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摘要
本軋機(jī)為厚板軋機(jī)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了機(jī)架部分。機(jī)架是軋鋼機(jī)的重要部件，用來安裝整個輥系及軋輥調(diào)整裝置，并承受全部軋制力。因機(jī)架重量大，制造復(fù)雜，一般給予很大安全系數(shù)，并作為永久使用的不更換零件來進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此機(jī)架必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證其應(yīng)力分布均勻、變形盡可能小。
由于軋機(jī)機(jī)架比較復(fù)雜、不規(guī)則，一般采用采列柯夫計(jì)算方法進(jìn)行閉式機(jī)架的強(qiáng)度和變形計(jì)算然后采用有限單元法校核機(jī)架的應(yīng)力、變形及安全系數(shù)。在以往機(jī)架的設(shè)計(jì)中，安全系數(shù)取得很高但仍不能保證機(jī)架的可靠工作，機(jī)架的破壞多在壓下螺母孔、機(jī)架窗口轉(zhuǎn)角處等壓力集中大的部位，采列柯夫計(jì)算方法只能求得某些部位的應(yīng)力值，而有限單元法能求出整個機(jī)架多部位的應(yīng)力場，對其進(jìn)行模擬計(jì)算，得出機(jī)架最危險(xiǎn)的地方和應(yīng)力分布規(guī)律，獲得其變形，計(jì)算出軋機(jī)機(jī)架的剛度。
關(guān)鍵詞：厚板軋機(jī)、軋機(jī)機(jī)架、采列柯夫、有限單元法
Abstract
This mill is heavy plate mill. Frame is the important component to mill roll system and install the device, and roll all rolling force. Because big weight, manufacturing complex frame, give great safety coefficient, and as a permanent use no replacement parts for design, thus frame must have enough intensity and stiffness, in order to ensure its deformation, stress distribution uniformity as small as possible.
Due to the complicated mill frame, use commonly irregular KeFu listed mining method for calculating the strength and deformation of the closed frame is calculated by using the finite element method and the stress and deformation of the checking frame and safety coefficient. In the previous frame design, high safety coefficient made but still can't ensure reliable work, the frame of destruction in frame under the frame window corner, nut pressure concentration, part of the big KeFu column calculating method for certain parts of the only stress value, and finite element method can be more parts of the entire frame, carries on the field simulation, draw frame's most dangerous place and stress distribution obtained and the deformation, calculate mill frame stiffness.
Keywords: heavy plate mill, KeFu column frame, the finite element method
目錄
摘要 1
Abstract 2
目錄 3
前言 1
第一章 總論 2
1.1 概述 2
1.1.1 我國中厚板軋機(jī)發(fā)展歷史 2
1.1.2 目前我國主要中厚板生產(chǎn)設(shè)備情況 2
1.1.3 我國中厚板軋機(jī)將出現(xiàn)快速發(fā)展 6
1.2 厚板軋機(jī)生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝 8
1.3 軋鋼技術(shù)的發(fā)展前景 10
第二章 設(shè)計(jì)方案的確定 13
2.1 工作制度 13
2.2 主轉(zhuǎn)動方式 14
2.3 壓下裝置的結(jié)構(gòu)形式 15
2.4 上輥平衡裝置 16
2.5軋機(jī)機(jī)架 16
2.6 設(shè)計(jì)方案的確定 17
第三章 專題設(shè)計(jì)計(jì)算部分 17
3.1設(shè)計(jì)題目及要求 17
3.2軋制過程變形區(qū)及其參數(shù) 17
3.3原始數(shù)據(jù) 18
3.4主要參數(shù)的確定 19
3.5咬入條件的校驗(yàn) 21
3.6軋制力計(jì)算 21
3.7軋制力在接觸弧上作用點(diǎn)的位置 22
3.8軋制力矩的計(jì)算 22
3.9軋機(jī)主電動機(jī)功率的確定與選擇 25
3.10機(jī)架的基本尺寸及校核 26
3.10.1機(jī)架的類型及結(jié)構(gòu) 26
3.10.2 機(jī)架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 27
3.10.4機(jī)架強(qiáng)度計(jì)算 29
3.10.5機(jī)架的變形計(jì)算 34
3.10.6機(jī)架剛度的計(jì)算 36
3.10.7用彈性力學(xué)有限單元法計(jì)算機(jī)架的應(yīng)力和變形 37
總結(jié) 40
致謝 41
參考文獻(xiàn) 42
附件1 43
附件2 49
I
前言
軋鋼生產(chǎn)是將鋼錠或鋼坯制成鋼材的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。用軋制方法生產(chǎn)鋼材，具有生產(chǎn)率高、品種多、生產(chǎn)過程連續(xù)性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化等優(yōu)點(diǎn)。因此，它比鍛造、擠壓、拉拔等工藝得到更廣泛地應(yīng)用。目前，約有90%的鋼都是經(jīng)過軋制成材的。
摘要
本軋機(jī)為厚板軋機(jī)，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了機(jī)架部分。機(jī)架是軋鋼機(jī)的重要部件，用來安裝整個輥系及軋輥調(diào)整裝置，并承受全部軋制力。因機(jī)架重量大，制造復(fù)雜，一般給予很大安全系數(shù)，并作為永久使用的不更換零件來進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此機(jī)架必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證其應(yīng)力分布均勻、變形盡可能小。
由于軋機(jī)機(jī)架比較復(fù)雜、不規(guī)則，一般采用采列柯夫計(jì)算方法進(jìn)行閉式機(jī)架的強(qiáng)度和變形計(jì)算然后采用有限單元法校核機(jī)架的應(yīng)力、變形及安全系數(shù)。在以往機(jī)架的設(shè)計(jì)中，安全系數(shù)取得很高但仍不能保證機(jī)架的可靠工作，機(jī)架的破壞多在壓下螺母孔、機(jī)架窗口轉(zhuǎn)角處等壓力集中大的部位，采列柯夫計(jì)算方法只能求得某些部位的應(yīng)力值，而有限單元法能求出整個機(jī)架多部位的應(yīng)力場，對其進(jìn)行模擬計(jì)算，得出機(jī)架最危險(xiǎn)的地方和應(yīng)力分布規(guī)律，獲得其變形，計(jì)算出軋機(jī)機(jī)架的剛度。
關(guān)鍵詞：厚板軋機(jī)、軋機(jī)機(jī)架、采列柯夫、有限單元法
Abstract
This mill is heavy plate mill. Frame is the important component to mill roll system and install the device, and roll all rolling force. Because big weight, manufacturing complex frame, give great safety coefficient, and as a permanent use no replacement parts for design, thus frame must have enough intensity and stiffness, in order to ensure its deformation, stress distribution uniformity as small as possible.
Due to the complicated mill frame, use commonly irregular KeFu listed mining method for calculating the strength and deformation of the closed frame is calculated by using the finite element method and the stress and deformation of the checking frame and safety coefficient. In the previous frame design, high safety coefficient made but still can't ensure reliable work, the frame of destruction in frame under the frame window corner, nut pressure concentration, part of the big KeFu column calculating method for certain parts of the only stress value, and finite element method can be more parts of the entire frame, carries on the field simulation, draw frame's most dangerous place and stress distribution obtained and the deformation, calculate mill frame stiffness.
