材料成型及控制工程课程设计(DOC)

辽宁科技大学

课程设计说明书

设计题目：冷轧0.45×1200mm Q235钢轧制规程设计学院：材料与冶金学院

专业：材料成型及控制工程

姓名：***

指导教师：***

成绩：

目录

1前言 (1)

1.1冷轧概念 (1)

1.2冷轧工艺特点 (1)

1.3冷轧薄板生产过程 (2)

2 轧制工艺制度的制定 (4)

2.1原料的选择 (4)

2.2 工艺制度的确定 (4)

2.2.1 压下制度 (4)

2.2.2 张力制度 (5)

2.2.3 速度制度 (6)

2.2.4 轧制力计算 (7)

3设备强度及能力校核 (11)

3.1轧辊各部分尺寸确定 (11)

3.2咬入能力校核 (12)

3.3轧辊强度校核 (12)

3.3.1工作辊校核 (13)

3.3.2支承辊校核 (15)

3.3 接触应力校核 (16)

3.4电动机功率校核（第四架为例） (17)

3.4.1轧制力矩 (17)

3.4.2 摩擦力矩 (17)

3.4.3空转力矩 (17)

4小结 (18)

1前言

在钢材加工过程中，除了少部分采用锻造或铸造等方法直接成材外，其余约80%以上都是经过轧制成材。而冷轧板带钢的生产工艺，避免了热轧中存在的温降和温度分布不均的弊病，可以生产出厚度更薄、尺寸更精确、表面更光洁、板形更平直的板卷。

本冷轧带钢轧制规程课程设计参考鞍钢冷轧厂1#线而进行。设计生产规格为0.45×1200mm的Q235冷轧薄板。本设计对冷轧的生产特点以及主要工序作了简单的介绍，并制定了轧制制度，计算了轧制力，对咬入条件、轧辊强度、电机功率进行了校核。

1.1冷轧概念

冷轧是金属在再结晶温度以下的轧制过程。冷轧时金属不会发生再结晶，但会发生加工硬化现象。

加工硬化是金属在轧制过程中强度、硬度增加，而韧性、塑性下降的现象。

冷轧板带钢的优势：

1）可生产厚度更小的薄板

2）带材沿宽度和长度方向能获得均匀的厚度，板形更好。

3）冷轧时采用的轧辊表面光洁硬度大，可得到表面质量好，表面光洁的产品。

4）带材经冷轧后，进行不同的热处理，可以得到不同机械性能的产品。

1.2冷轧工艺特点

（1）加工温度低，钢在轧制过程中产生加工硬化；

加工硬化的影响：

①变形抗力增大，使轧制力加大。

②塑性降低，易发生脆裂。

（2）冷轧中采用工艺冷却与工艺润滑；

①工艺冷却：冷轧过程中的变形热和摩擦热使轧件和轧辊温度升高，须采用有效的人工冷却。

②工艺润滑

工艺润滑的作用：

①减少金属的变形抗力（实现大压下和轧制更薄板材）；

②冷却轧辊；

③防止粘辊。

天然油脂（动、植物油脂）润滑效果优于矿物油。

常用冷润液-乳化液:通过乳化剂的作用把少量的油剂和大量的水混合起来，制成乳状的冷润液。乳化液的冷却能力介于水和油之间，一般为水的40~80%，随着乳化液浓度的增加，其冷却能力下降。

