材料成型课程设计热轧中厚板工艺设计DOC.docx
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材料成型课程设计热轧中厚板工艺设计DOC
材料成型课程设计
热轧中厚板
热轧中厚板工艺设计
刘天循
109024102
2014年1月2日星期四
第1篇课程设计简介
1.1节课程名称：
材料成型课程设计
1.2节课程类型：
必修课
1.3节教学对象：
材料成型专业本科生
1.4节设计目的：
《材料成型课程设计》是材料成型专业必修课之一，是课程教学的一个重要环节。
其轧钢方向的课程设计要求达到以下目的：
1）把《塑性工程学》、《塑性加工原理》、《塑性加工车间设计》、《孔型设计》等专业课程中所学的知识在实际设计工作中综合加以运用，巩固所学的专业知识，提高对专业知识和相关技能的综合运用能力。
2）本次设计是毕业设计前的最后一个教学环节，为进一步培养学生工程设计的独立工作能力，团队协作意识，树立正确的设计思想，掌握工艺设计的基本方法和步骤，为毕业设计工作打下良好的基础。
1.5节课时安排：
2周
1.6节设计题目：
根据学生人数进行分组，每组一个大题目，题目给出必要的设备参数和工艺条件，要求每个学生完成不同的任务。
1.7节题目举例：
热轧板带工艺设计
热轧中厚板工艺设计
热轧棒材工艺设计
1.8节设计内容：
板带工艺：
产品技术要求
工艺流程
规程设计（包括力能参数计算）
工艺布置图（AutoCAD）
型钢工艺：
产品技术要求
工艺流程
孔型设计（包括力能参数计算）
孔型图（AutoCAD）
1.9节基本要求：
每生要求独立完成工艺流程、规程设计（孔型设计），掌握工艺设计的基本内容，基本步骤和方法，熟练使用AutoCAD进行工程图的绘制。
具体要求：
1）独立完成自己所负责的内容；
2）熟练搜集查阅文献资料；
3）综合运用所学的专业知识进行设计计算；
4）熟悉计算机绘图、文字及图表处理；
5）完成设计报告，要求文字通畅，结构明晰；
6）严格按照课程设计进度和教师要求，高质量地完成课程设计工作。
1.10节考核：
每生交一份完整工艺设计报告（打印）（40%），平时成绩（30%），课程结束时就各学生所完成的内容进行答辩（30%）。
1.11节进度安排：
产品技术要求1天
工艺流程0.5天
规程设计（孔型设计）5天
工艺图（孔型图）绘制1.5天
课程设计报告2天
1.12节题目内容：
主要设备参数
项目
粗轧机
精轧机
轧机型式
四辊可逆轧机
PC轧机
工作辊辊身尺寸/mm
Ø850~950×3800
Ø850~950×3800
支撑辊辊身尺寸/mm
Ø1700~1800×3700
Ø1700~1800×3700
工作辊辊颈尺寸/㎜
Ø500×480
Ø450×420
支撑辊辊颈尺寸/㎜
Ø1200×1150
Ø1200×1150
工作辊材质
合金铸铁
合金铸铁
支撑辊材质
铸钢
铸钢
最大轧制压力/MN
70
70
最大轧制力矩/MN*m
2×2.6
2×1.975
最大轧制速度/m*s-1
4.239
6.123
最大工作开口度/mm
500
400
主电机功率/Kw
2×5000
2×5500
主电机转速/rpm
0~45~90
0~65~130
压下速度/mm*s-1
25
15
表格1
本设计主电机的功率分别选用：
粗轧机组Ph1=2×5000Kw
精轧机组Ph2=2×5500Kw
1.13节计算钢种：
Q235
坯料及产品规格：
坯料采用2000×1500×200mm的连铸坯，产品规格如下：
6*220010*220014*220016*220018*220020*220025*2200
6*260010*260014*260016*260018*260020*260025*2600
6*280010*280014*280016*280018*280020*280025*2800
1.14节设计任务：
1设计轧制规程；2计算各道轧制力；3画平面布置简图。
具体为：
1）在咬入能力允许的条件下，按经验分配各道次压下量，这包括直接分配各道次绝对压下量或压下率、确定各道次压下量分配率（