Keywords: heavy plate mill, KeFu column frame, the finite element method
目錄
摘要 1
Abstract 2
目錄 3
前言 1
第一章 總論 2
1.1 概述 2
1.1.1 我國中厚板軋機(jī)發(fā)展歷史 2
1.1.2 目前我國主要中厚板生產(chǎn)設(shè)備情況 2
1.1.3 我國中厚板軋機(jī)將出現(xiàn)快速發(fā)展 6
1.2 厚板軋機(jī)生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝 8
1.3 軋鋼技術(shù)的發(fā)展前景 10
第二章 設(shè)計(jì)方案的確定 13
2.1 工作制度 13
2.2 主轉(zhuǎn)動方式 14
2.3 壓下裝置的結(jié)構(gòu)形式 15
2.4 上輥平衡裝置 16
2.5軋機(jī)機(jī)架 16
2.6 設(shè)計(jì)方案的確定 17
第三章 專題設(shè)計(jì)計(jì)算部分 17
3.1設(shè)計(jì)題目及要求 17
3.2軋制過程變形區(qū)及其參數(shù) 17
3.3原始數(shù)據(jù) 18
3.4主要參數(shù)的確定 19
3.5咬入條件的校驗(yàn) 21
3.6軋制力計(jì)算 21
3.7軋制力在接觸弧上作用點(diǎn)的位置 22
3.8軋制力矩的計(jì)算 22
3.9軋機(jī)主電動機(jī)功率的確定與選擇 25
3.10機(jī)架的基本尺寸及校核 26
3.10.1機(jī)架的類型及結(jié)構(gòu) 26
3.10.2 機(jī)架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù) 27
3.10.4機(jī)架強(qiáng)度計(jì)算 29
3.10.5機(jī)架的變形計(jì)算 34
3.10.6機(jī)架剛度的計(jì)算 36
3.10.7用彈性力學(xué)有限單元法計(jì)算機(jī)架的應(yīng)力和變形 37
總結(jié) 40
致謝 41
參考文獻(xiàn) 42
附件1 43
附件2 49
IV
前言
軋鋼生產(chǎn)是將鋼錠或鋼坯制成鋼材的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。用軋制方法生產(chǎn)鋼材，具有生產(chǎn)率高、品種多、生產(chǎn)過程連續(xù)性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化等優(yōu)點(diǎn)。因此，它比鍛造、擠壓、拉拔等工藝得到更廣泛地應(yīng)用。目前，約有90%的鋼都是經(jīng)過軋制成材的。
隨著現(xiàn)代軋制技術(shù)的發(fā)展，軋制設(shè)備也趨向于方便、高效，尤其是板帶材軋制設(shè)備趨于多樣、適用、易改進(jìn)等，因此，具有更加靈活性軋制品種多，使用情況要求低的四輥單機(jī)座軋機(jī)也得到了不斷的改進(jìn)和發(fā)展。
本次設(shè)計(jì)的題目是厚板軋機(jī)——軋鋼機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)，軋制帶寬4000，軋制速度7.22,軋機(jī)會將板帶由40厚軋制成30厚。它有如下幾個特點(diǎn)：
1.它的剛性要求要高一些；
2.工作穩(wěn)定性能要好；
3.軋縫的控制簡單、便利；
4.軋制板材的質(zhì)量高、板型好。
在設(shè)計(jì)中，主要計(jì)算了軋制力、軋制力矩、軋機(jī)主電動機(jī)功率、機(jī)架的強(qiáng)度和剛度等，并完成了機(jī)架的材料及結(jié)構(gòu)型式、軋機(jī)主電動機(jī)、軋輥軸承、機(jī)架、電動壓下部分的確定。在計(jì)算時(shí)，主要參考了由鄒家祥主編的《軋鋼機(jī)械》和由冶金工業(yè)部有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院主編的《板帶車間機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)》等書籍，并對其中的一些內(nèi)容進(jìn)行了改進(jìn)。
進(jìn)十年來，世界冶金工業(yè)技術(shù)及裝備又有了長足進(jìn)步，新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備的出現(xiàn)，使冶金生產(chǎn)過程發(fā)生了本質(zhì)的變化，中國的鋼鐵工業(yè)也在迅速的發(fā)展，鋼產(chǎn)量已居世界第一。這就要求我們要不斷地對軋鋼機(jī)械設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，也只有這樣才能使我國的鋼鐵工業(yè)走在世界的前列，這也是我們做這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的最終目的。
第一章 總論
1.1 概述
1.1.1 我國中厚板軋機(jī)發(fā)展歷史
我國的第一套中板軋機(jī)于1936年在鞍鋼建成，屬于三輥勞特式軋機(jī)。新中國成立后，在前蘇聯(lián)的援助下，我國的中厚板生產(chǎn)裝備和工藝技術(shù)水平有了很大提高，先后建成了重鋼2440mm中板軋機(jī)、武鋼2800mm中板軋機(jī)等13套三輥勞特式軋機(jī)，為我國板材生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。70年代后，我國的中厚板軋機(jī)開始向?qū)挵迕娣较虬l(fā)展，1978年在舞陽鋼廠建成了我國自行設(shè)計(jì)制造的第一套4200mm厚板軋機(jī)：首鋼引進(jìn)了國外3300mm二手寬厚板軋機(jī)設(shè)備。這兩套軋機(jī)主要用于生產(chǎn)特殊鋼板，滿足了當(dāng)時(shí)核動力設(shè)備、艦船、潛艇、大型工程機(jī)械和民用鋼制船舶生產(chǎn)的需要。
在工藝技術(shù)和裝備水平發(fā)展方面，20世紀(jì)80年代，國內(nèi)中厚板生產(chǎn)企業(yè)均多次對原先建設(shè)的三輥勞特式中板軋機(jī)進(jìn)行了不同方式的改造，改造后的軋機(jī)基本以三輥加四輥或雙四輥軋機(jī)為主，基本解決了三輥勞特式軋機(jī)尺寸偏小，鋼板寬度窄，長度短、尺寸偏差大、板形差、以及原材料和能源消耗成本、經(jīng)濟(jì)效益差等問題。從80至90年代初，通過多次改造的方式增加原有軋機(jī)產(chǎn)能、提高工藝裝備水平和生產(chǎn)技術(shù)水平，并具備了較為先進(jìn)的電控設(shè)備、控軋控冷技術(shù)裝備和熱處理工藝。
從我國中厚板軋機(jī)的發(fā)展歷程可以看出，我國中厚板軋機(jī)經(jīng)歷了從三棍勞特式為主到以四輥軋機(jī)為主的發(fā)展歷程。目前在我國大中型鋼鐵企業(yè)中，除臨鋼還保留一套三棍勞特軋機(jī)外，其他廠基本上都是四輥軋機(jī)。布置形式基本有單機(jī)架四輥軋機(jī)、二輥+四輥軋機(jī)、三棍+四輥軋機(jī)、雙四輥軋機(jī)四種形式。
1.1.2 目前我國主要中厚板生產(chǎn)設(shè)備情況
我國中厚板生產(chǎn)以2004年為界大致可以分為兩個階段，2004年前我國中厚板企業(yè)總體裝備水平不高，除了浦鋼、舞鋼、鞍鋼外，其他鋼廠的基本上是3000mm以下的軋機(jī)。2005年是我國中厚板軋機(jī)快速發(fā)展的一年，當(dāng)年新上新軋機(jī)8套，主要以3000mm以上的寬厚板軋機(jī)為主，使我國中厚板總體裝備水平有了較大的提高，從2005～2008年將是我國中厚板裝備技術(shù)和產(chǎn)能快速發(fā)展的一個階段。
1.2004年前我國中厚板設(shè)備目對比較落后
2004年前我國新上中厚板機(jī)組比較少，這個階段主要以改造老機(jī)組為主。截止到2004年底，我國共有中厚板軋機(jī)(包括爐卷軋機(jī))29套，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為1910萬噸。除了舞鋼、濟(jì)鋼、南鋼爐卷軋機(jī)、鞍鋼等少數(shù)幾套軋機(jī)比較先進(jìn)外，其他機(jī)組設(shè)備與國外發(fā)達(dá)工業(yè)國家相比，存在較大的差距。
