燕山大學2160四輥熱帶鋼精軋機組設計項目報告講解

2160四輥熱帶鋼精軋機組設計項目報告學院：機械工程學院班級：組員：指導教師：謝紅飆張立剛

燕山大學課程設計（論文）任務書院（系）：機械工程學院基層教學單位：冶金系小組成員設計題目2160四輥熱帶鋼精軋機組壓下規(guī)程設計及F6機座輥系設計設計技術(shù)參數(shù)1、原料：40mm—60mmX1900mm；產(chǎn)品：3.5—4.8mmX1900；材質(zhì)：Q235,16Mn，不銹鋼2、工作輥采用四列圓錐滾子軸承，支承輥采用四列圓柱滾子軸承；3、精軋機組為7機架連軋;成品架出口速度v=20m/s;精軋機組開軋溫度980°C—1080°C，終軋溫度850C。連軋機組長度（F1?F7中心距離）6X6=36m。設計要求1、制定軋制規(guī)程：計算道次壓下量，壓下率，軋制力，軋制力矩；2、確定四輥軋機輥系尺寸；3、繪制輥系裝配圖和軋輥零件圖。工作量1、完成CAD設計圖2張；2、完成設計計算說明書；3、查閱文獻5篇以上。工作計劃1、11.4準備參考資料；2、11.5?11.18計算；畫單圖；3、11.19中期檢查；4、11.20?11.27畫電子圖，寫說明書；5、11.28?11.29考核答辯；參考資料1、孫-2、王海3、王廷4、《機5、曹鴻6、周紀-康編著《帶鋼熱連軋的模型與控制》冶金工業(yè)出版社2007.2手文主編《軋鋼機械設計》機械工業(yè)出版社1986.6￡溥主編《金屬塑性加工學》冶金工業(yè)出版社1988.5械設計手冊》機械工業(yè)出版社2002.鳥德主編《塑性變形力學基礎與軋制原理》機械工業(yè)出版社己華管克智著《金屬塑性變形阻力》機械工業(yè)出版社指導教師冊w州p.^nrl基層教學單位主任謝洪飆、張立剛（僉子）目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"一、原料及設計技術(shù)參數(shù)1\o"CurrentDocument"二、軋輥尺寸的預設定1\o"CurrentDocument"三、壓下規(guī)程制定2\o"CurrentDocument"3.1、壓下規(guī)程制定的原則及要求2\o"CurrentDocument"3.2、壓下規(guī)程預設定2\o"CurrentDocument"四、軋制力能參數(shù)計算4\o"CurrentDocument"4.1、平均變形速度的計算4\o"CurrentDocument"4.2、各軋制道次溫度計算5\o"CurrentDocument"4.3、變形抗力計算6\o"CurrentDocument"4.4、軋制力計算7\o"CurrentDocument"4.5、軋制力矩計算8\o"CurrentDocument"4.6、軋制功率計算9\o"CurrentDocument"五、壓下規(guī)程修訂11\o"CurrentDocument"六、輥系確定15\o"CurrentDocument"6.1、軋輥的類型與結(jié)構(gòu)15\o"CurrentDocument"6.2、軋輥的材料的選擇15\o"CurrentDocument"6.3、軋輥的尺寸的確定15\o"CurrentDocument"6.4、軋輥強度校核17\o"CurrentDocument"七、軸承選用21\o"CurrentDocument"八、參考文獻23一、原料及設計技術(shù)參數(shù)1.1、原料：不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)來料尺寸50mmX1900mm成品尺寸4mmX1900mmQ235來料尺寸60mmX1900mm成品尺寸4.5mmX1900mm16Mn來料尺寸40mmX1900mm成品尺寸3.5mmX1900mm1.2、工作輥采用四列圓錐滾子軸承，支承輥采用四列圓柱滾子軸承。1.3、精軋機組為7機架連軋，成品出口速度v=20m/s,精軋機組開軋溫度980°C——1080°C，終軋溫度850°C，連軋機組長(F1~F7中心距離)6X6=36m。二、軋輻尺寸的預設定設計課題為“2160四輥熱帶鋼精軋機組設計”，則工作輥的輥身長度L=2160mm，輥身長度確定后即可根據(jù)經(jīng)驗比例值法確定軋輥直徑，精軋機座設計時L/D1=2.1?4.0,L/D2=1.0?1.8,D/D2=1.8?2.2,其中L為輥身長度，D1為工作輥直徑，D2為支承輥直徑。取1~5機架D=1000mm,D=2000mm6~7機架D=800mmD=1600mm三、壓下規(guī)程制定3.1、壓下規(guī)程制定的原則及要求壓下規(guī)程設計的主要任務是確定由一定來料厚度的板坯經(jīng)過幾個道次后軋制成為用戶所需求的，滿足用戶要求的板帶產(chǎn)品。在此過程中確定所需采用的軋制方法，軋制道次及每個道次壓下量的大小，在操作上就是要確定各道次輥縫的位置和轉(zhuǎn)速。因此，還要涉及到各道次的軋制速度，軋制溫度，前后張力及道次壓下量的合理分配。在此過程中，主要考慮設備能力和產(chǎn)品質(zhì)量，設備能力主要包括咬入條件，軋輥強度和電機功率三個要素，而產(chǎn)品質(zhì)量主要包括幾何精度和力學性能。壓下規(guī)程制定的原則：在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，充分發(fā)揮軋機的設備生產(chǎn)能力，達到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。壓下規(guī)程制定的方法及步驟如下：1）為提高熱軋帶鋼的幾何尺寸精度和表面質(zhì)量，最后一架機座的相對壓下量要取得比較小，一般取10%——15%。2）為保證金相組織和力學性能，要保證終軋溫度。3）負荷的合理分配是制定精軋機組壓下規(guī)程的關(guān)鍵，它直接影響到生產(chǎn)的穩(wěn)定性和產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。分配方法有：對數(shù)伸長率法，能耗曲線法，按最大生產(chǎn)率或最佳質(zhì)量的目標函數(shù)優(yōu)化法，動態(tài)規(guī)劃法，專家系統(tǒng)分配法。制定精軋機組壓下規(guī)程除合理的分配各工作機座的壓下量外，還需要給出各機座的速度分配和計算各機座的溫度變化。3.2、壓下規(guī)程預設定二h-h二Ah0h01~h~￡：壓下率h0:軋前厚度mm.:軋后厚度mmAh:絕對壓下量mm

