高速线材孔型设计

1、目录1 设计说明.21.1 孔型设计概述.21.1.1 孔型设计的内容.21.1.2 孔型设计的基本原则.22 孔型系统的选择及依据.32.1 孔型系统的选取.32.1.1 粗轧机孔型系统的选取.32.1.2 中轧、预精轧及精轧轧机孔型系统的选取.33 确定轧制道次.43.1 轧机的选择.44 分配各道次延伸系数.54.1 孔型设计计算.54.1.1 确定各道次延伸系数.55 确定各道次出口的断面面积.65.1 确定各道次轧件的断面面积.66 各道次孔型尺寸.76.1 孔型设计计算.77 孔型在轧辊上的配置.87.1孔型在轧辊上的配置原则.87.1.1 孔型在轧辊上的配置.97.2 轧辊的平均

2、工作直径及轧辊转速的确定.97.2.1 工作辊径的确定.97.2.2 轧辊转速的确定.108 力能等效计算.138.1 力能参数计算.138.1.1 轧制温度.138.1.2 轧制力计算.158.1.3 轧辊辊缝计算.209 校核轧辊强度.219.1 轧辊强度的校核.219.1.1 强度校核.219.1.2 第一架轧机轧辊强度校核举例.2410 电机的选择及校核.2610.1 电机功率的校核.2610.1.1 传动力矩的组成.2610.1.2 各种力矩的计算.26.10.1.3 电机校核.2810.1.4 第一道次电机功率校核举例.2811 各孔型图及轧制图表.3011.11. 设计说明1.1

3、 孔型设计概述钢坯要在所设计的孔型中轧制若干道次才能获得所要求的断面形状和尺寸，同时孔型设计还与所轧产品的性能、质量及轧机的生产能力、金属消耗、能耗、产品成本、劳动条件都直接相联，所以孔型设计是车间设计重要一环。1.1.1 孔型设计的内容孔型设计是型钢生产的工具设计。孔型设计的全部设计和计算包括三个方面：1. 断面孔型设计根据原料和成品的断面形状和尺寸及对产品性能的要求，确定孔型系统、轧制道次和各道次的变形量，以及各道次的孔型形状和尺寸。2. 配辊确定孔型在各机架上的分配及其在轧辊上的配置方式，以保证轧件能正常轧制、操作方便、成品质量好和轧机产量高。3. 轧辊辅件设计导卫或诱导装置的设计导卫装

4、置应保证轧件能按照所要求的状态进、出孔型或者使轧件在孔型以外发生一定的变形，或者对轧件起矫正或翻转作用等。1.1.2 孔型设计的基本原则 孔型设计是型钢生产中的一项极其重要的工作，它直接影响着成品质量、轧机生产能力、产品成本、劳动条件及劳动强度。因此，合理的孔型设计应满足以下几点基本要求。1. 保证获得优质产品 所轧产品除断面形状正确和断面尺寸在允许偏羌范围之内外。应使表面光洁金属内部的残余内力小，金相组织和力学性能良好。2. 保证轧机生产率高 轧机的生产率决定于轧机的小时产量和作业率。影响轧机小时产量的主要因素是轧制速度。作业率取决于工艺的科学、孔型设计的合理、设备的优良、操作的熟练。3.

5、保证产品成本最低 为了降低生产成本，必须降低各种消耗，由于金属消耗在成本中起主要作用，故提高成材率是降低成本的关键。因此，孔型设计应保证轧制过程进行顺利，便于调整，减少切损和降低废品率；在用户无特殊要求的情况下，尽可能按负偏差进行轧制。同时，合理的孔型设计也应保证减少轧辊和电能的消耗。4. 保证劳动条件好孔型设计时除考虑安全生产外，还应考虑轧制过程易于实现机械化和自动化，轧制稳定，便于调整；轧辊辅件坚固耐用，装卸容易9。2. 孔型系统的选择及依据2.1 孔型系统的选取2.1.1 粗轧机孔型系统的选取1. 1# 轧机的孔型为平箱，2# 轧机的孔型为立箱。箱形孔型系统的轧件变形较为均匀，角部没有改

