机械毕业设计（论文）-高线精轧机设计【全套图纸】.doc
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内蒙古科技大学
本科生毕业设计说明书
题目：
高线精轧机设计
学生姓名：
学号：
200540401332
专业：
机械设计制造及其自动化
班级：
机2005-3班
指导教师：
64
内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
摘要
本文是针对高线精轧机的设计。
此轧机是由摩根公司设计制造,这种类型的忆机在国内和国际都是比较先进的。
摩根高速线材轧机已经发展到了第五代了，它在世界上已有180多条生产线，主要是因为它在45º无扭精轧机组和控制冷却工艺上的成功。
随着工业的发展，要求线材盘重大直径公差大，有良好的机械性能。
因此，线材轧机向着高速度、高质量、大盘重、高精度方向发展。
它的主要特点如下：
1.以碳化钨辊环代替轧辊，使换辊方便；
2.实现了无扭轧制；
3.采用组合结构，使轧机结构紧凑。
4.采用小辊径的碳化钨辊环。
关键词：
精轧机;辊环；设计
内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
Abstract
Thedesign’ssubjectisdirectedforverticalRollingMill.
Atpresent,rodmillhasmadegreatprogress,MorgrnRodMillhasgointothefifthgeneration.Therearemore180productsintheword.Treasonwhythiskindofhigh-speedrodmillisdevelopedsoquicklyisthatithas45-no-torsinfinishmillandadvancedsystemofcooling.Withthedevelopmentofindustry,peoplerequirestringproductshavemorecoilweight,bigtoleranceindiameter,andperfectmechanicalproperty.Theirmaincharactersinclude:
1）ReplacementofrollerwishWCrollingcircle,makesitconvienienttoshiftroller.
2）Non-twistrollingisrealized.
3）Adoptionofcombiningstructurehastherollingmillmorecompact.
4）ThehandstiffnessofWC3hasmadethediameterofrolldecreasegreatly.
Keyword:
Pre-precisionrollingmill;Rollcollar;Design
内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
目录
摘要 I
Abstract II
第一章引言 1
1.1国内现有生产线装备水平的四个等级 1
1.2国内线材轧机的发展 3
1.3当前生产中应用的主要技术、新装备 5
1.4当前生产中主要纯在的问题 8
1.5第四代高线轧机 9
1.5.1第四代高线轧机简介 9
1.5.2第四代高线轧机改造 10
1.6线材轧机的特点、作用及工艺要求 13
1.7本文设计的内容、特点 17
第二章高线精轧机的设计计算 18
2.1设计整体方案 18
2.2轧机总体布置 18
2.3力能参数的计算 18
2.3.1轧制力的计算 19
2.3.1.1平均轧制力的计算 19
2.3.1.2轧制力的计算 22
2.3.2轧制力矩的计算 23
2.3.3轧制功率 25
2.4主传动系统的设计计算 25
2.4.1主电动机的选择与校核 25
2.4.1.1轧机主电机力矩 25
2.4.1.2按静负荷选择电动机容量 28
2.4.1.3电动机的发热校核 30
