年产80万吨高速线材开题报告.doc

华北理工大学轻工学院

本科生毕业设计开题报告

题 目：
年产80万吨高速线材车间设计

学 部：
材料化工部
专 业：
金属材料工程
班 级：
2012级轧钢1班
姓 名：
周涛
学 号：
201224050105
指导教师：
李硕

2016年 1 月 7 日

一、选题背景 
1题目的来源  
1.1线材的定义 
线材是断面周长很小，可以卷起来的金属材料称之为线材。如铅丝等。钢铁中的线材通常是指直径为5.5-14的盘成线圈状的钢线材料。线材大多用卷材机卷成盘卷供应，故又称为盘条或盘圆。 
线材一般用普通碳素钢和优质碳素钢制成。按照钢材分配目录和用途不同，线材包括普通低碳钢热轧圆盘条、优质碳素钢盘条、碳素焊条盘条、调质螺纹盘条、制钢丝绳用盘条、琴钢丝用盘条以及不锈钢盘条等。在我国一般直径在（5-9）毫米共八种规格的成卷供应的热轧圆钢称为线材。线材因以盘卷交货又叫盘条。国外对线材的概念和我国的略有不同，除了圆形断面外也有其他形状，其直径由于需求量和生产技术的水平不同而不同。美国的标准规格规定线材的直径一般为（5.5-18.7）毫米，每个0.4毫米为一种规格。英国标准规定线材直径为（5.38-25）毫米。还有的国家把直径超过20毫米称为成卷圆钢[1]。一般分为：拉丝用线材 螺纹钢 盘圆 普线高线 热轧带肋钢筋 热轧光圆钢筋 热轧螺纹钢 硬线 
1.2线材的种类 
（1）按钢的化学成分，线材可分为两大类：一是碳素钢，按含碳量多少又可分为低碳钢，中碳钢和高碳钢；二是合金钢。目前线材的钢种主要是普通低碳钢，优质碳素钢，焊条钢，钢丝绳钢，不锈耐酸钢，耐热钢，滚动轴承钢等三十多种[2]。    
（2）按断面形状，线材有圆形，方形，椭圆形，梯形和异性等。异性和方形的一般都较少而圆形的断面较多。 
（3）按用途，线材可分为两种：一是直接做建筑材料用；二是做拔丝的原料。 
1.3线材的品种与用途 
  线材一般用普通碳素钢和优质碳素钢制成。按照钢材分配目录和用途不同，线材包括普通低碳钢热轧圆盘条、优质碳素钢盘条、碳素焊条盘条、调质螺纹盘条、制钢丝绳用盘条、琴钢丝用盘条以及不锈钢盘条等。  
（1）普通低碳钢热轧圆盘条（GB701-65），普通低碳钢热轧圆盘条由低碳普通碳素结构钢或屈服点较低的碳素结构钢轧制而成，是线材品种中用量最大、使用最广泛的盘条，故又称普通线材，简称普线。     
主要用途：普线主要用于建筑钢筋混凝土结构作配筋用，也可冷拔拉制成钢丝，作捆扎等用。 
（2）普通低碳钢无扭控冷、热轧盘条（ZBH4403-88），无扭控冷、热轧盘条由无扭高速线材轧机轧制后采取控制冷却制成，材质与普线相同，但无扭控冷、热轧盘条具有尺寸精度高、表面质量好、较高的力学性能等优点。主要用途：无扭控冷、热轧盘条尺寸精度分A、B、C 三级。A、B、C级精度适用于拉丝、建筑、包装和焊条等用途，B、C级精度适用于加工成螺栓、螺丝和螺母等。            
（3）优质碳素钢盘条（GB4354-84），优质碳素钢盘条是用优质碳素结构钢轧制而成。是线材品种中用量较大的品种之一[3]。     
主要用途：优质碳素钢盘条主要用于加工制造碳素弹簧钢丝、油淬火回火碳素弹簧钢丝、预应力钢丝、高强度优质碳素结构钢丝、镀锌钢丝、镀锌绞线钢丝绳等。  
（4）优质碳素钢无扭控冷、热轧盘条（ZBH44002-88），优质碳素钢无扭控冷、热轧盘条由无扭高速线材轧机轧制而成， 轧制后采取控制冷却处理。与优质碳素钢盘条相比，具有尺寸精度高、表面质量好，有较高的力学性能[4]。 
主要用途：主要用途与优质碳素钢盘条相同。常用于制造碳素弹簧钢丝、油淬火回火碳弹簧钢丝、预应力钢丝、优质碳素结构钢丝，镀锌钢丝等。  
