年产量130万吨的铝型材挤压车间设计

成都理工大学材化院金属专业工厂设计

工厂设计（课程设计）

——以年产量130万吨的铝型材

挤压车间设计为例

课程名称：工厂设计（课程设计）

学 院：材料与化学化工学院

专 业：材料科学与工程（金属材料方向）

学生姓名: 肖忠洋

学 号：201102040210

指导教师： 管登高、周世杰、刘素田

总 成 绩：

2014年12月

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目录

1 设计任务书 ........................................ 3

1.1 设计题目 ...................................... 3

1.2 设计生产规模和规格 ............................ 3

1.3 设计主要任务 .................................. 4

2 设计说明书 ........................................ 5

2.1生产方案的设计 ................................ 5

2.2工艺方案的设计 ................................ 5

2.2.1锭坯的选择 .............................. 5

2.2.2工艺流程的制定 .......................... 5

2.3 设备方案的设计 ................................ 7

2.3.1主要设备 ................................ 7

2.3.2辅助设备 ................................ 8

2.4 工艺计算与设备负荷计算 ....................... 12

2.4.1工艺计算 ............................... 12

2.4.2设备负荷计算 ........................... 14

3 车间平面布置 ..................................... 17

3.1生产设备布置 ................................. 18

3.2车间内通道设计 ............................... 18

3.3车间内仓库布置 ............................... 19

3.4其他设施布置 ................................. 20

4 工艺流程定额卡 ................................... 21

5 车间平面布置图 ................................... 22

6 总结 ............................................. 22

7 参考文献 ......................................... 22

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1. 设计任务书

1.1 课程设计题目：年产量130万吨的铝型材挤压车间设计

1.2车间的生产规模、生产的品种

（1） 车间规模：

年产130万吨1050纯铝管材车间

（2） 产品品种和规格：

本设计任务是设计一个年产量130万吨的铝型材挤压车间，生产的产品有：具有特定性能的结构件，如铝箔制成垫片及电容器，电子管隔

离网，电线，电缆的防护套，网，线芯及飞机通风系统零件及装饰件

等。挤压制品所用的材料是1050纯铝。

1.3 主要任务

（1） 编写工厂/车间设计说明书；

1）生产方案的设计

2）工艺方案的设计

3）设备方案的设计

4）工艺计算与设备负荷计算

5）车间平面布置设计

（2）编制工艺流程定额卡。

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（3）按照工程制图及工厂/车间平面布置的相关要求，手绘工厂/车间平面

布置1号图纸1张，图纸要求整洁、规范。

（4）课程设计总结。

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2.设计说明书

2.1生产方案的设计

1050纯铝生产薄壁管材的规格：年产量130万吨，管材外径40mm，壁厚4mm。综合考虑投资，产品质量以及表面精度等方面，采用挤压-拉拔法。该方法适合生产大口径薄壁的管材，生产效率高，产品质量好。

2.2工艺方案的设计

2.2.1锭坯选择

锭坯形状是由产品形状和设备特点决定的。一般情况下，管材生产采用圆锭。锭坯的直径根据铲平规格尺寸加以确定。对于棒材而言，挤压坯料由熔铸车间供给，而冷轧和拉拔坯料由挤压供给，挤制的管型材的直径有下面的公式决定：

挤制管锭坯直径： D0 D2 d2 式中D0是锭坯直径，mm；D是挤制管外径、圆棒直径，mm；d是挤制品内径，mm； 是挤压比。通常挤压比 8，根据对铝制品的要求将挤压比选定为8，挤压筒内径与铸锭坯间关系一般用填充系数表示，通常为1.06-1.15，选用1.08。

2.2.2工艺流程的制定：

典型的工艺流程有1050 40mm 4mm管材生产工艺流程：

锭坯（270mm 160mm 250mm挤压（挤压温度为320-450度，金属流出速度为6-10m/min,挤后管为98.5mm 68.70mm皮和镗孔（ 97.5mm 68.60mm 120mm（ 50mm 4.5mm） 张力矫直切头尾清除毛刺吹除锯末中间检查退火（退火温度为320度，退火时间为0.5hLG30冷轧管机，轧后管子尺寸为 42mm 3.99mm） 辗头减径拉拔（拉拔后管子为

