热轧窄带钢压下规程设计

201224050120

河北联合大学轻工学院

课程设计

题目：12mm热轧窄带钢压下规程设计

专业：金属材料工程

班级：12轧钢

学生姓名：赵凯

指导老师：李硕

日期：2015年12月3日

目录

1 任务要求 (3)

1.1 任务要求 (3)

1.2 原料及产品规格 (3)

2 压下规程设计 (3)

2.1 产品规格 (3)

2.2 设计原则 (3)

2.3 粗精轧道次，分配压下量 (4)

2.3.1轧制道次的确定 (4)

2.3.2 粗轧机组压下量分配 (4)

2.3.3 精轧机组的压下量分配 (5)

2.4 咬入能力的校核 (6)

2.5 计算轧制时间 (6)

2.5.1 粗轧速度制度 (6)

2.5.2 精轧速度制度 (7)

2.5.3 各道轧件速度的计算 (8)

2.6 轧制压力的计算 (9)

2.6.1 粗轧温度的确定 (9)

2.6.2 精轧机组温度确定 (10)

2.6.3 粗轧段轧制力计算 (10)

2.6.4 精轧段轧制力计算 (13)

2.7 轧辊强度校核 (14)

2.7.1 支撑辊弯曲强度校核 (15)

2.7.2 工作辊的扭转强度校核 (16)

3 设计总结 (19)

一、设计任务

1、任务要求

（1）、产品宽度1650mm,厚度12mm

（2）、简述压下规程设计原则

（3）、选择轧机型式和粗精轧道次，分配压下量

（4）、校核咬入能力

（5）、计算轧制时间

（6）、计算轧制力

（7）、校核轧辊强度

2、坯料及产品规格

依据任务要求典型产品所用原料：

坯料：板坯厚度：120mm

钢种：Q235

最大宽度：300mm

长度：7m

产品规格：

厚度：12mm

板凸度：6错误!未找到引用源。

坯料单重：2t

二、压下规程设计

1、产品宽度300mm,厚度12mm

2、设计原则

压下规程设计的主要任务就是要确定由一定的板坯轧成所要求的板、带产品的变形制度，亦即要确定所需采用的轧制方法、轧制道次及每道次压下量的大小，在操作上就是要确定各道次辊缝的位置（即辊缝的开度）和转速。因而，还要涉及到各道次的轧制速度、轧制温度及前后张力制度及道次压下量的合理选择，因而广义地来说，压下规程的制定也应当包括这些内容。

通常在板、带生产中制定压下规程的方法和步骤为：

（a ）在咬入条件允许的条件下，按经验配合道次压下量，这包括直接分配

各道次绝对压下量或压下率、确定各道次压下量分配率（△h/∑△h ）及确定各道次能耗负荷分配比等各种方法；

（b ）制定速度制度，计算轧制时间并确定逐道次轧制温度；

（c ）计算轧制压力、轧制力矩；

（d ）校验轧辊等部件的强度和电机功率；

（e ）按前述制定轧制规程的原则和要求进行必要的修正和改进。

板带轧制规程设计的原则要求是：充分发挥设备能力，提高产量和质量，并使操作方便，设备安全。

3、粗精轧道次，分配压下量

3.1、轧制道次的确定

有设计要求可知板坯厚度为120mm ；成品厚度为12mm ，则轧制的总延伸率为：

式中 ∑μ 总延伸率

H 坯料原始厚度

h 产品厚度

平均延伸系数取1.36则轧制道次的确定如下

由此得实际的平均延伸系数为： 由上面计算分配轧制道次，和粗精轧平均延伸洗漱如下： I ： 取粗轧5道次，平均道次延伸系数为1.40。 II ：精轧为7道次连轧，各道次平均延伸系数为