2.4.2齿轮联轴器的选择与计算 30
2.4.2.1齿式联轴器的选择 31
2.4.3锥齿轮的设计与校核 32
2.4.3.1材料的选用 32
2.4.3.2按接触疲劳强度设计 32
2.4.3.3校核齿根弯曲疲劳强度 33
2.4.3.4弧齿锥齿轮的几何尺寸 33
2.4.4齿轮轴的设计计算 34
2.4.4.1选择齿轮材料及许用应力 34
2.4.4.2按齿面接触强度设计 35
2.4.4.3按齿根弯曲强度设计 36
2.4.4.4几何尺寸计算 37
2.4.4.5强度校核 40
2.4.5轧辊轴的设计计算 44
2.4.5.1选择轴的材料 44
2.4.5.2初步估算轴径 45
2.4.5.3初步选择轴承 45
2.4.5.4轴上的力弯矩 45
2.4.5.5轴的强度校核 52
2.4.6轴承的选择与计算 52
2.4.6.1已知参数 52
2.4.6.2轴承的选择 52
2.4.6.3轴承的计算 53
第三章传动箱体的设计 55
第四章压下系统的设计计算 57
4.1主传动系统的设计计算 57
4.1.1调下螺栓的设计计算 57
4.1.1.1确定螺栓直径 57
4.1.1.2确定螺栓长度 57
4.1.1.3确定螺栓的螺距 57
4.1.2辊缝调节的计算 57
第五章设备的润滑 59
结束语 60
主要参考文献 62
致谢 63
内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）
第一章引言
1.1国内现有生产线装备水平的四个等级
目前，我国正在生产的77条高速线材生产线的装备水平大致可划为四个等级，即具有世界领先水平的生产线，世界二流水平的生产线，一般水平的生产线，较落后水平的生产线。
1、具有世界领先水平的生产线
这类生产线主要以宝钢、马钢、新疆八一、安钢、酒钢、杭钢、青钢等高速线材生产线为代表，其主要特点是：
1）均从德国西马克或意大利达涅利或美国摩根或奥钢联引进。
或以点菜拼盘方式汇集了20世纪90年代后期世界线材生产的最新装备而建成。
大都在21世纪初（2,001—2003年）正式投产。
2）坯料采用连铸坯短流程热装热送工艺，热装温度可达500～750~C，加热炉采用蓄热式燃烧技术。
3）轧制的保证速度达110～120m/s。
4）采用超重型精轧机组和减定径机组，实现了完全意义上的精密轧制。
5）采用了温度闭环控制系统，实现了真正意义上的控轧控冷。
6）采用了全数字控制及交流变频调速，并设有在线测径和在线探伤装置。
7）生产效率和产品质量都能得到保障，完全具备了生产高品质产品的条件。
2、具有世界二流水平的生产线
这类生产线的主要特点是：
1）大都是20世纪90年代中期建成，部分生产线全引进，部分生产线中的主要装备引进。
2）部分生产线实现了热送，采用了先进的蓄热式加热炉。
3）轧制的保证速度在90～105m/s。
4）精轧机前设有冷却水箱并采用延迟型风冷线，能实现控温轧制。
5）精整装备较先进，自动化程度较高。
6）生产线整体装备能满足高品质产品的工艺要求。
这类生产线主要以沙钢、包钢、湘钢、武钢、昆钢、天钢、北台、邢钢、鄂钢、萍乡等高速线材生产线为代表。
3、一般水平的生产线
这类生产线的主要特点是：
1）大都是在20世纪80年代末期至90年代初期建成或由经过改造的二手设备组成。
2）轧制速度一般在70～90m/s左右。
3）采用热装热送工艺的少。
4）基本上没有采用20世纪90年代兴起的各种装备和技术。
5）采用了延迟型或标准型风冷段，能生产一般等级的产品。
6）由于投产时期都在15年以上，所以对这类生产线的设备使用，工艺应用等方面都很熟练，且积累了一套行之有效的生产经验，目前，这类生产线运行成本较低，生产效率较高。
由于产品的市场是分层次和等级的，在对应等级的市场中，这类生产线生产的产品销路仍然看好。
4、较落后的生产线
这类生产线是对原有的复二重轧机改造而成，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。
轧制速度一般在50～70m/s左右，只能生产一般水平的建筑用钢。