6、变，容易温度偏低。1) 箱形孔型系统的主要优点是：(1) 沿轧件断面宽度变形均匀，孔型磨损较小；(2) 通过这种孔型轧出的轧件比起相同面积的其他孔型来，孔型轧槽切入轧辊深度较小大，故可以允许给以较大的变形量；(3) 可以适应来料断面尺寸的波动，并且在同一孔型中通过调整压下量，可以得到不同断面尺寸的轧件；(4) 在这种孔型中轧制，轧件上的的氧化铁皮易于脱落。2) 箱形孔型系统的主要缺点是：(1) 在这种孔型中轧出的方形或矩形断面不够规整；(2) 在这种孔型系统中金属只能受到两个方向的轧制加工；(3) 当进入孔型的轧件高度比较大而孔型槽底又较宽时，轧件在孔型中的稳定性不好，易发生倒钢或歪扭现象，这

7、在轧制小断面轧件时尤为严重。 由于箱形孔型系统具有上述特点，在线材生产上它多用于轧制的头几道次，并用于轧制断面尺寸在60× 60毫米以上的轧件。在400毫米轧机上这种孔型最小轧出断面尺寸为56× 56毫米；在300毫米轧机上这种孔型最小轧出断面为45× 45毫米。箱形孔型道次延伸系数一般为1. 20 1.40。2. 3# 6#轧机的孔型依次为：椭圆圆椭圆圆 这种孔型系统的优点在于：1) 孔型形状能使轧件从一种断面平滑地转换成另一种断面，从而避免金属由于剧烈的不均匀变形面产生局部应力。 2) 在此孔型系统中轧出的轧件没有尖锐的棱角，轧件冷却均匀。3) 孔型形状及变形

8、特点有利于去除轧件上的氧化铁皮，使轧件具有良好的表面。4) 必要时可在延伸孔型中获得圆断面成品，从而减少换辊10。2.1.2 中轧、预精轧及精轧轧机孔型系统的选取综合比较各种孔型系统，本设计的中轧、预精轧、精轧及减定径轧机孔型选取椭圆圆孔型系统。3. 确定轧制道次由坯料尺寸（150mm×150mm）和所轧制的最小断面的轧件尺寸（6.5mm）确定轧制道次。考虑到坯料尺寸偏差和热膨胀因素，所以总延伸系数为： (3)一般全线平均延伸系数为： 轧制道 (4)取整得，精轧最后两架为减径机。轧机最后为两架定径机（不考虑在内）。参考现场实际生产情况及相关资料将26+4架轧机分为粗轧、中轧、预精轧、

9、精轧及减定径五组机组。其中粗轧6架，中轧6架，预精轧6架，精轧8架，减定径机4架。3.1 轧机的选择各机组主要参数如表7表1轧机主要技术参数轧 辊主电机速 比机组机架号机架布置辊 径(mm)最大辊径 最小辊径辊身长度(mm)功率kw转速r/min粗轧机组123456HVHVHV610610610495495495520520520420420420800800800700700700500500650500650650700140098.3876.4059.4036.9728.5421.60中轧机组789101112HVHVHV420420420420420420360360360360360

10、360650650650650650650650700650700650700700140013.5910.107.945.964.683.70预精轧机131415161718HVHVHV420420248248248248 3603602222222222226506507575757570070070060070060070014002.942.341.061.060.890.753精轧机组192021222324252645°45°45°45°45°45°45°45°228228228228228228228

11、228 2052052052052052052052057272727272727272 50005015700.5970.4110.4110.3250.2140.2140.1560.156减定径机2728 293045°45°45°45°228228228228205 205205205 727272723200 85017000.1250.1250.1020.1024. 分配各道次延伸系数4.1 孔型设计计算4.1.1 确定各道次延伸系数 典型产品（6.5mm）总延伸系数为736.68 由延伸系数的分配原则确定各道次延伸系数见表8表2各道次的延伸系数

