无缝钢管毕业设计说明书.docx
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内蒙古科技大学毕业设计说明书
内蒙古科技大学
本科生毕业设计说明书
题 目：
年产40万吨Ф100无缝钢管车间工艺平面设计，以Ф40×5，35CrMo钢为典型产品，年产量占25%
学生姓名：
学 号：
专 业：
材料成型及控制工程班 级：
指导教师：
0
年产40万吨Ф100无缝钢管车间设计
摘要
本设计进行了建设年产40万吨Ф100MRK无缝钢管厂的可行性分析；产品大纲及金属平衡表的编制；管坯的选择。
确定车间生产工艺、产品工艺制度；车间生产能力计算；主电机选择；辅助设备选择。
车间技术经济指标的计算及对如何保护环境提出一些措施。
并针对35CrMo钢，规格为Φ40mm×5mm×6000mm为典型产品进行轧制表计算，孔型设计及工具选择。
计算上述典型产品在穿孔、轧管及定、张减径时的力能参数，并且在此基础上校核各轧辊和主电机。
根据生产工艺用CAD绘制孔型图，根据车间布置用CAD软件绘制了无缝钢管车间工艺平面总布置图。
关键词：
无缝钢管；孔型设计；轧制表；轧制力能参数
VI
Theannualoutput400,000tonsФ100seamlesssteelpipeWorkshopdesigned
Abstract
ThefeasibilityofTheannualoutput400,000tonsФ100MRKseamlesstubeplant;productsprogramandmetalbalanceestablishment;tuberoundchoiceisanalyzed.Andworkshoptechniqueofproductionandproductcraftsystem;mainelectricalmachinery’schoice;workshopannualoutputcomputation;supportingfacility’schoiceweredesigned.Notonlytechnicaleconomytargetofworkshopandprotectionwerecalculated,butalsoaimedatthetwotypicalspecificationofΦ40mm×5mmof35CrMorollinginstruments;rollpassdesignandtooldesignwhichiscalculatedComputedrollingforcewhenintheperforating,steelrollingandsizing,tubestetch-reducingofthetypicalproducts,andexaminedrollersandthemainelectricalmachinery.AccordingtotheabovecomputationandtheworkshoparrangementformIhavedrawnuptheSeamlesssteelpipeworkshopfloor-planandthepasschartusingtheAutoCADsoftware.
Keywords:
Seamlesssteelpipe;groovedesignofthemill;passschedule;rollingforce
目录
摘要 I
Abstract II
1.1无缝钢管介绍 1
1.2我国无缝钢管发展状况及发展趋势 1
1.2.1我国无缝钢管发展现状 2
1.2.2我国高压锅炉管发展趋势 3
1.3我国钢管轧机的发展状况及发展趋势 3
1.5建厂选址及其可行性分析 5
第二章产品方案的制定 8
2.1设计任务 8
2.2产品方案的编制 8
2.2.1产品大纲的制定原则及编制 8
2.2.2产品大纲的编制表 10
2.3金属平衡表 11
2.4高压锅炉管的技术要求 12
2.5工艺流程的确定 15
第三章轧制表计算 16
3.1轧制表编写概况 16
3.2Φ40×5管轧制表计算 17
第四章MRK-S连轧机孔型设计及定减径机孔型设计 20
4.1Φ40×5连轧机孔型设计 20
4.2张力减径机的孔型设计 24
4.2.1总减径率 25
