管钢轧制课程设计

1、辽宁科技大学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

2、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 -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1

3、953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；2

4、002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

5、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！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 第一章、140机组生产工艺概述1.1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.

6、 850×500曼氏穿孔机一台6. 730×1680自动轧管机一台7. 850×600桶式均整机一台8. 5600×11800步进梁式再加热炉一座9. 430×255五架定径机10. 430×255二十架减径机11. 11000×16800 1号冷却台一个；31500×16800 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1.2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

7、.3工艺要求1.3.1.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：130Q215的化学成分及力学性能：BG/T8162牌号等级化学成分（质量分数）（%）C Mn Si S P Q215 A 0.090.15 0.250.55 0.030.050 0.045 B 0.045 牌号拉力强

8、度MPa 屈服点MPa 伸长率（%）不大于Q215 335450 215 31 1.3.2.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140mmc.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

9、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的环形加热炉设备性能：（1）中径 =17000mm （2）外径 =22386mm （3）内径 =11614 mm （4）炉膛宽 4400 mm（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11501300C （10）装炉温度±25C （11）平

10、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，<1800mm时，采用双排布料单位加热速度：碳钢：55.5分/cm 一般合金钢：68分/cm 不锈钢、高合金钢710分/cm1.3.4.热定心定心指在管坯前端断面的中心部位形成有一定尺寸的漏斗形状的孔穴，便于穿孔时顶头对准坯料断面中心，减少穿孔后毛管的壁厚不均；减少的扭过头的阻力，便于二次咬入。热定心机一般安装在加热炉与穿孔机之间，利用压缩空气或液压方式带动冲头冲孔，七结构简单，效率高应用比较广泛。热定心设备：炮弹式风动热

11、定心机设备性能：（1）冲击速度68m/s （2）定心深度：1525mm （3）定心直径：4050mm（4）打眼力：2400公斤（5）炮弹重量G=4kg（6）主缸筒活塞直径d=100mm l=3000mm（7）主缸风压46大气压1.3.5.穿孔目的是将实心的管坯穿成要求规格的空心毛管。斜轧穿孔机时目前应用最广泛的穿孔设备，包括曼氏穿孔机、狄舍尔穿孔机、菌式穿孔机以及三辊穿孔机。本次设计采用的是曼氏穿孔机。曼氏穿孔机的特点是对心性好，毛管壁厚较为均匀，延伸系数=1.254.5。设备性能：主电机：N=200KW, n=200400转/分，U=750V, =2850A主减速机传动比：i=2.58操作：

12、（1）严格按轧制表及可换部件配置表调整安装工具。（2）管坯不得长时间在辊道上及料槽上停留，放冷的管坯严禁轧制。（3）用推料机要平稳咬入。（4）机械调整正确。（5）顶杆接头保持完好，磨损了要及时更换并应准确地将顶杆调整在机械中心线上，工作中定心，辊不得打开过早防止鼓顶杆。穿孔机原理如图轧辊尺寸及几何形状1.3.6.轧管目的是消除螺旋形壁厚不均，并实现穿孔后的钢管壁厚减薄起延伸作用获得外径，平均壁厚符合要求的钢管。设备性能：压下装置：1.上压下螺丝，从原位算起向上最大行程210mm，向下最大行程60mm.2.螺丝升降速度： 1.9mm/s3.减速机传动比： i=1544.电机功率： N=11KW转

13、速： n=715转/分回送辊装置：1.电机功率：N=55KW2.减速机传动比： i=33.辊直径540600mm 辊身长 1680mm主电机：功率P=880KW 转速n=400500转/分额定电流I=1270A 允许最大电流Imax=2700A跳闸电流I=2000A主减速机：主动轴最大力矩M=664吨米 飞轮力矩GD=20吨米 传动比i=5.67 模数=16 主动轮齿数=30被动轮齿数=70 齿轮宽度B=880mm高速轴及飞轮重G=10.65吨人字齿轮机座：传递扭力矩M齿轮转速n齿数=模数宽度B50吨米66.1132.2转/分29201120mm操作：1按调整规程及轧制表进行调整及选择轧制工具

