管钢轧制课程设计.doc

辽宁科技大学课程设计 1 辽宁科技大学 课程设计说明书课程设计说明书 设计名称：管钢轧制课程设计 指导教师：李继光 学院：材冶学院 班级：材控 102 姓名：xxx 日期：2013 年 12 月 20 号 辽宁科技大学课程设计 2 目录 前言 .- 3 - 钢管设计任务书.- 4 - 一 、 140 机组生产工艺概述.- 5 - 1.1 主要设备 .- 5 - 1.2 工艺流程 .- 6 - 1.3 工艺要求 .- 6 - 二、轧制表的制定- 14- 2.1 轧管机 .- 14 - 2.2 穿孔机 .- 15 - 2.3 均整机 .- 17 - 2.4 定径机 .- 18 - 2.5 轧制表绘制 - 22 - 三、力能参数及强度校核.- 24 - 3.1 计算机剪切及加热能力.- 24 - 3.2 穿孔机的轧辊设计 - 24 - 3.3 穿孔机顶头设计 .- 26 - 3.4 穿孔机能力参数计算 -26 - 3.5 穿孔机轧辊强度校核校核. .-28 - 结语 .- 31 - 重要参考文献.- 31 - 辽宁科技大学课程设计 3 前言前言 钢管被广泛用于工业及民用等领域，是与其特性分不开的。钢管的特性有 两个方面：具有封闭的中空几何形状，可以作为液、气体及固体的输送管道； 在同等重量下，钢管相对于其他钢材具有更大的截面模数，也就是说它具有更 大的抗弯、抗扭能力，属于经济断面钢材、高效钢材。钢管的种类繁多，性能 也各不相同。按其生产的方式可分为热轧无缝管、焊接钢管（有缝管） 、冷加工 管三大类。按钢管的用途可分为流体管、结构管、石油用管、锅炉管，汽车半 轴管、液压支柱管、化肥管，军工管等。 鞍钢股份公司无缝钢管厂，是新中国第一座无缝钢管厂。于 1953 年 12 月 26 日正式竣工投产，是闻名全国的鞍钢“三大工程”之一，被誉为新中国无缝钢 管的“摇篮”，是国内重点无缝钢管生产企业之一。 鞍钢无缝钢管厂主要产品包括：石油油管、外加厚石油油管、GP 石油油管、 AG80 隔热石油油管、石油套管、GP 石油套管、石油接箍管、石油钻杆管、管线 管；结构管、流体管、高中低压锅炉管、高压化肥管、石油裂化管、地质钻探 管、军工用管、航天航空用管、汽车半轴管、液压支柱管、高压气瓶管、机械 加工管等。鞍钢股份公司无缝钢管厂，高度重视产品质量。1997 年，通过 ISO9002 质量管理体系认证；1998 年，通过美国石油协会 API 认证；2001 年， 通过 ISO14001 环境体系认证；2002 年，通过 GB/T28001 职业健康安全管理体 系认证。已经形成一整套完善的职业健康、环境保护、安全管理、产品质量保 证体系。1999-2004 年，获得中国冶金产品实物金杯奖。2002-2005 年，连续 4 年获辽宁省用户满意企业。生产的高端石油管系列产品大量打入国内重点油田 和北美、欧洲、澳洲、东南亚等国际市场。 鞍钢无缝钢管厂目前拥有 159MPM 限动芯棒五机架连轧机组、具有年产量为 20 万吨，219 改进型自动轧管机、具有年产能力为 25 万吨，100 圆盘延 伸机组、具有年产力能为 10 万吨，同时拥有石油管加工生产线和冷拔生产线， 是国内重点无缝钢管生产企业之一。 鞍钢无缝钢管厂本着“高起点、低投入、快产出、高效益”的技改方针，于 2002 年投资 2.98 亿元引进当今世界最先进的德国西马克米尔公司 159MPM 限 动芯棒五机架连轧管机、意大利安莎尔多电控设备及奥地利 MFL 公司排管锯， 对 AG 机组实施大规模技术改造。工程于 2002 年 7 月 25 日正式开工，2003 年 8 月达产。改造后的 159MPM 机组创造了国内同类型引进机组“工程投资最少、 建设周期最短、达产速度最快”的记录！ 辽宁科技大学课程设计 4 钢管设计任务书钢管设计任务书 成品尺寸：134X18 坯料尺寸：130 材质：Q215 指导教师：李继光 辽宁科技大学课程设计 5 第一章、第一章、140 机组生产工艺概述机组生产工艺概述 1.1 主要设备主要设备 1.1000 吨剪断机一台（或 1600 吨剪断机） 2.