年产200万吨1700热轧带钢车间工艺设计.doc

河北联合大学轻工学院 college of light industry, hebei united university 毕业设计说明书毕业设计说明书 设计题目：年产设计题目：年产 200 万吨万吨 1700 热轧带钢车间工艺设计热轧带钢车间工艺设计 学生姓名：学生姓名： 学学 号号： 专业班级：专业班级： 学学 部：材料化工部部：材料化工部 指导教师：指导教师： 2012 年年 05 月月 20 日日 摘 要 i 摘摘 要要 本设计为年产 200 万吨的 1700 多品种板带生产车间设计。本着多品种，多 规格的原则制定了产品大纲，其中包括汽车大梁钢、船板钢、管线钢，汽车板 用钢等，并以其为出发点，尽量从工艺上使产品做到高质量、高附加值。根据 产品规格和设计要求，确定轧机各主要部件的尺寸以及一些必要的工艺参数。 本设计经过仔细比较，并结合现场使用情况，选用了 7 架 cvc 轧机，这对产品 的板形控制起到了关键作用。对典型产品压下规程的设计包括压下量的分配、 速度制度的确定、温度制度的确定以及力能参数的计算等等各方面参数的选定。 再有就是校核轧辊与选择电机等问题，此外，本设计还对车间内的各种消耗和 厚度控制等做了简要介绍。 关键词：多品种；两架独立的可逆粗轧机；cvc 板形控制 abstract ii abstract this paper design for the work place which yearly produces 3 million tons various straps production. to the principle of more varieties and more specifications we develop a product program including automobile big joist steel, ship plate steel, pipe line steel, car plate steel and so on and taking it as the starting point make the products high grade and the high attachment value as far as possibl. according to product specifications and design requirements, we identify the major components of the mill size and the necessary parameters1. after careful comparison; combining with the field use situation we select seven cvc mills, which play a key role in the plate shape control of the product. the drafting schedule design of the typical product is also includes reduction distribution, the speed system, the system of determining the temperature, calculating of the power parameters and parameters selected. checking roll and choice electrical are the key problems to normal production. in order to work smoothly, do not allow equipment full-load or overload of work for a long tinme. in addition, this design also made the brief introduction to each kind of consumption in workshop and thickness control2. keywords: multiple products; two separate reversible rolling mills; cvc plate shape control. 