机械毕业设计（论文）-1780精轧机工作辊设计【全套图纸】 .pdf

太原科技大学毕业设计说明书 - 1 - 第 1 章 概论 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 1.1 轧钢生产在国民经济中的主要地位与作用 轧钢生产是将钢锭及连续铸坯轧制成材的生产环节。用轧制的方法生产钢材，具有 生产率高、品种多、生产过程连续性强、易于实现自动化等优点。钢材的生产方法有轧 制、锻造、挤压、拉拔等。用轧制方法得到的钢材，具有生产过程连续性、生产效率高、 品种多、质量好、易与机械化、自动化等优点，因此得到广泛的应用。目前，约有 90 的钢都是经过轧制成材的。有色金属成材，主要也用轧制的方法。 轧钢生产在国民经济中所起的作用是十分显著的。钢铁工业生产中，除少量的钢用 铸造或铸造方法制成零件外， 炼钢厂生产的钢锭与连铸坯有 8590以上要经过轧钢车 间轧成各种钢材，供应国民经济各部门。可见在现代钢铁企业中，作为使钢成材的轧钢 生产，在整个国民经济中占据着异常重要的地位，对促进我国经济快速发展起十分重要 的作用。 1.2 国内外轧钢机械的发展状况 十九世纪中叶轧钢机械只是轧制一些熟铁条的小型轧机，设备简陋，产量不高；有 的轧机是用原始的水轮来驱动。大上个世纪五十年代以后，钢的产量大增；各先进工业 国的铁路建设与远洋航运的发展，蒸汽驱动的中型、大型轧机先后出现了。上个世纪的 电气化使功率更大的粗轧机迅速发展起来。上个纪 5070 年代，由于汽车、石油、天 然气的运输， 电器电子工业与食品罐头工业的发展， 钢材生产是以薄板占优势为特征的。 总的来说，轧钢机械向着大型、连续、高速和计算机控制方向发展。 太原科技大学毕业设计说明书 - 2 - 1.2.1 带钢热连轧机发展 带钢热轧机分为连续式带钢热轧机、四辊及多辊可逆式轧机、炉卷轧机和行星式轧 机等。 带钢热连轧机分为全连轧、1/2 连轧和 3/4 连轧机。 带钢连续式热轧机主要是生产 1.016（20）毫米的热钢板卷的，其生产的品种以 普通炭钢为主。 在世界上美国首先在 1926 年采用了热连轧板机，这台轧机安装在哥伦比亚钢铁公 司， 轧机规格为 1030 毫米， 是 1/2 连轧， 只是有一个粗轧机架， 是近代热连轧机的雏形。 四十年代以前，带钢热连轧机，几乎全部集中在美国。 19611971 年，美国新建了 11 台辊身长度为 1473 毫米以上的热连轧机，称为“第 二代轧机” 。第二代轧机具有轧制速度高、产量高、自动话程度高的特点。 我国从 19661970 年开始发展热连轧板机，1700 毫米 3/4 热连轧板机以投产，其 他规格的热连轧板机还有 1450 毫米半连轧、1450 毫米全连轧、750 毫米全连轧等。 这些年来，薄钢板的生产比重日趋增加，这是现代轧钢生产发展的一个趋势。热轧 钢板是汽车、造船、桥梁、电机、化工等工业不可缺少的原料，也是冷轧机的坯料，随 着焊管、冷弯型钢的发展，钢板的需要量日益增长。 现代带钢热连轧机发展趋势是提高产量、扩大品种、提高精度、提高自动化程度。 采取的主要措施有：提高轧制速度、加大带卷和坯料重量、建造宽辊身的全连轧、粗轧 机架近距离布置、采用快速换辊装置、提高产品精度和轧机刚度、采用板厚自动控制系 统、精轧机轧辊辊型控制、采用计算机控制。 90 年代以来，钢铁生产短流程迅速开发和推广，薄板坯连铸连轧工艺的出现，正在 改变着传统的热轧机市场。自 1987 年 7 月第一套薄板坯连铸连轧生产线在美国纽柯公 司投产以来，到 1997 年已建成的有 33 套。连铸连轧技术是将钢的凝固成型与变形成型 两个工序衔接起来，将连铸坯在热状态下继续送入精轧机组，直接轧制成带卷产品。德 国西马克公司的 csp 技术、德马克公司的 isp 技术、奥钢联开发的 conroll 技术等都有 用户采用。 1.2.2 新型热带轧机精轧机的种类 目前，新型热带轧机主要有以下几种形式：带液压弯辊技术（wrb）的轧机，cvc 太原科技大学毕业设计说明书 - 3 - 轧机、pc 轧机、hc 轧机以及 wrs 轧机等，现分别介绍如下： (1)液压变辊技术 第一种：弯工作辊的方法（如图 1- 1） 。这又可以分为两种方式：反弯力加在两工 作辊瓦座之间。即除工作辊平衡油缸以外，尚配有专门提供弯辊力的液压缸，使上下工 作辊轴承座受到与轧制压力方向相同的弯辊力 n1，结果是减小了轧制时工作辊的挠度。 这称为正弯辊。反弯力加在两工作辊与支持辊的瓦座之间，使工作辊轴承座受到一个 与轧制压力方向相反的作用力 n1，结果是增大了轧制时工作辊的挠度，这称为负弯辊。 2 热轧薄板轧机多采用弯工作辊的方法。 第二种：弯曲支持辊的方法。这种方法是反弯力加在两支持辊之间。为此，必须延 长支持辊的辊头，在延长辊端上装有液压缸，使上下支持辊两端承受一个弯辊力 n2。 此力使支持辊挠度减小，即起正弯辊的作用。弯曲支持辊的方法多用于厚板轧机，它比 弯工作辊能提供较大约挠度补偿范围，且由于弯支持辊时的弯辊 挠度曲线与轧辐受轧制压力产生的挠度曲线基本相符合，故比弯工作辐更有效，对 于工作辊辊身较长(ld 大于 4)的宽板轧机，一般以弯支持辊为宜。