定心机两台 3.炮弹风动热定心机一台 4.中径 17m 的环形加热炉一座 5. 850500 曼氏穿孔机一台 6. 7301680 自动轧管机一台 7. 850600 桶式均整机一台 8. 560011800 步进梁式再加热炉一座 9. 430255 五架定径机 10. 430255 二十架减径机 11. 1100016800 1 号冷却台一个；3150016800 2 号冷却台一个 12. 168mm 七辊矫直机二台 13. 115 切管机八台 14. 6UTH42.7-168mm 切管机二台 辽宁科技大学课程设计 6 1.21.2 工艺流程工艺流程 热轧无缝钢管以产品规格及生产方式不同，其工艺过程也不相同，以下为 140 自动轧管 机组为例来说明其工艺流程： 1.31.3 工艺要求工艺要求 1.3.1.原料原料 原料尺寸为 130，鞍钢无缝钢管厂的原料主要是连铸连轧圆管坯。连铸连轧 圆管坯具有成本低、能耗少、组织性能稳定等特点，是管坯发展的主流。也是 钢管实现连铸连轧的首要条件。钢管生产对坯料的要求非常严格，加工之前一 定要对坯料进行检查和清理，这样才能提高产品的质量。管坯最常见的缺陷就 是氧化层，生产中常用火焰枪清理或者用砂轮清理。 本次设计采用的原料材质 Q215 尺寸：130 Q215 的化学成分及力学性能： BG/T8162 化学成分（质量分数）（%） Si S P 牌号 等级 C Mn 辽宁科技大学课程设计 7 A 0.050 Q215 B 0.090.15 0.250.55 0.03 0.045 0.045 牌号 拉力强度 MPa 屈服点 MPa 伸长率（%） 不大 于 Q215 335450 215 31 1.3.2.剪断剪断 目的是将坯料剪切成要求的长度。 剪断设备：1000 吨剪断机 设备性能：a.公称能力 1000 吨 b.上剪刃行程 140mm c.剪切次数 8 次/分 d.电机功率：95 千瓦 n=750 转/分 e.主减速机轴：人字齿轮轴 M=10 Z=25 =250mm 0H D 剪刃材质：6GrW2S 要求：剪断时不允许坯料出现端部裂纹，切斜度前端不允许超过 8mm,后端不允 许超过 10mm,压扁度不得超过管坯公称直径 8%，也就是 134 管坯压扁后 不小于 123mm。 1.3.3.加热加热 加热的目的是为了提高塑性、韧性，降低变形抗力，减小机械电器负荷，节省 能源消耗。将坯料加热到一定的温度范围对于保证其穿孔性能是至关重要的。 管坯加热时应保证加热温度在规定的范围内，特别是对加热范围较窄的合金钢 和高合金钢，同时沿管坯纵向和横向加热要均匀，否则穿孔时容易造成钢管壁 厚不均，穿破或引起轧卡。 设备：中径 17m 的环形加热炉 辽宁科技大学课程设计 8 设备性能： （1）中径 =17000mm （2）外径 =22386mm D中D外 （3）内径 =11614 mm （4）炉膛宽 4400 mm D内 （5）炉膛平均高度 1250 mm （6）炉墙厚度 493 mm （7）炉子最大生产能力 45 吨/小时 （8）炉子平均生产能力 40.34 吨/小时 （9）坯料出炉温度 11501300 C （10）装炉温度25 C 00 （11）平均燃烧消耗量 4000 立方米/时 （12）空气压力250mm （13）各段热能分配 均热段 25%，第一段 30%，第二段 45%。 当1800mm 时，采用单排布料，15mm15mm 时，时， = = - -（0.51.0）=18-1=17mmS轧S轧 S成 外径： =132mmD轧H轧槽高 内径：=-2= =132-217=98mmd轧D轧S轧 轧管顶头直径： = =98mm 2 d轧 = +（13）=98+3=101mm 1 2 顶杆直径：d=d-(815)=98-10=88mm 总延伸系数：=2.096 SSD KR 2 1717132 2 130 97 . 