【材料课件】金属塑性成型工艺设计与工艺制度.ppt

金属塑性成型工艺设计与工艺制度的确定 1 轧材生产工艺设计及确定工艺设计 1工艺设计在轧钢车间设计中的重要性现代轧钢车间应体现完善的工艺和技术 它应具有高的机组生产率 满足不断提供的质量要求 建立新的工艺和设备以及具有先进的技术经济指标 而决定的因素是选择合理的生产工艺 轧钢车间设计由生产工艺 轧钢机械设备 厂房与基础 供水与排水 热力设施 电力设施等设计所组成 其中每一部分均由不同专业的设计者担任 轧钢车间各部分设计都必须为生产工艺服务 它们的一切基础资料均是根据工艺要求而定的 工艺设计者在整个车间设计中占有很重要的位置 工艺设计者是轧钢车间总设计的组织者 2工艺设计的基础资料在进行工艺设计之前 应从技术经济部门取得设计任务书 设计任务书的基本内容包括 车间的生产规模 生产钢种 车间的产品方案 厂区范围和资源情况 车间在总图中的位置 车间总的投资 设计程序从接到设计任务书到完成设计任务 一般要经过三个阶段 初步设计技术设计施工设计初步设计 是以国家和地方给定的设计任务书为依据 其任务在于确定在任务书中给定的条件下 建立该车间在技术上的可能性和经济上的合理性 技术设计 以被批准的初步设计为依据 技术设计的编制必须在初步设计已被批准或有把握标准时方能进行编制 施工设计 以技术设计为依据 进行施工设计的编制 2生产工艺过程的确定确定工艺过程的依据把各种不同化学成分的钢锭 钢坯 连铸坯轧成具有一定断面形状的钢材所需的各加工工序总称为工艺过程 设计中组织轧钢生产工艺过程是最大产量 可能低的能耗 作为组织轧钢生产工艺过程主要依据有 1 轧制品种 包括几何尺寸和形状及钢材机械性能两方面 由于轧制品种不同 所采取工艺过程也不同 如 型钢 钢板 钢管工艺及特殊断面的形状产品的生产工艺过程 2 产品质量 质量要求由国家标准和技术条件规定 化学成分 几何尺寸精确度 表面质量 物理机械性能 特殊用途钢材 3 车间生产率和车间作业计划车间生产规模不同 所要求的工艺过程不同 在生产同一产品的情况下 规模大 工艺复杂 在确定工艺过程时以品种 产品质量和车间生产率为依据 3轧钢车间工艺过程主要组成部分生产各种断面形状 钢种 轧制品的工艺过程与产品品种 产品质量和生产规模有关 轧制工艺有共性 主要可分以下几个方面 钢锭钢坯 连铸坯 轧制前的准备 轧制金属的加热 轧制 金属轧制后的冷却 轧制品的精整 钢铁生产工艺流程 轧制工艺系统图 高炉喷煤粉高炉长寿技术 连铸技术 小型连轧和高线国产化 溅渣护炉技术 节能技术 钢铁生产工艺系统 钢铁生产工艺系统 工艺过程设计主要确定各个工序的工艺参数和设计的一般原则 1 原料选择原料尺寸 形状和质量的选择对轧机生产能力 产品质量 产品成本有很大影响 原料尺寸确定对轧钢机和附属设备选择 车间平面有很大关系 生产的品种不同所要求的原料也不同 对供料车间的影响很大 钢锭 连铸坯尺寸选择要考虑开坯原料尺寸和产品尺寸倍尺 连铸坯与其它坯料的比较 连铸坯的断面形状和规格的确定 炼钢炉容量 轧机组成 轧材品种和质量要求 考虑 铸机生产能力与炼钢及轧钢能力的相匹配 铸坯断面规格与轧机所需断面原料及产品规格相匹配 连铸坯内部缺陷 内部和表明缺陷 主要受浇注温度 钢水成分 连铸拉速二冷区强度 电磁搅拌等因素的影响 2 原料轧制前的准备原料准备主要包括三个方面 