熱帶鋼精軋機組的道次壓下率分配范圍機架號1234567壓下率(％)35~5035~4530~4025~4025~3520~3010~15根據(jù)上表初步制定壓下規(guī)程:表一不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)軋制道次軋前厚度h(mm)軋后厚度h(mm)壓下量Ah(mm)壓下率￡15032180.36023221110.3443211470.3334149.64.40.31459.66.53.10.32366.54.91.60.24674.940.90.184表二Q235軋制道次軋前厚度h(mm)軋后厚度h(mm)壓下量Ah(mm)壓下率￡16036240.40023623130.3613231670.3044161150.3135117.43.60.32767.45.42.00.27075.44.50.90.167

表三16Mn軋制道次軋前厚度h(mm)軋后厚度h(mm)壓下量Ah(mm)壓下率￡14024160.40022415.58.50.354315.510.84.70.303410.87.73.10.28757.75.52.20.28665.54.11.40.25574.13.50.60.146四、軋制力能參數(shù)計算4.1、平均變形速度的計算變形速度即為單位時間內(nèi)完成的相對壓縮量。為了計算變形阻力，一般采用變形速度的平均值，稱之為軋制時的平均變形速度U。卜=*Rh0uh:軋件出口速度l:變形區(qū)長度(l=^NhR)計算得各軋件各道次的平均變形速度如下表所示(單位"1)道次1234567不銹鋼9.1917.6632.1755.82100.97158.85193.61Q2359.1317.5128.9651.1393.80159.29175.6816Mn13.0624.5640.5366.27109.66183.61188.934.2、各軋制道次溫度計算軋件的溫度變化不僅與熱輻射，熱對流和熱傳導的熱量有關(guān)，還與軋制時的變形功與摩擦功轉(zhuǎn)換的熱量有關(guān)。在高溫軋制時，熱輻射引起的溫度變化起主導作用。高溫軋件熱輻射散熱溫降口T（單位為K）可計算如下Ti1+0.0257K-(-^)3ih1000式中T——前一道次的絕對溫度，K1t——計算溫降的熱輻射時間，sh軋件厚度，mmK——考慮散熱條件系數(shù)，粗軋與中間輥道次選用%=1.5,精軋時選用K]=2.0。各道次溫降為輻射溫降a口T，a為溫降系數(shù)，熱連軋時取a=1.8對于精軋機組-為一常值。h各軋件的初始溫度如下不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）1000°CQ2351050C16Mn1000C計算得各軋件各道次軋前溫度如下表所示（單位C）道次1234567不銹鋼1000990.9982.1973.5965.2957.1949.2Q23510501043.71037.51031.51025.61019.81014.116Mn1000993.1986.3979.7973.2966.9960.74.3、變形抗力計算物體有保持其原有形狀而抵抗變形的能力，度量物體的這種抵抗變形能力的力學指標，我們定義為塑形變形抗力。物體的實際變形抗力取決于該物體的本性屈服極限，軋制溫度，軋制速度與變形程度的影響。變形抗力計算公式如下：b=bexp(aT+a)(—)叮+a4a(^―)a5-(a-1)34501210|_60.460.4式中T=f+2731000°C變形溫度，M變形速度，s-1HY對數(shù)應變，Y=ln-hnH原料厚度，mmh該道次軋后厚度,mma」％回歸系數(shù)，與材料有關(guān)氣該種材料在T=1273K，M=10s-1，y=0.4時的變形抗力查表的各種原料的相關(guān)系數(shù)如下°Cb/MPaa1a2a3a4a5a6不銹鋼224.6-2.2582.8750.3527-0.37450.32251.278Q235150.6-2.8783.6650.1861-0.12160.37951.40216Mn156.7-2.7233.4460.2545-0.21970.46581.566

計算得各種軋件軋制時各道次的變形抗力如下（單位Mpa）道次1234567不銹鋼226.9240.5253.9264.7279.7276.0264.0Q235157.5164.2170.4186.9192.6203.7214.516Mn144.2162.5173.3189.0197.3208.2217.44.4、軋制力計算西姆斯方法在熱軋中用的較多，它是在奧羅萬理論基礎上建立的。在解奧羅萬微分方程式時，西姆斯采用了以下假設與簡化：1）變形區(qū)全部為粘著，單位摩擦力為常數(shù)，其值為變形阻力的一半，tx=T=k/22）采用奧羅萬理論，把軋制過程看作為在粗糙斜面間的壓縮，認為變形區(qū)內(nèi)金屬相鄰部分間的總水平力Q與壓縮的單位壓力％0關(guān)系為3）認為接觸孤方程為拋物線，則變形區(qū)任意斷面上的軋件高度h0一dh?為h0=七+R02，而—00=2R0，R為軋輥半徑。中性角￡1-￡tangln(1-:)