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40mm 4.00mm

包装入库。

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图1 流程图 2.2.2.1挤压过程

挤压温度是重要参数，选择是应该考虑被挤压金属具有的较低的变形抗力和较高的塑性，注意使铝的的变形温度不要超过最高临界的温度，防止金属进入热脆状态而出现裂纹。为了防止产生挤压裂纹，常使挤压温度范围范围比临界温度低50-100度。纯铝的管型材的挤压温度为300-450度，挤压筒温度为320-450度，综合考虑，挤压温度为300度，挤压筒的温度350度。

2.2.2.2冷轧过程

目前常使用的冷轧铝管的方法有二辊式、多辊式挤横多辊旋压等，综合考虑各种方法的特点，多辊式轧制可轧制闭较薄的管材，减径量、道次加工率与送料量抖比而辊式小，选用多辊式轧制法。

管子冷轧前的坯料都要进行矫直、切头、碱洗、退火、外表面修理、内表面吹擦以及涂油润滑等。

2.2.2.3拉拔过程

管材拉拔前都必须对管材进行切断、退火、打头、外表面修理和内表面润

滑等处理。切断后的管坯有一端头必须保持圆形，以便能够顺利装入芯头，带芯拉拔的管坯除了纯铝外都要进行退火，对未经退火的合金坯料打头前必须加热，加热温度为220-420度，加热时间为20-40min。纯铝的管型材的加热温度确定为300度，加热时加为20min，直径大于30mm的管材在气锤上打头。

2.3设备方案的设计

2.3.1主要设备选择

根据产品的方案以及生产方案及生产工艺流程的要求，综合考虑设备的先进性与经济上的合理性，设备之间的合理配置与平衡选择合适的主要设备。

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2.3.1.1挤压机选择

按照挤压机的结构形式分类为立式与卧式，立式管棒挤压机的工模具能极好的对准正中心，有预报容易装料，工作周期端，占地面积小，虽然有需要较深的地沟和高厂房的缺点，但是挤压管材方面立式挤压机还保留着重要地位，所以选用立式管棒挤压机。

按照传动方式分类为机械传动和液压传动，因为生产的产品为大批量，选用液压传动中的油压机的直接传动较为经济，而且提高了加工效率。选用国外铝材卧式双动挤压机挤压吨位8000KN。

按照穿孔系统分类除了穿孔和不带穿孔系统挤压机的常规挤压机，还有从国外进口的conform连续挤压机，进口设备主要应用于挤压铝的管材等，选用英国Holton公司制造的comform连续挤压机C300H型号，该挤压机参数为最大的铝管直径扩展靴为50mm，普通靴为30mm，最大产量为600kh/h,驱动方式是直流电流。

综合考虑经济方面以及生产效率，选用国外卧式双动挤压机。

2.1.1.2轧机选择

轧机采用二辊轧机，轧机布置形式为连续式布置轧机，管材轧机可选用自动轧机管型号为 76无缝轧管机，该自动轧机管的技术性能有管坯尺寸60-90mm，成品尺寸为30-76mm，壁厚4-25mm，年产量为10kt。也能选用二辊式冷轧管机的LG-55型号，该轧机管径外径为38-73mm，管壁厚度为

1.75-12.0mm，成品管外径范围25-55mm，成品管管壁厚度0.6-10.0mm，生产率为108m/h。综合考虑选择第二种方式的轧机，生产率提高。

3.1.1.3拉拔机选择

常用拉拔机有链式和卷盘式，卷盘是是生产管材的高效设备，铝金属的管材拉拔机选择 750盘管拉拔机，该拉拔机的拉拔管材直径范围咋1.2-8mm之间，拉拔的管材壁厚不限，是当今较为理想的设备。

3.3.2辅助设备选择

根据辅助设备在压力加工生产过程中的不同用途和作用，可将辅助设备分

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为：加热及热处理设备、切断设备、矫直设备、冷却设备、酸洗与铣面设备以及起重运输设备等。

选择辅助设备的一般原则是辅助设备要满足生产工艺流程，有较高工作效率，重量轻，体积小，以及节约车间投资。

3.3.2.1加热炉

加热与热处理设备包括均热、退火、淬火以及时效等设备，按工艺用途可概括为：（1）锭的加热以及均热炉；（2）半成品与成品退火炉；（3）成品热处理炉。重金属以及其合金多采用中温炉。

