《塑性成型工艺（轧制）》中厚板轧制设计说明书
课题名称12×1800×10000mm轧制规程设计
指导教师. 专业小组.
2015年06月18日
目录
第一章制定生产工艺及工艺制度 ........................................................... - 3 -
一、制定生产工艺及工艺制度 ............................................................................... - 3 -
二、坯料选择 ........................................................................................................... - 3 -
三、中厚板压下量 ................................................................................................... - 3 -第二章设计变形工具................................................................................ - 5 -
一、设计二辊 ........................................................................................................... - 5 -
二、设计四辊 ........................................................................................................... - 5 -第三章计算力能参数................................................................................ - 7 -
一、选择速度图 ....................................................................................................... - 7 -
二、设计轧制速度（n1、n2、n3、a、b）....................................................... - 7 -
三、速度图 ............................................................................................................... - 7 -
四、计算各道次时间 ............................................................................................... - 7 -
五、计算各道次轧制温度 ....................................................................................... - 8 -
六、计算各道次变形抗力 ....................................................................................... - 9 -
七、选用Sims公式计算各道次轧制力 ................................................................. - 9 -第四章轧辊强度校核............................................................................... - 11 -
一、二辊轧机强度校核 ......................................................................................... - 11 -
二、四辊轧机强度校核 ......................................................................................... - 12 -第五章主电机容量校核.......................................................................... - 14 -
一、绘制力矩图 ..................................................................................................... - 14 -
