北京科技大学-课程设计-年产70万吨冷轧带钢厂的工艺设计

北京科技大学
专业课程设计
题目：年产70万吨冷轧带钢厂的工艺设计（典型产品：750MPa，0.5×1200×Lmm）
班级：材控XXXXX
学号：XXXXXX
姓名：XXXXX
学院：材料科学与工程学院
专业名称：材料成型及控制工程
指导教师：***
20XX年XX月XX日
目录
一、产品大纲的制定及坯料的选择
1.产品方案
2.产品大纲
3.坯料选择
二、工艺流程的制定
1.工艺流程
2.工艺流程图
3.工序描述
三、工艺设计
1.轧制道次
2.压下规程
3.轧辊的尺寸设计
4.辊径校核
5.轧辊的材料及轧机各部分的设计
6.张力制度
7.速度制度
8.润滑制度
四、主要设备能力校核
1.轧制节奏时间分析
2.生产作业时间分配
3.产能校核
4.轧辊的强度校核
五、车间各机组设备选择
1.酸洗连轧机组
2.连续退火机组
3.连续热镀锌机组
4.重卷检测机组
5.经济核算
六、轧钢厂的环境保护
1.绿化
2.有害物质的控制和预防
3.噪声的防治
4.水质的处理
一、产品大纲的制定及坯料的选择
1.产品方案
为了满足该厂典型产品的生产需要,并且合理有效的分配该厂的设备进行生产，同时所生产的产品应该具有以下特点：供求适当，品种多样，合理布局，产需平衡，要防止盲目跟风，追求短期效益的情况发生。

不同的产品，轧制时所需要的轧制力不同们需要的动力和消耗的能量也有很大差别，因此对于轧机设备的合理选择以及生产能力的充分利用，是保证经济最大化，轧制专业化发展的必然要求，也利于提高本厂的轧制水平。

冷轧板带钢产品有：CQ级、DQ级、DDQ级、SDDQ级、EDDQ级等，CQ级：商用级，DQ级：冲压级，DDQ级：深冲级，SDDQ级：特深冲级，EDDQ级：超深冲级。

3.
冷轧厂所需的原料为热轧钢卷，热轧钢卷的厚度是根据轧机设备生产能力所确定的总压下量决定的，原料宽度根据产品宽度确定，由于一般热轧卷取机的卷筒的直径为：φ760mm，因此冷轧厂的钢卷内经一般为φ760mm，原料的总重量根据成材率确定。

根据资料查询可知，冷轧产品的成品率约为90%以上。

计算成品率取90%得，所需热轧卷的重量为：70t/90%=77.78t
钢种：热轧低碳钢
热轧钢卷规格如下：
带钢厚度： 1.2-2.5mm
带钢宽度：700-1250mm
钢卷内径：φ760mm
钢卷外径：φ2000mm（max）
钢卷重量：26t(max)
单位板宽重量：21kg/mm
年供给量：77.78t
二、工艺流程的制定
1.工艺流程
热轧板卷—酸洗—冷轧—工艺润滑—退火—平整—剪切、镀层、包装—卷曲
2.工艺流程图
3.工序描述
酸洗：当轧完的钢卷放置时，如果不经处理，很容易与空气形成氧化铁，因为空气是带有湿度的，时间一长就会产生锈。

