普碳圆钢孔型设计

1、1 概述钢坯在轧机上通过轧辊的孔槽经过若干道次，被轧成所需断面形状和尺寸。这些轧辊孔槽的设计称为孔型设计。孔型设计在型钢中的作用不仅是将钢锭或钢坯在所设计的轧辊孔型中经过若干道次轧制变形，获得所要求的断面形状、尺寸和性能的产品，同时它对产品质量、轧机生产能力、金属消耗、能耗、产品成本和劳动条件等都有直接至关重要的作用1。型钢是经各种塑性加工成形的具有一定断面形状和尺寸的直条实心钢材，是重要的钢材产品之一，它被广泛的应用于国民经济的各个部门。圆钢属于简单断面型钢的一种，在工业生产中，自然缺少不了孔型设计这一步骤。轧制圆钢的孔型系统有多种，应根据直径、用途、钢号及轧机形式来选用。圆钢规格以直径表示

2、，直径在85160mm的圆钢属于大型型钢；直径在3880mm的圆钢属中型型钢；直径在1036mm的圆钢属小型型钢。2 原料的选择2.1 原料种类的选择型钢原料分为钢锭、钢坯和连铸钢坯三种。钢锭由于铸造工艺的限制，一般断面较大，而且为了脱模不可避免地在钢锭长度方向带有锥度，这就造成以钢锭为原料生产线材时的轧制道次多，轧制过程中温降大。目前，用钢锭作原料直接轧成线材的生产方式已被淘汰。钢坯经粗轧机开坯轧制而成，其规格范围广、钢种多但并不能消除偏析、缩孔等缺陷且再生产过程中要发生烧损、切头、切尾等。故轧制钢坯很少用。采用连铸坯为原料，与采用轧坯相比，金属收得率提高、能耗低、劳动条件改善、生产率提高。

3、因此本设计原料选用连铸坯2。2.2 原料尺寸的选择坯重一定情况下，选择大断面坯可以缩短坯料长度，但断面过大使轧制道次增加，机架数增加，投资加大。断面小则长度大。此次设计的断面尺寸为150mm2。坯料长受加热炉宽度限制，一般不超过12m的加热炉技术较为成熟，加热上限温度较高。另外从连轧出入口速度考虑，由连轧关系式中：坯料、成品断面积；坯料、成品轧制速度。轧线出口速度对车间生产能力和技术水平起决定作用，出口速度高，可以增大盘重，提高产量。而且相应提高了入口速度，避免粗轧辊速度低，产生严重热龟裂。但控制水平要求也相应提高。考虑先进性和经济性，采用坯料长12m。故最终选择150方长12m的方坯3。3

4、孔型系统的选择 为达到孔型设计的要求，获得最佳的效果，应掌握金属在孔型中的变形规律和孔型设计的方法步骤外，还必须熟悉轧机设备工艺特点和操作习惯，针对具体轧机工艺特点和操作条件进行相应的孔型设计，并在实践中不断改进和完善4。圆钢孔型系统一般由延伸孔型系统和精轧孔型系统两部分组成。延伸孔型的作用是压缩轧件断面，为成品孔型系统提供合适的红坯。它对钢材轧制的产量、质量有很大的影响，但对产品最后的形状尺寸影响不大。常用的延伸孔型系统一般有箱形、菱方、菱菱、椭方、六角方、椭圆圆、椭圆立椭圆等；精轧孔型系统一般是方椭圆螺或圆椭圆螺孔型5。同时应注意轧辊辅件的设计6。本设计采用无孔型和椭圆圆孔型系统。3.1

5、无孔型轧制法优点：（1） 由于轧辊无孔型，改轧产品时，可通过调节辊缝改变压下规程。因此，换辊、换孔型的次数减少了，提高了轧机作业率。（2） 由于轧辊不刻轧槽，轧辊辊身能充分利用；由于轧件变形均匀，轧辊磨损量少且均匀，轧辊寿命提高了24倍。（3） 轧辊车削量少且车削简单，节省了车削工时，可减少轧辊加工车床。（4） 由于轧件是在平辊上轧制，所以不会出现耳子、充不满、孔型错位等孔型轧制中的缺陷。（5） 轧件沿宽度方向压下均匀，故使轧件两端的舌头、鱼尾区域短，切头、切尾小，成材率高。（6） 由于减小了孔型侧壁的限制作用，沿宽度方向变形均匀，因此降低了变形抗力，故可节约电耗7%。3.2 椭圆圆孔型系统优

