合金棒材车间设计和工模具钢的特点及生产毕业设计

合金棒材车间设计和工模具钢的特点及生产摘要本设计是参照抚顺特钢合金钢连轧厂而设计的年产量为20万吨的棒材连轧车间。典型产品为30CrMo，直径为16的棒材。整个说明书包括综述、正文和专题三个部分。在综述部分叙述了棒材的基本知识和国内外棒材生产的现状。第二部分是正文部分，（从第二章到第九章）正文说明正文说明整个设计的总体方案,主要包括产品方案、工艺流程、生产方案的制定、金属平衡的制定、生产设备的选择、工艺参数计算、道次计算、孔型设计、轧制力能参数校核、咬入角能力校核、年生产量计算，还涉及了环保措施。另外还绘制了孔型图和车间平面图。专题部分简要介绍了关于工模具钢的特点及生产。关键词：棒材；工艺设计；孔型设计；校核；工模具钢Alloy bar and tool and die steel plant design characteristics and productionAbstractThe design is light steel rolling plant in Fushun Special Steel designed annual output of 20 tons of bar rolling workshop. Typical products 30CrMo, a diameter of 16 bar. Review the entire manual, including, text and thematic three parts. Described in section bars review the basic knowledge and the status bar production at home and abroad. The second part is the body part (from chapter to chapter IX) Body of the text shows that the whole design of the overall program, including products, programs, processes, production of program development, the metal balance of the development, production equipment selection, process parameter calculation, calculation of pass, pass design, rolling force and energy parameters Check, check bite angle capacity, annual production levels, but also the environmental protection measures. Pass also drawn maps and workshop plans. Special section briefly describes the features on the tool and die steel and production.Keywords: Bar; process design; pass design; check; Tool Steel1. 综述61.1 棒材的分类61.2 棒材的轧机分布及生产工艺71.2.1 棒材轧机布置：71.2.2 棒材的生产工艺71.3 棒线材生产技术的发展与进步91.3.1 注重改进轧前工序91.3.2 加热炉技术进步91.3.3 热送热装91.3.4 感应加热101.3.5 无头轧制工艺101.3.6 棒线材生产的定径减径机组111.3.7 控制冷却工艺121.3.8 多种机型的运用121.4 我国棒线材发展现状131.4.1 20年前我国棒线材生产状况131.4.2 20年来型钢生产的技术进步141.4.3 我国棒线材生产现状141.5 国外棒线材的发展现状151.5.1 特殊钢棒线材的发展151.5.2 支撑开发高级棒线材的技术分析161.6 我国线棒材健康发展应采取的对策171.6.1 改造或淘汰落后的生产线171.6.2 调整品种结构,开发新产品171.6.3 跟踪世界前沿,积极引进和消化国外先进技术182 产品方案的确定与编制金属平衡表192.1 产品方案的确定192.2确定金属平衡表202.2.1 确定计算产品的成品率202.2.2 计算产品的选择212.2.3 计算产品的技术标准212.3 生产工艺流程的制订222.3.1 制订生产工艺流程222.3.2 工艺流程简介233 设备选择253.1 加热炉253.1.1 炉型选择253.1.2 加热炉性能参数263.2 主轧机263.2.1 轧机的组成263.3 精整设备选择293.3.1 剪切设备293.3.2 缓冷设备293.3.3 抛丸-探伤机组设备293.3.4 修磨设备293.3.5 退火设备303.3.6矫直设备304 工艺计算324.1 坯料选择324.1.1 坯料加热制度确定324.2 加热温度确定324.2.1 加热速度的确定334.3 