无缝钢管

摘 要

本设计是参阅大量资料后，运用所学的基本理论知识和实践知识，对年产40万吨全浮动

连轧管车间进行的工艺设计。设计主要内容包括：产品方案的编制，坯料的选择；确定产品的生产工艺流程，设备及其参数的选择，编制轧制图表和生产能力计算，典型产品的工艺设计方案，轧制力能参数计算和强度校核，绘制孔型图和车间平面布置图。

本车间设计采用现今世界上最先进的半浮动芯棒连轧无缝钢管生产技术，采用锥形穿孔机+6机架半浮动芯棒连轧管机+24架张力减径等三个变形工序生产工艺，采用控制轧制，自动检测工艺，具有较强的产品质量控制，并实现全线的自动化。

本设计着重阐述了产品的技术要求，工艺流程及设备，轧制规程的计算，以及轧辊强度、咬入条件和电机的校核方式。设计中的设备选取达到了产品质量和经济效益的完美结合。轧件的咬入，轧辊强度校核和电机发热过载校核均满足要求。在编制轧制图表及计算车间年产量也满足要求。

关键词：热连轧无缝钢管 车间工艺设计 全浮芯棒 力能参数 强度校核 车间平面布置

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目 录

第1章 概 述 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3

1.1 钢铁行业的几个特点„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 1.2 无缝钢管业呈现出四大特点„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 1.3 无缝钢管技术及发展方向„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 1.4 本车间设计的依据和目的„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 1.5 工艺的技术特点„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4

第2章 生产方案的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5

2.1 产品方案及精度要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 2.2 产品大纲„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 2.3 金属平衡„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 2.4 坯料的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7

第3章 生产工艺流程„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8

3.1 制定生产工艺流程的主要依据„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 3.2 生产工艺流程的基本组成„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 3.3 无缝钢管生产工艺流程图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8

第4章 设备的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10

4.1 主要设备的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10

第5章 典型产品工艺计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14

5.1 变形制度的确定 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 5.2 速度制度的确定 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15 5.3 温度制度的确定 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 5.4 轧制力能参数的计算 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16

第6章 主要工具模设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19

6.1 穿孔机工具模的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„19 6.2 全浮动芯棒连轧管机轧辊设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20 6.3 芯棒„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20 6.4 连轧管机的孔型设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21 6.5 张力减径机的孔型设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23 第7章 生产过程中得控制设备及原理 „„„„„„„„„„„„„„25

7.1 质量控制系统 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25

7.2 尺寸控制系统„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 7.3 重量与温度控制系统„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25

第8章 车间平面布置„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26

11.1 车间平面布置原则„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 11.2 车间平面布置原则„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„28 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„29

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第1章 概 述

钢管作为钢材市场中较高端的产品，一直以来竞争相对比较缓和。无缝钢管是一种经济断面钢材,在原油开采和加工。管道输送。机械制造。锅炉制造以及大型场馆建设等方面应用广泛。然而，随着近几年钢管行业的迅猛发展，从2000年到2006年，国内无缝钢管需求量由418.9万吨增长到1303万吨，短短六年内增长了两倍；国内无缝钢管生产量由415.8万吨增长到1484万吨，增长了近2.6倍。与此同时，我国无缝钢管生产企业均加大了技术改造的力度,引进了多套先进的轧管生产机组, 全面实际产能已超过了1200万吨，2005年产量达到1047万吨，成为全球无缝钢管生产第一大国,接近全球无缝钢管产量的40%。随着产量的增加和质量的提高,我国生产的无缝钢管已成为在国际无缝钢管市场上具有一定竞争力而为数不多的钢铁品种之一。2005年实现出口量达139.24万吨，占生产量的13.29%,净出口量达到了71.41万吨。

1.1钢管行业的几个现状特点：

1.1.1 管厂的目标市场开始细分：

目前国内大型钢管厂主要是宝钢、成都、鲁宝、包钢、衡阳、鞍钢等国有企业，这些厂的产品价格普遍高于市场同类产品，且价格稳定，其目标市场越来越多的面向于石油化工、造船、电力、钢结构等重点行业，并且常常采取期货直供的销售方式。而小管厂主要是些民营钢厂，主要分布于华东、华北地区，产品都比较相似，竞争手段单一，主要面向民用建筑、一般社会用户，用户随要随买，一般都采用贸易商代理的销售方式。