二、计算各机架电机最大输出力矩及等效力矩 ................................................. - 15 -
三、校核各机架主电机容量 ................................................................................. - 16 -参考文献.................................................................................................... - 23 -
第一章制定生产工艺及工艺制度
一、制定生产工艺及工艺制度
1.制定生产工艺
选择坯料→原料清理→加热→除鳞→纵轧一道（使长度接近成品宽度）→转90°横轧到底→矫直→冷却→表面检查→切边→定尺→表面尺寸形状检查→力学性能试验→标记→入库。
2.制定工艺制度
在保证压缩比的条件下，坯料尺寸尽量小，加热时出炉温度应在1120-1300℃，温度不要过高，以免发生过热或过烧现象；用高压水去除表面的氧化铁皮；矫直时选用辊式矫直机矫直，开始冷却温度一般要尽量接近纵轧温度，轧后快冷到相变温度以下，冷却速度大多选用5-10°或稍高一些。切边用圆盘式剪切机进行纵剪，然后用飞剪定尺。
二、坯料选择
1.选择坯料
根据生产经验和实践可知，连铸坯的组织、性能好，且成材率也很高，故选择连铸坯。
2.坯料尺寸的确定
（1）坯料厚度的确定：
根据经验，我国的中厚板生产中采用6~8倍以上的压缩比较合理，而压缩比越高，铁素体晶粒长度越长，组织性能越高，故在本设计中选压缩比为10，已知成品高度h=12mm，则坯料高度H=10h=120mm。
（2）坯料长度的确定：
采用先纵轧一次，使坯料长度尺寸接近于成品宽度，再转90°横轧到底，则坯料长度L=B+切边量—展宽，取切边量为25mm，展宽取450mm，可得：
L=1800+2×25-450=1400mm
（3）坯料宽度的确定：
金属烧损系数一般为1%，采用板型控制技术来减少头尾形状偏差，切头尾△L 取50mm，切边△b=25mm，由体积不变定律可得：
99%×H×B×L=（l+2×50）×（b+2×25）×12
带入数据解得：B=1350mm。
三、中厚板压下量
根据经验，中厚板压下量在△h=12mm左右，这里取△h=12mm。
四、分配各道次压下量，计算道次变形程度，轧件尺寸及轧制道次
1.确定轧制道次
由H=120mm，h=12mm，取轧制道次n=10（二辊5道次，四辊5道次）。
2.分配各道次压下量，计算各道次变形程度及轧件尺寸
先用展宽轧制把坯料的长度L轧成b（或接近b，共一道纵轧）且不忽略宽展，由体积不变定律得：
B×L×H=B1×L1×(H-△h）得△h=30mm。
第一道次压下30mm，轧后尺寸：90×1350×1850mm。
同理，其余道次压下量分配、变形程度、轧后尺寸如下表1-1所示。
表1-1 热轧120×1350×1400mm中厚板压下量分配情况
第二章设计变形工具
一、设计二辊
（1）辊身长度
由L=b max+a，又因为b max=1850mm，由轧钢机械可知：当b max=1000~2500mm时，a=150~200mm，此处取a=200mm，则L=1850+200=2050mm。
（2）辊径尺寸
由轧钢机械表3-2知：中厚板轧机L/D=2.2~2.8，则D=732~932mm，取D=800mm。
（3）辊颈尺寸
由轧钢机械表3-5知：d/D=0.67~0.75，取d/D=0.75得d=800×0.75=600mm；
辊颈长度l：l/d=0.83~1.0，取l/d =1.0得l=d=600mm。
（4）辊头设计
因为中厚板轧机需要轧辊调整行程比较大，故选择万向辊头，具体尺寸关系如下：
D min=D max-D max×重车率，中厚板轧机最大重车率5%-8%，此处重车率取5%名义直径D= D max ，D min= D max-D max×5%=800-800×5%=760mm
D1=D min-(5-15)mm 取D1=D min-10=760-10=750mm
S=（0.25-0.28）D1取S=0.26D1=0.26×750=195mm
a=（0.50-0.60）D1取a=0.60D1=0.60×750=450mm
b=（0.15-0.20）D1取b=0.20D1=0.20×750=150mm
c=（0.50-1.00）b 取c=1.00 b=1.00×150=150mm。
（5）辊颈与辊身的过度圆角r
由轧钢机械表3-5知：r/D=0.1-0.12 取r/D=0.1得r=0.1×800mm=80mm。
二、设计四辊
1.支承辊设计
（1）辊身长度
L=2050mm。
（2）辊径尺寸D2
由轧钢机械表3-3知：L/D2=2.0 ~2.5，取L/D2 =2.05 得D2=1000mm。
（3）辊颈尺寸
由轧钢机械表3-5知：d2/D2 =0.67~0.75，取d2/D2=0.75 得d2=1000×0.75=750mm。辊颈长度l2/ d2=0.83~1.0 ，取l2/ d2 =1.0则l2= d2 =750mm。