0 2 ）（ （K 为烧损系数，碳钢 K=0.970.98） =1.24 SSD SSD 17)17132( 21)21136( 孔型尺寸： 工作辊：材质低铬无限冷硬球墨铸铁 回送辊：材质低铬半冷硬球球墨铸铁 a=110mm b=116mm =30 r=12mm s=10mm 辽宁科技大学课程设计 15 R=a/2=55mm 回送辊：材质低铬半冷硬球墨铸铁 a=110mm b=116mm R=55mm r=12mm =40 s=20mm 2.2 穿孔机 毛坯外径： D=1.03D=1.03 132=136mm 毛坯壁厚 S=S+（35）=17+4=21mm 毛坯内径 d=D-2S=136 -2 21=94mm 顶头直径：=d-K=94-4=90mm（其中 K为穿孔机内扩径量，一般鞍钢为 45mm） 绝对下量：H=1015%D=13% 130=17mm 轧辊间距：B= D-H=130-17=113 相对压下量：=10% 导板间距：l=H+（02）=134+1=135mm 椭圆度系数：l/B=1.19 113 135 顶杆位置： =+ c y 2L 2 2 (+2-B) S 2tan 穿穿 3l 2 2 B(- ) 2tan D R m m ax 2 (+2-B) S 2tan 穿穿 3l 5 . 3tan2 )113143( 20-10=100mm 5 . 3tan2 11321290 备注：轧辊出口锥长 反锥长： 固定式 515mm 更换式 3050mm 2L3l 出口锥角 3.5 2 辽宁科技大学课程设计 16 顶头位置： =+ 2 + c CL y L 0l1l2l 2 (+2-B) S 2tan 穿穿 其中：顶头鼻部长 穿孔锥长 平整锥长 0l1l2l = (0.81.0) =1 26=26 mm 0l0d =(0.150.25)=0.2 130=26mm ：顶头鼻部直径 0dD坯 0d =（1.02.5）=1.3 90=117 mm =90 mm 1ltD tD穿 =（1.51.75）=（1.51.75） 2l Z D坯 tan X Y S S =1.5130=61.7mm = 62mmtan10 0.4 0.7 2l 式中：送进角 10 滑动系数 =(0.40.9) =(0.50.7) X Y S S XSYS =26+117+62-=50 mmC 5 . 3tan2 11321290 顶杆长：=+=26+90+62+10=188 mm l顶 0l1l2l3l 顶头压下量： =9% 0 D tan3CH2 130 3tan50217 延伸系数： =1.69 S)SD( KR 2 21)21136( 97 . 0 2 130 2 工具设计： 轧辊具体参数： 送进角： =3 =3.5 =246mm =218mm10 1 2 1 l 2 l 材质 55 锻钢850 500 # 顶头参数： 顶头长取 L=188mm 鼻部长=26mm 0 l 鼻部直径=26mm 0 d =117mm =62mm 1 l 2 l 辽宁科技大学课程设计 17 =10mm 3 l 2.3 均整机均整机 外径:D= D+（310）=132+8=140mm 壁厚：S= S= =17mm 内径： d= D-2 S=140-2 17=106m 顶头直径： =+（14）=98+2=100mm 2 顶杆直径：=-（215）=100-10=90mm 轧辊间距：B=S+2 S=100+2 17=134mm 均头 导板间距： =2D-B=2 140-134=146mml 椭圆度系数：=1.08 l B134 146 延伸系数： =1.01 S DS SSD 均均均 均 成 成成 （-） （-）18)18134( 17)17140( 工具设计： 轧辊材质是钼合金冷硬铸铁。 倾角=8 直径 D=780mm 长度 l=600mm 转速 n=109164 转/分 顶头材质是合金铸铁。 D=120mm B=245mm C=85mm =25mm 1 e =110mm a=25mm 2 e d=65mm mm5R 辽宁科技大学课程设计 18 2.4 定径机定径机 热状态尺寸：=（1.011.015）=134 1.015=136.01mm D定D成 压缩率：= =2.8% 140 01.136140 =1-=1-=0.9% 3 140 01.136 =0.45% 2 %9 . 