装备、技术、孔型系统及一些辅助设备，并参照唐钢棒材厂的一些设备数据。

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河北联合大学轻工学院 毕业设计说明书 在棒材生产领域，我国已经有一些企业拥有了代表目前国际先进水平的设备和工艺，产品质量也达到了国际先进水平。但这种企业的数量很少，故从总体上看，我们的棒材生产在今后抓紧技术进步和技术创新还是一个重要的任务。现存的主要问题是：(1)生产能力大于市场需求，在一般性能棒材的范围内表现得尤为突出；(2)棒材品种数低于工业先进国家；(3)装备水平落后的企业所占的比例过大。

1.2棒材的种类和用途

棒材是一种简单断面型材，一般是以直条状交货。棒材的品种按断面形状分为圆形、方形和六角形以及建筑用螺纹钢筋等几种，后者是周期断面型材，有时被称为带肋钢筋。棒材的断面形状最主要的还是圆形。

国外通常认为，棒材的断面直径是9-300mm。国内在生产时约定俗成地认定为：棒材车间的产品范围是断面直径为10-50mm。

棒材广泛用于建筑、机械、汽车、船舶等工业领域，其中70%棒材用作建筑，其余用作各类轴、螺栓、螺母、锚链、弹簧等用材[1]。除螺纹钢筋直接应用于建筑之外，有相当部分加工成各种轴类零件。建筑用材要求在较高的屈服强度下，保持一定的延伸率。机械零件要求机加工性能良好，加工后为保证使用时的机械性能，还要进行淬火、正火或渗碳等热处理。有些产品还要进行镀层、喷漆、涂层等表面处理。作为建筑用材，提高尺寸精度和机械性能的均匀程度，可以节省大量钢材，同样对于加工轴类，也可减少车削，降低成本。

棒材经过控轧控冷，也可提高使用性能，这在轧制过程可以通过工艺的控制来实现。

1.3棒材的生产工艺

1.3.1 棒材的生产特点

棒材以直条交货，轧制单根棒条可以使用最小坯料。棒材的断面形状简单，一般断面大很多，因此轧制过程散热慢，允许轧制时间长，头尾温差大的问题不突出，轧制道次也不是很多，降温也不是主要考虑问题，因而是所有轧材中最容易实现的品种。

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第1章 绪论 1.3.2 坯料

棒材的坯料现在广泛采用连铸坯，对于某些特殊钢种也有使用轧坯的情况。对机械轴类用钢，由于中心偏析和延伸比等问题，连铸质量较难满足需求。近期电磁搅拌、低温铸造等技术的应用，使这些钢种也可以采用连铸进行生产。

棒材的坯料断面形状一般为方形，这是为减少加热和开始轧制的翻转。 连铸时希望坯料断面大，而为了适应生产小直径产品，则希望坯料断面尽可能小，保证头尾温差在一定范围。大断面有大压缩比，晶粒变形破碎彻底，经过再结晶，组织细密均匀，性能较好。一些车间为扩大产品上限，有时也需要大断面坯料，这时粗轧第一架的能力要加大。一般棒材方坯边长为120～200mm。一个车间可以选择两种规格坯料，小规格产品用小断面坯料。但这时加热炉与轧机的利用率要下降。

当轧制合金钢等高档次品种时，为了保证坯料的质量，可采用目视检查，手工清理的方法。对质量要求更严格的钢材，则采用超声波探伤、磁粉或磁力线探伤等方法进行坯料检查，以便必要时进行全面的表面修磨或通过检测将其剔除，形成落地冷坯。

普钢小型轧机使用的坯料断面应在130mm×130mm～150mm×150mm左右，坯料单重1.5～2.0t，甚至达2.5t。单重增加切头尾量相对减少，定尺率高，有利于提高金属的收得率[2]。

1.3.3 加热

加热可以提高轧件塑性，降低抗力。棒材加热和轧制的工艺流程如下：

冷坯加热→粗轧→中轧→精轧→冷却→精整

↑

连铸坯热装加热

加热质量主要是指加热的温度和均匀程度。加热时要严防过热和过烧，还要尽量减少氧化铁皮。对易脱碳的钢种，要严格控制高温段的停留时间，采取低温、快热、快烧等措施。对于现代化的棒材生产，一般是用步进式加热炉加热，由于坯料较长，炉子较宽，为提高加热炉密封性，减少热量损失，一般采用侧进侧出的方式。

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河北联合大学轻工学院 毕业设计说明书 1.3.4 轧制

棒材可有多种生产方式进行轧制。以往采用横列式轧机轧制棒材，轧机刚度低，加热温度总有波动，加上横列式轧辊速度慢、轧制时间长，导致轧件头、尾温差加大，尺寸不一致，并且性能不均，质量低。继而改为二重式，半连续式和全连续式。全连续轧机采用平立交替，轧件无扭，事故少、产量高，因而实现了大规模的专业化生产，这类车间一般达到年产70万吨左右[3]。

从提高生产效率和经济效益上看，连轧方式是最为有利。连轧是一根坯料同时在多机架中轧制，占地少，效率高，产量大。连轧过程遵守各机架间轧件出入口速度相等或稍有速差的原则。

在棒材平立连续轧制的过程中，前后道次交替地压下轧件，轧件无需扭转，即便高速轧制，也很平稳。轧辊轴线全平布置的连轧机在轧制中将会出现前后机架间轧件扭转的问题，扭转将带来轧件表面易被扭转导卫划伤，导卫磨损较大问题，对塑性差的钢种也有限制，容易出现角裂。

1.3.5 冷却和精整

棒材一般的冷却和精整工艺流程如下：

精轧→控制冷却（余热淬火）→飞剪→冷床→定尺切断→检查（探伤）→包装

在现代化的轧制生产中，棒材的轧制速度一般在10m/s左右，轧制变形时的温升与散热抵消以后，温降较少。棒材断面大，轧制时间短，而棒材散热慢，限制了棒材的出口速度，故冷床面积选的很大。同时希望棒材降低轧制温度，保证下床时温度较低。

