钢管课程设计

1、辽 宁 科 技 大 学钢管课程设计说明书学院系: 材料与冶金学院 专业班级: 材控10-1班 学生姓名:聂振中指导教师: 李激光 2013 年 12 月 30 号 目录一前言- 3 -二、钢管设计任务书- 5 -三、140机组生产工艺概述- 6 -（一）主要设备- 6 -（二）工艺流程- 6 -（三）工艺要求- 6 -四、轧制表的制定- 18 -（一）轧管机- 18 -(二)穿孔机- 19 -(三)均整机- 21 -(四)定径机- 21 -(五)轧制表绘制- 26 -五、穿孔机设计、力能参数及强度校核- 28 -5.1 穿孔机的轧辊设计- 28 -5.2穿孔机顶头设计- 31 -5.3 穿孔机

2、能力参数计算- 32 -5.3 加热炉能力校核- 40 -六、结语- 41 -七、重要参考文献- 43 -一前言 无缝钢管是一种具有中空截面、周边没有接缝的圆形、方形、矩形钢材。是用钢锭或实心管坯经穿孔制成毛管，然后经热轧、冷轧或冷拔制成。无缝钢管具有中空截面，大量用作输送流体的管道，钢管与圆钢等实心钢材相比，在抗弯抗扭强度相同时，重量较轻。 作为一种经济断面钢材，无缝钢管在国民经济中具有很重要的地位，被广泛应用于石油、化工、锅炉、电站、船舶、机械制造、汽车、航空航天、能源、地质、建筑及军工等各个部门。 鞍钢无缝钢管厂是新中国第一座无缝钢管厂，是新中国第一根钢管的诞生地。鞍钢无缝钢管厂自195

3、3年12月26号建成投产至今，为新中国无缝钢管厂工业做出了巨大贡献。在过去的五十多年里，鞍钢无缝厂从只有一条140自动轧管机组生产线发展成为具有219自动轧管机组133圆盘延伸轧管机组159MPM连轧机组177PQF连轧机组等多条生产线的钢管厂。我们这次关于钢管的课程设计，将参照鞍钢的无缝钢管厂的140自动轧管机组进行设计。 钢管的生产工艺及其设计是我们材料成型及控制工程专业的学生必须掌握的内容。希望通过这课程设计，我们能充分掌握工艺及设计，并能与具体实践联系起来，为将来的工作打下基础。 通过这次设计也能提高我们的设计能力，同时也有助于我们深入了解钢管的生产工艺及其原理。但由于时间比较短，尤其

4、缺乏实际经验，其中错误在所难免请提出指正。二、钢管设计任务书成品尺寸：108×10坯料尺寸：110材质：Q215指导教师：李激光三、140机组生产工艺概述（一）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. 炮弹风机热定心机一台4. 中径17m的环形加热炉一座5. 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×

5、;16800 1号冷却台一个；31500 16800 2号冷却台一个12. 168mm七辊矫直机两台13. 115切管机八台14. 6UTH42.7168mm切管机二台（二）工艺流程原料剪断加热定心穿孔轧管均整定径冷却矫直吹风切头再加热减径取样检查包装入库（三）工艺要求1. 原料： 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群清理。 本次设计采用

6、的原料材质：Q215 尺寸：110 Q215的化学成分及力学性能：钢号 化学成分（%）CMnSi()S()P()Q2150.300.050（A级）0.045（B级）0.045Q215的力学性能牌号拉力强度屈服点伸长率%Q215335450215>28注：a为钢材的直径(当a>60-150)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 DH =250mm剪刃材质：6GrW2S要求：剪断时不允许

7、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%.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 决定斜轧穿孔时管坯的加热温度的基本依据是：保证 毛管穿出温度在该钢号的塑性最好的温度范围内。 确定合理的加热温度应该考虑如下因素：1） 温度过高产生过热和过烧，当

