《孔型系统选择与设计专题研究》

4.1孔型设计理论

4.1.1孔型设计的内容

1 断面孔型设计

根据原料和成品的断面形状、尺寸和产品的性能要求，选择孔型系统，确定轧制各道次的变形量，设计各道次和各道次的变形量，设计各道次的孔型形状。

2 轧辊孔型设计

根据断面孔型设计，确定各孔型在每个机架上的分配及其在轧辊上的配置，要求轧件能正常轧制且操作方便，并且轧制节奏时间短，轧机的生产能力高，产品质量好。

3 轧辊导卫设计

为保证轧件顺利地出入孔型，或使轧件在进孔型前后产生一定的变形、切断。

4.1.2孔型设计的基本原则

1 成品质量好

包括产品断面几何形状正确，尺寸公差合格，表面光洁，无缺陷，机械性能好；

2 轧机产量高

合理的孔型设计应使轧制节奏时间最短，一般情况是轧匀形，使串辊的次数最少，这些有可能提高轧机的作业率；

3 产品的成本低

即使金属消耗、电能消耗合轧辊等技术经济指标降到最低；

4 劳动条件好

劳动强度小，在进行孔型设计时，应使轧制平稳，轧制顺利，操作方便，便于调整，改善劳动条件，还应考虑轧制过程，易于实现自动化，减轻劳动强度；

5 适应车间的设备条件。

4.1.3孔型设计考虑的几点因素：

1 产品优质，成本低；

2 合理利用车间设备条件，轧机生产率高。

4.2孔型系统的选择

4.2.1棒材的连轧

一根轧件同时在两个或两个以上的机架中轧制并且保持各机架秒流量相等，这样的轧制称为连续轧制，简称连轧。连轧具有轧制速度高，轧件头尾温差小，产品质量高等优点，实现小型棒材连轧，孔型设计是其中的关键环节。 4.2.2连轧孔型设计原则

不论何种孔型设计后的秒流量平衡与计算是必不可少的内容。因此，在设计孔型时，应避免轧件在机架间产生较大的拉力或推力。拉力较大时，轻者会使金属不能充满孔型，重则可能会拉断轧件；而推力较大时，会使轧件过充满孔型，轧件出现“耳子”和堆钢[18]。连轧孔型设计应遵守连轧各道次的金属秒流量相等的原则。则

F1v1= F2v2= F3v3=……= Fnvn=C …………………（7）式中：

12n F F F ???、——各道次轧制后的轧件断面面积；

1n v v ???、2v ——各道次轧件的出口侧轧件速度； C ——连轧常数。

由于各机架的轧辊工作直径k D 、轧辊的转速n 及轧件在各道次的前滑值S 均不同，因此将各道次的k D 、n 及S 代入（7）式得

F 1D k1(1-S 1)= F 2D k2(1-S 2)=……= F n D kn (1-S n ) …………………（8）秒流量的计算精度主要受轧件断面积F 、工作辊径k D 以及前滑率S 的影响。在实际生产中，轧制温度、孔型磨损、轧机调整等轧制条件的改变，都会直接影响各道次间的断面面积、轧辊工作直径和前滑值的变化，所以要保持各道次的金属秒流量绝对相等式不可能的，而前滑值S 随轧件的厚度减少而增大。但前滑值差S ?一般不大，当忽略前滑时，式（8）可写成

F 1D k1= F 2D k2=......= F n D kn= C .. (9)