由于棒材轧制时轧件出精轧机的温度较高，对优质钢材，为保证产品质量，要进行控制冷却，冷却介质有风、水雾等等。即使是一般建筑用钢材，冷床也需要较大的冷却能力，有一些棒材轧机在轧件进入冷床前对建筑用钢筋进行余热淬火。余热淬火轧件的外表面具有很高的强度，内部具有很好的塑性和韧性，建筑钢筋的平均屈服强度可提高约1/3。

1.4 小型棒材轧机的低温轧制

连轧机轧制速度高，轧件在轧制过程中产生的变形热，使轧件温度基本维持

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第1章 绪论 不变甚至升温，这就为低温轧制创造了条件。把轧件温度从1000～1100℃降低至900～950℃，加热炉可大幅度节约燃料，综合平衡后可节约能源20%左右。

低温轧制可以细化晶粒，减少深加工时的退火和调质等工序，得到产品的特殊机械性能，这时轧机能力更要有富裕[4]。

1.5 建厂依据

小型型材是钢铁产品的主要品种之一，广泛应用于工业、农业、交通运输业和建筑业。从70年代初起，世界主要产钢大国就开始减少小型型材的套数，新建高产优质的新型连续式轧机，淘汰落后的横列式轧机。小型型材的连轧比在美国已达60%以上，在日本则达90%。世界各国近来更是注重研制和使用连铸连轧等新技术和新设备来生产小型型材。

小型型材在我国国民经济的发展中需求量很大，二十一世纪以前，我国小型轧机的总套数在1350套以上，虽然为世界第一，其中还有相当部分为横列式轧机。进入二十一世纪，连续式轧机占的比例上升到90%，轧制水平大大提高。但大多数停留在普钢水平，而合金钢产品的品种少、质量低，与国外进口产品相比，性能相差也很多，不适应国民经济的发展需要。

近年来我国的小型型材的消费量一直占钢材消费量的25%左右，这是因为我国作为发展中国家，人口众多，幅员辽阔，基础设施落后，基本建设任务还很多，尤其全国范围内，在基本解决了温饱问题之后，解决人民的住房问题还需要很长一段时间，发展城乡的铁路和公路运输网络的任务也还艰巨，这些都需要消费大量的小型材。因此，随着发展水平的提高，小型材的需求会在较长的一段时间内保持在每年4300～5200万吨的水平，甚至还会略有增长。

现阶段国内已经建设不少现代化全连续棒材厂，在品种方面，满足基本建设的同时，积极发展供需矛盾比较突出的品种，抓住市场机遇，生产特色产品，增加效益，使企业在市场竞争中立于不败之地[5]。

1.6 厂址的选择

厂址选择工作实际包括两个方面：一是建厂地区的确定，一般由上级主管部门在设计任务中规定；二是建厂地址的选择，由设计者会同有关部门共同进行实际调查研究提出几个初步方案进行比较，然后选取最优方案。

建厂地区选择应考虑下述要求：

必须符合国家工业布局的基本原则。充分利用各地区的丰富资源和各方面的

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河北联合大学轻工学院 毕业设计说明书 有利条件，合理使用人力和物力，使生产出来的产品能够合理的分配，从而使所设计的厂在最少的投资条件下，获得最大的经济效果，并且使全国各大区的工业系统迅速建立起来，逐步改变我国工业布局不合理的状态；

1.原料、燃料、动力的来源与运输条件； 2.要能满足生产和生活的水质和量； 3.能就近取得足够的建筑材料； 4.与其它企业协作方便；

5.良好的车间建设投资的控制数字和劳动定员的控制数字。

6.建厂地址的选择，就是在指定的建厂地区内，选择一块地方，它在自然和地理待点、运输条件、水电供应、布置工厂厂区及生活区等方面，都能最大限度地得到满足。具体要求如下：

7.厂区面积与外形满足总平面布置的要求； 8.工程地质和水文地质满足建厂的要求；

9.从经济方面来看，厂址应靠近城市，以便充分利用城市的供排水设施和动力设施，利用城市住宅和文化福利设施；

10.运输条件满足工厂生产要求。大型企业多采用铁路运输，因此应该铁路支线段最短；中、小型企业多为汽车运输，厂址应靠近汽车运输干线；

11.离电源、水源最近。

唐钢在河北省钢铁企业中占有重要地位，唐山地理位置优越，拥有自己的矿山，毗邻陡河水资源充足，电力来源于华北电网。唐钢内部公路、铁路发达，并与外部主干铁路相连。唐山境内有京哈铁路、京山铁路穿过，有京唐港，并毗邻秦皇岛港，且曹妃甸工程即将完工、公路网四通八达；唐钢作为一个大型集团，有自己的资金积累。在原有基础上再上一个棒材车间，资金充足；人力资源方面，唐钢拥有熟练的技术工人，并且招入了一定的大学生，后备资源充足。本设计车间拟建在唐钢内部。

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第2章 产品大纲及坯料选择 第2章 产品大纲及坯料选择

2.1 产品大纲的确定

2.1.1 编制产品大纲的原则

满足国民经济发展对轧制产品的需要，特别要根据市场信息解决某些短缺产品的供应和优先保证国民经济重要部门对于钢材的需要。

考虑各类产品的平衡，尤其是地区之间产品的平衡。要正确处理长远与当前、局部与整体的关系。做到供求适应、品种平衡、产销对路、布局合理。

考虑轧机生产能力的充分利用和建厂地区产品的合理分工。有条件的要争取轧机向专业化和产品系列化方向发展，以利提高轧机的生产技术水平。

做到产品结构和产品标准的现代化，有条件的要考虑生产一些出口产品，走向国际市场[6]。

2.1.2 产品方案的主要内容

车间生产的钢种和生产的规模； 各类产品的品种和规格；

各类产品的数量和其在总产量中所占的比例等。

9

河北联合大学轻工学院 毕业设计说明书 2.1.3 产品大纲

表2-1 设计年产68万吨优质棒材车间（单位：万吨）

年 产 量 ( 万吨 )