從軋機(jī)結(jié)構(gòu)上來看，國內(nèi)的中厚板軋機(jī)普遍存在輥身長度小，單機(jī)產(chǎn)能低。由于目前的中厚板軋機(jī)是在原有設(shè)備基礎(chǔ)上經(jīng)過擴(kuò)寬、擴(kuò)能改造的，受2300mm三輥勞特軋機(jī)對規(guī)格的影響，四輥軋機(jī)一般改為2500mm，如濟(jì)鋼中板廠和重鋼等；也有一些改為2800mm，如柳鋼中板廠和安鋼中板廠。改造后軋機(jī)的輥身長度均未超過3000mm。此一階段3000mm以下軋機(jī)仍然占主要地位，占到總產(chǎn)能的83%，而日本、德國中厚板軋機(jī)全部是3米以上，其中日本5米以上的軋機(jī)占62.5%，此階段我國中厚板軋機(jī)裝備水平明顯落后。
老生產(chǎn)線的加熱方式落后。步進(jìn)式加熱爐由于加熱質(zhì)量好、氧化少、燒損極低、加熱方式靈活等特點(diǎn)，已成為當(dāng)今世界上最先進(jìn)的一種爐型。早在15年前，日本、德國、韓國等就已100%采用，但我國仍有一半以上生產(chǎn)線采用推鋼式加熱爐，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全國加熱爐的平均加熱能力為75噸/h，只有先進(jìn)國家的1/3。
控軋控冷技術(shù)不完善。控軋控冷技術(shù)是控制奧氏體和相變產(chǎn)物的組織狀態(tài)，從而達(dá)到控制鋼材的組織性能以及軋后控冷階段的工藝參數(shù)，在不降低韌性的前提下進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度的先進(jìn)技術(shù)，對提高產(chǎn)品質(zhì)量有顯著意義。此技術(shù)在日本應(yīng)用率達(dá)70%以上，我國起步不晚但進(jìn)展不理想，不少廠家采用的是簡易噴淋冷卻裝置及用控溫軋制來替代控制軋制。其主要原因是不少生產(chǎn)廠的軋機(jī)軋制力不足以及冷卻系統(tǒng)配備不先進(jìn)，難以實(shí)施控軋控冷工藝所造成的。
從設(shè)備布置上看，國內(nèi)中厚板生產(chǎn)線一般只設(shè)計(jì)成一條流水線，所有的環(huán)節(jié)包括矯直、剪切、收集均從這一條線上通過，設(shè)備負(fù)荷過重而且對產(chǎn)量、質(zhì)量形成嚴(yán)重制約。國外先進(jìn)的中厚板廠一般都有多條剪切收集線，按照規(guī)格的不同從不同生產(chǎn)線通過。
從主要生產(chǎn)工藝裝備上看：我國中厚板軋制力較低，一般在9.8kN/mm左右，國外一般為19.6kN/mm；除少數(shù)生產(chǎn)線(濟(jì)鋼3500mm厚板軋機(jī)和酒鋼3000中板軋機(jī))外，很少有企業(yè)成功地運(yùn)用液壓AGC和液壓彎輥技術(shù)，難以生產(chǎn)一些特殊鋼種；矯直機(jī)能力普遍較弱，效率低、平直度要求不高，影響產(chǎn)品質(zhì)量；很多生產(chǎn)線沒有熱處理工序。有些企業(yè)即使裝備了相應(yīng)設(shè)備，但除了武鋼、舞鋼、鞍鋼和浦鋼熱處理能力較強(qiáng)外，其它企業(yè)均未能正常使用，這是造成我國中厚板產(chǎn)品中專用板比例偏低的主要原因之一。
檢測手段不完備。鋼鐵產(chǎn)品的內(nèi)在質(zhì)量僅靠取樣化驗(yàn)是不能完全查明的，需要經(jīng)過“探傷”。日本、德國、美國、韓國等早在10多年前就已100%采用超聲波探傷，而我國老生產(chǎn)線仍有一些采用線外人工探傷方式，效率低、勞動強(qiáng)度大，占用了場地且易漏探。
從技術(shù)掌握的程度來看，在線控制技術(shù)相對落后，板型控制能力較低，我國不能滿足大型造船、電站用鋼等要求。
綜上所述，此一時(shí)期我國中厚板生產(chǎn)的總體技術(shù)準(zhǔn)備水平不高，使得我國中厚板產(chǎn)品的品種板比例低，普碳中厚板產(chǎn)量大，3米以下寬度的產(chǎn)品比較集中。
2.我國中厚板生產(chǎn)以普板為主
目前國產(chǎn)中厚板在國內(nèi)市場的份額占較大優(yōu)勢，像普通強(qiáng)度造船板、鍋爐板、鋼結(jié)構(gòu)板等都能基本滿足國內(nèi)市場需求，但國內(nèi)中厚板供應(yīng)存在的結(jié)構(gòu)性不足，主要在于一些高附加值的鋼板不能生產(chǎn)，或質(zhì)量難以達(dá)到下游行業(yè)的要求。如造船行業(yè)需要的一些高強(qiáng)度、寬板面造船用鋼板等。在我國中厚板產(chǎn)品中，專用板只有20%-30%，國外發(fā)達(dá)國家專業(yè)鋼板的比重一般在40%～70%以上，而且做到了品種結(jié)構(gòu)優(yōu)化和系列化。同時(shí)在產(chǎn)品尺寸精度和表面質(zhì)量上，我國與國外先進(jìn)水平也有一定差距，主要受原料、煉鋼和軋鋼設(shè)備的制約，目前我國生產(chǎn)專用板比例較高的廠家是浦鋼、重鋼五廠、舞鋼、鞍鋼、首鋼、武鋼，但其專用板的品種、性能均不是高級的，在品種、規(guī)格、力學(xué)性能等方面均不能完全滿足用戶對高級別專用板的需要。從生產(chǎn)狀況看，我國品種板生產(chǎn)呈現(xiàn)出快速增長的態(tài)勢，去年1～5月份造船板、橋梁板、鍋爐板、容器板、管線鋼等5個主要的品種鋼產(chǎn)量649.62萬噸，占中厚板總產(chǎn)量的28.1%。除了管線鋼，其他品種板增幅均大于總量的增幅。
目前，國內(nèi)需求的高強(qiáng)、高壓、耐候、耐蝕、抗裂等特殊要求的管線、石油儲罐、石油平臺用鋼等，仍不能滿足需求?？梢哉f，我國的中厚板生產(chǎn)也同我國的鋼鐵工業(yè)一樣，需要有一個從量到質(zhì)、從大到強(qiáng)的轉(zhuǎn)變。
3.主要品種在質(zhì)量方面存在較大的差距
造船用鋼：與國外先進(jìn)水平相比，我國造船用鋼存在一定的差距，首先從生產(chǎn)線裝置和工藝技術(shù)水平來講，我國大部分生產(chǎn)線生產(chǎn)一般強(qiáng)度的造船用鋼，而寬度大于2.5米的船板，高強(qiáng)度級別的鋼板，如AH32-EH36級、F級因還不能取得多家船級社的認(rèn)證而不能大批生產(chǎn)，因而不能滿足出口船的需求。對于一些寬薄規(guī)格的鋼板，如厚6～10mm，寬3000mm以上，8—12mm的寬薄板進(jìn)口依賴度較大。此外，特厚船板如65～90mm板也主要靠進(jìn)口解決。其次表面質(zhì)量有待進(jìn)一步提高，主要反映在中厚板軋機(jī)高壓水除鱗壓力上，國內(nèi)大多數(shù)廠家除鱗壓力120～140MPa，而國外均大于160MPa，所以除鱗效果不好，麻點(diǎn)較突出，露天存放容易銹蝕，而進(jìn)口船板不但板型好，而且還涂過底漆，露天存放不會生銹。第三焊接性能普遍不很理想，尤其是高強(qiáng)度、高韌性的品種。此外，國產(chǎn)船板在厚度、精度的控制方面普遍較差。第四板型不盡如人意，不少國產(chǎn)船板在分切、焊接前板型并無問題，但分切后鋼板翹曲現(xiàn)象較明顯，這主要是沒有很好解決殘余應(yīng)力的問題。
管線鋼：X70級別以上的管線鋼屬于中厚板中的高端產(chǎn)品，由于它要求高強(qiáng)度、高韌性和在不預(yù)熱條件下進(jìn)行輸入熱量的焊接，并且要具有優(yōu)良的抗氫誘導(dǎo)裂紋，因此，對鋼水的硫、磷含量要求很嚴(yán)格。目前我國有近18條生產(chǎn)線可以生產(chǎn)管線鋼，但大部分只能生產(chǎn)X70以下品種。只有寶鋼、武鋼、鞍鋼等能大批量生產(chǎn)X80級別，而日本、德國等已能生產(chǎn)X100甚至更高級別的管線鋼。另外除寶鋼、鞍鋼外，其他廠家供應(yīng)的產(chǎn)品都不能在寬度上完全滿足用戶要求。產(chǎn)品在韌性、焊接性、強(qiáng)度、殘余應(yīng)力、屈服比等指標(biāo)的穩(wěn)定性方面不如日本和德國的，質(zhì)量異議時(shí)有發(fā)生。