上式在形式上式相等的，但忽略了前滑的影响，实际上式不相等的，所以采

用上式进行孔型设计势必造成轧制时轧件在各机架间有一定的张力，但张力不大，可满足实际轧制的要求。

4.2.3棒材孔型系统

1 棒材箱型孔型系统

图8 箱型孔型系统

箱形孔型优点如下：

1) 用改变辊缝的方法可以轧制多种尺寸不同的轧件，共用性好。这样可以减少孔型数量，减少换孔或换辊次数，提高轧机的作业率。

2) 在轧件整个宽度上变形均匀。因此孔型磨损均匀，且变形能耗少。

3) 轧件侧表面的氧化铁皮易于脱落，这对改善轧件表面质量是有益的。

4) 与相等断面面积的其他孔型相比，箱形孔型在轧辊上的切槽浅，轧辊强度较高，故允许采用较大的道次变形量。

5) 轧件断面温度降较为均匀。

箱形缺点如下：

1) 由于箱形孔型的结构特点，难以从箱形孔型轧出几何形状精确的轧件。

2) 轧件在孔型中只能受两个方向的压缩，故轧件侧表面不易平直，甚至出现皱纹。

由箱形孔型系统的优缺点可知，采用箱形孔型轧制大型和中型断面时轧制稳定，轧制小型断面时稳定性较差。它适用于：小型棒材粗轧机架。

2 椭圆—圆孔型系统

该孔型系统特点如下：

1) 变形较为均匀。孔型形状能使轧件从一种断面平滑的转换成另一种断面，从而避免了金属由于剧烈的不均匀变形而产生的局部应力；

2) 在此孔型中轧出的轧件没有尖锐的棱角，可以保证轧件断面各处冷却均匀，因此，轧制时不易形成皱纹；

3) 孔型形状有利于去除轧件上的氧化铁皮，使轧件具有良好的表面；

4) 在某些情况下，可以在椭圆－圆孔型系统中的圆孔型轧出成品圆钢，这

样当改变品种规格时，可以只换孔不换辊，从而减少轧辊储量和换辊次数；

5) 延伸系数小，因而增加了轧制道次，降低了产量，增加了轧辊与设备的消耗，提高了产品成本；

6) 椭圆轧件在圆孔型中不易稳定，要求圆孔型入口夹板调整机准确；

7) 在圆孔型中，对宽展敏感大，容易出耳子，因此调整严格。

图9 椭圆—圆孔型系统

鉴于椭圆－圆孔型系统的上述特点，主要是由于延伸系数小，增加了轧制道次，使轧机工作效率低，产量降低和成本的提高，但是由于质量好，减少了精整工序和精整设备，并且减少了废品率和次品率，即可以完全补偿所增加的成本。

3 孔型系统的排列

孔型系统是指按轧制顺序依次排列起来的若干个孔型的组合。为了将坯料轧制成成品，轧件所经过的孔型通常分为延伸孔型系统和精轧孔型系统两大类。轧件在延伸孔型系统的目的以压缩断面为主；而在精轧孔型系统中轧制的目的以获得最终的成品断面尺寸和精度为主。

孔型系统的选择是否合理不仅对轧机的生产率、产品质量、各项技术经济指标、轧机机械化操作等有很大的影响，而且还直接影响到能否轧出成品。选择孔型系统时应从孔型系统的能耗大小、延伸能力的合理利用性、工人的操作习惯、辅助设备的布置及能力等方面来综合考虑，进而选择各机组的孔型系统。

棒材生产常用的孔型系统有箱形孔型系统、椭圆－圆孔型系统、椭圆－方孔型等系统。他们的特点和适用范围各有不同。棒材粗轧机的主要任务在高温状态缩减断面，中轧机组主要承担轧件延伸和为精轧机组提供精确料型的任务。精轧机组保证轧制产品的尺寸精度的任务。随着连续棒线材轧机的不断发展及工艺技术、装备水平的逐步提高，经过生产实践和产品质量的筛选，其所用孔型系统不是在扩散，而是在收敛、在趋同。