钢种

代表钢号

Φ12～16mm

Φ18～22mm

Φ26～32mm

小计

钢种比例 (%)

Φ24mm

碳素结构钢 优质碳素 结 构 钢

Q235 4 3 2 5 14 20.59

20＃ 45＃ 4 5 7 10 26 38.24

合金结构钢

40Cr 20CrMnTi ML25、ML35 65Mn 60Si2Mn 20MnSi (万吨) %

2 5 5 5 17 25

铆螺钢 1 1 1 3 4.41

弹簧钢 低合金钢 合 计 规格比例

10 14.70

1 15 22.06

1 2 18 26.47

2 2 25 36.76

4 4 68

5.88 5.88

100

2.2 坯料选择

棒材生产所用的原料有三种，可分为小钢锭（用钢锭直接轧制成材）、钢（用钢锭轧制成的坯）和连铸坯。

2.2.1连铸坯的特点

优点：连铸坯使用钢水直接浇注拉矫而成的，在生产过程中省去了整模、脱模、钢锭均热、初轧开坯等生产工序，简化了生产过程及设备，使金属收得率提

10

第2章 产品大纲及坯料选择 高了6%～12%以上，并大幅度降低能耗，运行成本降低，较初轧坯形状好，短尺少，组织成分均匀，节省投资，节省劳动力，易于实现自动化。

缺点：使用钢种少，目前主要用于镇静钢，压缩比也受一定得限制，也受结晶器得限制，规格不灵活，连铸速度较慢，与轧制速度不匹配，工艺难掌握。

使用条件：适合于大、中、小多类钢铁企业，生产品种较少，批量较大的情况；适合于压缩比要求不特别严格的产品。

2.2.2钢坯的特点

优点：钢坯是以大钢锭为原料，经均热，初轧开坯轧制而成。因此，可用较大的钢锭，压缩比也可较大，反复破碎再结晶，得到均匀细小晶粒，并且可以中间清理，所以钢材的内在质量好，钢种范围广，坯料的尺寸规格可灵活选择。钢种不受限制。

缺点：需要初轧开坯，使工艺设备复杂化，能源消耗和成本增高，并且在加热过程中烧损，切去头尾，金属收得率降低。

使用条件：连铸困难的合金钢及特殊要求的钢种以及生产品种较多的车间。

2.2.3小钢锭的特点

优点：不用初轧开坯，可直接轧制成材。

缺点：金属消耗大，成材率低，中间不能进行清理，表面质量差，压缩比小，产量低。

使用条件：无初轧开坯和连铸小方坯的中小钢铁企业及特殊用途轧机。 随着近些年来，连铸技术得到了飞速发展，许多连铸过程中易出现的问题均得到了较好的解决，目前连铸坯的质量已接近初轧坯，而且今后连铸技术还会有更大的发展，由于连铸自身具有收得率高、工艺简单、成本低等一系列优势，连铸坯已逐渐代替了初轧坯的统治地位，综合以上种种因素，本车间选用连铸坯为原料。

11

河北联合大学轻工学院 毕业设计说明书 2.3 坯料选用时所考虑的因素

2.3.1 坯料形状尺寸

坯料断面形状的选择主要与轧制产品的形状有密切的关系。棒材轧制常选用方形坯料，因为这样有利于延伸系数的分配和减少轧制道次。

为了便于钢坯的运输和保证钢坯加热时沿长度方向上温度的均匀性，钢坯的长度尽可能的短。但为了提高车间产量，减少切损，提高轧机作业率，希望坯料尽可能长。从加热炉宽度考虑，方坯长度不要超过12米。

最大重量的选择

由轧机最后一道次轧制时间计算。(参考现场数据设计能力达17m/s的最小规格断面为Φ12mm)

由公式 G1=FγLK （2.1） 式中：

F——成品断面面积，mm2， L——轧件的长度，mm，

γ——轧件比重， kg/mm3，取，γ=7.85×10kg/mm3 K——由坯料道成品的金属消耗系数 取K=1.043≈1 因为

L=ηV （2.2） 式中：

η——最后一道次许可轧制的时间 取??90s， V——成品轧制速度，取V=17m/s。

所以 G=FγηVK=12×12×7.85×10-3×90×17=1729.5kg 确定坯料长度

取连铸坯的比重为ρ=7.65×103kg/m3

G1=ρV (2.3)

所以L0=8.3m 取钢坯长度L=8.3m

产品断面面积与终轧速度的大小，以及考虑加热炉设计时炉底支撑梁的安全性，取钢坯长度为10m，平均单重1.7t/根。

12

第2章 产品大纲及坯料选择 2.3.2表面缺陷清理

钢锭、钢坯或连铸坯表面会存在各种缺陷(如结疤、折叠、裂纹、皮下气泡等)，如不在轧制前加以清理去除，会在轧制过程延伸、扩大，轻者造成钢材应力集中和腐蚀的起点，使材料强度和耐腐蚀能力降低，严重的影响金属在轧制时的塑性和成型，造成废品。所以坯料表面缺陷的清理是提高钢材合格率，保证钢材质量的重要措施，也是轧钢生产分成二个阶段的重要原因[7]。

常用的清理表面缺陷的方法很多，常用的有：火焰清理、风铲清理、砂轮清理和机床清理等四种。

表2-2 各种清理方法费用比较

清理方法名称 风铲清理 砂轮清理

清理费用（%） 100 307

清理方法名称 机床清理 火焰清理

清理费用（%） 60 53

本设计采用风铲清理。

2.3.3钢坯规格及允许偏差

连铸坯横断面尺寸及允许偏差（符合YB2011－8标准）

表2-3 连铸坯横断面尺寸及允许偏差 长度

名义尺寸

尺寸

150×150

150

偏差 ±5

尺寸 150

偏差 ±5 宽度

对角线长度偏

差 ≤7

单重Kg/m

172.4

钢坯长度定尺：10080～10000mm；

钢坯弯曲度不得大于15mm，总弯曲度不得大于80mm； 端部切斜不得大于20mm；

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河北联合大学轻工学院 毕业设计说明书 第3章 轧机的选择