橋梁用鋼：國內(nèi)橋梁用鋼起步較早，但發(fā)展速度不快，主要開發(fā)了16Mnq、15Mnq、15MnVNq等，其中16Mnq雖然應(yīng)用較廣泛，但其板厚效應(yīng)嚴(yán)重是最大的缺陷，而15MnVNq、15Mnq等在有些長江大橋應(yīng)用后，認(rèn)為焊接性能較差，因而以后就沒有得到推廣應(yīng)用。近幾年，寶鋼、武鋼、鞍鋼等開發(fā)了微合金化高性能橋梁板，提高了其韌性和焊接性能并得到廣泛應(yīng)用，但能生產(chǎn)此品種的廠家仍然不多。
壓力容器、鍋爐用鋼：近年來我國生產(chǎn)壓力容器鋼在強(qiáng)度、韌性及耐壓性上有不少提高，但焊接性能、耐腐蝕性能與先進(jìn)國家的品種相比，還有一定差距。從2005年開始，不少用戶希望能提供IF鋼、調(diào)質(zhì)鋼的壓力容器鋼，這對我國不少中厚板廠來說又是一個新的挑戰(zhàn)。由于鍋爐是一種具有潛在危險(xiǎn)性的特殊設(shè)備，所以對鋼板的質(zhì)量要求非常嚴(yán)格，多年來用戶鍋爐板的質(zhì)量異議較多，從一個側(cè)面反映了鍋爐板質(zhì)量存在的問題。
1.1.3 我國中厚板軋機(jī)將出現(xiàn)快速發(fā)展
從世界中厚板的發(fā)展歷史看，中厚板軋機(jī)建設(shè)已經(jīng)經(jīng)歷了兩次高潮。第一次是50-60年代，出于工業(yè)化和建造艦艇需要，需要大量又厚、又寬、性能又高的中厚鋼板。美國掀起了全球第一次中厚板軋機(jī)的建設(shè)高潮。一口氣新建成以2輥式加4輥式型式，4064mm尺寸為主中厚板軋機(jī)16臺，其中4064mm有7臺，5000mm以上特寬的有1臺。另外改造中厚板軋機(jī)8臺，同時(shí)淘汰了若干臺3輥勞特式中板軋機(jī)。經(jīng)過新建和改造后美國中厚板產(chǎn)量猛增，到1957年中厚板產(chǎn)量已提高至1000萬t以上?？梢陨a(chǎn)高強(qiáng)船板、高韌性潛艇用板、高耐候橋梁板，以及X80大口徑直縫焊管用板。同時(shí)帶動了長輸管線的建設(shè)。
全球第二次中厚板軋機(jī)的建設(shè)高潮是在70-80年代的日本，受經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，短短幾年間便新建以4輥式加4輥式型式4700mm尺寸和4輥式5500mm單機(jī)架為主17臺中厚板軋機(jī)，其中5m以上特寬有4臺、四大公司各占1臺，4.7m的有5臺。使日本中厚板生產(chǎn)很快走向現(xiàn)代化道路，促進(jìn)了機(jī)器、船舶、汽車、家電、交通及現(xiàn)代建筑等各行各業(yè)迅速地發(fā)展起來，到1979年中厚板產(chǎn)量已達(dá)到2030萬t，有力地推動了日本造船工業(yè)的迅速發(fā)展，造船噸位很快超過1000萬t以上，成為全球第一造船大國。
隨著我國下游行業(yè)對中厚板質(zhì)量要求的提高以及對寬厚板、專用板需求的增長，目前我國中厚板軋機(jī)已經(jīng)不能滿足市場的需求，從目前情況看，我國正在掀起全球第三次中厚板軋機(jī)的建設(shè)高潮，這次建設(shè)熱潮將主要滿足我國下游行業(yè)對中厚板特殊需求的增長。
1.新建中厚板機(jī)組以寬厚板為主
隨著下游行業(yè)尤其是造船行業(yè)的發(fā)展，目前中厚板軋機(jī)已經(jīng)不能滿足用戶對寬厚板的需求，我國新上寬厚板機(jī)組將滿足這方面的需求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005-2006年我國將新上中厚板軋機(jī)19套，設(shè)計(jì)產(chǎn)能在2380萬噸，新上軋機(jī)主要以3500mm、3800mm、4300mm、5000mm四輥單機(jī)架或雙機(jī)架為主，其中5米軋機(jī)兩套，4300mm軋機(jī)一套，3800mm軋機(jī)3套，3500mm軋機(jī)7套。2007年后在建或擬建的項(xiàng)目還有鞍鋼營口5000mm寬厚板項(xiàng)目、五礦營口項(xiàng)目、北鋼中板項(xiàng)目、包鋼中板項(xiàng)目、南陽漢冶、安陽永興、鄂鋼、萊鋼等，預(yù)計(jì)產(chǎn)能在1110萬噸左右。這些軋機(jī)大多數(shù)都是大軋制力(20kN/mm以上)，大功率(2kN/mm)及高剛度(2kN/mm以上)的現(xiàn)代化中厚板軋機(jī)，大大超過日本和美國現(xiàn)有中厚板軋機(jī)性能，將成為全球新一代現(xiàn)代化中厚板軋機(jī)，為實(shí)現(xiàn)TMCP(中厚板熱機(jī)械控制處理，即控制軋制和控制冷卻技術(shù))工藝，生產(chǎn)高質(zhì)量、高性能中厚板創(chuàng)造了有利條件。
2.采取控制軋制技術(shù)
在生產(chǎn)高等級、高技術(shù)含量、高附加值產(chǎn)品時(shí)，一般都采用控制軋制技術(shù)工藝。此技術(shù)的應(yīng)用必須有良好的冷卻系統(tǒng)相配合，新建和在建的生產(chǎn)線大多都裝備了先進(jìn)的快冷系統(tǒng)。裝置一般都采用DQ+U形管層流的冷卻型式，一些老生產(chǎn)線近幾年也對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了改造，目前酒鋼中板采用ADCO氣霧冷卻，鞍鋼厚板、新余中板、舞陽厚板、武鋼軋板等采用U形管層流冷卻，首鋼中板、南鋼中板采用直流式層流冷卻，都屬于比較先進(jìn)實(shí)用的裝備。
3.爐外精煉技術(shù)
生產(chǎn)專用鋼板時(shí)，為了保證鋼水的純凈度，爐外精煉工序很重要。2005年以前只有寶鋼、鞍鋼、武鋼等少數(shù)廠可對供轉(zhuǎn)爐的鐵水進(jìn)行爐外精煉，而新建和在建的近3/5生產(chǎn)線配備了LF鋼包爐和VD真空脫氣裝置組成的爐外精煉系統(tǒng)，不少生產(chǎn)廠的爐外精煉系統(tǒng)還是專門為中厚板生產(chǎn)線獨(dú)立配備的。新建的生產(chǎn)線中絕大部分將煉鋼、連鑄、軋鋼各工序有機(jī)地聯(lián)合布置，整個生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)了熱銜接，有利于降耗、降成本。
4.熱矯直機(jī)
2005年以前大都采用輥式矯直機(jī)，此型式由于受輥徑和輥距的配合限制，所以矯直板厚有一定范圍，一般最厚與最薄之比為4，新生產(chǎn)線中大都采用有張力機(jī)能的新型矯直機(jī)。其矯直最厚與最薄之比可以達(dá)到25，而且矯直力也可以增加一倍。
5.超聲波探傷裝置
采用超聲波探傷是查明鋼鐵產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量的最理想手段，2004年以前只有鞍鋼厚板、柳鋼中板、秦皇島中板配置了此裝置，近幾年約有12條生產(chǎn)線裝備了此裝置，以濟(jì)鋼中厚板從加拿大引進(jìn)的脈沖反射多通道超聲波探傷裝置和鞍鋼厚板的探傷裝置為最好，可實(shí)現(xiàn)100%探傷。有80%的新建生產(chǎn)線配備了超聲波探傷裝置，大都為組合雙晶直探式，可進(jìn)行100%板面探傷。
6.剪切機(jī)
2l世紀(jì)初，我國中厚板生產(chǎn)線上的剪切機(jī)大都是20世紀(jì)70年代的水平，剪切精度和效率都低，這與當(dāng)時(shí)普遍存在的重軋制、輕精整有關(guān)系。近幾年，濟(jì)鋼中厚板、鞍鋼厚板、舞鋼厚板等6家企業(yè)對剪切機(jī)進(jìn)行了改造，改用先進(jìn)的滾切式雙邊剪，效果較好。新建的生產(chǎn)線大都采用滾切式雙邊剪和滾切式橫剪，剪切厚度和精度都比較理想。
7.熱處理
推行控軋控冷技術(shù)后，產(chǎn)品的熱處理量大大減少，但即使先進(jìn)國家的中厚板產(chǎn)品仍然有20%以上需熱處理后才能滿足交貨條件。熱處理工序中，目前世界上采用輥底式無氧化輻射爐被認(rèn)為是最先進(jìn)的，先進(jìn)國家已100%采用。但我國老生產(chǎn)線只有武鋼軋板、鞍鋼、濟(jì)鋼中厚板采用，而新建在建的生產(chǎn)線中絕大部分都已采用，這為熱處理質(zhì)量進(jìn)一步提高打下了良好的基礎(chǔ)。?