弯曲支持辊的方法 如图 1- 2 所示。 图 1-1 弯工作辊(左图减小工作辊的挠度；右图增加工作辊的挠度) 太原科技大学毕业设计说明书 - 4 - 图 1-2 弯曲支持辊 (2)cvc 轧机 cvc 轧机是 sms 公司在 hcw 轧机的基础上于 1982 年研制成功的。cvc 轧机与 hcw轧机的不同之处在于cvc轧机的工作辊原始辊型为s形,而hcw轧机的工作辊原 始辊型为平辊,其相同点都是采用工作辊轴向串动技术来控制板形。cvc 工作辊的轴向 移动量为100mm ,其效果相当于常规磨辊凸度在 100m 到 500m 之间变化的效果。s 形辊的半径差仅为 273m,上下轧辊线速度之差最大仅为 0.076% ,相当于带钢前滑值的 1%。cvc 系统的工作辊辊身比支撑辊辊身长出可移动的距离,以确保支承辊不会压到工 作辊边缘。由于工作辊具有 s 形曲线,工作辊与支承辊是非均匀接触,实践表明, 这种非 均匀接触对轧辊磨损和接触应力不会产生太大的影响。 cvc 轧机和弯辊装置配合使用可调辊缝达 600m。cvc 在精轧机组的配置一般是, 前几个机架采用 cvc 辊主要控制凸度,后几个机架采用 cvc 辊要控制平直度。我国宝 钢 2050mm 热带钢轧机 7 个精轧机架均采用 cvc 轧机,可调凸度 400m, f1f5 弯辊装 置可调凸度 150m,合计 550m。宝钢采用 cvc 的作用是 f1f4 改善凸度, f5f7 改 善平直度。到目前为止, 全世界已投产近 70 台 cvc 热轧机。 cvc 轧制原理图:在轧辊末产生轴向移动时，轧辊构成具有相同高度的辊缝，其有 效凸度等于零（图 1- 3(a)） 。如果上辊向左移动，下辊向右移动时，板材中心处两个轧辊 轮廓线之间的辊缝变大，此时的有效凸度小于零(图 1- 3(b)。如果上辊向右移动下辊向 左移动时，板材中心处两个轧辊轮廓线之间的辊缝变小，这时的有效凸度大于零(图 1- 3(c)。cvc 轧辊的作用与一般带凸度的轧辊相同，但其主要优点是凸度可以在最小和 最大凸度之间进行无级调整，这是通过具有 s 形曲线的轧辊作轴向移动来实现的。cvc 轧辊辊缝调整范围也较大，与弯辊装置配合使用时如 1700 热轧机的辊缝调整量可达 600m 左右。 通过工作辊轴向移动可以获得工作辊辊缝的正负凸度的变化从而实现对带 钢凸度的控制。 其凸度控制能力和工作辊轴向移动量为线性变化关系,凸度控制能力可以 达到 1.0mm。 太原科技大学毕业设计说明书 - 5 - (a)平辊缝 (b)中凹辊缝 (c)中凸辊缝 图 1-3 cvc 轧机轧辊辊缝形状变化示意图 cvc 轧机的优点是: 板凸度控制能力强； 轧机结构简单, 易改造； 能实现自由轧制； 操作方便, 投资较少。cvc 轧机的缺点是: 轧辊形状复杂、特殊, 磨削要求精度高而且 困难, 必须配备专门的磨床；无边部减薄功能；带钢易出现蛇形现象。 (3)hc 轧机 hc 轧机为高性能板型控制轧机的简称。 hc 轧机的主要特点有： 具有大的刚度稳 定性。即当轧制力增大时，引起的钢板横向厚度差很小，因为它也可以通过调整中间辊 的移动量来改变轧机的横向刚度，以控制工作辊的凸度，此移动量以中间辊端部与带钢 边部的距离 表示， 当 大小合适， 即当中间辊的位置适当， 即在所谓 ncp 点(non control point)时，工作辊的挠度即可不受轧制力变化的影响，此时的轧机的横向刚度可调至无 限大。具有很好的控制性。即在较小的弯辊力作用下，就能使钢板的横向厚度差发生 显著的变化。hc 轧机还没有液压弯辊装置，由于中间辊可轴向移动，致使在同一轧机 上能控制的板宽范围增大了。 hc 轧机由于上述特点因而可以显著提高带钢的平宜度， 可以减少板、带钢边部变薄及裂边部分的宽度，减少切边损失。压下量由于不受板形 限制而可适当提高。 (4)pc 轧机 对辊交叉(pc)轧制技术(pair crossroll)。在日本新日铁公司广烟厂于 1984 年投产的 1840mm 热带连轧机的精轧机组上首次采用了工作辊交叉的轧制技术。 pc 轧机的工作原 理是，通过交叉上下成对的工作辊和支撑辊的轴线形成上下工作辊间辊缝的抛物线，并 与工作辊的辊凸度等效。等效轧辊凸度 cr 由公式表示: ww r d b d b c 22 tan 2222 qq = (1.1) 式中 b带材宽度； 太原科技大学毕业设计说明书 - 6 - q工作辊交叉角度； dw工作辊直径。 因此带材凸度变化量为： r ccd=d 式中 d影响系数 因此，如图 1- 4 所示，调整轧辊交叉角度即可对凸度进行控制 pc 轧机具有很好的 技术性能：(1)可获得很宽的板形和凸度的控制范围，因其调整辊缝时不仅不会产生工作 辊的强制挠度，而且也不会在工作辊和支撑辊间由于边部挠度而产生过量的接触应力。 与 hc 轧机、cvc、ssm 及 vc 辊等轧机相比，pc 轧机具有最大的凸度控制范围和控 制能力。(2)不需要工作辊磨出原始辊型曲线。(3)配合液压弯辊可进行大压下量轧制， 不受板形限制。 