8、金属过热时晶粒长得很大，从而降低了金属的塑性，过烧时使晶界融化，金属变脆。2） 考虑在自动轧管机上的终轧温度。因为终轧温度对产品的影响很大。3） 温度过高，钢的表面脱碳严重。4） 考虑金属的烧损和钢管表面质量。温度愈高，氧化铁皮愈厚，过厚的氧化铁皮不但增加了金属消耗，也会穿孔带来困难，氧化铁皮扎入金属中，将降低钢管的表面质量。5） 考虑金属在加热过程中的组织变化。6） 考虑穿孔过程中的升温情况。7） 考虑轧制成品的规格，轧制厚壁管因为温降小一般加热温度可稍低。8） 管坯加热温度和穿孔顶头材质有关，用钼基顶头穿孔，加热温度要低8090。考虑到本设计的典型产品的可穿性，并结合鞍钢的现场的经验，本设

9、计中取加热温度为：t=1250。4.热定心：定心指在管坯前段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，效率高应用呢比较广泛。 热定心设备：炮弹式风动热定心机 设备性能：1）冲击速度68m/s 2) 定心深度： 1225mm 3）定心直径：4050mm 4) 打眼力：2400公斤5.穿孔：目的是将实心的管坯穿成要求规格的空心毛管。斜轧穿孔机是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、菌氏穿孔机以及三辊穿

10、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能好，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，I额=2850A 主减速机传动比：i=2.586.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：1.9m/s3. 减速机传动比：i=1544. 电机功率：N=11KW转速：n=715转/分回送辊装置：1.电机功率：N=55KW 2.减速机传动比：i=

11、3 3.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=6.64吨·米 飞轮力矩GD2=20吨·米2 传动比 i=5.67 模数Mn =16 主动齿轮数Z1= 30 被动齿轮数Z2=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Z1=Z2模数Mn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

12、 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，第二道轧制需要将管子翻转90°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 I额跳闸电流 I跳闸允许电流 I允许404.25KW500750转/分750V750A1300A750A主减速机：中心距a主动轮齿数Z1被动轮齿数Z2传动比i800mm311484.588.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条

13、件下，将钢管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。定径机孔型图1. 主电机2. 复合减速机3. 连续轴4. 定径机主要设备技术性能：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 按轧机规程进行轧辊安装，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，不准两棍倾斜及错位。 3电机不超负荷。9.冷却：目的是将定径后的热轧管均匀冷却在100160º

14、C以下，便于矫直。设备能力及技术性能：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=600mm5. 减速机传动比i=18.246. 链条移动速度v=0.00850.033m/s7. 二次冷却温度T=50100ºC8. 冷却台尺寸：宽度=16800mm 长度：1#=11000mm 2#=31500mm9. 冷却时间：1# 5.521.5分钟 2# 1621分钟10. 斜度：12%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

15、矫直机减小钢管直径。 主要设备技术性能： 1）矫直机型号：ø168mm矫直机 2）矫直速度：1380m/min 3)最大矫直力：226吨 4）矫直精度1mm/m 5)主电机：N=90KW V额=440V I额=221A n=01500 转/分 6)减速比 i=1/9.851 7)主动辊尺寸：ø380×560mm 被动辊尺寸：ø320×480mm 8)轧辊角度可调范围：27º35º 9）主动辊间距=900mm 主动辊与被动辊间距=820mm11.吹风：目的是用高压气将灰尘吹尽，以便切管。12.切头：（一）6uTH切管机 作用：

16、切断无缝管端头，并对端头倒棱。 可加工管坯范围：钢制10#45#及屈服点不超过 95kg/mm2的合金钢 规格：D0=57168mm s=3.540mm l前=16mml均后=5.515mm 重量Qmax1500kg (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：D外=38195mm s20mm l=414mm 设备技术性能：主轴轴套内孔直径：ø180mm 主轴中心线离地高度：1100mm 刀架最大行程：75mm 进退刀速度：rmax=3.6m/min nmax=3.8m/min ni=15

17、150mm/min 主传动电机:P=10KW n=960转/分 刀台倾斜角为10º 重量：6400kg13.检查与包装：它包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、水压试验、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。四、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：108×10 材质：Q215 管坯：110（一）轧管机 轧管机的壁厚：S成15mm时 S轧S成=10mm 外径：D轧=H轧槽高=108mm 内径：d轧=D轧-2