加热炉炉型选择，铝铸锭均匀化处理周期时间长，采用连续式加热炉。炉内全部铸锭都用推锭机从装料口一侧推进，从另一端取出的方式。炉型有1段式到5段式的，采用煤气或者重油作为燃料。铝铸锭的加热采用链式连续加热炉。

炉子尺寸的确定：

（1）炉子的宽度主要根据坯料长度确定。

B nl (N l)

式中，l-坯料的长度，m；n-坯料排列数； -料间或料与炉墙之间的间隙距离，m，一般取0.2-0.3m。

（2）炉子长度主要根据加热炉产量决定，但是在推进式连续加热炉宗还要受加热炉允许的最大推进的限制，一般工程上用推钢比 来确定：

推钢长度 坯料最小宽度

设计时一般选用 的范围为：

条件较好时， 250 300；

条件较差时， 200 250。

3.3.2.2热处理炉

根据铝以及铝合金管、棒型材退火、淬火及时效炉技术性能表：

退火设备选择管、棒退火箱式电阻炉，该电阻炉的最高工作温度为500度，炉

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膛尺寸（长 宽 高）为8680 980 1500mm mm mm，功率为240/kw。

淬火设备选择管、棒、型材立式活底炉，该淬火炉最高工作温度为530度，炉

10892膛尺寸（直径 长） 900mm mm，功率为300/kw。

时效设备选择管、型材人工时效炉（卧式），该炉最高工作温度为420度，炉膛尺寸（直径 长） 1380mm mm，功率为420kw。 12100

3.3.2.3切断设备

金属压力加工车间用于生产的切断设备主要有锯机、剪机和折断机三类。在铝的管材生产车间，我们选用锯机。锯机的种类很多，其中圆盘锯结构简单，主要用于锯切 50mm以下的棒材和小型型材，以及薄壁管材等。

锯机的主要技术参数有锯片直径、锯片厚度和锯片功率。

锯片直径主要考虑锯切最大断面与锯片直径的关系。在锯切时要求锯州以及其他零件在所锯切的最大断面上能自由通过，同时，锯片的下沿要伸入辊道下面，其值为b。确定锯片直径D的关系式如下：

D d h b 2

式中，d-锯片夹盘直径，取d=（0.35-0.5）D，mm；h-锯切金属件的最大高度，mm；b-伸入辊道下面的值，新锯片b=100-50mm，旧锯片b=40-80mm。

锯片厚度常用下式确定：

S 0.18~0.2D

式中，S-锯片厚度，mm；D-锯片直径，mm。

锯片功率常用下面的式子计算：

N P S f

式中，P-锯切单位面积上作用的锯切力，KN；S-锯缝宽度，mm；f-单位时间锯下的金属断面积，mm2/s,f h; -进锯速度，一般可取10~300mm/s;h-被锯件的断面高度，mm。

根据有色金属常用锯机主要技术性能可知选用针对铝合金的型号8A68的锯机，该锯机的参数：锯件最大尺寸直径 350/mm;锯片直径1010/mm；锯片厚

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度为6.5/mm;锯片转数为2~20 /min；进刀速度和切削速度可以任意调节。

3.3.2.4矫直设备

矫直机的分类有辊式矫直机、压力矫直机和张力矫直机。辊式矫直机的工作是连续进行的，生产率高，因而得到了广泛的应用；压力矫直机是靠冲头往返运动进行矫直的，生产率低；张力矫直机多用于有色金属材料的矫直。

铝管材的矫直机选择辊式矫直机中的圆管棒辊式矫直机。根据卧式双曲线辊式矫直机的技术技能参数，选择的矫直机的参数有：被矫制品规格管材最小直径20mm;管材最大直径为50mm；管材最大壁厚为6mm；辊距800mm；矫直辊尺寸，辊喉直径220/160mm；辊身长度320/140mm;矫直速度150m/s；电机功率20kw；设备外形尺寸（长 宽 高）为4300mm 2109mm 1950mm；设备重量10850kg。