1.2 厚板軋機(jī)生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝
工藝流程圖
工藝流程描述：
經(jīng)檢驗(yàn)合格的板坯儲存在坯庫，稱重后開始裝爐，三座加熱爐均為步進(jìn)梁式。
鋼坯經(jīng)加熱后，出爐，然后經(jīng)過高壓水除鱗機(jī)進(jìn)行粗除鱗，粗除鱗機(jī)可以調(diào)整上噴頭的高度，以便對不同厚度的板坯進(jìn)行除鱗。
經(jīng)粗除鱗后，板坯進(jìn)入粗軋機(jī)。開始的道次（延長道次或展寬道次）是把鋼板軋制到要求的寬度，一般來說，有兩個階段的延長道次，首先鋼坯翻轉(zhuǎn)后軋制到要求的寬度，然后再次轉(zhuǎn)鋼，實(shí)際軋制順序主要看板坯的尺寸和最終鋼板的尺寸。濟(jì)鋼項(xiàng)目有五種不同的工藝，在第一階段的軋制中，產(chǎn)生不同的鋼板長度和寬度。在軋機(jī)前后分別設(shè)置了轉(zhuǎn)鋼輥道，以便在軋前和軋后進(jìn)行轉(zhuǎn)鋼。粗軋機(jī)架也裝備了高壓水除鱗機(jī)，以便去除軋制過程中產(chǎn)生的氧化鐵皮。
因?yàn)榇周垯C(jī)和精軋機(jī)分別裝備了轉(zhuǎn)鋼機(jī)和除鱗設(shè)備，因此在兩個機(jī)架均可單獨(dú)軋鋼。
為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量最大化，在延長軋制和寬展軋制道次均采用了控制輥型軋制工藝。
4600mm寬四輥精軋機(jī)裝備了液壓自動輥縫控制系統(tǒng)（AGC）、工作輥彎輥系統(tǒng)（WRB）、和西門子奧鋼聯(lián)的精確輥凸度控制技術(shù)（SmartCrown），以提高鋼板的平直度。
精軋機(jī)架同樣裝備了高壓水除鱗噴頭，以便去除軋制過程中產(chǎn)生的氧化鐵皮。機(jī)前和機(jī)后也有轉(zhuǎn)鋼機(jī)。
在本項(xiàng)目中，常規(guī)軋制工藝和TMR（熱機(jī)械軋制工藝）軋制工藝均可應(yīng)用。本設(shè)計(jì)主要考慮了二階段軋制的TMR工藝，也就是只有一個待溫過程。但是三階段控軋工藝（也就是存在兩次待溫過程），也做了考慮。利用鋼板交叉軋制技術(shù)，可以提高TMR控軋工藝的產(chǎn)量。交叉軋制就是同時(shí)在一架軋機(jī)上軋制幾張鋼板，通過計(jì)算說明，把鋼板放置在輥道上待溫就可實(shí)現(xiàn)多坯軋制，如果有側(cè)輥道會更好。
完成鋼板軋制后，通過對鋼板進(jìn)行預(yù)矯直后，進(jìn)入加速冷卻系統(tǒng)，一些高強(qiáng)度的管線鋼或其他產(chǎn)品將通過加速冷卻（ACC）或直接淬火（DQ+ACC）處理。
鋼板經(jīng)過熱矯直機(jī)，并標(biāo)記后，上冷床進(jìn)行空冷，或送到緩冷區(qū)。
經(jīng)過冷床冷卻后，鋼板進(jìn)入剪切區(qū)。切頭剪剪切鋼板的頭尾，另外，如果鋼板較長時(shí)，可把母板剪切成較短的長度，以便于運(yùn)輸。
經(jīng)過切頭剪后是雙邊剪，把鋼板剪切成要求的寬度。切邊后，進(jìn)入分段剪。
冷矯直機(jī)：
如果有要求，鋼板可使用冷矯直機(jī)進(jìn)行冷矯直，以便在入庫前獲得更好的板型。
1.3 軋鋼技術(shù)的發(fā)展前景
自2008年下半年起，隨著世界金融危機(jī)浪潮的到來，我國鋼鐵工業(yè)受到很大影響，特別是板帶產(chǎn)品價(jià)格一路下滑，行業(yè)中有“帶材賣個棒材價(jià)”的說法，國有大中型企業(yè)經(jīng)濟(jì)受到嚴(yán)重打擊。隨后，我國政府采取了一系列有力的政策措施，投入大量資金拉動內(nèi)需，加強(qiáng)基礎(chǔ)建設(shè)，使建筑用材的價(jià)格不降反升。從我國目前國情來看，作為一個發(fā)展中國家，基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展還需要延續(xù)很長一段時(shí)間，還需要大量建筑用鋼材的強(qiáng)有力支持，這也說明了大中型軋鋼產(chǎn)品在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的重要性和普遍性。
隨著國內(nèi)鋼鐵工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐的加快，國際鋼鐵市場競爭的加劇以及世界環(huán)境要求鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排呼聲高漲，大中型軋鋼技術(shù)裝備的發(fā)展趨勢正在向高效率、高品質(zhì)、高精度、高質(zhì)量、連續(xù)化、短流程、智能化和節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。今后應(yīng)著重研發(fā)應(yīng)用以下主要技術(shù)：
一是繼續(xù)改進(jìn)軋前工藝，普及應(yīng)用鋼坯熱裝熱送技術(shù)，以減少鋼坯熱能消耗，節(jié)省能源；廣泛采用步進(jìn)式加熱爐、蓄熱式燃燒技術(shù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。
二是要生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)軋材，首先要有優(yōu)質(zhì)鋼坯。因而，要廣泛采用大噸位轉(zhuǎn)爐，采取爐外精煉，連鑄電磁攪拌、輕壓下等技術(shù)手段，提高鋼水潔凈度和連鑄坯質(zhì)量，降低鋼坯成本。
三是研發(fā)應(yīng)用柔性軋制技術(shù)?，F(xiàn)代化的連續(xù)軋制工藝，既要滿足高效和大規(guī)模生產(chǎn)，又要滿足不同用戶的個性化需求。這就需要應(yīng)用柔性軋制工藝技術(shù)。該技術(shù)可在軋制過程中根據(jù)不同材料的性能要求，相應(yīng)調(diào)整軋制工藝和冷卻條件，可使同一種軋材在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)細(xì)化晶粒、相變強(qiáng)化，改變軋材的金相組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，從而獲得不同強(qiáng)度級別、不同性能的軋鋼產(chǎn)品。
四是全面推廣熱裝熱送、切分軋制、在線檢測和在線熱處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)和完善整套軋鋼工藝生產(chǎn)的程序化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的控軋控冷全線自動化控制。
五是在裝備上要適時(shí)采用多種先進(jìn)機(jī)型，如無牌坊機(jī)架、懸臂式機(jī)架、雙模塊軋機(jī)、三輥高精度減定徑軋機(jī)（即KOCKS軋機(jī)）等。對于形狀規(guī)則的型鋼的生產(chǎn)，應(yīng)逐步推廣采用平輥和萬能孔型系統(tǒng)，可以大大減少換輥和備件數(shù)量。
六是在棒線材生產(chǎn)上廣泛推廣使用高技術(shù)集成的半無頭、無頭軋制工藝技術(shù)，縮短工藝流程，即實(shí)現(xiàn)真正意義上的軋鋼一火成材或零火成材，最大限度地節(jié)約能源和降低生產(chǎn)成本。
無頭軋制技術(shù)代表著當(dāng)今軋鋼的最高水平，與傳統(tǒng)軋制方法相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：軋材全長以恒定速度軋制，減少甩尾和迭軋，降低了事故率，增強(qiáng)了軋制過程的穩(wěn)定性，提高了軋機(jī)產(chǎn)能和設(shè)備利用率；軋制過程中張力恒定，使軋材斷面波動減少，使軋材質(zhì)量均勻一致，具有優(yōu)良的工藝性能、表面質(zhì)量和外形尺寸公差；成品長度不受限制，可根據(jù)交貨要求任意剪切長度，軋材成材率顯著提高；軋件咬人次數(shù)減少，對軋輥的沖擊很少，有利于軋輥和易損件壽命的延長，降低生產(chǎn)成本。
棒線材的無頭軋制技術(shù)大致分為三種：第一種是ECR無頭軋制技術(shù)。它實(shí)現(xiàn)了從連鑄、連軋、在線熱處理、表面精整到在線檢查的全連續(xù)化，全部工序都實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制，從訂單下達(dá)到成品入庫全部加工過程不超過4小時(shí)。與其他工藝相比，無頭軋制技術(shù)在特鋼生產(chǎn)方面具有顯著的高效、節(jié)能、降低生產(chǎn)成本的優(yōu)勢。最新生產(chǎn)結(jié)果顯示，該技術(shù)可節(jié)約總體生產(chǎn)成本40美元/噸。第二種是EWR無頭軋制技術(shù)。第三種是中間坯焊接型無頭軋制技術(shù)。它的優(yōu)點(diǎn)是軋材中間坯斷面小、設(shè)備費(fèi)用少、消耗材料少，且中間坯焊接時(shí)產(chǎn)生毛刺少，易于剔除。