按μ分配原则我们将粗、精轧的延伸系数如下：

3.2、粗轧机组压下量分配 根据板坯尺寸、轧机架数、轧制速度以及产品厚度等合理确定粗轧机组总变形量及各道次压下量。其基本原则是： 1203

4.283.5

H h μ∑===log log34.2812()log log1.36p N μμ∑===取整s = 1.34

p μj p μ

(1)、由于在粗轧机组上轧制时，轧件温度高、塑性好，厚度大，故应尽量应用此有利条件采用大压下量轧制。考虑到粗轧机组与精扎机组之间的轧制节奏和负荷上的平衡，粗轧机组变形量一般要占总变形量的60%--80%

(2)、提高粗轧机组轧出的带坯温度。一方面可以提高开轧温度，另一方面增大压下可能减少粗轧道次，同时提高粗轧速度，以缩短延续时间，减少轧件的温降。

(3)、考虑板型尽量按照比例分配凸度，在粗轧阶段，轧制力逐渐较小使凸度绝对值渐少。但是，第一道考虑厚度波动，压下量略小，第二道绝对值压下最大，但压下率不会太高。

本设计粗轧采用四分之三式，轧机配置为四架，粗轧制度为：

第一架轧机为二辊不可逆，轧制一道次；

第二架轧机为四辊可逆，轧制三道次；

第三架轧机为四辊不可逆，轧制一道次（预留一架）。

由此计算粗轧压下量分配数据如下表：

3.3、精轧机组的压下量分配

精轧连轧机组分配各架压下量的原则；一般也是利用高温的有利条件，把压下量尽量集中在前几架，在后几架轧机上为了保证板型、厚度精度及表面质量，压下量逐渐减小。为保证带钢机械性能防止晶粒过度长大，终轧即最后一架压下率不低于10%，此外，压下量分配应尽可能简化精轧机组的调整和使轧制力及轧制功率不超过允许值。

依据以上原则精轧逐架压下量的分配规律是：第一架可以留有余量，即考虑到带坯厚度的可能波动和可能产生咬入困难等，使压下量略小于设备允许的最大压下量，中间几架为了充分利用设备能力，尽可能给以大的压下量轧制；以后各架，随着轧件温度降低、变形抗力增大，应逐渐减小压下量；为控制带钢的板形，厚度精度及性能质量，最后一架的压下量一般在10-15%左右。精轧机组的总压下量一般占板坯全部压下量的10-25%。

本次设计采用7架连轧，结合设备、操作条件直接分配各架压下量如下：

精轧机组压下量分配及各项参数如表(2)所示:

4、咬入能力的校核

热轧钢板时咬入角一般为15～22°，低速咬入可取20°，由公式

其中D 为对应道次轧机工作辊直径。

轧辊的工作辊直径选用400mm ，粗精轧机工作辊相同。 将各道次压下量及轧辊直径代入可得各轧制道次咬入角为：

粗、精轧各道次咬入角的校核

5、计算轧制时间

(1)粗轧速度制度

粗轧为保证咬入，采用升速轧制。根据经验资料，取平均加速度a=40rpm/s ，平均减速度b=60rpm/s 。由于咬入能力很富裕故可采用稳定高速咬入，考虑到粗轧生产能力与精轧生产能力得匹配问题，确定粗轧速度如下：咬入速度为n 1=50rpm ，抛出速度为n 2=20rpm 。

粗轧各道次的轧制转速均可设置为n 1=50rpm ，则粗轧的稳定轧制速度为：

道 次 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 延伸系数分配

1.32

1.35 1.32 1.30 1.28 1.27 1.26 出口厚度（mm ） 16.58 1

2.29 9.31 7.16 5.60 4.41 120 压 下 量（mm ） 5.82 4.29 2.98 2.15 1.56 1.19 0.91 压 下 率（%） 26.0 25.9

24.2

23.1

21.8

21.3

20.6

轧件长度(m)

50.66 68.35 90.23 117.32 150.00 190.48 240.00

道 次:

R1

R2 R3

R4

R5

F1

F2

F3

F4

F5

F6

F7

轧辊直径（mm ） 400 400

400 400 400 400 400 400 400 400 400 400

压下量（mm ） 34.3 25.3 18.7 11.5 7.8 5.82 4.29 2.98 2.15 1.56 1.19 0.91

咬入角(°)