3.3.2.5冷却设备

冷却设备主要有冷床，冷床的选择抓要考了形式与技术参数。

冷床的结构分为链式运输机冷床，钢绳拉料机冷床、齿条式冷却辊式冷床、步进式冷床以及钩式冷床运输机等。

冷床的主要参数确定：

（1）冷床的宽度：

B Lmax (1~2)m

式中，B-冷床的宽度，mm；Lmax-轧后成品的最长长度。

（2）冷床的长度。冷床长度应该保证在冷却时间内轧出的材料能全部容纳在冷床上，那么冷床长度是：

L 1000A T C K G

式中，A-材料最大小时产量，t/h；G-每根料的重量，kg；C-相邻两根料之间的中心距，m；T-材料在冷床上的冷却时间，h；K-冷却长度上利用系数，其值为： 往复多爪式冷床K=0.4-0.5；辊式及齿条式冷床K=0.8；链式冷床K=0.4-0.5；带潜行装装置冷床K=0.6-0.7。

3.3.2.6起重运输设备

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根据用途辊道可分为以下几类：

（1）工作辊道，设置在轧机工作机座前后方，靠近工作机座，参与轧制过程；

（2）延伸辊道，设置在工作辊道的末尾，只有当轧制的料延伸之后才起作用；

（3）运输辊道，主要作用是连接车间内设备之间、机组之间的轧制料的运送任务；

（4）炉子辊道，设置在炉前、后以及炉底，运送加热的料。

辊道如按照结构来分可分为:空心辊道，实心辊道，圆形辊道，锥形辊道，花辊道等。

辊道的传动形式有：集体传动和单独传动辊道两类。

辊道主要参数的确定：

（1）辊子直径D主要根据轧件的重量和要求以及棍子的强度决定。

（2）辊子长度L主要决定于辊道的类型以及轧件的形状大小。轧机工作辊道的辊子长度稍大于轧辊的长度，其值为50-100mm。运输辊道要考虑轧件的宽度以及同时运送的根数。

（3）两个辊子之间的距离t不应该大于轧件长度的一半，以保证轧件同时放置在两个辊子上。当t太大时，轧件会因为自重在辊道上发生弯曲。有时候为了消除轧件的弯曲，装设游动的中间辊。

（4）辊道速度v主要根据辊道的类型与其工作的条件选择，在轧制前辊道速度可考虑比轧制速度小一些，以免轧件过分撞击导卫装置和孔型；轧制后工作辊道速度可考虑比轧制速度大5%-10%，以保证轧件不拱起。运输辊道的速度应该从工艺过程对运输轧件要求的时间或者轧机生产率来选择。

3.3.2.7其他设备

（1）辗头机。管、棒、型、线材在拉拔前需要辗头。

（2）空气锤。空气锤主要用于砸拉拔的头，以便穿模。

3.4工艺计算与设备负荷计算

工艺计算是在确定各种计算产品的工艺流程和初选设备的基础上，根据产品产量的要求、制品的工艺性能以及设备的特点，对各主要设备进行科学分析

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和必要理论计算。设备负荷计算分析设备的工作能力。

3.4.1工艺计算

挤压力的计算：

挤压力的计算方法很多，在本次设计中选用JI.B普罗卓洛夫公式，普氏公式

是在均匀应力条件下挤压低塑型金属时建立的，通过选取不同的系数C值来适应所有制品的挤压力计算。计算公式如下：

P /4 (Dt d0) C ln (1 fL/Dt) b 22

式中，Dt、d0、L——挤压筒与瓶式针干直径和填充后锭坯长；

f—摩擦系数，按金属塑性加工学选取；

b—挤压温度下的金属抗拉强度，按金属塑性加工学选取；

C—断面形状系数，按金属塑性加工学选取。也可根据具体条件所得的

挤压力值最接近实测值为原则选定。

挤压延伸系数

Ft/F (Dt D2)/4s(D s) 1 (1502-302)/4 5 (30 5) 1 44.2 2

式中

—挤压比； —挤压时加工率；

Ft—挤压筒腔的横断面面积，mm2；F—挤制品总横断面面积，mm2；

Dt—挤压筒直径，mm；S—挤压管壁厚，mm。

填充后锭长L LP DP/D0

式中，LP—铸锭长度；DP—铸锭直径；

由上式得： 22D0—挤压筒内径。

DP= (D2 d2) 270mm

由上式得：

LP=L0 1.5 3D0 故LP可取250mm.

