工艺设计说明书

太原科技大学课程设计目录PAGEV摘要本设计为生产12mm圆钢轧制工艺设计。品种为圆钢的小型棒材厂，在此选择Φ12mm的圆钢作为典型产品进行该车间的设计。本设计采用全连续轧制生产工艺，全线共有轧机18架，其中粗轧机6架，中轧机6架，精轧机6架，终轧最大轧制速度为12m/s。采用主要工艺流程为选定坯料→加热→除鳞→轧制（粗、中、精轧）→冷却（水冷、风冷）→打捆→检查→入库。棒材以定尺交货，横列式、半连续式、全连续式各种轧机都可以进行生产。采用全连续式平立交替布置轧机，以保证产量减少事故。此设计以设计任务书出发，首先论述了棒材的发展概况和市场需求，建厂的必要性和可能性，然后选择典型产品的产品大纲的制定、轧机的选择、孔型系统的选择及典型产品的孔型设计、力能参数的计算及校核、辅助设备的选取、车间布置等。关键词:车间设计；孔型设计；棒材目录摘要 I目录 III引言 1第1章文献综述 21.1我国线棒材发展现状 21.1.1产能高 21.1.2管理水平逐年提高 31.2棒材的种类和用途 31.3市场对棒材的质量要求 41.4棒材的生产特点 41.5棒材的生产工艺 41.5.1坯料 41.5.2加热和轧制 51.6棒材轧制的发展方向 61.6.1连铸坯热装热送或连铸直接轧制 61.6.2继续提高轧制速度 71.7棒材生产的目的和意义 8第2章产品大纲 92.1坯料选择 142.2坯料选用所考虑因素 152.2.1坯料形状尺寸 152.2.2钢坯的重量 152.2.3坯规格及允许偏差 152.2.4坯料的检查与清理 12第3章轧机选择及工艺流程 173.1轧机型式对比与选择 173.1.1开式机架 173.1.2闭式机架 173.1.3半闭口机架 173.1.4无牌坊轧机 173.1.5悬臂式机架 183.1.6平立可转换轧机 193.2轧机布置选择比较 213.2.1横列式轧机 213.2.2顺列式布置的轧机 223.2.3连续式布置的轧机 223.2.4轧机机架数确定 233.3棒材轧制生产工艺的制定 243.3.1制定生产工艺的原则 243.3.2生产工艺流程图 253.3.3生产工艺特点 273.3.4轧制方案制定 273.4生产工艺的过程 273.4.1坯料表面预处理 273.4.2坯料加热 283.4.3钢材的轧制 293.4.4钢材的冷却与精整 313.5轧辊的各个参数 313.5.1轧辊的材质选择 323.5.2轧辊直径 333.5.3辊身长度 343.5.4轧辊轴承 353.5.5轧辊辊颈直径和辊颈长度的确定 363.5.6轧辊的调整机构 373.6轧机主传动 383.6.1减速机和齿轮机座 383.6.2电机 383.6.3连接轴 39第4章孔型系统选择与设计 414.1.1棒材孔型系统 434.2孔型的设计计算 454.2.1典型产品 454.2.2轧制各道次面积的确定 484.3成品孔型的设计 484.3.1箱型孔的设计 504.3.2圆孔和椭圆孔的设计 514.5孔型配置 54第5章轧制节奏图表与产量计算 555.1咬入角的计算 555.2前滑值的计算 555.2.1摩擦系数的选择 555.2.2中性角的计算 555.2.3前滑值的计算 555.3轧辊转速及电机速度的确定 565.4轧制节奏图表 565.4.1轧制间隙时间 565.4.2各道次轧制间隙时间 575.4.3总间隙时间 585.5轧钢机产量的计算 595.5.1轧钢机产量概述 595.5.2车间年产量的计算 61第6章力能参数的校核 636.1对辊颈计算弯曲和扭转强度 716.2对辊头验算扭转强度 72第7章辅助设备的选择 737.1加热设备 737.1.1入炉设备 737.1.2出炉设备 747.2导位、活套设备 787.2.1导卫装置 787.2.2活套活套的设计 787.3剪切设备的选择 797.3.11#飞剪机 797.3.22#飞剪机 817.3.33#倍尺剪 827.3.44#定尺剪 837.4冷床的选择 857.5起重设备的选择 887.5.1起重机 887.5.2辊道的选用 907.6堆垛机 917.7打捆机 91结论 107参考文献 108致谢 110附录 111太原科技大学课程设计引言PAGE63引言钢铁材料以其所具有的特性——较高的强度、韧性、易加工成型性、绿色可循环性在未来很长一段时期内仍将是重要的结构材料。我国是一个发展中的大国，消费市场巨大，对钢铁的需求，特别是对线棒材需求量仍然很大。工业发展的历史表明，钢铁工业是整个工业发展的基础，钢铁生产状况是衡量一个国家工业水平的重要标志。我国棒材的总产量在钢材总量中的比例超过40%，在世界上是最高的。这是国内经济建设和出口需要所决定。棒材的断面形状简单，比起线材一般断面大很多，因此散热慢，允许轧制时间长，头尾温差大的问题不突出，但上限产品容易压缩比不足。与其他热轧一样，为能轧制高尺寸精度的产品，必须保证加热均匀一致，轧机刚度尽可能的高，轧制中，做到冷却一致。轧制中还有磨损带来孔型的变化，影响轧制的持久稳定。棒材以直条交货，轧制单根棒条可以使用最小坯料，轧制道次也不是很多，降温不是主要考虑问题，因而把棒材轧制是所有轧材中最容易实现的品种，它可以有多种方式。从三辊横列式，到扭转二重式，从各种半连续式到全连续式，都能生产棒材，但其产量、尺寸精度、成材率、合格率却都大不一样。三辊轧机刚度低，加热温度的波动必然带来严重的产品尺寸波动，加上横列式速度慢、轧制时间长，导致轧件头、尾温差加大，容易尺寸不一致，并且性能不均，产量很低，质量波动很大，优质率极低。全连续轧机一般采用平立交替，轧件无扭，事故少、产量高，可以实现了大规模的专业化生产和组织性能控制.同时轧机采用高刚度，控制自动化程度较高，使尺寸精度和合格率得到很大提高，尤其成材率提高，减少回炉炼钢的浪费。合金棒材在机械轴类零件中有广泛的应用，在轧制加工的基础上，热处理性能极为优良，可以经过淬火，达到相当高的强度和韧性。但合金钢热塑性差，加工性能差，轧制变形要求减少道次压下。本设计按照任务书要求，设计年产90万t全连续式棒材车间。选择Φ12mm的圆钢作为典型产品的孔型设计。太原科技大学课程设计说明书第1章文献综述在现代社会的国民生产中，棒材作为钢铁产品的组成部分，即便是在当前国际经济危机的大环境下，由于我国采取扩大内需，建设基础设施，鼓励发展房地产业的政策，棒材的生产仍然十分重要。由于钢铁材料的用途十分广泛，不论农业、工业、国防建设，都需要有质量优良，品种齐全，数量足够的钢铁，因此钢铁工业的发展有着非常重要的意义[1]。我国是一个发展中国家，住房尚需大量发展，建筑用钢的需求在很长一段时间内都将是很高的。另外随着人民生活水平的提高，相应汽车用钢的需求也会越来越多。1.1我国线棒材发展现状钢铁材料以其所具有的特性———较高的强度和韧性、易加工成型性、绿色可循环性在未来时期内仍将是重要的结构材料。随着我国汽车制造、电气机械、船舶制造工业的发展,板材、管材在钢材中所占的比例将逐渐提高,线棒材所占比例将有所下降,但其绝对值仍在上升。而且线棒材生产结构将发生很大的变化。我国目前线棒材生产有如下特点[2]。1.1.1产能高我国线棒材无论是轧机数量,还是产量均居世界第一位,而且其产量还在以较快速度增长(年平均增长速度为15%左右),目前我国线棒材占钢材总产量的48%～50%。与此同时,美国同期线棒材产量占钢材总产量的22%左右,日本同期线棒材产量占钢材总产量的27%左右,而且几年来产量相对平稳。因此我国线棒材无论是所占钢材总产量的比例还是绝对产量均高于美国和日本。1.1.2生产装备参差不齐近年来我国小型轧机向连续化发展,线材生产则趋向采用高速线材轧机,到2002年6月底,全国共投产连续及半连续小型轧机70套,设计产能超过2100万t/a,其中国产化设备超过40%。