燕山大学2160四辊热带钢精轧机组设计项目报告

'2160四辗热带钢精乳机组设计项目报告学院：机械工程学院班级：组员：指导教师：谢红飙张立刚 燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）：机械工程学院基层教学单位：冶金系小组成员设计题目2160叫辊热带钢精轧机组压下规程设计及F6机座辊系设计设计技术参数1、原料：40mm—60mmX1900mm;产品：3.5—4.8mmX1900;材质：Q235,16Mn,不锈钢2、工作辊采用四列圆锥滚子轴承，支承辊采用四列圆柱滚子轴承；3、精乳机组为7机架连轧;成品架出门速度v=20m/s;精轧机组开轧温度980°C一1080°C,终轧温度850°C。连轧机组长度（F1〜F7中心距离）6X6=36mo设计要求1、制定乳制规程：计算道次压下S，压下率，乳制力，乳制力矩;2、确定四辊乳机辊系尺寸；3、绘制辊系装配图和乳辊；件图。工作量1、完成CAD设计阁2张;2、完成设计计算说明书;3、查阅文献5篇以上。工作计划1、11.42、11.5〜11.183、11.194、11.20〜11.275、11.28〜11.29准备参考资料：计算；画草图；中期检查；画电子图，写说明书;考核答辩：参考资料1、孙一康编著《带钢热连乳的模型与控制》2、王海文主编《轧钢机械设计》3、王廷溥主编《金属塑性加工学》4、《机械设计手册》5、曹鸿德主编《塑性变形力学基础与轧制原理》6、周纪华管克智著《金属塑性变形阻力》冶金工业山版社2007.2机械工业出版社1986.6冶金工业出版社1988.5机械工业山版社2002.机械工业岀版社机械工业出版社指导教师谢洪飙、张立刚基层教学单位主任（签字） 目录一、原料及设计技术参数1二、轧辗尺寸的预设定1三、压下规程制定23.1、压下规程制定的原则及要求23.2、压下规程预设定2四、轧制力能参数计算44.1、平均变形速度的计算44.2、各轧制道次温度计算54.3、变形抗力计算64.4、轧制力计算74.5、轧制力矩计算84.6、乳制功率计算9五、压下规程修订11人"辗系确定156.1、轧辊的类型与结构156.2、轧辊的材料的选择156.3、轧辊的尺寸的确定156.4、乳辊强度校核17七、轴承选用21八、参考文献23 一、原料及设计技术参数1.1、原料：不锈钢(lCrl8Ni9Ti)来料尺寸50mmX1900mm成品尺寸4mmX1900mmQ235来料尺寸60mmX1900mm成兄尺、4.5mmX1900mm16Mn来料尺寸40mmX1900mm成品尺寸3.5mmX1900mm1.2、工作辊采用四列圆锥滚子轴承，支承辊采用四列圆柱滚子轴承。1.3、精轧机组为7机架连乳，成品出口速度v=20m/s,精轧机组开轧温度980°C——1080°C,终轧温度850°C,连轧机组长(F1、F7中心距离)6X6=36mo二、乳辗尺寸的预设定设计课题为“2160四辊热带钢精轧机组设计”，则工作辊的辊身长度L=2160nmi，辊身长度确定后即可根据经验比例值法确定轧辊直径，精乳机座设计时L/D｝二2.1〜4.0，L/Z)2=1.0〜1.8,£>,/£>2=1.8-2.2,其中L为辊身长度，q为工作辊直径，为支承辊直径。1〜5机架E^lOOOmm，Z)2=2000inin6〜7机恕2),=800mm=1600mm三、压下规程制定3.1、压下规程制定的原则及要求压丁规程设计的主要任务是确定由一定來料厚度的板坯经过几个道次后轧制成为用户所需求的，满足用户耍求的板带产品。在此过程中确定所需采用的轧制方法，轧制道次及每个道次压下 量的大小，在操作上就是要确定各道次辊缝的位置和转速。因此,还要涉及到各道次的轧制速度，轧制温度，前后张力及道次压下量的合理分配。在此过程屮，主要考虑设备能力和产品质量，设备能力主要包括咬入条件，轧辊强度和电机功率三个耍素，而产品质量主要包括儿何精度和力学性能。压下规程制定的原则：在保证产品质量的前提下，充分发挥轧机的设备生产能力，达到优质高产。压下规程制定的方法及步骤如下：1）为提高热轧带钢的几何尺寸精度和表面质量，最后一架机座的相对压下量要取得比较小，一般取10%——15%。