所以 L LP DP/D0 268.54mm

据金属压力加工车间设计表：摩察系数f=0.15；挤压温度（320-400℃）下

的抗拉强度

22

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根据下式计算加压力P：

P /4 (Dt d0) C ln (1 fL/Dt) b 6.65mpa 22

3.4.2设备负荷计算

设备负荷计算包括工作制度和年工作台时的确定，以及设备负荷能力计算。

3.4.2.1工作制度

在选择设备和计算设备负荷时首先要确定车间工作制度和设备年工作台时。车间工作制度主要取决于车间主要生产设备的工作制度，在铝管生产车间选用非连续工作制—周休息日和节假日休息，如加工车间，其生产特点是可以非连续的，因为整个生产流程是由一定数量的单体设备系列中间工序组成，年工作日按250天，每天三班，每班8小时。

3.4.2.1设备工作台时的确定

设备年工作台式的计算公式为：

设备年工作台时 年工作日 班次 每班工作时间

考虑到设备需要安排一定的时间进行大修和中修的时间损失，用于生产的有效时间系数称为设备台时系数。考虑到交换班、更换工具、更换品种、交换设备、待料以及工人的生理所需时间的损失，用于生产的有效时间系数，称之为设备运转系数。

压力加工车间设备年实际工作台时 250 24 设备利用系数

表1金属压力加工设备的利用系数

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设计中涉及到的相关设备（有色金属压力加工设备）的利用系数可查询相

关手册。具体计算如下：

2.7.2设备负荷能力计算

为了正确选择设备，合理使用设备，充分发挥设备潜力，做好设备间的平

衡工作，必须进行设备负荷能力计算。设备的负荷能力，就是设备的生产能力。要求算出各种计算产品在每个工序为完成年计划产量所需的台时数，确定出为完成年计划产量所需的设备数量，计算出设备负荷率。

(1)设备小时生产定额

设备小时生产定额，即设备小时生产能力。以错误！未找到引用源。表示。

错误！未找到引用源。 式中，G——设备每生产该种计算产品的一块料的平均重量，t；

T——设备每生产该种计算产品的一块料所需之平均总计时间，s

错误！未找到引用源。

式中，t——机动时间，s；错误！未找到引用源。——总辅助时间，s。

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错误！未找到引用源。

式中，错误！未找到引用源。——间隙时间； 错误！未找到引用源。——各

循环之间或其他必要的辅助时间。

计算挤压机的小时生产能力：

卧式挤压机的设备小时生产能力为：错误！未找到引用源。

C300H挤压机的设备小时生产能力为：错误！未找到引用源。

(2)年产量计算

设备小时产量是常用的生产率指标，是指生产合格产品而言。在加工工艺

过程中，要产生各种金属损耗及废品、废料，因此，要将各工序小时处理量错误！未找到引用源。值分别除以各工序在制品投料系数错误！未找到引用源。(即金属补偿系数)。

设备年产量的计算式为：

错误！未找到引用源。

式中，错误！未找到引用源。—设备年实际工作台时，h； 错误！未找到引用源。—综合平均小时产量，t/h； 错误！未找到引用源。—设备年产量，t/年。 计算设备年产量：

卧式挤压机的年产量为：错误！未找到引用源。

C300H挤压机的年产量为：错误！未找到引用源。

(3)设备完成年计划产量所需台时

设备完成年计划产量所需台时u的计算式为

错误！未找到引用源。

式中 ，Q——年计划产量，t；错误！未找到引用源。——该设备所在工序的

投料量系数；错误！未找到引用源。——设备小时生产定额，t/h；错误！未

找到引用源。——设备利用系数。

挤压机完成年计划产量所需台时为：

(4)设备完成年计划产量所需台数

设备完成年计划所需台数的计算式如下。

卧式挤压机计算台数：

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式中，u——完成年计划产量的台时数；W——设备年实际工作台时总数。