4.2.2分配各机架的单机减径率及求出各机架孔型的平均直径 25
4.2.3张力分布的计算 30
4.2.4各机架钢管壁厚的计算 31
4.2.5各机架轧辊孔型高度和宽度 33
第五章主辅设备的选择及工具设计 36
5.1穿孔设备的选择及工具设计 36
5.1.1斜轧穿孔机工具的设计 36
5.1.1.1斜轧穿孔机的轧辊的设计 37
5.1.1.2顶头设计 39
5.1.1.3导盘设计 41
5.1.2穿孔设备选择和主要技术参数 42
5.1.2.1概述 42
5.1.2.2穿孔机技术参数 43
5.2连轧管机选择及工具设计 44
5.2.1连轧管机工具设计 44
5.2.1.1轧辊设计 44
5.2.1.2连轧管机的芯棒 46
5.2.2连轧管设备的主要技术参数 46
5.3脱棒机的工具设计 50
5.4芯棒循环系统 51
5.4.1概述 51
5.4.2芯棒预热 51
5.4.3芯棒润滑 52
5.4.4芯棒预穿 52
5.4.5芯棒冷却 53
5.4.6芯棒润滑膜的保护 53
5.4.7设备性能参数 53
5.5张减机的工具设计 55
5.6加热炉的选择 57
5.6.1概述 57
5.6.2加热制度 58
5.6.3炉子结构及辅助设备 59
5.7切头切尾锯 61
5.8再加热炉 62
5.9冷床 63
5.10切断设备 64
5.11矫直设备 65
第六章穿孔机强度校核 66
6.1轧制力能参数计算 66
6.2穿孔机轧辊校核 75
第七章 连轧管机轧制力能参数和轧辊校核及主电机选择 78
7.1Φ40×5力能参数计算和轧辊校核 78
7.1.1管材轧制力计算 78
7.1.2连轧管每个轧辊传动力矩估算为 83
7.1.3轧辊强度校核 84
7.2主电机选择及校核 85
第八章生产能力计算 88
8.1Φ40×5钢管车间生产能力计算 88
8.1.1加热炉小时产量 88
8.1.2穿孔机的小时产能 89
8.1.3轧管机的小时产能 90
8.1.4张力减径机的小时产能 90
8.1.5综合平均生产能力 91
8.2车间年产量计算 92
8.2.1车间平均小时产量计算 92
8.2.2轧机的年工作时间的确定 93
8.2.3车间年产量计算 93
第九章车间平面布置 94
9.1车间设计内容及平面布置原则 94
9.2金属流程线确定 95
9.3设备间距 96
9.4仓库面积计算 97
9.5其他设施面积确定 98
9.6轧钢车间厂房组成及立面尺寸的确定 99
第十章车间技术指标及环境保护 101
10.1各类材料消耗指标 101
10.2车间的环境保护 102
10.2.1绿化 102
10.2.2消烟和防尘 102
10.2.3噪音防治 102
10.2.4水质处理 103
10.2.5车间节能与综合利用 103
10.2.6加热炉余热的利用 103
10.2.7氧化铁皮的利用 103
参考文献 104
致谢 105
0
第一章在包头地区建设热轧无缝钢管的必要性与可行性分
1.1无缝钢管介绍
无缝钢管是一种具有中空截面、周边没有接缝的圆形，方形，矩形钢材。
无缝钢管是用钢锭或实心管坯经穿孔制成毛管，然后经热轧、冷轧或冷拨制成。
无缝钢管具有中空截面，大量用作输送流体的管道，钢管与圆钢等实心钢材相比，在抗弯抗扭强度相同时，重量较轻，是一种经济截面钢材，广泛用于制造结构件和机械零件，如石油钻杆、汽车传动轴、自行车架以及建筑施工中用的钢脚手架等。
1.2我国无缝钢管发展状况及发展趋势
50多年来，中国钢管业的发展取得了举世瞩目的辉煌成就。
1994年无缝管年产量
303.95万t，居世界第一位。
2001年焊管年产640.36万t，超过了日本，独占鳌头。
钢管的产量与钢材呈同步增长的强劲势头，占钢材的比重保持在8%左右[1]。
全国200多家无缝管企业50多年来为国家作出了巨大贡献。
这些企业包括无缝钢管、冷拔冷轧管、不锈钢管等厂公司，也包括国有、民营、合资企业等。
但争雄国内的重点企业主要有7家，它们是：
宝钢、天津、鞍钢、成都、包钢、衡阳、大冶等无缝钢管厂（公司）。