2）为保证金相组织和力学性能，要保证终轧温度。3）负荷的合理分配是制定精轧机组压下规程的关键，它直接影响到生产的稳定性和产品的产量和质量。分配方法有：对数伸长率法，能耗曲线法，按最大生产率或最佳质量的目标函数优化法，动态规划法，专家系统分配法。制定精轧机组压下规程除合理的分配各工作机座的压下量外，还需要给出各机座的速度分配和计算各机座的温度变化。3.2、压下规程预设定e-/7q-/7<-a/?h、、e:压下率h0:$L前厚度mmA,:轧后厚度mmA/?:绝对压下量mm 热带钢精轧机组的道次压下率分配范围机架号1234567压下率(％)35〜5035〜4530〜4025〜4025〜3520~3010〜15根据上表初步制定压下规程:表一不锈钢(lCrl8Ni9Ti)轧制道次轧前厚度Ao(mm)轧后厚度/?,(mm)压下量AA(mm)压下率£15032180.36023221110.3443211470.3334149.64.40.31459.66.53.10.32366.54.91.60.24674.940.90.184表二Q235轧制道次轧前厚度Ao(圆)轧后厚度A,(mm)压下量A/7(mm)压下率£16036240.40023623130.3613231670.3044161150.3135117.43.60.32767.45.42.00.27075.44.50.90.167 !1!乳制力能参数计算表三16Mn轧制道次轧前厚度h()(mm)轧后厚度/?,(mm)压下量△A(mm)压下率e14024160.40022415.58.50.354315.510.84.70.303410.87.73.10.28757.75.52.20.28665.54.11.40.25574.13.50.60.1464.1、平均变形速度的计算变形速度即为单位时间内完成的相对压缩量。为了计算变形阻力，一般采用变形速度的平均值，称之为轧制时的平均变形速度w。人：轧件出口速度I:变形区长度U=4XhR)计算得各轧件各道次的平均变形速度如下表所示(单位)道次1234567不锈钢9.1917.6632.1755.82100.97158.85193.61Q2359.1317.5128.9651.1393.80159.29175.6816Mn13.0624.5640.5366.27109.66183.61188.934.2、各乳制道次温度计算轧件的温度变化不仅与热辐射，热对流和热传导的热量有关,还与乳制时的变形功与摩擦功转换的热量冇关。在高温轧制吋，热辐射引起的温度变化起主导作用。高温轧件热辐射散热温降ar(单位为k)可计算如下 □7=7；--，忑3/1+0.0257^,-(^-)3V1A1000式中7；——前一道次的绝对温度，Kt一一计算温降的热辐射时间，sh——轧件厚度，mmK,一一考虑散热条件系数，粗乳与中间辊道次选用5,精轧时选用&=2.0。各道次温降为辐射温降aDr,a为温降系数，热连轧吋取aFl.8O对于精乳机组丄为一常值。h各轧件的初始温度如下不锈钢(lCrl8Ni9Ti)1000°CQ235105CTC16Mn1000°C计算得各轧件各道次轧前温度如下表所示(单位"C)道次1234567不锈钢1000990.9982.1973.5965.2957.1949.2Q23510501043.71037.51031.51025.61019.81014.116Mn1000993.1986.3979.7973.2966.9960.7 4.3、变形抗力计算物体有保持其原有形状而抵抗变形的能力，度量物体的这种抵抗变形能力的力学指标，我们定义为塑形变形抗力。物体的实际变形抗力取决于该物体的本性屈服极限，轧制温度，轧制速度与变形程度的影响。