燕山大学2160四辊热带钢精轧机组设计项目报告讲解

2160四辊热带钢精轧机组设
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
目录
一、原料及设计技术参数 (1)
二、轧辊尺寸的预设定 (1)
三、压下规程制定 (2)
3.1、压下规程制定的原则及要求 (2)
3.2、压下规程预设定 (2)
四、轧制力能参数计算 (4)
4.1、平均变形速度的计算 (4)
4.2、各轧制道次温度计算 (5)
4.3、变形抗力计算 (6)
4.4、轧制力计算 (7)
4.5、轧制力矩计算 (8)
4.6、轧制功率计算 (9)
五、压下规程修订 (11)
六、辊系确定 (15)
6.1、轧辊的类型与结构 (15)
6.2、轧辊的材料的选择 (15)
6.3、轧辊的尺寸的确定 (15)
6.4、轧辊强度校核 (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（1Cr18Ni9Ti ） 来料尺寸50mm ×1900mm 成品尺寸4mm ×1900mm Q235 来料尺寸60mm ×1900mm 成品尺寸4.5mm ×1900mm 16Mn 来料尺寸40mm ×1900mm 成品尺寸3.5mm ×1900mm 1.2、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机架连轧，成品出口速度v=20m/s,精轧机组开轧温度980℃——1080℃，终轧温度850℃，连轧机组长（F1~ F7中心距离）6×6=36m 。

二、 轧辊尺寸的预设定
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=2160mm ，辊身长度确定后即可根据经验比例值法确定轧辊直径，精轧机座设计时
1L / 2.1~4.0,D = 2L /1.0~1.8,D = 12/1.8~2.2,D D =
其中L 为辊身长度，1D 为工作辊直径，2D 为支承辊直径。

取
1~5机架1D =1000mm , 2D =2000mm 6~7机架1D =800mm 2D =1600mm
三、 压下规程制定
3.1、压下规程制定的原则及要求
压下规程设计的主要任务是确定由一定来料厚度的板坯经过几个道次后轧制成为用户所需求的，满足用户要求的板带产品。

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。

在此过程中，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要素，而产品质量主要包括几何精度和力学性能。

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
ε
=
010h h h -=0
h
h ∆ ε：压下率
0h ：轧前厚度 mm 1h ：轧后厚度 mm
h ∆: 绝对压下量 mm
热带钢精轧机组的道次压下率分配范围
根据上表初步制定压下规程：
四、 轧制力能参数计算
4.1、 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μ。

h l
Rh μ=
υ h υ：轧件出口速度
l :变形区长度（l =
计算得各轧件各道次的平均变形速度如下表所示（单位1s -）
4.2、 各轧制道次温度计算
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，还与轧制时的变形功与摩擦功转换的热量有关。

在高温轧制时，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T (单位为K)可计算如下
1T T =-
式中 1T ——前一道次的绝对温度，K
t ——计算温降的热辐射时间，s h ——轧件厚度，mm
1K ——考虑散热条件系数，粗轧与中间辊道次选用1K =1.5，精轧时选用1K =2.0。

各道次温降为辐射温降a T ，a 为温降系数，热连轧时取
a=1.8。

对于精轧机组
t
h
为一常值。

各轧件的初始温度如下
不锈钢（1Cr18Ni9Ti ） 1000℃ Q235 1050℃ 16Mn 1000℃
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：
34
5
01266exp()(
)()(1)10
0.4
0.4a T a a a T a a a σσ+⎡⎤=+--⎢⎥⎣⎦μγγ 式中 273
1000
t T +=
t 变形温度，℃
μ 变形速度，1s -
γ 对数应变，ln
h n
H
=γ H 原料厚度，mm
h n 该道次轧后厚度,mm 1a ~6a 回归系数，与材料有关
0σ 该种材料在T=1273K ，μ=101s -，γ=0.4时的变形抗力
查表的各种原料的相关系数如下
4.4、 轧制力计算
西姆斯方法在热轧中用的较多，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，t x =τ=k/2
2）采用奥罗万理论，把轧制过程看作为在粗糙斜面间的压缩，认为变形区内金属相邻部分间的总水平力Q 与压缩的单位压力p θ关系为
(k)4
Q h p θθ=-π
3）认为接触弧方程为抛物线，则变形区任意断面上的轧件高度h θ 为21h h R θθ=+，而2dh R d θ
θθ
=，R 为轧辊半径。