表面状态 内部组织和几何尺寸 表面状态 去除表面缺陷 方法用风铲铲除有缺陷部位有气体吹割器处理用刨光或车光的方法剥皮用砂轮研磨3 金属加热金属的加热是工艺过程的一个主要工序 加热设备和加热制度的好坏对提供生产能力和改善产品质量有着直接的影响 轧前对金属进行加热具有为轧制准备材料及其组织的目的 设计中加热工艺的确定主要在于加热制度的选择以及燃料选择 炉型结构和辅助设备选择 加热制度包括加热速度 加热温度 加热时间 装炉温度 加热速度 金属加热速度应根据在该温度范围内金属的塑性 导热性来确定 一般加热钢锭 钢坯分为两个时期 第一时期 低温带加热时期第二时期 高温带加热时期第一时期由于金属导热性 塑性差容易造成金 属内外层温差过大而导致热应力过大 容易造成裂纹等缺陷 在此阶段合金钢则采取慢速加热 第二阶段是指当金属加热到700 800 以后 这时金属的塑性 导热性显著增加 热应力减少 故可以快速加热到出钢温度 加热速度的正确选择对提高加热设备的能力 减少金属烧损和降低燃料消耗有很大意义 加热时间 加热时间取决于很多因素 一般均采用经验数据和经验公式计算 道布罗霍托退公式 KD D 加热时间D 钢材的厚度 圆材为直径 K 系数碳钢10高合金钢20加热时间分两个阶段 从0 550 和从850 1200 碳钢两阶段均为5 合金钢分别为13 3和6 7 齐西柯夫公式 Z CB式中 Z 加热时间 小时B 钢锭或钢坯断面的直径或边长 C 修正系数钢种系数碳素钢0 10 0 15合金结构钢0 15 0 20高合金结构钢和特殊钢0 20 0 30高合金工具钢0 30 0 40加热温度 应保证轧制时金属有足够的塑性 一般加热温度多根据金属相图来确定 为防止过烧 过热 加热最高温 冷装炉时加热时间和加热速度 度应低于固相线100 150 同时 确定加热温度也必须根据轧制工艺特点 现场实际数据 4 轧制 金属轧制是轧钢车间工艺过程最主要组成部分 轧制是以金属可塑性为基础 用压力加工方法得到各种尺寸和断面形状以及不同机械和物理性能的轧制品 轧制完成的任务 1 致密钢质 使成品钢材整个体积均匀化 2 破坏钢锭的初次组织 提高金属的机械物理性能 3 获得形状和尺寸符合国家标准所需的钢材 轧制目标 以最小的能量消耗 高质量的产品和最大产量 在设计中要达到以上目标 必须合理地制定 碳钢 合金钢的轧制工艺 最主要的是掌握金属和合金的塑性加工工艺性能 塑性加工工艺性能主要包括 塑性 变形抗力和对应力敏感性与造成缺陷的趋势 金属变形程度 确定道次变形系数大小和各道次分配对轧机产量 产品质量有决定性影响 孔型形状 金属塑性 金属变形抗力 咬入角和轧槽磨损等是确定在该道次内金属最大可能变形的主要因素 轧制速度 轧制速度由轧钢机生产率 轧机结构 轧制品种 轧机机械化和自动化程度以及轧制工艺过程本身决定 轧钢机生产率 提高轧制速度是提高轧机生产 率的主要途经 提高轧制速度 减少了轧制节奏时间 可增大原料重量 提高轧制速度 充分利用金属的高温塑性 有利于减少电能消耗和轧槽磨损 轧机结构 轧制速度的提高相应地要求轧机强度 稳定性 驱动力相应地提高 另外一方面 轧制速度的提高受到设备结构的限制 轴承 设备控制精度等 轧制品种 包括钢种和几何尺寸形状钢种 主要指轧制速度对金属塑性的影响 实验表明 金属塑性很少限制轧制速度 几何尺寸和形状 