图 1-4 pc 轧辊交叉角与等效辊凸度 (5)wrs 轧机 wrs轧机实际就是工作辊横移式四辊轧机,其板凸度控制有两种方法,即工作辊不带 锥度和带锥度。wrs 轧机在适应带钢宽度变化、控制板凸度上,尤其在减小边部减薄及 局部高点上很有效果。 1.3 我国热带轧机的发展趋势和存在问题 1 热轧带钢轧机建设进一步发展。热轧带钢轧机建设进一步发展。近年我国热连轧带钢生产发展极其迅速，表 1、 表 2 示出我国已建、在建热轧带钢轧机情况。另外，邯钢、南钢、安钢、武钢、宣钢、 承钢等也正在规划建设热带轧机。如果所有轧机全部建成，产能得到发挥，则带钢产量 将很可观，我国钢材板带比低、薄板长期供不应求的状况将根本改变。 2 轧机的国产化率逐步提高轧机的国产化率逐步提高。进入 21 世纪以后，除热连轧带钢产量大幅度提高、 轧机建设快速发展以外，轧机国产化问题也有了长足进步。目前由国外总承包的项目国 产化率普遍达到 70%以上，有的达到 90%。而且一些项目已做到全部国产化，如鞍钢 太原科技大学毕业设计说明书 - 7 - 1700、2150mm 轧机、济钢 1700mm 轧机、莱钢 1500mm 轧机、新丰 1700mm 轧机、唐 钢 1700 轧机等，由国内总承包，装备全部国内设计制造，少量关键件在国外自主采购。 从表 1 可看出，在已投产的 20 套轧机中，国产的仅有 2 套，占 1/10；但正在建设的 16 套轧机中已有/套完全采用国内技术装备，占 44%。这是一个很大的进步。国内装备虽 然在整体技术水平上与外国先进水平有一定差距，但已达到较高水平，以鞍钢 1700mm 轧机为例，其质量水平与其 1780mm 轧机相差不大。国产装备的另一优势是价格优势。 如引进国外的薄板坯连铸连轧生产线一般需投资 2030 亿人民币， 但采用国产中等厚度 薄板坯仅需 1517 亿人民币，其产量与国外生产线基本相同。 3 世界最新技术不断被采用世界最新技术不断被采用。 目前国内已建和在建热轧生产线中采用了许多最新技 术，如半无头轧制技术，其在国外刚开发不久，国内已有多条生产线采用或预留（唐钢、 马钢、涟钢、本钢、通钢等） ；如高性能控制器，西门子刚推出新一代闭环工艺与传动 控制器 tdc,，国内已有太钢 1549mm 轧机、武钢 2250mm 轧机采用，北京科技大学国 家轧制中心承担的莱钢 1500mm 轧机自动化控制系统也采用了该控制器， 使我国紧跟国 外最先进的技术发展。 事实表明， 在采用最新技术方面热连轧领域已处于国际前沿水平。 4 发展中孕育的问题发展中孕育的问题。虽然我国热连轧带钢生产的产量和技术已有极大发展，但在 发展中也存在一定问题：一是建设项目过多，分散了资金和技术力量，这是目前存在的 最大问题。一些企业距离很近，但同时建设技术水平类似、产量类似、产品类似的机组。 二是对市场和需求缺乏必要的调研，产品无特色，建设较盲目，在未来的竞争中很可能 处于不利地位。三是盲目追求高起点，对实际需求没有清醒认识，如很多企业都把汽车 用宽板、o5 表面板作为生产目标，而这类钢板的需求量很有限。四是地方观念和本位 主义限制了按经济规律办事的原则。有的企业在选址、确定规模和选择产品种类方面， 不科学、不合理，因此达不到最优化。 1.4 本次设计的目的 本次设计是对 1780mm 热连轧带钢生产精轧机组中 f1 轧机的工作辊的设计以及对 工作辊和轴承以及电机进行校核。 太原科技大学毕业设计说明书 - 8 - 第 2 章 轧辊与轧辊轴承 2.1 轧辊基础知识 轧辊是轧机的重要部件。按照轧机类型可分为板带轧机、型钢轧机和钢管轧机三大 类。板带轧机轧辊的辊身呈圆柱形，热轧板带轧辊的辊身微凹，当受热膨胀时，可保持 较好的板型；冷轧板带轧辊的辊身呈微凸，当它受力弯曲时可保证良好板型；型钢轧机 轧辊的辊身上有轧槽，根据型钢轧制工艺要求，安排孔型。钢管轧制中采用斜轧原理轧 制的轧辊有圆锥形、腰鼓形或盘形。 轧辊按辊面硬度可分为： (1) 软辊：肖氏硬度约为 3040hs，用于开坯机、大型型钢轧机的粗轧机等。 (2) 半硬辊：肖氏硬度约为 4060hs，用于大型、中型、小型型钢轧机和钢板轧机 的粗轧机。 (3) 硬面辊：肖氏硬度约为 6085hs，用于薄板、中板、中型型钢和小型型钢轧机 的精轧机及四辊轧机的支撑辊。 (4) 特硬辊：肖氏硬度约为 85100hs，用于冷轧机。 轧辊由辊身、辊颈和轴头三部分组成。辊颈安装在轴承中，并通过承座和压下装置 把轧制力传给机架。轴头和连接轴相连接，传递轧制扭矩。轴头有三种主要形式：梅花 轴头、万向轴头、带键槽的或圆柱形轴头。 2.1.1 轧辊应符合的技术要求 不论热轧或冷轧，轧辊都是实现轧制过程中金属变形的直接工具，因此，对轧辊质 量要求严格。其主要质量要求有强度、硬度、耐热性及耐用性。轧制强度是最基本的指 太原科技大学毕业设计说明书 - 9 - 标，在满足强度要求的同时，还必须有一定的耐冲击韧性。要使轧辊具有足够的强度， 主要从选择轧辊材质及确定合理的轧辊结构与尺寸上全面考虑。轧辊强度足够与否，可 根据轧辊强度计算确定。 硬度通常是指轧辊工作表面的硬度，也是轧辊的主要质量指标。它决定轧辊的耐 磨性，在一定程度上决定轧辊的使用寿命。