1.2无缝钢管工业呈现出的四大特点：

1.2.1无缝钢管产品结构上，表现出中低端产品产能过剩而部分高端产品供应不足的现象。

1.2.2产业布局趋于合理，民营无缝钢管企业产能发展迅猛。目前，低端普管市场竞争十分激烈，国营大型无缝钢管企业在低端市场已逐步处于竞争劣势。

1.2.3生产集中度大幅降低，有逐步向分散化方向发展的趋势。

1.2.4替代产品的冲击愈加强烈。目前国内板带、焊管产能都非常大，焊管是纯替代产品，其对无缝钢管的价格优势非常明显，近年新上焊管机组如宝钢ERW、UOE机组工艺先进、产品质量高，将对无缝钢管市场造成全线冲击。

1.3无缝钢管技术及装备的发展方向：

当今国际先进高产能的热轧无缝钢管生产工艺主流程应为电弧炉或转炉冶炼→LF炉外精炼→VD真空处理→全保护连铸圆管坯→导盘(板)穿孔，热连轧→定(减)径→热处理→管加工。当今先进的冷加工无缝钢管的生产工艺流程应为：圆管坯加热→穿孔(热轧)

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成壁厚、外形、表面高精度荒管→l～2道次冷拔(或冷轧) →保护气氛热处理→在线无损检测。目前，我国已在早期自己开发、研制的基础上，在吸收、消化、改造、发展和总结这些引进机组的经验基础上，已完全可能独立、自主的研发、设计、制造这种现代化的先进钢管生产设备，实现这一重大装备的国产化。

现在对某些特定规格钢管，已进一步发展成为毛管直接冷轧一道次或冷拔l一2道次生产成品钢管。这种工艺在消耗和成本上已可和热轧管媲美，在环保上还存在少量的酸洗污染，但解决酸洗污染问题(不用酸洗或全部回收利用)的时间，已不远。这是我国的独创.

总之，目前我国现有各种热轧管机组各有其特长，都应根据其所在地区和产品定位，形成自己的市场，在品种、质量上不断改进、提高，在降低能耗和消耗上狠下工夫，获得低成本的优势；一批成本高、质量差的轧管机组，将随着市场经济的深入发展，尤其在供大于求的形势下，将自然淘汰；对至今尚未落实稳定管坯资源的钢管企业，要把落实与冶金企业建立长期战略联盟或伙伴关系作为重要措施，以求稳定原料、生产和产品质量，并进行产品结构调整，否则也将自然淘汰。

1.4.本车间设计的依据与目的：

鉴于以上的有关问题和发展方向，本设计根据现在市场对大口径无缝钢管的需求，避开焊管的优势领域。无缝管发展方向应当是发挥自身的优势，以生产高附加值和高技术含量的专用管为主，即在对强度、温度、压力、韧性、耐磨性、耐腐蚀性要求较高的领域，例如高压锅炉管，某些特殊用途的化工用管，深井用油井管(高抗挤毁、高抗腐蚀、抗高温高压的高性能、高质量特殊螺纹用石油管等)。在参阅大量资料，运用所学的基本知识和实践知识，完成题为“ф89年产20万吨全浮芯棒连轧管车间设计”的毕业设计。采用现今世界上最先进的半浮芯棒热连轧无缝钢管生产技术，生产规格为直径Φ25㎜～89㎜、壁厚2.5～12㎜、长度3～12.5 m的热轧无缝钢管。

1.5.工艺设计特点：

1.5.1全浮连轧新工艺

生产品种小而薄,既具有限动芯棒连轧管的变形条件合理,轧出荒管尺寸精度高,延伸系数大,芯棒长度短等优点,同时又具有全浮芯棒连轧管的轧制节奏短,生产效率高的优点,是当今生产小口径热轧无缝钢管的最佳机型.