这类生产线目前约占77条生产线中的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。
1.2国内线材轧机的发展
线材是钢铁工业的重要产品之一，它广泛用于各项基础设施建设、建筑工程建设和金属制品行业。
从线材轧机的发展历史来看，20世纪60年代以前，轧制速度达到40m／s之后就很难再提高了。
但是人们追求更为高效的生产工艺以提高轧制速度和成品精度的目标却一直没有停止。
在这一思想的指导下，1966年世界上第一台由美国摩根公司研制成功的高速线材轧机正式生产，给线材生产领域带来了革命性的变化，揭开了高速线材工业化生产的序幕。
我国1987年开始生产高速线材，受消费结构不断升级的影响和消费市场强劲拉动的作用，生产线越建越多，产量快速增长，呈现了在装备上追求高速、单线、无扭、微张力组合，在产品上追求高精度、高品质、大盘重等特点。
目前，我国已成为世界上拥有高速线材生产线最多、产量最大的国家，2003年全国线材总产量4007万t，其中高速线材2704.75万t，占67.5％；2004年线材总产量4940．98万t，其中高速线材预计将占75％左右。
1．概况
1）至2004年底，我国已有60个高速线材生产厂共77条生产线在生产。
主要设备靠引进的有32条；引进二手设备的有17条；我国自己设计制造的有28条。
这77条生产线中，20世纪80年代建成的有20条；20世纪90年代建成的有36条；21世纪初建成的有21条。
2）按地域划分，东北地区有8条；华北地区有19条；华东地区有28条；中南地区有13条；西南地区有8条；西北地区有3条。
按省市划分，河北省的高线产量最高，2004年产量约占全国高线产量的22％，其次为江苏省、上海市。
沙钢是我国目拥有高速线材生产线最多（4条）产量最高（年260万t）的生产企业。
3）1987年我国高速线材产量实现了零的突破，当年产量为36.06万t。
2004年产量约为3705万t，18年间高线产量增长了100倍左右。
从1997年开始，我国高速线材产量快速增长，每年平均递增量超过200万t。
特别值得一提的是：
2002年的产量比2001年增加了725.39万t，其主要原因是2000年至2001年，我国共有19条生产线投产，使高速线材的产能得以空前地释放。
4）目前我国高速线材产品的主要品种有普碳钢、优碳钢、焊条钢、焊丝钢、弹簧钢、轴承钢、碳结钢、不锈钢、高速工具钢、冷墩钢、低合金钢等。
宝钢、武钢、马钢、酒钢等还可生产一部分钢帘线。
产品规格一般为Φ5.5～Φ12mm的圆钢或螺纹钢。
包钢、武钢、杭
钢、马钢等可生产Φ5mm～Φ20mm的圆钢，邢钢还可生产大规格的盘卷。
目前我国高速线材产品大多数为建筑用材，其次为金属制品焊丝、焊条和各类标准件用钢。
5）75条生产线的平均成材率为96.1％，其中唐钢、酒钢的成材率最高达98.35％；平均单线年产量为40万t左右，其中天钢、湘钢、宣钢、酒钢、昆钢、沙钢、萍钢的单线年产量均已达65万t，有的已接近70万t。
6）目前各地正在筹划和正在建设中的高速线材生产线还有不少，预计2005年至2007年期间将有26～30条生产线陆续建成投产，新增产能将在l000万t以上，这对高速线材产品的市场将会产生较大影响。
回顾线材轧机的演变给人们的启示是：
线材轧机是朝着高速单线、无扭、自动化方向发展的，以满足用户对线材产品的要求：
大盘重、高精度和优良的使用性能与金相组织等，这样复二重轧机已经不能适应。
从七十年代末到现在，我国一些主要的钢铁企业先后引进了国外先进的高速线材轧机技术与装备。
与此同时，我国自行设计研究的高速线材轧机也取得初步成效。
这使我国的线材生产发生了重大的变化，一批集中了线材轧机新成就的的现代高速线材轧机在我国兴建，使我国的线材轧机的线材生产的又落后的三十至四十年代水平一跃提高到了七十年代末至八十年代初的先进水平，大大提高了我国线材生产同世界先进水平的差距，并通过合作制造设备和备品备件的国产化的途径，对我国现有线材轧机的技术改造提供了有利条件。
可以预见，带有有扭精轧机组的控制冷却系统的高速线材轧机将会成为我国线材生产的主力军。
1.3当前生产中应用的主要技术、新装备
1、轧前工序