到目前为止,全国共投产高速线材轧机约70台套(含线棒材复合轧机),设计产能超过1700万t/a[2]。国产化设备最高精轧速度可达90m/s。与此同时,我国目前尚有一些落后的小型线材轧机再生产。据调查,约有40%的小型型钢(线棒材)生产线属于落后淘汰设备,约30%的落后线材生产线应被淘汰。1.1.2管理水平逐年提高近年来,我国线棒材厂总体生产管理水平不断提高,一般连续小型及高速线材轧机投产后2年左右即能达到或超过设计产量。2000年以后,不少小型线材轧机的成材率达到97%,一些实行负偏差轧制的轧机,成材率约在98%以上。另外,由于注重产品质量的提高,开发了400MPaⅢ级带肋钢筋。并且,不少企业努力增加硬线生产比例,特别是在扩大高强度低松弛预力钢丝、钢绞线生产份额,改善冷墩钢质量,扩大产品规格上采取了多项措施。最近新投产的几套高速线材轧机,可提供Ф5～25mm线材,直径公差达±0.1mm,椭圆度达0.14mm,可满足不同用户的需求。1.2棒材的种类和用途棒材是一种简单断面型材，一般是以直条状交货。棒材的品种按断面形状分为圆形、方形和六角形以及建筑用螺纹钢筋等几种，后者是周期断面型材，有时被称为带肋钢筋。棒材的断面形状最主要的还是圆形。国外通常认为，棒材的断面直径是Φ9~300mm。国内在生产时约定俗成地认定为：棒材车间的产品范围是断面直径为Φ10~50mm。棒材的用途非常广泛，除建筑螺纹钢筋等可直接被应用的成品之外，一般都要经过深加工才能制成产品。深加工的方式有热缎、温锻、冷锻、拉拔、挤压、回转成形和切削等，为了便于进行这些深加工，加工之前需要进行退火、酸洗等处理。加工后为保证使用时的机械性能，还要进行淬火、正火或渗碳等热处理。有些产品还要进行镀层、喷漆、涂层等表面处理。1.3市场对棒材的质量要求由于棒的用途广泛，因此市场对它们的质量要求也是多种多样的，根据不同的用途，对力学强度、冷加工性能、热加工性能、易切削性能和耐磨耗性能等也各有所偏重[3]。总的要求是：提高内部质量，根据深加工的种类，材料本身应具有合适的性能，以减少深加工工序，提高最终产品的使用性能。用作建筑材料的螺纹钢筋，主要是要保证化学成分并具有良好可焊性，要求物理性能均匀、稳定，以利于冷弯，并有一定的耐蚀性。1.4棒材的生产特点棒材的断面形状简单，用量巨大，适于进行大规模的专业化生产。我国棒材的总产量在钢材总量中的比例超过40%，在世界上是最高的。预计随着我国经济现代化程度的逐渐提高。棒、线材在钢材总量中的比例将会逐步降低。棒材的断面尺寸比线材要大，但仍是热轧材中较小的。棒材的特点是断面较线材大的多，散热慢，可轧时间长，但压缩比不很大。长度定尺交货，使得可有多种生产方式进行轧制。但随着尺寸精度和表面质量要求增加，横列式已经多数被淘汰。因为，三辊横列式速度慢、轧制时间长，导致轧件终轧温度下降过多，头、尾温差加大，结果造成轧件头、尾尺寸公差不一致，并且性能不均。采用平立交替轧机提高轧制速度可以解决上述矛盾，滚动导卫的使用也可减少事故，这些都推动了棒材生产技术的发展。1.5棒材的生产工艺1.5.1坯料棒材的坯料现在各国都以连铸坯为主，对于某些特殊钢种有使用初轧坯的情况。为兼顾连铸和轧制的生产，目前生产棒材的坯料断面形状一般为方形，边长120~200mm。连铸时希望坯料断面大，而轧制工序为了适应小直径、长尺寸，保证终轧温度，则希望坯料断面尽可能小。从压缩比上看希望断面大些，以提高变形比。生产棒材的坯料一般较长，最长达22m。一些车间为扩大产品上限，有时也选两种坯料，这时粗轧第一架的能力要加大，同时设备作业率降低。一个车间最好一个坯料规格，这样轧机有最大的利用率[5]。连铸可以明显节能、提高产品质量和收得率，有巨大的经济效益，这已经在普通钢种上得到广泛应用，也正在向高档钢材和特殊钢种的生产迅速扩大。对机械结构用钢，由于中心偏析和延伸比等问题，连铸质量较难保证，由于电磁搅拌、低温铸造等技术的显著进步，使这些钢种也可以采用连铸进行生产。当采用常规冷装炉加热轧制工艺时，为了保证坯料全长的质量，对一般钢材可采用目视检查，手工清理的方法。对质量要求严格的钢材，则采用超声波探伤、磁粉或磁力线探伤等进行检查和清理，必要时进行全面的表面修磨。棒材产品轧后还可以探伤和检查，表面缺陷还可以清理。采用连铸坯热装炉或直接轧制工艺时，必须保证无缺陷高温铸坯的生产。对于有缺陷的铸坯，可进行在线热检测和热清理，或通过检测将其剔除，形成落地冷坯，进行人工清理后，再进入常规工艺轧制生产。1.5.2加热和轧制棒材加热和轧制的工艺流程如下：冷坯加热粗轧中轧精轧冷却精整连铸坯热装加热1)加热。在现代化的轧制生产中，棒材的轧制速度很高，一般在12m/s以上时，轧制变形时的温升较为明显，与散热抵消以后，甚至还出现升温。棒材断面大，轧制时间短，而且冷床散热慢，故一般棒材轧制的加热温度较低，出口速度也不太高。加热要严防过热和过烧，要尽量减少氧化铁皮。对易脱碳的钢种，要严格控制高温段的停留时间，采取低温、快热、快烧等措施。对于现代化的棒材生产，一般是用步进式加热炉加热，由于坯料较长，炉子较宽，为保证尾部温度，采用侧进侧出的方式。为适应热装热送和连铸直轧，有的生产厂采用电感应加热、电阻加热以及无氧化加热等[4]。2)轧制。为提高生产效率和经济效益，适合棒材的轧制方式是连轧。连轧时一根坯料同时在多机架中轧制，在孔型设计和轧制规程设定时要遵守各机架间轧件出入口速度相等或稍有速差的原则。在棒材轧制的过程中，前后孔型应该交替地压下轧件的高向和宽向。轧辊轴线全平布置的连轧机在轧制中将会出现前后机架间轧件扭转的问题，扭转将带来轧件表面易被扭转导卫划伤，轧制不稳定等问题。粗轧速度慢，一些车间在粗轧采用平辊轧制，平立交替的中精轧采用椭圆-圆孔型。尽管粗轧速度低，只要有扭转，事故还是增加，对塑性差的钢种也有限制，容易出现角裂。3)控制轧制。为了细化晶粒，减少深加工时的退火和调质等工序，得到产品的特殊机械性能，可以采用控制轧制或低温轧制等措施，这时轧机能力更要有富裕。1.6棒材轧制的发展方向1.6.1连铸坯热装热送或连铸直接轧制由于实现了连铸，棒材生产可以不经过开坯工序。目前，即使是对于高档钢材也可以使用连铸坯生产，但是连铸还是无法保证提供无缺陷坯料，为了保证产品质量，需要在冷状态下对坯料进行表面缺陷和内部质量检查。因此加热炉还要对冷坯重新加热再进行轧制。今后随着精炼技术、连铸无缺陷技术、坯料热状态表面缺陷和内部质量检查技术的发展，连铸坯热装热送将会很快应用于生产实践，以充分利用能源。对于一般材质以及高档钢材的棒材连铸坯直接轧制技术仍在研究之中。连铸坯以650～800℃热装热送，可提高加热炉的能力20%～30%，比冷装减少坯料的氧化损失0.2%～0.3%，节约加热能耗30%～45%。同时可减少钢坯的库存量，减少设备和操作人员，缩短生产周期，加快资金周转，可见有巨大的经济效益。1.6.2继续提高轧制速度目前，先进的棒材轧机的终轧速度一般为17～18m/s，随着飞剪剪切技术及控制冷却等技术的完善，棒材的终轧速度还会继续提高。然而，对于较大断面的棒材，不能盲目的提高终轧速度，因为其断面大，冷却较慢，若终轧速度过高，冷却将成问题，这必将导致产品质量下降，或者导致冷床过大，增加辅助投资。在本设计中，自动化程度极高，从坯料上料到成品，一线全部自动化，无需人工操作。坯料选用连铸坯取代初轧钢坯，提高了成材率，简化了工艺过程，降低了生产成本。同时，设计采用全连轧生产线，缩短了轧制周期，提高了轧机产量、轧制精度和成品质量，降低了成本。并且在轧制的精轧部分采用平立辊交替轧制，减少轧制事故的发生，提高了生产效率。第2章建厂依据和产品大纲2.1坯料选择目前，轧钢生产用坯有三种：即用连铸坯、钢坯、钢锭。钢锭是炼钢生产的最终产品，也是钢材生产的原料。