目录 iii 目 录 摘 要.i abstract.ii 综 述.1 第 1 章 引言.3 1.1 建厂依据 .3 1.2 产品大纲.3 1.2.1 原料规格选择.4 1.2.2 产品规格.4 1.2.3 钢种分类及比例.5 1.2.4 规格详细分类表.5 1.2.5 汽车板用钢介绍.7 第 2 章 轧机设备比较与选择.11 2.1 轧钢机数量的选择 .11 2.1.1 道次选择.12 2.1.2 立辊选择.12 2.1.3 粗轧轧机.13 2.1.4 精轧机机组的选择.15 2.1.5 保温装置.18 第 3 章 典型产品的压下规程设计和辊型设计.20 3.1 压下规程设计 .20 3.1.1 坯料尺寸.20 3.1.2 粗精轧机组压下量分配.21 3.1.3 咬入能力校核.23 3.1.4 确定速度制度.23 3.1.5 轧制温度的确定.25 3.1.6 轧制压力的计算.26 3.1.7 计算传动力矩.28 3.1.8 轧辊辊缝和转速的设定.29 3.2 轧辊辊型设计 .30 目录 iv 第 4 章 轧制图表与年产量计算.36 4.1 轧制图表 .36 4.1.1 研究轧制图表的意义.36 4.1.2 轧制图表的基本形式及其特征.36 4.2 轧钢机的产量计算 .38 4.2.1 轧钢机小时产量.38 4.2.2 轧机平均小时产量.39 4.2.3 轧钢车间年产量计算.39 第 5 章 轧辊强度的校核与电机能力验算.41 5.1 轧辊的强度校核 .41 5.1.1 支撑辊弯曲强度.42 5.1.2 工作辊的扭转强度校核.43 5.1.3 工作辊与支撑辊的接触应力校核.45 5.2 电机的校核.47 5.2.1 电机负荷图.47 5.2.2 主电机的功率计算.49 第 6 章 辅助设备的选择.51 6.1 加热炉的选择 .51 6.1.1 步进式加热炉的发展.52 6.1.2 技术装备.53 6.2 除鳞设备的选择 .55 6.3 剪切设备的选择 .56 6.4 冷却设备的选择 .58 6.5 卷取机的选择 .58 6.6 活套支撑器 .59 第 7 章 轧制工艺过程.63 7.1 原料选择和加热 .63 7.1.1 原料选择.63 7.1.2 加热.64 7.2 钢的轧制过程 .65 目录 v 7.2.1 除鳞.65 7.2.2 粗轧.66 7.2.3 精轧.67 7.3 轧后冷却及卷取 .68 第 8 章 金属平衡与其他消耗.69 8.1 金属平衡 .69 8.1.1 烧损.69 8.1.2 切损.70 8.1.3 清理表面损失.70 8.1.4 轧废.70 8.1.5 加热、精整造成的缺陷以及钢号混乱所造成的损失.71 8.2 其他消耗 .71 8.2.1 燃料消耗.71 8.2.2 电力消耗.71 8.2.3 轧辊消耗.71 8.2.4 水的消耗.72 8.2.5 压缩空气消耗.72 8.2.6 润滑油消耗.72 8.2.7 蒸汽消能.73 8.2.8 氧气消耗.73 8.2.9 耐火材料消耗.73 第 9 章 板带精度控制.74 9.1 板带凸度的研究 .74 9.2 厚度控制 .76 9.2.1 压力 agc 系统的动静态指标.77 9.2.2 压力 agc 的研究和发展.77 9.2.3 新的压力 agc 模型 ralagc 模型.79 9.2.4 各种压力 agc 列表分析.80 结 论.81 参考文献.82 目录 vi 致 谢.83 引 言 1 引引 言言 最近十几年，热连轧技术有了很大的进步，在热轧带钢轧机布置形式的发 展方面，总结起来，主要有六种形式： 典型的传统热带钢连轧机组，这种机组通常是 2 架可逆粗轧机，7 架精轧 机，2 台地下卷取机，年总产量 350550 万吨，生产线的总长度 400500m，有 一些新建的机组装备了定宽压力机(sp)。