1.5.3采用链式限动机构

连轧机前台采用链式限动机构,控制快捷,投资少,在连轧机入口预留三架空减机,以保证该机组使用140等大规格管坯.

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第2章 生产方案的选择

2.1产品方案及精度要求

2.1.1产品的规格、品种及产量 （1）产品规格

钢管外径： ф25—89㎜ 钢管壁厚： 2.5—12㎜ 钢管长度： 3—12.5㎜ （2）产品品种与产量

本设计是可年生产40万吨各类热轧无缝钢管的生产车间，主要产品有合金高压锅炉管、碳结高压锅炉管、金刚石岩心钻探管、地质钻探用管、石油射孔器用管等。

2.1.2

产品的精度要求

机组生产的产品尺寸公差将达到以下规定的精度 长度公差 -50~+100mm 直径公差 -8~+2mm

椭圆度 小于管坯直径的2.5% 弯曲度 局部弯曲度不得大于12mm/m 切斜度 端面切斜度≤8mm

2.2产品大纲

见下页表2—1

表2—1：按品种分配的产品大纲表

序号 1 钢管品种 合金高压锅炉管 代表钢种或钢号 12CrMo,15CrMo,12CrMoV 20G 规格范围 外径×壁厚×长度(㎜) Φ25～89×5.2～12×4000～12000 、 技术标准 GB5310-85 、 年产量(t) 100000 10000 碳结高压锅2 炉管 5

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金刚石岩心3 钻探管 4 5 40Mn2. 45MnMoB Φ25～89×2.5～6×3000～6000 Φ34.5～89.5×3.75～4.25×4000～6000 Φ57～83×6～8×6000~12000 GB3423-82 20000 30000 40000 地质钻探用 DZ40-DZ60 石油射孔器用管 35CrMoA YB235—70 HK18-92 2.3金属平衡

2.3.1

确定计算产品的成品率

成品率是指成品重量与投料量之比的百分数。换句话说，也就是指一吨原料能生

产出的合格产品重量的百分数。计算公式为：

A式中： A—成品率% Q—投入坯料（原料重量 吨） W—金属损失重量（吨）

影响成品率的因素是各工序的各种损失，本设计车间的金属损失有：烧损、几何损失、工艺损失等。 2.3.2金属平衡表 见表3—2

表3—2：金属平衡表 序号 1 品种 金压炉结压炉原料 t 109289 切削加工 t % 7650.3 7 烧损 t 1639.3 % 2.5 成品 t 100000 金% 属消耗 91.5 1.15 QW100% Q合高锅管 碳2 高锅管 10929 765 7 163.9 2.5 10000 915 1.14 6

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金刚3 石岩心钻探 管 4 地质钻探用管 5 石油射孔器用管 合 计 21858 1530 7 327.9 2.5 20000 91.5 1.3 32787 2295 7 491.8 2.5 30000 91.5 1.12 43716 3066 7 655.7 2.5 40000 91.5 1.11 218579 15306 3278.6 200000 1.12

2.4坯料的选择

2.4.1坯料规格及年需求量

本车间选用的原料为合格的连铸圆管坯和部分轧坯，有φ120㎜，φ140㎜两种

规格。管坯钢种为碳素钢,低合金钢及合金结构钢,管坯来料为倍尺长度，在管坯准备区锯切成要求的定尺长度。

管坯年需要量184834吨,车间金属消耗系数为1.12 (1)

管坯技术条件

管坯端面切斜度： ≤3.0° 管坯局部弯曲度： ≤12㎜/m （2） 管坯表面质量

1. 表面不得有肉眼可见的纵裂,夹杂,结疤,气孔等缺陷.

2. 表面缺陷清理处应圆滑过渡,无尖锐棱角.清除深度从实际尺寸算起不得超过公称直径的5%.清除宽度不得小于深度的6倍 3. 管坯表面的其他缺陷由供需双方协商.