由于我国钢管生产技术装备水平的显著提高，具有先进技术水平的（短流程）钢管生产工艺（炼钢/精炼—连铸管坯—连轧管）在钢管生产企业大力推广，钢管产品的质量普遍接近或达到国际先进水平，产品覆盖了石油、化工、锅炉、煤炭、汽车、船舶、电站以及军工、航空、航天、核能、钢结构等行业和领域，同时还部分出口；还有一批具有高附加值、高技术含量的产品，如特殊扣套管、高钢级锅炉管、钻杆等产品正在开发或在批量试生产中，不久将替代进口产品[2]。
我国无缝钢管生产技术的最新进展，包括新设备、新工艺、新技术。
其中热连轧无缝钢管生产技术、PQF连轧机组、钢管挤压生产技术、斜轧扩径机组、冷轧无缝钢
81
管设备和工艺技术、石油管材耐腐蚀设计都得到钢管企业的普遍重视。
从国际和国内两个市场来看，无缝钢管（包括石油专用管）的现有生产能力均已大于需求。
所以，今后的重点应放在充分发挥现有机组的能力，开发出高强度等级、高抗击毁、高抗腐蚀的石油管、高压锅炉管和气瓶管等产品，也是国家针对当前我国钢铁市场进行优化产品结构的内容，这也是增加在国内外产品竞争力、扩大市场份额的关键所在。
1.2.1我国无缝钢管发展现状
目前国内现有的无缝钢管生产装备水平参差不齐，既有落后的，也有最先进的。
早期建设的热轧无缝毛、荒管生产设备较为简陋，技术落后，消耗高，污染严重，现已基本停产，但仍有部分处在半停半开状态。
有的设备经过调整和改造，专门用于生产单一的品种，如一般用途的轴承管、低中压锅炉管、结构管、流体输送管等，其装备按照满足其定位品种和规格的质量和要求，进行调整和改造，达到降低投资、降低消耗和降低成本的先进工艺流程[2]。
目前我国有无缝管厂家130家左右，近200台套机组。
其涵盖了当今世界上各种机组，见图1.1
图1.1无缝轧管机组的构成
在无缝钢管的产量中,各种专用管的比例占40%左右,专用管多年来一直有较大缺口。
专用管的主要品种为油井管、高压锅炉管、低中压锅炉管、轴承管、液压管、高压气
瓶管和汽车半轴套管等。
无缝钢管产业仍还存在装备技术创新和产品开发力度不够等问题。
在技术装备上,
主要的无缝钢管生产设备仍依靠进口一些高附加值产品的开发力度不够,如油井管中特殊丝扣、抗腐蚀及部分高强钢级产品还没有完全过关,这些产品仍需进口;在超临界和超超临界站锅炉用的高压锅炉管中,合金结构钢及不锈锅炉管的研发速度跟不上需求,基本依靠进口。
1.2.2我国高压锅炉管发展趋势
火力发电机组的效率主要取决于机组的参数，参数越高，机组效率越高，而高压锅炉管是提高机组效率的关键。
总体来说，随着火力发电向更高参数的发展，锅炉的温度和压力越来越高、管道工作环境越来越苛刻、管道尺寸不断增加，因此需要高合金高压锅炉管的量越来越大，对管材承压耐温及材质的要求越来越高，对管材的精度要求也更为苛刻。
专家预测，我国“十一五”后期及“十二五”期间电力发展将趋于平稳，发电装机容量的增长率平均可保持在8%左右，以2008年发电装机容量为基数，按每年增加8%可计算出2009-2015年新增装机容量平均增长5500万kW/年，再考虑1.1亿kW的落后机组淘汰新建和约10%的整套锅炉出口，可推算出2010-2015年国内的锅炉发电机组的产量平均仍将保持在6000万kW/年左右的增长。
按照100t/万kW高压锅炉管计算，并考虑到15%的电站安装与维修及其他消费，今后几年对高压锅炉管的需求量仍将在70万吨左右。
综上所述，目前我国高压锅炉管产量已供大于求，国内无缝钢管企业可以生产供给国内95%以上品种的高压锅炉管需求，但由于超临界、超超临界和更新的机组对钢种及规格提出更高的要求，要完全替代进口，国内无缝钢管企业还需要努力追赶。
1.3我国钢管轧机的发展状况及发展趋势
（1）自动轧管机组
自上世纪50年代初由前苏联援建的第一条自动轧管机组生产线在鞍钢投产以来，我国已经建成无缝钢管机组近200台套（包括引进设备和自己研制设备）。
包钢400自动轧管机组建于1972年。
改革开放以前，无缝钢管生产主要是以自动轧管机组为主和少量的其他形式轧机
（如三辊轧管机、生产大口径的周期式轧管机等）。
（2）连轧管机组
80年代中期，宝钢从德国引进了第一条先进的浮动芯棒连轧管机组生产线，主要生产油井管和锅炉管，其全自动化的生产方式和高效的生产能力以及良好的产品质量，让无缝钢管同行开阔了眼界，增长了见识。
我国天津钢管公司在意大利定购了MPM（限动芯棒连轧管机组）。
衡阳钢管89半浮动、鞍钢无缝140限动也都相继引进了连轧管机组生产线。