（3）冷轧中采用张力轧制：

张力轧制—轧件在轧辊中的辗轧变形是在有一定的前张力和后张力作用下实现的。

张力--作用在轧件轧制方向上的力。

前张力--作用方向与轧制方向相同的张力。

后张力--作用方向与轧制方向相反的张力。

张力的作用：

①防止带钢在轧制过程中跑偏（保证正确对中轧制）；

②使所轧带钢保持平直（包括在轧制过程中保持板形平直以及轧后板形良好）；

③降低轧件的变形抗力，便于轧制更薄的产品；

④起适当调整冷轧机主电机负荷的作用。

1.3冷轧薄板生产过程

冷轧生产各工序简介：

热轧板卷料→酸洗→冷轧→退火→平整→精整→包装→入库

（1）酸洗

盐酸或硫酸为溶剂去除热轧来料的氧化铁皮，使之表面光洁，便于冷轧。

（2）轧制

四辊式轧机，5~6机架连轧

(3）脱脂与退火

1)脱脂：冷轧后的清洗工序，去除钢板表面的油脂和污物，防止退火后带钢表面上生成黑斑和灰层。

2)脱脂方法：

电解清洗、机上洗净与燃烧脱脂。

3)退火：使轧制时受到加工硬化的金属重新软化，消除内应力和得到细小均匀的晶粒。

(4）平整：退火后带钢以小压下率进行轧制的过程叫做平整。（1~5%）目的：

1)消除材料的屈服平台，防止加工时的拉伸应变；

2)提高材料的强度极限，扩大塑性加工范围。平整量不同钢种的机械性能产生一定幅度的变化；

3）矫正板材的形状；

4）根据用户的要求生产表面粗糙度不同的带钢，对镀层板加工成光滑表面，而对涂层板加工层表面打毛均匀的表面。

（5)成品剪切

平整后的钢带经过成品剪切后成为钢带的最终交货状态。

2 轧制工艺制度的制定

2.1原料的选择

本设计产品规格要求：0.45×1200 mm ，钢种为Q235普碳钢。根据冷轧

过程中总压下率在60%-80%左右，轧制过程中忽略宽展。原料规格为：2.0×1220 mm ，则总压下率为77.5%。根据鞍钢冷轧一号线1700连轧机组进行设计,采用四辊轧机五机架连轧：

（1）工作辊直径：φ（520～600）mm ，选φ540 mm ； （2）支承辊直径：φ（1400～1525）mm ,选φ1450 mm 。 其主要设备如下表：

2.2 工艺制度的确定 2.2.1 压下制度

根据等轧制力原则采用分配压下系数如表2-2-1，令轧制中的总压下量为

h ∑?，则各道次的压下量h ?为：

i i h b h ?=∑?

式中：i b —压下分配系数

冷轧压下分配规则

1）第一道次考虑后张力较小，带钢容易跑偏;坯料厚度不均匀等，应小于设备所允若的最大能力，留有适当余量；

2）第二、三道次采用大压下率轧制；

3）精轧道次不采用大的压下率，保证板形及厚度精度。

表2-2-2 冷连轧机压下分配系数

第一道次：

()()111111111111 0.5

2.000.45 1.55

0.5 1.550.78 2.000.78 1.22 /2 1.22 2.00/2 1.61 / 100%0.78/2.00100%39.00%

b h h b h mm h H h mm h h H mm

h H ε=∑?=-=?=∑?=?==-?=-==+=+==??=?=

同理可得，第二道次至第五道次的压下规程，如下表

表2-2-3 轧制规程表

2.2.2 张力制度

冷连轧的特点之一是采用大张力轧制，所以一般单位张力q 为（0.3～0.5）s σ，轧机不同、轧制道次不同、钢种不同、规格不同等影响，张力变化范围较宽。后

张力与前张力相比对减少单位轧制压力效果明显，足够大的后张力能使单位轧制压力降低35%，而前张力只能降低20%左右。且单位张力后机架要比前机架大一些。机组的张力根据经验，第一道次后张力、第五道次前张力在30-50之间，第二道次至第五道次的前张力大于后张力5-10即可。所以各机架张应力分配如下：

表2-2-4 各机架张力分配

2.2.3 速度制度

连轧时，保证正常轧制的条件是轧件在轧制线上每一架的秒流量相等，即：

111222333444555B hV B h V B hV B h V B h V ==== V 5

式中： B —轧件的宽度 h —轧件的厚度 V —轧件的水平速度 轧制过程中忽略宽展，则：

1122334455hV h V h V h V h V ====

根据经验值选取最后一架轧机出口速度为20.00m/s ，则：

1122334455hV h V h V h V h V ====

4554355325521551/20.000.45/0.4818.75//20.000.45/0.5815.52 //20.000.45/0.7611.84//20.000.45/1.227.38 /V V h h m s V V h h m s

V V h h m s V V h h m s ==?===?===?===?=

利用前滑值计算轧辊的转速： 第一道次：

咬入角： 0.78a r c c o s (1)

a r c c o s (1

)3.08

540

h

D α?=-=-=? 中性角： 3.08 3.14 3.08 3.14(1)(1)0.01722218020.07180

f ααγ??=

-=?-=??? 前滑值： 22

0.0172700.0641.22h s R h γ==?=

则： 117.38

6.94/110.064

h V v m s

s =

==++ 16060 6.94

245.45/min 3.140.54

n r D νπ?=

==? 同理可得，第二道次至第五道次的轧辊转速，如下表

表2-2-6 各机架速度表

2.2.4 轧制力计算

各机架摩擦系数的选取：第一道次考虑咬入，不喷油，故取0.07，以后喷乳化液取0.06，考虑最后一道次压下量较小，轧速快，取摩擦系数0.05。

由于冷轧薄板的宽展很小，故设计采用M.D.Stone 公式计算平均单位压力：

()

1

X e P K Q X

-=-

式中： h

fl X '

=

； 2h H h +=。

'l —考虑轧辊弹性压扁的变性区长度； K —平面变形抗力，S K σ15.1=;

