学位论文-—课程设计冷轧压下规程设计.doc

辽 宁 科 技 大 学
课程设计说明书

设计题目： 冷轧压下规程设计

学院、系： 材料与冶金学院

专业班级： 材料成型及控制工程2009.3

学生姓名： 周 林

指导教师： 王 振 敏

成 绩：

1前言 2
1.1 冷轧概念 3
1.2 冷轧工艺特点 3
1.3冷轧薄板生产过程 4
1.4我国冷轧发展史冷轧薄钢板生产的发展历史 6
2 . 1Cr18Ni9冷轧不锈钢薄板轧制工艺制度的制定 6
2.1原料的选择 6
2.2压下规程 6
2.3 工艺制度的确定 7
2.3.1 压下制度 7
2.3.2 张力制度 8
2.3.3 速度制度 9
2.3.4 轧制力计算 11
3.设备强度及能力校核 18
3.1咬入能力校核 18
3.2轧辊强度校核 19
3.2.1 工作辊校核 20
3.2.2支承辊校核 22
3.3接触应力校核 23
3.4电动机功率校核（第二架为例 24
3.4.1轧制力矩 24
3.4.2摩擦力矩 24
3.4.3空转力矩 24
4.后记 25
5. 参考文献 25

1前言
钢铁作为基础的生产资料，在国民经济中有着举足轻重的地位。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部不均的弊病，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。在国民经济中，冷轧板带钢的生产占据着极其重要的地位。
本冷轧带钢轧制规程课程设计参考鞍钢冷轧厂2#线而进行。预设计生产规格为1.4x1350mm的1Cr18Ni9冷轧不锈钢薄板。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，对轧辊强度、电机功率进行了校核。力求通过本次课程设计能对冷轧带钢有更深层次的了解。
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润滑（工艺冷润）；
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；
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
下图是鞍钢冷轧成产典型产品工艺流程图：

鞍钢冷轧厂冷轧产品简介
（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，4~5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。
1.4我国冷轧发展史冷轧薄钢板生产的发展历史
1月17日，“鞍钢1780mm大型宽带钢冷轧生产线工艺装备技术国内自主集成与创新”项目荣获国家科技进步一等奖。这是鞍钢继自主研发“贫赤（磁）铁矿选矿新工艺、新药剂与新设备研究及工业应用”和“1700中薄板坯连铸连轧（ASP）生产工艺技术”项目先后荣获国家科技进步二等奖之后，第三次荣获国家科技进步奖，并获得一等奖的殊荣。
“鞍钢1780mm大型宽带钢冷轧生产线工艺装备技术国内自主集成与创新”项目是鞍钢“十五”重点技改工程，由鞍钢集团公司、中国第一重型机械集团公司、中冶南方工程技术有限公司共同完成，是我国第一次依靠自己的技术力量，通过自主研制、开发和集成建设的大型冷轧宽带钢生产线。该项目由鞍钢自主集成，所需设备全部采用点菜的方式，立足国内资源，总投资与国内同类冷轧厂相比节约近三分之一，技术起点高、设备精良。通过自主研发和创新，鞍钢1780mm冷轧生产线在投产后，板型、厚度、表面质量、成材率、能耗、劳动生产率等指标均达到或超过国际先进水平。此生产线建成投产表明我国已经掌握了冷轧成套设备制造技术和工艺生产控制两大核心技术，对我国冶金重大装备国产化做出了突出贡献。
2005年，“鞍钢1780mm大型宽带钢冷轧生产线工艺装备技术国内自主集成与创新”项目曾被中国钢铁工业协会、中国金属学会授予全国冶金科学技术特等奖。
2006年度国家科学技术进步奖通过项目初评有624项参评，其中326项入围，最终荣获国家科学技术进步一等奖项目有19项（含军工、民用），鞍钢是2006年度唯一获此奖项的钢铁企业。
2 . 1Cr18Ni9冷轧不锈钢薄板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：成品规格：1.4×1350mm，钢种为1Cr18Ni9冷轧不锈钢薄板。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：3.5×1350mm，则总压下率为60%。本设计中采用五机架冷连轧机，其主要设备如下表：
表2-1-1 工作机架参数表
部位
总高（mm）
断面尺寸（mm）
窗口尺寸（mm）
形式
重量（t）
材质
操作侧
7145
630×760
4800×1360
闭口
78.3
ZG35
传动侧
7145
630×760
4800×1360
闭口
78.3
ZG35
表2-1-2 轧辊参数表
项目
辊身长（mm）
直径（mm）
硬度（HS）
润滑方式
工作辊
1780
540/600
85-92
油气润滑
支承辊
1780
1450/1525
60-67
动压润滑