轧制温度制定345 孔型设计365.1 计算产品的孔型设计365.2 选择孔型系统365.3 确定轧制道次数375.4 各孔型及轧件尺寸的确定385.4.1 成品孔（第22孔）尺寸计算385.4.2 成品前前孔（第20孔）尺寸计算395.4.3 成品前孔（第21孔）尺寸计算405.4.4 箱型孔型尺寸确定415.5 咬入校核435.6 充满度的校核435.7 孔型的配置446 轧制力能参数及设备校核466.2 轧制力的计算466.2.1 计算成品道次的连轧常数466.2.2 分配拉钢系数476.2.3 计算各机架的轧辊工作直径486.2.4 各机组的温度制度486.2.5 摩擦系数的确定486.2.6 轧制力计算506.3 主电机传动轧辊所需力矩及功率536.3.1 传动力矩的组成536.3.2 附加摩擦力矩的确定546.3.3 空转力矩的确定556.4 轧制程序表566.5 轧辊及电机校核576.5.1 轧辊强度校核576.5.2 电机校核617 设备生产能力的计算637.1 绘制轧制图表637.1.1 轧制图表637.2 轧机生产能力计算667.2.1 轧机小时生产能力667.2.2 年产量的计算677.3 加热炉生产能力计算688 经济技术指标制定车间布置708.1 主要经济技术指标708.2 环境保护708.3 车间平面布置718.3.1 车间平面布置的原则718.3.1 车间整体平面设计内容718.3.2 金属流程线的确定728.3.3 设备间距的确定728.3.4 车间内仓库设施的布置728.4 安全技术及环保748.4.1 安全技术748.4.2 环境保护74专题 工模具钢的特点及生产761. 综述棒线材生产已有200多年的历史。尽管板带钢产品比重迅速增加，其生产技术日趋完善，生产成本显著下降，但是棒线材产品仍然占据其独有而不可取代的地位。正是由于这个原因，其生产技术发展水平正日新月异地飞速发展。棒线材生产线设备布置形式经历了从单机架，棋盘式跟踪式，半连轧式。直至现今广泛采用的全连轧式。轧机也从简单的二辊、三辊式轧机，发展到了目前的悬臂式，可平立互换的短应力线轧机等机型皆显示出了明显的优势。随着我国国民经济的迅猛发展, 棒材生产在钢铁生产中的地位变得越来越重要。至2002年底，我国棒线材生产总量已约达8900万t，其中，连续式、半连续式棒材轧机和高速线材轧机的产量已在60以上。我国小型材和线材轧机装备，在数量、生产能力上，都已位居世界前列。近年来，我国线棒材厂总体生产管理水平不断提高，一般连续小型及高速线材轧机投产后2 年左右即能达到或超过设计产量。2000年以后，不少小型线材轧机的成材率达到97%，一些实行负偏差轧制的轧机，成材率约在98%以上。1.1 棒材的分类随着工业的发展，棒材的应用领域越来越广，对棒材品种质量的要求越来越严格，也越来越专业化。 棒材的钢种非常广泛，有碳素结构钢、弹簧钢、碳素工具钢、合金结构钢、轴承钢、合金工具钢、不锈钢、电热合金钢等。棒材一般都可进行机械加工。能制成棒材的材料非常多。因为钢种、钢号繁多，所以在棒材生产中通常将棒材分为以下四大类： (1)圆钢：圆钢是指截面为圆形的实心长条钢材。 (2)扁钢：是指宽12-300mm、厚4-60mm、截面为长方形并稍带纯边的钢材。 (3)角钢：角钢俗称角铁、是两边互相垂直成角形的长条钢材。 (4)槽钢：槽钢是截面为凹槽形的长条钢材。1.2 棒材的轧机分布及生产工艺1.2.1 棒材轧机布置：棒材轧机的布置形式是多种多样的，但基本上只有三种，即横列式、半连续式、连续式。横列式布置：是指各架轧机横向排列，共同由一台电机拖动，各架轧机的轧辊转数相同。横列式线材轧机最主要的优点是投资少、工艺设备简单、见效快、易于建成，因而地方小线材厂多采用这种轧机。半连续式布置：是指横列式布置和连续式布置的混合。通常是粗轧机组呈连续式布置，而中、精轧机组则呈横列式布置。我国的半连续式线材轧机粗轧机组是横列式或跟踪式，中、精轧机组则为复二重式。连续式布置：是指各架轧机纵向排列，轧件同时在各架轧机上轧制，每架轧机用同一台电机或一组轧机共用一台电机拖动，轧辊转数与延伸系数成比例地增加。轧机的布置形式不同则线材的产量和质量也各异，一般说来横列式轧机的产量、质量都比较低，连续式轧机产量、质量都比较高，而半连续式轧机则介于二者之间。1.2.2 棒材的生产工艺 小型棒材一直是我国消耗量最大的钢材品种。并且以较高的速度增长。其特点是断面适中、长度适中，对尺寸精度以及表面质量要求较高。主要的轧制工序有： (1)坯料 棒材的坯料以连铸方坯为主，其边长一般为150200mm，长度一般在612米左右。在实际生产中，采用目测、电磁感应探伤和超声波探伤等方式检验连铸方坯的质量； (2) 加热 一般采用步进式加热炉加热。加热的要求是氧化脱碳少、钢坯不发生扭曲、不产生过热过烧等。现代化的小型棒线材轧机坯料大且长，这就要求加热温度均匀、温度波动范围小。 (3)轧制 棒材的断面比较单一，因此轧机专业化程度较高。由于坯料到成品，总延伸较大，因此轧机架数较多，一般为1224架，分为粗、中、精轧机组。目前高小型棒材轧机成品出口速度已达18m/s以上。 (4) 精整 由于现代棒材轧制速度较高，轧制中温降较小甚至是升温轧制，因此棒材精轧后的温度很高，为保证产品质量，要进行散卷控制冷却。根据产品用途有珠光体控制冷却和马氏体控制冷却。 其生产工艺流程如下： 步进式上料台架200mm200mm连铸方坯粗轧机组电子称重及装炉辊道高压水除磷步进梁式加热炉切头切废飞剪中轧机组切头切废飞剪精轧机组计数倍尺飞剪切定尺冷剪冷床堆放称重打捆图1.1 高速线材车间工艺流程框图1.3 棒线材生产技术的发展与进步1.3.1 注重改进轧前工序为了生产优质线棒材，首先要生产优质钢，因而采用扩大转炉容量、增加精炼、在进加热炉前设置或预留“抛丸- 超声波探伤”或“磁粉探伤- 修磨”生产线。而采用超高功率电炉、精炼、连铸供坯的生产企业，增加了300m³级别的高炉，将热铁水对入废钢中冶炼，不仅改善钢的制得纯净度，同时可以节约能耗、缩短生产周期、降低氧化铁皮损耗、改进产品质量、提高金属收得率、降低生产成本。而采用自供坯的小型、线材轧机多力求采用热送钢坯，以降低产品热耗。1.3.2 加热炉技术进步步进式钢坯加热炉的普遍应用20世纪80年代末到，90年代初，建设的连续式高速线材轧机多采用步进式加热炉；90年代中期以后建设的钢坯加热炉多采用侧进侧出全梁式步进炉，步距可调，采用新型的低NOX型烧嘴，侧烧嘴采用带中心风的调焰烧嘴，调节比可达1:10，长度大于12m的钢坯多设置端烧嘴，以使钢坯加热温度更均匀。蓄热式加热炉技术得到重视近年来，蓄热式燃烧技术在小型、线材车间逐步得到应用，蓄热式燃烧系统由蓄热室和换向装置组成，可将空气、煤气同时预热至1000左右，可使用高炉煤气等低热值燃料。蓄热式加热炉可节能约35%，缩短钢坯加热时间，降低烧损。1.3.3 热送热装随着连铸技术的日趋完善，已经实现了无缺陷铸坯的连续生产，这就使热送热装具有实际应用价值。对于设计合理的工厂，连铸坯的装炉温度可高达600，这相当于加热炉能力提高了20。烧损量比冷装坯减少，节省燃料30。同时热送热装技术还可以减少库存，从而减少原料库面积甚至取悄之，并加速企业资金周转。热送热装技术的应用需要用连铸连轧生产的管理模式来组织，即全流程的在线、离线协同化保证时间顺序节奏的匹配和工序节奏的匹配。但是要真正做到这一点是很难的，连铸和轧钢之问节奏的不平衡，需要设置缓冲环节，如设置保温罩(坑)等。一种双粱步进式加热炉适用于热、冷坯料混装条件。这种炉子有两个位置迸料，冷坯料从炉尾装入，热钢坯从中部的侧装钢孔人炉。1.3.4 感应加热感应加热利用了交流电在钢坯内产生涡流面发热的原理由于感应加热的“集肤效应”正好与坯料表面自然散热过程互补，使得这种加热经济、简单、快捷。感应电流强度可以根据在线实测的钢温进行前馈和闭环反馈自动控制。此技术已经成熟，完全可以投入使用。感应加热技术被应用于连铸连轧或者热送热装生产线上，可以说是一项具有显著经济效益的革命。从冶金生产发展趋势，工艺协调及温度推进的原则进行的深入研究，已使这种连续式工艺协调一致性达到了非常完善的程度。在热送热装基础上发展起来的感应加热技术，无疑对简化工艺操作，降低吨钢设备投资和生产成本等方面都起到积极的作用。从工业生态学角度讲，在热送热装生产线上采用感应加热方式，使企业避免了必须要进行末端治理的烦恼。此技术应该成为“绿色钢铁”工程的首选。实施本技术的关键是建立一种根据来辩温度进行加热强度控制的教学模型，从而适应因连铸与连轧之间缓冲周期波动而存在的钢坯温差较大的特点。1.3.5 无头轧制工艺20世纪,90年代中期，由日本NKK及意大利达涅利公司分别开发成功的无头轧制新技术，引起了轧钢技术的一场革命。该技术具有产量高、成材率高、轧制稳定、降低消耗等优点。无头轧制技术是指在加热炉出口侧将钢坯两端焊接起来，轧制一根无限长的钢坯。这种轧制方法由于消除了钢坯之间的时间间隔，消除了轧件的切头切尾，消除了棒材生产线上的短尺/短尾或线材盘卷头尾修剪，可按用户需要生产不同重量的盘卷，减少咬钢次数，使堵钢的可能性更小，减少了停机时间，而且稳定轧制使设备受的冲击减少，减少设备维护和备件需求，延长了消耗件的寿命，因此可大大提高产量、降低成本。钢坯头尾采用闪光焊连接，闪光焊接后用力将钢坯端头对接，焊接区的液态金属被挤出来，保证了焊接区的质量。这种轧制方法由于消除了坯料间隔时间，从而增加了纯轧时间，提高了金属的收得率。目前我国已有唐钢、涟钢小型轧机及邢钢二高线厂高线轧机分别引进了DANIELI及NKK无头轧制技术，均取得了很好的效果。1.3.6 棒线材生产的定径减径机组被称为21世纪高线发展必经之路的定径减径机组，是20世纪90年代摩根公司开发成功的，经过几年的发展，技术更加成熟。目前具有代表性的机组有：摩根4机架RSM机组，达涅利的双模块机组TMB；考克斯/达涅利减径定径机组RSB。摩根4机架定径减径机组技术核心是：在精轧机组后面配置定径/减径机组，除了满足尺寸精度外，全线单一孔形系列，实现自由轧制。产品尺寸范围扩展每隔0.1mm生产一种产品。机组紧凑布置，前两架为减径，辊径为可与精轧机辊箱互换，孔型为椭圆，金属减面率为10%。后两架为无导卫的定径机组，辊径150mm，中心距非常小，孔型为近似圆- 圆。成品最小可到5.0mm。精轧后的在线测径仪与辊缝调节系统配合，可精确调整成品尺寸。