轧件长 轧制速度低往往造成头尾温差大 尺寸公差不符 提高轧制速度 利用金属的变形潜热 轧机机械性能和自动化程度 人工操作的轧钢机 轧制速度往往受到人工操作的限制 轧钢机的机械化和自动化将有利于大大提高轧制速度 咬入条件 提高轧制速度往往受到咬入条件的限制 一般低速轧制所容许的咬入角比高速轧制时所容许的大 轧制温度制度 轧制温度制度是指开轧温度和终轧温度 决定温度制度的主要依据 在某一温度下最好的塑性指标 以取得最大的变形程度 在某一温度下的最小变形抗力 以保证最小的能量消耗 温度和摩擦系数的关系 保证顺利咬入或得到最小的能量消耗 温度条件对机械性能的影响 以保证获得高质量的产品 晶粒大小和温度关系的变化规律 以保证获得高的质量产品 燃耗和电耗相加最小 取得最小的工序能耗 控轧 控冷工艺的应用 除此以外 选择温度制度还必须考虑金属表面质量 轧辊磨损 轧后金属精整和处理 轧制力 轧制力是确定轧制工艺参数之一 影响轧制力大小的因素有 钢种 加热温度和变形程度 摩擦系数 变形区几何形状和尺寸 决定轧制力大小方法 计算法和直接测定法 P PcF式中 Pc 平均单位压力F 接触面积5 轧件的冷却 成品钢材的冷却满足以下各项要求 应保证钢材冷却到最低温度 保证矫直时不因热应力而产生弯曲 钢材的温度降至可以进行以后的各种精整工序 达到的温度能保证所需的金属组织而不引起外部缺陷或内部缺陷 轧件冷却过程中主要是参数冷却速度和冷却温度制度 普通的钢种冷却速度 采取空冷和强制通风 对于某些钢种为防止轧制后网状碳化物析出 采用喷水冷 对于某些钢号 为防止白点的产生采用缓冷 钢材精整 精整工序对保证产品质量 降低金属消耗具有重要的位置 精整工序根据产品的不同 其中主要包括 矫直 切断 酸洗 热处理 表明镀层 其他机械加工 钢轨铣头 钻眼 拟订轧钢产品生产工艺过程 滚珠轴承钢制定生产工艺过程和规程的步骤和方法 一 滚珠轴承钢的主要技术要求 YB9 68 高的均匀的硬度 强度钢材表面脱碳层符合规定要求 5 15的圆钢脱碳层深度小于0 22mm 尺寸精度符合标准化学成分 C 0 95 1 15 Cr0 6 1 5 等 在钢材组织方面 均匀分布的细粒状珠光体 钢中碳化物带状组织不得超过规定级别 二 滚珠轴承钢的钢种特性高碳珠光体鉻钢需高温扩散退火导热性差 需缓慢加热生温脱碳 白点敏感性较大 易于过烧 过热轧后缓慢冷却 有明显网状碳化物析出热轧摩擦系数比碳钢大 宽展大 生产工艺过程制定 原料选择和准备 冷拉钢 冷锭装炉 便于表面清理 在清理之前进行酸洗 采用砂轮 风铲清理 为减少碳化物偏析 采用高温扩散退火 加热制度 加热小心进行 考虑到钢容易脱碳 防止过烧 过热 加热温度不超过1180 1200 轧制 塑性好 在轧制道次中可采用很大压下量 变形抗力与碳钢相当 摩擦系数为碳钢的1 25 1 35倍 宽展为碳钢的20 在孔型设计中应考虑该特点 终轧温度的控制 轧制温度高 使高碳钢析出的网状碳化物愈粗大 一般在850 冷却制度 冷却速度愈小 网状碳化物愈小 可快速冷却道650度 退火由于白点敏感性 在650以后应进行缓冷 之后要进行退火 便于加工 然后进行酸洗 去除氧化铁皮 便于清理 检查 钢锭 连铸坯 清理 加热 轧制 切断 缓冷 退火 酸洗 清理检查 2 典型生产工艺及工艺制度的制度 2 