6、点：（1） 孔型形状能使轧件从一种断面平滑的过渡到另一种断面，从而避免由于剧烈不均匀变形而产生的局部应力。（2） 孔型中轧出的轧件断面圆滑无棱、冷却均匀，从而消除了因断面温度分布不均而引起轧制裂纹的因素。（3） 孔型形状有利于去除轧件表面氧化铁皮，改善轧件的表面质量。（4） 需要时可在延伸孔型中生产成品圆钢，从而减少换辊。缺点：（1） 延伸系数小。通常延伸系数不超过1.301.40，使轧制道次增加。（2） 变形不太均匀，但比椭圆方孔型要好一些。（3） 轧件在圆孔型中稳定性差，需要借助于导卫装置来提高轧件在孔型中的稳定性，因而对导卫装置的设计、安装及调整要求严格。（4） 圆孔型对来料尺寸波动适应

7、能力差，容易出耳子，故对调整要求高。4 延伸系数的分配4.1 总的延伸系数 =(1.012140)-0.86(0.11.012140)/0.253.14(161.012)=96.69mm 式中：Fo红坯断面面积，mm2;Fn成品于热状态断面面积，mm2;热胀系数，取=1.012；钢坯边长，mm; d成品直径，mm; 轧制道次数n=18道次4.2 延伸系数的初步分配 分配原则：初轧道次小，以便取出氧化铁皮，保证产品质量；随后加大，以利用轧件在高温下塑性好，产生大的变形；精轧道次延伸系数小，以保证成品质量及孔型的耐磨性和成品尺寸精度。 将12道次的总延伸系数根据经验（如考虑咬入、摩擦等因素）具体分

8、配如下： 1=1.250 2= 1.249 3=1.287 4=1.339 5= 1.431 6=1.292 7=1.394 8=1.255 9= 1. 354 10=1.339 11=1.276 12=1.250 5 各孔型中轧件尺寸的确定及强度校核5.1 计算各等轴孔的轧件尺寸（1）各等轴孔轧件的横截面积 （2）确定各等轴孔尺寸 由圆面积公式F=R2得： d=2 各道次的轧件参数列于表1。表1 等轴孔轧件尺寸道次681012141618轧件高/宽（mm）71.4453.3038.9331.3923.8420.0316.20轧件面积（mm2）4006.62231.231190.31773.8

9、8446.38315.10206.125.2 计算平辊出口轧件的断面积前几个道次轧件表面氧化铁皮较多，摩擦系数较小，影响咬入。根据现场经验，无孔型轧制时既要防止产生轧件歪扭脱方现象，又要保证轧件在平辊上轧制的稳定性，故平辊出口轧件断面尺寸初步设计如下：由筱仓公式： =1+0.82Lc/(Ho+2Bo)(Ho-h)/Ho 式中：Lc平均接触弧长度， Ho轧前轧件平均高度； h轧后轧件平均高度； Bo轧前轧件宽度； D轧辊直径.（1）（第一道次）来料：BoHo =141.60141.60mm初设：h1=108.00mm; =91.65mm1=1+0.8291.65/(141.60+2141.60)

10、(141.60-108.00)/141.60 =1.082 则b1=1 Bo=1.082141.60=153.20mm F1= h1 b1=108.00153.20=16545.6mm2校核：（1）Bo/ Ho0.60.7 保证少产生歪扭脱方； （2）h1/ b11.2 保证轧制状态稳定。 本道次中：Bo/ Ho=1，h1/ b1=0.7 符合要求（2）（第二道次）来料：B1H1=108.00153.20mm 初设：h2=108.00mm; =106.30mm 2=1+0.82106.30/(153.20+2108.00)(153.20-108.00)/153.20 =1.136 则 b2=2