变形抗力计算公式如下：<7Z+2731000t变形温度，u变形速度°C丫对数应变，丫H原料厚度，mmh„该道次乳后厚度，mm冋归系数，与材料有关<7()该种材料在T=1273K，u=10<1,丫=0.4时的变形抗力查表的各种原料的和关系数如下er0/MPatz2“3^4“5a6不锈钢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 计算得各种轧件轧制时各道次的变形抗力如下（单位Mpa）道次1234567不锈钢226.9240.5253.9264.7279.7276.0264.0Q235157.5164.2170.4186.9192.6203.7214.516Mn144.2162.5173.3189.0197.3208.2217.44.4、轧制力计算西姆斯方法在热乳中用的较多，它是在奥罗万理论基础上建立的。在解奥罗万微分方程式时，西姆斯采用了以下假设与简化：1）变形区全部为粘着，单位摩擦力为常数，其值为变形阻力的一半，tv=T=k/22）采用奥罗万理论，把轧制过程看作为在粗糙斜面间的压缩，认为变形区内金屌和邻部分间的总水平力Q与压缩的单位压力&关系为JIQ-^Pe—:k）3）认为接触弧方程为抛物线，则变形区任意断面上的乳件高度~为h0=h+R02，~=2R3,R为乳辗半径。dd屮性角Yji-Ind-O.h}1—+—arctanR2轧制总压力式中b—一轧件宽度，mma咬入角，弧度kk=l.15（7K,——中性面高度，mm Y屮性角，弧度计算得各轧件各道次乳制力P如下表（单位T）道次1234567不锈钢6243.95695.05716.64822.53993.42896.82026.9Q2353857.53668.83451.93298.43160.32075.31245.916ln3987.63648.53251.83379.33208.52189.31091.04.5、乳制力矩计算简单轧制时，除了乳辊给轧件的力外，没有其他的外力。两个轧辊对乳件的法向力A;、火和摩擦力7；、Z的合力6、P,必然是大小相等而且方向相反，且作用在一条直线上，该直线垂直于轧制中心线，轧件才能平衡，如阁为各力系轧件对轧辊的反作用力。轧制时作用在轧辊上的力驱动一个乳辊的力矩为轧制力矩从与轧辊轴承处摩擦力矩均】之和。Mk=Mz+Mn=P(a+p")式中：P一乳制力;a—轧制力力臂；px-轧辊轴承处摩擦圆半径。D.a=—sin2dP=yA式中：一轧辊直径；d-轧辊轴颈直径；P—合力作用点的角度；//—札辊轴承摩擦系数，对于滚动轴承^=0.004。 采用采利柯夫公式得：aP二f/a式中：V—力朽系数，对于热轧，取（/=0.5;a—咬入角，a-arccos1I2RJ对于力臂系数屮的值的确定，E.C洛克强在初轧制和板轧机上进行了实验研究，结果表明，力臂系数决定于比值//A。随着比值//A的增大力臂系数减小，在轧制初轧坯时由0.55^0.5减小到0.35〜0.3,在热轧铝板时由0.55减小到0.45。在简单计算时常取屮=0.5各材料轧制时各道次的乳制力矩（单位kN.m）道次1234567不锈钢3019.72166.81747.21178.8825.8391.9210.1Q2351981.21514.0932.8805.3701.8311.7129.116Mn2113.21321.8820.8868.4828.9278.394.14.6、轧制功率计算本次设计的轧机为工作辊传动，轧制过程中乳制功率等于工作辊角速度VV与作用于工作辊的乳制力矩的乘积。1）轧件前滑系数计算如下 式中A:轧件厚度，mmR":工作辗半径，mmA/z:绝对压下量，mm轧辊与轧件间的摩擦系数T"，T2:前后张力，KNP：轧制力，KN对于精轧机组，T1^T2,2R〉〉h，n=0.3故有A/zzl1[Xh,s=——(1——)—2)工作辊圆周速度4/?2/zV/?,代入数据得道次1234567不锈钢0.06580.07420.08060.08160.09000.06530.0477Q2350.04480.07560.07050.07890.08970.07210.042416Mn0.0820.0840.0760.0760.0790.0610.038连轧机组屮根据秒流量相等有h^=h2V2=……hAV(1+5,)=/z2V2(1+、)=……=^8(1+58)式中第n架机座出口速度v„：第n架机座出1_1速度v”••第n架机组轧辊圆周速度S,第n架机座轧件前滑系数v.