4. 各钢种的化学成分除满足相应的标准外，还需满足以下要求：

P+S ＜0.045% O2 ＜40ppm N2 ＜100ppm H2 ＜4ppm

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(2)管坯内部质量

1. 管坯应作横向低倍检验.酸浸低倍组织试片上不得有肉眼可见的纵裂,夹杂,气泡,翻皮等缺陷;

2. 低倍组织的中心偏析,中心疏松,缩孔,其允许存在的缺陷级别不得大于3.0级; 3. 低倍组织的中间裂纹,中心裂纹,边缘裂纹,按内控标准评级,其允许存在缺陷均不得超过3.0级;

4. 管坯的显微组织,对生产特殊要求的合金与高合金钢管所用管坯,还要进行显微组织的检验,以测定非金属夹杂物的含量及分布形态,鉴别带状组织与脱碳层等.

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第3章 生产工艺流程

3.1 制订生产工艺流程的主要依据

确定车间生产工艺流程是工艺设计中一项重要工作，合理的生产工艺流程应在保

证完成设计任务书中规定的产量和质量的前提下，具有最低的消耗，最少的设备，最小的车间面积，最低的产品成本；并具有利于产品质量的提高和将来的发展。具有较高的劳动条件。制订生产工艺流程的主要依据有以下几点：（1）根据生产方案的要求，（2）根据产品的质量要求，（3）根据车间生产率的要求。

3.2 生产工艺流程的基本组成

金属压力加工产品的工艺流程有共同性，大致可归纳为以下几个主要工序：坯料

的准备；加热；轧制；轧后冷却；热处理；精整。

3.3 热轧无缝钢管生产工艺流程图

管坯切断 管坯仓库 。

称重上料

环形炉加热 锥形穿孔机穿孔 内吹 芯棒预穿 连轧 脱棒 切尾 再加热炉加热 高压水除鳞 张力减径 冷却 成排锯切 收集 入中间库 精整 入库 芯棒循环,润滑 9

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第4章 设备的选择

根据当今热轧无缝钢管生产工艺发展方向，为了经济合理、优质地完成设计规定的产品大纲要求，在保证装备水平先进，工程质量优良，产品质量高的前提下，为节约投资，获得好的经济效益，工艺设计立足国内，主要设备采用国外先进的设备装置。其他的辅助设备以国内设计为主。

4.1 主要设备的选择

4.1.1 环形加热炉

环形加热炉是借炉底旋转,使放置在炉底的坯料由进料口到出料口的一种机械化炉子。

(1).环形炉尺寸计算 中径D按下式计算

360GX (m)

ng(360) 式中： G—炉子最大生产能力(㎏/h)

D —加热时间(h) X—钢坯中心间距(m) n—布料排数 g—钢坯单重(㎏) ß—装出料中心线夹角 炉底宽度B按下式确定 B=nL+(n+1)×S (m) 式中： n—布料排数 L —钢坯长度

S—钢坯端头与炉墙间距离

4.1.2锥形辊穿孔机

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1. 锥形辊穿孔机的组成

1).穿孔机前台

由一铸钢型受料槽，入口导套，钢结构焊接的受料槽及支撑架，链式推坯机组成。 2).穿孔机主机

机架由一整体铸造框架和四个上下横梁组成,轧机的应力线较短，机架刚度高，横梁可水平移动，当需要更换轧辊或检修时,只要用液压缸把两个上横梁向两侧移开就能方便地装卸轧辊.

3).穿孔机后台

由一夹送辊装置，传送辊，三辊抱辊，穿孔后毛管的拔出机构及移动式顶杆小车组成。

3.穿孔机技术参数与技术性能 入口管坯： 直径: 120,140mm 长度: 3400～900㎜

毛管： 外径: 130,143mm 壁厚: 19.0～11.5mm 长度: 7500～2800mm

4.1.3 全浮芯棒连轧管机

本车间采用的半浮芯棒连轧管机组.这种轧制方式前一阶段按限动芯棒操作,至轧

制快结束时按全浮芯棒方式操作.轧后荒管送脱棒机上脱棒后再送往下一道工序.用过的芯棒也像全浮芯棒轧管一样,一组芯棒轮流冷却,润滑和循环使用.此方式综合了上述两种方法的优点,克服了其缺点.具有较短的轧制周期,较小的芯棒载荷,没有“竹节”缺陷,高产,优质,低消耗,多品种,能轧制较长钢管,便于实现机械化,从而大大提高劳动生产率.