C300H挤压机计算台数：

(5)设备负荷能力计算

设备的负荷能力就是设备的生产能力，要求算出各种计算产品在各个工序

为完成年计划产量所需的台时数，确定出为完成年计划产量所需的设备数量，计算出设备负荷率。

设备负荷率反映了设备是否被充分利用以及设备间的平衡情况。设备负荷

率由下式决定：

错误！未找到引用源。

3.车间平面布置

车间平面布置主要指设备和设施按选定的生产工艺流程确定平面位置，平

面布置的合理与否在于设备生产能力的发挥、工人操作安全、生产周期的长短以及生产率的高低有着很大的关系，在平面布置时应该以实际为主得到最大合理的布置。

车间平面布置原则：

（1）应该满足生产工艺的要求，使生产流水线合理；

（2）既有利于生产，又使占地面积小，运输线最短周期，提高生产率和单

位面积和产量；

（3）保证操作方便，安全生产和工人的健康；

（4）是人行道与工作线平行，避免金属流线、金属废料流线以及其他材料

的运输线相互交叉；

（5）考虑将来的发展，要留有余地。

金属流线指的是生产各类产品由原料到成品的工艺流程线，把选定的设备

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与设施布置在相应的工艺流程线上，同时要考虑中间的堆料场以及运输。常见的金属流程线很多，作为管材选用直线横移式。这种方式主要用于管材生产车间，因为管材的横向运输主要靠管材本身的自由滚动。

3.1生产设备布置

对于管棒材车间来说，挤压机、冷拔机、冷轧管以及辅助设备的相对位置，

也是根据产量、料的长度因工艺要求加以确定。在布置主要设备时，还要考虑各个工序中设备所必须的在制料堆放场以及安全技术措施的要求。

加热炉的布置方案有两种：一种是加热炉中心线和轧机中心线相平行；一

种是加热炉中心线和轧机中心线垂直。

轧机机列之间的距离应该从人字齿轮到轧机机座之间的距离主要决定于连

接轴的倾角，安装托架与升降台应该放得下；齿轮机到减速机和减速机到主电机距离尽量近一些，但距离大小主要决定于检修和安装方便。

轧机到切断设备之间的距决定于剪切机能力与轧件的长度，一般轧机到剪

切机距离可定为1.2-1.5倍的轧件最大长度；剪切机到冷床的距离取决于剪切后轧件的最大长度，一般冷床直接安放在剪切设备之上，而且冷床能力大于锯机能力情况下，通常可采用稍大于尺寸轧件的最大长度。

3.2车间内通道布置

一般大、中型车间应该有下面的通道：

（1）车间主要通道，这是车间内部运输通道。

（2）车间次要通道，用于运输材料、备品备件、设备检修以及仓库场地的通路，如车间的成品库设火车通路、车间端面活侧面开设大门。

（3）人行道以及防火通道。人行道一般可取1m狂，当车间的人较多，考虑到非常的情况是需要迅速撤离时，则人行道可设为2m。车间大门根据通道安排的情况加以确定，在车间端面和侧面开一定数量的大门，大门的尺寸可根据通行的车辆确定，如：

（1）通行电瓶车的大门：2.1m 2.4m

（2）通行汽车的大门：3.3m 3.0m

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（3）通行火车的大门：4.2m 5.1m

3.3车间仓库设施布置

仓库面积的计算

原料仓库面积的确定可用下式计算：

F 24AnKt KtQH

式中，A——设备产量，t/h；N——存放天数，天； 错误！未找到引用源。——金属投料量系数；

Q——每立方米空间所能存放的原料重量，t/m³；H——每吨原料的堆放高度，m； 错误！未找到引用源。——仓库利用系数。

则计算原料仓库的面积为：

确定中间仓库面积，首先应该知道产品生产周转时间，然后根据中间仓库应堆放的中间再制料总数来确定。

中间仓库堆放再制料总数为：错误！未找到引用源。

式中，W——堆放量，t；A——平均日产量，吨/天；T——生产周期时间，天； K——轧机等主要设备与精整设备产量上的不平衡系数。

中间仓库面积为：

F W=436m2 Q

2式中，Q——平均单位面积堆放量，t/m，一般可按成品仓库有效堆放负荷的一

半来考虑；F——中间仓库面积，m2。

成品仓库面积计算

成品仓库面积的计算基本上同原料仓库的面积计算。有色金属成品库料存

放天数为15天面积利用系数为0.35～0.4。成品库的面积计算与原料库相同，成品库面积为：

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/vyvq.html