钢锭质量的优劣、重量的大小及钢锭的类型对钢材产品生产有很大的影响。钢锭经开坯轧制成不同规格的钢坯。可根据不同的产品特点，选择与成品钢材形状相近似的钢坯。连铸坯是直接将钢水铸成轧机所需要的各种规格和断面形状的钢坯的生产过程，省去了初轧生产过程。随着冶炼技术的不断发展，连铸和棒材轧机之间的连接的合理优化，从连铸坯考虑采用较大的断面，大连铸坯在连铸过程中有利于夹杂物上浮，更能保证质量，同时，在压缩比一定的情况下，较大断面的连铸坯有利于生产更大规格和产品质量更好的钢材。三种原料比较如下表2所示：表2轧钢生产各种原料比较原料种类优点缺点使用条件钢锭不用初轧开坯，可直接轧制成材金属消耗大，成材率低，中间不能进行清理，压缩比小，产量低仅特殊用途轧机用钢锭作原材料，大部分钢锭要经初轧机、中型开坯轧机或锻压机轧成各种钢坯钢坯压缩比大，可中间清理，故产量大。钢种不受限制，成材率高需要初轧开坯，使工艺和设备复杂。能耗和产品成本提高，比用连铸坯金属消耗大得多，成材率低大型钢铁联合企业以及生产品种较多的各种车间连铸坯金属消耗少，成材率可提高6～12%，不用初轧，缩短工艺流程，可节能降耗，降低成本钢种受到一定限制（主要用于镇静钢），压缩比较小，对有些产品受到限制，另外连铸坯规格较少，不适用于多品种小批量生产的要求，连铸工艺要求严格适合于大、中、小多类钢铁企业，生产品种较少，毗连较大的情况；适用于压缩比要求不特别严格的产品通过上述比较，本设计选用连铸坯作为生产原料。2.2坯料选用所考虑因素2.2.1坯料形状尺寸坯料断面形状的选择主要与轧制产品的形状有密切的关系，当轧制断而形状比较简单的成品钢材时可选择与其形状相近的钢坯。棒材轧制常选用方形坯料，因为这样有利干延伸系数的分配和减少轧制道次。对于连续式轧机，温度条件好，轧机数目多，故可选用较大的坯料，使压缩比增大。压缩比，一般表示（钢坯）连铸坯的平均变形量。压缩比是保证产品组织结构和力学所要求的最小变形量。连铸坯内部存在缺陷的比例较大，连铸坯的规格选取上考虑轧机本身的能力，从而确保连铸坯的内部缺陷在前几道次的轧制得到消除。建议采用以下的压缩比能满足产品质量的要求：优质碳素结构钢的压缩比>6，40Cr合金结构钢的压缩比>7；合金结构钢的压缩比>15。…………..（1）式中：——锭到成品的压缩比；——坯料断面积,mm2；——成品断面积,mm2。综合考虑以上因素，选择连铸坯断面面积为125×125mm2.2.2.2钢坯的重量取连铸坯的比重为：=7.65×10kg/m……….………………（2）考虑内容(1)，已知钢坯长度为：=14m。钢坯重量为：=7.65×10×14×〔125×10〕＝2919.8kg。取钢坯重量为：G=3t∕根钢坯单重为：G1=208.3kg∕m2.2.3坯规格及允许偏差1)连铸坯横断面尺寸及允许偏差（符合YB2011-8标准），见表3：表3连铸坯横断面尺寸及允许偏差名义尺寸长度/mm宽度/mm对角线长度偏差单重kg/m尺寸偏差尺寸偏差125×125125±5125±5≤7208.32)钢坯长度定尺：12080～12000mm，短尺6000mm；3)钢坯弯曲度不得大于15mm/m，总弯曲度不得大于80mm/12m；4)端部切斜不得大于20mm；5)不得有明显的扭转。第3章轧机选择及工艺流程3.1轧机型式对比与选择3.1.1开式机架这种机架的上盖（上横梁）可以拆卸，其优点主要是更换轧辊方便，因此它主要用在换辊比较频繁的横列式布置的型钢轧机上，主要缺点是刚性较差，轧出的产品精度不高[8]。3.1.2闭式机架这种机架的上盖和立柱形成封闭式的整体框架。结构简单，制造容易，具有较高的强度和刚度。因此，闭口式机架主要用于初轧机、各种钢板轧机、钢管轧机。主要缺点是换辊不便。3.1.3半闭口机架其上盖和立柱的连接完全由斜楔完成，具有换辊方便和刚性较好的优点。3.1.4无牌坊轧机传统的牌坊轧机，轧材的尺寸精度（纵向厚度）与轧机机座刚度有直接的关系，，由此式可知，提高轧材尺寸精度应从两方面着手，即减少和提高K，前者为轧制工艺问题，后者为设备问题。该轧机的特点是：机架由4根带左右螺旋的受力拉杆连接一对轧辊的轴承座，轧制力分布在很短的回路内和较大的面积里，并可同时旋转四根拉杆实现上下轧辊的同步压下调整，可以保证轧线恒定不变，在上辊操作侧轴承座内设置蜗轮—蜗杆—螺旋副机构对上辊进行手动轴向调节。轧辊采用液压柱塞平衡或弹簧平衡，轧辊受力弯曲时，轧辊轴承座可以随轧辊弯曲而浮动，从而使轴承受力均匀机架有液压缸移动进行换辊。此外，为了保证轴承座的刚度和从圆柱轴承到拉杆的短距离，使机架和轴承座弯曲最小，对机架的拉杆位置进行了优化，无牌坊机架的可靠性高，轴向径向刚度高，对实施低温轧制有利，且产品尺寸公差小，换辊时间短。适用于中、精轧机组。如图1所示，提高轧机刚度途径为减少机座中承载体的数量，即尽量缩短应力回线的长度，于是短应力回线轧机应运而生。图1牌坊轧机与短应力线轧机应力回线比较a，牌坊轧机；b，短应力线轧机3.1.5悬臂式机架悬臂式机架结构图如图2所示，采用芯轴夹套Norco热处理辊环，油膜轴承结构，有水平机架、立式机架、平/立可转换机架。这种机型的特点是：轧辊辊环直径增大约30%，断面面积增加约65%，增强了关键部位的强度，减少了应力集中；该机型有固定的轧制线；易于更换辊环，维护及更换到位方便；重量轻，可节约投资。适用于粗轧机组。钢锭、钢坯或连铸坯表面会存在各种缺陷(如结疤、折叠、裂纹、皮下气泡等)，如不在轧制前加以清理去除，会在轧制过程延伸、扩大，轻者造成钢材应力集中和腐蚀的起点，使材料强度和耐腐蚀能力降低，严重的影响金属在轧制时的塑性和成型，造成废品。所以坯料表面缺陷的清理是提高钢材合格率，保证钢材质量的重要措施，也是轧钢生产分成二个阶段的重要原因。常用的清理表面缺陷的方法很多，常用的有：火焰清理、风铲清理、砂轮清理和机床清理等四种。火焰清理是指采用乙炔（或煤气）和氧气燃烧的高温火焰将原料表面熔化出去的方法。风铲清理是用0.5～0.6MPa压力的压缩空气使风铲头做高速冲击以铲掉表面缺陷的方法。机加工清理是轧制重要用途的合金钢时需要用剥皮消除钢锭和钢坯的表面缺陷，加工方法包括：刨、铣和车等。研磨清理是用来清理钢坯表面细小的缺陷，以及清理有很高硬度的高级合金钢坯的表面缺陷，采用砂轮来清理。各种清理方法比较见下表4：表4各种清理方法比较清理方法清理费/%特点适用范围风铲清理100生产效率较低，人工段清理程度，工作量较大适用于冷状态下清理高碳钢及合金钢研磨清理307生产效率低，由于急剧的摩擦而产生局部加热，因此在研磨过程中，采用间歇时间以便于被研磨处的热量有足够时间扩散。清理钢坯表面细小的缺陷，以及清理有很高硬度的高级合金钢坯的表面缺陷机床清理60生产效率低，不同的钢种选用不同的机加工方法适用于有重要用途，要求较高的产品，火焰清理53高生产率、低成本，所需设备简单，易操作适用于碳素钢、普通低合金钢的清理，而不适用于合金钢和高碳钢本设计坯料选用荧光磁粉法探伤，成品采用超声波探伤；普通碳素钢采用火焰清理，对高要求的钢材和高合金钢、轴承钢等采用研磨清理。图2悬臂式轧机的结构图3.1.6平立可转换轧机采用平立交替式布置是为了满足灵活的轧制工艺而设计的。根据不同产品的孔型设置，可灵活地调整轧机使其水平布置或垂直布置。机架可以水平或倾倒90度，放置在一个小车上。机架本身结构与普通二辊轧机机架基本相同。立辊轧制时为了平衡轧辊质量，在轧辊辊系中增加了止推轴承。机架与小车用螺栓连接在一起，小车可以水平移动，实现水平轧制换孔槽功能。在垂直轧制时，小车坐在一个由电机驱动蜗轮、蜗杆、丝杠螺母机构组成的台架上，台架可上下移动，完成换孔槽动作。位置调整好后，由液压锁紧缸将机架定位。其结构图如图3所示。图3平立可转换轧机中、精轧机的作用是将轧件在高温状态下经过孔型逐道次压缩变形。