18、S轧=108-2×10=88mm 轧管顶头直径：二道次轧''=d轧=88mm 一道次轧'=轧''+(13)=88+2=90mm （厚壁管取大值，薄壁管取小值） 顶杆直径：杆=轧''-（815）=88-10=78mm 总延伸系数： K为烧损系数，碳钢K=0.970.98 (二)穿孔机毛管外径：D穿=(1.031.08)D轧=1.05x108=113.5mm 取D穿=114mm毛管壁厚：S穿=S轧+（35）=10+4=14mm毛管内径：d穿=D穿-2S穿=114-2x14=86mm顶头直径：穿=d穿-k穿=86-(415)=86-6

19、=80mm（k穿：内扩径值 一般机组：415mm 大型机组：1015mm 小型机组：47mm）轧辊间距：B=D坯-（1015%）D坯=110-10%x110=99mm绝对压下量：h= D坯-B=110-99=11mm导板间距：l=H+(02)=108+1=109mm椭圆度系数：顶杆位置：=+=+20-10=92mm（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) =0.817.6=14 mm=(0.150.25)=0.16110=17.6mm ：顶头鼻部直径=（1.02.5）=1.080=80

20、mm =80mm=（1.51.75）=（1.51.75）D坯=1.5110=52.23mm =52mm式中：送进角10滑动系数=(0.40.9) =(0.50.7)=14+80+52-=72mm顶杆长：=+=14+80+52+10=156 mm 过渡圆弧：顶头压下率：dq =3.14%延伸系数：(三)均整机外径：D均=D轧-(310)=108+3=111mm壁厚：S均=S轧=10mm内径：d均=D均-2S均=111-2x10=91mm顶头直径：均顶头=''轧+（14）=88+1=89mm顶杆直径：均顶杆=''均顶头+(215)=89-11=78mm轧辊间距：B=

21、均顶头+2S均=89+2x10=109mm导板间距：l=2D均-B=2x111-109=113mm椭圆度系数：延伸系数：(四)定径机热状态尺寸：=（1.011.015）=1081.01=109.08mm压缩率：=1.7%=1-=1-=0.58%=0.29%0.58%0各孔型平均直径：mm=110.68(1-0.58%)=110.04mm椭圆系数: Q215厚壁管q取1轧槽高： mm同理可得：轧槽宽：mm同理可得：=110.37mm=109.72mm=109.24mm=108.91mm半径：同理可得：偏心距：同理可得：=0辊缝：g=1.55mm圆角半径：r=36mm工作辊直径：=D+g-0.75

22、(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+5-0.75110.51=352.12mm同理可得：= D+-0.75=352.72mm= D+-0.75=352.20mm= D+-0.75=351.32mm= D+-0.75=351.32mm各机架断面：=10mm=（-)10=1006.8mm2 =（-）10=1000.4mm=（-）10=994mm2（-）10=990.8mm2（-）10=990.8mm2 各架时第一架的延伸系数：同理可得：工作辊转速： =6001500转/分 i=14.9 取n=750转/分转/分 r/mi

23、n同理可得： r/minr/minr/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(5) 轧制表绘制穿孔机成品规格108×10mm管坯110mm毛坯外径114mm椭圆度系数1.101壁厚14mm顶头位置C72mm内径86mm顶杆位置92mm导板间距l109mm顶头直径80mm轧辊间距B99mm送进角10绝对压下量H11mm入口锥角3顶头压下率3.14%出口锥角3.5穿孔机延伸系数2.10轧管机外径mm壁厚mm内径mm一道次mm二道次mm顶杆直径mm总延

24、伸系数轧机系数轧槽高mm10810889088782.991.43108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111109189781091131.041.03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mm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mm109.081110.51110.84110.680.29%1.0030.17352.1250.3455.422109.71110.37110.040.58%1.0060.33352.7250.5655.193109.07109.72109.40

25、0.58%1.0060.33352.2050.9854.864108.91109.24109.080.29%1.0030.17351.3251.2654.625108.91108.91109.08010351.3251.2654.46五、穿孔机设计、力能参数及强度校核5.1 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

26、工具形状和主要尺寸，并选择工具材质及技术要求。9） 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=160mm ； 故取 D=1000mm10） 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