轧辊的硬度可通过材料选用及对轧辊表面进 行某种热处理来满足要求。另外，对于热轧辊来说，它还应具有一定的耐热性，以保证 轧制产品的精度，同时也决定轧辊的使用寿命。 2.1.2 常用轧辊的材质选择 工作辊材质的选择工作辊材质的选择 粗轧前段工作辊（r1） ：粗轧前段工作辊必须具有强韧性、耐磨性及抗热裂性。硬 度范围为 hs4055 左右。一般选用 60crnimo 铸钢等材质轧辊。 粗轧后段工作辊（r2） ：粗轧后段工作辊要求使用耐热裂性能良好的材质。一般选 用半钢、高铬钢、高速钢等材质。 精轧前段工作辊（f1- 4） ：精轧前段工作辊温度高，负荷大。一般选用铸造半钢和 高铬离心复合铸铁等材质。高铬离心复合铸铁具有较高的辊面耐磨性和抗热裂性，而且 能抑制辊面斑带缺陷。 精轧后段工作辊（f5- 7） ：精轧后段工作辊使用在轧制的最终阶段，对产品质量， 表面状态产生非常重要的影响。对轧辊性能需要主要是高硬度、耐磨损、耐压痕、抗剥 落和抗热裂，一般选用无限冷硬铸铁（普通型、改进型）等材质。 支承辊、立辊材质的选择支承辊、立辊材质的选择 无论是粗轧用的或是精轧用的支承辊都要求有好的抗热裂性、耐磨性、耐疲劳性和 较高的强度。材质方面一般选用复合铸钢、合金锻钢（cr3、cr5）等材质。 2.1.3 轧辊主要技术参数 f1f4 工作辊机械性能参数见表 2- 1 所示。 表 2-1 f1f4 工作辊机械性能参数 轧 辊 名 称 精 轧 工 作 辊 屈服极限(mpa) 工作层 540-750 辊颈+芯部 450 太原科技大学毕业设计说明书 - 10 - 抗拉强度(mpa) 工作层 620-820 辊颈+芯部 450 延伸率(%) 工作层 1 辊颈+芯部 1-2 弹性模量(n/mm 2) 工作层 210000 230000 辊颈+芯部 160000 180000 f5f7 工作辊机械性能参数见表 2- 2 所示。 表 2-2 f5f7 工作辊机械性能参数 轧 辊 名 称 精轧工作辊 屈服极限(mpa) 工作层 350-620 辊颈+芯部 220-480 抗拉强度(mpa) 工作层 350-620 辊颈+芯部 240-650 延伸率(%) 工作层 1 辊颈+芯部 1-2 弹性模量 (n/mm 2) 工作层 180000 190000 辊颈+芯部 120000 180000 r2 工作辊机械性能参数见表 2- 3 所示。 表 2-3 r2 工作辊机械性能参数 轧 辊 名 称 粗轧工作辊 屈服极限(mpa) 工作层 辊颈+芯部 抗拉强度(mpa) 工作层 700-800 辊颈+芯部 400-450 延伸率(%) 工作层 0-3 辊颈+芯部 0-4 弹性模量 (kn/mm 2) 工作层 200 辊颈+芯部 160-180 太原科技大学毕业设计说明书 - 11 - 2.1.4 轧辊的磨削精度 轧辊的磨削精度见表 2- 4 所示。 表 2-4 轧辊磨削精度 轧 辊 名 称 锥 度 圆 度 f1-7w r1-2w 0.02 0.02 r2b fb 0.05 0.05 轧辊倒角轧辊倒角 倒角的目的是为了减轻轧辊端部因接触疲劳应力过大而产生的损坏。 粗轧支承辊如图 2- 1 和表 2- 5 所示。 h a 图 2-1 倒角示意图 表 2-5 轧辊倒角尺寸 轧辊名称 amax mm amin mm h mm r1w 150 120 3 r2w 40 30 5 fb、r2b 250 220 2 2.1.5 轧辊加工规定 (1) 新轧辊的初始磨削要保证精度，表面粗糙度。 (2) 轧辊加工应有效去除表面硬化层，工作辊磨后不得高于入厂时硬度 3hs，支撑 辊磨后不得高于入厂时硬度 3hs。 (3) 轧辊加工除支撑辊辊身端部 300mm 内不允许有夹杂， 气孔， 砂眼等肉眼可见制 造缺陷；粗轧工作辊辊身允许有夹杂，网裂等肉眼可见微小缺陷存在外，其余不得有任 何肉眼可见缺陷。 (4) 轧辊应成套磨削，成对存放，磨削后的轧辊必须进行表面质量，辊型及直径检 查合格后方可下机。 太原科技大学毕业设计说明书 - 12 - (5) 换辊周期根据现有轧辊材质和生产实际而定。 (6) 辊压值及辊压形式仅供配辊时参考，根据现场使用实际需要作适当的修改，调 整。 (7) 轧辊磨削加工完毕，应将轧辊磨前磨后各参数存入磨床计算机，同时填写磨削 台帐，并按磨削台帐的要求逐项填写，不得漏项。 2.1.6 轧辊常见事故案例汇编 剥落剥落 a.马鞍状剥落 缺陷描述：典型的马鞍状疲劳剥落,其源头在工作层/辊芯界面下的芯部材料,并裂至 辊身表面。可以看到，在剥落深处有一些不同亮度的疲劳线，显示扩展方向是从芯部至 辊身表面。这种剥落常发生在高荷载的四辊热轧机工作辊上，其辊芯材料是片状石墨和 铁，发生部位常位于辊身中部。 起因：剥落是由于大压下量而产生高循环载荷引起的，常发生于轧制薄而硬的材料 时。这些载荷导致在芯部材料中产生很高的交变应力，并超出其疲劳极限，于是很多微 细裂纹开始形成，导致芯部材料的渐进式破坏。第二阶段，这些微裂纹结合在一起，扩 展并穿过工作层至辊身表面，引发成大的常见的马鞍状剥落。制作过程中，芯部因受热 而产生的高残余拉伸应力“偏爱”这种类型的轧辊破坏。