共用孔型极大地简化了换规格的程序，减少了辊环的库存量。单一孔型系统另一显著优点是，只要简单地略微调整RSM各架的辊缝，就能生产出比名义尺寸略大或略小的产品，可以为特殊用户提供任意产品，即自由轧制。快速换辊、传动联轴器、流体管线都设计为快速对接，提高了生产率。达涅利摩加沙玛提供的TMB技术，可使产量提高15%，用于生产特殊钢线材。TMB技术基于使用160mm方坯为原料的线材轧机，粗中轧，为16机架，其后3机架打压下考克斯定径机组，一整架轧机灵活性和提高产品的精度，后结双模块系统构成为预精轧机组有8/10架无扭轧机，和布置在吐丝机前的4道次无扭精轧机组。从第一架轧机到预精轧的最后一道，只采用一套孔型，全部产品变化都在最后4道次的精轧机组完成，产品范围为。在3机架的大雅下定径轧机中，仅用一种规格的进料即可轧制尺寸范围很宽、公差精确的出口轧件，实现双模块机组的前导孔型所需要的变形量。在4架精轧孔型中采用小变形量12%，可得到非常严格的公差。由于两组无扭轧机间安装了水冷系统，全部产品都可采用低温轧制工艺。考克斯/达涅利减径定径机组RSB为三辊考克斯轧机，开始用于无缝和焊管的张力减径轧制。1991年开发出的最新减径定径机组RSB，在轧制中材料处于三向压应力作用下，可充分发挥其塑性潜能，尤其适合于轧制难变形金属。RSB机组的主要优点有：可以获得好的产品质量（包括尺寸公差、表面质量和冶金性能）；产品种类齐全，可在任何时间生产任何规格的产品；能耗低，比常规轧制方法可降耗30%左右；后序加工费用低，表面削去量减少；采用备用机架换辊，可提高有效作业时间；提高了成材率。我国大冶钢厂和上钢五厂都引进了此种机型。1.3.7 控制冷却工艺控制冷却的任务是通过控冷辊道速度和集管水量的控制实现轧件的加速冷却控制及实现轧件所要求的开冷温度、终冷温度和冷却速率。控制冷却的基本策略是，根据轧件目标冷却速率，确定单位集管流量；根据目标开冷温度、终冷温度和冷却速率，迭代计算控冷辊道速度和开启的集管数目，其中辊道速度尽量大，以减少轧件长度方向的开冷温度不均匀性，但又需要考虑到控冷区前后辊道长度对轧件升降速的限制；开启的集管组数受到瞬时最大水量的限制。控制冷却工艺的应用可在减少成本的同时，显著提高产品质量。控冷处理后的普通低碳钢就能够替代微合金钢及低合金钢通过穿水淬火，通过穿水冷却，在线棒材表面形成粗大马氏体，然后通过线材内部残余热量进行自回火，从中心到表面逐渐扩散，最终在冷床上空冷。即经过( 个热处理阶段：淬火阶段、回火阶段、最终冷却阶段。1.3.8 多种机型的运用除传统轧机机型外，近年来线棒材轧机大量采用了特色各异的多种机型。除了减定径机、双模块，轧机和考克斯轧机外，还有以下两种特殊机型。(1)无牌坊机架该机架的特点是：机架由4根拉杆承受轧制力，轧制力分布在很短的回路内和较大的面积里。此外，为了保证轴承座的刚度和从圆柱轴承到拉杆的短距离，使机架和轴承座弯曲最小，对机架的拉杆位置进行了优化，无牌坊机架可靠性高，轴向径向刚度高，对实施低温轧制有利，且产品尺寸公差小，换辊时间短。适用于中、精轧机组。(2)悬臂式机架悬臂式机架采用芯轴加套NiCrCo热处理辊环，油膜轴承结构，有水平式机架、立式机架、平/立可转换式机架。这种机型的特点是：轧辊辊颈直径增大约30%，断面积增加约65%，增强了关键部位的强度，减少了应力集中；该机型有固定的轧制线；易于更换辊环，维护及更换导卫方便；重量轻，可节约投资。这种机型适于作为小型或高线轧机的粗轧机架，只需配置一种孔型即可。 1.4 我国棒线材发展现状近20年是我国棒线材生产技术飞速发展的20年。20年前，我国棒线材装备水平和生产技术约落后国际先进水平30年，而今天，其装备水平大体接近国际先进水平。我国棒线材生产技术用20年的时间，走过了约50年的发展路程。这20年来，我国型钢生产发生了3个重大变化：一是从横列式轧机发展为连续式轧机；二是从手工或机械操作转向自动化或计算机控制；三是从早期的工业化发展至现代化。1.4.1 20年前我国棒线材生产状况20年前，我国拥有棒线材轧机约700多套，为世界第一。但每套轧机的平均年产量仅2万多吨，而当时世界平均水平为十几万吨。我国小型和棒线材产品长期供不应求；轧机装备和生产技术远低于当时世界先进水平。主要表现在以下方面。(1)棒线材轧机连轧比很低，以横列式和布棋式为主。棒材连轧机仅有首钢300小型轧机等几套。线材轧机以复二重轧机的布置为较先进的布置形式。当时，全国最先进的湘潭钢厂线材轧机，其终轧速度为30m/s，盘重为300kg。一般复二重线材轧机的终轧速度仅为12m/s，盘重为kg，轧件头尾温差在100以上，同条强度差在12MPa以上。轧后无控制冷却，硬线冷拔加工前必须进行常化和铅浴淬火。当时在国外，线材轧制使用45°高速无扭轧机已很成熟，并已出现第5代摩根重型高速无扭线材精轧机组。为此，国内首钢、马钢和上钢二厂等企业积极准备引进45°高速无扭轧机。同时，从1947年开始，上钢二厂与北京钢铁设计研究总院合作，研制了我国第1套30m/s无扭线材精轧机组，于1983年由太原重型机器制造厂生产，出口到菲律宾。1985年该厂又制造了65m/s高速无扭线材精轧机组用于攀钢。(2)连铸比很低，1984年不足10%。