=JWl±£s)/?(1+5)各道次乳辊圆周线速度(m/s) 道次1234567不锈钢2.3463.5465.2887.70511.29215.32519.089Q2352.3923.6415.2587.58411.10615.55319.19516Mn2.7014.1666.0218.44911.79516.08619.2773）轧制功率N-2M、S代入数据得各道次轧制功率（单位kw）道次1234567不锈钢28337.130733.436956.436329.137301.430025.620053.9Q23523720.322043.819588.824416.731332.524234.712387.116Mn22822.622027.419768.129347.824954.422383.09060.0五、压下规程修订分析轧制力和乳制力矩的计算结果可知初始分配乳制力不合理，不能充分利用每一架轧机。连轧机组轧制力分布机架号12345678轧制力110.850.650.550.50.450.40然后通过Excel表格进行乳制力调整，得到以下优化结果: 1)不锈钢(lCrl8Ni9Ti)来料尺寸50X1900mm成品尺寸4X1900mm参数FIF2F3F4F5F6F7h()/mm503221149.66.54.9hA/mm3221149.66.54.94.0△h/mm181174.43.11.60.9压下率e0.3600.3440.3330.3140.3230.2460.184累计变形0.3600.5800.7200.8080.8700.9020.920出口速度v!(mls)2.503.815.718.3312.3116.3320.00T/°C1000990.9982.1973.5965.2957.1949.2u/s"19.4917.6632.1755.82100.97158.85193.61G!Mpa226.9240.5253.9264.7279.7276.0264.0P/T6243.885694.975716.654822.453993.412896.812026.93M/kN•m3019.72166.81747.21178.8825.8391.9210.1N/kW28337.130733.436956.436329.137301.430025.620053.9 2)Q235来料尺寸60X1900mm成品尺寸4.5X1900mm参数FIF2F3F4F5F6F7h()/mm60362316117.45.4hjmm362316117.45.44.5Ah/mm2413753.62.00.9压下率e0.4000.3610.3040.3130.3270.2700.167累汁变形E0.4000.6170.7330.8170.8770.9100.925出口速度v/(m/s)2.503.915.638.1812.1616.6720.00T/°C10501043.71037.51031.51025.61019.81014.1u/s_19.1317.5128.9651.1393.80159.29175.68(7!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来料尺40X1900mm成品尺寸3.5X1900mm参数FIF2F3F4F5F6F7h0/mm402415.510.87.75.54.1/?,/mtn2415.510.87.75.54.13.5Ah/mm168.54.73.12.21.40.6压下率e0.4000.3540.3030.2870.2860.2550.146累计变形E0.4000.6130.7300.8080.8630.8980.913出口速度v/(m/s)2.924.526.489.0912.7317.0720.00T/°C1000993.1986.3979.7973.2966.9960.7u/s_,13.0624.5640.5366.27109.66183.61188.93(J/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、辊系确定6.1、乳辐的类型与结构轧辊是轧钢机的主要部件。