轧钢生产是将钢锭或钢坯轧制钢材的生产环节。用轧制方法生产钢材具有生产率高、品种多、生产过程连续性强，易于实现机械化自动化等优点。轧钢机是完成轧制变形的主要设备，轧机刚度对产品精度有重要影响，因此轧机选择的合理与否对车间生产具有非常重要的意义。

轧钢机选择的主要依据是：车间生产钢材的品种，产品品种和规格，生产规模的大小，以及由此而确定的产品生产工艺过程。

3.1 轧机型式对比与选择

对机架的要求有足够的强度和刚度外，还要考虑装卸方便、快速换辊等方面的可能性。一般轧钢机的机架型式按照结构特点不同可以分为：闭口式、开口式和半闭口式三类。不同类型的机架形式可作如下的分析：

3.1.1 开式机架

这种机架的上盖(上横梁)可以拆卸，其主要优点是更换辊方便，因此它主要用在换辊比较频繁的横列式布置的型钢轧机上。其主要缺点是刚性较差，轧出的产品精度不高。

3.1.2 闭式机架

这种机架的上盖和立柱形成封闭式的整体框架。结构简单，制造容易，具有较高的强度和刚度。闭式机架的主要缺点是换辊不便。

3.1.3半闭口机架

实际也是开口式机架的一种。其上盖和主体的连接完全由斜楔完成。因它兼有换辊方便和刚性较好的优点，因此又称为半闭口机架。近年来在型钢轧机上被广泛的采用，获得了较好的使用效果。

14

第3章 轧机的选择 3.1.4 短应力线轧机

轧机的刚性也即刚度是指轧钢机工作机座在轧制时抵制发生弹性变形的能力。通常用刚度系数来表示。在一定的轧制压力作用下刚度系数K越大，工作机座发生的弹性变形越小，此时轧机刚性越大；反之，刚度系数K值小，工作机座的弹性变形就大，轧机的刚性就差[8]。

a－通常轧机的应力回线 b－短应力线轧机的应力回线

图3.1 轧机的应力回线

短应力线轧机的主要特点是：

1.最短的应力线保证轧机的高刚度，通常刚度系数可达1800～2200kN/mm; 2.轴承受力分布均匀，改善了轴承和轴承座的受力情况，提高了轴承的使用寿命；

3.能够进行预调整，提高了金属的成材率；

4.采用机械手换辊装置，实现了对称调整和轧辊的整体更换。这样就简化了调整过程．缩短了调整和换辊时间，为提高轧机作业率打下了基础；

5.辊缝对称调节，使轧制线水平保持稳定； 6.设备质量轻，体积小，操作维修方便。

3.1.5 平立可转换轧机

采用平立交替式布置是为了满足灵活的轧制工艺而设计的。根据不同产品的孔型设置，可灵活地调整轧机使其水平布置或垂直布置。机架放置在一个小车上，本身结构与普通二辊轧机机架基本相同。立辊为了平衡轧辊质量，在轧辊辊系中

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河北联合大学轻工学院 毕业设计说明书 增加了止推轴承。机架与小车用螺栓连接在一起，小车可以水平移动，实现水平轧制换孔槽功能。在垂直轧制时，小车坐在一个由电机驱动蜗轮、蜗杆、丝杠螺母机构组成的台架上，台架可上下移动，完成换孔槽动作。位置调整好后，由液压锁紧缸将机架定位。

中、精轧机的作用是将轧件在高温状态下经过孔型逐道次压缩变形。根据产品大纲及各车间工艺的不同，第一种情况是由中轧机为精轧机输送形状正确、尺寸合格的轧件。第二种情况是由中轧机组直接轧制出断面较大的产品，精轧机组被甩掉(空过)，由替换辊道代替，此时中轧机组的作用和精轧机组一样成为成品轧机。

在相同的开轧温度情况下，中轧机组轧件温度为三个机组的最低区域，而精轧机组的轧件温度则随着道次的增加而逐渐有所升高。过低的开轧温度造成摩擦系数增加，容易在中轧机组前几架产生堆钢。

图3.2 平立可转换轧机

采用平立交替式布置，且精轧部分的偶数架轧机可平立转换，此种布置形式的优点：

1.轧制过程稳定，此种轧机在平辊轧机上采用椭圆孔型，在立轧机上采用圆孔型，这样在平辊上轧出的椭圆件在水平方向是长轴，增大了轧件与轧机的接触面积，所以增加了轧件在机架之间运行的稳定性；

2.平立布置的轧机可采用立活套而立—平布置必须采用侧活套。立活套的优点：设施少、占地面积小，更易检测和控制；如果采用立平布置，就必须采用侧活套，因为立轧机上轧出的扁轧件是立着的，对水平压辊或水平推辊磨损严重，所以采用平立布置且使用立活套效果更好；

3.易控制成品质量。在立式轧机上轧出的成品比水平轧机轧出的成品质量好控制，因为立式轧机的轧辊运行更为平稳，成品尺寸波动小，精度高。

平立布置轧机的缺点：

1.成品轧机的进、出口导卫装置更换调整较困难；

16

第3章 轧机的选择 2.成品轧机轧辊轴向调整不便。

因为采用平立交替的轧机布置形式利大于弊，且精轧机的偶数架次采用平立可转换式，可以轧制多种规格的产品[8]。

3.2 轧机布置选择比较

轧钢机按工作机架排列成某种方式称为轧钢机布置，可以分为六种： 1.单机架布置；

2.横列式布置，包括一列、二列和多列式布置； 3.顺列式(跟踪式)布置； 4.布棋式布置； 5.半连续式布置； 6.连续式布置。

a—单机架；b—横列式；c—顺列式；d—布棋式；e—半连续式；f—连续式

图3.3 轧钢机按机架排列的分类

轧钢机布置的基本形式只有三种。即横列式布置、顺列式布置和连续式布置。布棋式布置可以视为为了缩短车间长度所采取的顺列式布置的一种变形，而半连续式布置则常常是连续式和其它形式(例如：横列式布置)的组合。