小型材生产，绝大部分采用2火成材，先由初轧机或用650mm轧机开坯。线材轧机只能使用方坯。因此，1984年全国小型轧机的成材率不足84%。(3)轧机刚度低，弹跳大。而精整设备和轧后控制冷却设备又残缺不全，因此轧件尺寸公差大，同条性能差大。1.4.2 20年来型钢生产的技术进步(1)小型与棒线材轧机的连轧化。1984年我国小型与棒线材连轧比不足5%，但在1985年北京召开的全国中小型轧机技术改造会议、1993年无锡召开的全国小型型钢工作会议上，强调了以连轧为方向，推进小型型钢轧机实现连续化的重要性和紧迫性。1994年在江阴召开的全国小型型钢工作会议上明确了其具体步骤和基本作法。从这之后，我国小型连轧机的数量从1988年的14套升至目前的100套以上；高速线材轧机的数量也已达到80套，使我国棒材和线材的生产能力居世界首位。(2)产品升级。对于棒材产品，大力推广应用级热轧带肋钢筋，替代级钢筋，并开发标准件用钢、汽车用钢、船用钢、经济断面钢材等专用钢材。对于线材产品，推行大盘重，开发硬线。产品基本能满足飞速发展的国民经济建设需求。1.4.3 我国棒线材生产现状到2004年，我国棒线材生产拥有3个世界第一，即轧机套数、年生产能力及占钢材总量的比值（连轧机套数已超过100套，年生产能力约6000万吨，连轧机的轧制能力可达到生产总量的70%）。目前我国小型和棒材轧机的总体装备和生产技术已达国际先进水平，并具有以下特点：(1)新建轧机大多为18架，分粗、中、精轧机组，每组6架，平立交替布置，实现无扭连轧。采用步进式加热炉，全数字式直流传动系统。坯料为150mm×150mm连铸方坯，长。产品规格为20mm以下产品采用切分轧制。(2)对提高产量有益的无头轧制、切分轧制技术等，我国使用和推广的力度高于工业发达国家。如无头轧制技术，到2004年，唐山钢铁公司引进了意大利DANIELI公司的技术；邢台钢铁公司第二高线厂引进了日本NKK公司的技术；通化钢铁公司自行开发了棒线材无头轧制技术。而值得注意的是，该技术在美国、日本、德国和俄罗斯等产钢大国尚没有很好的应用实例，日本NKK公司的棒线材无头轧制技术，在日本也仅有1家试验厂。棒材的3切分和4切分轧制技术，国内企业的研究和推广使用热情很高，也有很成熟的技术，但仍有国外公司在我国专门推广该技术。1.5 国外棒线材的发展现状考虑到全球环境问题， 棒线材生产要求能够减少对环境有危害的物质的使用，降低车重，以减少燃耗，同时在二次加工过程中简化或取消热处理工艺。为满足以上要求， 国外钢铁公司已开发了各种棒线材产品，具有很好的性能和更高的强度。1.5.1 特殊钢棒线材的发展特殊钢棒线材广泛用于汽车发动机、传动杆和底盘的部件， 这些部件的大部分由棒线材经过二次加工（如锻造或机加工）成所需的形状，通过热处理获得理想的强度。因此，要求棒线材在二次加工过程中具有好的性能。到目前为止，日本在特钢技术方面处于世界领先地位。例如，基于近20 年来的技术文献资料研究，对于汽车传动件，日本开发的渗碳钢新产品占70%，西方国家占14%。尤其是在提高特钢强度方面， 日本起着非常重要的作用， 技术领先的日本特钢厂商推动了日本汽车工业的发展。目前日本的汽车制造业迅速向海外扩张，有些制造厂使用当地的特钢。然而，使用质量和经济性差的钢铁材料， 可能会导致日本的汽车工业下滑。为保持日本汽车工业目前在全球的领先地位，日本的钢铁工业必须不断提供优质、经济的特钢产品。目前，对汽车用特钢棒线材的主要要求是：高强度、取消或简化二次加工，少使用危害环境的物质。要求高强度是因为需要降低车重以减少燃耗、提高发动机功率、使汽车零件更小、降低成本等原因。以前，在制造汽车零部件时， 棒线材需要进行各种不同的后续加工， 如锻造、拉拔、机加工以及热处理（如退火、淬火、回火等）。因此，为降低成本、节能和保护环境，强烈要求取消或简化热处理和加工工序。控制非金属夹杂、沉淀、变形及金相组织是改善特钢棒线材的主要措施。控制非金属夹杂是提高弹簧钢强度、延长轴承钢使用寿命、取消铅易切削钢的主要成熟技术之一。控制氧化物和硫化物的组织及形状是以上钢种获得所需性能的有效方法。控制沉淀可控制奥氏体晶粒尺寸和沉淀硬化。因为汽车的许多零部件，如吊杆、连杆、弹簧、齿轮以及螺栓由微合金钢热锻、齿轮钢渗碳而成，奥氏体晶粒细化是提高以上部件韧性、抗疲劳强度，以及降低应力、延长耐延迟断裂性的有效方法。沉淀硬化用于两种不同的情况，一种是微合金钢在热锻后的冷却阶段沉积在 相和 相的界面；另一种是螺栓钢和弹簧钢在回火过程中沉淀。沉淀可提高强度和耐久性，抑制回火软化，抑制氢，延长耐延迟断裂性。控制变形及金相组织是提高热锻微合金钢的韧性，以及延长冷锻和取消或简化退火钢的软化性的一种主要冶金方法。弹簧冲击损坏的断裂、螺栓的延迟断裂，以及用于齿轮和轴等的渗碳和感应淬火钢的疲劳等通常都是由晶间断裂引起的。因此，为防止晶间断裂而增加晶界强度可直接提高上述汽车零部件的强度。钢中加硼、细化晶粒是提高表面硬化部件晶界强度的主要方法。最新研究表明晶界强度与晶界渗碳体形状及回火温度有关。表面硬化钢广泛用于这些部件，表面硬化的最普遍的方法就是渗碳、渗氮和感应淬火。在生产中应选择合适的方法，以达到所需的目的。