包钢于90年代引进180限动芯棒连轧管机组。
（3）其它轧管机组
攀成钢177mm引进accu-roll精密轧管机组,大冶钢厂（湖北）170mmAssel三辊轧管机组。
包钢120小无缝于08年建成（三辊斜轧管机组）。
这些机组均代表了当今世界无缝钢管的先进水平。
天津无缝又引进了168mm三辊式轧辊可调连轧管机组（半浮动芯棒的PQF）,它是世界第一台全面改进传统的二辊式限动芯棒连轧管机组（MPM、Mini-MPM）的新型连轧管机组。
经过多次改造的攀成钢周期轧管机组的装备水平和生产能力均居世界同类机组前列。
上钢五厂和长城协和钢管为生产中小口径合金钢管及不锈钢管而引进的挤压机、冷轧管机生产线也具有世界水平。
1.4国内市场调查、研究与预测
从总量看，我国无缝钢管市场目前供求已基本平衡或略微供大于求。
但从品种、规格看，目前高质量、小规格（厚壁管）的合金无缝钢管仍有缺口，需要从国外进口，尤其是油井管和高压锅炉管（核电用管）及高钢级（耐腐蚀）的输送管线管[3]。
2009年世界经济仍将保持复苏及良好运行，继续拉动对钢铁产品的需求，钢管保持出口旺盛的态势。
特别是出口退税并未涉及出口量较大的石油天然气输送和钻探用无缝钢管，出口仍将保持快速增长。
中国经济仍将保持较高的增长速度，“十一五”期间，
中国能源需求强劲是中国钢管发展的直接动力和间接动力。
预测2011年将消费25~33亿t标煤，“十一五”期间能源建设将投资3.5万亿元，到2020年，我国能源工业累计投资将达到10万亿元。
其中，2020年煤炭生产能力将达到28亿t，年均投资700亿元;
2011年石油产量将达到1.8亿t，年均投资500亿元;天然气产量达到1100亿元，年均投资300亿元。
据此预计内市场无缝钢管需求仍十分旺盛，特别是石油石化、电力行业的快速发展，仍将对无缝钢管具有稳定的需求[4]。
火电设备用钢管年平均100t/万kw左右，规格Φ16～1066mm，壁厚1～130mm，合金比60%～70%，图1.2所示为2001~2007年高压锅炉管销售量及进出口量，从图6可以看出近3年市场销售量变化不大。
在2007年进口钢管中锅炉管占34.74%，进口的品种、规格主要是大直径、厚壁管及国内生产有难度的产品（如
T/P24、T/P92、T/P122、T/P911、VM12、TP347HFG等）。
图1.22001-2007年我国高压锅炉管销售量及进出口量情况
1.5建厂选址及其可行性分析
（1）厂址地理自然条件
包头地处渤海经济区与黄河上游资源富集区交汇处，北部与蒙古国接壤，南临黄河，东西接沃野千里的土默川平原和河套平原，阴山山脉横贯中部。
包头境内有阴山山脉的大青山、乌拉山（以昆都仑河为界），
山峰平均海拔2000米，最高峰海拔2324米。
全市由中部山岳地带、山北高原草地和山南平原三部分组，呈中间高，南北低，西高东低的地势。
黄河流经包头市境内214公里，公路、铁路两桥并行飞架黄河南北。
包头属半干旱中温带大陆性季风气候，年平均气温6.4℃，年降水量310mm。
（2）交通、运输状况
包头是连接中国华北、西北的重要交通枢纽，现已基本形成了铁路、公路、航空综合交通网络。
其中贯通华北、西北地区的大动脉京包、包兰铁路、包神铁路在包交汇，东行可连北京，西行可连兰州，南行可连太原、西安、上海、宁波等地，交通运输非常便利。
（3）水、土地资源状况
充足的水资源是包头经济赖以发展的重要条件。
黄河流经包头境内214公里，水面宽130米到458米，水深1.6米到9.3米，平均流速为每秒1.4米，最大流量每秒
6400立方米，年平均径流量为260亿立方米，是包头地区工农业生产和人民生活的主要水源。
此外，艾不盖河、哈德门沟、昆都仑河、五当沟、水涧沟、美岱沟等河流，水流量可观，也是可以利用的重要水资源。
包头可利用地表水总量为0.9亿立方米（不包括黄河过境水）。
地下水补给量为8.6亿立方米。
包头土地总面积27768平方公里，其中，山地占14.49％，丘陵草原占75.51％，平原占10％。
已开发和利用的土地中，市区面积为140.5平方公里；耕地面积占土地面积比重14.3％；森林面积149.2千公顷，草原面积2086.5千公顷。
（4）能源条件
包头的矿产资源具有种类多、储量大、品位高、分布集中、易于开采的特点，尤以金属矿产得天独厚，其中稀土矿不仅是包头的优势矿种，也是国家矿产资源的瑰宝。