）及确定各道次能耗负荷分配比等各种方法；
2）制定速度制度，计算轧制时间并确定逐道次轧制温度；
3）计算轧制压力、轧制力矩及总传动力矩；
4）检验轧辊等部件的强度和电机功率；
5）按前述制定轧制规程的原则和要求进行必要的修正和改进。
第2篇热轧中厚板工艺设计
2.1节产品技术要求
钢种为Q235，尺寸规格6mm×2800mm。
1.1成品状态
钢板可以采用常规轧制，TMCP控轧，常化或调质处理。
1.2表面
钢板的表面状态分为黑皮、喷丸、涂漆、喷丸+涂漆。
钢板要求表面缺陷少、光整平坦而洁净，不得有对使用有害的质量缺陷，当钢板表面有缺陷时，通过修磨或焊接出去缺陷或进行修补。
1.3尺寸、重量、外形
尺寸及重量偏差要求在允许偏差范围内，钢板外形要求矩形度良好，四角充满，可采用切边处理或免切边工艺。
1.4性能
屈服强度≦235MPa，抗拉强度375~500MPa，6mm厚度时伸长率≧26，碳当量小于0.3%，强度、塑性指标和焊接性能得到较好配合，具有一定的弯曲冲压性能。
1.5化学成分
Q235A级含C≤0.22%Mn≤1.4%Si≤0.35%S≤0.050%P≤0.045%
Q235B级含C≤0.20%Mn≤1.4%Si≤0.35%S≤0.045%P≤0.045%
Q235C级含C≤0.17%Mn≤1.4%Si≤0.35%S≤0.040%P≤0.040%
Q235D级含C≤0.17%Mn≤1.4%Si≤0.35%S≤0.035%P≤0.035%
2.2节工艺流程
由连铸机供给的板坯经二次切割精整后，进入连续加热炉加热，出炉板坯经高压水除鳞后，进入四辊可逆粗轧机进行数个道次的整形、展宽轧制，再进入四辊PC轧机延伸轧制，根据要求冷却后热矫直。
钢板进入冷床冷却，经检查、切头、切尾、分段、切边/剖分、定尺、标志、堆存、发货。
需冷矫钢板送冷矫直机矫直后至成品跨堆存、发货。
2.3节规程设计
3.1轧制方法
由于坯料采用2000mm×1500mm×200mm的连铸坯，长度，故采用横轧法。
除鳞后即转钢90°横轧到底。
压下规程计算说明
平均道次压下率28%
N=log（20.0/200.0）/（log（1-0.28））→10.6743079
取道次数12x:
=2000.8⋅12→13.743895347200以下各参数的计算说明一般以第一道次为例
3.2分配道次压下量
为抑制奥氏体晶粒过分长大，造成相变后铁素体晶粒粗大，需压缩轧制时间，尤其是轧制间隙时间。
由于钢种是普碳钢，出于细化晶粒，提高钢材强韧性的目的，强调道次压下率，且道次压下率大于临界压下率。
为充分利用轧机能力，轧制道次较少，每道次分配的变形率较大。
中间道次充分利用钢坯温度高，变形抗力低的优势，采用较大的压下量。
随温度的降低，变形抗力增加，道次绝对压下量逐渐减少。
最后1~2道次为了保证板形良好和厚度精度采用较小的压下量。
道次取8道精轧道次4道。
轧制阶段
道次i
Hi（mm）
Δhi（mm）
hi（mm）
εi（%）
L（mm）
B（mm）
粗轧
1
200
30
170
15.00
1260.50
2800
2
170
24
146
14.11
1467.71
2800
3
146
30
118
20.54
1815.98
2800
4
118
28
90
23.74
2380.95
2800
5
90
24
66
26.66
3246.75
2800
6
66
18
48
27.27
4464.28
2800
7
48
14
34
29.16
6302.52
2800
8
34
10
24
29.41
8928.57
2800
精轧
9
24
7
17
29.16
12605.04
2800
10
17
5
12
29.41
17857.14
2800
11
12
4
8
30.33
26785.71
2800
12
8
2
6
25.00
35714.28
2800
表格2
合计：
根据后面第四步计算知粗轧总持续时间39.19s精轧总持续时间37.61s两轧机能力匹配
3.3校核咬入能力