1.全浮芯棒连轧管机生产工艺流程：

经锥形穿孔延伸的毛管,拔出顶杆后,由拨料机构翻上穿孔机后台,再由链式横移机构以1.6m/s的速度移至毛管内吹工位,用一特制喷嘴向毛管吹入压缩空气,以吹除横移时产生的氧化铁皮,内吹后的毛管由回转机构送至连轧管机芯棒预穿线.在芯棒预穿线上,毛管头部定位后,涂好润滑剂的芯棒经过干燥后,由芯棒预穿装置将其插入毛管内,芯棒头部伸出毛管的长度为2.15m,插好芯棒的毛管再由一回转臂式运输机构送至连轧管机主

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轧线.

在主轧线上,芯棒尾部卡在限动机构的夹持头内,启动限动机构,快速将带芯棒的毛管送往连轧机,当毛管头部快接近1#机架时限动机关的速度降至于己于1#机架的入口速度以减小咬钢时毛管对轧辊的冲击.当毛管头部到达2#机架时,限动机构恢复至给定的限动速度1.6m/s,当钢管尾部离开第4#机架时,芯棒限动机构快速释放芯棒,未轧部分以全浮的方式通过5#,6#机架.

轧完后的钢管在连轧湖的运输辊道上以出口速度运出,当芯棒尾部到达距第6#机架中心线4000mm处,用机械电气两种方式强制制动,由2个旋转杠杆臂架拨至连轧机后台,在由链式横移装置将带有芯棒的荒管送至脱棒线,由脱棒机将芯棒脱出.脱后的荒管送至热锯切线,进行热锯尾.锯完后的荒管由螺旋式移送机构送往再加热炉中加热.脱后的芯棒返回连轧机前台,经箱式水冷槽冷却,再经润滑,干燥,循环使用.

连轧管机采用六机架水平布置,孔型系列暂时采用Φ114,轧制壁厚为3.30—11.00mm.轧制速度最大为3.91m/s,轧制周期为14.95s.芯棒每组12—15根,其中6根在冷却槽中.

2. 全浮芯棒连轧管机轧制参数

进入连轧机的毛管

外径（㎜） 130 147 壁厚（㎜） 11.5-19.0 长度（㎜） 2800-7500 连轧机后的荒管 外径（㎜） 114

壁厚（㎜） 3.3-11.0 长度（㎜） 5700-26500 轧制温度 1000-1150℃ 芯棒外径 84-99mm

芯棒长度 19500mm(120坯),21000mm(140坯) 芯棒根数(一组) 12-15根 轧制力 2000KN

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轧制力矩 (每个轧辊) 90KNM 毛管入口速度 1.0-1.3m/s 荒管出口速度 最大4m/s 轧辊公称直径 400-450mm 工作轧辊中心距 400-500mm 机架间距 740/1070mm 电机功率见表5-4

架次 1 2 P(KW) 700 1200 1200 1200 700 700 5700 过载系数 2 2 2 2 2.5 2 转速RPM 1000-1500 1000-1500 1000-1500 1000-1500 1000-1500 1000-1500 传动速比 14.82 9.30 6.882 5.66 5.0 4.81

4.1.4张力减径机

3 4 5 6 总计 张力减径机的目的是将一定尺寸的荒管生产成不同规格的成品管。本车间采用的

张力减径机是从德国曼内斯德马克公司梅尔厂(MEER)引进的三辊式24架串联集中差速传动张力减径机。张力减径工艺经过六十多年的不断摸索和实践技术日益成熟。 张力减径在钢管生产中具有许多其它定减径机无法比拟的优点。

4.1.5步进梁式再加热炉

由连轧机出来的荒管脱棒，切头后到达步进炉前时，荒管温度已下降了许多，为了使荒管在张力减径机上顺利轧制，必须对荒管再加热，为了使钢管获得理想的综合性能，本车间采用步进梁式再加热炉。