2.2压下规程
设计采用五机架连轧，参考经验数据，制定压下规程如表2-1所示：
表2-1 压下规程
道
次
H
/mm
h
/mm
Δh
/mm
ε
/%

/mm
轧速/m/s
前张力
/Mpa
后张力/Mpa

/Mpa
总压力P/t
1
3.50
2.45
1.05
30
2.975
11.43
90
50
499.67
1318.76
2
2.45
1.82
0.63
25.71
2.135
15.38
100
90
753.60
1334.26
3
1.82
1.568
0.252
13.85
1.694
17.86
105
100
808.52
1294.31
4
1.568
1.442
0.126
8.04
1.505
19.42
115
105
804.01
1115.79
5
1.442
1.40
0.042
3.01
1.421
20.00
45
115
906.91
1082.19
2.3 工艺制度的确定
2.3.1 压下制度
根据等轧制力原则采用分配压下系数如表2-3-1，令轧制中的总压下量为ΣΔh，则各道次的压下量Δhi为：
Δhi=biΣΔh
式中：bi—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2-3-1 冷连轧机压下分配系数
机架数
压下分配系数bi道次号
1
2
3
4
5
5
0.5
0.3
0.12
0.06
0.02

第一道次： b1=0.5 ΣΔh=3.5-1.4=2.1
Δh1=b1ΣΔh=0.5*2.1=1.05mm
h1=H1-Δh1=3.5-1.05=2.45mm
1= (h1+H1)/2=(3.5+2.45)/2=2.975mm
ε1=Δh1/ H1*100%=1.05/3.5*100%=30%
第二道次： b2=0.3 ΣΔh=3.5-1.4=2.1
Δh2=b2ΣΔh=0.3*2.1=0.63mm
h2=H2-Δh2=2.45-0.63=1.82mm
2= (h2+H2)/2=(1.82+2.45)/2=2.135mm
ε2=Δh2/ H2*100%=0.63/2.45*100%=25.71%
第三道次： b3=0.12 ΣΔh=3.5-1.4=2.1
Δh3=b3ΣΔh=0.12*2.1=0.252mm
h3=H3-Δh3=1.82-0.252=1.568mm
3= (h3+H3)/2=(1.568+1.82)/2=1.694mm
ε3=Δh3/ H3*100%=0.252/1.82*100%=13.85%
第四道次： b4=0.06 ΣΔh=3.5-1.4=2.1
Δh4=b4ΣΔh=0.06*2.1=0.126mm
h4=H4-Δh4=1.568-0.126=1.442mm
4= (h4+H4)/2=(1.442+1.568)/2=1.505mm
ε4=Δh4/ H4*100%=0.126/1.568*100%=8.04%
第五道次： b5=0.02 ΣΔh=3.5-1.4=2.1
Δh5=b5ΣΔh=0.02*2.1=0.042mm
h5=H5-Δh5=1.442-0.042=1.40mm
5= (h5+H5)/2=(1.40+1.442)/2=1.421mm
ε5=Δh5/ H5*100%=0.042/1.442*100%=3.01%
2.3.2 张力制度
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2-3-2 各机架张力分配
机架号
1
2
3
4
5
前张力（MPa）
90
100
105
115
45
后张力（MPa）
50
90
100
105
115
2.3.3 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：
B1h1V1=B2h2V2=B3h3V3=B4h4V4=B5h5V5
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：
h1V1=h2V2=h3V3=h4V4=h5V5
根据经验值选取最后一架轧机出口速度为20.00m/s，则：
h1V1=h2V2=h3V3=h4V4=h5V5
V4=V5h5/h4=20.00*1.40/1.442=19.42m/s
V3=V5h5/h3=20.00*1.40/1.568=17.86m/s
V2=V5h5/h2=20.00*1.40/1.82=15.38m/s
V1=V5h5/h1=20.00*1.40/2.45=11.43m/s