就粗轧机组而言，孔型系统逐渐集中为箱型孔型系统和椭圆一圆孔型系统。机组的架次分配及孔型系统的组合形式：

1）粗轧机组水平布置，架次为奇数时，第1、第2用扁箱—变形椭圆孔型，经连续2道不翻钢平压轧制，再接圆—椭圆—圆孔型系统。

2）粗轧机组平/立交替布置、架次为偶数时，首先采用1～2对箱型孔型，再接椭圆—圆孔型系统。

3）椭圆—圆孔型系统使用范围从精轧机组逐渐向中轧、粗轧机组扩张，甚至覆盖所有轧制道次[13]。

在连续棒线材轧机发展进程中，椭圆－圆孔型系统逐渐占主导地位，究其原因主要是连续棒线材轧机把提高轧机作业率及产量，保证坯料内外质量和成品尺寸精度，以及降低轧辊消耗和成本等作为增强产品市场竞争力的主要手段。因此，要求选用的孔型系统变形柔和、生产稳定、孔型磨损均匀，这些正是椭圆—圆孔型系统的典型特征。

另外，连续棒线材轧机产品规格范围宽，为尽量采用共用孔型和调整孔型，特别是生产较大规格从精轧机组前几个机架甚至从中轧机组出成品，因此要求圆孔前置，这也相应扩大了椭圆一圆孔型系统的使用范围。

因此，本设计采用以下孔型系统：

粗轧：扁箱型－方箱型－扁箱型—方箱型—椭圆－圆；

中轧：椭圆－圆－椭圆－圆－椭圆－圆；

精轧：椭圆－圆－椭圆－圆—椭圆—圆。

4.3孔型的设计计算

4.3.1典型产品

品种：圆钢规格：Φ16 mm 钢种：20MnSi

1 各道次延伸系数的确定原则如下：

1) 轧制的前几道次的延伸系数应小些。

轧制开始时，轧件温度高，氧化铁皮厚而且附着在钢坯表面上，摩擦系数较低，咬入困难。此外，电机能力也限制了前几道次的延伸系数。

2) 中间道次的延伸系数由大到小。

经前几道次轧制后，氧化铁皮脱落，咬入条件得到改善；而且温降不多；由于轧件断面积不断减小，亦使延伸系数提高，并达到最大值。以后，轧件断面大为减小，温降严重，变形抗力显著增加，因此，此时延伸系数应逐渐减小。

3) 最后几道次的延伸系数要小。

2 轧制道次的确定[18]：

连铸坯断面积：0F =165×165 =27225 mm 2 热膨胀系数β=1.012~1.015，一般生产取1.013 Φ16圆钢直径尺寸d=16×1.013=16.208mm n F =0.25×

3.14×16.208 =205.98 mm 2 Φ16圆钢的总延伸为：

μz=F 0/F n =27225/205.98=135.47………………… (10) 式中：

μz ——总延伸系数；

0F ——原料断面面积；

n F ——成品断面面积。

若坯料的断面积F 0和成品的断面积Fn 均为已知，则总延伸系数为： μz=F 0/Fn=μ1*μ2...μn =F 0/F 1×F 1/F 2×...×F n-1/F n (11)

式中：

0F 、1F ······n F 为第1、2······n 道次轧件的断面积；

μ1、μ2······μn 为第1、2······n 道次轧件的延伸系数。

为了孔型设计方便，可将粗轧的总延伸系数按对进行分配，粗轧总延伸系数为：

μz=μz=F 0/F n

粗

粗N F 0

∑F =

μ 中轧同理。延伸系数分配原则如图10 所示

变形系数|Μ或１/?

图10 延伸系数分配原则图

一般情况下，在确定轧制道次时，用平均延伸系数μcp代替某个道次的延伸系数。所谓平均延伸系数是指在轧制道次和总延伸系数一定的条件下，各个道次的延伸系数相等。它是为了简化轧制道次的计算而提出来的假想延伸系数，在实际生产中各个道次的延伸系数并不相等。具体确定方法如下：

若用平均延伸系数代替各道次延伸系数，则：

μz =μcpN (12)

对上式取对数，则求出轧制道次数N：

N= lgμz/lgμcp (13)