3.2.1 横列式布置轧机

横列式布置的轧机，同一机列轧辊的转速相同，轧制速度并不随轧件长度增

17

河北联合大学轻工学院 毕业设计说明书 加而提高，因而产量小，轧机劳动生产率低，轧制产品的尺寸精度也差，不易实现自动控制。

一般都是采用穿梭轧制和活套轧制方式。其每架轧机上可以轧制若干道次，变形灵活，适应性强，品种范围宽广，控制操作客易。主要用于生产各种型材、线材和开坯生产。另外，横列式布置轧机具有设备简单、投资少、建厂时间短的优点。过去我国地方小企业的轧机基本都是横列式轧机，现今国内外已基本淘汰。

3.2.2 连续式布置的轧机

连续式轧制占地少，生产率高，产量大。除了每架顺次轧制一道外，还必须保持成连轧关系的各架轧机单位时间内金属秒流量相等的原则。由于连续式布置的轧机易于实现轧制过程的机械化和自动化，可以采用较高的轧制速度，因而具有很大的生产能力。连续式布置的轧机是各类轧机发展的方向。

3.3 棒材轧制工艺特点

轧制工艺：1～10架轧机为微张力轧制，10～18架为立活套控制，实现无张力轧制，保证产品尺寸精度，产品尺寸偏差可达到1/3DIN标准公差范围的水平。

导卫装置使用滑动导卫和滚动导卫，进口导卫的鼻锥(耐磨块)设计，滚动导卫采用油气润滑和循环水冷却系统，延长了导板和导轮的使用寿命，使吨钢耗导卫仅0.015kg。

剪切系统：轧制过程共设有三台旋转飞剪。其中1#旋转式飞剪置于粗轧机组后，用于切头切尾和事故碎断处理。最大剪切直径72mm，2#旋转式飞剪置于中轧机组后，作用同1#飞剪，最大剪切直径38mm.3#旋转式飞剪置于精轧机组后，也叫倍尺剪，是将棒材在上冷床前成倍尺分段，同样起事故碎断处理作用。最大剪切直径为：经余热处理的棒材为40mm，未经余热处理的棒材为50mm。倍尺飞剪采用优化剪切技术可使上冷床的倍尺都为定尺的整倍数，且每支只出1支短尺并进人非尺冷床，提高了成材率及产品定尺率和剪切效率。整个过程全部由计算机控制，实现剪切作业的高精度。

冷床和棒材分组系统：齿条式冷床长度120m，宽度14m，棒材经倍尺飞剪剪切后进入拨入裙板的冷床输入辊道，电气传动的制动裙板使棒材降速并将他们拨入冷床，冷床的初始部分为矫直板，使棒材保持平直。随后的动齿条和固定齿条用于接收和冷却轧件，动齿条自动驱动。接着棒材由动齿条输送到分组输送链上，在此棒材按不同规格产品剪切支数的要求分组。随后，由平移小车将各组棒

18

第3章 轧机的选择 材送到冷床的输出辊道以供剪切。齿条末端设置对齐辊道用于产品端部的对齐，经冷飞剪将棒材按定尺剪切。此冷床冷却质量高、冷却均匀，且具有根据要求自动编组的功能，方便定尺剪切[9]。

3.4 轧机机架数确定

因为每架只轧一道的连续式轧机，只要知道轧制道次即可确定机架数。首先确定总延伸系数

F???0Fn (3.1)

式中：

μ——压缩比； F0——钢坯断面积；

Fn——成品断面积。

本设计的产品大纲中，最小规格为Φ12mm。其产品横断面面积为：

?23.14Fn?R??122?113.04mm244

采用165方坯来轧制产品，则其总延伸系数为：

???F0165?165??240.84Fn113.04

设计孔型系统为箱形孔和椭圆-圆的组合孔型生产系统。 箱形孔平均延伸系数

μp=1.25～1.4 ；

椭圆-圆平均延伸系数 μp=1.3～1.4； 根据以上经验数据，再参考同类棒材车间，μp=1.36 轧制道次和机架数可用下式确定

N?lg?? (3.2) lg?p式中：

N——机架数目

μ∑——由坯料到成品的总延伸系数； μp——各道次的平均延伸系数。 轧制道次

N?lg??lg240.84??17.76 lg?plg1.36 19

河北联合大学轻工学院 毕业设计说明书 由于选用了连续式轧机布置形式，因此选取机架数为18架。生产大规格产品可甩架次（空过），减少轧制道次。

综上所述，18架轧机全线选用短应力线轧机，具体规格为： 粗轧机组6架。平/立布置；形式：短应力线轧机 中轧机组6架。平/立布置；形式：短应力线轧机

精轧机组6架。平/立布置；形式：短应力线轧机(其中；14、16、18机架为平/立可转换机架)。

3.5 轧辊参数

3.5.1 轧辊材质

轧辊由辊身、辊颈和轴头三部分组成，轴颈安装在轴承中，并通过轴承座和压下装置将轧制力传递给轧机机架。轴头与联接轴相连，并传递轧制力矩。辊身直接和轧件相接触。在连轧机上，要求轧辊有较高的表面硬度、强度和耐磨性，且其制造过程简单，价格便宜，故选用铸铁轧辊。其性能参数见表3-1：

表3-1轧辊材质、硬度、强度参数

机架号 1～4 5～8 9～12 13～18

轧辊材质 铸钢 球墨铸铁 球墨铸铁 球墨铸铁

硬度（HB） 抗弯强度（N/mm2） 310～350 430 460 514

800 800 1250 1100

抗拉强度（N/mm2）

500 500 600 500

3.5.2 轧辊直径

在进行工艺设计时可以采用两种方法来预选轧辊直径：按经验公式选取；参考相同类型的轧机情况选取。根据经验，轧机轧辊直径与轧制的坯料高度有如下的关系：

D?KH (3.3)