12、轧制道次1234567891011121214延伸系数1.31.251.391.321.391.281.381.321.321.321.331.251.281.25轧制道次1516171819202122232425262728延伸系数1.271.251.251.241.211.221.221.211.201.211.211.211.201.205. 确定各道次出口的断面面积5.1 确定各道次轧件的断面面积按逆轧顺序进行计算：由公式7： . (5)所以，各道次轧件断面面积如表9表3各道次轧件断面面积轧制道次1234567断面面积17307.713846.2.9961.37546.45429.1

13、4241.53073.5轧件尺寸9873.5轧制道次81011121314断面面积2328.491336.31004.8803.8628.0502.4轧件尺寸54.51763.941.332.025.3轧制道次151718192021断面面积395.616204.2208.4168. 7138.3113.4轧件尺寸316.516.113.3轧制道次22202425262728断面面积93.72364.553.344.136.733.2轧件尺寸10.978.19.17.56.56. 各道次孔型尺寸6.1 孔型设计计算由程序计算得各个孔型尺寸如下表：表4 孔型参数规格机架轧件尺寸(mm)孔型尺寸(

14、mm)高度宽度高度宽度椭圆圆弧半径圆扩张角辊缝1115150.512016015.02117.7117.712512512.0384.8135.884.8150/9193.920.84989898107.53015.0557120.557133.9113.713.4673.573.573.582.33012.5741.79141.7101.1165.910854.554.554.563.6308.5932.466.632.474627.91041.341.341.347.6307.51125.849.925.855.544.46.31232323236.5306.01320.838.220.8

15、42.432.75.21425.325.325.328.5305.01516.130.416.133.827.24.31619.819.819.822.5304.01713.92313.925.618.43.51816.316.316.318253.21912.318.512.320.613.73.02013.913.913.915.1252.2219.416.49.418.213.72.52211.211.211.212.5253.0238.212.98.214.39.82.0249.49.49.410.3252.4256.710.96.712.18.61.7267.87.87.88.625

16、2.0275.69.05.6107.11.5286.56.56.57.1251在孔型系统及各孔型的尺寸确定后，还要合理地将孔型分配和布置到各机架的轧辊上去。配辊应做到使轧制操作方便，保证产品质量和产量，并使轧辊得到有效的利用。7. 孔型在轧辊上的配置7.1 孔型在轧辊上的配置原则为了合理配置孔型，一般应遵守如下原则：1. 孔型在各机架的分配原则是力求轧机各架的轧制时间均衡。2. 根据各孔型的磨损程度及其对质量的影响，每一道备用孔型的数量在轧辊上应有所不同。如成品孔和成品前孔对成品的表面质量与尺寸精确度有很大影响，所以成品孔和成品前孔在轧较长度允许的范围内应多配几个，这样当孔型磨损到影响成品质量

17、时，可以只换孔型，而不需换辊。3. 确定孔型间随即辊环宽度时，应同时考虑辊环强度以及安装和调整轧辊辅件的操作条件：1) 辊环强度取决于轧辊材质、轧槽深度和辊环根部的圆角半径大小。2) 钢轧辊的辊环宽度应大于成等于槽深高度之半。3) 铸铁辊的辊环宽度应大于或等于槽深高度。4) 确定辊环宽度时除考虑其强度外，还应考虑导板的厚度或导板箱的尺才以及调整螺丝的长度和操作所需的位置大小，边辊环宽度中小型轧机取 80120mm。 7.1.1 孔型在轧辊上的配置孔型在轧辊上的配置包括：垂直方向上的配置和辊身长度方向上的配置。垂直方向上的配置和轧辊的名义直径、原是直径、工作直径有关；而孔型在辊身长度方向上的配置