典型生产工艺及工艺制度的制度第一节热连轧带钢生产工艺特点升速轧制的工艺制度是第二带钢热连轧机在工艺上的突破 一 第二代带钢热连轧机的主要特点 1 轧出钢卷的单位宽度上的卷重不断增加 由于轧制速度的上升 轧出钢卷的单位卷重越大 2 轧制速度不断增加由于轧制速度的不断提高 由原来的12 5 16 6米 秒至32 34米 秒 机组的产量大大提高 3 产品厚度 规格范围不断扩大4 年产量不断提高由于机械设备采用先进技术 计算机控制技术 使产品产量大为提高 产品精度大大提高 二 机组布置 带钢热连轧组的布置 按主要工序的先后 可分为四个区 加热区荒轧区精轧区卷取区按布置形式 带钢热连轧机组主要形式 全连续式布置半连续式布置 连续式布置ISP全连续布置CSP全连续布置 第1 第2 第3代轧机特征参数 钢板轧机布置形式 第三代带钢热连轧机的主要工艺特点 液态成型技术 BasicprinciplesofCSPtechnologyfor2 5Mil tpy Rollingmode batch thermomechanicalAnnualproduction miot y max 2 8Slabthickness mm 60 90Stripwidth mm 900 1680Stripthickness mm 1 2 20 1 0 x1000Referenceplants Handan Saldanha asfigurebutwith2ndrougherandcoilbox CSPReferenceSPECIALTYPE ISP薄板坯连铸连轧技术 平面布置紧凑 缩短厂房长度近60 节能 能源费用减少50 生产成本下降20 高效 原料在不到30分钟的时间里由钢水加工成热带卷 效率提高50 薄板坯连铸 连轧工艺 方式1 连续铸轧工艺 CC DR 方式2 连铸坯直接热装轧制工艺 CC DHCR 方式3 4 低温热装工艺 CC HCR 鞍钢2000年11月30日热负荷试车 包钢2001年8月27日CSP生产线全线贯通 珠江1998年11月投产 唐钢计划2002年12月投产 邯钢1999年12月10日投产 马钢计划2003年12月投产 三 设备选择加热区设备 加热区主要设备是加热炉的选型问题 类型有推钢式 步进式两种 荒轧区设备 荒轧第一架 大立辊轧机 后侧加高压水除磷 作用是对板坯侧面进行压缩 控制板坯宽度 荒轧第二架 水平辊第一架 二辊式轧机 精轧区设备 飞剪高压水除磷精轧机座 高压水除磷弯辊装置 低惯量 恒张力的快速活套机构 快速换辊装置厚度自动控制装置 设有低惯量 恒张力的快速活套机构 冷却及卷取设备 四 工艺过程制定原料准备 在高速连轧机组中 轧制是否顺利 从工艺角度来说 90 决定原来的准备 根据板坯的技术要求 对板坯进行缺陷清理 清理的要求是清理深度 宽度和长度 板坯加热加热制度遵循低温轧制 把钢加热到多高温度出炉 取决于钢的加热温度范围 钢的加工温度范围要根据钢的内部组织结构来确定 对于亚共析钢 最高加工温度要低于NJE线50 100 开轧温度比NJE线低100 150 板坯验收标准 最低加工温度要高于GS线50 100 对于过共析钢 最高轧制温度应低于JE线100以上 以防止过烧 终轧温度应低于ES线 这样可以破碎在晶粒边界上析出网状碳化物 因此 终轧温度应比SK线高100 150 在可能的条件下 用低一些地温度轧制 这样可以使原始的奥氏体晶粒小一些 