这类轧机采用的铸坯厚度通常为 200250mm，特点是产量高，自动化程度高，轧制速度高(20m/s 以上)，产品性 能好3。 紧凑型的热连轧机，通常机组的组成为 1 架粗轧机，1 台中间热卷箱，56 架精轧机，12 台地下卷取机，生产线长度约 300m，年产量 200300 万吨。采 用的铸坯厚度 200mm 左右，投资比较少，生产比较灵活，由于使用热卷箱温度 条件较好，可以不用升速轧制(轧制速度 14m/s 左右)。 新型的炉卷轧机机组，通常采用 1 台粗轧机，1 台炉卷轧机，12 台地下卷 取机，产量约 100 万吨，其中有的生产线可以生产中板也可以生产热轧板卷， 主要用于不锈钢生产，投资较小，生产灵活，适合多品种。 热轧带钢的另一生产形式是薄板坯连铸连轧，按结晶器的形式不同，分别 有多种形式，如 sms 开发的 csp、daniely 开发的 h2frl 等，由薄板坯铸 机、加热炉和轧机组成，刚性连接，铸坯厚 5090mm，产量 120200 万吨，轧 机的布置形式有粗轧加精轧为 2+5 布置，1+6 布置，也有 7 架精轧机组成的生 产线。薄板坯连铸连轧的特点是生产周期短、产品强度高、温度与性能均匀性 好，但是表面质量、洁净度控制方面比传统厚板坯的难度大。 国外发展的无头(半无头)轧制技术，德国发展的是半无头轧制技术，他们 利用薄板坯连铸连轧的生产线，铸造较长的铸坯，如 200m，进人精轧，并且轧 后进行剪切，在精轧机组中形成有限的无头连轧。这种生产线的特点是适合于 稳定生产薄规格的带钢，减少了薄规格带钢生产中的轧废和工具损失。 正在开发的生产热带钢的技术是薄带直接连铸并轧制的技术，钢水在两个 辊中铸成 56mm 的带钢，经过 1 架或 2 架轧机进行小变形的轧制和平整，生产 出热带钢卷。欧洲、日本和澳大利亚都进行过类似的试验，2004 年美国 nucor 建立了工业试验厂，德国的 thyssen-krupp 也建立了相同的试验工 厂。 现在热连轧机很多的技术发展依然集中在板形、厚度精度、温度与性能的 精准控制、表面的质量控制等方面，比如广泛使用的强力弯辊(wrb)系统、工 河北联合大学轻工学院 2 作辊窜辊(hcw、cvc)和对辊交叉(pc)技术，工作辊的精细冷却、高精度的数 学模型的不断改进等，都使热轧产品的质量不断提高。所有新建的轧机都有完 善的检测技术和手段，如厚度、宽度、速度、凸度、平直度、表面等，使带钢 的精度更高，质量更好平4。 第 1 章 引言 3 第第 1 章章 文献综述文献综述 1.1 建厂依据 自 2011 年 5 月底以来，国际大宗商品期货价格大幅下跌，其中有关投资设 厂所需的原材料，如钢铁，水泥，石油等的价格下降也十分明显。在这样的背 景下，建厂成本将显著下降。 但从长远来看，我国的钢铁产能已经明显过剩，再加上以铁矿石为首的原 料价格的定价权被主要的几个铁矿石生产企业所掌握，大大压缩了我国钢铁企 业的利润空间。同时根据我国的经济政策，尤其是关于产业结构调整的相关文 件，新建钢铁厂的审批难度将会有所加大。 总的来说，随着我国汽车、家电、集装箱、输油(汽)管线、船舶制造等行 业的迅猛发展，各类板材仍有较大的市场前景。 与薄板坯连铸连轧相比，常规热连轧有其自身的优势。薄板坯连铸连轧技 术晶粒较细，加上轧制的大压下，使产品硬度很高，不能按要求向冷轧供应强 度低于 240mpa 的软带钢。 1.2 产品大纲 产品大纲是进行车间设计的主要依据，不同规格、不同品种、不同质量决 定不同的生产工艺和设备选择水平，即确定轧机形式和组成以及其他各项设备 与水平。因而产品大纲是车间今后组织生产的依据，产品方案一旦确定，不但 规定了车间的类型，同时也规定了车间生产品种的方向，产品大纲的主要内容 包括： a、车间生产的钢种和生产的规模； b、各类产品的品种和规格； c、各类产品的数量和其在总产量中所占的比例等。 所以编制产品方案时应注意以下问题： 1. 