h1一+—arctanR2￡1-￡h—ln+

hi軋制總壓力P=bRjh—ln+

hi式中b——軋件寬度a——咬入角，孤度kk=1.15。h中性面高度，mm

Y——中性角，孤度計算得各軋件各道次軋制力P如下表（單位T）道次1234567不銹鋼6243.95695.05716.64822.53993.42896.82026.9Q2353857.53668.83451.93298.43160.32075.31245.916Mn3987.63648.53251.83379.33208.52189.31091.04.5、軋制力矩計算簡單軋制時，除了軋輥給軋件的力外，沒有其他的外力。兩個軋輥對軋件的法向力N1、N和摩擦力T、T的合力P、2121軋制時作用在軋輥上的力P2必然是大小相等而且方向相反，且作用在一條直線上，該直線垂直于軋制中心線，軋件才能平衡，如圖為各力系軋件對軋輥的反作用力。軋制時作用在軋輥上的力驅(qū)動一個軋輥的力矩Mk為軋制力矩Mz與軋輥軸承處摩擦力矩Mr之和。M^=M+M〃=P（a+p「式中：P一軋制力；a—軋制力力臂；P—軋輥軸承處摩擦圓半徑。a-—sinp2P1式中：D—軋輥直徑;d—軋輥軸頸直徑；萬—合力作用點的角度；/—軋輥軸承摩擦系數(shù)，對于滾動軸承〃=0.004。米用米利柯夫公式W=戊得：aP=w-a式中：w一力臂系數(shù)，對于熱軋，取W=0.5；a—咬入角，a=arccos對于力臂系數(shù)甲的值的確定，E.C洛克強在初軋制和板軋機上進行了實驗研究，結(jié)果表明，力臂系數(shù)決定于比值l/h。隨著比值l/h的增大力臂系數(shù)減小，在軋制初軋坯時由0.55?0.5減小到0.35~0.3，在熱軋鋁板時由0.55減小到0.45。在簡單計算時常取中=0.5各材料軋制時各道次的軋制力矩（單位kN.m）道次1234567不銹鋼3019.72166.81747.21178.8825.8391.9210.1Q2351981.21514.0932.8805.3701.8311.7129.116Mn2113.21321.8820.8868.4828.9278.394.14.6、軋制功率計算本次設計的軋機為工作輥傳動，軋制過程中軋制功率等于工作輥角速度w與作用于工作輥的軋制力矩Mk的乘積。1）軋件前滑系數(shù)計算如下S=(1-hAh2RTh

式中h:軋件厚度，mmRS=(1-hAh2RThT，T:前后張力，KNP:軋制力，KN對于精軋機組，T1^T2，2R>>h，p=0.3故有Ah1Ah1；AhS=——(1-——：——)2

4h2|iR代入數(shù)據(jù)得道次1道次123不銹鋼0.06580.07420.0806Q2350.04480.07560.070516Mn0.0820.0840.07645670.08160.09000.06530.04770.07890.08970.07210.04240.0760.0790.0610.0382）工作輥圓周速度連軋機組中根據(jù)秒流量相等有TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"hv=hv==hv112288hv,(1+s)=hv,(1+s)==hv,(1+s)\o"CurrentDocument"111222888式中h:第n架機座出口速度v:第n架機座出口速度v,:第n架機組軋輥圓周速度S:第n架機座軋件前滑系數(shù)hv(1+s)v,=8h(1+s)各道次軋輥圓周線速度（m/s）道次1234567不銹鋼2.3463.5465.2887.70511.29215.32519.089Q2352.3923.6415.2587.58411.10615.55319.19516Mn2.7014.1666.0218.44911.79516.08619.2773）軋制功率N=2Mw=2吃R代入數(shù)據(jù)得各道次軋制功率（單位kw）道次1234567不銹鋼28337.130733.436956.436329.137301.430025.620053.9Q23523720.322043.819588.824416.731332.524234.712387.116Mn22822.622027.419768.129347.824954.422383.09060.0五、壓下規(guī)程修訂分析軋制力和軋制力矩的計算結(jié)果可知初始分配軋制力不合理，不能充分利用每一架軋機。連軋機組軋制力分布機架號12345678軋制力110.850.650.550.50.450.40然后通過Excel表格進行軋制力調(diào)整，得到以下優(yōu)化結(jié)果:67o76CD193.61o79oq2026.9320053.99L0z6679i—H88m9L0z6i—HCQ8oq8CD00L0oq00s二9寸8800z79oq田i—Hoq二Z888CDi—HZL0786COL0oqzoq8i—Hoqi—H寸寸8CDi—H00co99Zi—HOL0oq800i—HoL07oooi—H6寸￡oqL43wlz_Jf[b?心s4fi^)fg￡—f*33auoi—istbds?NW昌。06IX寸*Tng%昌。06IX0g*T<<(H6N8WOI)Mwsw(I2)Q235來料尺寸60X1900mm成品尺寸4.5X1900mm參數(shù)F1F2F3F4F5F6F7h/mm60362316117.45.4h/mm362316117.45.44.5△h/mm2413753.62.00.9壓下率￡0.4000.3610.3040.3130.3270.2700.167累計變形E0.4000.6170.7330.8170.8770.9100.925出口速度v/(m/s)2.503.915.638.1812.1616.6720.00T/°C10501043.71037.51031.51025.61019.81014.1|J/s-i9.1317.5128.9651.1393.80159.29175.68b/Mpa132.3144.5151.8166.3173.9178.6174.0P/T3857.53668.83451.93298.43160.32075.31245.9M/kN?m1981.21514.0932.8805.3701.8311.7129.1N/kW27320.322043.819588.824416.731332.524234.712387.1