212

22.5 19.3 15.2 12.4 10.5 9.2 7.5 6.4 5.4 4.6 4.2

arccos(1)

h

D

α?=-

因此，对于各架粗轧机减速用时：s b n n t 5.0605020122=--=-=

稳定轧制时间：

间隙时间：s D n l t j 5.3601==π t=0.5*5+9.33+13.34+19.18+26.50+35.71+12=110.06s

(2)精轧速度制度确定

确定精轧速度制度包括：确定末架的穿带速度和最大轧制速度；计算各架速度及调速范围；选择加减速度等。

精轧末架的轧制速度决定着轧机的产量和技术水平。确定末架轧制速度时，应考虑轧件头尾温差及钢种等，一般薄带钢为保证终轧温度而用高的轧制速度；轧制宽度大及钢质硬的带钢时，应采用低的轧制速度。本设计典型产品12mm ，终轧速度设定为12m/s 。

末架穿带速度在8m/s 左右，带钢厚度小，其穿带速度可高些。穿带速度的设定可有以下三种方式：

I 、当选用表格时，按标准表格进行设定；

II 、采用数字开关方式时，操作者用设定穿带速度的数字开关进行设

定，此时按键值即为穿带速度；

III 、其它各架轧制速度的确定：当精轧机末架轧制速度确定后，根

据秒流量相等的原则，各架由出口速度确定轧件入口速度。根

据各架轧机出口速度和前滑值求出各架轧辊线速度和转速。

（3）各道轧件速度的计算： 12345 3.14500.4 1.05/6060

nD v v v v v m s π??=======()Ri i wRi i l l t v -=

已预设末架出口速度为12 m/s 由经验向前依次减小以保持微张力轧制依据秒流量相等原则即

其中i v 为各机架出口速度；

i h 为各机架出口厚度。

根据以上公式可依次计算得：

各道次精轧速度的确定

道次

F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 入口速度（m/s ） 1.9 2.5 3.4 4.5 5.9 7.5 9.5 出口速度(m/s) 2.5

3.4

4.5

5.9

7.5

9.5

12.0

精轧阶段加速前纯轧时间：s v DN s t j s 3.137

=+=

π

式中 j s ——精轧机组末架至卷曲机间距，取100m D ——卷取机卷筒直径 N ——参数，取5

7v ——第七架穿带速度，取8s m /

精轧机组间机架间距为6米，各道次纯轧时间为t X =300×12/12/12=85.7s

间隙时间分别为t j1=6/2.5=2.4s ；t j2=6/3.4=1.76s ；t j3=6/4.5=1.5s ；

tj4=6/5.9=102s ；t j5=6/7.5=0.8s ； t j6=6/9.5=0.63s; t j7=6/12=0.5s 则精轧总延续时间s t t t t j x s 61.07161.87.8513.3=++=++=∑。

r i i c v H vh v h

==

6、轧制压力的计算

（1）粗轧温度确定

为了确定各道次轧制温度，必须求出逐道次的温度降。高温轧制时轧件温度降可以按辐射散热计算，计算原则为：对流和传导所散失的热量可大致与变形功所转化的热量相抵消。由于辐射散热所引起的温度降在热轧板带时可按下式计算：

41)1000

(9.12T h Z t =? 有时为简化计算,也可采用以下经验公式

1

116400h Z t t ?-=? 其中 1t 、1h ——分别为前一道轧制温度（℃）与轧轧出厚度，mm ；

Z ——辐射时间即该道次轧制延续时间t j Z=t j ；

T 1——前一道的绝对温度 ，K ；

h ——前一道的轧出厚度。

表6 粗轧各道次的温降

道次

R1 R2 R3 R4 R5 温降(℃) 4 8 16 32 59

由于轧件头部和尾部温度降不同，为设备安全着想，确定各道次温度降时以尾部为准。根据现场生产经验数据，确定开轧温度为1200℃，带入公式依次得各道次轧制温度：

粗轧各道次的温度

道次 R1 R2 R3 R4 R5 T(℃) 1196

1188

1172

1140

1081

（2）精轧机组温度确定

粗轧完得中间板坯经过一段中间辊道进入热卷取箱，再经过飞剪、除鳞机后，再进入精轧第一架时温度降为1050℃。由于精轧机组温度降可按下式计算：)(100--=i i h h C t t n

n n h h h

t t C --=00)( (5)