由于主要采用椭圆—圆孔型系统，且其

一般不超过1.25～1.38 ，所以取

平均延伸系数μcp＝1.32，则：N =lnμz/lnμcp＝ln135.47/ln1.32＝17.68。

所以取N为18道。

由于轧机共有18架，将18道次分给粗轧机组6道，中轧机组6道，精轧机组6道。

在最后几道次中，为减小孔型的磨损，保证成品的断面形状和尺寸精确，应采用较小的延伸系数。

3 根据孔型分配延伸系数,见表11：

表11 孔型延伸系数

孔型系统箱型椭圆型圆型

延伸系数 1.15～1.6 1.2～1.6 1.2～1.4

4 确定各阶段(精、中、粗轧机)的平均延伸系数：

首先确定精轧机组的平均延伸系数μcp，据经验公式可知：

μj cp=1+（0.8～0.9）（μcp－1）＝1.256～1.288

取μj cp =1.275

其次确定中轧机组的平均延伸系数，在此据经验取μz cp＝1.33。

最后确定粗轧机组的平均延伸系数，由μz=μj cp6. μz cp6 .μc cp6

可得出μc cp＝1.324

5 确定各机架的延伸系数，见表12：

表12 各机架的延伸系数

机架号 1 2 3 4 5 6 7 8 9

延伸系数μ 1.42 1.40 1.38 1.38 1.35 1.30 1.45 1.3 1.41

机架号10 11 12 13 14 15 16 17 18

延伸系数μ 1.35 1.35 1.25 1.25 1.30 1.30 1.08 1.2 1.16

6 延伸系数分配的校核：

μ1·μ2·μ3······μ18＝1.42×1.40×1.38×……×1.2×1.16＝135.47＝μn

所以以上为延伸系数初步分配。

4.3.2 轧制各道次面积的确定

由延伸系数与轧件断面面积关系，确定各道次轧件断面面积,见表13：

表13 各道次轧件断面面积单位（mm2）道次面积道次面积

1 19172.53 10 1141.97

2 13694.66 11 845.89

3 9923.67 12 676.74

4 7191.17 13 541.35

5 5326.73 14 416.41

6 4097.49 15 320.33

7 2825.84 16 296.65

8 2173.63 17 247.10

9 1541.62 18 205.92

4.4成品孔型的设计

根据输入的成品尺寸，确定满足要求的成品孔型和轧件尺寸。

棒、线材轧机的孔型设计：一般从成品孔型开始按逆轧制顺序设计[18]。

设计圆钢成品孔型时，一般应考虑到使椭圆度变化最小，并且能充分利用所允许的偏差范围，即能保证调整范围最大。为了减少过充满和便于调整，圆钢成品孔的形状采用带有扩张角的圆形孔型。圆孔型槽口扩张部位的构成有两种不同形式，即切线扩张与圆弧扩张。小型棒、线材轧机，由于成品正负偏差范围很小，成品圆孔型通常采用切线扩张成品孔。成品圆孔构成如图11所示：

图11 成品圆孔构成

成品孔型设计的一般程序为：

1 根据终轧温度确定成品断面的热态尺寸；

2 考虑到负偏差轧制和轧机调整，从轧件热尺寸中减去部分(或全部)负偏差；

3 必要时还要对以上计算出的尺寸和断面形状加以修正成品孔（1K ）设计采用高精度法成品孔设计，按国标GB/T 702-2004允许偏差为±0.25 mm 。

孔型槽口宽[(0.5~1)](1.007~1.02)16.36~16.5716.5k B d +=+?==mm 孔型高[(0~1)](1.007~1.02)15.86~16.0616.0k h d -=-?==mm 取辊缝S =1.5 mm

01.5

arctan

arctan 5.216.5

k S a B ===

16.0=arccos

14.91.5()

16.5

?==

05.214.920.1a φ?=+=+=

成品再前孔（K 3）设计由式3(1.15~1.28)D d =得基圆直径3D ：

3(1.15~1.28) 1.21619.2D d ==?= mm

孔型宽度33(1.15~1.28) 1.251620.0k B D ==?= mm 张开角030θ=

取辊缝S=3 mm 成品前孔（K 2）设计

用绝对宽展系数计算法确定成品前孔，取10.4β=，2 1.1β=，则椭圆孔型宽度2k B 为：

221212(1)(1)19.2(1 1.1)16 1.1(10.4)