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第5章 典型产品的工艺计算

选择的典型产品坯料尺寸：原料钢种为Ф120 ㎜×3000 ㎜的连铸圆管坯，产品规格：Ф30 ㎜×7.1 ㎜×6000㎜的输送流体用管。

5.1变形制度的确定

5.1.1变形过程

管坯 毛管 连轧机后 张力减径机后 成品管 ● —→ ◎ —→ ◎ —→ ◎ —→ ◎

120 ㎜ 130 ㎜ 109㎜ 33.5㎜ 30㎜

5.1.2穿孔延伸系数1

实验表明，锥形穿孔机最大延伸系数可达6.0。

L1A0DB2 由公式： 1 L0A14SHB(DHBSHB)式中：L1,L0,A1,A0— 分别为毛管长度，管坯长度，管坯断面积，毛管断面积

计算得： 1≈1.11

5.1.3连轧的延伸系数2

F毛（d毛s毛）s毛（24658）581.60 F荒（d荒s荒）s荒（21043.5）43.5FFF 由 毛1 12,, 55

F荒F2F1总的延伸系数  且 12345

在轧制过程中，考虑到咬入条件和成品的真圆度。第一道和最后几道应取小些。 通过计算得： 11.050 21.28 31.15 41.08 51.00

5.1.4定径的减径率和单机架减径率i

减径率 dkdR100% dkdd单机架减径率i Ii1i100%

di 14

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分配原则：根据产品大纲划分孔型系列，对口径大的用较小的允许最大减径率作为分配各架减径率的上限；对口径小的则相反。分配方式有(1).减径率递减，(2).减径率为常数，(3).减径率递增。单机架的绝对减径率则都是递减的。在最后几道减径率必须逐步减小，来保证成品的真圆度。

5.2速度制度的确定

5.2.1

芯棒速度制度的确定

在 连轧过程中，由于有限动芯棒的作用，所以，轧件速度受芯棒运动的影响。

芯棒速度插棒速度 咬入速度 限动速度

芯棒慢速返回 芯棒快速返回

图6—1：芯棒得速度图

其中，加速度设为1.25m/s2，芯棒快速返回速度4.5m/s，插棒速度及限动速度根据生产需要而定，应使轧制节奏时间在27s左右，使荒管出口速度与脱管机相比配，保证在2.15～4.5m/s。

5.2.2连轧机与张力减径机速度制度的确定

连轧与定减径时，各机架的速度根据孔型中金属秒流量相等关系确定。

F0V0FV11FnVn常数

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Fi(DiSi)S ViFi1Vi1 Fi式中： Fi—第i机架中钢管截面积

Vi—第i机架中钢管速度

Di,di—第i机架轧后直径与壁厚

取成品管出口速度为1～1.5 m/s既可得各机架的速度如表6—1

5.3温度制度的确定

采用温降公式： ttqthQ QKFPT 求出各道温降 CG 式中： t—该道次的温降

tq,th—该道次轧前与轧后的轧件温度

Q—轧件在该道热损失

C— 轧件比热 G—轧件重量

T—该道次散热时间

由已知坯料出炉温度在1250℃～1280℃间，再加热炉入炉最低温度为750℃，既可求出各到的温度如表5—1（其中，壁厚管由于热损失少，不用再次加热也能保证轧制和产品的性能）。