1.5.2 支撑开发高级棒线材的技术分析随着全球棒线材市场的扩大， 用户的需求也有很大的改变， 相互矛盾的性能要求进行新产品开发，例如， 单纯追求减重的高强度不能满足好的延展性和可成形性的要求，也不能满足耐不同环境腐蚀的需要。为了满足这种相互矛盾的性能要求， 重要的是要阐明材料的内在力学性能， 并应用力学模型叙述各种变化的现象。先进的分析技术和新产品开发是同时进行的，分析技术的最新进展支撑了棒线材的开发。(1)基于透射式电子显微镜（TEM）的纳米结构特性的技术进步桥梁用钢丝及汽车用的钢帘线由珠光体组成，与钢琴丝具有相同的高强度和高延展性， 通过控制铁素体和渗碳体层的厚度（形成薄层珠光体组织），这些产品获得各自的特性。通过使用透射式电子显微镜可分析最终薄层组织，对于直径5mm 的桥梁钢丝，薄层厚度约为50nm；对于直径约0.2mm 的钢帘线，薄层厚度约10nm。另外，通过了解拉丝时珠光体组织如何变形，对于研究下步工序钢帘线的延展性是很重要的。在拉丝过程中，发现薄层组织沿纵向延长，且横向组织也发生变化。然而，对于0.2mm 的细丝，很难准备薄试样， 用透射式电子显微镜准确观察沿拉丝方向的显微组织。为此，通过装有聚焦的离子束（FIB）装置基本解决了以上问题。FIB 装置是一个类似于电子扫描显微镜的装置，但其使用的是安装在电子枪内的镓离子源，通过静电透镜将镓离子束对准试样理想的位置。在试样的表面上形成一薄的保护层， 以防受到镓离子束的损坏。(2)使用原子探针技术的原子级分析的技术进步为了彻底弄清高强钢的冶金学现象， 有时需要进行原子级的材料分析。3 维原子探针法是一种直接观察钢材的原子分布的技术。最新开发的能量补偿装置大大提高了此方法的分辨能力。渗氮是一种热处理方法，其可使钢材的表面硬化。当用于汽车的含铬和铜钢进行碳氮共渗处理时， 原子分析法可揭示铜和形成的新型复合CrN。关于表面硬化效果，在处理前基材硬度约为100HV0.1， 经过处理表层硬度达到约700HV0.1。TEM 观测集中在距表面160 m 的区域，接近硬度峰值区。使用电子束的分析法集中在距表面1nm 的区域，探测的是使钢硬化的许多片状氮化物。原子探针观测的是针状试样的原子空间分布， 使形成的复合的片状氮化物和铜更加清晰。通过原子深针法可以估计整个试样的原子数及沉淀物密度。通过沿深度方向连续原子探测分析发现，在氮化处理过程中CrN 有选择性沉淀，并沉积在铜沉淀物周围。由于这些沉淀物的密度直接影响钢材表面的硬化程度， 因此， 在氮化处理过程中，注意沉淀物的形成和生长是很重要的。1.6 我国线棒材健康发展应采取的对策1.6.1 改造或淘汰落后的生产线开发低成本国产连轧(半连轧) 生产线,改造或淘汰落后的生产线。为此,应遵循以下原则:以连轧(半连轧) 生产线改造为主要目的,淘汰现有多火成材的横列式轧和落后的复二重线材轧机。粗轧机组可采用灵活、快速粗轧技术,与连铸衔接,尽量采用热送热装技术;不断开发、完善国产技术和装备,以建设和生产的低成本与国外高装备水平生产线在产品质量和生产成本的优化组合上取得竞争优势。在建设方式上,对资金不足的企业可分步实施。第一步先建成半连轧生产线,待条件成熟时可将粗轧改成连轧形式。1.6.2 调整品种结构,开发新产品目前我国线材品种结构不尽合理,中低档品种产量过剩;高附加值、高技术含量的品种又缺乏,需要从国外大量进口。如优质硬线的生产比例,国外先进国家优质硬线比在20 %左右,我国不到10 %;我国合金钢及不锈钢线材比为1 %2 % ,而国外在5 %以上。因此希望采取措施,发展和填补国内短缺空白品种,如钢帘线用钢材、高应力弹簧用50CrV、55SiCr 钢、超低碳不锈钢材等。1.6.3 跟踪世界前沿,积极引进和消化国外先进技术目前发达国家在线棒材的生产中，研究和开发了大量的先进技术和设备,并在生产中取得了良好的效益。为了使我国的线棒材生产能够持续健康发展,必须对现有的先进技术进行消化和吸收，尽快国产化，增加我国线棒材的竞争力。如加强钢质的净化，进一步扩大连铸坯热送热装比例，进一步推动连铸直接扎制的开发和运用，依次降低线棒材的成本。要强化计算机控制和计算机管理技术;要开发和应用线棒材的组织和性能预报工作;密切注视国外先进技术和装备发展,要不断创新。2 产品方案的确定与编制金属平衡表2.1 产品方案的确定产品方案是进行车间设计时制订产品生产工艺过程、确定轧机组成、工艺参数的计算和选择各项设备的主要依据。确定产品方案的原则如下：满足国民经济发展对产品的需要，特别要根据市场信息解决某些短缺产品的供应和优先保证国民经济重要部门对于钢材的需要。要考虑地区之间产品的平衡。正确处理长远与当前、局部与整体的关系。做到供应适应、品种平衡、产销对路、布局合理。考虑轧机生产能力的充分利用。如果条件具备，努力争取轧机向专业化和产品系列化方向发展，以利于提高轧机的生产技术水平。考虑建厂地区资源、坯料的供应条件、物资和材料等运输情况。要适应当前改革开放的经济形势需要，力争做到产品结构和产品标准的现代化，有条件的要考虑生产一些出口产品，走向国际市场。根据目前我国对产品的品种、质量、规格等方面的需求情况以及我国目前小型材进出口差额情况，现拟订产品方案：产品规格：1280钢种：合金结构钢、不锈钢、弹簧钢、工具钢和高纯净度轴承钢。