已发现矿物74种，矿产类型14个。
主要金属矿有：
铁、稀土、铌、钛、锰、金、铜等30个矿种，6个矿产类型。
非金属矿有：
石灰石、白云岩、脉石英、萤石、蛭石、石棉、云母、石墨、石膏、大理石、花岗石、方解石、珍珠岩、磷灰石、钾长石、珠宝石、紫水晶、芙蓉石、铜兰、膨润土、高岭土、增白粘土、砖瓦粘土等40个矿种。
能源矿有：
煤、油页岩等。
内蒙古地区预测煤炭储量达12250亿吨，居全国第二位。
包头地区有着良好的煤
电产业发展基础，丰富的赋存和易于开采的煤炭资源。
稳定的煤源保证了电力的正常运转，蒙西电网覆盖自治区中、西部地区，供电面积占自治区域的56%。
十一五期间，电力投资又形成了相当规模的新增生产能力[5]。
综上各条件，在包头这个西部的中心地带建设锅炉钢管厂，不仅可以为当前锅炉管业的巨大市场需求提供服务，又可合理利用包头本地以及周边地区的有效物产资源，还可解决当地民生就业问题，选择包头地区作为建厂的厂址是当前形式之所需，更合乎客观真理。
第二章产品方案的制定
2.1设计任务
以包头地区为厂址选择，设计一个年产量为40万吨的Φ100无缝钢管厂，其中规格为Φ40×5的35CrMo合金无缝钢管，占年产量的25%。
2.2产品方案的编制
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。
2.2.1产品大纲的制定原则及编制
产品方案是设计任务书中的主要内容之一，是进行车间设计时制定产品生产工艺过程、确定轧机组成和选择各项设备的主要依据。
产品方案一经确定，车间的类型及其性质即已确定[6]。
（一）制定原则：
⑴国民经济发展对产品的要求
根据国民经济各部门对产品数量、质量和品种等方面的需要情况，既考虑当前的急需，又要考虑将来发展的需要。
⑵产品的平衡
考虑全国各地生产的布局和配套加以平衡。
⑶建厂地区的条件、生产资源、自然条件、投资等的可能性。
（二）编制注意以下各点：
⑴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。
⑵考虑各累产品的平衡，尤其是地区之间的平衡。
⑶考虑轧机生产能力的充分利用和建厂地区的合理分工。
有条件的要争取轧机向专业化和产品系列化方向发展，以利用提高轧机的生产技术水平。
⑷考虑建厂地区资源及钢的供应条件，物资和材料运输情况，逐步完善和配套起我国自己的独立的轧钢生产体系。
⑸要解决产品品种和规格的老化问题，要适应当期对外开放、对内搞活的新的经济形势的需要。
要根据车间工业设备的情况，力争做到产品结构和产品标准现代化，有条件的要考虑生产一些出口产品，走向国际市场。
2.2.2产品大纲的编制表
表2.1产品编制表
序
号
钢管品种
钢管规格
外径 壁厚
年成品
长度
产量t
代表钢号
或
产品标准
（mm） （mm）
（mm）
钢 级
石油裂
Ф32~90.
9000～12
1
化管
4.00~10.0
0
000 80000
10 、20
GB9948-2006
GB3087-
2
低中压
锅炉管
Ф32~90.
4.00~10.0
0
1000~12
80000
000
10#、20#、6
Mn
1999、GB5310
-95
3
高压化
Ф32.0~9
4.00~10.0
10000~1
40000
Q345、5Cr
GB6479-86
肥管
0.0
2000
Mo
GB9948-88
4
低温管
Ф32.0~9
4.00~10.0
9000～12
20000
16MnDG
GB8163
道管
0.0
000
09Mn2VDG
高压锅
Ф32.0~9
GB5310-1995
5
4.00~10.0
6000 100000
35CrMo
炉管
0.0
ASTMSA210
船舶用
Ф32.0~9
9000~12
LR
6
管
4.00~10.0
0.0
20000
000
C10、20
GB5132-85
10#、20#
GB/T8163-2008
7
输送流
Ф32.0~9
4.00~10.0
10000~
20000
，A53A、B
ASTM
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