5.4轧制力能参数的计算

5.4.1轧制力的计算

(1).锥形穿孔机轧制力的计算

公式： PPF11P2F2PFP1 FF1F2

式中： P,P入口锥与出口锥内平均单位压1,P2—分别为变形区内总的平均单位压力、力,F,F1,F2变形区总接触面积、入口锥与出口锥接触面积

1).接触面积计算

采用经验公式： F54DP（DP—管坯直径，㎜） 2).单位压力计算

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采用单位压力计算经验公式

P1nK P20.75P1

2 式中： P1,P2—入出口锥变形区单位压力（KN/㎜ ）

K— 金属平面变形抗力 K1.15s

s—为屈服极限

n—应力状态影响系数

根据切克马廖夫实验结果得其值为：

n(1.8b)(12.72) Bck式中： b—轧制带处接触宽度

Bck— 轧辊间距

— 总压下率

(2).全浮动芯棒连轧管机轧制力的计算

公式：FN=P·CN· DM·ld F=FN· 1).接触面积计算

根据几何关系可得轧制变形区总的水平投影面积为 FF1F2b(1D0Dmin)(Dma) 12Dmin2cos30o

式中: b,a—孔型宽度和高度

Dmin—孔型顶部的轧辊直径

Dm—毛管直径 2).单位压力计算

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减径区的平均单位压力P1为 P1nL2SmD nL10.9DL1SmD

式中： nl—估计外区对平均单位压力的影响系数

Sm—毛管壁厚 L1—减径变形长度

D—减径区毛管的平均直径D 减壁区的平均单位压力P2为

1(DmD) 2σS)nfK P2nf(1.15 式中： nf—外摩擦影响系数（值可由图表查出）

5.4.2轧制力矩的计算

连轧管机任一基价两轧辊上的合力矩为以下几部分力矩之和。减径区轧制力P1和减壁区轧制力P2所产生的轧制力矩；作用在钢管与芯棒表面上轴向力所产生的力矩。即

 M2P1(LαL02)P2L2P芯Di2

式中： l—减壁区长度LαRsinβ

l0—减径区长度L0R(sinαsinβ)

π2(θβ)]d芯L芯f2 其中: P芯P[式中： l芯—芯棒与钢管的接触长度l芯(R+S0)sin

f2—芯棒与钢管间摩擦系数 —孔型侧壁角

P—轧制力

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第6章 主要工模具的设计

6.1穿孔机工模具的设计

6.1.1穿孔机轧辊的设计

锥形辊尺寸设计标准：

轧辊高点直径D0： D0(56)DRmax 轧辊总长L： L(0.71)D0 入口锥长度L1： L1(0.40.5)L 出口锥长度L2： L2(0.50.6)L 最小直径（入口端）Dmin： DminD02L1tg最大直径（出口端）Dmax： DmaxD02L1tgDRDE cosDBDE cos式中： ,DR,DB—分别为辗轧角，毛管直径，管坯直径

轧辊入口锥角一般取1.5°～3.5°，出口锥角取2°～3.5°。轧辊材质为CK45.轧辊表面经调质处理，硬度为30～40HSD。轧辊强度为700～800N/㎜2

6.1.2穿孔机顶头

顶头由圆弧段，圆锥段和反锥段组成 顶头尺寸参数的设计计算 直径： DdDHB2SHBK

式中： DHB,SHB,K— 分别是毛管直径，毛管壁厚，毛管内扩径量 圆锥段长度： LKDEtg2F

式中： ,F—分别是轧辊送进角和安全系数（一般取1.2～1.5）

6.1.3穿孔机导盘

导盘用来限制轧件的横向变形，且可以对轧件产生压缩变形使轧件爱穿孔时椭圆度

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变小。要求： Dmin1.752.5D （D为轧辊直径）。导盘线速度和轧件轴向出口速度比值在2.5左右。

6.2全浮动芯棒连轧管机轧辊

连轧管机轧辊名义直径： D0KDDz

长度： LDz(160220)mm 式中： Dz—轧管机上轧制最大荒管直径 ㎜

KD— 辊径系数，在此取大型机组的KD=2.4） 计算得： D0870㎜ L560㎜

轧辊采用经淬火处理的高弹性模量铸铁，表面硬度为270～330HB,抗拉强度≥80㎏/㎜2弹性模量为18000㎏/㎜2

6.3芯棒

6.3.1尺寸的确定

长度： 计算芯棒长度必须知道钢管速度和芯棒速度。且芯棒速度必须低于除第一架外的任一机架的轧制速度。芯棒工作段长度L1与芯棒速度V芯，钢管出最后一架速度V管及钢管最大长度Lmax有关。