18、要考虑的因素有：1. 成品孔和成品前孔应尽量争取单独配置，即不配置在同一架轧机的同一 轧线上，以便实观单独调整，保证成品质量。2. 分配到各架轧机上的轧制道次应力争使各架轧机轧制时间负荷均衡，以便获得较短的轧制节奏，有利于提高轧机产量。3. 根据各个孔型磨损对成品质量影响程度不同，在轧辊上孔型配置数目也不相同。成品孔应尽可能多配，成品前孔和再前孔根据条件和可能也应多配一些。这样做的另一好处是可以减少换辊次数、减少轧辊储备数量，并能降低轧辊消耗。4. 轧辊相邻孔型间的凸台叫辊环，在轧辊长度方向上要留有足够的宽度，以保证辊环强度和满足安装导卫和调整的要求。在满足了上述要求的条件下辊环宽度可适当减小

19、。以便能多安排孔型数目。铸铁辊环的宽度一般可考虑等于轧槽深度，而钢辊辊环可以小些轧辊两端的辊环宽度对于大中型轧机可取100mm以上，而对小型轧机般在50100mm的范围内选取。至于在孔型倾斜配置的情况下，还应考虑设置止推斜面辊环的要求。本设计轧辊配辊图见附图。7.2 轧辊的平均工作直径及轧辊转速的确定7.2.1 工作辊径的确定1. 粗中轧机（114#轧机）工作辊径的确定 箱形孔： (6) (7) (8)式中：为轧辊工作直径 为辊环直径 为孔型高度根据以上公式计算粗中轧机工作辊径如下表。2. 预精轧、精轧、减定径机（1530#轧机）工作辊径的确定 椭圆孔：(9) 圆孔：(10)式中：为轧辊工作直

20、径 为辊环直径 为孔型高度根据以上公式计算预精轧、精轧、减定径机工作辊径如下表。表5短应力线轧机工作辊平均辊径机架号1234567891011121314510485502342423385368335381356390370223216表6碳化钨悬臂轧机工作辊平均辊径机架号1516171819202122232425262728229223212208214212218215219217221220223221表中27#、28#为减径机孔型，29#、30#为定径机，其孔型与28#相同。7.2.2 轧辊转速的确定轧辊转速是主要的生产操作参数之一。它由各道轧件出口速度和前滑值来决定。各道轧件出口

21、速度可以由各道的连轧常数或确定的前后轧机轧件出入口速度差决定。按无张力设计轧件速度容易因轧件速度计算误差和轧辊转速调整误差带来堆钢。过大速度差带来较大张力，它能减少电机动态速降的幅度，即便孔型磨损，也能保持一段稳定轧制，但带来孔型磨损严重。故连轧生产中，一般采用微张力轧制。因此，为防止堆钢事故，轧件出口速度在设计时就有一定偏差，如大于1 的连轧常数，或每道出口速度低于下道入口速度的3% 由连轧常数公式： .(11)式中：各道次轧件出口面积； 各道次轧辊转速；自由宽展前滑；限制宽展下前滑影响系数，取=对于第28架成品孔得： 其中由轧辊线速度 和（其中轧件出口速度，）来决定。所以 此时连轧常数 按

22、逆轧顺序分配各架之间的拉钢系数设计算连轧常数同理计算得各机架的连轧常数如下表。表7各机架的连轧常数机架号1234567连轧常数6.0926.1106.1296.1476.1656.1846.202机架号891011121314连轧常数6.2156.2276.2406.2406.2406.2406.240机架号15161718192021连轧常数6.2526.2586.2656.2716.2776.2846.290机架号22232425262728连轧常数6.2966.3026.3096.3156.3216.3286.334公式： (12) .(13)计算得各机架的轧制速度如下表：表8各机架的轧

23、制速度机架号1234567轧制速度m/s0.220.280.390.50.710.911.3电机转速1023.81021.2859.31052.8893.6984.9869机架号891011121314轧制速度m/s1.62.22.93.94.86.27.7电机转速944.3844.8910.7859902.5851.1887.7机架号15161718192021轧制速度m/s9.912.515.618.52125.531.2电机转速1028.61033.91002.11081.41063.9935.51093.1机架号22232425262728轧制速度m/s37.745.355.266.8