表2-3-3 轧件水平速度表
机架号
1
2
3
4
5
速度V(m/s)
11.43
15.38
17.86
19.42
20.00

利用前滑值计算轧辊的转速：
第一道次：
咬入角：
中性角：
前滑值：
则：

第二道次：
咬入角：
中性角：
前滑值：
则：

第三道次：
咬入角：
中性角：
前滑值：
则：

第四道次：
咬入角：
中性角：
前滑值：
则：

第五道次：
咬入角：
中性角：
前滑值：
则：

表2-3-4 各机架速度表
机架号
ɑ（°）
γ
Sh
V(m/s)
v(m/s)
n(r/min)
1
3.57
0.017
0.033
11.43
11.06
391.37
2
2.77
0.014
0.031
15.38
14.92
570.19
3
1.75
0.011
0.021
17.86
17.49
631.99
4
1.24
0.009
0.015
19.42
19.13
687.19
5
0.71
0.006
0.007
20.00
19.86
702.79
2.3.4 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0.06，以后喷乳化液，取值0.04，最后一道次取值0.03。
本设计采用M.D.Stone公式计算平均单位压力：
(2.3)
式中： ； ez
—考虑轧辊弹性压扁的变形区长度；
—平面变形抗力， ；
—前后张力平均值， ( )
第一道次：
由热轧原料开始轧制，压下量Δh=1.05mm，冷轧入口总压下率为0，出口总压下率为30%。求平均总压下率：

查低碳加工硬化曲线得：

求平均单位张力:

式中：—泊松比，取0.305 E—弹性模量，取190GPa

查斯通图得：

应力状态系数：==499.67MPa

第二道次：
入口压下率为30%，出口总压下率为48%。求平均总压下率：

查低碳加工硬化曲线得：
求平均单位张力:

查斯通图得：

应力状态系数： = MPa

低碳加工硬化曲线

第三道次：
入口压下率为48%，出口总压下率为55.2%。求平均总压下率：

查低碳加工硬化曲线：
求平均单位张力:

查斯通图得：

应力状态系数：

第四道次：
入口压下率为55.2%，出口总压下率为58.8%。求平均总压下率：

查低碳加工硬化曲线：
求平均单位张力:

查斯通图得：

应力状态系数：

第五道次：
入口压下率为58.8%，出口总压下率为60%。求平均总压下率：

查低碳加工硬化曲线：
求平均单位张力:

查斯通图得：

应力状态系数：

3.设备强度及能力校核
3.1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：

式中：—工作辊直径； —轧件的压下量； —咬入角; —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：

而，得到：
由于，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。
3.2轧辊强度校核
表 3-2-1 轧辊许用应力值
许用应力
[σ](MPa)
许用接触应力
[σ1](MPa)
许用剪切应力
[τ](MPa)
许用接触剪应力
[τ1](MPa)
240
2400
73
730

表3-2-2 轧辊各部分尺寸

辊身长度
L（mm）
辊身直径
D（mm）
压下螺丝中心距a（mm）
辊径长度
l（mm）
辊颈直径
d（mm）
工作辊
1780
540
2060
180
280
支承辊
1780
1450
2530
1780
750
表3-2-3 校核相关参数
机架号
轧制压力（t）
轧辊转速（r/min）
电机功率（KW）
前张力（MPa）
后张力（MPa）
前后张力差（MPa）
1
1318．76
391.37
5500
90
50
40
2
1334.26
570.19
5500
100
90
10
3
1294.31
631.99
5500
105
100
5
4
1115.79
687.19
5500
115
105
10
5
1082.19
702.79
5500
45
115
70
根据五机架冷连轧机轧制力考虑，现在对第二架轧机的轧辊进行校核：

B

图3-2-1 四辊轧机轧辊受力图
3.2.1 工作辊校核

四辊轧机支撑辊与工作辊承受弯矩之比等于直径比的四次方，其弯曲应
53，
而=13342.6KN，得到
；
1） 辊身：
假定工作辊放在两支点上，画出其弯矩图如下：

87164.98N

Mg1

Mg2
Mg

图3-2-2 工作辊弯矩图

9664.7N.m

87699.15 N

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：
；
由于水平张力差导致的弯矩为：
，
；
辊身中部的合成力矩为：

工作辊在最大重车后的直径D=540mm，因此辊身中部的最大弯曲应力为：
＜
所以，工作辊辊身符合要求。
2） 辊头：
由于工作辊传动，校核辊头扭转强度。

图3-2-3 工作辊辊头图

，
，
＜
所以，辊头符合轧制要求。

图3-2-4支撑辊弯矩图

5367.25
3.2.2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：

支撑辊在最大重车后的直径为D=1450mm，则辊身中部的最大弯曲应力为：
＜
所以，支撑辊符合要求。
2）辊颈

＜
所以，辊颈轧制符合要求
3.3接触应力校核
工作辊与支撑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：