按照轧机类型可以分为板轧机轧辊与型钢轧机轧辊两大类。板乳机轧辊的辊身呈圆柱形，有时，热轧板机的辊身微門, 当受热膨胀时可以保持良好板型，冷乳板乳机的辊身微凸，当受力弯曲时，可以保持良好的板型。型钢轧机的辊身上冇轧槽，根据型钢轧制工艺的要求，安排孔型和尺寸。乳辊由辊身、辊颈和轴头三部分组成。辊颈安装在轴承中,并通过轴承座和压下装罝把轧制力传给机架。轴头和连接轴相连,传递轧制扭矩。轴头有三种主要的形式，分别是梅花轴头、万向轴头（在乳辊端是扁头）和带键槽的或圆柱形轴头（与装配式万向轴尖或齿形接手连接）实践证明带双键槽的轴尖在使用过程屮，键槽壁容易崩裂。目前常使用带平台的轴头代替带双键槽的轴头。6.2、乳辗的材料的选择常用的轧辊材料有合金锻钢、合金铸钢和铸铁等。带钢热轧机的工作辊选择轧辊材料时以轧辊辊面硬度为主要要求，多采用铸铁轧辊或在精轧机组前几架采用半钢轧辊以减缓辊面粗糙化过程。而支承辗在工作过程中主要受弯曲，且直径较大，要着重考虑强度和轧辊淬透性，因此多选含Cr的合金锻钢。工作辊材料选用冷硬铸铁支撑辊材料选用合佥锻钢6.3、乳辗的尺寸的确定轧辊的基木尺、r参数是:轧辊的名义直径d，辊身讼度l,辊颈直径d和辊颈长度1。1）轧辊名义直径D和辊身长度L的确定：板带轧机轧辊的主要尺寸是辊身长度L（标志着板带轧机的规格）和直径D。决定板带轧机乳辊尺寸时，应先确定乳辊辊身长度L，然后再根据强度、刚度和有关的工艺条件确定其直径。对于四辊轧机，为了减小轧制力，应尽量使工作辊直径小些。但是工作辊最小直径受到辊颈和轴尖的扭转强度和轧件咬入条件的限制。支承辊的直径主要取决于刚度和强度的要求。根据项目所给的参数我们己经可以确定轧辊的辊身长度 L=850mm根据乳轧钢机械书上的表（3—3）各种四辊轧机的L/D，、L/Ddl]D2/D,的关系查得宽带钢乳机精轧机座L/D,二2.1〜4.0常用比值为2.4〜2.8;L/D2=1.0〜1.8常用的比值1.3〜1.5;D2/D,=1.8-2.2常用比值为1.9〜2.1。取L/Z）,=2.5,L/A=1.25,D"/D2=2.0,，L=2160mm,q=800mm，=1600mm考虑各种轧辊的重车率:在轧制过程屮，乳辊辊面因工作磨损，需耍不止一次的重车或重磨。轧辊工作表面的每次重车量为0.5〜5mm;重磨量为0.01〜0.5mm。依据课本《轧钢机械》表3-4选取，工作辊重车率为3%,支承辊重车率为6%。2）轧辊尺寸d的确定辊颈直径d和长度/与轧辊轴承型式及工作载荷有关。由于受到乳辊轴承径向尺寸的限制，辊颈直径比辊身直径要小得多。因此在辊颈与辊身过渡处，往往是乳辊强度最差的地方，只要条件允许，辊颈直径和辊身的过渡圆角r均应选大些。使用滚动轴承时，由于轴承外径较大，辊颈尺寸不能过大，一般近似的选d=(0.5-0.55)D工作辊采用四列圆锥滚子轴承，支承辊采用四列圆柱滚子轴承，工作辊与支承辊辊颈直径、辊颈长度与过渡圆角如下dl=f]=0.1D,=34mm d2=0.5D2=340mmr2=0.1Z）2=6Smm3）工作辊轴头的选择我们将轧机设计为工作辊传动的轧机，将工作辊的轴头设计为带平台的轴头6.4、乳辐强度校核四辊乳机的支承辊直径A与工作辊直径G之比一般在1.5~2.9范围内，显然，支承辊的抗弯截面系数教工作辊大的多,即支承辊有很大的刚性。因此，乳制时的弯曲力矩绝大部分由支承辊承担。在计算支承辊吋，通常按承受全部乳制力的情况考虑。由于四辊轧机一般是工作辊传动，因此，对支承辊只需要计算辊身中部和辊颈断面的弯曲应力。1）支承辊校核：支承辊的弯曲力矩和弯曲应力分布如图所示，在辊颈的1-1断面和2-2断面上的弯曲应力均满足强度条件，即"0.2^^2-2价20.2d32_2式中P——总乳制力d"_，d2_2——1-1和2-2断面的直径c,,c21-1和2-2断面支反力Rh一一许用弯曲应力 曹曲b分^务支承辊辊身中部3-3断面处弯矩是最大的。