远在此灾难性的剥落之前的第一 阶段，芯部材料的衰弱很容易通过超声波检测出来。底面回波的降低，可以预示芯部材 料的削弱，芯部材料没有足够的疲劳强度承受特定的轧制载荷。这通常是轧辊问题造成 的。 解决办法：必须向轧辊制造商提供正确的资料，如轧制负荷（沿带钢宽度上每米轧 制的吨位）以及以前轧辊破坏的经历。制造商可以选择更高强度性能的芯部材料用于工 作辊，以适用高负荷轧机（如用球墨铸铁代替片状石墨铸铁） 。 b.积压裂纹和带状疲劳裂纹(猫舌状剥离) 故障描述：裂纹的方向通常与轴线平行，扩展时则沿非径向发展。接下来的阶段， 一条猫舌状的疲劳裂纹带逐渐沿周向扩展，方向与外周向几成平行状态，扩展的方向与 轧辊旋转方向相反。裂纹在轧辊工作面内沿深度和宽度方向逐渐增加，接着辊身表面便 发生大面积的剥落。 太原科技大学毕业设计说明书 - 13 - 起因：当受带钢头，断带缠绕或带尾折叠作用而产生的局部超高载荷超过工作层材 料的剪切强度时，初始裂纹便形成了。当工作辊和支撑辊在一个长的役期内产生外形磨 损时，便引起局部过载。不正确的 cvc 外形也会产生局部过载。连续使用弯辊工艺， 支撑辊端部未倒角，轧机故障以及轧入外来物等都会导致初始裂纹的形成。这通常是轧 机原因造成的。 解决办法：每次换辊后定期检测裂纹（超声波法，涡流法，着色法） ，及时发现危 险的裂纹。如果这些裂纹能在轧辊投入下个役期使用前被全部去除，就可以避免轧辊出 现大的破坏。一旦出现严重的轧机事故，强烈建议立即更换轧辊。在轧辊投入下个役期 前对其进行 100%的裂纹检测，并且对轧辊进行适度的磨削。其他措施对防止可能出现 的各种局部过载也是必要的。这些措施有：控制役期长度，除去足够的材料，纠正轧辊 凸度，防止断带缠绕等。 c.工作层/辊芯界面结合带剥落 故障描述：大片工作层材料随着弱结合带从芯部材料上脱落直至到达完全冶金化结 合区。该点处的裂纹向辊身表面快速扩展，从而导致大片剥落。 起因：铸造的目标是在工作层与辊芯之间得到一个充分冶金化的结合带。在运行过 程中，工作层从芯部分离开的原因是结合带强度的降低。以下任何一种原因都可能引起 这种后果：轧机工作层和辊芯之间有残留的氧化层；结合面处出现熔剂或夹渣；过量的 碳化物、微型缩孔、片状石墨或非金属夹杂物，如硫化物等。 其他导致工作层与辊芯分离的原因有：轧机发生事故后，非正常的局部过载导致产 生工作层与辊芯的局部分离，并通过疲劳裂纹沿工作层与辊芯的结合面继续扩大，当达 到临界尺寸时，便导致了继发性的大剥落。这种破坏甚至可能发生于没有金相组织缺陷 的工作层和芯部结合区。由于非正常热处理条件（如冷却系统故障、粘钢等）而在结合 区产生过量径向拉伸应力。 解决办法：超声波检测可以鉴别和量化工作层和辊芯结合的程度，并且显示结合区 缺陷在轧辊工作时可能的扩展方向。如果在轧辊使用时采用超声波检测，并且在任何分 离的临界点以前换下，那么，这种灾难性类型的失效通常是可以避免的。 裂纹裂纹 a.带样裂纹 太原科技大学毕业设计说明书 - 14 - 缺陷描述：与带钢宽度及工作辊与带钢的接触弧度有关。这种裂纹以常见的马赛克 形状出现，但与常见的细小热裂纹相比，其目格尺寸较大。 起因：当轧机突然停机时，带钢可较长时间与工作辊接触，接触区域的轧辊表面温 度急剧上升，并且热量穿透到辊身内部，导致热应力超过轧辊材料的热屈服强度。当带 钢被移走，轧辊被吊出后，轧辊辊身表面冷却了下来，这部分与带钢接触过的区域表面 因收缩而开始形成裂纹。其严重程度取决于带钢与轧辊的接触时间以及冷却速度。这通 常是轧机原因造成的。 解决办法：预防轧机停机事故及粘钢；轧机出现事故时，立即打开辊缝并关 闭冷却水。移走带钢，让轧辊慢慢冷却下来，避免与冷却水接触，以免发生严重的 裂纹。当轧辊冷却至一个均匀温度时，打开冷却水。对精轧机来说，通常要换辊。 轧 辊表面必须要进行修整直到表面没有可见的裂纹。进行超声波检测，以保证无周向或轴 向热裂纹。 b. 梯状裂纹 缺陷描述：在辊身的周向可以看到数条沿轴向的裂纹，其沿径向平面扩展。 起因：这种类型的裂纹可能源于冷却不足，如冷却喷嘴堵塞。由于大量的热进入辊 身内部，这些裂纹比一般的热裂纹深得多。这通常是轧机原因造成的。 解决办法：保证冷却水系统的有效性，并确认冷却水量和压力正确。检查冷却集管 和喷嘴的堵塞情况，在轧辊重新装入前，打开冷却水检查喷嘴的喷射图案。 c.局部热裂纹 缺陷描述：辊身显示局部区域裂纹，有时伴随印痕甚至局部剥落。 起因：这些裂纹的产生是由于受机械应力和热应力的共同作用，超过局部区域辊身 材料的屈服应力，并由于冷却不足而使裂纹扩大。轧机事故，如受冲击而产生的撞伤， 带钢焊缝，带头或带尾折叠等等都可能是造成这种损害的原因。 热裂纹和压力裂纹的结合使这种损伤非常危险，因为这可能导致带状疲劳裂纹 或突然的剥落。这通常是轧机原因造成的。 解决方法：改善轧制条件以避免此类轧机故障。事故后立即换下轧辊并进行详细的 检验和适当的表面处理。 太原科技大学毕业设计说明书 - 15 - 2.2 轧辊材料及主要参数的确定 2.2.1 初选轧辊材料 用于轧辊的合金钢在我国重型机械企业标准 jb/zq428986 （轧辊钢） 中已有规定。 