中性角
1ln(182⎡-⎢⎣πγε
轧制总压力
011
ln ln )42h h a
P bR k h h =-+γπ1
式中 b ——轧件宽度，mm
a ——咬入角，弧度 k ——k=1.15σ h γ——中性面高度，mm
211
=1+h h R h γγ γ——中性角，弧度
4.5、轧制力矩计算
简单轧制时，除了轧辊给轧件的力外，没有其他的外力。

两个轧辊对轧件的法向力N 1、
N 2和摩擦力T 1、T 2的合力P 1、P 2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，如图为各力系轧件
对轧辊的反作用力。

轧制时作用在轧辊上的力 驱动一个轧辊的力矩M k 为轧制力矩M z 与轧辊轴承处摩擦力矩M f 1之和。

()11k z f M M M P a ρ=+=+ 式中：P — 轧制力； a — 轧制力力臂；
ρ1 — 轧辊轴承处摩擦圆半径。

βsin 2
D
a =
μρ2
1d
= 式中：D — 轧辊直径； d — 轧辊轴颈直径；
β — 合力作用点的角度；
μ — 轧辊轴承摩擦系数，对于滚动轴承μ=0.004。

采用采利柯夫公式α
β
ψ=
得： αψβ⋅= 式中：ψ — 力臂系数，对于热轧，取ψ=0.5；
α — 咬入角， ⎪⎭
⎫ ⎝⎛
∆-
=R h 21arccos α 对于力臂系数ψ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/l h 。

随着比值/l h 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=0.5ψ
4.6、轧制功率计算
本次设计的轧机为工作辊传动，轧制过程中轧制功率等于工作辊角速度w 与作用于工作辊的轧制力矩k M 的乘积。

1）轧件前滑系数计算如下
2
1211(1)1242T T h h s R h P ⎡⎤
-∆=--⎢⎥⎣⎦
（）μ
式中 h ：轧件厚度，mm 1R ：工作辊半径，mm h ∆：绝对压下量，mm
μ：轧辊与轧件间的摩擦系数 12T T ，：前后张力，KN
P ：轧制力，KN
对于精轧机组，T1≈T2，2R ＞＞h ，μ=0.3故有
2
(14h s h ∆=
2）工作辊圆周速度
连轧机组中根据秒流量相等有
112288......h v h v h v ===
,,,111222888(1)(1)......(1)h v s h v s h v s +=+==+
式中n h ：第n 架机座出口速度 n v ：第n 架机座出口速度
,
n v ：第n 架机组轧辊圆周速度
n S ：第n 架机座轧件前滑系数
,888(1)
(1)
h v s v h s +=
+
各道次轧辊圆周线速度（m/s ）
3）轧制功率
,
22k k v N M w M R
==
代入数据得
五、 压下规程修订
分析轧制力和轧制力矩的计算结果可知初始分配轧制力不合理，不能充分利用每一架轧机。

连轧机组轧制力分布
然后通过Excel 表格进行轧制力调整，得到以下优化结果：
1)不锈钢（1Cr18Ni9Ti）来料尺寸50×1900mm
成品尺寸4×1900mm
2）Q235 来料尺寸60×1900mm 成品尺寸4.5×1900mm
3)16Mn 来料尺40×1900mm 成品尺寸3.5×1900mm
六、辊系确定
6.1、轧辊的类型与结构
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。

板轧机轧辊的辊身呈圆柱形，有时，热轧板机的辊身微凹，当受热膨胀时可以保持良好板型，冷轧板轧机的辊身微凸，当受力弯曲时，可以保持良好的板型。

型钢轧机的辊身上有轧槽，根据型钢轧制工艺的要求，安排孔型和尺寸。

轧辊由辊身、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置把轧制力传给机架。

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（在轧辊端是扁头）和带键槽的或圆柱形轴头（与装配式万向轴头或齿形接手连接）实践证明带双键槽的轴头在使用过程中，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、轧辊的材料的选择
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。

而支承辊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
支撑辊材料选用合金锻钢
6.3、轧辊的尺寸的确定
轧辊的基本尺寸参数是：轧辊的名义直径D，辊身长度L，辊颈直径d 和辊颈长度l。