3)16Mn來料尺40X1900mm成品尺寸3.5X1900mm參數(shù)F1F2F3F4F5F6F7h/mm402415.510.87.75.54.1h/mm2415.510.87.75.54.13.5△h/mm168.54.73.12.21.40.6壓下率￡0.4000.3540.3030.2870.2860.2550.146累計變形E0.4000.6130.7300.8080.8630.8980.913出口速度v/(m/s)2.924.526.489.0912.7317.0720.00T/°C1000993.1986.3979.7973.2966.9960.7|J/s-113.0624.5640.5366.27109.66183.61188.93b/Mpa163.1173.8180.3190.1202.1208.9178.6P/T3987.63648.53251.83379.33208.52189.31091.0M/kN?m2113.21321.8820.8868.4828.9278.394.1N/kW22822.622027.419768.129347.824954.422383.09060.0六、輥系確定6.1、軋輥的類型與結(jié)構(gòu)軋輾是軋鋼機的主要部件。按照軋機類型可以分為板軋機軋輾與型鋼軋機軋輾兩大類。板軋機軋輾的輾身呈圓柱形，有時，熱軋板機的輾身微凹，當受熱膨脹時可以保持良好板型，冷軋板軋機的輾身微凸，當受力彎曲時，可以保持良好的板型。型鋼軋機的輾身上有軋槽，根據(jù)型鋼軋制工藝的要求，安排孔型和尺寸。軋輾由輾身、輾頸和軸頭三部分組成。輾頸安裝在軸承中，并通過軸承座和壓下裝置把軋制力傳給機架。軸頭和連接軸相連，傳遞軋制扭矩。軸頭有三種主要的形式，分別是梅花軸頭、萬向軸頭（在軋輾端是扁頭）和帶鍵槽的或圓柱形軸頭（與裝配式萬向軸頭或齒形接手連接）實踐證明帶雙鍵槽的軸頭在使用過程中，鍵槽壁容易崩裂。目前常使用帶平臺的軸頭代替帶雙鍵槽的軸頭。6.2、軋輻的材料的選擇常用的軋輾材料有合金鍛鋼、合金鑄鋼和鑄鐵等。帶鋼熱軋機的工作輾選擇軋輾材料時以軋輾輾面硬度為主要要求，多采用鑄鐵軋輾或在精軋機組前幾架采用半鋼軋輾以減緩輾面粗糙化過程。而支承輾在工作過程中主要受彎曲，且直徑較大，要著重考慮強度和軋輾淬透性，因此多選含Cr的合金鍛鋼。工作輾材料選用冷硬鑄鐵支撐輾材料選用合金鍛鋼6.3、軋輥的尺寸的確定軋輾的基本尺寸參數(shù)是:軋輾的名義直徑D，輾身長度L，輾頸直徑d和輾頸長度1。1）軋輾名義直徑D和輾身長度L的確定：板帶軋機軋輾的主要尺寸是輾身長度L（標志著板帶軋機的規(guī)格）和直徑D。決定板帶軋機軋輾尺寸時，應先確定軋輾輾身長度L，然后再根據(jù)強度、剛度和有關(guān)的工藝條件確定其直徑。對于四輾軋機，為了減小軋制力，應盡量使工作輾直徑小些。但是工作輾最小直徑受到輾頸和軸頭的扭轉(zhuǎn)強度和軋件咬入條件的限制。