28110.4 1.1

k A d B βββββ+-+?+-?+=

==--? mm

椭圆孔型高度212()160.4(2816)11.2k k h d b d β=--=-?-=mm 取辊缝S=1.5mm.。成品、成品前和成品再前孔结构参数见表14：

表14 成品、成品前和成品再前孔结构参数

道次孔型高度k h /mm

孔型宽度k B /mm

扩张角θ/° 辊缝S/mm

16（K 3） 19.2 20.0 30.0 3.0 17（K 2） 11.2 28.0 30.0 1.5 18（K 1）

16.0

16.5

20.1

1.5

4.4.1箱型孔的设计

箱型孔型构成如图12 所示：

图12 箱型孔型构成

k B —槽口宽度；k b —槽底宽度；?—侧壁角；S —辊缝；f —槽底凸度；

R —外圆角；r —内圆角；p h —轧槽深度

取压下量?h =60mm 则h=165-60=105mm

轧件宽度19172.54182.60105

A B h =

==mm 则宽展量?B=182.60-165=17.6mm 展宽系数17.60.2960

b h β?=

==? 咬入角arccos(1)25.9730g

a D ?=-=?

辊缝值S=(0.02~0.05)0D =(14~35)mm ，取S=20mm ；

轧槽槽底宽k b =B （1~1.06）=（165~174.9）mm ，取 167k b =mm ；轧槽槽口宽k B =b+(5~12)=（187.6~194.6 ）mm 取，187.6k B =mm ；孔型高度H=k h =105mm

轧辊工作直径g D ＝700-105=595mm 侧壁斜度tan ?＝

k 187.6167

9.8%22105

k k B b h --==? 内圆角半径R=(0.1~0.2)h=（10.5~21）mm 外圆角半径r =(0.05~0.15)h=（5.25~15.27）mm 槽底凸度(1.5~4)d h =mm ，取3d h =mm 箱型孔尺寸结构参数见表15：

表15 设计箱型孔尺寸

道

次

孔型高度

H/mm 槽底宽

度

b k /mm 槽口宽度

B k /mm 外圆角

半径r/mm 内圆角

半径R/mm 侧壁斜度tan ?/％

辊缝

s/mm 槽底凸

度

h d /mm 1 105 167 187.6 10 15 9.8 20 3 2 118.5 107 120.57 10 15 5.7 20 3 3 75.18 120 137 10 12 11.3 18 3 4

81.31

78 93.44

9.5

3 凸度f ，采用凸度的目的是为了使轧件在辊道上行进时稳定；也是为了使轧件进入下—个孔型时状态稳定，避免轧件左右倾倒，同时也给轧件翻钢后在下一个孔型中轧制时多留一些展宽的余量，以防止轧件出“耳子”。

4.4.2圆孔和椭圆孔的设计

图13 椭圆—圆孔型系统

1. 圆孔的结构设计，椭圆—圆孔型系统如图13所示：取β=0.3；基圆半径：

= 36.12 mm ；

孔型高度：2236.1272.24k h R ==?=mm

孔型宽度：k b =2R + δ= (72.29~73.29 )mm, (δ =0～1mm)；取k b =73.29mm ；扩张角：α= 300；

辊缝：S=(0.1～0.15)h=（7.22～10.84）mm 取S =9mm ；外圆角半径：r = 2～5mm ，取r =4 mm ；充满度：取72.2496.5%73.29

k k h b δ=

==（在0.9～1范围内）；圆孔尺寸尺寸参数如表16 所示：

表16 设计圆孔尺寸(mm)

道次孔型高度H 孔型宽度B K 基圆半径R 辊缝s 外圆角半径r 6 72.24 73.29 36.12 9 4 8 52.62 53.67 26.31 6 4 10 38.14 39.14 19.07 4 4 12 29.36 30.48 14.68 3 3 14