式中： ——接触表面单位长度上的负荷；
——相互接触两个轧辊的半径；
——与轧辊材料有关的系数，

轧辊材料相同，=0.305，E=190GPa，r1=270mm，r2=725mm

<
<
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（第二架为例
3.4.1轧制力矩

其中： x—力臂系数，取0.3； —轧制压力；l—接触弧长度。
3.4.2摩擦力矩

其中： —工作辊辊径直径； —轧辊轴承中摩擦系数，此处取0.05；
—粘性系数，取0.97；—传动比，取1.7856。
；
3.4.3空转力矩
；
式中：—电机额定转矩等于Mn=92108.77N.m，所以传动轧辊电机轴上所需力矩为：
；
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，所以设计过程个参数满足要求，设计成功！
4.后记
经过三周的时间，在王老师的精心指导下，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。特别是有一篇介绍EXCEL在压下规程设计过程中的使用技巧，使得在设计过程中节省了不少时间，而且便于调整和更改。
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。如坯料如何选择，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，才能使自己成为一名优秀的轧制工程师。
5. 参考文献
《轧钢机械设备》——刘宝珩 主编 冶金工业出版社
《金属塑性变形与轧制理论》——赵志业 主编 冶金工业出版社
《轧制工程学》——康永林 主编 冶金工业出版社
《轧钢工艺学》——王廷溥 主编 冶金工业出版社

附录
根据冷轧机座工作辊及支承辊受力特点，利用C语言编制了校核程序，其程序代码和校核结果如下：
#include<stdio.h>
#include<math.h>
void main()
{int n;
void gongzuogun();
void zhichenggun();
void jiechuyingli();
printf("校核工作辊请输入1，校核支撑辊辊请输入2，校核接触应力请输入3!\n");
scanf(“%d”,&n);
if(n==1)
gongzuogun();
if(n==2)
zhichenggun();
if(n==3)
jiechuyingli();
}
void gongzuogun()
{int Dg,D1,t0,Rs,N=5500;
double a1,t1,Mn;
printf("请输入工作辊直径Dg，转速Rs，许用应力t0:\n");
scanf("%d%d%d",&Dg,&Rs,&t0);
D1=Dg-10;
a1=0.6*D1/1000;
Mn=9549*N/Rs;
t1=Mn/(0.208*a1*a1*a1)/1000000;
printf("Mn=%f,t1=%f\n",Mn,t1);
if(t1<=t0)
printf("t1<=t0,工作辊辊头强度满足要求!\n");
else
printf("工作辊辊头强度不足，请重新设计!\n");
}
void zhichenggun()
{ float Lz,lz,dz,c;
double Pz,Pg,rate,Mz,Md,bz,Bd;
int Dz,Dg,a,b0;long P;
printf("请输入工作辊直径Dg，支撑辊直径Dz，轧制力P，许用应力b0，支撑辊压下螺丝中心距Lz，辊身长度lz:\n");
scanf("%d%d%ld%d%f%f",&Dg,&Dz,&P,&b0,&Lz,&lz);
rate=(1.0*Dz/Dg)*(1.0*Dz/Dg)*(1.0*Dz/Dg)*(1.0*Dz/Dg);
a=(int)rate;
Pg=P/(a+1);
Pz=P*a/(a+1);
Mz=Pz*(Lz/4-lz/8);
bz=Mz/(0.1*Dz*Dz*Dz*0.001*0.001*0.001)/1000000;
printf("a=%d,Mz=%f,bz=%f\n",a,Mz,bz);
if(bz<=b0)
printf("bz<=b0,支撑辊辊身强度满足要求!\n");
else
printf("支撑辊辊身强度不足，请重新设计!\n");
printf("请输入辊辊颈直径dz:");
scanf("%f",&dz);
c=(Lz-lz)/2;
Md=Pz*c/2;
Bd=Md/(0.1*dz*dz*dz)/1000000;
printf("Md=%f,Bd=%f\n",Md,Bd);
if(Bd<=b0)
printf("Bd<=b0,支撑辊辊颈强度满足要求\n");
else
printf("支撑辊辊颈强度不足，请重新设计!\n");
}
void jiechuyingli()
{float Rg,Rz,Lg;
long P,E;
int b0,t0;
double q,bmax,tmax,bzj;
printf("请输入工作辊半径Rg，支撑辊半径Rz，弹性模量E，轧制力P，许用接触正应力b0，许用接触剪应力t0，辊身长度Lg：\n");
scanf("%f%f%ld%ld%d%d%f",&Rg,&Rz,&E,&P,&b0,&t0,&Lg);
q=P/Lg;
bzj=sqrt((q*E*(Rg+Rz))/(Rg*Rz));
bmax=0.416*bzj/1000;
tmax=0.304*bmax;
printf("bzj=%f,bmax=%f,tmax=%f\n",bzj,bmax,tmax);
if(bmax<=b0&&tmax<=t0)
printf("bmax<=b0&&tmax<=t0, 轧辊接触强度满足要求!\n");
else
printf("轧辊接触强度不足，请重新设计!\n");
}