24、7590.2100电机转速1062.3829.510271174.11092.41018.71188.88. 力能等效计算8.1 力能参数计算8.1.1 轧制温度 线材在轧制过程中的温度变化，是由辐射、传导、对流引起的温降和金属变形热所产生的温度升高综合作用的结果。 轧制过程中每一道次上轧件的温度变化为，它可以分解为几部分，如下公式：(18)式中： 道次轧件温度变化 由塑性变形功转变的温升 轧件与轧辊间相互摩擦产生的温升轧件向周围辐射产生的温降轧件在机架间运行是空气对流引起的温降冷却水引起的轧件温降轧辊热传导引起的轧件温降为便于计算，对以下模型进行一下简化：轧件和轧辊之间的磨擦产生的温升很小，

25、故可以忽略。对，简化式为： (19)式中：轧机形式系数，取则经简化，变形温度模型为： .(20)1. 各种温度变化的公式1) 变形功引起的温升 .(21)式中：平均单位压力2) 轧辊热传导引起的温降 (22) 式中：钢材的热传导系数，热轧温度下 轧件与导热体的接触面积，对于轧辊 轧鉴于轧辊的接触弧长， 轧件通过该道次的平均宽度 热传导时间 轧件通过该道次的平均高度 比热容，代入式中，整理得： (23)式中：轧件轧前、轧后高度 轧件出口速度 咬入角3) 由辐射引起的温降 (24)式中：辐射体黑度， ； 完全黑体的辐射系数，； 轧件绝对温度 ； 空气绝对温度，； 相邻两机架件轧件运行时间 ，由轧机

26、间距和每道次出口速度计算； 单位长度的轧件质量； 比热容 。代入式中，整理得： (25)式中：轧件断面积 8.1.2 轧制力计算1. 平均单位压力 采用Ekeland公式，用于热轧高件自由宽展时计算平均单位压力的半经验公式为： . (26)式中：外摩擦对单位压力的影响系数 粘性系数 平均变形速度 其中：式中：轧辊工作半径 平均压下量 轧件轧前、轧后高度 摩擦系数 对于钢轧辊： 对于铸铁辊：式中：轧辊线速度 轧制温度2. 轧制压力 (27)式中：平均单位压力 轧辊与轧件的接触面积 ； 孔型轧制中的平均压下量 椭圆断面轧件： 圆断面轧件： 对于圆断面轧件进入椭圆孔，公式同样适用。3. 轧制力矩 按

27、轧件作用在轧辊上的压力来计算轧制力矩，公式为： (28)式中：轧制力 力臂系数由文献19，推出回归式设回归直线方程为：在曲线上任取两点，（0.2，0.49）和（0.4，0.375） 代入方程解得： 回归直线方程为：4. 力能参数计算的程序 表9轧件的断面周长轧制道次1234567断面周长(mm)526470.7351.2307.9288230.8215.9轧制道次891011121314断面周长(mm)171160.3129.6122100.594.779.4轧制道次15161718192021断面周长(mm)74.862.358.951.248.943.641.3轧制道次2223242526

28、2728断面周长(mm)35.733.629.728.124.523.320.4表10轧制前、后轧件的高度轧制道次1234567H/mm150150.5117.7135.898120.573.5h/mm115117.784.8985773.541.7轧制道次891011121214H/mm9154.566.641.349.93238.2h/mm54.532.441.325.83220.825.3轧制道次15161718192021H/mm25.330.419.82316.318.513.9h/mm16.119.813.916.312.313.99.4轧制道次22232425262728H/mm

29、16.412.115.89.410.97.89.0h/mm11.28.29.46.77.85.66.51) 第一道次力能参数计算举例(1) 辐射温降(2) 传导温度其中： (3) 中间温度(4) 粘性系数(5) 变形抗力(6) 摩擦系数 (7) 外摩擦影响系数(8) 平均变形速度(9) 平均单位压力(10) 变形温升(11) 轧制温度(12) 压下率(13) 力臂系数(14)轧制压力(15) 轧制力矩第一道次轧制力能参数为：T，其它道次的力能参数由计算机计算的结果如下表：表11力能参数机架轧制力/T轧制力矩/12345678910111213123.8109.8112.488.4103.278