11、B1=1.136108.00=122.70mm F2= b2h2=122.70108.00=13251.6mm2 校核： B1/ H1=0.7 h2/ b2=0.88 符合要求（3）（第三道次）来料：B2H2=108.00122.70mm 初设：h3=82.00mm; =103.81mm 3=1+0.82103.81/(122.70+2108.00)(122.70-108.00)/122.70=1.160则 b3=3B2=1.160108.00=125.60mm F3= b3h3=125.6082.00=10299.2mm2校核： B2/ H2=0.88 h3/ b3=0.65 符合要求（4）

12、（第四道次）来料：B3H3=82.00125.60mm 初设：h4=75.00mm; =115.96mm4=1+0.82115.96/(125.60+282.00)(125.60-75.00)/125.60 =1.258则 b4=4B3=1.25882.00=103.20mm F4= b4h4=75.00103.20=7737.3 mm2校核： B3/ H3=0.65 h4/ b4=0.73 符合要求将前面四道次的出口轧件的有关尺寸列成表格见表2 表2 平辊出口轧件尺寸道次延伸系数横截面积轧件高度mm轧件宽度mm11.25016545.6108.0153.2021.24913251.6108.

13、0122.7031.28710299.282.0125.6041.3397737.375.0103.205.3 椭圆孔型中轧件尺寸的确定具体方法是两个等轴孔夹一个非等轴孔，以两圆夹一椭为例，根据经验理论确定轧件在椭孔中的延伸系数t，轧件在圆孔中的延伸系数y,来料尺寸为Bi-1Hi-1,经椭孔后轧件尺寸为hibi,经过下一道次后轧件尺寸为 di+1,则由宽展系数的定义便可求得中间非等轴孔轧件的尺寸hi、bi，即：t= y= 联立两式得： bi= hi= 轧件在椭孔中的宽展系数0.50.95，在圆孔中是宽展系数为0.30.4。轧件尺寸偏大时，偏大取值，尺寸较小时，应偏小取值。具体计算过程如下：（5

14、）（第五道次椭圆孔）来料：B4H4=75.00103.20mm 轧件经第六道次后的尺寸为71.44mm;取：0.5, =0.4可算得第五道次椭圆后轧件的尺寸：（6）校核第六道次圆孔中轧件的充满度：第六道次后轧件的宽度 (（为宽展留的余量，取1 mm）则=符合要求，校核通过。（7）（第七道次椭圆孔）来料：B6H6=71.4471.44mm 轧件经第八道次后的尺寸为53.30mm;取：0.8, =0.4可算得第七道次椭圆后轧件的尺寸：（8）校核第八道次圆孔中轧件的充满度：第八道次后轧件的宽度 (（为宽展留的余量，取1 mm）则=符合要求，校核通过。（9）（第九道次椭圆孔）来料：B8H8=53.30

15、53.30mm 轧件经第十道次后的尺寸为38.93mm;取：0.7, =0.4可算得第九道次椭圆后轧件的尺寸：（10）校核第十道次圆孔中轧件的充满度：第十道次后轧件的宽度 (（为宽展留的余量，取1 mm）则=符合要求，校核通过。（11）（第十一道次椭圆孔）来料：B10H10=38.9338.93mm 轧件经第十二道次后的尺寸为31.39mm;取：0.7, =0.4可算得第十一道次椭圆后轧件的尺寸：（12）校核第十二道次圆孔中轧件的充满度：第十二道次后轧件的宽度 (（为宽展留的余量，取1 mm）则=符合要求，校核通过。（13）(第十三道次椭圆孔)来料：B12H12=31.3931.39mm 轧件

16、经第十四道次后的尺寸为23.84mm;取：0.7, =0.4可算得第十三道次椭圆后轧件的尺寸：（14）校核第十四道次圆孔中轧件的充满度：第十四道次后轧件的宽度 (（为宽展留的余量，取1 mm）则=符合要求，校核通过。（15）(第十五道次椭圆孔)来料：B14H14=23.8423.84mm 轧件经第十六道次后的尺寸为20.03mm;取：0.7, =0.4可算得第十五道次椭圆后轧件的尺寸：（16）校核第十六道次圆孔中轧件的充满度：第十六道次后轧件的宽度 (（为宽展留的余量，取1 mm）则=符合要求，校核通过。（17）(第十七道次椭圆孔)来料：B16H16=20.0320.03mm 轧件经第十八道次