（4）辊头设计
因为中厚板轧机需要轧辊调整行程比较大，故选择万向辊头。具体尺寸如下：
D min=D max-D max×重车率，取重车率为5%
D max =D，则D min=1000-1000×5%=950mm
D1=D min-（5-15）取D1=Dmin-10=950-10=940mm
S=（0.25-0.28）D1 取S=0.25D1=0.25×940=235mm
a=（0.50-0.60）D1 取a=0.50D1=0.50×940=470mm
b=（0.15-0.20）D1 取b=0.20D1=0.20×940=188mm
c=（0.50-1.00）b 取c=1.00 b=1.00×188=188mm。
（5）辊颈与辊身的过度圆角
由轧钢机械表3-5知：r/D=0.1-0.12 ，取r2/D2=0.1 得r2=0.1×1000mm=100mm。
2.工作辊设计
（1）辊身设计
L=2050mm，D1=1000。
（2）辊径尺寸
当轧件较厚（咬入角较大）时，由于要求较大工作辊直径，故选用较小的D2/D1 由表3-3知：D2/D1=1.5~2.2 ，取D2/D1=1.5，得D1=1000÷1.5=667mm。
（3）辊颈尺寸
由表3-5知：d1/D1=0.67~0.75，取d1/D1=0.75，得d1=667×0.75=500mm，辊颈长度：l1/d1=0.83~1.0 ，取l1/d1 =1.0，得l1=1.0×500=500mm。
（4）辊颈与辊身的过度圆角r
由轧钢机械表3-5知：r1/D1=0.1-0.12，取r1/D1=0.1，得r1=0.1×667mm=67mm。
（5）辊头设计
同上选择万向辊头，具体尺寸如下所示
D min=D max-D max×重车率重车率取5%，则D min=667-667×5%=534mm
D1=D min-（5-15)mm取D1=D min-10=750mm
S=（0.25-0.28）D1取S=0.25D1=0.25×667=167mm
a=（0.50-0.60）D1取a=0.50D1=0.50×667=334mm
b=（0.15-0.20）D1取b=0.20D1=0.20×667=133mm
c=（0.50-1.00）b 取c=1.00 b=1.00×133=133mm。
三、校核咬入能力
热轧钢板时咬入角a一般为15°~22°，低速咬入a可取为20°，故△h max=D1(1-cosa)=620×（1-cos20°）=37.39mm，纵观压下量配置情况，满足要求，可以咬入。
第三章计算力能参数
一、选择速度图
由于轧件较长，轧制时间较长，所以选择梯形图更合适。
二、设计轧制速度（n1、n2、n3、a、b）
根据条件可知：
二辊轧机转速在0~40~80rpm
四辊轧机转速在0~60~120rpm
根据经验资料取平均加速度a=40rpm/s，平均减速度b=60rpm/s。在二辊轧机上轧制时，取咬入转速n1=10rpm，n2 三、速度图 (速度梯形图) 四、计算各道次时间 假定第一道：空载加速时间为t1，加速轧制时间为t2，设等速轧制时间为t3，减速轧制时间为t4，空载减速时间为t5 。 对于二辊轧机 空载加速时间：t1= n1/a=10/40=0.25s 加速轧制时间：t2= （n2－n1）/a=(30-10)/40=0.5s 等速轧制时间：t3=1/n2×[n12/2a+60L/πD+n32/2b-n22×（1/2a+1/2b）] =1/30[102/80+60×1850/(π×800)+202/120-302×(1/80+1/120] =1.00s 减速轧制时间：t4= （n2－n3）/b=（30-20）/60=0.17s 空载减速时间：t5=n3/b=20/60=0.33s 所以纯轧时间：t z=t2＋t3＋t4=0.5+1.00+0.17=1.67s 如果轧件长度l≤3.5m取间隙时间t j=2.5s; 如果轧件长度3.5m 如果轧件长度l>8m取间隙时间t j=4s 所以第一道次中t j1=2.5s。 同理，其它各道次的时间组成如下表3-1所示。 表3-1 各道次时间具体分配情况 五、计算各道次轧制温度 为了确定各道次轧制温度，必须求出逐道的温度降。高温时轧件温度降可以按辐射热计算，而认为对流和传导所损失的热量大致可与变形功所转化的热量相抵消。由于辐射热所引起的温度降在热轧板、带材时，可用以下公式近似计算： △t=12.9×Z/h×(T1/1000)4 Z—该道次的轧制时间与上道次间隙时间之和 T1—前一道的绝对温度，K h—轧出厚度。 根据经验，双机架中厚板轧机轧制材料为12CrNi3Al的钢板时，其粗轧开轧温度为1150℃，精轧的开轧温度为1050℃。 所以第一道温降为： △t1=12.9×Z/h×(T1/1000)4 =12.9×1.67/90×[（1150+273）/1000]4=1℃同理可计算第2道至第5道次的温降（见表3-2）。 假定精轧开轧温度为1050℃，则 △t6=12.9×Z/h×(T1/1000)4 =12.9×10.29/21×[（1050+273）/1000]4=19℃ 所以第8道轧后轧件温度为：1050℃-27℃=1031℃ 同理，其余道次轧制温度如下表3-2所示。 