各类产品的年产量及其在总年产量中所占百分比见表2.1表2.1 产品方案序号产品分类代表钢号产量万吨比例%1合金结构钢10Cr2Mo14.4222不锈钢1Cr17Ni26303工具钢9Cr18Mo4.8244弹簧钢60Si2CrVA2.8145高纯净度轴承钢BSP52100210合计201002.2 确定金属平衡表2.2.1 确定计算产品的成品率成品率是一项重要的技术经济指标，成品率的高低反映了生产组织管理及生产技术水平的高低。成品率是指成品质量与投料量之比的百分数。换句话，也就是指一吨原料能够生产出的合格产品重量的百分数。其计算公式为： (2-1)式中：成品率，%；投料量（原料重量），t；金属的损失重量，t。影响成品率的因素：烧损：金属在高温状态下的氧化损失称为烧损。溶损：是指在酸、碱洗或化学处理等过程中的溶解损失。几何损失：包括切损、残屑。工艺损失：又称技术损失，是指个工序生产中由于设备和工具、技术操作以及表面介质问题所造成的不符合质量要求的产品。金属平衡表本车间产量为200000吨/年，所需坯料约204492吨/年。金属平衡表见表2.2。表2.2金属平衡表序号产品分类代表钢号成品t坯料t成材率%烧损切头和废品t%t%1合金结构钢30CrMo440004495397.88179.80.4773.21.722不锈钢1Cr17Ni2600006140097.72276.30.451123.621.833工具钢9Cr18Mo480004909097.78230.70.47859.11.754弹簧钢60Si2CrVA280002863097.8117.40.41512.51.795高纯净度轴承钢BSP52100200002041997.9569.40.34349.21.71合计20000020449297.8873.60.4273617.621.772.2.2 计算产品的选择本车间拟生产多个品种多个规格的产品，但是，不可能对每种产品的每一个品种、规格及状态都进行详细的工艺计算。为了减少设计工作量，加快设计速度，同时又不影响整体设计质量，从中选择典型产品作为计算产品。计算产品选择的原则有代表性：从中找出12种产量较大、产品品种、规格、状态、工艺特点等有代表性。通过所有的工序：是指所选的所有计算产品要通过各工序，但不是说每一种计算产品都通过各工序。所选的计算产品要与实际相接近。计算产品要留一定的调整余量。根据以上原则，本设计计算产品如表2.3表2.3 计算产品钢种牌号钢坯规格合金结构钢30CrMo200×20016mm2.2.3 计算产品的技术标准在制定工艺流程时，不论用哪种加工方式和选用什么工序，都必须保证产品达到相应的技术要求，产品才能具有较高的使用价值。因此，产品的技术要求是制定工艺流程的首要依据，是组织生产的基本文件。根据GB/T3077-1999规定，计算产品的几何形状与尺寸精确度，钢的化学成分与性能以及表面质量如下：直径允许偏差直径允许偏差为0.25mm。脱碳层深度允许脱碳深度为1.00%。不圆度偏差不圆度不大于公差直径的50%。化学成分标准表2.4 化学成分牌号化学成分%CSiMnCrMo30CrMo0.260.300.170.370.400.700.8.1.100.150.25力学性能标准表 2.5 力学性能牌号抗拉强度伸长率收缩率30CrMo9301250表面质量盘条的表面不得有肉眼可见的裂纹、结疤、折叠及夹杂。允许以实际尺寸算起不超过尺寸公差之半的个别细小划痕、压痕、麻点及深度不超过0.2mm的小裂纹存在。2.3 生产工艺流程的制订2.3.1 制订生产工艺流程合理的生产工艺流程应该是在满足产品技术条件的前提下，要尽可能低的消耗，最少的设备、最小的车间面积、最低的产品成本，并且根据车间具体的技术经济条件确定车间机械化和自动化程度，以利于产品质量和产量的不断提高和使工人具有较好的劳动条件。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。2.3.2 工艺流程简介钢坯的准备：连铸坯200×200×5000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6架，这条生产线上共有22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。工艺流程见图2-1步进式上料台架200mm200mm连铸方坯粗轧机组电子称重及装炉辊道高压水除磷步进梁式加热炉切头切废飞剪中轧机组切头切废飞剪精轧机组计数倍尺飞剪切定尺冷剪冷床堆放称重打捆图3-1 高速线材车间工艺流程框图3 设备选择3.1 加热炉3.1.1 炉型选择本合金钢连轧车间所生产的产品，需要使用坯料规格为200×200。目前国内钢厂多使用步进式加热炉，步进式加热炉与推钢式加热炉相比较，有加热能力增加、擦伤减少和容易维修等优点。而且炉子的预热段、加热段、均热段分得很清楚，在加热段升温到所规定的温度，均热段为消除锭坯内外温度而进行均热，所以本设计选用侧进侧出步进梁式连续加热炉。