17、后的尺寸为16.20mm;取：0.7, =0.4可算得第十七道次椭圆后轧件的尺寸：（18）校核第十八道次圆孔中轧件的充满度：第十八道次后轧件的宽度 (（因为成品为圆钢，故成品孔的=0）则=符合要求，校核通过。5.4 各孔型尺寸参数的确定5.4.1 精轧孔型设计（1）成品孔（K1孔）设计目前广泛采用的成品孔构成方法有两种，一种是双半径圆弧法，另一种是由孔型两侧用切线连结的扩张角法。双半径圆弧法长期以来是圆钢成品孔惯用的设计方法，但随着对圆钢产品质量要求的提高，这种方法不适应高精度圆钢的生产，因为这种成品孔的设计造成公差带减少，调整范围变窄，成品尺寸难以控制7。由孔型两侧用切线连结的扩张角法具有的

18、优点是：作图简单，便于制作轧槽样板；其中心张角比较小，使轧件的真圆度提高，轧制时金属超出标准圆的部位比较少；增大了测压作用，使限制轧件宽展的作用加强，更有利于控制成品宽度方向的尺寸；轧件充满孔型时，辊缝斜线直径仍不会超出公差范围；可以减少因孔型磨损后在中心张角30对应的圆周上直径超出公差范围的现象。 因此本设计中采用由孔型两侧用切线连结的扩张角法。（2）确定尺寸 成品孔内径dd=d0-(01.0) -（1.0071.02） 式中：-内径允许最大负偏差，mm按GB715-89,取-=0.35mm d0成品内径的公称直径，mm d=160.80.351.011=15.89mm 成品孔内径开口宽度B

19、kBk=d0+(0.51.0)（1.0071.02 ） 式中：内径允许最大正偏差，mm按GB715-89,取=0.3516+0.80.351.011=16.46mm内径开口处圆角RR的设计参考值一般为1025mm,R=11.5mm2840mm,R=22.5mm设计16，取R=1mm成品孔内径的扩张角R取=30o,辊缝s=2mm则侧角 =符合要求。R= =21.01 （3）成品前孔（K2孔）设计成品前孔高度=（0.780.86）=0.8216=13.12mm成品前孔宽度=（1.421.70）=1.616=25.6mm椭圆圆弧半径R 取辊缝s=3mm,则R=验算轧件在K2孔中的充满度：已知K2孔中

20、轧件的尺寸为， 则=25.24/25.6=98.6%，充满度太大。取该椭孔中的充满度为0.9，则=25.24/0.9=28.04mm椭圆圆弧半径R=（4）平辊设计 平辊设计，只需确定辊缝值，其与轧后高度h一致，在前面轧件尺寸确定时已经计算过。具体见孔型尺寸表3。（5）椭圆孔尺寸设计=(1.0881.11)b， 本设计取孔高：辊缝：s=(0.20.3)h圆弧半径：外圆角半径：r=(0.080.12)轧件断面积：充满度：则各椭圆孔型的计算尺寸见孔型尺寸表3（6）圆孔型设计孔高：槽口宽： 30，常取扩张角：辊缝：s=(0.100.15)d外圆角半径：r=(0.20.3)d内圆角半径：R=d/2轧件面

21、积：则圆孔型尺寸见表3。根据前面的配辊情况可知，每架轧机的轧辊都有多个轧槽，由各个轧槽过钢时，轧制压力及轧制力矩均相同，且根据材料力学的有关知识可知：当中间轧槽过钢时，轧辊危险面的弯矩最大，轧辊最危险。在型钢生产中，通常把轧辊上的轧制力当成是集中力来看待8。表3 孔型参数尺寸表道次孔型孔高 mm槽口宽mm内圆半径R mm外圆半径r mm辊缝 smm扩张角充满度%1平辊108.00153.20108.002平辊108.00122.70108.003平辊82.00125.6082.004平辊75.00103.2075.005椭圆61.72105.3169.639.8413.5890.96圆71.4