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。

决定板带轧机轧辊尺寸时，应先确定轧辊辊身长度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头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已经可以确定轧辊的辊身长度
L=850mm
根据轧轧钢机械书上的表（3---3）各种四辊轧机的1L /D 、
2L /D 和21D /D 的关系查得
宽带钢轧机精轧机座
1L /D 2.1 ~ 4.0= 常用比值为2.4 ~ 2.8；
2L /D 1.0 ~ 1.8= 常用的比值1.3 ~ 1.5；
21D /D 1.8 ~ 2.2= 常用比值为1.9 ~ 2.1。

取 L/1D =2.5，L/2D =1.25，12/ 2.0,D D =,
L=2160mm, 1D =800mm, 2D =1600mm
考虑各种轧辊的重车率：在轧制过程中，轧辊辊面因工作 磨损，需要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l 与轧辊轴承型式及工作载荷有关。

由于受到轧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，往往是轧辊强度最差的地方，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
(0.5~0.55)d 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 d1=, 110.134r D mm ==
22d 0.5D 340mm ==， 220.168r D mm ==
3)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、轧辊强度校核
四辊轧机的支承辊直径2D 与工作辊直径1D 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，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，通常按承受全部轧制力的情况考虑。

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
1
1-13
11
c =0.2b P R
d σ-≤ 2
223
22
0.2b Pc R d σ--=
≤ 式中 P ——总轧制力
11d -，22d -——1-1和2-2断面的直径 1c ，2c ——1-1和2-2断面支反力 b R ——许用弯曲应力
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l 等于两个压下螺丝的中心距0l ，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
0()48
W l L
M P =-
辊身中部3-3断面的弯曲应力为
330b 3
2(-)0.42
P L
l R D σ-=
≤ 前面计算得到的轧制力为7200KN~2000KN,按轧制力
b σ=700~750Mpa,轧辊的安全系数一般取n=4,则其许用应力为
b R =175~187.5Mpa 。

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
K
K
M W τ=
式中 K M ——工作在一个工作辊上的最大传动力矩 K W ——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.m N ，取扭矩
140000K M =进行计算
3
16
K d W =π，d 为工作辊最小直径处直径
则，τ=68.3Mpa
工作辊材料为冷硬铸铁,其强度极限b σ=350~400Mpa,轧辊的安全系数一般取n=4,则其许用应力为b R =87.5~100Mpa 。

则许用切应力0.870~80b R R Mpa ==τ 显然≤ττR ，工作辊满足强度要求
3）接触应力校核
四辊轧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
max 2q
b σ=
==π式中 q ——加在接触表面单位长度上的负荷
12,D D 12,r r ——相互接触的两个轧辊的直径及半径 12,K K ——与材料相关的系数
21111v K E -=
π 2
2
22
1v K E -=π 其中1212,v v E E 及，为轧辊材料的泊松比和弹性模数。

b =
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。

0max 45(max)
0.304σ=τ
(max)
max 0.256zy σ=τ
取120.3v v ==，12200E E Gpa == 代入数据计算得：
max 1075Mpa σ=
045(max)
327Mpa =τ (max)
275zy Mpa =τ
工作辊的辊面硬度HS=58~68，支承辊辊面硬度HS=45~50。

查得许用应力[][]2200,670Mpa Mpa σ==τ
显然[]max σσ≤ []045(max)
≤τ
τ [](max)
zy ≤τ
τ
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
轴承代号 FCD 68120380 主要尺寸/mm|d: 340
主要尺寸/mm| D: 560 主要尺寸/mm|B: 380 主要尺寸/mm|Fw: 396
主要尺寸/mm|r(min): 4
主要尺寸/mm|r1(min): 4
基本额定载荷/kN|Cr: 6820
基本额定载荷/kN|C0r: 12900 2、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
基本尺寸/mm| D: 260
基本尺寸/mm|B: 230
安装尺寸/mm|da(max): 183 安装尺寸/mm|Da(min): 240 安装尺寸/mm|a1(min): 15
其他尺寸/mm|b1: 14
其他尺寸/mm|b2: 22
其他尺寸/mm|r(min): 3
其他尺寸/mm|r1(min): 2.5 基本额定载荷/kN|Cr: 1270
基本额定载荷/kN|C0r: 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
2007.2
2、王海文主编《轧钢机械设计》机械工业出版社 1986.6
3、王廷溥主编《金属塑性加工学》冶金工业出版社 1988.5
4、《机械设计手册》机械工业出版社
5、曹鸿德主编《塑形变形力学基础与轧制原理》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、许石民孙登月主编《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》。