加热时间 在保证钢坯加热质量的条件下 尽可能缩短加热时间 一节省燃料 金属的消耗 并增高炉子的生产能力 加热阶段可分为三阶段 第一阶段 预热阶段 钢由室温 用较快速度加热到800 第二阶段 加热阶段 由800 很快加热到加热的目标温度1200 这时钢的外表面温度虽然已达到要求的值 内部温度还没有达到要求 存在较大的温差 第三阶段 使钢的内部温度与表明温度一致 加热时间计算的经验公式 CB对装料炉温达900 1000时 有三段连续式加热炉 可用下面经验公式 5 0 1B B当低碳板坯厚度为250mm 用上述公式计算 0 1 0 15 25 2 5 3 75小时 5 0 1 25 25 3 1小时 典型的荒轧压下程序表 典型的精轧机组压下程序表 终轧温度 卷取温度 张力控制值 第二节板带生产轧钢工艺制度的制定 变形制度 轧制方法 纵轧 角轧 横轧 轧制道次 道次压下量 温度制度 加热温度 轧制温度 开轧 终轧 道次温度 冷却温度 卷取温度 缓冷温度 速度制度 定速轧制 可逆轧制 可调速轧制 辊型及辊型设计 变形制度1合理变形制度的制定1 轧制方式的制定轧制过程可分为 除磷 展宽 轧长三个轧制阶段 角轧 在三辊劳特轧机上采用 这 轧件纵轴与轧辊轴线成一定角度 角轧后轧件的宽度计算2 限制压下量的因素咬入角的限制轧辊直径 轧辊与金属摩擦系数 在三辊劳特轧机上轧辊强度的限制板的宽度 金属与轧辊接触面积 轧制温度电机能力的限制 3 钢板板型的限制钢板横向厚度不均匀 板面的平整度2道次压下量的分配规律道次压下量分配 按轧制道次顺序 有二种分配规律 中间道次有最大压下量 压下量随道次逐渐减少中厚板轧制压下量分配规律 热轧板带钢轧制压下规程的确定 制定连轧机组压下规程的方法 最常用的是利用现厂经验资料直接分配各架压下率或厚度分配各架能耗负荷 宝钢2050热连轧机和鞍钢1700热连轧机则有压下率 压力 功率三种分配系数法 常用的是压下率分配系数法 本钢1700热连轧机则应用由德国AGE公司提出的快速分析算法 这些方法都是按分配系数法求得压下量分配 用数学模型计算力能参数 以校核机电设备和工艺等限制条件 校核通过后算出辊缝 速度等控制系统设定值 连轧机组分配各架压下量的原则 一般是充分利用高温的有利条件 把压下量集中在前几架 对于薄规格产品 在后几架轧机上为了保证板形 厚度精度及表面质量 压下量逐渐减小 在具体分配压下量时 习惯上一般考虑 1 第一架可以留有适当余量 即是考虑到带坯厚度的可能波动和可能产生的要如困难等 而使压下量略小于设备允许的最大压下量 2 第二 第三架要充分利用设备能力 给予尽可能大的压下量 3 以后各架逐渐减小压下量 到最末一架一般在10 15 左右 以保证板形 厚度精度及性能质量 现代连轧机组轧制规程设定最常用的还是 能耗法 或称 能量参数的组合确定法 从电机能量 功率 合理消耗观点出发 按经验能耗资料推算出各架压下量 由于电机功率往往成为提高生产能力的限制因素 采用这种方法是比较合理的 为了便于按能耗资料推算出各架压下量 必须找出能耗 即功率消耗 或马达电流 与压下量 或轧件厚度 之间的定量关系 这就是所谓单位能耗曲线 能耗曲线 根据能耗经验资料 给出各架的 i值 即可算出各架的厚度hi值 只要根据能耗曲线资料 给出各架的负荷分配比 i 即可求出各架的厚度hi值 因此 