30、.369.662.449.843.934.731.416.510.969.299.056.296.985.033.793.652.402.281.481.420.4714151617181920212223242526272815.212.911.87.837.345.495.315.495.093.633.493.052.872.372.200.460.330.320.170.170.110.110.10.10.0590.0610.0460.0470.0320.0338.1.3 轧辊辊缝计算辊缝是生产操作的另一参数。辊缝设定好坏直接影响生产进行。平板轧制的辊缝按照弹跳方程来计算： 式中： 辊

31、缝；轧机刚度；轧制力。孔型轧制的理论辊缝前面已经确定，故只计算弹跳即可，生产时将理论辊缝减去弹跳即可。各架弹跳计算见表21和22。表12短应力线轧机刚度机架号12345678910111213141501501501501501501201001001001001008080轧制力12310911288103787563504435311715.2出口厚11511784.8985773.541.754.532.441.325.83220.825.3弹跳值0.820.730.750.590.690.520.630.630.500.440.350.310.220.20表13碳化钨悬臂轧机刚度机架号

32、15161718192021222324252627286060666040404040404040404040轧制力12.911.87.837.345.495.315.495.093.633.493.052.872.372.2出口厚16.119.813.916.312.313.99.411.28.29.46.77.85.66.5弹跳值0.220.200.120.120.140.140.140.130.100.090.080.070.060.069. 校核轧辊强度9.1 轧辊强度的校核 对于轧机来说，轧辊是其主要部件，它由辊身、辊径、辊头三部分组成。在轧制过程中，轧辊收各种应力的影响，当超过轧

33、辊安全系数时轧辊有可能产生破坏，所以，必须对轧辊进行强度校核。 对于有槽轧辊，辊身只校核弯矩，这种情况适合非悬臂式轧机；而对于悬臂式轧机，其轧辊既不承受弯矩，也不承受扭矩，无需校核，只校核悬臂轴；辊径既承受弯矩，又成受扭矩，故进行弯扭组合校核；轴头只承受扭矩，故进行扭转校核。9.1.1 强度校核1. 辊身强度校核1) 求支反力对于非悬臂式轧机（1#14#）求支反力，： 图7 非悬臂式轧机轧辊受力分析简图以B为支点列转矩方程以B为支点列转矩方程对于悬臂式轧机（15#26#）：图8 悬臂式轧机轧辊受力分析简图 以B为支点 以A为支点 ， 非悬臂式轧机 ， 悬臂式轧机2) 弯曲应力(1) 弯曲正应力

34、 弯矩 (40) (41) 其中： (2) 弯曲切应力 .(42) 式中：轧制力矩 轧辊横断面积(3) 弯曲应力 对于钢轧辊，合成应力按第四强度理论计算： .(43) 对于铸铁轧辊，合成应力按莫尔理论计算 (44)3) 强度校核若 则辊身强度足够许用应力对于合金锻钢轧辊： 对于铸铁轧辊： 2. 辊径（或轴径）强度校核 1) 弯矩计算辊径处弯矩：轴径处弯矩：2) 扭矩计算 (45)3) 合成应力由第三强度理论：(46)4) 强度校核 若，则辊颈强度足够3. 轴头强度校核1) 扭矩计算 (47)2) 扭转应力抗扭截面模量： (48) 3) 强度校核 若 则轴头强度足够9.1.2 第一架轧机轧辊强度校核举例1. 支反力2. 计算弯矩1) 辊子最大弯矩： 2) 辊颈处弯矩 3. 计算各点应力1) 辊身处应力 弯曲应力： 弯曲切应力： 合成应力： 2) 辊颈处应力 扭矩： 合成应力： 3) 轴头处应力扭转应力： 4. 校核轧辊强度由前述知：辊子：；辊颈：；辊头：所以，该轧辊强度足够。校核其它道次的轧辊强度，其结果如下：表14机架 1234567891011121314151617181920212223242526272834.8728.3225.4326.9724.4623.2719.7316.0715.6410.759.799.597.637.987.43