（5）制绳钢丝用无扭控冷、热轧盘条（ZBH44004-88），制绳钢丝用无扭控冷热轧盘和用优质碳素结构钢，在无扭线材轧机上轧制，轧制后控制冷却而制成。这样轧成的盘条，尺寸精度高，表面质量好，力学性能优越。 
主要用途：主要用于拉制制绳钢丝和钢绞线钢丝。  
（6）碳素焊条钢盘条（GB3429-82），碳素焊条钢盘条由低碳优质碳素结构钢热轧制成。 
主要用途：主要用于制造手工电弧焊焊芯。   
（7）合金结构钢热轧盘条（GB3077-82），合金结构钢热轧盘条由合金结构钢作材质轧制而成。合金结构钢共有26个钢组、78个钢牌号。各生产厂依据需方要求及不同用途选用各牌号进行生产[5]。 
主要用途：合金结构热轧盘条主要用于拉制钢丝、金属制品和结构件。  
1. （8）碳素工具钢热轧盘条（GB1298-86），碳素工具钢由优质或高级优质高碳钢轧制而成。加工性能与耐磨性能好，价格便宜。     
主要用途：主要用于拉制钢比与制造工具等。  
（9）弹簧钢热轧盘条GB1222-84），弹簧钢是用于制造弹簧或其他弹性元件的钢种。弹簧和弹性元件主要利用其弹性变性吸收与储存能量，达到缓和震动、冲击或使机件完成某些动作为目的。由于它是在冲击、震动或长期均匀的周期交变应力条件下工作，因此要求弹簧钢具有高的屈服强度，尤其要有较高的屈强比（屈服强度与抗拉强度之比）和弹性高的疲劳强度、较高的耐高温和耐腐蚀等性能。弹簧钢还应有良好的表面质量。弹簧钢有碳素弹簧钢和合金弹簧钢两类共17个牌号[6]。
主要用途：弹簧钢热轧盘条主要用于生产各种用途的螺旋弹簧。   
（10）焊接用不锈钢盘条（GB4241-84），焊接用不锈钢盘条与一般不锈钢盘条在化学成分上有所不同。为了保证其优良的焊接性能，提高焊缝质量，焊接用不锈钢盘条在成分上的显著特点是含碳量低、磷、硫等有毒杂质少、镍、铬含量较高。     
主要用途：主要用于制造电焊条钢芯和焊丝[7]。 
1.4高速线材生产特点 
高速线材轧机一出现就显示出极大的优越性，高速、无扭、控冷是现代高速线材轧机主要的工艺特点： 
(1)高速，普通线材轧机轧制速度很少超过35m/s，我国广泛应用的复二重轧机。其轧制速度为16m/s左右，而目前使用的高速线材轧机的实际轧制速度一般为75m/s，最高轧制速度可达120m/s。 
(2)无扭，摩根无扭轧机机组一般由10个机架组成，使用碳化钨辊环，轧辊为悬臂式，相邻机架的轧辊互成90度，这样就避免了轧件进入下一道时的扭转翻钢，实现了无扭轧制[8]。 
(3)控冷，由于轧制速度高，盘重大(一般为1.2t)，已不可能采取普通轧机的集卷冷却方式。线材从精轧机轧出后，首先进行芽水冷却，快冷至要求的温度范围，然后通过成圈器使线团散布在运输辊道上，进行散卷冷却。一股采用风冷，水冷及散卷冷却，具体工艺根据不同钢种的要求确定，从而得到全长冷却均匀和性能良好的线材。这种斯太尔摩冷却工艺生产线，后来又发展成为标准型、缓冷型、延迟型三种，根据不同钢种性能的要求，采用不同类型的冷却方式。控制冷却工艺主要是控制终轧温度、吐丝温度、相变区冷却速度(通过调节运输机速度、风量大小及保温时间来控制)和集卷温度等。 
随着科学技术的进步，对炼钢的生产率、成本、产品内在质量等都提出了愈来愈高的要求。20世纪60年代、在世界范围内，传统的炼钢方法发生了根本性的创新，即由原来单一设备初炼及精炼的一步炼钢法，变成由传统炼钢设备初炼然后再进行炉外精炼的二步炼钢法．从而出现了各种各样的炉外精炼法[9]。 
炉外精炼是近年来发展起来的一项炼钢新技术，无论转炉、电炉都可采用各种各样的炉外精炼方法。国外经炉外精炼的普通钢已占其总量的70％以上，特殊钢几乎100％经过炉外精炼。 
炉外精练这种新技术得到迅猛发展的原因是： 