厚度分配是否合理主要取决于 i的分配是否合理 按负荷分配系数或负荷分配比进行分配的方法是根据生产实践的能耗经验资料总结归纳出来的比较实用和可靠的方法 生产中经常采用 在电子计算机控制的现代化轧机上 按各类规格品种的产品制定有标准负荷分配比表 能耗曲线的定量表达式 轧制力 Pi Kib Ri h 1 2 轧机电机力矩 Ti 2Pili 每吨所消耗的能量 E Hpi bhiVi 103 N道次压下时从板厚H轧制到h厚度时 单位质量所消耗的能量 E E iki hi 0 135 i ihi 温度制度指对轧件加热温度 轧制 冷却 卷取等过程中对钢的温度制度 1板带轧制温度的计算在确定开轧温度后 根据压下规程 轧制速度计算轧制节奏 从而计算终轧温度和卷取温度 确定终轧温度后 根据压下规程 轧制速度计算轧制节奏 从而逆着轧制方向计算出各道温度和开轧温度 推算出加热温度 轧制过程中轧件温降的计算 2板带钢轧制温度的控制 开轧温度的控制开轧温度直接与加热温度有关 开轧温度加上开轧时间内坯料的温降 确定加热温度 纵列式轧机轧制中厚板时终轧温度的控制确定终轧温度的基本因素 加热温度 轧制速度 道次间的冷却和压下制度加热温度提高 开轧温度就提高 终轧温度也随之提高 轧制速度提高 终轧温度提高 道次间冷却采用强制冷却 降低终轧温度 压下制度也会改变终轧温度 若轧制道次不变 开始道次压下量小 终轧道次大 其终轧温度高 反之 终轧温度低 热连轧带钢终轧温度的控制影响带钢终轧温度的主要因素 毛坯的厚度 轧制速度 精轧机组中机座间的冷却 为保证带钢终轧温度 采用较厚的毛坯生产薄带钢 用较薄的毛坯生产厚带钢是合理的 轧后轧件温度的控制采用测温装置检测 根据所测温度 反馈控制轧制速度 机架间冷却和冷却系统以保证带钢全长上的温度均匀 3速度控制三种速度制度 转速不变的定速轧制 可调速的可逆轧制 固定转向可调速轧制 1 转速不变的定速轧制轧机转速不变 轧件轧后抛出远 增加返回时间 2 固定转向 可调速轧制 连轧机组的速度制度在连轧机组中的轧制速度遵循金属秒流量相等地原则 带张力轧制时考虑前滑的系数 某厂在末架轧制速度5 8米 秒的条件下 各架压下率及前滑值 精轧机组的穿带速度指轧件头部从第一架入口到末架出口进入卷取机时的速度 考虑的因素 卷取咬入 轧制温度 连轧机组的加速度制度带钢在卷取机卷取2 3匝后 连轧机组开始加速轧制 在保证恒定出口温度时 加速度值 当加速度超过0 1米 秒的情况下 大大增加轧机的生产能力 加速度的选择消除温度錐 根据带钢厚度 终轧温度确定 某厂精轧末架轧机的速度曲线图 连轧机组的速度錐末架轧机轧制速度确定后 根据秒流量相等地原则确定各架轧辊的速度 连轧机各架轧机的轧制速度调速范围 影响因素 产品延伸系数 电机性能 公式说明 1 末架轧机的出口速度与总延伸系数有关 总延伸系数越大 末架轧机的出口速度也就越大 2 从Vn V0 总可见 当Vn最大 V0最小时可得到最大的延伸系数 反之 当Vn最小时 V0最大时可得到最小的总延伸系数 连轧机组的速度范围与第一架轧机的压下率 1有关 1越大 Vn V1就越小 通常第一架轧机的压下率为40 50 所以 Vn V1 0 5 0 6 总 连轧精轧机组各轧机的速度范围3可调速的可逆式轧制可逆轧机除应用于初轧外还用于半连续带钢生产中的粗轧机组 可逆轧机速度图的组成 4辊型及辊型设