0 =0.9% =0 各孔型平均直径：=（1-） Di =（1-）=140 (1-0.45%)=139.37mm D1 =（1-）=139.37 (1-0.9%)=138.12mm 2D =（1-）=138.12 (1-0.9%)=136.88mm D3 =（1-）=136.88 (1-0.45%)=136.26mm D4 =136.26 椭圆系数： = =1.006 5 . 1 %)45 . 0 1 ( 1 =1.013 5 . 1 %)9 . 01 ( 1 =1 辽宁科技大学课程设计 19 轧槽高： = =138.95mm 006 . 1 1 37.1392 同理可得： =137.23mm =136.00mm =135.85mm =135.85mm 轧槽宽：= =1.006 138.95=139.78mm 1 a 1 同理可得：=139.01mm 2 a 2 =137.77mm 3 a 3 =136.67mm 4 a 4 =135.85mm D 半径：= =69.89mm 1 22 4a ba 11 同理可得：=69.51mm 2 22 4a ba 22 =68.89mm 3 22 4a ba 33 =68.34mm 4 22 4a ba 44 =67.93mm 辽宁科技大学课程设计 20 偏心距： = =0.41 1 22 4a ab 11 95.1384 8 . 13878.139 22 同理可得：=0.89 2 22 4a ab 22 =0.89 3 22 4a ab 33 =0.41 4 22 4a ab 44 =0 辊缝：g=1.55mm 圆角半径：r=36mm 工作直径：=D+-0.75 D：辊环=430mm ：辊缝=15mm 本次设计五机架的辊缝分别为 5，5，4，3，3。 =D+-0.75=430+5-0.75 138.95=330.8mm 1 a 同理可得：= D+-0.75=332.1mm 2 a = D+-0.75=332.0mm 3 a = D+-0.75=331.1 4 a = D+-0.75=331.1 5 a 各机架断面：=（- ） =8mm =（-8） 8=1050.960mm2 1 D =（-8） 8=1040.96mm2 2 D =（-8） 8=1031.04mm2 3 D =（-8） 8=1026.08mm2 4 D =（-8） 8=1026.08mm2 5 D 辽宁科技大学课程设计 21 各架时第一架的延伸系数： = =1.009 2 1 F F 1032.08 36.1037 同理可得：=1.009 =1.005 =1 工作辊转速： n=6001500 转/分 i=14.9 取 n=700 转/分 1 2k 1k ii nn D D =46.98r/min =1.00946.98=47.23 r/min 1 2 2 n D D k k1 1 . 332 8 . 330 同理可得：=47.67 r/min =48.04 r/min =48.04 r/min 工具设计： 轧辊材质是低铬无限冷硬球墨铸铁。 转速：n=40100 转/分 辊身直径 d=350450mm l=255mm 架数=5 孔型： 13 架为椭圆孔型 45 架为圆孔型 具体尺寸见轧制表 2.5 轧制表绘制轧制表绘制 穿孔机 辽宁科技大学课程设计 22 成品规格 134 18 管坯 130 毛管外径 Dm 136mm 椭圆度系数 1.19 壁厚 Sm 21mm 顶头位置 C 50mm 内径 dm 94mm 顶杆位置 yc 100mm 导板间距 l 135mm 顶头直径 90mm 轧辊间距 B 113mm 送进角 10 绝对压下量h 17mm 入口锥角1 3 顶前压下率 9 % 出口锥角2 3.5 穿孔机延伸系数 1.69 轧轧 管管 机机 外径 D轧 Mm 壁厚 S轧 Mm 内径 d轧 mm 一道 