在带钢热轧机的工作辊选择轧辊材料时要求辊面硬度要很高，故在选择轧辊材料是多采 用铸铁轧辊。而支承辊在工作中主要受弯曲应力，且直径也较大。因此在设计中着重考 虑轧辊的强度和轧辊的淬透性。所以，在实际的设计中多选用 cr 合金钢。 热轧工作辊用钢的钢号为： 55cr 、 50crmnmo、 60crmnmo、 50crnino、 60simnmo、 70cr3nimo 等。本次设计的轧辊材料取 50crnimo 2.2.2 轧辊参数确定 辊身长度的确定 辊身长度l应大于所轧钢板的最大宽度 max b ，即 abl+= max (2.1) 式中 l辊身长度； max b板带材的最大宽度； 式中a值视钢板宽度而定， 当 max b=4001200mm 时， 取a=100mm； 当 max b=1000mm 2500mm 时，取a=150200mm；当钢板更宽时，a=200400mm。 本次设计为 1780mm 轧机，则有 max b=1600mm a=180mm 查表知，l/d=2.14.0，常用比值为 l/d=2.42.8；则辊径 d=825735mm，本次 取最大辊径 825mm。 2.2.3 工作辊和支承辊颈尺寸d和l的确定 辊颈尺寸是指辊颈直径d和l，它与所用轴承型式及工作载荷有关。辊颈直径 太原科技大学毕业设计说明书 - 16 - 因轴承径向尺寸所限， 致使辊颈与辊身交界处通常成为轧辊发生破坏的薄弱环节。 因此， 在轴承外围尺寸允许的条件下，应尽可能使辊颈直径取得大一些。 d=d)5 . 055. 0( （2.2） 式中 d工作辊辊颈直径； d工作辊辊身直径。 d=825)5 . 055. 0(=453.75412.5mm 根据理论与实际的考虑，d=490mm。 83 . 0 /=dl1.0 l=490mm，根据理论与实际的考虑传动侧l=387mm；操作侧l=392mm。 式中 l工作辊辊颈长； 2.2.4 轧辊辊头的结构尺寸确定 辊头尺寸指的是轧辊传动端的辊头尺寸。轧辊的辊头基本类型有)a梅花辊头；)b 万向辊头；)c圆柱形辊头；)d带平台的辊头。为了装卸轧辊轴承的方便，辊头用可装 卸的动配合扁头。此时辊头平台更为适合，其结构尺寸如图 2.1 所示： a d a-a a a 图 2-2 带平台的辊头 a =d 4 3 （2.3） d =d)95. 09 . 0( （2.4） 式中 d 轧辊辊头直径； d轧辊辊颈。 d=490)95. 09 . 0(=441465.5mm，取 d=470mm 式中 d工作辊辊头直径； 太原科技大学毕业设计说明书 - 17 - a =490 4 3 =367.5mm，取a =345mm 式中 a 工作辊辊头平台； 2.3 轧制力和轧制力矩的确定 精轧机组（f1f7） 七台四辊精轧机机座之间以 6000mm 的间距串联布置形成了一条七机架连轧精轧 机组。每个机座的上下工作辊用一台直流马达通过马达接手、齿轮减速（或齿轮座）以 及轧机的主传动轴驱动。 精轧机组主要技术参数：精轧机组主要技术参数： 工作辊：f1f4 辊径辊身长825/735mm1780mm； f5f7 辊径辊身长680/600mm1780mm； 支承辊：f1f7 辊径辊身长1550/1400mm1760mm； 轧制力：f1f4max4200t； f5f7max3500t； 电机参数：f1f7 2ac7800kw190/550rpm。 精轧阶段工艺计算精轧阶段工艺计算 在本设计为生产 4 1600 5000mm 板材的工艺设计。这次设计中主要设计精轧机 组。由 48 1600mm 轧制到 4 1600mm，粗轧结束的温度为 1178.88c，考虑到轧件进 入精轧机之前需进行剪切，损失一部分热量，定进入精轧区温度 1000c。轧辊尺寸按 名义尺寸mm825=f。 2.3.1 压下规程的分配 精轧机组的主要任务是在七架连轧机上将粗轧带坯轧制成板形、尺寸符合要求的成 品带钢，并需保证带钢的表面质量和终轧温度。拟定精轧压下规程就是合理分配各架的 压下量及确定各架的轧制速度。精轧机组典型的压下率分配见表 2- 7。 2.3.2f1 机架压下率( %e )的确定，求出 ih 连轧机组分配各架压下量的原则：其原则一般也是充分利用高温的有力条件，将压 下量集中在前几架，对于薄规格产品，在后几架轧机上，压下量慢慢减少，以保证板型、 厚度精度和表面质量。 在具体分配压下量时一般考虑：1）第一架考虑到带坯厚度的可能波动和可能产生 太原科技大学毕业设计说明书 - 18 - 咬入困难，压下量略小于最大压下量。2）第二、三架给予尽可能大压下量，以充分利 用设备能力。3）以后各架慢慢减少压下量，到最末一架一般在 10- 15%左右，以保证板 型，厚度精度及性能质量。 根据设备负荷允许和轧制工艺特点， 轧制 41600mm 带钢的各架压下量可用经验法 直接分配给各架，分配如下表： 精轧机组轧制分配如表： 项目 / 架次 1f 入口厚度（mm） 48 相对压下率 (%e) 40 出口厚度（mm） 28.8 绝对压下量 （dh） 19.2 2.3.3 校核咬入能力 热轧钢板时最大咬入角一般为- 2215，低速咬入时取20，则最大压下量 )20cos1 (max-=ddh=25.48)20cos1 (825-mm 绝对压下量均小于 48.25mm，故咬入不成问题。 