为了获得优质的钢水从而最终保证线材的质量，不少生产厂尽量扩大转炉容量，增加精炼，钢坯在进加热炉前设置或预留“抛丸一超声波探伤”或“磁粉探伤一修磨”工序。
一些采用超高功率电炉的企业增加了300m3级别的高炉，将热铁水兑人废钢中冶炼，不仅改善了钢质的纯净度，而且减少了电耗。
高线生产线采用连铸坯为原料后与采用初轧坯相比，炼钢到成材，能耗可降低80kg／t标煤，金属收得率提高10％。
由于节能的需要，有条件自供坯料的生产线均力求采用热送钢坯。
2、蓄热式燃烧技术
我国20世纪90年代初期以前建的用于高线生产线的加热炉，大都采用步进底式加热炉，为了使钢坯加热温度更均匀，90年代中期以后建设的加热炉大都采用侧进侧出的全梁式步进炉。
它的主要特点是步距可调，采用新型的低NOx型烧嘴，侧烧嘴则采用带中心风的调焰烧嘴，调节比可达l：
10。
20世纪90年代中期，日本工业炉公司在开发新技术时使蓄热体在单位体上的蓄热能力取得突破性进展，研发的蓄热式燃烧技术在高线生产线钢坯加热过程中得到广泛的应用。
目前，我国大部分全梁式步进炉均运用了蓄热式燃烧技术。
蓄热式燃烧系统由蓄热室和换向装置组成，可将空、煤气同时预热至l000℃左右，可使用高炉煤气等低热值燃料。
采用此项技术的加热炉，不仅平均节能约35％，且缩短了加热时间，降低了烧损。
3、应用先进的轧机进行精密轧制
3．1减定径轧机
为了提高线材的轧制精度，满足用户对产品尺寸精度、表面质量、机械性能等的需求，20世纪90年代初，美国摩根公司和意大利达涅利公司相继开发了减定径机组。
它由2台减径、2台定径机架与1套组合变速箱传动系统组成成组更换机架。
用减定径机进行精轧的主要优点在于：
1）采用小压下量轧制，保证了产品尺寸的高精度，可达到±0.1mm的精度偏差；
2）可以进行750℃～800℃的低温轧制，改善了产品性能，达到细化晶粒的效果；
3）采用了快速换辊装置，减小了换辊时间，可提高轧机利用率l0％～15％；
4）只需1套精轧机组孔型，即可生产中φ5.0～Φ20mm范围内的所有规格的产品；
5）减定径机组轧制后，头尾可不切除，提高了收得率。
目前，我国引进的具备世界领先水平的生产线如宝钢、马钢、酒钢、安钢、杭钢等都采用了此项装备和技术。
3．2双模块轧机
该机是达涅利公司20世纪90年代中期开发的，它的主要特点是4个精轧机架分成独立的2组，每组由单独的电机变速齿轮箱传动，2台电机实现电气联锁，设于无扭精轧机后的水冷装置与吐丝机之间，通常将原有的10架无扭精轧机改为8架。
双模块轧机与减定径轧机采用的结构不同，但两者的优越性基本相同。
目前，我国约有5条生产线在精密轧制中采用
的是双模块轧机技术，如具有世界领先水平的新疆八一钢厂的高速线材生产线等。
4、低温轧制技术
低温轧制技术主要是指轧件在轧制时，将温度控制在常化温度或热机轧制温度范围内。
低温轧制技术一方面可降低燃料消耗，减少脱碳，减少烧损；另一方面轧件在低温条件下轧制、变形、延伸使晶粒产生细化，可获得更均匀、更细的微观组织，使产品的屈服强度，抗疲痨强度大大提高。
低温轧制通常在最后2道次或4道次进行，采用2道次时，最后2道次累积压下率为24％～31％；采用4道次时，最后4道次累积压下率为46％～57％。
由于低温轧制时对轧机的轧制速度、强度、电机功率等要求高，轧制负荷增大，所以低温轧制技术需在20世纪90年代中期开发的重型或超重型精轧机上进行。
我国近几年引进美国摩根公司的几套100m／s级精轧机均为重负荷型，适应了低温轧制技术对轧机的要求。
5、无头轧制技术
应用于高线生产的无头轧制技术是20世纪90年代中期分别由当时日本的NKK公司和意大利的达涅利公司开发的。
该技术的主要优点在于可提高成材率，降低消耗并使轧制过程中各项参数处于稳定状态。
其要点是将刚出加热炉的钢坯头部与前一根在粗轧机第一架的钢坯的尾部焊接起来进行无头轧制，提高了轧机生产效率，减少了切头和轧废，即使在盘条打捆时也不需要切去头尾，提高了成材率。
6、其他
1）大部分生产线配置了辊道式大风量延迟型控冷线，辊道分段有加速与落差，使线圈冷却更均匀。