14、2管应被顺利平稳咬入前端嘴圆，后端平齐3轧出的管子尺寸与轧制表要相等4电机负荷未超出规定范围5用双槽单轧跟踪轧制的方法轧制，第二道轧制前需要将管子翻转90 1.3.7. 均整目的是辗平管壁的局部耳子、直道，使轧管后的荒管扩径、变圆比并精整内外表面。主要设备及技术要求：主电机：功率P转速n电压U额定电流跳闸电流允许电流404.25KW500750转/分750V590A1300A750A主减速机：中心距a主动轮齿数被动轮齿数传动比i800mm311484.581.3.8.定（减）径机钢管定径、减径（或张力减径）过程是空心体不带芯棒的连轧。定径的任务是在较小的总减径率和小的单机架减径率条件下，将钢管

15、轧成具有要求尺寸精度和真圆度的成品管，减径除了起定径作用外，还有较大的减径率。实现大管料生产小口径钢管的目的，主要用二辊定、减径机。目的是清除均整后的钢管的外径不圆，满足技术条件的规定。主要设备技术性能： 电机功率P机架数n机架间距a产品范围外径D壁厚s55.125KW51200mm89168mm425mm要求：1 按轧制规程进行轧辊安装，各架孔型中心线必须调整一致，且与轧制线一致。2 机器调整必须按轧制表准确进行，不准两辊倾斜及错位。3 电机不超负荷。1 主电机2 复合减速机3 连续轴4 定径机定径机孔型图1.3.9.冷却目的是将定径后的热轧管均匀冷却在100160C以下，便于矫直。设备能力

16、及技术性能：1.）1#、2#冷却台电动机功率 N=4.5KW 转速 n=4501800转/分2.)1#、2#冷却台链轮直径D=650mm 链条间距a=1200mm 轧道间距b=600mm3.) 减速机传动比 i=18.24 4.)链条移动速度 v=0.00850.033m/s5.)二次冷却温度 T=50100C6.）冷却台尺寸： 宽度=16800mm 长度：1#=11000mm 2#=31500mm7.)冷却时间：1# 5.521.5分钟 2# 1621分钟8.）斜度：12%1.3.10.矫直目的是用来矫直冷却后的钢管并能清除部分钢管椭圆度，采用“弯曲压扁”方式矫直钢管。严禁用矫直机减小钢管外

17、径。主要设备技术性能：1） 矫直机型号：168mm矫直机2） 矫直速度：1380m/分3） 最大矫直力：226吨4） 矫直精度1mm/m5） 主电机：N=90KW =440V =221A n=01500转/分6） 减速比 i=1/9.8517） 主动辊尺寸：380×560mm 被动辊尺寸：320×480mm 8） 轧辊角度可调范围：27°35°9） 主动辊间距 =900mm 主动辊与被动辊间距 =820mm1.3.11.吹风目的是用高压气将钢管内灰尘吹尽，以便切管。1.3.12.切头（一）6uTH切管机作用：切断无缝管端头，并对端头倒棱.可加工管坯范围：

18、钢质 10#45#及屈服点不超过95kg/的合金钢。规格：=57168mm s=3.540mm =16mm=5.515mm 重量1500kg(二)2115型切管机用途及产品范围：本品与附属升降台配合，专门用于切除钢管的两端或中间切断，并能把钢管截成定尺或倍尺长度。切管规格范围：=38195mm s20mm =414mm设备技术性能：主轴轴套内孔直径：180mm主轴中心线离地高度：1100mm刀架最大行程：75mm进退刀速度：=3.6m/分 =3.8m/分 =15150mm/分主传动电机：P=10KW n=960转/分 刀台倾角度为10°重量：6400 kg1.3.13.检查与包装它包