所以须用连续酸洗机组去除热轧带卷的表面氧化铁鳞。

酸液过去用硫酸，现在多用盐酸。

酸洗前先行焊接并卷。

酸洗后进行清洗、烘干和剪边、分卷。

冷轧：酸洗后的带坯在冷轧机上轧制到成品厚度，一般不经中间退火。

轧制中各机架（或道次）压下量分配根据轧机答应的压力、功率和速度，考虑到产量、质量等因素综合制定。

对产品质量起核心作用。

工艺润滑：起润滑和冷却作用。

一般用冷却性能好的乳液，轧制薄或硬的金属时用润滑性能好的纯油润滑剂。

退火：目的在于消除冷轧加工硬化，使钢板再结晶软化，具有良好的塑性。

退火方式有用罩式炉成卷退火和用连续炉退火。

连续炉退火分为立式连续炉退火和卧式连续炉退火。

炉内一般均通入保护气体。

目前大多采用罩式炉退火，虽然处理周期长，但因炉子数量多，使用灵活，投资节省。

连续炉退火产量大。

平整：目的在于避免退火后的钢板在冲压时产生塑性失稳和提高钢板的质量（平整度和表面状况）。

平整轧机有单机架可逆式和双机架两种,平整压缩率为0.5～4％。

双机架平整轧机效率高,压缩率大，可同时兼作二次冷轧用，进一步轧薄钢板;如与五机架连轧机配合,可生产0.10～0.15mm的带卷。

镀层、剪切、包装：一般冷轧板于平整后剪切。

有纵剪和横剪，纵剪是剪边或按需要的宽度分条，横剪是将带卷按需要长度切成单张板。

剪切好的成品板带，经检查分类后，涂防锈油包装出厂。

三、工艺设计
1.轧制道次
冷轧高强度的总压下率一般为50%-70%，选取60%，对于典型产品：0.5
1.2510.6
H mm ==-
平均延伸系数是1.3.因此轧制道次可求：lg()lg 1.25/0.5 3.49lg()lg1.3
z p u N u ===（）
取N=4。

选取四机架连轧机组。

2.压下规程
制定压下规程必须确定与之相应的张力制度
先按经验并按规程设计的一般原则和要求，对各道次压下进行分配；进而按工艺要求并参考经验资料，选定各道次间的单位张力；最后校核设备的负荷及各限制条件，并作适当修正.
道次压下率的分配原则是第一二道次压下率最大，随着带材的加工硬化不断增加，而道次压下率逐渐减少，以使各道次的轧制压力大致相同，最好二个道次为了保证板型和厚度精度，一般按经验取消的压下率。

分配各道次压下率采用能耗法，确定负荷分配比。

根据经验分配压下系数表，总压下为h ，各道次分别为*i i h b h =。

i b 为压下分配系数。

3.
板带钢轧制时，轧辊的主要尺寸是辊身长度L 和辊径D 。

a).辊身长度L
辊身长度根据经验公式L=b+a ，式中a 根据宽度b 而定。

当b=400-1200mm 时，a 取100mm
典型产品b=1200mm ，因此a 取100mm ，L=1200+100=1300mm b).辊径D
根据上表及最经济原则。

初步选定D1=600mm，D2=1200mm的四机架四辊轧机。

4.辊径校核
a).咬入条件校核：
根据压下量计算表格可知，各道次中的最大压下量h是0.3mm，根据资料查询工作辊径D1=600mm时的最大咬入角为α=4度。

因此
0.3
1600123.0
1cos10.9976
h
D mm mm
α
=≥==
--
满足咬入条件。

b).最小可轧厚度校核
根据经验公式，在有张力的情况下
min1/(15002000)
h D
=-
因此
min 0.40.5
h mm mm
=≤满足产品需求。

5.轧辊的材料及轧机各部分的设计
a).轧辊材料
精轧辊速度较高，轧制最终产品要有一定的表面质量，对它以硬度、耐磨等为主要要求。

常用的轧辊是锻造合金钢轧辊。

国内外冷轧工作辊一般使用的材质有GCr15、9Cr2、9Cr、9CrV、9Cr2W、9Cr2Mo、60CrMoV、80CrNi3W、8CrMoV、86CrMoV7、Mo3A 以及Cr5系列等。

支承辊一般材质有：60CrMnMo、75CrMo、70Ni3CrMo、9Cr2、9CrV 等，冷轧辊要求表面淬火，硬度为HS45~105。

工作辊材料选取9Cr2。

支承辊材料选取9CrV
b).轧辊轴承类型：滚动轴承。

摩擦系数低，刚性好，不耐冲击，但维护使用方便。

c).轧辊调整装置的类型：液压压下装置。

反应速度快，精度高。

液压AGC系统采用工业计算机（上位机）加过程控制PLC的控制模式，系统具有厚度预控、监控、秒流量控制等功能。

d).轧辊的平衡装置：液压平衡装置。

结构配置紧凑而复杂，适宜快速换辊使用。

e).机架：闭式机架。

闭式机架是一个整体框架，具有良好的强度和刚度，易得到高质量产品。

6.张力制度
原则上，冷轧过程中可以施加很大的张力，乃至可以打到稍低于材料抗拉强度，而实际上，在轧制过程中，由于板形不良、边部不规整和材料等因素而造成的应力集中，在张力远低于抗拉强度的情况下就会发生断裂，为此，常在(0.30.5)sσ
-的范围内选取张应力，在实际生产中，张力常在80MPa—180MPa选取。