綜上所述，棒線材的無頭軋制技術(shù)具有明顯的優(yōu)越性和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但總體來說，在實(shí)踐中運(yùn)用的時(shí)間還不長，處于發(fā)展過程中，具有廣闊的發(fā)展前景，值得重視和深入研究。特別是EWR無頭軋制技術(shù)，由于具備新增設(shè)備不多、投資不大、設(shè)備結(jié)構(gòu)和操作均不復(fù)雜的特點(diǎn)，對于現(xiàn)有生產(chǎn)線的現(xiàn)代化改造來說具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。
第二章 設(shè)計(jì)方案的確定
2.1 工作制度
對于單機(jī)座軋機(jī)，有可逆式和不可逆的工作制度，現(xiàn)分述如下：
1.不可逆式軋機(jī)工作制度
不可逆式的工作制度應(yīng)用最廣，在這種工作制度下，每個軋輥的旋轉(zhuǎn)方向不變，而軋輥的轉(zhuǎn)速則有不變與可變的兩種。根據(jù)軋制速度來分析，不可逆式工作制度在實(shí)際生產(chǎn)操作中有以下幾種運(yùn)轉(zhuǎn)方式：
幾乎保持嚴(yán)格不變的軋制速度；
軋件通過時(shí)，軋制速度稍微降低——在這種軋機(jī)的轉(zhuǎn)動裝置中裝有飛輪，所以當(dāng)軋件通過時(shí)，軋輥轉(zhuǎn)速降低，這時(shí)飛輪釋放動能，而在間隙時(shí)間內(nèi)，飛輪的轉(zhuǎn)速升高以儲存動能；
僅在軋機(jī)調(diào)整時(shí)才調(diào)節(jié)速度——這種工作適度是不經(jīng)常調(diào)整的，但當(dāng)軋件的轉(zhuǎn)動裝置中有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的可能，以便在軋制某一段端面時(shí)得到最有利的速度，而當(dāng)軋件通過軋輥期間，軋制速度則基本保持不變。
在軋件通過時(shí)，在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)軋制速度——這種工作制度常采用低速將軋件咬入，這樣能保證將軋件順利的咬入而又不會產(chǎn)生沖擊。當(dāng)軋件咬入后，則用較高的速度軋制，而在軋制終了前為使軋件不致拋離軋輥很遠(yuǎn)，可將軋制速度降低，這種工作制度相當(dāng)便利，雖然轉(zhuǎn)動裝置造價(jià)較高，但總的看來生產(chǎn)是合理的。
2.可逆式工作制度
可逆式工作制度是當(dāng)一道軋完之后，為了能在原來的軋輥間進(jìn)行下一道軋制，將軋輥反轉(zhuǎn)，這樣軋件便在軋輥間反復(fù)進(jìn)行軋制。在這種工作制度下，軋件的咬入和拋出也是在降低扎輥轉(zhuǎn)速的情況下進(jìn)行的。
目前，對單機(jī)座小型冷帶軋機(jī)，采用可逆式有很多有優(yōu)點(diǎn)，它能大大提高生產(chǎn)效率，以減少板帶鋼的吊運(yùn)與安裝。
2.2 主轉(zhuǎn)動方式
目前，四輥軋機(jī)的主轉(zhuǎn)動方式有如下三種：
⑴傳動工作輥
⑵傳動支承輥
⑶單輥傳動
一般是電機(jī)通過減速器與齒輪座來直接傳遞工作輥，這種形式對于軋制過程比較有利，但是對于較小的軋機(jī)，它又受到工作輥輥頸和方向接軸所能傳遞的扭轉(zhuǎn)力矩的限制，而傳遞工作輥不能達(dá)到要求時(shí)，就需傳遞支承輥，而傳遞支承輥是靠摩擦力來傳遞工作輥的。這樣將會碰到關(guān)于工作輥力的傳遞問題，這就是要增大軋輥的傳動部件。同時(shí)還要考慮軋輥與軋件間的打滑問題。
為了解決上述問題，防止出現(xiàn)支承輥斷輥、工作輥方頭扭斷等現(xiàn)象，可采用異徑軋制、單輥驅(qū)動等措施來解決。本次設(shè)計(jì)由于軋制力與軋制力矩很大，需傳動工作輥，故不需考慮此問題，但同時(shí)采用單輥驅(qū)動又會帶來一系列新的問題。由于采用單輥傳動，使兩個工作輥?zhàn)匀粫a(chǎn)生一定的速度差，從而使軋制力有所降低，據(jù)實(shí)際分析證明，當(dāng)變形區(qū)長度上出現(xiàn)搓扎區(qū)，一般可能使軋制壓力下降約5~20%。由于單傳動軋制時(shí)上下輥速度的配合是自然的，過程簡單易行，無需復(fù)雜的控制系統(tǒng)。采用異徑軋制，并盡可能的減小空轉(zhuǎn)輥的直徑，充分發(fā)揮小輥的軋制可降低軋制壓力的優(yōu)點(diǎn)，以保證受力零件的正常工作，同時(shí)又有利于增大壓下量，減小道次，從而提高軋機(jī)的工作效率。
在普通的四輥軋機(jī)工作中，盡管其主機(jī)列通常是有主電機(jī)通過減速機(jī)和齒輪座傳遞兩個工作輥，但是在預(yù)壓力作用下，由于工作輥徑的差別等原因，給冷軋薄帶鋼軋機(jī)的傳動帶來很大的影響：在薄帶軋制中常出現(xiàn)量接軸傳動力矩的分配不均，某個接觸力矩為零或趨近于零。由于輥頸差事實(shí)上不可能消除，使用較大的預(yù)壓力亦是必要?？梢哉J(rèn)為，軋輥的傳動力矩在兩軋輥上的分配并不總是大致想當(dāng)相等的。在運(yùn)轉(zhuǎn)中的軋機(jī)上，即從軋輥空轉(zhuǎn)，壓靠以至軋制階段，輥頸稍大的軋輥接觸中傳動力矩永為正值，而輥頸稍小者，其傳動力矩可在負(fù)值至正值的廣大范圍內(nèi)變化，者是薄帶鋼軋制的軋機(jī)傳動特點(diǎn)，對于這類軋機(jī)，在一定的條件下實(shí)際上是單輥傳動的。一般看來，當(dāng)軋件較薄時(shí)使用預(yù)壓力較大，直徑稍小的軋輥上，其傳動接觸可能實(shí)際上不起作用，甚至反而有害。
另一方面，由于軋件較薄，又是成卷軋制的，咬入條件能夠保證，有可能實(shí)現(xiàn)單輥傳動。
在主機(jī)列中，自然可將齒輪座從設(shè)計(jì)中取消，減小設(shè)備的投資，降低動力傳傳遞的能量消耗，從而取得一定的經(jīng)濟(jì)效果并可充分利用換輥，在操作上也會有許多方便。
2.3 壓下裝置的結(jié)構(gòu)形式
壓下裝置目前有電動壓下和液壓壓下兩種結(jié)構(gòu)型式。
電動壓下
電動壓下是最常用的上輥調(diào)整裝置。通常包括：電動機(jī)、減速器、制動器、壓下螺絲、壓下螺母、壓下位置指示器、球面墊塊和測壓儀等，在可逆式板軋機(jī)的壓下裝置中，有的還安裝有壓下螺絲回松機(jī)構(gòu)，以處理卡鋼事故。
壓下裝置的結(jié)構(gòu)與軋輥的移動距離、壓下速度和動作頻率等有密切的聯(lián)系。按照壓下速度，電動壓下裝置可分為快速壓下裝置和板帶壓下裝置兩大類。
快速壓下裝置
由于其壓下速度一般大于1mm/s，故稱為快速壓下裝置。按照傳動的布置形式，快速壓下裝置有兩種類型：（1）采用立式電動機(jī)，傳動軸與壓下螺絲平行的布置形式；（2）采用臥式電動機(jī)，傳動軸與壓下螺絲垂直交叉布置形式。
板帶軋機(jī)電動壓下裝置
冷、熱軋板帶軋機(jī)的電動壓下速度約為0.02~0.1mm/s。由于板帶軋機(jī)的軋件既薄又寬又長，而且軋制速度快，軋制精度要求較高，這些工藝特征使其壓下裝置有如下特點(diǎn)：（1）軋輥調(diào)整量小；（2）調(diào)整精度高；（3）經(jīng)常的工作制度是“頻繁的帶鋼壓下”；（4）動作快，靈敏度高；（5）軋輥平行度的調(diào)整要求嚴(yán)格。
板帶軋機(jī)電動壓下的結(jié)構(gòu)形式：
四輥軋機(jī)的電動壓下大多采用圓柱—蝸輪副傳動或兩級蝸輪副傳動的形式。在設(shè)計(jì)中選擇壓下裝置的電動機(jī)和減速器配置方案是十分重要的。因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)壓下機(jī)構(gòu)時(shí)，不僅應(yīng)滿足壓下的工藝要求（壓下速度、加速度、壓下能力及壓下螺絲的單獨(dú)調(diào)整方式等），而且還應(yīng)考慮其他因素，如：電動機(jī)、減速器能否布置得開；換輥、檢修和處理事故時(shí)，吊車吊鉤能否進(jìn)入；設(shè)備檢修是否方便等。
液壓壓下
液壓壓下裝置是用液壓缸代替?zhèn)鹘y(tǒng)的壓下螺絲、螺母來調(diào)整軋輥輥縫的。在這一裝置中，除液壓缸外，還有與之配套的伺服閥、液壓系統(tǒng)及檢測儀表及運(yùn)算控制系統(tǒng)。與電動壓下裝置相比較，液壓壓下裝置有如下特點(diǎn)：