式中 0t 、0h ——精轧前轧件的温度与厚度

n t 、n h ——精轧后轧件的温度与厚度［3］代入数据可得精轧机组

轧制温度：

根据生产现场经验可以预定终轧温度为800℃，即t n=800℃，计算得： C=46,

表8 精轧各道次轧制温度(℃) 道次

F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 温度℃ 1002

988

966

941

906

866

816

上述计算应当在现场同类车间进行实测验证，本设计为课程设计，没有现场数据验证，待毕业实习到现场实测温度。

(3)粗轧段轧制力计算

粗轧段轧制力公式：

p Bl P =

①求各道次的变形抗力：变形抗力由各道次的变形速度、变形程度，变形温度共同决定。

变形速度按下式计算：

)/(/2h H R h v +?=ε

式中 R 、v ——轧辊半径及线速度。

根据变形程度、温度、变形速率数据，查Q235高温抗力曲线图，得到Q235变形抗力列入表9。

表9 各道次轧件的变形抗力

道 次 R1

R2 R3 R4 R5 线速度

V(m ／s)

1.05 1.05 1.05 1.05 1.05 温 度

(℃)

1196 1188 1172 1140 1081 压下率ε

(％)

28.6 29.5 31 27.6 25.8 入口厚度

(mm)

120 85.7 60.4 41.7 30.2 出口厚度

(mm)

85.7 60.4 41.7 30.2 22.4 变形速度

（s-1）

4.23

5.11

6.29

7.00 7.88 屈服强度σs(MPa)

69.3

74.25 80.00 84.35 94.40

②计算各道的平均单位压力：根据克林特里公式计算应力状态影响系数

η＝0.785+0.25l /h

其中h 为变形区轧件平均厚度，l 为变形区长度，单位压力大时（300MPa ）应考虑轧辊弹性压扁的影响，因为粗轧时变形抗力不会超过这一值，故可不计算压扁影响，此时变形区长度h R l ?=。则平均单位压力为：

各道计算p 列入表11。再将轧件宽度、变形区长和平均单位压力数据代入公式(6)，可得各道次轧制力(见表11)。

1.15 1.15(0.7850.25)

s s l

p h

σησ-==+

表11 粗轧各道的轧制力

（4）精轧段轧制力计算

目前普遍公认的最适合于热轧带钢轧制力模型的SIMIS 理论公式：

T p LcKK BQ P =

式中：P ——轧制力N ； B ——轧件宽度mm ；

Qp ——考虑接触弧上摩擦力造成应力状态的影响系数；

L c ——考虑压扁后的轧辊与轧件接触弧的水平投影长度mm ； K ——决定金属材料化学成分以及变形的物理条件－变形温度、

变形速度及变形程度的金属变形阻力K=1.15s σ；

K T ——前后张力对轧制力的影响系数； 由以上公式可知平均单位压力：T p KK Q p =

① 计算p Q 时用西姆斯公式的简化公式克林特里公式

其中 2

h

H Hm +=

② K 可以按照粗轧时的计算方法计算，数据如前表 ③K T 按下式计算K

a a K f

b T ττ)1(1-+-

=

因为前张力对轧制力的影响较后张力小，所以a>0.5，本设计中取a=0.7，前后张力均取3MPa 。

④接触弧投影长度计算：

m

c p H L Q 27

.075.0+=

一般以为接触弧长度水平投影长度为R h Lc ??=

表12 精轧各道的轧制力

道 次:

F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 轧制力(KN)

3312 3250 3114 3005 2873 2801 2723

7、轧辊强度校核

轧辊的破坏决定于各种应力（其中包括弯曲应力、扭转应力、接触应力，由于温度分布不均或交替变化引起的温度应力以及轧辊制造过程中形成的残余应力等）的综合影响。具体来说，轧辊的破坏可能由以下三方面的原因造成：