Q —前后张应力平均值，2

2

1Q Q Q +=（Q 1—前张力，Q 2—后张力） 第一道次：

由于在变形区内各断面处变形程度不等，因此，通常根据加工硬化曲线取本道次平均总压下率所对应的变形抗力值s σ。平均总压下率ε∑按下式计算： ε∑=106.04.0εε+ 式中：000)(H H H -=ε——本道次轧前的预变形量； 001)(H h H -=ε——本道次轧后的总变形量； 0H ——冷轧前轧件的厚度； H ——本道次轧前轧件的厚度； h ——本道次轧后轧件的厚度。

由热轧原料开始轧制，冷轧入口总压下率为0，出口总压下率为39.00%。求平均总压下率ε∑：

010.40.60.639.00%23.40%εεε∑=+=?=

查阅Q235钢的加工硬化曲线

图2-1 Q235钢种加工硬化曲线 1-纵向；2-横向

可知 460a s MP σ≈=

所以

1.15 1.15460529a s K MP σ==?=

求平均单位张力: 8050

65a 2

Q MP +=

=

14.51l mm ===

0.0714.510.6311.61fl z h

?=

==

20.398z =

22911

8(1)/8(10.25)/(3.1420010) 1.1910C E μπ-=?-=?-??=?式中：μ—泊松比，取0.25 E —弹性模量，取200GPa

()

()1160.0722 1.191027052965100.130

1.61f y CR

K Q h

-=-=?????-?=

查阅斯通图

图2-2 确定f 'l /h 之图表

得： '

0.73fl X h

=

=

0.73 1.61

'16.790.07

X h l mm f ?=

== 应力状态系数： 0.7311

1.4730.73

X e e n X --=== ()

()52965 1.473683.47p K Q n MPa =-=-?=

'683.4716.79122014000.06P pl B KN ==??=

同理可得，第二道次至第五道次的计算结果，如下表

表2-2-7 各道次计算结果

3设备强度及能力校核

3.1轧辊各部分尺寸确定

轧辊直接承受轧制力和转动轧辊的传动力矩，属于消耗性零件，就轧机整体而言，轧辊安全系数最小，轧辊强度往往决定整个轧机负荷能力，因此，要对轧辊进行校核。

表3-1-1 轧辊材质及许用应力值

轧辊各部分尺寸分别为：

工作辊：辊身直径540 g D mm =，辊身长度1700g L mm =； 工作辊辊颈直径： (0.5

0.55)

280g g d D mm ==；

工作辊辊颈长度：(0.83 1.0)0.9280252g g l d mm ==?=； 工作辊压下螺丝间的中心距：g 252252

170019522222

g g g l l a L mm =+

+=+

+=; 支承辊：辊身直径1450z D mm =，辊身长度1700z L mm =； 支承辊辊颈直径:(0.50.55)750z z d D mm ==；

支承辊辊颈长度：(0.83 1.0)0.9750675z z l d mm ==?=； 支承辊压下螺丝间的中心距：675675

170023752222

z z z z l l a L mm =+

+=++= 辊头均采用扁头万向接轴辊头,电机功率5500N KW =

表3-1-2 轧辊各部分尺寸

3.2咬入能力校核

轧机要能够顺利进行轧制必须保证咬入符合轧制规律，所以对咬入条件进行校核：

)cos 1(α-=?D h

βα≤

式中：D —工作辊直径； h ?—轧件的压下量； α—咬入角; β—摩擦角

原料在第一架轧机咬入比较困难，所以对第一架进行咬入能力的校核。校核如下：

0.78

arccos(1) 3.08540

α=-

=? 而βtan =f ，得到：

?===00.407.0arctan arctan f β

由于 3.08 4.00αβ=?<=?，因此，第一架轧机可以实现带钢顺利咬入；其余各道次压下量均小于第一道，所以都能顺利咬入。

3.3轧辊强度校核

表3-3-1 校核相关参数

根据五机架冷连轧机轧制力考虑，现在对第四架轧机的轧辊进行校核：

3.3.1工作辊校核

四辊轧机支承辊与工作辊承受弯矩之比等于直径比的四次方，其弯曲应：

分配也和弯矩一样，即和g z P P 4

4

z 145052540z z g g g P M D P M D ????===≈ ? ? ???

??， 而44074.80z g P P P KN +==，得到

44074.80831.605353g P P KN =

== ； 525244074.80

43243.205353

z P P KN ?=== 1）辊身：

假定工作辊放在两支点上，画出其弯矩图如下：

如上弯矩图，工作辊在其中间部位产生最大弯矩，如上面计算：

1a 1.952 1.22831600279001.84848g g g B M P N m ????

=-=?-=? ? ?????

；

由于水平张力差导致的弯矩为：

1100.5812201000.48122019276T N =??-??=，

2a 19276 1.952 1.223233.5524824

8g g T B M N m ????