快速響應(yīng)性好，調(diào)整精度高；
過載保護(hù)簡單、可靠；
機(jī)械傳動效率高；
便于快速換輥，提高軋機(jī)作業(yè)率。
2.4 上輥平衡裝置
平衡裝置的作用是消除軋制系統(tǒng)間隙，提升上軋輥，用來大大降低咬入軋件時(shí)的沖擊和工作輥的頻繁換輥。上滾平衡裝置有重錘平衡、彈簧平衡、液壓平衡三種形式。軋機(jī)的型式不同，對平衡裝置的要求也不一樣。
現(xiàn)在在四輥板帶軋機(jī)上，廣泛使用液壓平衡裝置，它是由液壓缸產(chǎn)生的推力來進(jìn)行工作的。液壓平衡優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，工作靈敏度高，平衡效果好。
四輥板帶軋機(jī)上軋輥平衡裝置有以下特點(diǎn)：
由于工作輥和支承輥之間靠摩擦傳動以及工作輥和支承輥的換輥周期不同，故工作輥和支承輥應(yīng)分別平衡；
上輥移動的行程較?。ㄗ畲笮谐淌前磽Q輥決定的），移動的速度不高；
工作輥換輥頻繁，平衡裝置的設(shè)計(jì)需要使換輥方便；
在單張軋制的可逆四輥軋機(jī)上，工作輥平衡裝置應(yīng)滿足空載加、減速時(shí)工作輥和支承輥之間不打滑的要求。
2.5軋機(jī)機(jī)架
軋鋼機(jī)架是設(shè)備的一個重要大型部件，軋輥軸承座及軋輥調(diào)整裝置等都安裝在機(jī)架上，其尺寸和重量最大，在軋制過程中承受和抵消其主要負(fù)荷，而且要求機(jī)架的變形要小，以滿足產(chǎn)品的質(zhì)量要求。因此機(jī)架必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證其應(yīng)力分布均勻、變形盡可能小。
根據(jù)軋鋼機(jī)型式和工作要求，軋鋼機(jī)機(jī)架分為閉式和開式兩種。閉式機(jī)架是一個整體框架，具有較高強(qiáng)度和剛度。閉式機(jī)架主要用于軋制力較大的初軋機(jī)、板坯軋機(jī)和板帶軋機(jī)等。對于板帶軋機(jī)來說，為提高軋機(jī)精度，需要有較高的機(jī)架剛度，因此采用閉式機(jī)架。采用閉式機(jī)架的工作機(jī)座，在換輥時(shí)，軋輥是沿其軸線方向從機(jī)架窗口中抽出或裝入，這種軋機(jī)一般都設(shè)有專用的換輥裝置。
2.6 設(shè)計(jì)方案的確定
本設(shè)計(jì)采用：不可逆工作制度，驅(qū)動工作輥，壓下裝置為電動壓下，輥為四缸平衡，機(jī)架為閉式機(jī)架。
第三章 專題設(shè)計(jì)計(jì)算部分
3.1設(shè)計(jì)題目及要求
設(shè)計(jì)題目：1210/2200 4600mm厚板軋機(jī)軋輥系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)要求：
⑴在滿足生產(chǎn)工藝及強(qiáng)度、剛度的條件下尺寸盡量??；
⑵運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識，完成冷軋機(jī)單體設(shè)計(jì)；
⑶對已有設(shè)備進(jìn)行綜合分析，提出最佳方案；
⑷完成電動壓下系統(tǒng)、軋系、上輥平衡裝置等設(shè)計(jì)。
3.2軋制過程變形區(qū)及其參數(shù)
變形區(qū)是指軋件在軋制過程中直接與軋輥相接觸而發(fā)生變形的那個區(qū)域，如圖3-1所示。其基本參數(shù)為：
圖3-1 變形區(qū)幾何圖形
——軋制前、后軋件高度（厚度），mm；
——軋制前后軋件的平均高度，mm，；
——壓下量（絕對壓下量），mm，；
——軋制前、后軋件寬度，mm；
——寬展量（絕對寬展量），mm，；
——軋制前、后軋件長度，mm；
——咬入角（變形區(qū)所對應(yīng)的軋輥中心角），；
——接觸弧水平投影長度，mm，可近似認(rèn)為；
——臨界角（中性角）；
——軋輥直徑、半徑，mm。
3.3原始數(shù)據(jù)
1. 軋制材料： 橋梁鋼板Q370；
2. 板寬B=4000mm，帶厚h0=40mm，成品厚度=30mm；
3.工作輥直徑 =1210mm；
4.支承輥直徑 =2200mm；
5. 軋制速度 v=7.22m/s；
6.軋制溫度 t=10001100℃。
3.4主要參數(shù)的確定
本道次加工過程中，鋼板厚度由40mm被軋制為30mm
鋼板材料為Q370
（1）本道次壓下量
=-=40-30=10（mm）
（2）本道次相對壓下量或變形程度
（3）金屬材料的屈服極限
查相關(guān)手冊得=360~600M
（4）變形速度的確定
平均變形速度
—— 接觸弧長度的水平投影 ==77.78mm
——軋件出口速度
則平均變形速度為
（5）平均單位壓力計(jì)算
中厚板軋機(jī)軋制特點(diǎn)與初軋開坯軋機(jī)相近，外區(qū)影響是主要的；它與初軋機(jī)不同點(diǎn)是寬度較大，可近似認(rèn)為是平面應(yīng)變情況，此時(shí)=1。
其平均單位壓力可表示為
圖3-2 不同比值時(shí)與的關(guān)系曲線（）
根據(jù)圖3-2可得
其中R為工作輥的半徑；
為成品厚度；
查圖3-3得
則
圖3-3 Q370鋼變形阻力曲線
3.5咬入條件的校驗(yàn)
只有軋件被軋輥咬入進(jìn)入變形區(qū)，軋制過程才能建立。軋輥咬入條件，可分為兩個階段，即開始咬入階段和已經(jīng)咬入階段。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，熱軋板帶鋼時(shí)允許的咬入角為510
由公式，得=7.37
所以滿足開始咬人階段的要求。
由圖3-4可知，當(dāng)軋件被咬入后，若繼續(xù)咬入，則必須符合以下條件，即。
由于 ，所以。這說明了軋件一旦咬入，就會繼續(xù)咬入，軋制過程就能建立起來。
圖3-4 開始咬入（a）及咬入后（b）作用于軋輥上的力
3.6軋制力計(jì)算
軋件對軋輥的總壓力P為軋制平均壓力與軋件和軋輥接觸面積F之乘積，即
其中接觸面積F的一般形式為
式中 、——軋制前后軋件的寬度，此處=4000mm；
——接觸弧長度的水平投影。
計(jì)算接觸面積實(shí)質(zhì)上是計(jì)算接觸弧長度。
對于軋制中厚板、板坯、方坯及異型斷面軋件一般不考慮軋制時(shí)軋輥產(chǎn)生彈性壓扁現(xiàn)象。
軋制板材（中厚板）、板坯、方坯時(shí)在兩個軋輥直徑相同的情況下，接觸弧長度的水平投影為
式中 ——軋輥半徑；
——壓下量
則接觸面積
軋件對軋輥的總壓力
3.7軋制力在接觸弧上作用點(diǎn)的位置
軋制力在接觸弧上作用點(diǎn)的位置即角的確定
熱軋時(shí)
式中，——咬入角，=7.37
則
3.8軋制力矩的計(jì)算
傳動工作輥的軋輥受力情況如圖3-5所示。作用于工作輥上的力有三個：軋制力P，它與力臂a組成軋制力矩；工作輥軸承處的摩擦力F，它與摩擦圓半徑相切；支承輥對工作輥的反力R。當(dāng)忽略支承輥軸承處的摩擦及工作輥與支承輥間的滾動摩擦?xí)r，支反力R的方向應(yīng)在軋輥圓心連心線上。如考慮上述摩擦的影響，R力應(yīng)與摩擦圓半徑相切，并在工作輥與支承輥接觸處偏離一個滾動摩擦力臂的距離m。一般情況下，m=0.1—0.3mm。
傳動軋輥所需力矩為軋制力矩，由工作輥帶動支承輥的力矩與工作輥軸承中摩擦力矩三部分之和，即
求軋制力矩
式中，——軋制力
——軋制力力臂，其大小與軋制力作用點(diǎn)及前后張力有關(guān)
此軋制過程中，。此時(shí)，， 前后張力對軋制力方向影響的偏轉(zhuǎn)角。其中
——工作輥直徑
——不考慮張力時(shí)軋制力作用點(diǎn)對應(yīng)的軋輥中心角。
其中為嚙入角
——前后張力對軋制力方向影響的偏轉(zhuǎn)角
圖3-5 當(dāng)帶張力軋制時(shí)四輥軋機(jī)軋輥受力圖（傳動工作輥）
求工作輥傳動支承輥的力矩
式中，——工作輥與支承輥連心線與垂直線的夾角， ；
——軋輥連心線與反力R的夾角，
。一般情況下， ，取；
——支承輥摩擦圓半徑，，
—油膜軸承的摩擦系數(shù)，。
——反力R對工作輥的力臂，
；
——支承輥直徑；
——工作輥軸線相對支承輥軸線的偏心距 。由于的數(shù)值（一般為5~10mm）相對與工作輥與支承輥直徑來說很小，在計(jì)算傳動力矩時(shí)，為了簡化，可認(rèn)為=0，即工作輥不偏移，此時(shí)計(jì)算結(jié)果誤差不超過1%。此時(shí)，。
求工作輥軸承的摩擦力矩
式中，—工作輥軸承處的反力，當(dāng)時(shí)，
——工作輥摩擦圓半徑，，—滾動軸承的摩擦系數(shù)，。
則軋制力矩=
傳動兩個工作輥總傳動力矩為
3.9軋機(jī)主電動機(jī)功率的確定與選擇
一．軋輥與電機(jī)的速比
軋制速度
工作輥轉(zhuǎn)速