表3-2 各道次轧后温度 六、计算各道次变形抗力 轧件在二辊轧机上轧制时平均轧制速度为： V1=πDn2/60=π×800×30/60=1257mm/s（n2为稳定轧制度）轧件在四辊轧机上轧制时平均轧制速度为： V2=πDn2/60=π×667×40/60=1397mm/s（n2为稳定轧制度）平均变形程度：?=2V×R △/(H＋h)，所以?1=2×1257/（120+90）×√30/400 /h =3.3，根据12CrNi3Al的变形抗力模型可知： σs =230 ε0.252?0.143e-.0029T ×9.81 第一道次：σs1=230 ε10.252?10.143e-.0029T1 ×9.81 = 230 0，250.2523.30.143e-0.0029×1150 ×9.81=67.21Mpa 其热轧的变形抗力：K1=1.155×σs1 =1.155×67.21=77.63 Mpa。 同理，其他道次变形抗力如下表3-3所示。 表3-3 各道次变形抗力及其相关参数 七、选用Sims公式计算各道次轧制力 求第一道轧制力，其中K=77.63 Mpa R=D/2=800/2=400mm。 1.确定外摩擦系数n?σ 接触弧长l=h R=√400×30=109.5mm，R/h=400/90=4.4查轧制工艺与理论P75 △ 曲线5-24求外摩擦影响系数n?σ1，由ε1 =25% R/h=4.4 查得n?σ1=1.0。 2.确定张力影响系数n???σ 由于采用无张力轧制，所以张力影响系数n???σ1=1.0。 3.确定外端影响系数n??σ 因为l/h=109.5/90>1，由经验可知n??σ1接近于1，故n??σ1=1不考虑外端的影响。轧制力：P= n?σ×n??σ×n???σ×K×F = n?σ×n??σ×n???σ×K× b×l 代入数据：P1= 1.0×1.0×1.0×77.63×1.350×0.109=11.48MN。 同理，计算出其它道次轧制力如下表3-4所示。 表3-4 热轧120×1350×1400mm带钢压下规程 第四章 轧辊强度校核 一、二辊轧机强度校核 由上面计算知二辊轧机最大轧制力P max =P 3=14.84MN 。 （1）设计尺寸： L=bmax+a=2050mm ，D=800mm 。 如右图4-1所示。 （2）辊身强度： M sh =P max [（L+l ）/4－b/8] =14.84×106[（2050+600）/4－1850/8 ] 图4-1 =6399.8×106 N ?mm σsh = M sh /(0.1D 3 ) =6399.8×106 /(0.1×8003)=117.64Mpa 。 （3）辊颈强度： M j = c×P max /2=P max ?l/4=14.84×106 /4×600=2226.0×106 N ?mm σj =M j /（0.1d 3）=2226.0×106 /(0.1×6003)=103.06 Mpa M n =P(φ×h △R +d μ/2) Δh —最大轧制力时的压下量 = Pφ×h △R =14.84×106×0.5√18×400=629.61×106 N ?mm τj=M n /（0.2d 3）=629.61×106 /(0.2×6003)=14.57 Mpa 。 对于钢轧辊，运用第四强度理论计算合成应力 σh =223j j τσ+=√103.062 +3× (14.572)=106.11Mpa 。 （4）辊头强度 受力分析如右图4-2所示，当万向接轴传递的扭转力矩为M 时，合力P 为 P=M/(b 0-2b/3) 式中b 0—扁头的总宽度 b —扁头一个分支的宽度 根据轧制理论与工艺 表7-3选 b=1.5S=1.5×195=292.5mm 图4-2 b 0=D1=750mm 。可以计算轧制力 P=M/(b 0-2b/3)=Mn/(b 0-2b/3)=(629.61×106)/(750-2/3×292.5)=1.134×106N α取120计算，则x=0.5(b 0-2b/3)sinα×2=0.5(750-2/3×292.5)sin120×2=86.54mm 。 M w =Px=1.134×106×86.54=98.14×106N ?mm M n =P ×b /6=1.134×106×292.5/6=55.283×106 N ?mm ，因为M w 〉M n ，所以根据弯矩来校核即可。 K=1+0.15/(2r/b 0)0.5 =1+0.15/(2×80/750)0.5=1.325 σj =60×M w ×K ×x/[(b 0-2b/3)bS 2 ] =60×98.14×106×1.325×80.673/[(750-2×292.5/3)292.5×1952 ] =102.144 Mpa 安全系数n=σb /σj =686/102.144=6.72〉3 故辊头安全。 （5）轧辊材料选择 由上面计算可知：σsh =117.64Mpa ；σj =103.06Mpa ；σn ，= 12.92Mpa 查阅相关书籍可知各种材料的强度极限如下表4-1 。 