2.3.4 轧制速度的确定 图 2-3 精轧速度图 确定各架的速度 精轧机组各机架速度应满足体积不变条件，即 1 122iinn h vh vhvh vci=ll (2.5) 太原科技大学毕业设计说明书 - 19 - 式中：i机架号； i h 第i架出口板带厚度； i v 第i架速度。 设精轧机最后一架的抛出速度为 10m/s，则根据上式可计算出前六架的抛出速度。 代入数据得： 1 102 0.85/ 23.5 vm s = 由前滑定义知：轧辊速度 1 v v s = + (2.6) 则轧辊速度： 1 0.85 0.77/ 10.11 vm s= + 设精轧机组最后一机架经过一级加速后的速度为 15m/s，则根据上式计算出前六架 轧机的速度： 1 15 2 1.28/ 23.5 vm s = 设精轧机组最后一架的咬入速度为 10m/s，则根据上式计算出前六架轧机的咬入速 度： 1 102 0.85/ 23.5 vm s = 2.3.5 确定轧件在该道次中的轧制时间 精轧机组的间隙时间： 00 121 111 () n ts vvv - =+l (2.7) 式中： 0 s 精轧机组各机架间的距离，取 0 s = 6m。v精轧机组各机架的咬入速度。则 00 121 111 ()16.50 n tss vvv - =+=l 第一机架各阶段的轧制时间： 带钢咬入阶段： 6 10.4614.45 1.5 ts=+= 一级加速 a 段：取加速度 2 1 0.13/am s=则： 1.280.58 3.33 0.13 a ts - = 二级加速 b 段：取加速度 2 1 0.17/am s=则： 1.7 1.28 2.5 0.17 b ts - = 稳定轧制时间： 70.10 c ts= 则该周期轧制时间 t=14.45+3.33+2.5+70.10=86.4s 太原科技大学毕业设计说明书 - 20 - 2.3.6 轧制温度的确定 带坯在中间辊道上的冷却时间，等于间隙时间加上精轧第一架的纯轧时间。精轧第 一架的纯轧时间，等于轧制周期减去尾部通过各架的时间。 轧件尾部通过精轧各架的时间为： 00 121 111 () n ts vvv - =+l (2.8） 式中： 0 s 机架间距离；v轧件的抛出速度。 代入数据得： 016.5ts= 故精轧第一架的纯轧时间为 0 83.4 16.566.9tts-=-= 带坯在中间辊道上的冷却时间为1566.981.9zs=+= 故带坯进入精轧第一架的温度为： 0 1 40 31 0.0386() 1000 t t tz h = + (2.9) 式中： 0 t 粗轧第六道次的尾部温度；h进入精轧第一架的轧件厚度。 注：在轧制不锈钢时，考虑到奥氏体不锈钢和马氏体不锈钢在进入精轧机的温度应 不低于 1000。 所以为减少轧制过程中的温降， 在粗轧到精轧的中间辊道上设置保温罩。 故取轧件进入精轧第一机架的温度为 1000。 尾部通过精轧机组的总温降为： 401 (1) 17.2() 1000 nn snt t v h e - d = (2.10) 式中： n v 第七机架的抛出速度； 代入数据得： 4 6 (7 1) 1000273 17.2()81.3 10 21000 te -+ d = 即每架温降为 81.3 13.6 6 td = 故尾部终轧温度为 1000- 81.3=918.7 2.3.7 计算该道次的平均变形速度 平均变形速度： 12 2() () h v r hh e d = + (2.11) 太原科技大学毕业设计说明书 - 21 - 式中：r轧辊半径，mm；v轧辊在该道次的最高线速度，mm/s；h轧制前的轧 件厚度，mm；h轧制后的轧件厚度，mm； 60 dn v p = (2.12) 式中：d轧辊直径，mm； n轧辊最大转速，mm； 则精轧 f1 机架平均变形速度计算如下： 1 1 2 170015.7 10.59 39.223.5412.5 se - = + 2.3.8 计算各道平均单位压力 应力状态影响系数：0.7850.25 l h h=+ 式中：h变形区轧件平均厚度，mm； l变形区长度，mm； 代入数据得： 1 1.43h= 平均单位压力：1.15 s ph d= 式中： s d材料的变形抗力，mpa。 则各道次的平均单位压力为： 11.15 1.43 235385.58pmpa= 2.3.9 计算该道次总压力 轧制压力：pblp= 式中：l变形区长度，mm；b 轧件宽度，mm；则 knp49.31029 1= 2.3.10 计算该道次的轧制力矩 轧制力矩由下式计算： 12 2() z mpr hy=d，y为合力作用点系数。一般对热轧板带 轧制约为 0.420.50，取y=0.48。 12 ()r hld= ，为变形区长度，mm； 计算结果如下： 太原科技大学毕业设计说明书 - 22 - 1 2247.39 z mkn m= 2.4 轧辊的强度校核 轧辊直接承受轧制压力和传动轧辊的传动力矩， 属于消耗性零件。 