23.04

24.12

11.52

2. 椭圆孔的结构设计

取5β=0.6；6β=0.3 ；6D =72.24mm ；4

a =88.44mm

545

b a a h β-=

- (14)

656

D h b D β-=

- (15)

解得5b = 103.85mm ，5h = 62.76mm ；孔型高度：k h =轧件高度5h =62.76mm ；充满度：取δ=96%；孔型宽度：103.85

108.180.96

k b

b δ

=mm ；辊缝：S=(0.18～0.3)h=（11.96～15.69）mm 取S =14mm ；

孔型内圆弧半径：R =

2222

()(62.7614)108.1872.204()4(62.7614)

k h s b h s -+-+==--mm ；槽口圆角半径：r =（0.1～0.2）h =（6.27～12.55）mm ，取r =10mm ；椭圆孔设计数据见表17：

表17 设计椭圆孔型尺寸（mm ）

道次孔型高度H 槽口宽度k B 圆弧半径R 槽口圆弧半径r

辊缝S 5 62.76 108.18 72.20 10 14 7 41.13 94.70 79.80 7 10 9 29.66 69.17 58.5 7 7 11 27.8 46.2 28.83 4 7 13 18.24 40.66 32.60 3 4 15

16.95

27.81

8.97

其他规格的产品其孔型系统参考石家庄钢铁有限责任公司三轧厂棒材车间孔型系统图。

孔型在轧辊上的配置存在水平和垂直两个方向的问题，在垂直方向上的配置主要为压力配置，水平方向的配置则为沿辊身长度方向上的确定。压力配置容易造成缠辊、轧件冲击机后辅助设备、喂钢困难，同时上、下轧辊的线速度差异导致轧槽磨损不均，使轧辊与金属间的滑动增加[18]。而孔型在辊身长度方向的配置，则需考虑在各机架上孔型的分配和孔型的间距。如图14所示：

图14 棒材车间孔型典型产品孔型系统图

4.5孔型配置

1. 配置孔型要考虑的因素有：

1）成品孔和成品前孔应尽量争取单独配置，即不配置在同一架轧机的同一轧线上，以便实现单独调整，保证成品质量。

2）分配到各架轧机上的轧制道次应力求各架轧机的轧制时间均匀，以便获得较短的轧制节奏，提高轧机产量。

3）根据各孔型的磨损程度及其对质量的影响，每道备用孔型的数量在轧辊上应有所不同。

2. 本设计孔型配置采用无压力配置，具体配辊参数见附表1：

附表1 配辊图参数

机架号

辊身长

度（mm）

轧辊直

径（mm）

配孔数

辊边与边部孔

型中心线的距

离（mm）

孔型中

心距

（mm）

槽底直

径（mm）

轧槽深

（mm）

1 700 650

2 116.5 291.8 536.2 56.9

2 700 650 2 142.8 278.6 524.2 62.9

3 700 650 2 136.9 281.5 559.5 45.25

4 700 650 3 92.43 202.

5 549.9 50.05

5 650 400 2 135.9 257.1 314.4 42.78

6 650 400 3 88.

7 187.1 307.6 46.2

7 650 400 3 72.2 192.6 344.2 37.9

8 650 400 4 69.76 145.1 324.7 37.7

9 650 400 4 56.6 148.3 358.0 21

10 650 400 5 59.9 118.0 347.9 26.05

11 650 400 4 74.2 143.0 367.4 16.3

12 650 400 5 70.2 116.0 360.2 19.9

13 650 400 5 63.1 117.4 370.3 14.85

14 650 400 7 49.0 85.9 365.1 17.45

15 650 400 7 43.4 86.7 379.4 12.15

16 650 400 8 45.4 75.6 375.7 14.1

17 650 400 8 41.2 76.1 379.7 10.15

18 650 400 10 36.2 61.4 380.5 11.6