炉子尺寸的确定炉子宽度主要根据坯料长度确定，公式如下： (3-1)式中：l 坯料的最大长度，mm；n 坯料排列数；料间或料与炉墙的空隙距离，一般取0.20.3m已知l =5000 mm=5.0m，取n=2，=0.25则：B =2×5.0+3×0.25 =10.75m炉子长度主要根据加热炉产量决定，公式如下： (3-2)式中：Q加热炉小时产量；L加热炉有效长度，m；n加热炉内装料排数；G每根料重，吨；b加热钢料断面宽度，m；T加热时间，h；本车间年产量为20万吨，取加热炉的加热能力130 t / h，G =2.055t，n =2，b =0.2，T =3.5所以： 计算加热炉的有效面积：F = B × L = 10.75×22=236.5 m23.1.2 加热炉性能参数炉型：步进梁式加热炉 装出料方式：侧进侧出，单排出料炉底有效面积：236.55m2采用热源：发生炉煤气温度自动控制段：8个最大加热能力：130t/h膘3.1加热炉性能参数项目参数炉子形式梁底组合步进炉装料及出料方式侧近侧出炉子有效尺寸 m有效长 22有效宽 10.75底有效面积 m2236.5炉子最大产量 t/h130炉子控制段数分8段控制3.2 主轧机3.2.1 轧机的组成全线共有22架轧机，其有关参数见主轧机参数表。全部轧机分为粗轧、中轧、预精轧、精轧组，前16架轧机为平立交替布置，立辊轧机均为上传动，后6架精轧机组为平立交替布置的R·R445H·S轧机。整个轧制过程轧件无需扭转。以下是主轧机的特点：粗中轧机组：粗中轧机组由12架二辊平立交替布置的轧机组成，立式轧机为上传动。精轧机组：预精轧、精轧机组由10架平立交替布置的R·R445H·S轧机组成。轧辊直径为320mm。5016的圆钢从各立式精轧机中轧出。第22架立式精轧机轧出最小尺寸16的圆钢。轧机的主要技术参数的确定轧辊直径对于轧机而言，辊身直径是表征轧机特性的参数，通常从辊身直径大小来称呼轧机规格，因此轧辊直径是轧机的一个重要参数。选择轧辊直径时要考虑，轧制时轧辊抗弯强度，及其允许挠度，同时要注意咬入角的允许值，通常可根据轧机轧辊直径与轧制的坯料高度选择：D=K1H (3-3)式中：H坯料高度，mm；对于中型型钢轧机K1=2.85.0之间本车间拟采用规格为200×200连铸坯，轧制1280mm的线材，为保证轧辊抗弯强度及钢要求，现用200×200mm的坯料进行计算。则粗轧机组第一机架的辊径为：D=200×2.8200×5=5601000mm取D=560mm为粗轧机组第一机架的轧辊直径。为满足连轧过程中秒流量相等要求，按照连轧过程中轧辊直径逐渐递减原则确定各个机组轧辊直径，再考虑轧机的系列化。各轧机机组轧辊直径见主轧机参数表。辊身长度为了保证轧制的尺寸精度，还应考虑轧辊的刚度要求，因此轧辊直径D与辊身长度L有一定的关系：轧机的经验公式： (3-4)式中：L辊身长度，mm；D轧辊直径，mm。则粗轧机组辊身长度：L=（1.52.5）D=560×（1.52.5）=8401400mm由于粗轧机组配置的孔型较少，坯料压下量大，孔型较深在保证轧辊抗弯强度，减少轧辊挠度，节约能源的前提下，辊身长度可取小一些，所以取粗轧机组辊身长度L=800mm，随着轧机对轧件压下量的增大，轧辊受到变形抗力不断增加，综合考虑轧辊刚度和配置孔型要求等诸多因素，取各轧机组辊身长度L见主轧机参数表。电机选择根据以上轧机轧辊直径、辊身长度、机架数、机器型式的确定，确定连轧机组轧辊的主传动电机：粗轧机组采用400KW/600KW的直流电机、中轧和预精轧机组采用600KW/700KW的直流电机；精轧机组由于采用集体传动，故采用一台6800KW的交流电机。这些电机传动参数见主轧机参数表。表4.1 主轧机基本参数轧机序号轧机型式轧辊尺寸/mm功率/kW主电机转速/rmin-1型式辊径辊身长1粗轧机组560二辊水平610/520800400650/1300直流2560二辊立式610/520800400650/13003560二辊水平610/520800600650/13004560二辊立式495/420700600650/13005490二辊水平495/420700600650/13006490二辊立式495/420700600650/13007中轧机组490二辊水平420/360650600650/1300直流8490二辊立式420/360650600650/13009430二辊水平420/360650700650/130010430二辊立式420/360650600650/130011430二辊水平420/360650700650/130012430二辊立式420/360650600650/130013预精轧机组320二辊水平285/255650700650/1300直流14320二辊立式285/255650600650/130015320二辊水平285/255650700650/130016320二辊立式285/255650600650/130017精轧机组320二辊水平120/75480600650/1300直流18320二辊立式120/75480500650/130019320二辊水平120/75480600650/130020320二辊立式120/75480500650/130021320二辊水平120/75480600650/130022320二辊立式120/754805006