支承輥轉(zhuǎn)速
初選電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為1500r/min
軋輥與電機(jī)的傳動比 ，取=15
二． 軋輥與電機(jī)間的效率
萬向接軸的傳動效率 ，取
齒輪座傳動效率，取
減速器傳動效率，取
總傳動效率
三． 電動機(jī)力矩
靜負(fù)荷圖上的最大力矩：
式中 ——額定靜力矩，KN?m;
——靜負(fù)荷圖上的最大力矩；
——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min;
——電動機(jī)過載系數(shù)，可逆運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)=2.5～3.0,不可逆電動機(jī)=1.5～2.0，帶有飛輪電機(jī)=4～6，取=1.7。
——電動機(jī)的功率。
3.10機(jī)架的基本尺寸及校核
3.10.1機(jī)架的類型及結(jié)構(gòu)
軋鋼機(jī)架是工作機(jī)座的重要部件，軋輥軸承座及軋輥調(diào)整裝置等都安裝在機(jī)架上。機(jī)架要承受軋制力，必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。
根據(jù)軋鋼機(jī)型式和工作要求，軋鋼機(jī)機(jī)架分為閉式和開式兩種。
1.閉式機(jī)架
閉式機(jī)架是一個整體框架（圖3-6），具有較高強(qiáng)度和剛度。閉式機(jī)架主要用于軋制力較大的初軋機(jī)、板坯軋機(jī)和板帶軋機(jī)等。對于板帶軋機(jī)來說，為提高軋機(jī)精度，需要有較高的機(jī)架剛度。對于某些小型和線材軋機(jī)，也往往采用剛度較好的閉式機(jī)架，以獲得較好的軋機(jī)質(zhì)量。 采用閉式機(jī)架的工作機(jī)座，在換輥時(shí)，軋輥是沿其軸線方向從機(jī)架窗口中抽出或裝入，這種軋機(jī)一般都設(shè)有專用的換輥裝置。 2.開式機(jī)架 圖3-6 閉式機(jī)架簡圖
開式機(jī)架由機(jī)架本體和上蓋兩部分組成（圖3-7）,它主要用在橫列式型鋼軋機(jī)上，其主要優(yōu)點(diǎn)是換輥方便。因?yàn)椋跈M列式型鋼軋機(jī)上如果采用閉式機(jī)架，由于受到相鄰機(jī)座和聯(lián)接軸的妨礙，沿軋輥軸線方向換輥是很困難的。采用開式機(jī)架，只要拆下上蓋，就可以很方便地將軋輥從上面吊出或裝入。開式機(jī)架主要缺點(diǎn)是剛度較差。影響開式機(jī)架剛度和換輥速度的主要關(guān)鍵是上蓋的聯(lián)接方式。常見的上蓋聯(lián)接方式有五種。
圖3-7 開式機(jī)架上蓋連接方式
a——螺栓聯(lián)接；b——立銷和斜楔聯(lián)接；c——套環(huán)和斜楔聯(lián)接；
d——橫銷和斜楔聯(lián)接；e——斜楔聯(lián)接
3.10.2 機(jī)架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)
機(jī)架的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)是窗口寬度、高度和立柱斷面尺寸。
在閉式機(jī)架中，機(jī)架窗口寬度應(yīng)稍大于軋輥?zhàn)畲笾睆?，以便于換輥；而開式機(jī)架窗口寬度主要決定于軋輥軸承的寬度。
四輥軋機(jī)機(jī)架窗口寬度一般為支承輥直徑的1.15～1.30倍。為換輥方便，換輥側(cè)的機(jī)架窗口應(yīng)比 傳動側(cè)窗口寬5～10，亦可表示為
式中 ——機(jī)架窗口寬度, ；
——支承輥軸承座寬度，；
——窗口滑板厚度，，一般取=20～40，此處取=35；
機(jī)架窗口高度主要根據(jù)軋輥?zhàn)畲箝_口度、壓下螺絲最小伸出端（至少有2～3扣螺紋長度），以及換輥等要求確定。
對于四輥軋機(jī)，可取
=(2.6～3.5)()= (2.6～3.5)（1210+2200）=8866～11935
此時(shí)取H=11400；
式中，、——工作輥、支承輥直徑， ；
機(jī)架立柱的斷面尺寸是根據(jù)強(qiáng)度條件確定的。由于作用于軋輥輥頸和機(jī)架立柱上的力相同，而輥頸強(qiáng)度近似的于其直徑平方（）比，故機(jī)架立柱的斷面積（）與軋輥輥頸的直徑平方（）有關(guān)。在設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)比值的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定機(jī)架立柱斷面積，再進(jìn)行機(jī)架強(qiáng)度驗(yàn)算。
表3-1 機(jī)架立柱斷面積與軋輥輥頸直徑平方的比值
由表3-1得，當(dāng)軋輥材料為鑄鐵時(shí)，0.6～0.8，即
=(0.6～0.8)(1210)=878460～1171280
此時(shí)取=10251000。
3.10.3機(jī)架的材料和許用應(yīng)力
軋鋼機(jī)機(jī)架一般采用含碳量為0.25﹪～0.35﹪的ZG270～500，其強(qiáng)度極限～600，延伸率12﹪～16﹪。
為了防止機(jī)架在過載時(shí)破壞，在軋輥斷裂時(shí)機(jī)架要不產(chǎn)生塑性變形。根據(jù)這一要求，機(jī)架的安全系數(shù)為
﹥
式中 ——機(jī)架的安全系數(shù)；
——軋輥的安全系數(shù)；
——機(jī)架材料的強(qiáng)度極限；
——機(jī)架材料的屈服極限。
在一般情況下，材料強(qiáng)度極限與屈服極限的比值近似為2，為了安全起見，可將機(jī)架安全系數(shù)去為
=（2～2.5）
當(dāng)軋輥安全系數(shù)取為5時(shí)，機(jī)架的安全系數(shù)為10～12.5。
3.10.4機(jī)架強(qiáng)度計(jì)算
軋鋼機(jī)機(jī)架強(qiáng)度和變形計(jì)算，一般可采用如下步驟：⑴將機(jī)架結(jié)構(gòu)圖簡化成為剛架，即以機(jī)架各斷面的中性軸的連線組成框架，近似的處理成直線或規(guī)整的圓弧線段，并確定求解斷面的位置；⑵確定靜不定階數(shù)，如一般閉式機(jī)架是三次靜不定問題，需做一系列假設(shè)來簡化模型，降低靜不定階數(shù)；⑶確定外力的大小及作用點(diǎn)；⑷根據(jù)變形諧調(diào)條件，用材料力學(xué)中任一種方法（卡氏定理，莫爾積分法，圖乘法，力法等）求解靜不定力和力矩；⑸根據(jù)計(jì)算截面的面積、慣性矩、中型軸線的位置及承載情況，求出應(yīng)力和變形。
用材料力學(xué)方法計(jì)算閉式機(jī)架的強(qiáng)度時(shí)，為了簡化計(jì)算，一般做以下假設(shè):⑴每片機(jī)架只在上下橫梁的中間斷面處受有垂直，而且這兩個力大小相等、方向相反，作用在同一直線上，即機(jī)架的外負(fù)荷是對稱的。此時(shí)，機(jī)架沒有傾覆力矩，機(jī)架底腳不受力。應(yīng)該指出，由于兩個軋輥直徑和速度的不同、軋制速度的變化和咬入時(shí)沖擊引起的慣性力，或在張力軋制時(shí)，軋制力方向都不是垂直的。由于水平分力的數(shù)值一般都較小，約為垂直分力的3﹪～4﹪，故可以忽略不計(jì)。只有當(dāng)水平分力較大時(shí)（例如，超過垂直分力的15﹪） ，則應(yīng)考慮水平分力的影響。⑵機(jī)架結(jié)構(gòu)對窗口的垂直中心線是對稱的，而且不考慮由于上下橫梁慣性矩不同所引起的水平內(nèi)力。 ⑶上下橫梁和立柱交界處（轉(zhuǎn)角處）是剛性的（一般機(jī)架轉(zhuǎn)角處的剛性都是比較大的），即機(jī)架變形后，機(jī)架轉(zhuǎn)角仍保持不變。
根據(jù)上述假設(shè)，機(jī)架外負(fù)載和幾何尺寸都與機(jī)架窗口垂直中心線對稱，故可將機(jī)架簡化為一個由機(jī)架立柱和上下橫梁的中性軸組成的自由框架。如將此框架沿機(jī)架窗口垂直中心線剖開，則在剖開的截面上，作用著垂直力和靜不定力矩(圖3-8)。由于機(jī)架左右對稱，所以力矩可由半個機(jī)架的彈性變形位能求出。此時(shí)，截面Ⅰ-Ⅰ的轉(zhuǎn)角等于零，按卡氏定理
3-1
式中 ——彈性模數(shù)；
——截面Ⅰ-Ⅰ與計(jì)算截面間的機(jī)架中性線長度；
——機(jī)架計(jì)算截面上的彎曲力矩；
——機(jī)架計(jì)算截面上的慣性矩。
在斷面處的彎曲力矩為
3-2
圖3-8 機(jī)架計(jì)算簡圖及彎曲力矩圖
式中——作用于機(jī)架上的垂直力,；
——垂直力相對于計(jì)算截面的力臂。
力矩的導(dǎo)數(shù)為
=-1