22、474.4935.7217.149.293098.67椭圆34.09111.45123.4310.03 7.5090.98圆53.3055.5826.6512.796.933098.29椭圆25.3680.1586.147.215.5890.910圆38.9340.0119.209.345.063097.511椭圆24.2754.1143.404.875.34 90.912圆31.3932.7415.707.534.0830 96.913椭圆16.7145.8443.574.133.6890.914圆23.8424.8611.925.723.103095.915椭圆16.4331.9323.0

23、92.873.6190.916圆20.0321.0910.024.812.203095.217椭圆13.1228.0422.002.002.0090.018圆15.8916.467.951.002.00100表4 16mm圆钢轧制程序表架次孔型形状轧件尺寸延伸系数轧辊直径mm工作辊径mm出口速度m/s轧件长度mm轧制温度oc压下量mm轧辊转速r/min轧制时间高mm宽mm面积mm2纯轧s间隔s1H平辊108.00153.2016545.61.250 5005000.2120.397733.68.596.752V平辊108.00122.7013251.61.2495005000.2625.496

24、545.210.697.753H平辊82.00125.6010299.21.2875005000.3332.795940.713.799.154V平辊75.00103.207737.31.3395005000.4243.895550.618.3104.355H平椭61.7295.744471.21.431600553.30.5762.795241.4828.6110.056V圆71.4471.444006.61.292600543.90.8181.095924.332.5100.057H平椭34.09101.322638.01.394420394.01.05112.995437.3568.21

25、07.558V圆53.3053.302231.21.255420378.11.46141.796248.0283.997.159H平椭25.3672.861394.01.354420400.91.83191.996927.94126.8104.9510V圆38.9338.931190.31. 339420389.42.48256.998233.93152.8103.6511H平椭24.2749.19905.01.276420401.63.33327.898614.66194.998.4512V圆31.3931.39773.91.250420395.34.24409.899817.8231.69

26、6.7513H平椭16.7141.67526.01.287365352.45.30527.4100314.68382.299.5514V圆23.8423.84446.41.260365346.36.83664.5100117.83458.497.3515H平椭16.4329.03361.01.258365352.68.60835.99997.41556.797.2516V圆20.0320.03315.11.202365349.310.821004.810079.00643.892.9517H平椭12.5825.24249.21.384365355.113.001390.610117.45800

27、.7101.0518V圆16.2016.20206.11.132365352.318.001574.110189.04975.887.555.5 产品孔型图本设计代表产品共18道孔型。各道孔型图如下（平辊略）： 第5孔 第6孔 第7孔 第8孔 第9孔 第10孔 第11孔 第12孔 第13孔第14孔第15孔第16孔第17孔第18孔1 第 4 章 轧制力计算1.1 4.1轧件接触面积一个辊上的接触面积可按下式近似地计算：（1）平辊：式中变形区长度， ； 在变形区轧件的平均速度 。又可写成 （2）方轧件在椭圆孔中：（3）椭圆轧件在圆孔中：（4）圆形轧件在椭圆中：平辊中，第一道次：=方轧件在椭圆孔中，

28、第五道次=椭圆轧件在圆孔中，第六道次=圆形轧件在椭圆中，第七道次=上述计算过程就是各个孔型中接触面积的计算方法，具体接触面积见表7表5 各道次接触面积机架号123456789接触面积13436.6612279.119828.336927.615779.484722.174708.564317.893254.66机架号101112131415161718接触面积2950.261814.081704.471283.231177.88762.44695.44572.55491.131.2 4.2各道次轧制速度的确定已知终轧速度是根据连轧过程中各机架之间的秒流量，即 可以求出各机架的轧制速度，表6 各

29、道次轧制速度机架号123456789轧制速度（m/s）0.570.620.881.251.511.861.872.042.71机架号101112131415161718轧制速度（m/s）2.994.875.186.887.511.5912.7115.4418.01.3 4.3开终轧温度的确定确定开轧温度时，由于棒材最后几道次是升温轧制，故从开轧到终轧总温降不会太大，根据铁碳相图，可确定开轧温度在950。1150左右。取开轧温度是1150。根据经验，轧制的数值对温降影响不是很大，得到各道次温降和温度，表7 各道次温降和温度机架号123456789温降24.722.823.318.013.310.