支承輾的直徑主要取決于剛度和強度的要求。根據(jù)項目所給的參數(shù)我們已經(jīng)可以確定軋輾的輾身長度L=850mm根據(jù)軋軋鋼機械書上的表（3---3）各種四輥軋機的L/D1、L/D2和D/D1的關(guān)系查得寬帶鋼軋機精軋機座L/D廣2.1?4.0常用比值為2.4?2.8；L/D2=1.0?1.8常用的比值1.3?1.5；D2/D廣1.8?2.2常用比值為1.9?2.1。取L/孔=2.5，L/2=1.25，D/D2=2.0,,L=2160mm,D=800mm,D=1600mm考慮各種軋輥的重車率:在軋制過程中，軋輥輥面因工作磨損，需要不止一次的重車或重磨。軋輥工作表面的每次重車量為0.5?5mm；重磨量為0.01?0.5mm。依據(jù)課本《軋鋼機械》表3-4選取,工作輥重車率為3%，支承輥重車率為6%。2）軋輥尺寸d的確定輥頸直徑d和長度l與軋輥軸承型式及工作載荷有關(guān)。由于受到軋輥軸承徑向尺寸的限制，輥頸直徑比輥身直徑要小得多。因此在輥頸與輥身過渡處，往往是軋輥強度最差的地方，只要條件允許，輥頸直徑和輥身的過渡圓角r均應選大些。使用滾動軸承時，由于軸承外徑較大，輥頸尺寸不能過大，一般近似的選d=（0.5?0.55）D工作輥采用四列圓錐滾子軸承，支承輥采用四列圓柱滾子軸承，工作輥與支承輥輥頸直徑、輥頸長度與過渡圓角如下di=r=0.1D=34mmd2=0.5D2=340mmr廣0.1D2=68mm3）工作輥軸頭的選擇我們將軋機設計為工作輥傳動的軋機，將工作輥的軸頭設計為帶平臺的軸頭6.4、軋輻強度校核四輥軋機的支承輥直徑D2與工作輥直徑D1之比一般在1.5?2.9范圍內(nèi)，顯然，支承輥的抗彎截面系數(shù)教工作輥大的多，即支承輥有很大的剛性。因此，軋制時的彎曲力矩絕大部分由支承輥承擔。在計算支承輥時，通常按承受全部軋制力的情況考慮。由于四輥軋機一般是工作輥傳動，因此，對支承輥只需要計算輥身中部和輥頸斷面的彎曲應力。1）支承輻校核：支承輥的彎曲力矩和彎曲應力分布如圖所示，在輥頸的1-1斷面和2-2斷面上的彎曲應力均滿足強度條件，即Pc.c=1—<Ri-i0.2H3bi-iPc八c=2—<R2-20.2d3b2-2式中P——總軋制力d，d1-1和2-2斷面的直徑匕，c21-1和2-2斷面支反力Rb——許用彎曲應力支承輥輥身中部2距離l等于兩個壓3斷面處作輥對支承輥的壓旗差不超o~13%),可得3_3斷面的彎矩表達式輥身中部3-3斷面的彎曲應力為P,,L、c^3-3=質(zhì)(l0"2)-R2前面計算得到的軋制力為7200KN~2000KN,按軋制力P=7200KN時進行校核P/KNc/mmc/mmL/mml/mmd/mmd/mmD/mm72002373058301440340476680支承輥材料為合金鍛鋼（9Cr2Mo）,其強度極限C人二700~750Mpa,軋輥的安全系數(shù)一般取n=4,則其許用應力為R廣175~187.5Mpa。