满足国民经济发展对产品的需要，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钢材的需要。 2. 考虑各类产品的平衡，尤其是地区之间产品的平衡，要正确处理长远与 河北联合大学轻工学院 4 当前，局部与整体的关系，做到供求适应，品种平衡，产销对路，布局合理。 3. 考虑轧机的生产能力的充分利用和建厂地区产品的合理分工。 4. 考虑建厂地区资源的供应条件，物资和材料运输的情况。 5. 要适应当前对外开放，对内搞活的经济形式需要，要使设计车间工艺与 设备达到产品结构和产品标准的现代化，与国际标准接轨，为走向国际市场做 好准备。 本设计考虑以上几点，以唐山为基地，面向全世界，制定产品大纲如下： 按照设计任务书，本车间设计年产 200 万吨/年。 其中汽车板用钢 20%，优质钢 60%，管线钢 20%。 1.2.1 原料规格选择 板坯厚度：240mm 板坯宽度：9001500mm 板坯长度：12m 1.2.2 产品规格 带钢厚度：1.218mm 带钢宽度：9001500mm 钢卷内径：760mm 钢卷外径：10001950mm 钢卷重量：30t 单位宽度卷重：17kg/mm 1.2.3 钢种分类及比例 本车间的主要产品是汽车板用钢 if 钢，其有自己的特性。介绍如下。if 钢 的特点是含碳量很低，加入 ti和 nb 之后，形成 ti和 nb 的 c，n 化合物，由 于钢中无间隙原子，而使其具有优越的深冲性能。自 1949 年由 comstcok 等人 提出来之后，由于受当时冶炼水平的限制，钢中 c，n 含量较高，须加入的较 多 ti，而且价格昂贵，因此，在生产中受到了限制。20 世纪 60 年代，由于真 空脱气技术在冶金生产中的应用，钢中 ti含量可以降低到 0.01%以下，于是商 用 ti-if 钢面世，同时 nb 在改善深冲性能方面的作用也被发现和应用。if 表表 1-1 钢种分类及比例钢种分类及比例 钢种c 含量比例 if 钢c0.005%20% 管线钢(x70，x80)c0.08%20% 第 1 章 引言 5 优质钢-60% 1.2.4 规格详细分类表 表表 1-2 规格详细分类规格详细分类 钢广泛应用于汽车制造业，尤其是汽车外板，内板，需要很好的深冲性能， 以使其容易成型。 深冲钢按冲压级别可分为：商用级(cq)，普通冲压级(dq)，深冲压级 (ddq)，特深冲压级(eddq)和超深冲压级(super-eddq)，它们分别同深冲钢 发展的几个阶段相对应。深冲钢的第一代产品的开发和应用，是 20 世纪 50，60 年代的普通沸腾钢，只能用于普通深冲件；低碳铝镇静钢为第二代产品， 产生于 20 世纪 60，80 年代，具有较好的深冲性能；20 世纪 80 年代以后出现 了以 if 钢为代表的第三代超低碳超深冲钢。近年来在对 if 钢的研究中发现， 略微增加 mn，p，si 等元素的含量可以提高 if 钢的机械性能，同时保持 if 钢 的良好的成型性能。ti，nb 和 b 也具有提高 if 钢强度的作用，而钢板强度的 提高对降低汽车自重，降低材料消耗有重要作用。因此，开发和应用高强度钢 if 成为深冲钢发展的新热点。深冲钢的技术特征主要反映在优良的成型性上， 即高塑性应变比(r 值)，高均匀延伸率，低屈服强度，低时效指数 ai，较高应变 合计 宽度 mm 厚度 mm 900 1000 1001 1100 1101 1200 1201 1300 1301 1400 1401 1500 占比例产量 1.21.52.84.47.21.56-8.0%15.96 1.512.09.527.729.24-14.2%28.46 2.13.010.0823.9620.4415.28-34.9%69.76 3.14.0-19.7611.9619.15.2-28.0%56.02 4.16.0-84.83.21.048.5%17.04 6.118.0-4.183.93.121.566.4%12.76 占比例26.2%25.0%29.8%26.9%5.8%1.3%- 合计 产量22.3850.1259.553.8811.522.6-200 河北联合大学轻工学院 6 强化指数 n 值(n 值越高，板材成型加工过程中变形区材料强度越高，因此，变 形越容易传播到邻近区从而使得变形趋于均匀化)。