四辊可逆式中厚板轧机的轧制速度可调，因此采用低速咬入，实际的最大咬入角一般可以达到22°~25°。
对给出的中厚板轧机，咬入条件将不是限制压下量的主要因素。
热轧钢板咬入角一般为15°~22°，低速咬入可取为20°，辊径取最小值850mm，故：
咬入不成问题。
3.4确定速度制度
由于四辊可逆式中厚板轧机可以随时间改变轧辊的转向和速度，所以从尽量缩短轧制周期，提高轧机产量的角度出发，有必要采取可以调速，可以逆转的轧制速度制度。
三角形速度轧制的轧制节奏时间比梯形速度的短，因此，在设计过程中，粗轧阶段采用低速咬入三角形速度轧制。
在保证厚度精度的前提下，精轧采用梯形速度轧制。
由于精轧时咬入能力很富余，可以采用高速咬入，且咬入时速度高有利于轴承油膜的形成，故精轧采用稳定速度咬入。
D:
=900mmπ:
=3.14取平均加速度a:
=40rpms⋅−1平均减速度b:
=60rpms⋅−1
图片二1
图片二2
3.4.1轧辊咬入和抛出速度的确定
确定的原则是：
获得较短的道次轧制节奏时间，保证轧件顺利咬入，使得轧机在调整压下时间之内完成轧辊逆转动作，便于操作和适合于主电机的合理调速范围。
为减少电机反转和轧件返回时间，中间道次低速抛钢；成品道次为了减少纯轧时间和轧件运输时间，全速抛钢。
粗轧机的轧辊咬入和抛出速度一般在10~20rpm和15~25rpm范围内选择。
精轧机的轧辊咬入和抛出速度一般在20~60rpm和20~30rpm范围内选择。
但第一道次第一道咬入角最大故采取较低速度稳定咬入和低速抛出轧制速度n11:
=40抛出速度n12:
=20
3.4.2最大轧辊转速的计算
纯轧时间内转过的轧辊工作面长度有如下确定公式：
式中F为从咬入到抛出轧件转速曲线下的面积（图中阴影部分）
推得：
查得相关资料上给出最大转速计算公式：
式中a，b为轧辊加速与减速时的加速度；
n1为咬钢时的轧辊转速；
n3为抛钢时的轧辊转速
式代入
式得到恒等式，受个人能力所限，难以通过计算得出三角形速度制度下的最大轧辊转速。
若忽略每道次宽展及前滑影响，可获得n2的近似值，为速度制度的确定提供参考。
粗轧时设定a=30rpm/s，b=40rpm/s。
式中L为轧件长度，D取最小值。
3.4.3纯轧时间的计算
对于三角形速度图的纯轧时间：
对于梯形速度图的纯轧时间：
3.4.4确定轧制间隙时间t0
可逆式中厚板轧机道次间的间隙时间通常取轧辊从上一道抛出转速到下一道咬入转速之间的时间间隔、轧辊调整压下时间和回送轧件（包括转90°和对正）时间中的最长时间。
根据经验数据，t0取值规则：
当L<3.5m时间隙时间取2⋅5s
3.5mL大于8m时取4s
如图2.1所示，每道轧制延续时间tj=tz+t0，其中t0为间隙时间，tzh=t1+t2。
设v1为t1时间内的轧制速度，v2为t2时间内的平均速度，l1及l2为在t1及t2时间内轧过的轧件长度，l为该道次轧后轧件长度，则v1=pDn1/60,v2=pD（n1+n2）/120,t2=n1-n2,b
故减速段长l2=t2v2，而t1=（l-l2）/v1=（l-t2v2）/v1。
D取平均值。
对于1道取n1=40n2=20;
对于2、3、4道取n1=60，n2=20;对于5、6、7道取n1=80，n2=20;
对于8～12道取n1=100，n2=20。
再确定间隙时间t0：
根据经验资料在四辊轧机上往返轧制中，不用推床定心时
3.4.5轧制速度表
综上所述，按经验确定各道次速度制度。
包括咬钢、抛钢、最大轧辊转速以及各道次加减速加速度和轧制延续时间tz。
轧制阶段
道次i
n1（rpm）
n2（rpm）
a（rpm/s）
b（rpm/s）
Tzh（s）
Tz（s）
T0（s）
n（rpm）
粗轧
1
40
20
40
60
0.76
3.26
2.5
30
2
60
20
40
60
0..74
3.24
2.5
40
3
60
20
40
60
0.87
3.37
2.5
40
4
60
20
40
60
1.07
3.57
2.5
40
5
80
20
40
60
1.23
3.73
2.5
50
6