若认为轴承反力距离/等于两个压下螺丝的中心距/（），而且把工作辊对支承辊的压力简化为均布载荷（这时计算误差不超过9%~13%），可得3-3断面的弯矩表达式辊身中部3-3断面的弯曲应力为P0圳前面计算得到的乳制力为7200KIC2000KN,按乳制力P=7200KN吋进行校核P/KNcjmmc2/mmL/mm/()/mm1mmd2_2/mmD2/mm72002373058301440340476680支承辊材料为合金锻钢（9Cr2Mo），其强度极限%=70（f750lpa,轧辊的安全系数一般取n=4,则其许用应力为氏=175〜187.5Mpa。代入数据得 ^1-1^2-2^3-3(J!Mpa157.1101.858.72）工作辊校核由于有支承辊承受弯曲力矩，故工作辊可只考虑扭转力矩，即只计算传动端的扭转应力。扭转应力为式中——工作在一个工作辊上的最大传动力矩WK一一工作辊传动端的扭转断面系数前面所求得单辊扭矩为10000〜140000,取扭矩MK=140000进行计算jl>7^WK=丄,d为工作辊最小直径处直径A16则，t=68.3Mpa工作辊材料为冷硬铸铁,其强度极限％=35（f400Mpa,轧辊的安全系数一般取n=4,则其许用应力为氏=87.5~100Mpa。则许用切应力及=0.87?„=70-8QMpa显然t^Rt,工作辊满足强度要求3）接触应力校核四辊乳机支承辊和工作辊之间承载有很大的接触应力，在轧辊设计及使用时进行校核计算。如假设辊间作用力沿轴向均匀分布，由弹性力学知，辊间接触问题可简化成一个平面应变问题。H.赫兹理论认为：两个圆柱体在接触区内产生局部的弹性压扁，存在呈半椭圆形分布的应力。半径方向产生的法向正应力在 接触面的中部最大。最大应力及接触区宽度2b可由下式计算a=2±=I2⑽+乃2厂:I价+r2)max~^b~]Jn2(Ki-i-K2)DlD2~^(K}+K2)r}r2式屮q—一加在接触表面单位长度上的负荷D",D2r"，r2一一和互接触的两个轧辊的直径及半径K"，K2一一与材料相关的系数k2jiE2"-V,23T£*,其中人V2及£2为轧辊材料的泊松比和弹性模数。b=卜(火1+尺2~V(D"+D2)在辊间接触中，除了需校核最大正应力外，对于辊内最大切应力也应进行校核。 TW=0.304〜ax取vi=v2=0.3,E{=E2-200Gpa代入数据计算得：o^=W75MpaT450(,nax)=327*T^(max)=275Mpa工作辊的辊面硬度US=58~68,支承辊辊面硬度US=45~50。查得许用应力[cr]=2200A1戸z，[t]=670Mpa显然么ax<[c]^45°(mux)^2>"(max)~[^]则轧辊满足强度要求。七、轴承选用1、支承辊采用四列圆柱滚子轴承主要尺寸/醐ID:560 轴承代号FCD68120380主耍尺寸/mni|B:380主要尺寸/minid:340主要尺寸AmilFw:396 主要尺寸/mm|r(min):4主要尺寸/mmirl(min):4基木额定载荷/kN|Cr:6820基本额定载荷/kN|C0r:12900巳FCD2、工作辊采用四列圆锥滚子轴承轴承代号382034基本尺寸/mm|d:170基木尺寸/mm|D:260基本尺寸/mmiB:230安装尺寸/mm1da(max):183安装尺寸/nimlDa(min):240安装尺寸/mmlal(min):15其他尺寸/mm|bl:14其他尺寸/mmib2:22其他尺寸/mm|r(min):3其他尺寸/mm|rl(min):2.5 基本额定载荷/kN|Cr:1270基本额定载荷/kX|COr:3290极限转速/(r/min)|脂：670极限转速/(r/min)|油：850八、参考文献1、孙一康编著《带钢热连轧的模型与控制》冶金工业出版社2007.22、王海文主编《轧钢机械设计》机械工业出版社1986.63、王廷溥主编《金属塑性加工学》冶金工业出版社1988.54、《机械设计手册》机械工业山版社5、齊鸿德主编《塑形变形力学基础与乳制原理》机械工业出版社6、周纪华管克智著《金属塑性变形阻力》机械工业出版社7、邹家祥主编《轧钢机械》8、许石民孙登刃主编《板带材生产工艺及设备》冶金工业出版社9、《机械设计手册(软件版)v3.0》'