卷曲张力一般在25MPa-40MPa选取，薄规格取上限，取大了再退火时往往产生带卷粘结现象。

生产中常常进行冲卷来避免。

开卷张应力常在0-20MPa选取。

7.速度制度
设α是咬入角，β是摩擦角，γ是中性角，μ是摩擦系数，D 是扎辊直径，h 是轧件的出口厚度，由于α和γ很小
(1)(1)2
222α
αααγβμ
=
-
≈- 2(1cos )(cos )/(1)2h D
S D h h h γγγ=--=
-
4,0.1o αμ==，则有(1)0.022722
2α
α
γμ
=
-
= 2(1)0.00026(
1)2h D
D
S h
h
γ=
-=- 经计算，各道次的前滑值h S 如下：
根据各道次的前滑值求各道次的速度。

1(1)i i hi V V S +=+，i V 表示第i 道次的出口速度 根据资料查询可知，冷轧轧制速度为：20m/s —40m/s 。

这里取出口速度为30m/s
8.润滑制度
在轧制过程中材料变形以及摩擦产生大量的热量，轧辊升温，影响轧辊性能及材料成型情况。

进行润滑轧制可显著的降低能量消耗、降低轧辊磨损和改善产品质量。

乳化液与矿物油、植物油相比，具有良好的减摩性能，并兼有良好的冷却性能，保证轧辊的清洁，带钢不经清洗就可退火，尤其可以循环使用，操作简单，广泛应用于冷轧带钢厂。

选取乳化液轧制。

四机架轧机均采用乳化液润滑轧制。

乳化液润滑系统包括：◆供给系统（供液和喷射装置） ◆温度控制系统 ◆除杂系统
四、主要设备能力校核
1.轧制节奏时间分析 A=3600*Q*K/T
式中 A —轧机小时产量（吨/小时） Q —原料重量（吨） K —轧钢机利用系数 T —节奏时间
根据公式可知：轧制节奏时间缩短，轧机小时产量升高，反之，轧机小时产量下降。

2.生产作业时间分配
3.产能校核
1
2****3600***p p A v h l K A A T K ρ⎧=⎪⎨
=⎪⎩
： A:年产量（万吨） p A :小时产量（万吨）
ρ：密度（3/t m ） v ：平均成品速度（m/s ）
h ：成品厚度（m ） b ：成品宽度（m ）
1K ：轧机利用系数，成品轧机在0.80-0.85 2K :时间利用系数，统计结果在0.796-0.945
T ：一年里可作业的总时间（小时）
12****3600***A v h l K T K ρ=
320*0.5*10*1.2*7.8*3600*0.80*5520*0.80-=89.28()70=≥万吨（万吨）
满足设计需要，因此轧制方案可靠。

4.轧辊的强度校核
四辊轧机由二个工作辊和二个支承辊组成。

轧制压力由工作辊传到支承辊，在由支承辊传给机架。

由于支承辊具有较大的刚性，其直径为工作辊的2倍，抗弯截面系数较工作辊大很多。

在辊系的轧制过程中将产生弯曲变形，驱动的工作辊还将存在扭转变形。

由于轧制时的弯曲力矩绝大部分由支承辊承担，在计算支承辊时，通常按承受全部的轧制力的情况考虑。

而工作辊只核算辊径及辊端的扭转应力。

a).轧制压力计算 冷变形程度为 1.250.725
0.421.25
h ε-=
=，相对变形程度0.21ε=，压下量0.15h mm ∆=
平均单位压力8.2σ===。

0.6(1)0.420.6*0.21*(10.42)0.493h h εεεε=+-=+-=根据图1-67（固态成型工艺原
理及控制63页）可查得
1.52p
K
=。

该道次后累计压下率的平均值：
0.6(1)0.420.6*0.21*(10.42)0.493h h εεεε=+-=+-=
根据ε，由加工硬化曲线来求该道次的平均s σ。

当0.493ε=时，查的700s MPa σ= 变形抗力 1.15 1.15*700805s K MPa σ===
此时，平均单位压力 1.52* 1.52*8051224p K MPa === 忽略宽展和轧辊变形，接触面积为
28050F b mm ==≈
故轧制压力*1224*80509853P F p KN ==≈ b).弯曲应力校核：
弯矩最大处的弯曲应力333
29853*10 1.6 1.2
*()()14.20.1480.1*1.248
W P a b MPa D σ=-=-= 1-1截面处的弯曲应力11133
/2*9.85/2*0.1
= 6.68a 0.10.1*0.9P c MP d σ-=
=小 2-2截面处的弯曲应力22233
/2*9.85/2*0.15
= 4.27a 0.10.1*1.2P c MP d σ-=
=大
计算过程中未考虑疲劳等因素，故轧辊安全系数n 取5
对于合金锻钢轧辊，b =700-750a MP σ，许用应力[]=140-150a MP σ。