80
20
40
60
1.56
7.56
6
50
7
80
20
40
60
2.04
8.04
6
50
8
100
20
40
60
2.42
6.42
4
60
精轧
9
100
20
40
60
3.20
7.20
4
60
10
100
20
40
60
4.32
8.31
4
60
11
100
20
40
60
6.21
10.20
4
60
12
100
20
40
60
8.10
12.10
4
60
表格3
3.5轧制温度的确定
本次设计采用Q235普碳钢，为了使轧后的钢板具有细小而均匀的晶粒，加热温度设定在1150℃。
经高压水除鳞后，开轧温度一般降至1080℃左右。
为了确定各道次轧制温度，必须求出逐道的温度降。
高温时轧件温度降可以按辐射散热计算，而认为对流和传导所散失的热量大致可与变形功所转化的热量相抵消。
由于辐射散热所引起的温度降在热轧板带时，用如下公式近似计算：
式中Z为辐射时间，即该道次的轧制延续时间tz，s；
h为前一道次轧出厚度，mm；
T1为前一道的绝对温度，K
由于轧件头尾温降不同，为设备安全着想，确定各道温降时，以尾部为准。
轧制阶段
h（mm）
Z（s）
T1（℃）
Δt（℃）
T2（℃）
粗轧
延伸
1
200
3.26
1080
0.286
1079.713
2
170
3.24
1079.713
0.333
1079.379
3
146
3.37
1079.379.
0.403
1078.976
4
118
3.57
1078.976
0.525
1078.451
5
90
3.73
1078.451
0.723
1077.728
6
66
7.56
1077.728
1.070
1076.658
7
48
8.04
1076.658
1.638
1075.020
8
34
6.42
1075.020
2.493
1072.527
精轧
9
24
7.21
1072.527
4.054
1068.472
10
17
8.31
1068.472
6.725
1061.747
11
12
10.20
1061.747
11.898
1049.849
12
8
12.10
1049.849
20.764
1029.084
表格4
因为粗轧和精轧的轧制时间大致相同，考虑到轧件在中间辊道的温降时间可能不止8s，以及轧机每道次除鳞高压水的冷却作用，实际的终轧温度应低于950℃。
表中T2为轧制温度，℃
3.6变形制度的确定
3.6.1各道变形程度
用相对变形量表示，即压下率。
e=H−h
H
3.6.2各道平均变形速度
轧辊平均线速度：
式中n为轧辊平均转速，rpm；
D为轧辊直径，取最小值，mm
平均变形速度选用如下公式：
式中R——工作辊半径；
H——轧件原始厚度；
h——轧件出口厚度
3.6.3各道变形抗力
周纪华等人采用碳钢和合金在高温、高速下测定得到的变形程度、变形速度和变形程度对变形阻力影响的大量实测数据而建立了非线性回归模型。
此模型的计算结果与经典变形抗力曲线图对比，当变形速度在1~30s，变形温度在850~1200℃之间时，结果能够很好的吻合曲线。
结构如下式：
式中
；
——基准变形抗力，MPa；
t——变形温度，℃；
——变形速度，
；
——变形程度对数应变，
；
——回归系数，其值取决于钢种。
表1普通碳钢变形抗力数学模型回归系数
钢种
回归系数
σ0/Mpa
a1
a2
a3
a4
a5
a6
Q215
150.0
-2.793
3.556
0.2784
-0.2460
0.4232
1.468
Q235
150.6
-2.878
3.665
0.1861
-0.1216
0.3795
1.402
Q235-F
140.3
-2.923
3.721
0.3102
-0.2659
0.4554
1.520
表2优质碳素结构钢变形抗力数学模型回归系数
钢种
回归系数
σ0/Mpa
a1
a2
a3
a4
a5
a6
08F
136.1
－3.387
4.312
0.5130
－0.5320
0.5887
1.879
08AL
136.8