19、括横断面尺寸精度的检测，表面质量检查和无损探伤。取样进行物理机械性能实验、水压实验、长度测量、打印、表面涂油、打捆、包装和称重。经检查不合格的钢管，视其缺陷的严重程度或报废或改尺，或重新返回精整。这是保证质量的重要措施之一。第二章、轧制表的制定本次设计采用中间开花法制定轧制表：已知条件：成品尺寸：134×18（mm） Q215 管坯：130 mm2.1轧管机轧管机的壁厚：当>15mm时，=-（0.51.0）=18-1=17mm 外径： =132mm 内径：=-2=132-2×17=98mm轧管顶头直径： = =98mm=+（13）=98+3=101mm 顶杆直径：d=

20、d-(815)=98-10=88mm总延伸系数：=2.096（K为烧损系数，碳钢K=0.970.98）=1.24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=110mmb=116mm=30r=12mms=10mmR=a/2=55mm回送辊：材质低铬半冷硬球墨铸铁a=110mmb=116mmR=55mmr=12mm=40s=20mm2.2穿孔机毛坯外径： D=1.03×D=1.03 132=136mm毛坯壁厚S=S+（35）=17+4=21mm毛坯内径d=D-2S=136 -221=94mm顶头直径：=d-K=94-4=90mm（其中K为穿孔机内扩径量，

21、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顶杆位置：=+20-10=100mm备注：轧辊出口锥长 反锥长： 固定式 515mm 更换式 3050mm出口锥角3.5顶头位置： =+ 其中：顶头鼻部长 穿孔锥长 平整锥长 = (0.81.0) =126=26 mm=(0.150.25)=0.2130=26mm ：顶头鼻部直径=（1.02.5）=1.390=117mm=90 mm=（1.51.75）=（1.51.75）=

22、1.5130=61.7mm =62mm 式中：送进角10 滑动系数 =(0.40.9) =(0.50.7)=26+117+62-=50 mm顶杆长：=+=26+90+62+10=188 mm顶头压下量： =9%延伸系数： =1.69工具设计：轧辊具体参数：送进角：=3=3.5=246mm =218mm材质55锻钢顶头参数：顶头长取L=188mm 鼻部长=26mm鼻部直径=26mm=117mm =62mm=10mm 2.3均整机 外径:D= D+（310）=132+8=140mm 壁厚：S= S=17mm内径：d= D-2 S=140-217=106m顶头直径： =+（14）=98+2=100m

23、m顶杆直径：=-（215）=100-10=90mm轧辊间距：B=S+2 S=100+217=134mm导板间距：=2D-B=2140-134=146mm椭圆度系数：=1.08延伸系数：=1.01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=245mmC=85mm =25mm=110mm a=25mm d=65mm mm2.4定径机热状态尺寸：=（1.011.015）=1341.015=136.01mm压缩率：=2.8%=1-=1-=0.9%=0.45%=0.9%=0各孔型平均直径：=（1-）=

24、（1-）=140(1-0.45%)=139.37mm=（1-）=139.37(1-0.9%)=138.12mm=（1-）=138.12(1-0.9%)=136.88mm=（1-）=136.88(1-0.45%)=136.26mm=136.26椭圆系数：=1.006=1.013=1轧槽高：=138.95mm 同理可得： =137.23mm=136.00mm=135.85mm=135.85mm轧槽宽：=1.006138.95=139.78mm同理可得：=139.01mm=137.77mm=136.67mm=135.85mm半径：=69.89mm同理可得：=69.51mm=68.89mm=68.34

25、mm=67.93mm偏心距：=0.41同理可得：=0.89=0.89=0.41=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+5-0.75138.95=330.8mm同理可得：= D+-0.75=332.1mm= D+-0.75=332.0mm= D+-0.75=331.1= D+-0.75=331.1各机架断面：=（-）=8mm=（-8）8=1050.960mm2=（-8）8=1040.96mm2=（-8）8=1031.04mm2=（-8）8=1026.0

26、8mm2=（-8）8=1026.08mm2各架时第一架的延伸系数：=1.009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=46.98r/min=1.00946.98=47.23 r/min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=350450mml=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轧制表绘制穿孔机成品规格13418管坯130毛管外径Dm136mm椭圆度系数1.19