根据产品大纲及各车间工艺的不同，第一种情况是由中轧机为精轧机输送形状正确、尺寸合格的轧件。第二种情况是由中轧机组直接轧制出断面较大的产品，精轧机组被甩掉(空过)。由替换辊道代替，此时中轧机组的作用和精轧机组一样成为成品轧机。在相同的开轧温度情况下，中轧机组轧件温度为三个机组的最低区域，而精轧机组的轧件温度则随着道次的增加而逐渐有所升高。过低的开轧温度容易在中轧机组前几架产生堆钢。采用平立交替式布置，且精轧部分的偶数架轧机可平立转换，此种布置形式的优点：1.轧制过程稳定，此种轧机在平轧机上采用椭圆孔型，在立轧机上采用圆孔型，这样在平辊上轧出的椭圆件在水平方向是长轴，增大了轧件与轧机的接触面积，所以增加了轧件在机架之间运行的稳定性；2.平—立布置的轧机可采用立活套，而立—平布置必须采用侧活套。立活套的优点：设施少、占地面积小，更易检测和控制；如果采用立平布置，就必须采用侧活套，因为立轧机上轧出的扁轧件是立着的，对水平压辊或水平推辊磨损严重，所以采用平立布置且使用立活套效果更好；3.易控制成品质量。在立式轧机上轧出的成品比水平轧机轧出的成品质量好控制，因为立式轧机的轧辊运行更为平稳，成品尺寸波动小，精度高。平立布置轧机的缺点：1.成品轧机的进、出口导卫装置更换调整较困难；2.成品轧机轧辊轴向调整不便。因为采用平立交替的轧机布置形式利大于弊，且精轧机的偶数架次采用平立可转换式，利于切分轧制。其结构图如图4所示。图4平—立辊联合轧机示意图3.2轧机布置选择比较3.2.1横列式轧机横列式轧机，特别是粗轧机组要求多道次轧制，轧制速度慢，轧制节奏长。而坯料断面小，轧件温降快，头尾温差大，在给定坯料尺寸、成品规格时，为尽量减少轧制道次，需尽可能选用快速延伸孔型系统。如椭圆—方、六角—方孔型。横列式布置的轧机，同一机列轧辊的转速相同，轧制速度并不随轧件长度增加而提高，因而产量小，轧机劳动生产率低，轧制产品的质量也差，不易实现自动控制，国外已淘汰。这是横列式布置轧机的重要缺点。3.2.2顺列式布置的轧机采用跟踪轧制方式，每架轧机只轧一道，各架轧机具有不同的轧制速度，可以随轧件长度的增加而提高轧制速度，因而具有较高的生产率。每架轧机只轧一道，轧辊L/D=1.5～2.5，机架多采用闭口式，刚度大，产品精度高，不连轧，各架互不影响，调整方便。但是轧件轧出的长度随道次的增加而加长。机架之间的距离也随轧件长度的增加而增加。因此顺列式布置的轧机有较长的厂房，导致车间占地面积和投资的增加，故只适宜于生产断面尺寸较大的钢材，或用于其它布置形式的粗轧机列。3.2.3连续式布置的轧机除了每架顺次轧制一道外，还必须保持连轧关系的各架轧机单位时间内金属秒流量相等的原则。由于连续式布置的轧机易于实现轧制过程的机械化和自动化。可以采用较高的轧制速度，因而具有很大的生产能力。连续式布置的轧机是各类轧机发展的方向。横列式轧机与连续式轧机的比较：横列式轧机，特别是粗轧机组要求多道次轧制，轧制速度慢，轧制节奏长。而坯料断面小，轧件温降快，头尾温差大，在给定坯料尺寸、成品规格时，为尽量减少轧制道次，需尽可能选用快速延伸孔型系统。如椭圆—方、六角—方孔型。横列式轧机的自动化程度低，轧机喂钢和翻钢需要人工完成或采用轧机前后辅助设备机械化操作，因此，对咬入条件、孔型对轧件的夹持力、轧件在孔型中的稳定性等方面要求较高，需尽可能选用六角—方、菱—方等孔型系统。连续棒材轧机的坯料断面大，机架间距小，单道次轧制、轧件温降和头尾温差已不是影响轧钢生产和产品质量的主要因素；相反，在高速轧制时（v≥10m/s），变形功转化的热量占轧制温度变化的主导地位，轧件产生温升，以中间水冷为主要手段的控温轧制和以节能降耗为目的的低温轧制地位相对突出，因此，尽可能减少轧制道次的要求远不如横列式轧机那么迫切。连续棒线材轧机把提高轧机作业率及产量，保证坯料内外质量和成品尺寸精度，以及降低轧辊消耗和成本等作为增强产品市场竞争力的主要手段。因此，要求选用的孔型系统变形柔和、生产稳定、孔型磨损均匀，这些正是椭圆—圆孔型系统的典型特征。连续棒线材轧机产品规格范围宽，为尽量采用共用孔型和调整孔型，特别是生产较大规格从精轧机组前几个机架甚至从中轧机组出成品，因此要求圆孔前置，这也相应扩大了椭圆一圆孔型系统的使用范围。连续棒材轧机已广泛使用微张力和活套控制技术。粗、中轧机组的微张力控制系统，不仅需要各道次轧件断面相对稳定，而且需轧辊工作直径相对稳定，即需要孔型磨损均匀，从而缩短轧机自适应过程，降低微张力控制系统的调节频率；就活套控制而言，活套器的设置及其工况与轧件断面形状和大小密切相关。显然，圆、椭圆轧件与同断面积的其它等轴轧件相比，惯性矩较小，更容易成套，而且其断面周边呈弧形，可以减轻成套过程中轧件弯曲及活套辊与轧件接触对轧件表面质量的影响。这对裂纹敏感、采用控温轧制的合金钢棒材更为有利，这些也是选用椭圆—圆孔型系统的重要原因。比较各轧机布置形式的优缺点，本设计采用全连续式布置轧机。3.2.4轧机机架数确定对于每架只轧一道的连续式轧机，确定其机架数是比较容易的。因为其机架数目一般不少于轧制道次，只要知道轧制道次即可确定机架数。轧制道次和机架数可用下式[6]确定：………..（3）式中：N——机架数目；——由坯料到成品的总延伸系数；——各道次的平均延伸系数。………（4）设计孔型系统为箱形孔和椭圆-圆的组合孔型生产系统。箱形孔平均延伸系数=1.25～1.4；椭圆-圆平均延伸系数=1.3～1.4；根据以上经验数据，再参考同类棒材车间，=1.32。选取机架数为18架。生产大规格产品可甩过架次（空过），减少轧制道次。综上所述，粗短应力线轧悬臂式机，中、精轧可选用短应力线轧机，全线全连续式布置型式，具体规格为见表5：表5轧机布置形式机架布置形式轧机结构～平／立交替布置悬臂式轧机～平／立交替布置卡盘式机架、四拉杆机构短应力线轧机～平／立交替布置（、、机架为平／立可转换机架)。卡盘式机架、四拉杆机构短应力线轧机轧制分为粗、中、精轧三部分。采用平立辊交替的轧机，这样轧件在轧机中可以不用扭转，改善咬入，减少事故的发生。轧机结构形式主要以轧辊的数目、配置和大小来区分，有如下几种：(1)二辊轧机(2)三辊轧机(3)四辊轧机及多机架连轧(4)多辊轧机(5)复合式多辊轧机(6)万能轧机根据本设计的要求，由于是全连轧生产，所以轧机全部选二辊轧机平立交替布置，这样可以改善咬入，减少事故发生。3.3棒材轧制生产工艺的制定3.3.1制定生产工艺的原则根据已制定的生产方案，在充分完成产品产量质量要求的前提条件下，用最大可能的低消耗、最少的设备、最小的车间面积、最低的劳动成本，并有利于产品的质量的提高和发展，有较好的劳动条件，最好的经济效益，具体的原则如下：由于产品的产量、品种、规格及质量的不同，所采用的生产方案就不同，那么主要工序就有很大差距。因此生产方案是编制生产工艺流程的依据。根据产品的质量要求：通常在产品标准中规定了钢材各种规格，技术条件、产品性能检验等内容。但技术要求则是其主要方面，它对产品的质量要求，即它对产品的几何形状与尺寸精确度、钢组织与性能以及表面质量都作出了明确的规定，显然，产品的技术要求是制定工艺过程的首要依据。为了满足产品技术条件要求，就要有相应的工序给予保证。因此，满足产品标准要求是设计生产工艺流程的基础。生产规模大小：由于车间生产规模不同，所要求的工艺过程复杂程度也不同。在生产同一产品情况下，生产规模越大的车间，其工艺过程也越复杂。应此，设计时生产率的要求是设计工艺过程的出发点。产品成本：成品是生产效果的综合反映，是各种因素影响的结果。一般钢的加工工艺性能愈差，产品的技术要求愈高，其生产工艺过程就愈复杂，生产过程中金属、燃料、电力、劳动力等各种消耗也愈高，产品成本必然会相应提高。反之，则产品成本下降。成本的高低在一定程度上也是工艺过程是否合理的反映。当然，成本还与产量大小、生产技术水平等其它因素有关的。