选择碳素锻钢，其材料的抗拉强度σb =686—735Mpa 取σb =686 Mpa 则：σb /σsh =686/117.64=5.83>3 所以辊身安全符合要求； σb /σj =686/103.06=6.64>3 所以辊颈安全符合要求； σb /σh =686/12.92=53.10>3 所以辊头安全。故选择碳素锻钢是合理的。 二、四辊轧机强度校核 选工作辊材质为9Cr ，σb =833Mpa 支承辊材料选40Cr ，σb =686Mpa ，由上面计算可知四辊轧机最大轧制力P max =P 6=10.73 MN 。 1.支承辊强度校核 1.辊身强度 M sh2=P(a 2/4－L/8)= 10.73×106 ×(2550/4－1850/8)=4359.1×106 N ?mm σsh2= M sh2/(0.1D 23)=4761.4×106 / (0.1×10003)=47.61Mpa 。 2.辊颈强度 M j2= c×P max /2=P/4×l 2=10.73×106 ×750/4=2011.9×106N ?mm σj2= M j2/（0.1d 23）=2011.9×106 /(0.1×7503)=47.69Mpa 。 3.辊头强度 无计算内容。 4.校验 因为σj2 >σsh2 n=686/47.69>3 所以支承辊是安全的。 2.工作辊强度校核 （1）辊身强度： M sh =P max [a1/4－b1/8] =10.73×106[2550/4－1850/8 ] =4359.1×106 N ?mm σsh1= M sh /(0.1D 3 ) =4359.1×106 /(0.1×6673)=146.89Mpa 。 （2）辊颈强度： M n =Pφ×h △R =10.73×106×0.5√6×667/2=239.99×106 N ?mm τj=M n /（0.2d 13）=239.99×106 /(0.2×5003)=9.60 Mpa M j = c×P max /2=P max ?l 1/4=10.73×106 /4×500=1341.3×106 N ?mm σj =M j /（0.1d 13）=1341.3×106 /(0.1×5003)=107.3 Mpa 对于钢轧辊，运用第四强度理论计算合成应力 σh1=223j j τσ+=√107.32+3× (9.60 2)=108.58Mpa 。 （3）辊头强度 受力分析图4-2所示。当万向联接轴传递的扭转力矩为M 时，合力P 为 P=M/(b 0-2b/3) 式中 b 0—扁头的总宽度 b —扁头一个分支的宽度。 根据轧制理论与工艺表7-3： 选 b=1.5S=1.5×167=250.5mm b 0=D1=620mm P=M/(b 0-2b/3)=Mn/(b 0-2b/3)=(239.99×106)/(620-2/3×250.5) =0.530×106N 。 α取120计算，x=0.5(b 0-2b/3)sinα×3/2 =0.5(620-2/3×250.5)sin120×3/2=70.64mm M w =Px=0.530×106×70.64=37.44×106N ?mm M n =P×b /6=0.530×106×250.5/6=22.13×106 N ?mm ，因为M w 〉M n ，所以根据弯矩来校核即可。 K=1+0.15/(2r/b 0)0.5 =1+0.15/(2×67/620)0.5=1.323 σj =60×M w ×K×x/[(b 0-2b/3)bS 2 ] =60×37.44×106×1.323×70.64/[(620-2×250.5/3)292.5×1672 ]=66.332Mpa 。 安全系数n=σb /σj =833/66.332=12.56〉3 故辊头安全。 （4）校验 因为σsh1 >σj1 >σh1 n=833/146.89=5.67>3 所以工作辊是安全的。 3.接触应力计算 因为工作辊和支承辊都为钢轧辊，所以泊松比v 1=v 2=v=0.3且E=200GPa 所以： ?=k 1+k 2=(1-v 1)/πE 1+(1-v 2)/πE 2=0.263×10-5MPa -1 q=P/L=10.73×106/2050=5.23×103N/mm ，q max =1.5q=7.85×103N/mm 又因为σmax = 2 12 21max r r r r q θπ） （+ 式中： r 1— 工作辊辊颈半径 r 2—支承辊辊颈半径 代入数据得σmax =√7.85×103 ×（667/2+500）/(π2×0.263×10-5×667/2×500) =1229.5Mpa τmax =0.304σmax =0.304 ×1229.5=373.8MPa 查表3-7得40Cr 的HB=241~286 ，由表3-8得 [σ]=2000 Mpa ；[τ]=610 Mpa 。因为σmax <[σ]，τmax <[τ] 即接触应力强度满足要求，所以验算通过。
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