因此以上三处截面均满足强度需求。

c).接触应力校核
69.853q=
==8.20*10b 1.2P N ，辊径当量d 1.2+0.6==0.9m 2
R ，5d =2.1*10a E MP
最大接触应力
max
a
MP
σ=
最大接触应力
max
σ虽然很大，但是由于是三向压缩应力状态，其接触许用应力[]k s3
σσ
≈，
当
s
σ为600MPa时，[]k max
=1800a=802a
MP MP
σσ
≥，满足强度要求。

在接触应力区还存在切应力
k
τ，根据弹性力学计算，切应力在离接触表面深度0.78b
Z=’处
打到最大。

保证轧辊表面不产生疲劳破坏，
kmax
τ应小于许用值[]kτ。

根据资料查询可知，轧辊表面硬度为60HS时，[]kτ为670MPa
[]
kmax max k
=0.304=0.304*802=244a
MP
τστ
≤，满足强度要求。

五、车间各机组设备选择
1.酸洗连轧机组
机组形式：酸洗—连轧联合机组，4机架串列式四辊冷轧轧机。

酸洗工艺：盐酸紊流式酸洗
酸洗速度：最大75m/min
酸洗槽加热方式：石墨热交换器
酸洗槽长度：20m*4
轧制压力：2200t
2.连续退火机组
机组速度：1000m/min
本车间设计时，为了方便车间改造升级，将连续退火线参考日本JFE公司的具有淬火功能的连续退火线WQ—CAL建设，这样最终组织由退火温度来控制，可得到DP双向结构和单一马氏体组织，可保证强度、成型性能和低碳当量的成分设计。

3.连续热镀锌机组
镀层品种：GI:GA=50%:50%
机组速度：最大270m/min
年处理量：42吨
4.重卷检测机组
机组速度：最大300m/min
年处理量：50万吨
5.经济核算
评价一个设计质量的好坏，是以经济合理性与技术可靠性为依据的，即先进的工艺技术是否建筑在合理的经济基础上。

如果设计中只追求最新、最高的机械化和自动化，尽管在技术上是站得住脚的，但是在经济上则是脱离国情和企业承担能力的，这种设计是不可取的。

反之，片面的强调经济性，过分的简化工艺，追求低投入，最后生产不出合格的产品，反而造成更大的浪费，同样不可取。

在轧钢生产中，经济指标主要有：基本建设投资计算、产品单位成本计算以及劳动生产率等。

单位产品成本只要包括：金属、燃料、电力、轧辊、水油、压缩空气、耐火材料、人力等。

六、轧钢厂的环境保护
在轧钢生产过程中产生许多有害物质和声音，入各种废气、废液、灰尘、氧化铁皮、废油、炉渣以及噪声等。

当这些污染物质进入大气、水体和土壤并超过正常范围时，就会对人体的健康造成危害。

因此，在合理组织钢铁生产的同时，应该有意识地对这些有毒、有害物质进行收集与控制，造福人类。

轧钢厂的环境主要有四个方面：绿化、对各类有害物质的控制和预防、水处理、噪声防治等。

1.绿化
绿化有以下作用：
◆减弱噪声
◆净化空气
◆净化污水
◆调节小区气候
◆监视污染环境
2.有害物质的控制和预防
大气中含硫氧化物的控制措施：◆原料和燃料的低硫化处理
◆对煤气进行脱硫工艺
◆改进燃烧设备和燃烧条件，使燃料完全燃烧。

◆增加烟筒的高度以便向空中稀释扩散
硝烟防尘措施：◆对原料进行防尘处理
◆在烟尘发生源装设除尘器
3.噪声的防治
防治噪声的主要技术措施：◆尽量选择低噪声设备
◆采取防震和隔音设备
◆设置隔音罩、装设消音器
◆变更作业时间、改变操作规程和工艺技术
4.水质的处理
随着生产量和产品品质日益增加，废品量以及废水的污染物越来越多。

在这种情况下，废水处理的卓也是不要等到废水排放后再去治理，而是采取积极的办法消除污染源，减少废水排放。

改善生产工艺和管理制度，采用节水工艺，尽可能的减少和避免跑、冒、漏等情况。

同时提高水的重复利用率。

在排放过程中，废水应经过过滤、沉淀等物理化学处理后再排放。