工人的劳动条件：工艺过程中采用的工序必须保证生产安全，不危及劳动者的身体健康，不造成环境污染。否则，应采取妥善的防护措施。3.3.2生产工艺流程图工艺流程就是把产品的生产工序排列起来。正确制定工艺过程是轧钢车间工艺设计的重要内容，它直接关系到整个设计能否满足设计任务书的要求。制定轧钢生产工艺过程的首要目的是为了获得质量符合要求的产品，其次要在保证质量的基础上追求轧机的高产量，并能做到降低各种原料、材料消耗。因此，正确制定产品工艺过程，对于工艺过程合理化，对于充分发挥轧机作用具有重要意义。优质、高产、低消耗时指定产品工艺过程的总要求。工艺流程如下图5：图5生产工艺图5生产工艺连铸坯或初轧坯废料剔除上料称量加热炉加热高压水除鳞粗轧机组1#飞剪机及事故碎断剪中轧机组2#飞剪机及事故碎断剪精轧机组倍尺剪取样剪冷床冷却、齐头成排收集冷飞剪剪切计数、自动打捆、标记称量发货冷却打捆标记称量存放取卷打包收集称重存放3.3.3生产工艺特点1.轧制工艺：1～10架轧机为微张力轧制，10～18架为立活套控制，实现无张力轧制，保证产品尺寸精度，产品尺寸偏差可达到1/3DIN标准公差范围的水平。2.导卫装置使用滑动导卫和滚动导卫，进口导卫的鼻锥(耐磨块)设计，滚动导卫采用油气润滑和循环水冷却系统，延长了导板和导轮的使用寿命，使吨钢耗导卫仅0.015kg。3.剪切系统：轧制过程共设有三台旋转飞剪。其中1#旋转式飞剪置于粗轧机组后，用于切头切尾和事故碎断处理。最大剪切直径72mm,2#旋转式飞剪置于中轧机组后，作用同1#飞剪，最大剪切直径38mm.3#旋转式飞剪置于精轧机组后，也叫倍尺剪，是将棒材在上冷床前成倍尺分段，同样起事故碎断处理作用。最大剪切直径为:经余热处理的棒材为40mm，未经余热处理的棒材为50mm。倍尺飞剪采用优化剪切技术可使上冷床的倍尺都为定尺的整倍数，且每支只出1支短尺并进人非尺冷床，提高了成材率及产品定尺率和剪切效率。整个过程全部由计算机控制，实现剪切作业的高精度。4.冷床和棒材分组系统：齿条式冷床长度120m，宽度15m，棒材经倍尺飞剪剪切后进入拨入裙板的冷床输入辊道，电气传动的制动裙板使棒材降速并将他们拨入冷床，冷床的初始部分为矫直板，使棒材保持平直。随后的动齿条和固定齿条用于接收和冷却轧件，动齿条自动驱动。接着棒材由动齿条输送到分组输送链上，在此棒材按不同规格产品剪切支数的要求分组。随后，由平移小车将各组棒材送到冷床的输出辊道以供剪切。齿条末端设置对齐辊道用于产品端部的对齐，经冷飞剪将棒材按定尺剪切[10]。此冷床冷却质量高、冷却均匀，且具有根据要求自动编组的功能，方便定尺剪切。3.3.4轧制方案制定由于本车间的设计产量较高，而产品规格又较小，所以采用全连轧生产。3.4生产工艺的过程3.4.1坯料表面预处理1.表面缺陷清理连铸坯表面存在各种缺陷（如结疤、折叠、裂纹、皮下气泡等），如不在轧制前加以清理去除，会在轧制过程延伸、扩大，轻者造成钢材应力集中和腐蚀的起点，使材料强度和耐腐蚀能力降低，严重的影响金属在轧制时的塑性和成型，造成废品。所以坯料表面缺陷清理是提高钢材合格率，保证钢清理和火焰清理的方法。清理表面常用的方法有：火焰清理、风铲清理、砂轮清理和机床清理。根据港中、缺陷的性质与状态、产品质量的要求不同，而采取的清理方法也不同。一般碳素钢及部分合金钢的局部处理采用人工火焰清理；碳钢和部分合金钢的大面积剥皮采用机械火焰清理。各种清理方法中，费用比较砂轮清理是风铲清理的3倍，二机床与火焰清理费用是风铲清理的1/2。2.表面氧化铁皮清除氧化铁皮清除的目的在于暴露表面缺陷便于检查、光洁表面和减少下道工具的磨损。清除表面氧化铁皮的方法有机械法和化学法两类。对连铸坯，一般采用化学法清理。对金属进行酸洗或碱洗属于化学法清除。其中酸洗是最常用的去除氧化铁皮的方法。3.4.2坯料加热对于热轧型钢来说，轧前加热的目的是提高钢的塑性以降低刚在热轧时的变形抗力，降低轧制压力，是坯料内外温度均匀，减少坯料表面和心部的温度差，以避免由于温度应力过大而造成的严重缺陷，改善坯料的组织状态，形成均匀的奥氏体组织，消除偏析等。现代化棒、线材轧制速度很高，轧制中温降很小，甚至还出现温度升高现象，所以棒、线材加热温度较低。正确的选择轧钢加热设备，制定合适的加热工艺制度对提高车间生产能力，改善产品质量有重要影响。相反，加热设备选择不当，加热制度制定不妥，可能引起钢的氧化、脱碳、过热、过烧等缺陷，给轧钢生产带来严重后果。因此根据本车间的产量大等原因，选择步进梁式加热炉[12]。坯料加热工序设计主要考虑：加热速度、加热时间、加热温度等方面。1.加热速度钢的加热速度指在单位时间内钢的温度的变化。加热速度应根据某温度范围内金属的塑性和导热性来确定。一般坯料加热可分为两个时期，第一个时期是在低温加热时间。这个时期由于金属导热性和塑性较差，容易造成金属内外层温差过大而导致热应力过大，很容易造成裂纹缺陷，特别合金钢塑性和导热性较差，此时要慢速加热。但一般的碳素钢和低合金钢在低温导热性和塑性较好，就没必要采取过低的速度。第二个时期是指高温加热时期即金属加热到700～800℃以后，这时金属的导热性和塑性显著提高，可采取快速加热。2.加热时间加热时间是指金属装炉后加热到加工要求温度所需要的时间。加热时间长短不仅影响炉子产量，也影响钢材质量。所以合理确定加热时间对实现正确加热、提高炉子产量、保证加热质量和改善炉子的各种技术经济指标具有重要意义。加热时间与钢种、坯料尺寸和形状、钢料在炉子摆法、炉型结构以及装炉温度等因素有关。确定加热时间除进行理论计算外，还可根据生产实践进行估算的方法[20]。实际上运用经验公式和实际资料是当前设计中确定加热时间常用的方法。连续式加热炉的加热时间计算的估算公式：式中：T—加热时间，h；B—钢料厚度，cm；K1—考虑钢的化学成分和其他因素影响的修正系数。3.加热温度钢的加热温度是指在钢加热终了时出炉的表面温度。钢加热的主要目的是为加工变形提供条件，因此，一般加热温度越高，则加工条件愈好。但是温度过高又会产生过热、过烧、氧化铁皮增多、甚至发生熔化等加热缺陷，因此钢的加热温度有一个“上限”；另一方面，根据对金属加工的工艺要求，希望金属在加工完了时能保持在一定的温度上，以期得到理想的内部组织和性能，并保证轧制的顺利进行；所以加热温度又有一个“下限”[24]。钢的加热温度范围主要是根据钢的性质、化学成分和压力加工工艺要求来确定的。根据合金相图、塑性涂及再结晶图即所谓“三图”定温的原则确定加热温度。根据钢的性质、化学成分和压力加工工艺要求来确定加热温度。一般低碳钢温度范围较大，高碳钢和低合金钢温度范围较小，特别是低合金钢，加热温度要严格控制。3.4.3钢材的轧制钢的轧制是整个工艺过程的核心，从工艺设计角度来说，它包括几个方面的内容：制定变形规程、速度规程和温度规程。1.变形规程在既定的轧制条件下（工艺、设备条件），完成由坯料到成品的变形过程谓之变形规程。变形规程的主要内容时确定总的变形量和道次变形量。变形量的分配是个重要参数，它是选择轧机设备、进行工具设计（孔型设计、辊型设计）的重要依据，对轧机产量、产品质量起着决定性作用。确定变形量的大小和分配要进行综合的分析和比较。根据金属的加工性能，电机能力、设备强度、咬入条件以及工具形状等许多影响因素，一般都是在保证产品质量和机械安全的前提下，尽可能的选用较大变形量，以缩短轧制过程，提高轧机产量。2.速度规程选择轧制速度或确定各道次的轧制速度是速度制度的主要内容。提高轧制速度时现代轧机提高生产率的主要途径之一。沿道次实现轧制速度的变化是一些轧机（如初轧机、连轧机）速度规程的主要内容，这些轧机每道次速度的变化是通过传动轧机的主电机的速度变化而实现的，目前从技术上实现轧机主传动调速有三种方法：直流驱动、串级调速、差动调速。