只有具备这些性能的钢材才 能用于深冲复杂的汽车外壳及支撑筋板等零部件。 if 钢的特点是含碳量很低，加入 ti和 nb 之后，形成 ti和 nb 的 c，n 化 合物，由于钢中无间隙原子，而使其具有优越的深冲性能。 自 1949 年由 comstcok 等人提出来之后，由于受当时冶炼水平的限制，钢 中 c，n 含量较高，须加入的较多 ti，而且价格昂贵，因 ti此，在生产中受到 了限制。 20 世纪 60 年代，由于真空脱气技术在冶金生产中的应用，钢中含量可以 降低到 0.01%以下，于是商用 ti-if 钢面世，同时 nb 在改善深冲性能方面的作 用也被发现和应用 if 钢广泛应用于汽车制造业，尤其是汽车外板，内板，需要 很好的深冲性能，以使其容易成型5。 70 年代石油危机以来，为了节约能源，国外汽车厂采取了一系列措施。其 中之一就是大量开发高强度钢板用作车体达到“减重节能”，如冷轧含磷板、双 相钢板等等。有资料表明：使用高强度钢板，厚度为 1.01.2mm，车身板可减 薄至 0.70.8mm，车身重量减轻 15%20%，节油 8%15%。 众所周知，由于强度和成型性是一对矛盾，随着强度的提高其成型性能下 降给加工带来困难，特别是对要求兼有高强度和高 r 值的零件，如汽车外覆盖 件等，传统的以铝镇静钢为基的固溶强化钢系列很难满足要求。 进入 80 年代后，由于冶金技术的不断发展，钢中的 c，n 含量可控制在很 低的水平(c4010-4%，n3010-4%)，使高强度 if(interstitialfree)钢的大批量 生产成为可能，从而很好地解决了强度和成型性之间的矛盾6。 下表是以铝镇静钢为基的固溶强化钢与高强度 if 钢板的性能比较，从表 1- 3 中可明显看出，在同样强度级别下，高强度 if 钢具有高的 r 值、高的延伸率 和低的屈强比。 表表 1-3 铝镇静钢为基的固溶强化钢板和高强度铝镇静钢为基的固溶强化钢板和高强度 if 钢板的性能比较钢板的性能比较 钢种级别 mpa yp,mpays,mpael,%yp/tsnr 340245372380.660.211.6 370265402370.660.211.6 390274421360.650.211.5 铝镇静固 溶强化钢 440333470340.710.201.4 340206353400.580.211.9 370225382390.590.212.0 390245412370.590.211.9 高强度 if 钢 440274461360.590.201.8 第 1 章 引言 7 1.2.5 汽车板用钢介绍 随着高强度钢板的采用，汽车用钢板减薄，对钢板的防腐蚀性提出了更高 的要求，这就促进了高强度表面处理钢板的发展，特别是热镀锌钢板。目前， 国外在高强度 if 冷轧钢板的基础上又开发了一系列热镀锌高强度 if 钢板(多为 合金化热镀锌钢板)，它把 if 钢的超深冲性、合金元素(p、mn、si 等)的固溶强 化性和热镀锌的高耐蚀性三者融于一体，是一种理想的汽车用钢板，使强度 深冲性耐蚀性达到较好匹配。但是由于热镀锌合金化工艺的特殊性，将造成 成型性能的下降，表 1-4 是热镀锌镀层对 if 钢性能的影响。因此和冷轧及热镀 锌产品相比，为了获得高 n 值和高 r 值的合金化热镀锌钢板，必须对钢板的成 分和工艺进一步优化。可以认为，能否生产这种钢板代表了一个钢铁企业的汽 车用钢板的生产水平。 合金元素对钢板性能及热镀锌镀层的影响： 同深冲 if 钢一样，按微合金化元素种类的不同，高强度 if 钢也分为三类， 以 ti-if、nb-if 和(ti+nb)if 为基的高强度钢。ti-if 钢虽然对生产工艺参数 的变化不敏感，但力学性能的平面各向异性(r 值)大；nb-if 钢的平面各向异 性小，但力学性能对生产工艺参数比较敏感，一般要采用高温卷取。