（1） 轧辊的形状设计不合理或设计强度不够.例如,在额定负荷下轧辊因强度不够而撕裂后因接触疲劳超过许用值,是辊面疲劳剥落等;

（2） 轧辊的材质、热处理或加工工艺不合要求。例如，轧辊的耐热裂性、耐粘附性及耐磨性差，材料中夹杂物或残余应力过大等：

（3） 轧辊在生产过程中使用不合理。热轧轧辊在冷却不足或冷却不均匀时，会因热疲劳造成辊面热裂；在冬季新换上的冷辊突然进行高负荷热轧，热轧的轧辊骤然冷却，往往会因温度应力过大，导致轧辊表层剥落甚至断辊；压下量过大或因工艺过程安排不合理造成过负荷轧制也会造成轧辊破坏等；

设计轧辊时，通常是按工艺给定的轧制负荷和轧辊参数进行强度校核。由于对影响轧辊强度的各种因素（如温度应力、参与应力、冲击载荷值等）很难准确计算，为此，设计时对轧辊的弯曲和扭转一般不进行疲劳校核，而是将这些因素的影响纳入轧辊的安全系数中（为了保护轧机其他重要部件，轧辊的安全系数是轧件各部件中最小的）。

为防止四辊板带轧机轧辊辊面剥落，对工作辊和支撑辊之间的接触应力应该做疲劳校验。

四辊轧机的支撑辊直径D 2与工作辊径D 1之比一般在1.5～2.9范围之

内。显然，支撑辊的抗弯端面系数较工作辊大的多，即支撑辊有很大的刚性。因此，轧制时的弯曲力矩绝大部分有支撑辊承担。在计算支撑辊时，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，对支撑辊只需计算辊身中部和辊径端面的弯曲应力。

7.1. 支撑辊弯曲强度校核

支撑辊的弯曲力矩和弯曲应力分布见下图7。

图7四辊轧机支撑辊计算图

在轧辊的1-1断面和2-2断面上的弯曲应力均应满足强度条件，即

b R d P

c ≤=--)2.0/(311111σ

b R d P

c ≤=--)2.0/(322222σ

式中

P ——总轧制压力；

d 1-1、d 2-2——1-1和2-2断面的直径；

c 1、c 2——1-1和2-2断面至支反力P/2处的距离；

R b ——许用弯曲应力。

支撑辊辊身中部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L 0，而且把工作辊对支撑辊的压力简化成均布载

荷（这时计算误差不超过9～13%），可得3-3断面的弯矩表达式

)8

4(0L L P M W -=

辊身中部3-3断面的弯曲应力为

b R D L L P ≤-=

-320334.0)2/(σ

式中的D 2应以重车后的最小直径代入。

因粗轧机是可逆轧制，精轧机组性能相同故只需校核其中受力最大的一道即可，因在粗轧机上轧制时第一道的轧制力最大，精轧机上第一架轧制力最大，故其支撑辊受力最大，所以我们计算轧机支撑辊时只计算粗轧第一架和精轧第一架的弯曲应力。

又因辊颈直径d 和长度一般近似地选：

d = (0.5～0.55) D 、L/d = 0.83～1.0，

计算时以精轧机为例：

本设计取d = 0.7D 、d l / = 1.0所以辊颈直径d =420mm ，l ＝420mm ， c 1、c 2，r 的取值[查〈〈轧钢机械〉〉（修订版）北京科技大学邹家祥主