本棒材轧机车间内的轧机都采用直流单独传动。按连轧常数分配各道次速度，出口速度最大为12m/s.3.温度规程温度规程规定了轧制时的温度区间，及主要决定轧制时轧件的开轧温度和终轧温度。一般确定钢加工时的温度规程要根据钢种特性及其相图来确定。通常在设计和生产过程中，开轧温根据钢料的出炉温度以保证必须的终轧温度为依据；而终轧温度主要考虑保证产品的组织与性能，保证产品的质量，主要与钢种有关。总起来看在确定温度制度时要考虑下面几点：1)根据钢的化学成分和特性，选择在某一温度下金属具有最好的塑性条件；2)在某温度下加工，金属具有最小的变形抗力，以减少轧制时的能量消耗；3)考虑轧件能顺利的咬入轧辊，考虑轧辊有较少的磨损；4)获得轧后成品有细小的晶粒，使成品具有理想的组织和良好的机械性能；5)考虑在此温度范围加工，钢的内部组织情况，不允许钢中碳化物成粗大的网状分布，也不允许铁素体与珠光体成粗大的带状分布；6)考虑到加工的温度范围对轧件头部和尾部温度差的影响，要保证轧件的头部和尾部尺寸都在允许的公差范围之内。4.轧制力轧制力是确定轧制工艺参数之一，轧制力是决定轧制设备和动力的原始数据，在工艺设计时必须进行计算。确定轧制力的方法有计算法和实测法，这里采用计算法设计。3.4.4钢材的冷却与精整精整是轧钢生产工艺过程中最后一个工序，它包括下述几个内容。1.钢材的冷却经热轧成形的钢材，仍处在一个较高的温度范围，须经冷却使钢材温度降至常温。由于钢在热轧后冷却，在应力作用下可能出现外部或内部裂纹，就必须全部或部分地消除冷却时钢中所产生的各种应力，如采取缓冷等措施。另外，也可利用轧件轧后的余热，进行控制冷却，从而获得所需要的金相组织和力学性能，这就是钢材的冷却制度。冷却过程对产品最终性能有很重要的影响，因此冷却制度的确定是控制产品实物质量的不可缺少的重要环节。冷却方法分为自然冷却和控制冷却。自然冷却是指轧后的钢材在冷床上自然冷却。凡是在空气中冷却不会产生裂纹，对钢材的组织及性能又无特殊要求时，都可采用这种冷却方式。控制冷却是指轧后的轧件冷却过程进行有目的人为控制，以达到预期的产品内部组织和力学性能。通常是利用轧件轧后的余热在线处理，用一定的方式控制其冷却速度来实现的。目前，对于钢筋混凝土用热轧带肋钢筋，为提高其力学性能，常使用淬火＋自回火工艺。经淬水控制冷却的钢筋其屈服强度和抗拉强度都有较大幅度的提高。2.钢材的切断将钢材切断成定尺长度，其目的是便于钢材的运输和用户的使用。切断可用锯机或剪切机来完成，时轧件的断面形状而定。3.其它精整工序除上述各工序外，精整内容还包括成品的热处理、表面精加工和各种涂层及成品检验等，主要视产品的技术要求而定。成品的质量检验内容包括化学成分分析、机械性能检验、工艺试验、低倍组织及显微组织等。3.5轧辊的各个参数轧辊的主要参数尺寸就工艺设计来说是辊身直径和辊身长度。在确定轧辊主要尺寸时要考虑到轧制时轧辊的抗弯强度和其允许的挠度，以保证轧辊的安全和轧制产品的精确3.5.1轧辊的材质选择轧辊的主要性能指标有芯部强度和工作层耐磨性。轧辊材质的选择对比见下表6：表6轧辊材质的选择机架材质辊身硬度/HS辊颈抗拉强度/MPa特点使用范围粗轧合金半钢40～50>450硬度较高，与普通轧辊相比，单槽轧制量可提高2倍轧制力较大，轧材咬入性较差，孔型较深的机组石墨钢40～52>420有良好的热裂性能，抗事故热冲击能力和高耐磨性轧制力较大，轧材咬入性较差、孔型较深的机组珠光体球磨铸铁53～60>350具有较高的耐磨性性、导热性和抗冷热疲劳性能孔型较浅，轧制压力较小的粗轧机架，轧辊的冷却条件要求较低中轧珠光体球磨铸铁60～80>400韧性抗剥落性能较高轧机冷却条件较差、孔型比较复杂的机组中Ni无限冷硬>400高耐磨性、高强度、高抗事故热冲击能力，但韧性较差轧机冷却条件较好、孔型比较简单的机组精轧高速钢78～85高耐磨性、高强度、高抗事故热冲击能力简单断面的延伸孔型针状球磨铸铁70～76、高强度、高抗事故热冲击能力简单断面的延伸孔型高合金无限冷硬72～78、高强度、高抗事故热冲击能力选择轧辊时应考虑经济性和换辊换槽周期与停机时间相匹配外，还应从各机架的孔型差别、轧件变形特点、产品精度要求等出发，合理选择不同性能特点的轧辊。棒材粗轧机的主要任务在高温状态缩减断面，其轧制速度较低（一般<1m/s）压下率大（压下率高达30%），轧辊孔型深（尤其1—2架），轧辊负荷大，进入轧机的钢坯温度高。轧辊性能一般考虑保证轧辊的强度和抗热裂性两个方面。根据组粗轧机特性推荐在棒材连轧机材质选用合金半钢、石墨钢和珠光体球体。中轧机组一般采用椭圆—圆孔型系统，主要承担轧件延伸和为精轧机组提供精确料型的任务，应具有良好的综合机械性能的特性[12]。精轧机组轧制品种较大，孔型复杂，变形分配不均匀，轧制速度高，轧制力变化大，要求具有优异的抗热裂性、耐磨性和抗崩裂剥落性能，并具有一定的耐热疲劳性能的特性。同时，带肋钢筋的成品前孔因受横肋的影响，使用过程中极易产生热裂或为裂纹，重车量较大，最好选择高速钢复合辊。切分品种的预切分孔由于存在严重的不均匀变形，应选用工作层的韧性及耐磨性、硬度适中的高速钢复合辊及碳化钨组合辊。切分孔型由于切分楔的存在，不但要求轧辊有良好的耐磨性和韧性，还必须具有可靠的抗热裂性。试验证明，只能使用高镍铬合金球磨铸铁轧辊。综合以上资料，粗轧机组选用石墨钢轧辊；中轧机组选用珠光体球磨铸铁轧辊；精轧机组选用高速钢复合轧辊，预切分孔选用高速钢复合辊，切分孔型选用高镍铬合金球磨铸铁轧辊。3.5.2轧辊直径根据经验，轧机轧辊直径与轧制的坯料高度有如下的关系：D＝KH……..…………（5）式中：D——轧辊直径，mm；H——坯料高度，mm；K——轧机刚度系数；可按下表7选取。表7不同轧机的K值范围轧机名称大型轧机中型轧机小型轧机K=D/H2.5～4.52.9～5.04.5～6.0在进行工艺设计时可以采用两种方法来预选轧辊直径：按经验公式选取和参考相同类型的轧机情况选取。参考同类车间，K值取4.0，为中型轧机。D＝KH=4.0×125=660mm，但在实际设计时由于考虑到轧机制造和备品备件的管理使用方便。往往又采用分组的办法，也即同一组轧机中轧辊直径相同，其尺寸选择见表8。表8各架轧机轧辊尺寸（mm）机架号轧辊直径辊身长度辊颈直径辊颈长度1#~2#7006503503153#~6#6106503053057#~10#50060025025011#~14#40060020020015#~18#300500150150对于连轧机，随着接近成品机架一般采取愈来愈小的辊径值。因为愈是接近成品机架，由于轧件断面尺寸和压下量的减少，金属对轧辊的压力大为减小，轧制的咬人条件也大为改善。这样选择轧辊直径有利于减少设备重量和减少能量消耗。又考虑到设备制造及备品备件的管理使用方便，因而采用分组的方法，即同一组轧机中轧辊直径相同[6]。3.5.3辊身长度辊身长度是轧辊尺寸的另一重要参数。型钢轧机辊身长度主要取决于孔型配置轧辊的抗弯强度和刚度。轧辊的辊身长度与辊径比小的轧制时轧辊能承受较大弯曲应力，另外轧机的刚性也增加了，为提高产品精度及壁材也提供了可能，故现代化轧机随着对产品精度要求的提高L/D值正逐渐减小，本车间为短应力线轧机，为提高其刚度，一般辊身长度较短，其尺寸按轧机制造厂商提供的参数并从中选取，一般近似地选d=(0.5～0.55)D,l/d=0.83～1.0，一般根据辊身长度与辊径的比值(L／D)来选定。K=L/D………………（6）式中：K——系数；L——轧辊辊身长度，mm；D——轧辊直径，mm。3.5.4轧辊轴承轧辊轴承是轧机工作机座中重要部件，轴承往往是限制轧机速度的关键环节，轴承的工作性能直接关系着轧机的性能。轧辊轴承的工作特点有：1)负荷重，单位面积负荷值大于40MPa，负荷带冲击性，且往往工作速度较高。