次 1轧 mm 二道 次 2 mm 顶杆 直径 d mm 总延 伸系 数 总 轧机 系数 轧 轧槽 高 H轧槽高 mm 132179810198982.096 1.24132 均均 整整 机机 外径 D均 Mm 壁厚 S均 Mm 内径 d均 mm 顶头直 径 均顶头 mm 顶杆直 径 均顶杆 mm 轧辊间 距 B mm 导板间 距l mm 椭圆度 系数 延伸系 数 均 1401788100901341461.081.01 定定 径径 机（机（5 5 架）架） 热状 态尺 寸 D定 机 架 数 轧槽 高 ia mm 轧槽 宽 ib mm 各孔 型平 均直 径 iD 压缩 率 Di 椭圆 度系 数 i 偏 心 距 ie 工作 直径 giD mm 工作 辊转 速 转 in 半径 iR Mm 辽宁科技大学课程设计 23 Mmmmmm /分 1138.9 5 139.7 8 139.3 7 0.45 % 1.00 6 0.4 1 330. 8 46.9 8 69.8 9 2137.2 3 139.0 1 138.1 2 0.90 % 1.01 3 0.8 9 332. 1 47.2 3 69.5 1 3136.0 0 137.7 7 136.8 8 0.90 % 1.01 3 0.8 9 332. 0 47.6 7 68.8 9 4135.8 5 136.6 7 136.2 6 0.45 % 1.00 6 0.4 1 331. 1 48.0 4 68.3 4 136.0 1 5 5135.8 5 135.8 5 136.2 6 010331. 1 48.0 4 67.9 3 第三章、力能参数及强度校核第三章、力能参数及强度校核 3.1.计算机剪切及加热能力计算机剪切及加热能力 剪切：坯料定尺: = =3147.87mm PL K l 0 总 l 97 . 0 096 . 2 4006000 式中： 成品长取 6000mm 切头尾长度：合金钢切 250mm 左右 0l l 碳素钢切 450mm 左右 烧损系数：（0.970.995） 碳钢=0.97 合金钢=0.995K 加热能力： 加热时间：=130 30/3600=1.08 小时 KjrD 坯 与钢种有关的系数：碳钢：3033 s/mm 一般合金钢：3648 Kjr s/mm 这里取=30 s/mm Kjr 装炉量：=1=150 根 A 360 n 36030 2 布料角=1.52 装炉角=30 采用双排布料即=1n =139 根/小时 去掉 39 根隔料管 A X 081 150 . =100 根/小时X 每根重：= 6523147.87 7.85=327.99 Gp p F L kg 式中：密度 =7.85 3 g cm 辽宁科技大学课程设计 24 小时产量：=327.99 100=32.79 吨/小时X p G G 3.2.穿孔机的轧辊设计穿孔机的轧辊设计 工具设计和轧机调整是影响工艺过程的决定性因素之一。对各种穿孔机和 轧管机的工具设计和调整要求是： 1.咬入条件良好，穿孔过程进行顺利； 2.毛管或者钢管笔直，内外表面质量好，几何尺寸符合要求； 3.单位能耗小，轧机符合负荷在允许的条件下； 4.工具寿命高，磨损均匀； 5.机组生产率高。 工具设计的主要内容是确定工具形状和主要尺寸，并选择工具材质及技术 要求。 （1）辊径 D 辊径：轧辊辊轴直径 D 首先从咬入条件和提高穿孔率的要求为出发点来选择， 然后再复核其强度。根据对现有穿孔机分析： p D i D 1 其中 Dp穿孔机的管坯最大直径。 本设计中采用 140 自动式轧管机组，Dpmax=140mm ； 5 . 76 1 i mmD i D p )1050840(140)5 . 76( 1 故取 D=1000mm （2）辊身长度 L： 以满足工艺对管坯直径压下量和毛管外径量的要求为依据来确定。 L=L1+L2+L3 ； 1 1 max 1 tan2 R D L p ； 2 2 max 2 tan2 )( R DD L pk 式中：Dpmax 该穿孔机的管坯直径压下量最大值。 