代入數(shù)據(jù)得c1-1"2一2"3-3c/Mpa157.1101.858.72）工作輥校核由于有支承輾承受彎曲力矩，故工作輾可只考慮扭轉(zhuǎn)力矩，即只計算傳動端的扭轉(zhuǎn)應力。扭轉(zhuǎn)應力為二MwkK式中Mk——工作在一個工作輾上的最大傳動力矩W——工作輾傳動端的扭轉(zhuǎn)斷面系數(shù)前面所求得單輾扭矩為10000~140000N.m，取扭矩Mk=140000進行計算W=罕，d為工作輾最小直徑處直徑則，t=68.3Mpa工作輾材料為冷硬鑄鐵，其強度極限氣二350~400Mpa,軋輾的安全系數(shù)一般取n=4，則其許用應力為氣二87.5~100Mpa。則許用切應力R=0.8R=70~80Mpa顯然＜Rt，工作輾滿足強度要求3）接觸應力校核四輾軋機支承輾和工作輾之間承載有很大的接觸應力，在軋輾設計及使用時進行校核計算。如假設輾間作用力沿軸向均勻分布，由彈性力學知，輾間接觸問題可簡化成一個平面應變問題。H.赫茲理論認為：兩個圓柱體在接觸區(qū)內(nèi)產(chǎn)生局部