2)工作环节恶劣，轧辊温度高，温度变化大，并且常有水及氧化铁皮的侵入。3)拆装频繁，只有轴承的寿命可靠，工作才能保证轧机的作业率。短应力线轧机[13]选用四列短圆柱滚子轴承，结构图如图6所示,其优点是：图6四列短圆柱滚子轴承1—外圈；2—保持架；3—滚子；4—内圈本设计轧辊轴承选用四列短圆柱滚子轴承。1)四列短圆柱滚子轴承的磨损程度低于其它各类轴承，尤其适合于高速场合。如果具备适当的润滑条件，其最高速度可达25～45m/s。2)四列短圆柱滚子轴承的截面高度小，相同的辊身直径，可容纳辊颈的直径最大，因而可提高负重能力。3)该类轴承寿命长，有半无限轴承之称谓。变窄型四列短圆柱滚子轴承与球面滚子轴承相比，其寿命可提高3倍以上。4)安装拆卸方便。内圈可以分离，且可以互换装配，因而可以预先套在辊颈上，随轧辊一起装进轴承座内。内圈与辊颈之间采用紧配合，可避免内圈爬动以至辊颈严重磨损而破裂。5)四列短圆柱滚子轴承不能承受轴向负荷，所以该轴承可以充分地适应沉重的径向负荷，而由其它轴承承担轴向负荷。因此具有较高的负重能力，且能保持较长的寿命。3.5.5轧辊辊颈直径和辊颈长度的确定对短应力线轧机，采用滚动轴承，轴承外径较大，故辊颈直径不能过大。辊颈长度按轴承宽度确定，一般按所设计的机型选取。具体见表9所示：表9轧辊尺寸机架号轧辊直径D/mm辊身长度L/mm辊颈直径d/mm辊颈长度l/mm电机功率/kw电机转速/r/min17006503503155500/600/120027006503503155500/600/120036106503053055500/600/120046106503053055500/600/120056106503053058000/600/120066106503053058000/600/120075006002502508000/600/120085006002502508000/600/120095006002502508000/600/1200105006002502508000/600/1200114006002002008000/600/1200124006002002008000/600/12001340050020020010000/600/12001440050020020010000/600/12001530050015015010000/600/12001230050015015010000/600/12001730050015015010000/600/12001830050015015010000/600/1200轧辊直接承受轧制压力和转动轧辊的传动力矩，它属于消耗性零件，就轧机整体而言，轧辊安全系数最小，因此轧辊强度往往决定整个轧机负荷能力。通常对辊身仅计算弯曲，对辊径计算弯曲和扭转，对传动端辊头仅计算扭转强度。3.5.6轧辊的调整机构轧辊的调整机构包括压下机构和轴向调整机构。1压下机构压下机构的目的就是调整轧辊相对轧制线的位置，即辊缝的大小，以保证轧机按规定的压下量轧出所要求的断面尺寸。该轧机的压下机构采用液压马达驱动涡轮蜗杆，使拉杆转动，在拉杆上加工有与轴承座中压下螺母相啮合的左右旋螺纹，使上下轴承座实现了同步对称调整，两蜗杆可以分开，以实现左右两边轴承座的分别调整。另外，轧机上还设计了手动驱动机构，可进行方便的调整。在压下机构上还设计安装了编码器和压下量指示器，以便观察和遥控辊缝调整。2调整机构辊系和径向调整装置。辊系是由一对轧辊、两对轴承座、四根螺杆、螺母、球面垫、轴承等组成。径向调整调整机构。径向调整也采用相同的结构，只是侧转安装在机座上。因此，立式短应力线轧机就保留了水平式短应力线轧机的径向刚度大、调整方便的优点。轴向调整装置。轴向调整装置主要就是一个调整箱。这个调整箱沿轧机支架导板滑落而安装在支架上；辊系也沿支架导板滑落并安装在这个调整箱上。这样，调整箱、支架和辊系就构成了一个积木式的结构[8]。调整箱是一个蜗轮蜗杆机构，与径向调整装置类似。每个蜗轮与一根螺杆以滑键组合，螺杆的顶头则与辊系的轴承端盖相接。转动手轮（也可以采用液压马达），由于螺母的作用，螺杆升降，从而实现轴向调整[24]。因为与径向调整装置一样使用了牙嵌式离合器，所以轴向调整可以是单轧辊调整，也可以两个轧辊同时进行调整。由于轧辊的孔型主要靠轧辊开槽位置的精确定位来保证，因此轧机的轴向调整量一般较小，本轧机为3mm,且不需要经常调整。对短应力线轧机，通常采用上辊手动调整，其调整机构多为涡轮蜗杆或齿轮传动驱动带螺纹的轴套，从而推动轧辊滚动轴承的内圈移动，实现轧辊的轴向移动。3.6轧机主传动3.6.1减速机和齿轮机座参考马钢车间电机，目前，新型的型钢轧机主传动中将二者合为一体，即齿轮箱，由电机单轴输入，双轴输出。这种齿轮箱体积小，重量轻，齿轮精度高，承载能力大，效率高，寿命长，可靠性高，传动平稳，噪音低，维修方便。本车间电机相关参数选择如下表10所示：表10电机相关参数机架号电机功率/kw电机转速r/min减速机速比i15500/400/120093.77925500/40/120077.76035500/400/120053.49945500/400/120039.98058000/510/120030.94268000/510/120023.06278000/510/120014.41588000/510/120010.32698000/510/12007.570108000/600/12005.690118000/600/12003.289128000/600/12002.5701310000/600/12001.9731410000/600/12001.5791510000/600/12001.9251210000/600/12001.5811710000/620/12001.3381810000/620/12001.122故本车间使用这种形式。3.6.2电机现代棒材连轧生产线，主电机的选择尤为关键，应注意一下原则：1.电机输出功率应大于轧制功率；2.现代棒材生产线的轧制规格范围较广，而各规格的轧制速度不同，对主电机转速范围的要求也较宽。所以在确定电机转速时，对大部分规格，必须尽量保证电机在基速以上运行，对于在基速以下运行的电机，必须保证输出功率满足轧制功率要求，且必须保证运转速度平稳（轧制过程不掉速）。3.要结合速比，在减速机与电机间综合考虑。4.要考虑今后新工艺、新技术的应用。随着大规格带肋钢筋切分轧制技术、超细晶钢轧制技术等的应用，对电机的要求也越来越大。传统轧机传动一直采用直流传动，随着大功率电子技术的发展，交流调速设备正逐步取代直流传动，其优点是：功率因数大，消除了谐波对电网的影响；静态精度可达0.1％，动态精度可达0.25％，达到甚至超过直流电机；电机的冷却要求较低，交流电机是封闭的，故适应较恶劣的环境，维护量大大降低；体积小，转动惯量小，控制性能优于直流电机。因此，本车间采用交流电机传动，并采用目前流行的变频调速。3.6.3连接轴短应力线轧机常用的接轴种类弧形齿接轴、十字头万向接轴（如图7所示）、鼓形尼龙棒接轴。在使用中，承载能力，允许的倾斜角度和使用寿命则各不相同。1.允许的倾斜角度。三种接轴中十字头万向接轴的允许的倾斜角度最大为30°；弧形齿接轴的允许倾斜角一般为6°；鼓形尼龙棒的允许倾斜角度为6°。2.承载能力。生产实际证明十字头万向接轴的承载能力相当于同直径的弧形齿接轴。鼓形尼龙棒接轴的承载以力则低于上述两种。当载荷较大时鼓形尼龙棒接轴可产生上、下轧辊接轴不同步现象，而造成轧件头部弯曲。3.使用寿命:尼龙棒接轴的使用寿命较长。弧形齿接轴的寿命不稳定，一般为1～2年。鼓形尼龙棒接轴的磨损情况比弧形齿接轴均匀，磨损较慢，且磨损到一定程度后只要滚槽仍可使用，可更换尼龙棒继续使用。