mmBDD ckpp 47113160maxmax （Dk+Dp）max该穿孔机的出口处毛管外扩量最大值 mmBDDD ckmpk 30113143)()( maxmax R1,R2端面圆角半径，取 1525mm，由于 0 时的变形区长将比 =0 时的 短些，因此不考虑 R1、R2。 对于 140 自动轧管机组，入口锥角 1=3o3.5o，出口锥角 2=3o3.5o 。 辽宁科技大学课程设计 25 本设计中取：1=3o ，2=3.5o 。 DPmax=47mm，(Dk+DP)max=30mm 代入数据有： mmR D L p 46820 3tan2 47 tan2 1 1 . 1 max mmR DD L pk 26520 5 . 3tan2 30 tan2 )( 2 2 max 2 轧制带长度 L3与角 1和 2的大小有关，L3一般为 020mm，当 1和 2值 很小时，可取 L3=0，两锥间用大圆弧过渡。本设计 L1取 290mm，L2取 150mm，L3=0,1=3,2=3.5。 L=L1+L2+l3=470+250+0=4720mm 辊径直径 d=（0.50.55）D=（500550）mm 取 d=500mm 辊径长 l=（0.81.0）d=（400500）mm 取 450mm 综上可得，穿孔机轧辊主要参数和形状如表。 穿孔机轧辊主要参数 名称参数 辊径 D 1000mm 辊身长度 L 720mm 辊径直径 d 500mm 辊径长 l 450mm 入口锥角 1 3o 出口锥角 2 3.5o 3.3 穿孔机顶头设计穿孔机顶头设计 名称参数 顶头直径 Dt 90mm 鼻部直径 d0 26mm 过度圆弧直径 r0 13mm 鼻部长度 l0 26mm 穿孔锥长度 l1 117mm 辗轧长度 l2 62mm 反锥长度 l3 10mm 总长度 l 188mm 材质 25CrNi4VA 辽宁科技大学课程设计 26 3.4 穿孔机能力参数计算穿孔机能力参数计算 已知：成品 134 18 Q215 管坯尺寸 130 毛管尺寸：=136mm =21mm =94mm mDmSmd 顶头尺寸：=90mm =188mm =50mm 穿l顶 C 辊身长 =720mm 轧辊间距 B=113mm 导板间距 =135mmLl 轧辊直径：=1000mm =10=3 =3.5D 1 2 顶头工作锥角： =12.25 =3.5 1r 2r 辊颈直径：=550mm 辊颈长： =450mm d颈 l 变形区长： =636mm l变 P 1 2 -B B D 2tan2tan Dm tan3.52 113136 3tan2 113130 =162mm =188mm =636mm 1l2ll变 单位压下量： = rx X 1 1 Y 1 tan(tan+tan) 2 S S mDr = 136 tan10(tan3+tan12.25)=5.80mm 2 1 70 40 . . 接触宽度： =25.35mmb 2 2 2 2 x Xx rBD )rBr(D 8 . 521131000 )8 . 521138 . 5(1000 2 接触面积： =0.67 25.35 162=2751.49mm 1F1 0.67bl 2 =0.8 25.35 188=3812.64mm 2F2 0.8bl 2 单位轧制压力计算： 已知：20#在 1200 C 时 =2.2(鞍钢无缝厂手册) 0 s 2 /kg mm =Kp n (1.15) s n 辽宁科技大学课程设计 27 入口锥的平均单位压力： =（1.8-） （1-2.7 2 1 (1.8)(1-2.7)(1.15) s B b p 113 35.25 ）=3.16 2 ) 130 113130 ( 2 . 215 . 1 Mpa 出口锥的平均单位压力： =0.75 3.16=2.37 21 0.75 PP Mpa 总的轧制力： =3.16 2751.49+2.37 3812.64=17.73 吨 12 12 + FF P pp 轧制力矩：（对一个辊来说） 1 2 Mzh