式中

D—— 轧辊直径，(毫米)； K—— 系数；可按下表选取； H—— 坯料高度，(毫米)。

20

第3章 轧机的选择 轧机名称 K=D/H

表3-2 不同轧机的K值范围 大型轧机 中型轧机 2.5～4.5

2.9～5.0

小型轧机 4.5～6.0

参考同类车间，K值取4.1，为中型轧机。

D?KH?4.1?165?676.5

则各机架的轧辊直径选择为：

1#--4# 7#--12# 17#--18#

D=680mm； 5#--6#

D=660 mm；

D=600mm； 13#--16# D=440 mm； D=360 mm。 (D值为最大直径)

3.5.3 轧辊辊颈直径和辊颈长度

辊身长度是轧辊尺寸的另一重要参数。一般根据辊身长度与辊径的比值(L/D)来选定。

k?L （3.4） D式中：

L——轧辊辊身长度，mm； D——轧辊直径，mm； k——系数(1.5～2.5)

型钢轧机辊身长度主要取决于孔型配置、轧辊的抗弯强度和刚度。轧辊的辊身长度与辊径比小时轧辊能承受较大弯曲应力，另外轧机的刚性也增加了，为提高产品精度也提供了可能，故现代化轧机随着对产品精度要求的提高L/D值正逐渐减小，本车间为短应力线轧机，为提高其刚度，一般辊身长度较短，其尺寸按轧机制造厂商提供的参数并从中选取，一般近似地选d=(0.5～0.55)D，l/d=0.83～1.0[10]，具体见表3-3。

3.5.4 轧辊轴承

轧辊轴承是轧机工作机座中重要部件，应根据轧机的结构及工作条件选用。短应力线轧机一般选用四列短圆柱滚子轴承，其优点是：

有较好的抗冲击性能和较小的径向尺寸，摩擦系数小，精度高，刚度大，寿命长，承载能力大，允许轧辊传递较大的转矩；另外，装配的轴承的外圈和内圈可以自由脱开，故轴承座与轧辊的装配变成了轴承本身的自由装配，使操作更方

21

河北联合大学轻工学院 毕业设计说明书 便。

3.5.5 轧辊的调整机构

轧辊的调整机构包括压下机构和轴向调整机构。 1.压下机构：

压下机构的目的就是调整轧辊相对轧制线的位置，即辊缝的大小，以保证轧机按规定的压下量轧出所要求的断面尺寸。

该轧机的压下机构采用液压马达驱动涡轮蜗杆，使拉杆转动，在拉杆上加工有与轴承座中压下螺母相啮合的左右旋螺纹，使上下轴承座实现了同步对称调整，两蜗杆可以分开，以实现左右两边轴承座的分别调整。另外，轧机上还设计了手动驱动机构，可进行方便的调整。在压下机构上还设计安装了编码器和压下量指示器，以便观察和遥控辊缝调整。

2.轴向调整机构：

轴向调整机构的目的就是使上下轧辊的孔型具有正确地相对位置，以保证所轧出的轧件的几何尺寸符合质量要求。

由于轧辊的孔型主要靠轧辊开槽位置的精确定位来保证，因此轧机的轴向调整量一般较小，本轧机为3mm，且不需要经常调整。

对短应力线轧机，通常采用上辊手动调整，其调整机构多为涡轮蜗杆或齿轮传动驱动带螺纹的轴套，从而推动轧辊滚动轴承的内圈移动，实现轧辊的轴向移动[11]。

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第3章 轧机的选择 表3-3 轧辊参数

轧辊

机架号

直径D (mm)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

680 680 680 680 660 660 600 600 600 600 600 600 440 440 440 440 360 360

辊身 长度L (mm) 760 760 760 760 760 760 750 750 750 750 750 750 750 750 750 750 650 650

辊颈 直径d (mm) 350 350 350 350 340 340 320 320 320 320 320 320 220 220 220 220 180 180

辊颈 长度l (mm) 320 320 320 320 320 320 280 280 280 280 280 280 220 220 220 220 180 180

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河北联合大学轻工学院 毕业设计说明书 第4章 孔型系统选择与设计

4.1 孔型设计的要求与基本原则

成品质量好：包括产品断面几何形状正确，尺寸公差合格，表面光洁，无缺陷，机械性能好；

轧机产量高：合理的孔型设计应使轧制节奏时间最短，一般情况是轧制匀形，使串辊的次数最少，这些有可能提高轧机的作业率；

产品的成品低，即使金属消耗、电能消耗合轧辊等技术经济指针降到最低； 适应平立轧机的设备条件。

4.2 孔型系统的选择

棒材孔型系统一般为椭圆-圆系统，这种系统适合平立交替轧机使用，轧件没有尖角低温处，断面温度比较均匀。椭圆孔磨损也较为均匀（相对方进椭）。

4.2.1 箱形孔型系统

图4.1 箱形孔型系统

箱形孔型的优点如下：

1.用改变辊缝的方法可以轧制多种尺寸不同的轧件，共用性好。这样可以减少孔型数量，减少换孔或换辊次数，提高轧机的作业率。

2.在轧件整个宽度上变形均匀。因此孔型磨损均匀，且变形能耗少。 3.轧件侧表面的氧化铁皮易于脱落，这对改善轧件表面质量是有益的。 4.与相等断面面积的其他孔型相比．箱形孔型在轧辊上的切槽浅．轧辊强度较高，故允许采用较大的道次变形量。

5.轧件断面温度降较为均匀。 其缺点如下：

24

第4章 孔型系统选择与设计 1.由于箱形孔型的结构特点，难以从箱形孔型轧出几何形状精确的轧件。 2.轧件在孔型中只能受两个方向的压缩，故轧件侧表面不易平直，甚至出现皱纹。

3.由箱形孔型系统的优缺点可知，采用箱形孔型轧制大型和中型断而时轧制稳定，轧制小型断面时稳定性较差。它适用于小型棒材粗轧机架。

4.2.2 椭圆－圆孔型系统

图4.2 椭圆-圆孔型系统

该孔型系统特点如下：

1、变形较为均匀。孔型形状能使轧件从一种断面平滑的转换成另一种断面，从而避免了金属由于剧烈的不均匀变形而产生的局部应力；

2、在此孔型中轧出的轧件没有尖锐的棱角，可以保证轧件断面各处冷却均匀，因此，轧制时不易形成皱纹；

3、孔型形状有利于去除轧件上的氧化铁皮，使轧件具有良好的表面； 4、在某些情况下，可以在椭圆－圆孔型系统中的圆孔型轧出成品圆钢，这样当改变品种规格时，可以只换孔不换辊，从而减少轧辊储量和换辊次数；