－2.999
3.818
0.3552
－0.3186
0.4996
1.742
10
151.4
－2.771
3.528
0.1147
－0.0353
0.4537
1.593
20
152.7
－2.609
3.321
0.2098
－0.1332
0.3898
1.454
45
158.8
－2.780
3.539
0.2262
－0.1569
0.3417
1.379
3.7力能参数计算
轧制力能参数计算的目的是对设备能力，包括轧辊强度、主电机功率进行校核，并根据校核结果，判断压下规程的合理性及对其进行相应的修正。
3.7.1各道平均单位压力
已知平均单位压力公式：
式中
——应力影响系数
这里采用斋藤公式计算：
式中
——变形区轧件平均厚度；
l——变形区长度，
则有：
使用公式时
，否则用
。
平均厚度可通过如下公式计算：
式中
，rad；
R取最大值；
3.7.2各道轧制力
忽略宽展，各道次轧制力可按下式计算：
式中B为轧件宽度。
3.7.3计算传动力矩
在轧制过程中，传动轧辊所需力矩有下面4个部分组成：
式中
——轧制力矩，使轧件塑性变形所需力矩；
——克服轧制时发生在轧辊轴承，传动机构等的附加摩擦力矩；
——空转力矩，克服空转时的摩擦力矩；
——动力矩，克服轧辊不匀速运动时产生的惯性力；
i——轧辊与主电机间的传动比，使用人字齿轮传动，传速比为1。
1）轧制力矩
轧制力矩计算式：
式中P——轧制压力；
φ——力臂系数，φ=0.78+0.017R/h-0.163（R/h）1/2热轧中厚板取0.40~0.50，粗轧道次取0.50，精轧取0.40；
l——变形区长度
2）附加摩擦力矩
组成附加摩擦力矩的基本数值有两大项：
轧辊轴承的摩擦力矩和传动机构的摩擦力矩。
式中
——轧辊轴承中的摩擦力矩，
；
——支撑辊辊颈直径；
——轧辊轴承摩擦系数，油膜轴承取0.003；
——传动机构效率，齿轮传动取0.97。
3）空转力矩
一般轧机的空转力矩按经验办法确定，取电机额定力矩的3%~6%。
式中
——电动机额定转矩，
，N·m；
——电机额定功率，kW；
——电机额定转速，rpm。
对新式轧机取下限，旧式轧机取上限。
4）动力矩
本设计粗轧阶段采用变速轧制，故须产生克服惯性力的动力矩。
其数值可由下式确定：
式中
——转动部件的飞轮矩；
——角加速度，rpm/s
飞轮矩的确定：
式中m——工作辊质量，kg，
，铸铁
；
g——重力加速度，
D——工作辊直径
轧制阶段
道次
变形抗力
（MPa）
轧制力
（MN）
轧制力矩
（MN·m）
传动力矩
（MN·m）
摩擦力矩M
（MN·m）
粗轧
1
65.34
17.61
2.33
2.63
0.196
2
64.14
14.36
1.84
1.87
0.15
3
76.08
19.74
2.44
2.86
0.22
4
80.60
21.11
2.42
2.85
0.22
5
84.73
20.34
1.97
2.36
0.19
6
86.32
19.33
1.62
1.99
0.17
7
87.43
17.53
1.32
1.56
0.14
8
89.68
16.66
0.98
1.21
0.12
精轧
9
90.00
14.95
0.76
1.01
0.10
10
87.77
12.52
0.63
0.78
0.08
11
86.61
11.44
0.44
0.66
0.07
12
83.36
10.78
0.33
0.53
0.06
表格5
2.4节轧辊强度校核
四辊轧机由于支撑辊的作用负荷分配发生变化，支撑辊抗弯截面系数较工作辊大，因此轧制时的弯曲力矩绝大部分由支撑辊承担。
在校核支撑辊强度时，按全部载荷考虑。
工作辊只传递扭矩，计算强度时忽略弯曲强度只考虑扭转切应力。
辊系受力图：
图片二3
工作辊强度校核：
图片二4
粗轧机辊颈扭转切应力：
2.86为粗轧机最大总传动力矩
精轧机辊颈扭转切应力：
1.01为精轧机最大总传动力矩
工作辊材
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