=

-=?-=? ? ?????；

辊身中部的合成力矩为：

279020.54g M N m ===?

工作辊在最大重车后的直径540D mm =，因此辊身中部的最大弯曲应力为：

[]3

279020.54

17.720.10.54

g g g

M M P a W σσ=

=

=

由于工作辊传动，校核辊头扭转强度。

mm D D D D 5301054010)10~5(11=-=-=-=，取， mm

D a D a 3186.0)6.0~5.0(11===，取，

55009549

954982041.21640.16

n P M N m n ==?=? []3382041.2112.270.2080.2080.318

n n n M M MPa W a ττ=

===

3.3.2支承辊校核

1）辊身：

由上图可知，在辊身中部产生最大弯曲力矩，其大小如上面所求：

a 2.375 1.743243.216486.474848z z z z l M P KN m ????

=-=?-=? ? ?????

支承辊在最大重车后的直径为1450D mm =，则辊身中部的最大弯曲应力

为：

[]33

16486.47

54.080.10.1 1.45z z z M MPa D σσ=

==

2）辊颈

3643243.223751700107.3010222

z d P M c N m --=

=??=?? []6

33

7.30101730.10.10.75

d d d d M M MPa W d σσ?====

3.3 接触应力校核

工作辊与支承辊表面接触产生接触应力，它将影响轧辊的轧制寿命，应加以校核。计算接触应力使用赫兹公式：

2

1212

21max )()

(r r K K r r q ++=

πσ 式中： q ——接触表面单位长度上的负荷；

21r r ，——相互接触两个轧辊的半径；

21K K ，——与轧辊材料有关的系数，

1

2111E K πμ-= 22

2

21E K πμ-=

轧辊材料相同，120.305E 190GPa r 270r 725mm mm μ====，，，，

44074.8

25926.35/1.7

P q KN m l =

==

'

max

2096.14MPa σσ??==

max max 0.3040.3042096.14637.23MPa τστ??==?=

所以，轧机符合轧制带钢时的轧制要求

3.4电动机功率校核（第四架为例） 3.

4.1轧制力矩

3-3220.3831.6010 5.196102592.60z g M xP l N m ==?????=?

其中： x —力臂系数，取0.3； g P —轧制压力；l —接触弧长度。

3.4.2 摩擦力矩

311831.60100.280.0511624.4m g g M P d f N m ==???=?

12112592.6011624.40

11246.250.97 1.7856Z m m M M M N m i η??++??=-?=-?=? ? ?????

其中： g d —工作辊辊径直径； 1f —轧辊轴承中摩擦系数，此处取0.05； η—粘性系数，取0.97；i —传动比，取1.7856。

1211624.4

264.256756.331.7856

m m m M M M N m i =

+=+=?； 3.4.3空转力矩

(0.03~0.06)0.060.0582041.214102.06k H H M M M N m ===?=?； 式中：H M ——电机额定转矩，所以传动轧辊电机轴上所需力矩为： 2592.606756.334102.0612.311.7856

z m k H M M M M KN m M i =

++=++=?<； 所以电机功率符合要求，其他各架轧机轧制力均小于此架，电机功率动能符合要求。

根据以上对轧机工作辊辊身弯曲强度、辊头扭转强度，支承辊辊身弯曲强度、辊颈弯曲强度以及电机功率的计算结果，均小于其许用应力及额定功率，在所需负荷条件下都能正常工作，所以设计过程各个参数满足要求，设计成功！

4小结

经过三周的时间，在老师的指导下，我顺利完成了本次工艺课课程设计。通过本次课程设计，我能把课堂上所学到的理论知识与实际的设计工作相结合，使得这些知识得到巩固、加深。

在设计过程中，不断的翻阅和查找相关资料，这不仅仅是一门学科的简单应用，而是综合了多门学科的专业理论知识，包括《轧制工程学》、《轧钢机械设备》、《金属塑性加工学》、《塑性成型与轧制理论》等。书本必不可少，相关论文也是设计的重要参考。

虽然这是一次简单的冷轧轧制规程设计，却很好的锻炼了我们解决一些实际工程问题的能力。如压下率如何分配，轧制力计算是否合理等。总之，在遇到实际工程问题时，只有通过多翻阅资料收集信息，不断地锻炼学习，不断的锻炼自己分析问题、解决问题的能力，才能使自己的专业能力得到进一步巩固和加强。

参考文献

[1] 康永林轧钢工程学[M].北京：冶金工业出版社，2006:2.

[2] 王廷溥金属塑性加工学[M].北京：冶金工业出版社，1997:210.

[3] 刘宝珩轧钢机械设备[M].北京：冶金工业出版社，2008:19.

[4] 赵家骏冷轧带钢生产问答[M].北京：冶金工业出版社，2007