2）在精轧机后或定径机后设置了热态在线测径仪及涡流探伤装置，对线材产品从头到尾的尺寸精度和表面情况进行检测，可及时发现轧制配件的缺陷和不合格品。
3）采用性能更好的夹送辊和吐丝机。
夹送辊可进行自动调整夹送压力并提供全长、头部、尾部的加减速夹送。
吐丝机的吐丝管结构与形状较20世纪90代年末时有了新的改进，主要表现为振动减小，吐丝管寿命延长并能快速更换；在吐丝管人口设置了用压缩空气吹扫氧化铁皮装置，可及时对吐丝管进行清理，在吐丝机前设置了可监视温度和振动状况的仪器，确保了吐丝机处于正常良好的工作状态。
4）集卷装置增加了密实收集线圈系统。
生产Φ14mm以下产品时，集卷筒设置线圈分配器可密实收集线圈；生产Φ14mm以上产品时，采用吐丝机驱动的WOB系统功能来密实集卷。
5）近几年投产的不少生产线，采用了全交流传动，电机测速装置为无联轴器型，由全数字控制系统对电机速度进行闭环控制。
1.4当前生产中主要存在的问题
我国的高速线生产虽然取得了较好的成绩，但仍然存在着一些问题，主要表现为：
1）普碳钢线材品种中Q215和Q235比重仍然较大，优质钢线材中合金钢线材的比例仍然偏低。
2）部分产品的质量仍有较大问题，如钢的纯净度不高，线材通条性能不够稳定，含碳量的偏差较大。
3）虽然我国已有多条世界一流的生产线，但产品的品种质量还达不到世界一流水平。
如钢帘线，虽然宝钢、武钢等已能生产，但产量偏低供应不足，尤其是产品质量还不能令用户十分满意，不能完全替代进口。
冷墩钢的冲废率还较高，高强度低松弛的绳索用钢产量远远不能满足市场的需求。
4）一些高质量的合金钢线材，纯净钢线材，易切钢线材如合金弹簧钢、不锈钢等还存在着品种和质量方面的诸多问题，每年仍需进口。
5）我国高线的日历作业率和机时产量与先进国家的生产线相比，普遍有较大的差距，造成日历作业率和机时产量低的原因除坯料供应不足外，主要是生产准备和更换尺寸所用的工时较长，设备备件寿命低且储备不足，设备维护监测手段不够完善，从而造成故障停机和检修工时长。
6）生产中热装率、燃耗、电耗等方面与先进国家的生产线相比也同样存在着一定的差距。
7）产品表面质量方面的主要问题：
a．由于自动检测装置的失准以及轧件温度不均，调整不及时或方法不当等原因造成产品尺寸超差。
b．由于辊环破缺，轧槽磨损或是坯料表面缺陷等原因造成产品表面产生折叠。
c．由于连铸坯皮下气泡严重或是轧槽严重磨损致使轧件凸起部分被叠轧造成产品表面结疤。
d．由于轧辊质量差，表面硬度不一或吐丝温度过高，冷却速度过慢，盘条表面受到严重氧化或钢坯加热不当，局部或全局严重脱碳等原因造成产品表面麻面。
1.5第四代高线轧机
1.5.1第四代高线轧机简介
按摩根分类，第四代高线轧机是保证轧速在75m/S左右的高速线材轧机。
这类
轧机在我国有一大批，包罗了当时世界上高线轧机的主要机型。
它们是在我国高线
轧机发展高潮的前期兴建的，建成投产多在八十年代中后期和九十年代初期，至今
已服役1O-15年。
这些轧机从投产至今，各项技术经济指标都超过了设计值，为国
家建设和企业发展积累资金作出了较大贡献，同时促进了我国线材轧制生产技术的
高速发展。
但是，受当时高线轧机技术发展水平的制约，这些轧机建设时的技术装
备基本以产量规模为特点，以建材等大路货为主导产品。
目前已有多家企业认识到
这种轧机难以进行产品结构调整，在很多方面不能满足市场需求和适应市场竞争，
有的企业已开始技术改造。
1.5.2第四代高线轧机改造
.技术改造是高线产品结构调整的需要
高线产品的市场竞争要求结构调整
我国线材产品的结构调整，一是淘汰复二重轧机，逐步以高线替代；二是高线
产品本身也需进行结构调整。
我国目前约有近50套已投产和在建的高线轧机，生产能力已超过15m万t。
一方面，高线产品的市场竞争异常激烈，产品一直在低价位徘徊；而另一方面
，一些高质量、高附加值、特殊用途的线材却供不应求，还需要大量进口，主要原
因是国内高线产品规格分档少.钢质纯净度低，通条性及均匀性不稳定，机械性能
和金相组织难以满足高档次金属制品专用盘条的要求，与进口盘条有一定的差距，
得不到用户的信任。
例如
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