(1)提高韧烁炉生产率。电弧炉生产率提高25%左右，可提高超高功率电炉生产率50%—10%。 
(2)降低产品成本。对于精炼超低碳不锈钢，可降低成本500—1000元/吨； 
(3)提高产品内在质量、扩大产品品种。当钢中氢含量低于某含量时可以避免白点的形成：钢的纯治度大大提高、同时钢的化学成分均匀稳定，偏析减轻；钢的综合力学性能得到显著提高，品种也得到扩大，从而满足了用户的要求。 
1.5 国内外线材生产的兴起与发展 
线材制品的品种与质量，不仅决定于其本身的生产工艺技术与装备水平，而且在很大程度上更有赖于其原料——线材的冶炼与轧制技术。也就是说，线材品种质量的提高，将大大促进线材制品行业的发展与进步，否则线材制品行业的发展将受到制约，甚至处于落后状态。这是100多年来线材制品行业发展历史所证实的．因此线材与其制品的关系是密不可分的。 
线材一般是指直径为5——16mm的热轧圆钢或相当该断面的异型钢，因以盘卷状态交货，统称为线材或盘条。国外线材规格已扩大到约6.50mm。常见线材多为圆断面，异型断面线材有椭圆形、方形及螺纹形等，但生产数都很少。 
线材在国民经济中的作用与地位是非常重要的，首先，线材产量占钢材总产量的比例很大、一般国家线树产量占钢材总产量的8%——10%，而我国却占20%以上；其次，线材用途十广泛，除直接用作建筑钢材外，线材的深加工产品用途更为广泛和重要。例如各类商品钢丝及专用弹簧钢丝、焊丝、冷缴钢丝、镀锌钢丝、通讯线、轮胎钢丝及钢帘线、高强度钢丝及钢纱线舶承钢丝、模具钢丝、不锈钢丝、各种钢丝绳、钢钉、标谁件等等，可以说遍布国民经济各个部门，是不可或缺的重要品种。国外先进工业国家线材加工比在70%左右，我国为30%左右。 
线材生产的兴起与发展是随着科技进步、国民经济的发展而发展起来的。线材轧机的开发与创新是线材生产发展的首要条件。 
据记载，世界上第一台线材轧机在16世纪已经问世．当时是用锻坯轧制线材而比较正规的线材轧机在18世纪中期才出现，由粗轧及精轧两列横列式轧机组成[10]。因为采用反围盘及人工喂钢轧制，其轧速度超过8m/s，同时受头尾温差大的影响，线材存在着尺寸精度差、盘重小、性能不稳定等致命缺点，限制了横列式轧机的发展。 
为了保证产品质量并提高产量，同时也为了降低生产成本，必须提高轧制速度，所以20世纪初开发了半连续式轧机。该轧机由粗、中、精轧机组组成，粗轧及中轧采用连轧，精轧机组仍采用横列式轧机，即活套轧制；复二重轧机是半连续式轧机的一个特例，中轧及桔轧机列在两个正围盘之间采用连轧，实现了机械化操作，轧制速度提高到16m/s，生产能力有很大提高，盘重增加到200kg左右，尺寸精度较横列式为好，但品种及质量未有根本好转。20世纪60年代是线材生产技术发展的兴盛与创新时期，在轧制速度不断提高的同时也解决丁大盘重线材的控制冷却问题，因此从根本上解决了盘重增大后，内层的线村长时间在高温下停留生成粗大的晶粒，使内外线材的力学性能差别很大，表面氧化铁皮厚等问题。为了进一步解决产品品种及质量问题，英国在1862年建成了第一台连续式轧机[11]。该轧机机座采用串列式布置形式，轧件同时在几个机架中轧制，各道次的金属秒流量相等。可单机驱动，有较高的调整精度，实现微张力或无张力轧制：由于没有穿唆轧制，没有大活套，所以头尾温差小，产品性能得到改善。到20世纪50年代，随着机械制造、电气传动及控制水平的提高，线材轧制速度达36m/s，尺寸公差(0.3—0.4)mm，盘重为500kg左右，一套轧机年广量在30—50万吨。当时典型的连续式线材轧机是两线8架集体传动的美国摩根型轧。 
目前世界上应用最广泛的摩根型高速无扭轧机是美国摩根公司1962年开始研制的，1966年首先应用于加拿大钢铁公司哈密尔顿厂。第一套摩根型高速线材轧机于1966年9月正式投产，轧制速度43—50m/s，同时摩根公司和加拿大斯太尔摩公司联合，开发了线材轧后控制冷却系统，称之为斯太尔摩线[12]。 