就轧机本身而言， 轧辊安全系数最小。因此，轧辊强度往往决定整个轧机的负荷能力。 本设计中精轧机组前四架为同一规格的轧机，后三架为同一规格。其材质、许用弯 曲应力见表 2- 6。 表 2-6 本设计轧机材质、许用弯曲应力 轧机 材质 许用弯曲应力 mpa 二辊轧机 四辊轧机 f1f4 f5f7 工作辊 支承辊 工作辊 支承辊 工作辊 支承辊 工作辊 支承辊 高铬铸钢 合金铸钢 高铬铸钢 合金铸钢 高铬铸铁 锻钢 高铬铸铁 锻钢 100120 14001600 100120 14001600 8090 1201400 8090 1201400 四辊轧机，由于有支承辊，给轧机计算带来了新的特点。首先是工作辊和支承辊之 间有弯曲载荷的分配问题；其次是工作辊和支承辊之间存在相当大的接触应力。 设计轧辊时，通常是按工艺给定的轧制负荷和轧辊参数进行强度校核。由于对影响 轧辊强度的各种因素（如温度应力、参与应力、冲击载荷值等）很难准确计算，为此， 设计时对轧辊的弯曲和扭转一般不进行疲劳校核，而是将这些因素的影响纳入轧辊的安 全系数中（为了保护轧机其他重要部件，轧辊的安全系数是轧件各部件中最小的） 。 为防止四辊板带轧机轧辊辊面剥落，对工作辊和支撑辊之间的接触应力应该做疲劳 校验。 四辊轧机的支撑辊直径 d2 与工作辊径 d1 之比一般在 1.52.9 范围之内。显然， 支撑辊的抗弯端面系数较工作辊大的多，即支撑辊有很大的刚性。因此，轧制时的弯曲 力矩绝大部分有支撑辊承担。在计算支撑辊时，通常按承受全部轧制力的情况考虑。由 于四辊轧机一般是工作辊传动，因此，对支撑辊只需计算辊身中部和辊径端面的弯曲应 太原科技大学毕业设计说明书 - 23 - 力。 2.4.1 工作辊的扭转强度校核 由于有支撑辊承受弯曲力矩，故工作辊可只考虑扭转力矩，即仅计算传动端的扭转 应力。扭转应力为 k k w m =t （2.13） 式中 k m 作用在一个工作辊上的最大传动力矩； k w 工作辊传动端的扭转断面系数。 驱动一个工作辊的传动力矩 1k m有轧制力矩 1 m、 工作辊带动支撑辊的力矩 s m 和工 作辊轴承的摩擦力矩 1f m组成，即 111fsk mmmm+= 或由下式计算： z kmod m mmmm i =+ （2.14） 其中： （1）轧制力矩由下式计算： 12 2() z mpr hy=d，y为合力作用点系数。一般对热轧 板带轧制约为 0.420.50，取y=0.48。 12 ()r hld= ，为变形区长度，mm； 计算结果如下： 1 2247.39 z mkn m= （2）附加摩擦力矩由两部分组成： 12mmm mmm=+ 式中： 1m m轧辊的轴承中的摩擦力矩； 2m m传动机构中的摩擦力矩。 在四辊轧机中 1 g mz z d mpfd d = （2.15） 辊颈直径 z d =490mm；式中： f 支承辊轴承的摩擦系数，此处取 0.003。 g d 、 z d 工作辊及支承辊的直径。:第 14 道次（f1f4） z d =1550mm， g d =825mm。 计算结果如下： 太原科技大学毕业设计说明书 - 24 - 第一架： mknmm=28.24 1 传动机构中摩擦力矩 2m m可由下式计算： i mm m mz m )( ) 1 1 ( 1 2 + -= h （2.16） 式中：h传动效率系数。减速比 i1=5，i2=4，i3=3，i4=2 i5=1，i6=1，i7=1，接轴 倾角 o 3a，故可取h0.94，故得 () i mm m mz m 1 2 064. 0 + = 第一道次： mknmm=08.29 2 总的附加摩擦力矩 12mmm mmm=+ 第一道次： mknmm=36.53 （3）轧机的空转力矩 空转力矩是指空载转动时轧机主机列所需的力矩。通常是根据转动部分轴承引起的 摩擦力矩计算之。一般可按经验公式确定： (0.030.06) oh mm= （2.17） 式中： h m电动机的额定转矩，9550 e h e n m n =(nm) 式中： e n 电机的额定功率，kw； e n 电机的额定转速，r/min。 精轧机组： 电机:27800kw 0190510rpm m0=0.05955027800/190nm=40knm （4）作用在电机轴上的动力矩 d m 2 375 d gddn m dt = (2.18) 式中： 22 gd kn m 换算到电机轴上的轧辊传动装置中所有旋转件的总飞轮力矩； dn dt 电机的加减速率，rpm/s； 根据经验资料，四辊可逆轧机 2 gd 取 140 2 kn m 太原科技大学毕业设计说明书 - 25 - 四辊可逆轧机 加速轧制时： 140 40164.35 375 da m=kn m 减速轧制时： 140 60219.52 375 da m=kn m 计算轧制各个阶段的力矩 空载加速期： 1oda mmm=+ 加速轧制期： 2 z omda m mmmm i =+ 稳速轧制期： 3 z om m mmm i =+ 减速轧制期： 4 z omdb m mmmm i =+- 空载减速期： 5odb mmm=- 空载稳速期： 6o mm= 传动力矩