5、延伸系数小，因而增加了轧制道次，降低了产量，增加了轧辊与设备的消耗，提高了产品成本；

6、椭圆轧件在圆孔型中不易稳定，要求圆孔型入口夹板调整机准确； 7、在圆孔型中，对宽展敏感大，容易出耳子，因此调整严格[11]。 鉴于椭圆－圆孔型系统的上述特点，主要是由于延伸系数小，增加了轧制道次，使轧机工作效率低，产量降低和成本的提高，但是由于质量好，减少了精整工序和精整设备，并且减少了废品率和次品率，即可以完全补偿所增加的成本。

随着圆钢轧制技术的进步与线材连轧的发展，椭圆－圆孔型系统已逐渐被推广，应用于圆钢精轧孔型系统与线材的精轧机上。特别是轧制线材的45°无扭转精轧机组，也用它作为延伸孔型[12]。

综上所述，本设计的Φ24棒材的孔型系统为箱型孔与椭圆－圆孔型系统的组合。具体孔型系统为：

粗轧： 箱型－方箱－平椭圆—圆—椭圆－圆

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河北联合大学轻工学院 毕业设计说明书 中轧： 椭圆－圆－椭圆－圆－椭圆－圆 精轧： 椭圆－圆－椭圆－圆—椭圆—圆

4.3 典型产品Φ24圆钢的孔型设计

由前面设计可知，本车间的轧机共18架，轧制过程中用其中的18架，也就是说采用18个孔型系统进行轧制。

4.3.1 分配延伸系数

分配延伸系数的依据：

1.轧制开始时，轧件的温度较高，氧化铁皮多，摩擦系数小，咬入困难，此时延伸系数的分配主要考虑咬入条件的限制；

2.随着轧件氧化铁皮的脱落，咬入条件大为改善，此时充分利用轧件温度高，塑性好，变形抗力低的特点，给以大变形；

3.最后几道次为保证成品断面形状和尺寸的正确性，减少孔型磨损，提高轧辊使用寿命，以及降低能耗，应采用较小的延伸系数，此外，由于椭圆孔和圆形孔的不特点，椭圆孔的延伸系数比圆形孔的相对大些。

连铸坯断面积： F0=165×165=27225mm2 热膨胀系数

η=0.010～1.015，一般生产取η=1.012

Φ24圆钢横截面积：

Fn??4??d0?2?3.14??1.012?24?2?463.084

Φ24圆钢的总延伸系数为：

???式中：

μ∑——总延伸系数 F0——原料断面面积 Fn——成品断面面积

F0 (4.1) Fn???分配各道次延伸系数：μ

∑=

F027225??58.79 Fn463.08

μ1μ2μ3?μn=58.79

26

第4章 孔型系统选择与设计 表4-1 孔型延伸系数

孔型系统 延伸系数

箱型 1.15～1.6

椭圆型 1.2～1.6

圆型 1.2～1.4

确定各道次延伸系数

表4-2 各机架延伸系数的分配

机架号 延伸系数μ 机架号 延伸系数μ

1 1.18 10 1.30

2 1.23 11 1.27

3 1.24 12 1.24

4 1.27 13 1.22

5 1.29 14 1.21

6 1.31 15 1.20

7 1.34 16 1.20

8 1.36 17 1.20

9 1.33 18 1.20

延伸系数分配的校核： μ

∑=

μ1μ2μ3?μn=1.36×1.37×1.35×?×1.14=58.68

∴分配初步合理。

4.3.2 轧制各道次面积的确定

由延伸系数与轧件断面面积关系，确定各道次轧件断面面积：单位（mm2）

表4-3 各道次轧件断面面积

道次 1 2 3 4 5 6 7 8 9

面积 23072.03 18757.75 15127.22 11911.2 9233.49 7048.46 5260.05 3867.68 2908.03

道次 10 11 12 13 14 15 16 17 18

面积 2236.95 1761.38 1420.46 1164.31 962.24 801.87 668.22 556.85 464.04

27

河北联合大学轻工学院 毕业设计说明书 4.3.3 各道次轧件尺寸及孔型尺寸计算

第1道次 箱型计算

轧件在箱形孔型系统中的展宽系数β=0～0.45。取β1=0.2

B1?165?0.2165?H1

?1?F1?B1?H1?23072.03

解得：

轧件宽度 B1=171.02 轧件高度 H1=134.91

孔型高度 HK1=H1=134.91

孔型槽底宽度 bk=B—(0～6)=165-(0～6) =165～159 在此取bk=162 孔型槽口宽度

Bk=B+β△h+(5～10)=165+0.2×(165—134.91)+（5～10）=176.02～181.02 在此取bk1=180

槽底圆角半径 r1=(0.1～0.2)h=(0.1～0.2) ×165=165～33 在此取r1=25

槽口圆角半径 r2=(0.05～0.15)h=(0.05～0.15)×165=8.25～24.75 在此取r2=15

辊缝 S=(0.02～0.05)D0=(0.02～0.05) ×680=13.6～34 在此取S=25

孔型的侧壁斜度tanΦ，侧壁斜度tanΦ一般采用10%～25%。 在此取tanΦ=15% 第2道次方型计算

B2?134.91?0.25171.02?H2

?2?F2?B2H2?18757.75

解得：轧件宽度 B2=145.42 轧件高度 H2=128.99 孔型高度 HK2=H2=128.99 孔型槽底宽度

bk=B—(0～6)=134.91-(0～6)=128.91～134.91

在此取 bk=132

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第4章 孔型系统选择与设计 孔型槽口宽度：

Bk?B???h??5～10??134.91?0.25??171.02?128.99???5～10??150.42～155.42 在此取Bk2=153

槽底圆角半径 r1=(0.1～0.2)B=(0.1～0.2)×134.91=13.49～26.98 在此取r1=15

槽口圆角半径 r2=(0.05～0.15)B=(0.05～0.15)×134.91=6.75～20.14 在此取r2=12

辊缝 S=(0.02～0.05)D0=(0.02～0.05)×680=13.6～34 在此取S=20

孔型的侧壁斜度tanΦ，侧壁斜度tanΦ一般采用10%～25%。 在此取tanΦ=15% 第3道次 平椭圆计算B2

此道次延伸系数为1.24，因此定压下率为1.60 则

h3?B2145.42?90.891.60

??由于

?0.215h3??F3?h3b3?.22?1?b??151273??