高速线材轧机一出现就显示出极大的优越性，继美国之后，其他一些国家和公司也纷纷创新高速线材轧机，出现了各种机型。目前基本上有四种1)测交45的美国摩根型；2)15／75的德国德马克型；3)顶交45的英国阿希洛型；4) 0／9平—立布置的意大利达涅利肋型[13]。其中摩根机型应用最广泛。各种机型各有优点，但基本工艺特点差异不大。 
1.6 国内外线材生产的现状与展望 
1.6.1 国外线材生产现状 
20世纪70年代以来，国外主要产钢国家普遍采用高速线材轧机和控制冷却技术作为线材生产的主要工艺技术；在冶炼方面．主要是用转炉或电炉初炼，然后采用炉外精炼技术进行二次精炼，同时基本上是以连传代替模铸，而且采用全保护浇铸；所以．生产出的线材生产率高、成本低、品种多、质量又好[14]。 
据不完全统计，目前世界上有近3万条高速线材轧机。年产线材约7000万吨、其中高线产量约80%以上，线材产量占钢材总产量9%—10%；各国的输出量与输入量平均在20%左右[15]。美国是世界上最大的线材输入国，每年线材消费员约800万吨，而本国每年只生产400—450万吨，输入量占30%—50%，日本是世界上线材输出量最大的国家．每年线材产量约750万吨，输出量约20万吨；世界上线材产量最大的国家是中国，年产量约2600万吨 [16]。 
1.6.2 国内线材生产现状 
目前我国拥有线材轧机近110套，其中复二重轧约占—半，横列式线材轧机有近30套，但将逐步被淘汰；其余40多套多为高速线材轧机，其中从国外引进的高水平线材轧机有20多台．国产高速线材轧机有近20套。1999年，全国生产线材2608万吨，其中高线产量1218万吨，高线比已经达到46.7%；优质硬线比约10%，但精练比不到30%。从品种与质量来看，我国对国际标准ISO、欧洲标D2TN、日本标准J15中所列线材钢种、规格等基本可以全部生产，而且能达到相应的标准要求。国产线材除个别品种外(如钢帘线、气门弹簧、超低碳不锈钢用线材等)，基本都能满足用户要求，供需基本平衡，自给率达93% 。
1.6.3 对我国线材发展的几点看法 
纵观我国线材发展的历史，可以说有了突飞猛进的发展．特别是近几十年来，我国线材行业持续高速发展，以每年净增产200多万吨高速度增长，其产量从1987年的693万吨，增加到1999年的2608万吨。增长2.8倍；同期高速线材产量从32万吨增加到1218万吨，增长37倍；线材自给率达到99%以上；在品种质量方面也有很大提高目前完全可以按国际先进技术指标进行生产。多数线品种与质量能够满足线材制品企业使用要求。所有这些都说明：我国已经成为世界最大的线材生产国，为世界同行所瞩目。但是也应看到，我国虽然是世界线材生产大国，但还不能说是线材生产强国；目前我国还有部分线材品种仍然依靠进口维持生产。如钢帘线、高应力弹簧钢、不锈钢、冷墩钢等线材。在重要用途线材实物质量方面，仍与世界先进工业国家仍有较大差距，为此，对我国线材发展提出以下几点看法。 
(1) 线材生产的产量固然重要，但是我们在追求产量的同时提高品种的质量也是我们共同追求的目标，尤其是重要用途线材品种实物质量的提高。
(2)进一步发展高速线材轧机，当前我们与国外先进工业国家应有一定差距，我们应该淘汰落后的横列式线材轧机，改造并且适当的限制复二重线材轧机的发展，把高速线材轧机的发展列为重中之重。
(3)我国线材产量虽然大但是出口却很少，每年也不过只有几十万吨，同时还有万吨要进口。这种现象要加以改变，所以扩大线材出口是今后发展的方向之一。 

二、设计方案（含设计主要内容、方法手段及预期达到的目标等） 
1 线材产品特征 