27、壁厚Sm21mm顶头位置C50mm内径dm94mm顶杆位置yc100mm导板间距l135mm顶头直径90mm轧辊间距B113mm送进角10绝对压下量h17mm入口锥角13顶前压下率9 %出口锥角23.5穿孔机延伸系数1.69轧 管 机外径Mm壁厚Mm内径mm一道次mm二道次mm顶杆直径dmm总延伸系数轧机系数轧槽高mm132179810198982.0961.24132均 整 机外径Mm壁厚Mm内径mm顶头直径mm顶杆直径mm轧辊间距Bmm导板间距mm椭圆度系数延伸系数1401788100901341461.081.01定 径 机（5架）热状态尺寸Mm机架数轧槽高mm轧槽宽mm各孔型平均直径m

28、m压缩率椭圆度系数偏心距mm工作直径mm工作辊转速转/分半径Mm136.011138.95139.78139.370.45%1.0060.41330.846.9869.892137.23139.01138.120.90%1.0130.89332.147.2369.513136.00137.77136.880.90%1.0130.89332.047.6768.894135.85136.67136.260.45%1.0060.41331.148.0468.345135.85135.85136.26010331.148.0467.93第三章、力能参数及强度校核3.1.计算机剪切及加热能力剪切：坯料定

29、尺:= =3147.87mm式中： 成品长取6000mm 切头尾长度：合金钢切250mm左右 碳素钢切450mm左右 烧损系数：（0.970.995） 碳钢=0.97 合金钢=0.995加热能力：加热时间：=13030/3600=1.08小时与钢种有关的系数：碳钢：3033 s/mm 一般合金钢：3648 s/mm 这里取=30 s/mm装炉量：=1=150根 布料角=1.52装炉角=30 采用双排布料即=1=139根/小时 去掉39根隔料管=100根/小时每根重：=6523147.877.85=327.99 式中：密度 =7.85 小时产量：=327.99100=32.79吨/小时3.2.穿

30、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： 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 ； 故取 D=10

31、00mm （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；式中：Dpmax 该穿孔机的管坯直径压下量最大值。（Dk+Dp）max该穿孔机的出口处毛管外扩量最大值 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 。本设计中取：1=3o ，2=3.5o 。DPmax=47mm，(Dk+DP)max=30mm代入数据有：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

32、渡。本设计L1取290mm，L2取150mm，L3=0,1=3º,2=3.5º。 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D1000mm辊身长度L720mm辊径直径d500mm辊径长l450mm入口锥角13o出口锥角23.5o3.3穿孔机顶头设计名称参数顶头直径Dt90mm鼻部直径d026mm过度圆弧直径r013mm鼻部长度l026mm穿孔锥长度l1117m

33、m辗轧长度l262mm反锥长度l310mm总长度l188mm材质25CrNi4VA3.4穿孔机能力参数计算已知：成品 13418 Q215 管坯尺寸 130毛管尺寸：=136mm =21mm =94mm顶头尺寸：=90mm =188mm =50mm辊身长 =720mm 轧辊间距B=113mm 导板间距=135mm轧辊直径：=1000mm =10=3=3.5顶头工作锥角：=12.25=3.5辊颈直径：=550mm 辊颈长：=450mm变形区长：=636mm=162mm =188mm =636mm单位压下量：= =136tan10°(tan3°+tan12.25°)=

34、5.80mm接触宽度：=25.35mm接触面积：=0.6725.35162=2751.49mm=0.825.35188=3812.64mm单位轧制压力计算：已知：20#在1200C时 =2.2(鞍钢无缝厂手册)=入口锥的平均单位压力：=（1.8-）（1-2.7）=3.16出口锥的平均单位压力：=0.753.16=2.37总的轧制力：=3.162751.49+=17.73吨轧制力矩：（对一个辊来说）= 式中：a1=0.5b=0.525.35=12.68nm=tan-1=12.65°=500mm顶头阻力：=0.317.73=5.319吨导板阻力：=0.1517.73=2.66吨=134+1=135mm轴向摩擦力：=2.660