编P88]。

取r/D = 0.12,r ＝72mm ，c 1 =138mm ，错误!未找到引用源。

=210mm,mm d 42011=-,mm d 60022=-上面D 2重车后（支承辊6%）的最小直径

为：D 2=564mm,P =3312kN

把前面的数据代入上式计算：

MPa d Pc 31)4202.0/(138********)2.0/(3311111=???==--σ

MPa d Pc 16)6002.0/(21010003312)2.0/(3322222=???==--σ

MPa D L L P 205644.0)6001020(100033124.0)2/(3

32033=?-?=-=-σ 本设计支撑辊为合金锻钢R b =140～150 MP a ，可见支撑辊的弯曲应力

小于该许用应力，故满足要求。

粗轧第一架用以上的方法计算得11-σ、22-σ、33-σ数值同样满足弯曲应力要求。

7.2工作辊的扭转强度校核：

1）轧制力矩 轧制力矩按下式计算h R P M z ?=12ψ式中 ψ — 合力作用点位置系数（或力臂系数），板一般ψ取为0.4～0.5，

粗轧第一架轧机的轧制力矩 218920.4520034.30.14z M MNm =???=

精轧第一架轧机的轧制力矩

233120.45200 5.820.1z M MNm =???=

2）、附加摩擦力矩 传动工作辊所需要的静力矩，除轧制力矩外，还有附加摩擦力矩m M ，它由以下两部分组成，即

21m m m M M M +=，

其中1m M 在四辊轧机可近似地由下式计算：

???

? ??=z g z m D D Pfd M 1 式中 f ——支撑辊轴承的摩擦系数，取f ＝ 0.005；

z d ——支撑辊辊颈直径，对于粗轧机：z d ＝420mm ； 对于精轧机：z d ＝280mm 。

g D 、z D —— 工作辊及支撑辊直径，对于粗轧机：g D ＝400mm ，

z D =600mm ；对于精轧机：g D ＝400mm ，z D = 600mm

代入后）可求的：粗轧机：1m M ＝1.4P =0.026MNm 精轧机：1m M ＝0.94P =0.031MNm ,

2m M 可由下式计算： ))(11(12m z m M M M +-=η

式中 η—— 传动效率系数，本轧机无减速机及齿轮座，但接轴倾角

3≥α，故可取η＝0.94，故得

第一架粗轧机

()0.011MNm =0.026)+(0.14*0.064=064.012m z m M M M +=

第一架精轧机

()0.008MNm

=0.031)+(0.1*0.064=064.012m z m M M M +=

3）轧机的空转力矩

轧机的空转力矩（k M ）粗轧机:

/0.60.080.019K Z M M MNm =?=

精轧机:

/0.60.080.013K Z M M MNm =?=

因此电机轴上的总传动力矩为： k m z M M M M ++=

由于有支撑辊承受弯曲力矩，故工作辊可只考虑扭转力矩，即仅计算传动端的扭转应力。扭转应力为 k

k W M =τ 式中 k M ——作用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。

驱动一个工作辊的传动力矩1K M 有轧制力矩1M 、工作辊带动支撑辊的力矩s M 和工作辊轴承的摩擦力矩1f M 组成，即

111f s K M M M M ++=

上式各参数的计算公式为；

反力P s 对工作辊的力臂：S=mcos γ+R 1sin γ 此校核亦按轧制力矩最大得一架计算，精轧粗轧各一道次。将各参数代入公式得：粗轧第一道M K1=5.11MNm,精轧第一道次M K1＝2.06MNm

工作辊传动端的扭转断面系数为： W k =πD 3/16 则扭转应力τ=M k /W k 表19工作辊的扭转应力

参数 R1 F1

MK

1

(MNm) 0.17 0.121 Wk（错误!未找到引用

源。）

0.0125 0.0125

T（Mpa）13.60 9.68

本设计工作辊为合金铸铁σ

b =350～400 MP

a

，而许可扭应力约为

[τ]=0.36σ

b 即[τ]=126-144 MP

a

可见工作辊的弯曲应力远远小于该许用

应力，故能满足生产要求。

三、设计总结

本设计是结合了薄板坯的生产工艺，在此基础上完成了纯理论的计算和生产线的设置，其数据的准确性和工艺的适当性值得验证。

参考文献：

[1]《金属塑形加工学》王廷敷齐克敏主编冶金工业出版社2010年8月

[2]《轧钢机械》邹家祥主编（第三版）冶金工业出版社2009年8月

[3]《轧钢车间设计》袁康冶金工业出版社1986年

[4]《轧钢》期刊2009年12月版

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