27、轧管机组，入口锥角=3o3.5o，出口锥角=3o3.5o 。本设计中取：=3o ，=3.5o 。DPmax=61mm，(Dk+DP)max=15mm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渡。本设计L1取600mm，L2取140mm，L3=0,1=3º,2=3.5º。L=L1+L2+l3=600+140+0=740mm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5.2及

28、图5.1 。表5.2 穿孔机轧辊主要参数名称参数辊径D1000mm辊身长度L740mm辊径直径d500mm辊径长l450mm入口锥角13o出口锥角23.5o 图5.1穿孔机轧辊参数如表5.3所示：表5.3轧辊主要参数项目参数项目参数轧辊材质65Mn重量1.83（吨/个）轧辊硬度HB141-184生产中倾角5º12º5.2穿孔机顶头设计名称参数顶头直径80mm鼻部直径17.6mm过度圆弧直径9mm鼻部长度14mm穿孔锥长度l180mm辗轧长度l252mm反锥长度l310mm总长度l156mm材质25CrNi4VA具体计算部分见轧制表设定的穿孔机部分5.3 穿孔机能力参数计算已

29、知条件如下：穿孔机成品规格Ø108×10管坯Ø110毛坯外径114mm椭圆度系数1.101壁厚14mm顶头位置C72mm内径86mm顶杆位置yc92mm导板间距l109mm顶头直径80mm轧辊间距B99mm送进角10º绝对压下量H11mm入口锥角13º顶头压下率3.14%出口锥角23.5º穿孔机延伸系数2.10 辊身长 L=740mm 轧辊间距B=99mm 导板间距l=109mm 轧辊直径：D=1000mm 滑动系数 摩擦系数 ：顶头工作锥角：=12.25º=3.5º辊颈直径：=500mm 辊径长：l=450mm（

30、1）变形区长：（2）单位压下量：（3）接触宽度： （4）接触面积： （通常情况下考虑压扁，故增加一个压扁数（1.51.8），一般取1.5 ) （5）单位轧制压力计算：已知：Q215钢在1200C 时 =2.2(鞍钢无缝厂手册)入口锥角的平均单位压力：出口锥的平均单位压力：入口锥轧制压力：出口锥轧制压力：（6）总轧制力：5. 轧制力矩Mzh: Pb=(0.130.27)P=0.215.38=3.08t (6.9)故： 式中：分力Z的力臂，=0.5×21.83=10.92mmp力与Z力臂的夹角，分力Y，的力臂，=mmR轧辊半径，R=500mm金属与导板间的摩擦系数，计算时取=f=0.20

31、.3取0.3f金属与轧辊间的摩擦系数Q顶头轴向力，Q=（0.30.4）P=0.3515.38=5.38tPb轧件对导板作用力， Pb=(0.130.27)p=0.215.38=3.08tEx轴向摩擦阻力， Ex= 0.16t送进角,导板距离，代入上式；Mzh=15382.59×(10.92×cos12.44º+499.88×sin12.44ºcos10º）+499.88(+160.27)sin10º+0.15×15382.59×0.3cos100×=2079999.73kg·mm 故：

32、=2.08t·m(2)功率计算N： N=· 式中M克服轴承摩擦力矩，M=P·D·轴颈直径，D=300mm滚动摩擦系数；=0.005机械效率；=0.9轧辊转数；=100r/min.M=P·D·=15382.59×300×0.005=23073.89kg·mm故：MT=0.02t·mN=·=电机安全（3）穿孔机咬入条件计算已知：（4）穿孔时的强度校核：由前面计算可得轧制力P=15.38t，认为此力作用在轧辊过渡处。由轧辊辊身和辊颈长，可得a=740mm,b=400mm.则，根据力和力矩平衡可算出在两侧辊颈中点处的受力分别为F=4.72t,F=10.66t.受力分析如下图。进一步可算出在C，D两点出的力矩：=4.72×10×825=38940N·m =4.72×10×225=10620N·m 辊颈处扭矩:辊身处扭矩：D点为辊颈和辊身的接触点;C点为轧辊的过渡处点。 F/t 15.25t a d c b M/N·m 4.72t 10.66t3894010620T/KN·m 20900208001）弯曲应力： 式中：W抗弯截面系数 对于圆柱体 辊颈危险