求得b3=185.96 设充满度??0.95 孔型宽度 B3?b3185.96?195.75 0.95??孔型高度 H3=h3=90.89

辊缝 S??0.18～0.30?H3??0.18～0.30??90.89?16.36～27.27 在此取S=20

2B32??H3?S?195.752??90.89?20?椭圆半径 R???152.85 4?H3?S?4??90.89?20?2槽口圆角半径r??0.08～0.12?B3??0.08～0.12??195.75?15.66～23.49 在此取r=17 第4架 圆孔的计算 轧件面积 F4??42d4?1191.21

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河北联合大学轻工学院 毕业设计说明书 求得 d4=123.18 孔型高度 F4?0.98??42h4?1191.21

求得 h4=124.43 孔型半径 R4?h4124.43??62.22 22槽口圆角半径 r4=1.5～2.0

在此取r4=2.0

孔型宽度 B4=h4+(0.5～1)=124.93～125.43 在此取B4=125

辊缝 S=(0.10～0.15)h4=(0.10～0.15)×124.43=12.4～18.66 在此取S4=15 同理可得：

d6?94.76 h6?95.72 r6?2.0 B6?96.20 S6?10 d8?70.19 h8?70.91 r8?2.0 B8?71.50 S8?8 d10?53.38 h10?53.92 r10?2.0 B10?54.50 S10?6 d12?42.54 h12?42.97 r12?2.0 B12?43.50 S12?5 d14?35.01 h14?35.37 r14?2.0 B14?36.10 S14?4 第5架 椭圆孔的计算

中间椭圆件的尺寸可以根据前后两道次圆的尺寸来求得，具体步骤如下：

图4.3 中间椭圆件尺寸的计算

d4?123.18 d6?94.76

?5?0.65 ?6?0.32

b5?d4?1??5??d6?5?1??6??1??5?6123.18??1?0.65??94.76?0.65??1?0.32??153.971?0.65?0.32

h5?d6?1??6??b5?6?94.76??1?0.32??153.97?0.32?75.81

设充满度δ=0.95

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第4章 孔型系统选择与设计 孔型宽度 B5?孔型高度H5=h5=75.81

b5??153.97?162.07 0.95辊缝 S5??0.18～0.30?H5??0.18～0.30??75.81?13.65～22.74 在此取S5=14

2B52??H5?S?162.072??75.81?14?椭圆半径 R5???121.69 4?H5?S?4??75.81?14?2槽口圆角半径r5??0.08～0.12?B5??0.08～0.12??162.07?12.97～19.45 在此取r5=14 同理可得：

S?12R7?87.16r7?13 b7?121.38h7?53.81B7?127.77H7?53.817

S?10R9?59.25r9?9 b9?88.40 h9?42.17B9?93.05 H9?42.179

b11?65.12h11?35.31B11?68.55H11?35.31S11?8R11?36.19r11?6

S?6R13?23.68r13?5 b13?50.70h13?29.99B13?53.37H13?29.9913

S?5R15?18.25r15?4 b15?41.33h15?25.29B15?43.51H15?25.2915 第16架 圆孔的计算

轧件面积 F16??42d16?668.22

求得 d16=29.18

成品前孔基圆的构成与成品尺寸关系密切，由生产经验可知：当圆钢规格在 13～30mm之间时 H16??1.21～1.26?d0?29.04～30.24 取H16=29.81

孔型宽度Bk3??1.02～1.03?H16?30.41～30.70 则取Bk3=30.41～30.70 辊缝S的取值为2～3mm，则S=2

圆钢直径d0为12～25mm时，槽口圆角r之间为2mm。 第18架 圆孔的计算 轧件面积 F18??42d18?465.27

求得 d8=24.23

成品孔基圆半径R：H18??1.011～1.014?d0，其中(1.011～1.014)为热膨胀系数，在这里取1.012

H18?1.012?24?24.23mm

R?H1824.23??12.12mm 2231

河北联合大学轻工学院 毕业设计说明书 为了保证圆钢的椭圆度要求，成品孔内径的开口宽度按下式确定：

表4-4 圆钢开口宽度

成品圆钢直径/mm

10～30

侧壁斜度%

50

侧壁角 26035’

B?2R2?12.12?Stan???1.5?tan26.58?26.49cos?cos26.58

当圆钢直径为18～30mm时，S=1.5 圆钢成品孔型的槽口圆角r=2 第17架 椭圆孔的计算

由以上可得： Hk3=d16=29.18mm d0=24mm

表4-5 成品孔与成品前椭圆孔宽展系数的确定

圆钢直径/mm

9～28

成品孔K1中的?1

0.3～0.45

成品前椭圆孔K2中的?2

0.7～1.1

在此取β1=0.4 ，β2=0.9 b17??Hk3?1??2??d0?2?1??1?1??1?2h17?d0?1??1??b17?1?24??1?0.4??39.38?0.4?17.84

辊缝S在此取S=2

29.18??1?0.9??24?0.9??1?0.4??39.381?0.4?0.9

Bk2?b17??0.5～1??39.38??0.5～1??39.88～40.38

取Bk2=40 Hk2=h17=17.84

槽口圆角 r??0.06～0.14?Bk2?2.15～5.03 取r?3 椭圆圆弧半径

Bk22??Hk2?S?39.382??17.84?2?R???28.44

4?Hk2?S?4??17.84?2?22

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