30、39.69.49.7轧制温度1150.01125.31102.51079.21061.21047.91037.61028.01018.6机架号101112131415161718温降9.58.57.46.35.25.04.94.7轧制温度1008.9999.4990.9983.5977.2972.2967.2962.3957.61.4 4.4计算轧制力4.4.1轧制压力的计算公式： 4.4.2平均单位压力： 式中： 1.4.1 4.4.3轧制力矩的计算 根据大量实验数据统计=0.55-0.60（1）第一道次： 平均单位压力：轧制压力：轧制力矩：（2）第二道次：平均单位压力：轧制压力：轧制力矩：

31、（3）第三道次：平均单位压力：轧制压力：轧制力矩：（4）第四道次：平均单位压力：轧制压力：轧制力矩：(5) 第五道次：平均单位压力：轧制压力：轧制力矩：（6） 第六道次：平均单位压力：轧制压力：轧制力矩：（7） 第七道次：平均单位压力：轧制压力：轧制力矩：（8）第八道次：平均单位压力：轧制压力：轧制力矩：(9) 第九道次：平均单位压力：轧制压力：轧制力矩：（10） 第十道次：平均单位压力：轧制压力：轧制力矩：（11） 第十一道次：平均单位压力：轧制压力：轧制力矩：（12） 第12道次：平均单位压力：轧制压力：轧制力矩：（13） 第13道次：平均单位压力：轧制压力：轧制力矩：（14） 第14道次

32、：平均单位压力：轧制压力：轧制力矩：（15） 第十五道次：平均单位压力：轧制压力：轧制力矩：（16） 第16道次：平均单位压力：轧制压力：轧制力矩：(17) 第17道次：平均单位压力：轧制压力：轧制力矩：（18） 第18道次：平均单位压力：轧制压力：轧制力矩：4.5数据统计：表8 各道次平均单位压力、轧制力、轧制力矩机架号123456789平均单位压力56.6563.7170.7578.3285.6189.1393.1899.39105.74轧制压力761.26782.23695.35542.91494.79420.93438.78429.15344.15轧制力矩77.1179.2464.49

33、38.8835.5225.1032.8029.0223.274机架号101112131415161718平均单位压力113.15116.71121.14130.05129.46133.32133.73137.75144.24轧制压力333.82211.73206.82166.88162.48101.6593.0078.8670.84轧制力矩19.1810.679.327.845.993.702.762.621.822 第 五 章 轧机的选择5.1连续式小型轧机连续式小型轧机式当今世界上最为流行，用的最多的一种小型轧机。单线全连续小型轧机具有以下优点：（1）可显著降低能耗，节约能源；（2）有利于

34、提高产品的质量。（连轧能保证各道次轧制速度随轧件延伸系数按比例增加，实现了粗轧时低速咬入的微张力轧制和精轧时的活套高速轧制。同时出现的平立交替布置的小型轧机可以实现最佳的无扭轧制，从而使产品质量获得一个飞跃）（3）可显著提高生产率.（轧件在连轧过程中，前一架对后一架轧机产生推力，可以改善咬入，有利于延伸和顺利轧制，为提高生产效率创造条件）；（4）易于连轧工艺系统的优化，为实现自动控制和开发新技术创造条件；（5）为实现最佳工艺无头轧制奠定了工艺技术和设备基础；（6）具有轧制速度高，产量高的特点，同时从根本上解决了在小型型钢生产中轧件头尾温差大的问题，也使坯料重量得以增大，使轧件产量和金属收得率均有很大提高。总之，选择连续式小型轧机是经济技术发展的需要，也是优化产业结构的需要，也是市场经济竞争下的必然结果。本设计选用全连续式小型轧机2.1 5.2轧机组成的基本原则（1）在满足产品方案的前提下，使轧机组成合理，布置紧凑。（2）有较高的生产效率和设备利用率。（3）保证获得质量较好的产品，并考虑到生产新产品的可能。（4）