近年来 (ti+nb)if 钢引起了人们的重视，其优点是：(1)力学性能对生产工艺不敏感， 整卷性能均匀；(2)晶粒细化，降低钢的各向异性；(3)抗二次加工脆性好；(4)热 镀锌合金化时，界面反应均匀，抗粉化性能较好，特别适合热镀锌用基板。以 下的讨论中所指的 if 主要是(ti+nb)if 钢。 与深冲 if 钢不同的是，高强度 if 钢是在 if 钢基础上又特意地加入一些固 溶强化元素，而这些合金元素的加入势必对钢板性能和热镀锌镀层等带来一些 影响，下面主要总结 340440mpa 常用的合金元素(p，si，mn)。 表表 1-4 热镀锌镀层对钢性能的影响热镀锌镀层对钢性能的影响 镀层引起性能的改变热镀锌(ti-if)合金化(ti-if)合金化(ti+pb)-if yp，mpa+2.8+4.1+3.5 ts，mpa+3.5+5.5+6.2 el，%-0.1-0.28-1.9 n-0.003-0.30-0.015 r-0.10-0.56-0.29 1) p 的影响 由于 p 是一种价格便宜而且强化能大的元素，每添加 0.1%的 p，强度可提 河北联合大学轻工学院 8 高 77mpa(si 提高 10mpa，mn 提高 5mpa)；抗拉强度为 340400mpa 级的超深 冲高强度钢板都离不开 p，其含量通常在 0.04%0.09%之间。然而在 if 钢中由 于 c，n 被固定，晶界清洁，p 向晶界偏析容易引起二次加工脆化，晶界处的 p 含量可比基体中的 p 含量高 10 倍。为了防止 p 的晶界偏析，常采取的措施是 加 b，它迁移到晶界，强化晶界并防止 p 的偏析，从而使脆性转变温度降低， 如图 1.1 所示。但 b 有降低 r 值，提高再结晶温度的倾向，因此 b 的含量不宜 过高，一般在 1010%2010-4%之间。但 p 在提高强度的同时却使钢的 r 值降 低，这主要是由于 p 含量的增加使111nd 取向织构减弱，100nd 取向织 构加强造成的。 图 1.1 加 b 与不加 b 时脆性转变温度和 p 含量的关系 在热镀锌时，p 对镀层的相结构也有很大影响，特别是在合金化时，研究 表明：p 虽然对钢板的浸润性没有多大影响，但它使合金化速度降低，抑制了 合金化，如图 1.2 所示。进一步的研究表明，p 富集在表面和晶界上，加速了第 一相的形核从而抑制了第二相的形成。 图 1.2 p 含量与合金化时间的关系(700) 2) si 的影响 si 的强化能力仅次于 p，但在浸镀性方面存在很多问题，故很少用于镀层 第 1 章 引言 9 钢。这主要是由于 s 比 fe 活泼，在热镀锌退火炉的直接燃烧加热段中，很容易 在钢板表面形成一层 si 的氧化物，在还原段中又不能彻底还原，从而形成了随 机分布的岛状 si 的氧化物，成为柱状组织的形核地，影响了镀层的附着力。当 钢中的 si 含量大于 0.3%时，镀层的附着力就会明显下降。si 与 p 一样，使合 金化反应显著推迟。 3) mn 的影响 mn 是比较贵重的元素，和 p，si 相比强化效果低，提高同样的强度所需的 量较大，其加入量通常在 0.2%1.6%之间，不能再高，否则会产生针状铁素体， 使延伸率和 r 值急剧下降，但是用 mn 强化的 if 钢对深冲脆性较不敏感。因此， 强度级别在 390mpa 以上的多用 p，mn 复合添加的方式，在添加 p 的钢中， mn 会使再结晶开始温度降低。相对于 p，si 来说，mn 对镀层附着力的影响较 小。但是，与 si 一样，在退火时钢板表面也易形成一层富 mn 的氧化物，由于 这种不良影响不如 si 那样明显，因而 mn 常作为热镀锌高强度 if 钢板的合金强 化添加元素7。 河北联合大学轻工学院 10 第第 2 章章 轧机设备比较与选择轧机设备比较与选择 2.1 轧钢机数量的选择 轧钢机是生产的设备，是完成金属轧制变形的主要设备，并且代表着生产 技术的水平，造价极为昂贵。而且，轧钢机架的选择对车间生产和投资有着非 常大的影响，轧机多投资大，轧机过少，压下大，轧制稳定性差，难于控制。 带钢轧机为平辊轧制，轧制力大，为了能控制良好板型，机架必须有较大的刚 度，轧辊应有较大的抗弯挠度。