1)在满足用户需求方面，针对用户的不同要求，提供所有产业用原材料。 
2)在等级高的领域，对线材有多种性能要求。 
3)中间产品很少作为热轧材料使用，一般经过锻造热处理机械加工等二次三次
加工而成最终产品。 
4)最终产品是具有国际竞争力的产品。 
5)近年来全球范围内都在寻求通过产品的生活圈循环，改善环保状况。 
2 设计主要内容 
1)收集有关资料，了解线材的国内外生产现状与前景，所建厂产品范围，应用领域，产品范围和产品规格，建厂经济依据；
2)典型产品总延伸计算，道次选择，轧机布置选择比较； 
3)压下分配，轧制规程计算，温降计算，轧制力计算，并绘制轧制图表，年产量计算； 
4)孔型设计，电力校核，轧辊计算强度校核； 
5)辅助设备选择：加热炉形式选择，空冷机、剪切机选择； 
6)金属平衡、燃料消耗计算，环境保护与综合利用的规划； 
7)绘制工艺平面图。 
8)分析设计可行性及介绍本设计特点。 
3 方法手段 
3.1制订生产工艺流程的依据 
根据生产方案的要求：由于产品的产量、品种、规格及质量的不同，所采用的生产方案就不同，那么主要工序就有很大的差别。因此生产方案是编制生产工艺流程的依据； 
根据产品的质量要求：为了满足产品技术条件，就要有相应的工序给予保证，因此，满足产品标准的要求是设计生产工艺流程的基础。根据车间生产率的要求：由于车间的生产规模不同，所要求的工艺过程复杂程度也不同。在生产同一产品情况下，生产规模越大的车间，其工艺流程也越复杂。因此，设计时生产率的要求是设计工艺流程的出发点。 
3.2工艺流程简介 
钢坯的准备：连铸坯150mm×150mm×14000mm 装炉加热：将钢坯加热到奥氏体温度，以利于轧制。 
高压水除鳞：坯料在加热炉加热之后，进入粗轧机组之前，需高压水除鳞，破除坯料表面的氧化铁皮和次生氧化铁皮，以免压下表面产生缺陷。 
粗、中、精轧机组轧制：使轧件轧成成品的尺寸，其中，粗轧机组6架，中轧机组6架，预精轧机组4架，精轧机组8架，这条生产线上共有24架轧机。 
飞剪切头尾：轧件进入每组轧机之前都要进行切头尾工作，目的是为了除去温度过低的头部以免损伤辊面，并防止轧件头部卡在机架间导卫装置中，卡断剪用于中轧机组、预精轧机组和精轧机组前，在事故状态下碎断轧件。 
穿水冷却：为了降低进入精轧机组的轧件温度，在精轧机组之前设置水箱，以控制终轧温度。 
吐丝成卷：轧出的线材在穿水冷却后，通过吐丝成卷形成散卷。 
斯太尔摩散卷冷却：控冷线按不同的钢种和产品用途，控制其冷却速度，以得到相应的成品质量。 
精整与运输：包括集卷、修整、检查、取样、捆轧、称重挂标牌，用集卷装置收集散卷，并将其挂到P-S运输线上的C形钩上，依次完成集卷、修整、检查、取样、捆轧、称重挂标牌等工序，之后卸卷入库。 
4 研究方法 
1)收集线材车间设计相关资料，查阅文献，确定线材车间的生产规模、品种，生产方案、建厂地址及厂区范围，资源利用状况、各种材料供应、运输等要求，需要达到的技术水平，经济及社会效益，环保要求等。 
2)参考相关的标准和手册，参考相关书籍和指导老师意见，从中汲取经验和思路，进一步搜集做好相关记录，通过文献分析法、文本细读法、比较法综合分析法等确定并形成毕业设计内容及进度计划。 
3)根据现场实习并进行设备、工艺分析，工艺设计与设备选择，工艺参数计算，计算机软件绘图，完成毕业设计任务。 
5 设计要达到的目标
1)进一步巩固，加深对所学基本理论、基本技能和专业知识的掌握，使之系统化、综合化。 
2)初步掌握科学研究的基本方法和能力。包括调查研究、查阅文献和搜集资料
的能力，理论分析和制定设计方案的能力，设计计算和制图的能力等。 