十字万向接轴的寿命要比滑块万向接轴长，比弧形齿接轴长，一般可用到年。三种接轴均属于同步接轴。十字头万向接轴，如图7所示，在使用中的主要问题是叉头破损，由于动平衡不合要求而使短应力轧机产生振动，此时可换成万向轴头。总之，十字头万向接轴是较为理想的接轴。近年来已形成系列，并配有快装、可伸缩型，受到用户欢迎[10]。图7十字头万向接轴1—卡环；2—滚针；3—轴销本设计选用十字万向接轴。第4章孔型系统选择与设计4.1.1棒材孔型系统1棒材箱型孔型系统图8箱型孔型系统箱形孔型优点如下：1)用改变辊缝的方法可以轧制多种尺寸不同的轧件，共用性好。这样可以减少孔型数量，减少换孔或换辊次数，提高轧机的作业率。2)在轧件整个宽度上变形均匀。因此孔型磨损均匀，且变形能耗少。3)轧件侧表面的氧化铁皮易于脱落，这对改善轧件表面质量是有益的。4)与相等断面面积的其他孔型相比，箱形孔型在轧辊上的切槽浅，轧辊强度较高，故允许采用较大的道次变形量。5)轧件断面温度降较为均匀。箱形缺点如下：1)由于箱形孔型的结构特点，难以从箱形孔型轧出几何形状精确的轧件。2)轧件在孔型中只能受两个方向的压缩，故轧件侧表面不易平直，甚至出现皱纹。由箱形孔型系统的优缺点可知，采用箱形孔型轧制大型和中型断面时轧制稳定，轧制小型断面时稳定性较差。它适用于：小型棒材粗轧机架。2椭圆—圆孔型系统该孔型系统特点如下：1)变形较为均匀。孔型形状能使轧件从一种断面平滑的转换成另一种断面，从而避免了金属由于剧烈的不均匀变形而产生的局部应力；2)在此孔型中轧出的轧件没有尖锐的棱角，可以保证轧件断面各处冷却均匀，因此，轧制时不易形成皱纹；3)孔型形状有利于去除轧件上的氧化铁皮，使轧件具有良好的表面；4)在某些情况下，可以在椭圆－圆孔型系统中的圆孔型轧出成品圆钢，这样当改变品种规格时，可以只换孔不换辊，从而减少轧辊储量和换辊次数；5)延伸系数小，因而增加了轧制道次，降低了产量，增加了轧辊与设备的消耗，提高了产品成本；6)椭圆轧件在圆孔型中不易稳定，要求圆孔型入口夹板调整机准确；7)在圆孔型中，对宽展敏感大，容易出耳子，因此调整严格。图9椭圆—圆孔型系统鉴于椭圆－圆孔型系统的上述特点，主要是由于延伸系数小，增加了轧制道次，使轧机工作效率低，产量降低和成本的提高，但是由于质量好，减少了精整工序和精整设备，并且减少了废品率和次品率，即可以完全补偿所增加的成本。3孔型系统的排列孔型系统是指按轧制顺序依次排列起来的若干个孔型的组合。为了将皮料轧制成成品，轧件所经过的孔型通常分为延伸孔型系统和精轧孔型系统两大类。轧件在延伸孔型系统的目的以压缩断面为主；而在精轧孔型系统中轧制的目的以获得最终的成品断面尺寸和精度为主。孔型系统的选择是否合理不仅对轧机的生产率、产品质量、各项技术经济指标、轧机机械化操作等有很大的影响，而且还直接影响到能否轧出成品。选择孔型系统时应从孔型系统的能耗大小、延伸能力的合理利用性、工人的操作习惯、辅助设备的布置及能力等方面来综合考虑，进而选择各机组的孔型系统。棒材生产常用的孔型系统有箱形孔型系统、椭圆－圆孔型系统、椭圆－方孔型等系统。他们的特点和适用范围各有不同。棒材粗轧机的主要任务在高温状态缩减断面，中轧机组主要承担轧件延伸和为精轧机组提供精确料型的任务。精轧机组保证轧制产品的尺寸精度的任务。随着连续棒线材轧机的不断发展及工艺技术、装备水平的逐步提高，经过生产实践和产品质量的筛选，其所用孔型系统不是在扩散，而是在收敛、在趋同。就粗轧机组而言，孔型系统逐渐集中为箱型孔型系统和椭圆一圆孔型系统。机组的架次分配及孔型系统的组合形式：粗轧机组水平布置，架次为奇数时，第1、第2用扁箱—变形椭圆孔型，经连续2道不翻钢平压轧制，再接圆—椭圆—圆孔型系统。粗轧机组平/立交替布置、架次为偶数时，首先采用1～2对箱型孔型，再接椭圆—圆孔型系统。椭圆—圆孔型系统使用范围从精轧机组逐渐向中轧、粗轧机组扩张，甚至覆盖所有轧制道次[13]。在连续棒线材轧机发展进程中，椭圆－圆孔型系统逐渐占主导地位，究其原因主要是连续棒线材轧机把提高轧机作业率及产量，保证坯料内外质量和成品尺寸精度，以及降低轧辊消耗和成本等作为增强产品市场竞争力的主要手段。因此，要求选用的孔型系统变形柔和、生产稳定、孔型磨损均匀，这些正是椭圆—圆孔型系统的典型特征。另外，连续棒线材轧机产品规格范围宽，为尽量采用共用孔型和调整孔型，特别是生产较大规格从精轧机组前几个机架甚至从中轧机组出成品，因此要求圆孔前置，这也相应扩大了椭圆一圆孔型系统的使用范围。因此，本设计采用以下孔型系统：粗轧：扁箱型－方箱型－扁箱型—方箱型—椭圆－圆；中轧：椭圆－圆－椭圆－圆－椭圆－圆；精轧：椭圆－圆－椭圆－圆—椭圆—圆。4.2孔型的设计计算4.2.1典型产品品种：圆钢规格：Φ12mm钢种：20MnSi1各道次延伸系数的确定原则如下：1)轧制的前几道次的延伸系数应小些。轧制开始时，轧件温度高，氧化铁皮厚而且附着在钢坯表面上，摩擦系数较低，咬入困难。此外，电机能力也限制了前几道次的延伸系数。2)中间道次的延伸系数由大到小。经前几道次轧制后，氧化铁皮脱落，咬入条件得到改善；而且温降不多；由于轧件断面积不断减小，亦使延伸系数提高，并达到最大值。以后，轧件断面大为减小，温降严重，变形抗力显著增加，因此，此时延伸系数应逐渐减小。3)最后几道次的延伸系数要小。2轧制道次的确定[18]：连铸坯断面积：=125×125=27225mm2热膨胀系数β=1.012~1.015，一般生产取1.013Φ12圆钢直径尺寸d=12×1.013=12.208mm=0.25×3.14×12.208=205.98mm2Φ12圆钢的总延伸为：…(10)式中：——总延伸系数；——原料断面面积；——成品断面面积。若坯料的断面积F0和成品的断面积Fn均为已知，则总延伸系数为：………(11)式中：、······为第1、2······n道次轧件的断面积；、······为第1、2······n道次轧件的延伸系数。为了孔型设计方便，可将粗轧的总延伸系数按对进行分配，粗轧总延伸系数为：中轧同理。延伸系数分配原则如图10所示图10延伸系数分配原则图一般情况下，在确定轧制道次时，用平均延伸系数代替某个道次的延伸系数。所谓平均延伸系数是指在轧制道次和总延伸系数一定的条件下，各个道次的延伸系数相等。它是为了简化轧制道次的计算而提出来的假想延伸系数，在实际生产中各个道次的延伸系数并不相等。具体确定方法如下：若用平均延伸系数代替各道次延伸系数，则：……（12）对上式取对数，则求出轧制道次数N：…………………（13）由于主要采用椭圆—圆孔型系统，且其一般不超过1.25～1.38，所以取平均延伸系数＝1.32，则：N=＝ln135.47/ln1.32＝17.68。所以取N为18道。由于轧机共有18架，将18道次分给粗轧机组6道，中轧机组6道，精轧机组6道。在最后几道次中，为减小孔型的磨损，保证成品的断面形状和尺寸精确，应采用较小的延伸系数。3根据孔型分配延伸系数,见表11：表11孔型延伸系数孔型系统箱型椭圆型圆型延伸系数1.15～1.61.2～1.61.2～1.44确定各阶段的平均延伸系数：首先确定精轧机组的平均延伸系数，据经验公式可知：=1+（0.8～0.9）（－1）＝1.256～1.288取=1.275其次确定中轧机组的平均延伸系数，在此据经验取＝1.33。最后确定粗轧机组的平均延伸系数，由可得出＝1.3245确定各机架的延伸系数，见表12：表12各机架的延伸系数机架号123456789延伸系数μ1.421.401.381.381.351.301.451.31.41机架号101112131415121718延伸系数μ1.351.351.251.251.301.301.081.21.126延伸系数分配的校核：μ1·μ2·μ3······μ18＝1.42×1.40×1.38×……×1