3)树立严谨、负责、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、敢于创新的科学研究精神；养成善于与他人合作的工作作风；培养独立思考，独立获取知识以及综合运用已学知识解决实际问题的能力。 
4)设计高效环保的连轧线材车间，采用先进的工艺和技术，设计并绘制出车间工艺平面图； 

三、进度安排 
1.第1～4周：了解线材的国内外生产现状与前景，所建厂产品范围，应用领域，产品范围和产品规格，建厂经济依据；确定大概研究方向，并开始着手于相关数据及其文献收集及翻译；并撰写文献综述。 
2.第5周：收集与本设计相关的基本数据和理论，完成毕业设计开题报告。 
3.第6～8周：查阅相关文献和数据，进行典型产品总延伸计算，道次选择，轧机布置选择比较；完善各个设计中遇到的问题并不断将前期的构思实现，进行压下分配，轧制规程计算，温降计算，轧制力计算，并绘制轧制图表。
4.第9周：年产量计算及孔型设计，电力校核，轧辊计算强度校核，进一步确定论文草稿。 
5.第10～13周：对辅助设备选择及金属综合利用规划，CAD绘图，撰写毕业设计说明书、摘要并译文。 
6.第14周：完成毕业设计任务，根据指导老师的意见最终定稿，回忆和整理整个过程的思路和心得，准备毕业答辩。 

四、参考文献
[1]线材编写组．线材生产．[M]北京：冶金工业出版社，1983.3：54～58 
[2]《高速线材生产》编写组．高速线材生产．[M]北京：冶金工业出版社，1997.4424～458 
[3]白光润．型钢孔型设计．[M]沈阳：东北大学出版社，1995.6：12～18
[4]刘占英．轧钢．[M]北京：冶金工业出版社，1995.8：188～192
[5]赵松筠．型钢孔型设计．[M]北京：冶金工业出版社，1993.3：23～34
[6]袁康．轧钢车间设计基础．[M]北京：冶金工业出版社，1995.9：89～94 
[7]杭乃勤，胡盛德．棒线材连轧过程数学模型．[J]武汉科技大学学报，1999，22(4)：334～338
[8]赵自义等．安钢高速线材轧机孔型系统设计及应用．[J]安钢技术．2002，19(5)：35～36
[9]解继峰等．安钢高速线材生产线设计简介．[J]安钢技术．2002，19(1)：13～15
[10]杨晓明．宝钢高速线材生产线设计简介．[J]安钢技术．2000，17(2)：18～22
[11]赵志业．金属塑性变形与轧制理论．北京：冶金工业出版社，1980.1． 
[12]王廷薄．金属塑性加工学——轧制理论与工艺．[M]北京：冶金工业出版社，2002.6 
[13]刘宝桁．轧钢机械设备．[M]北京：冶金工业出版社，2004.9． 
[14]新疆八一钢铁（集团）公司《小型连轧机的工艺与电器控制》编写组．《小型连轧机的工艺与电器控制》．[M]北京：冶金工业出版社，2003.7． 
[15]Lemay J; Bena A. Improvement of the response of a fine cold～wire for the measurement of high frequency temperature fluctuations. [J]Anselment Fluid mechanics and its applications, 1997, 41：256~261 
[16]Tsuji, Nagano Y, Tagawa M. Frequency response and instantaneous temperature profile of cold wire sensore for fluid temperature fluctuation measurements. [J] Exp. Fluids, 1992, 34(3)：331~336 。

- 9 -