v芯LmaxL1 v管n 且: L接LL2 LLIL接 LI1式中： L— 连轧总长 L2—操作余量

通过计算得： L=19500㎜

直径：直径的确定要考虑到钢管的内径，插棒和脱棒间隙及品种的多样性，本设计中应使用多种直径规格的芯棒。 6.3.2技术条件

尾柄：材质为42CrMo4， 硬度为280～320HB，与芯棒夹持套接触表面要求硬度为

54～ 58HRC，深度为0.8～1㎜。 加长杆：材质为42CrMo4。

工作段：材质为 X35CrMoV05，断面收缩率≥25%，抗拉强度为105㎏/㎜2～120㎏/㎜2，

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硬度为60～80HB。

6.4全浮动芯棒连轧管机孔型设计

在本设计中仅设计Φ89系列的孔型。根据产品大纲，本套孔型轧制的最薄管壁是3.3㎜，外径是109㎜，考虑到插棒间隙（一般取5～10㎜），采用的芯棒直径为99㎜。但因连轧后有脱棒机，不需要考虑脱棒间隙，则毛管壁厚为74㎜

6.4.1孔型系统的选择

考虑到椭圆孔型能促进金属的宽展，易脱棒，但钢管壁厚不均；圆孔型有利于延伸，几何尺寸比较精确，但脱棒困难。因此本设计采用椭圆—圆混合孔型系列，其中椭圆带有圆弧侧壁，圆孔型在最后两架，以保证成品管的尺寸精度。机架轧辊互成45°交叉布置。

6.4.2计算总变形量和分配各机架的变形量

变形量分配上要分别考虑外径和壁厚变形分配。一般，头两机架应是大的减径量，中间机架是大的减壁量，后面机架考虑精度，变形量要小。

F（dS毛)S毛(33674)741.569 总变形量: 毛毛F荒（d荒S荒)S荒(29355.5)55.5 每道平均变形量取： 1.09

lg=6 lg 采用按机架分配减壁率，来确定各机架孔型上钢管壁厚，且单数机架减壁量之

则轧制道次: n=

和等于双机架减壁量之和（各道的变形量应满足:12345）。

减壁率分配原则是第二机架尽可能大，但不超过60%，一、三、四架比第二架小，后两架接近0%。

则各机架顶部壁厚S由公式：S6=S5=S荒 S3S荒S4 得各机架的减壁量分配如表6—1

表6—1: 各机架的减壁量分配

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机架号 孔型顶部壁厚(mm) 孔型侧壁壁厚(mm) 减壁量ΔS (mm) 5.8 Ⅰ 59.2 Ⅱ 59.46 Ⅲ 55.7 Ⅳ 53 Ⅴ 53 Ⅵ 54.5 4 5 2 3 2 2 6.45 1.5 1.46 0.7 0 6.4.3 确定孔型的尺寸

孔型高度： akid芯2Si 式中: Si— 壁厚，d芯— 芯棒直径 孔型宽度： biiai

式中: i— 椭圆度系数，根据大量实践经验来确定，对于粗轧机 取1.24～1.37，对于精轧机取1.02～1.06，限动芯棒连轧机具有宽展小，通常不大于1.15。顺轧制方向减少

在已知孔型高度ai和宽度bi后，对于带圆弧侧壁的椭圆孔型、偏心距e、槽底半径R、 侧壁圆弧半径R'根据下式确定

a2b2a2R(1)

4a4b2a2a2e(1)

4a4b2a22abcosa(212cos)'R

4(abcos)4(1cos)式中: —侧壁角，一般取30″～40″

辊缝值S应与机架孔型顶部壁厚的两倍相近。根据以上条件求得各机架孔型参数如表7—2

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机架号 Ⅰ（椭圆） Ⅱ（圆） Ⅲ（椭圆） Ⅳ（圆） Ⅴ（圆） Ⅵ（圆） 孔型高度a(mm) 孔型宽度b(mm) 偏心距130 125 105 115 110 110 145 125 130 115 110 110 e(mm) 槽底半径R(mm) 侧壁圆弧半径R,(mm) 侧壁角φ(度) 辊缝S(mm) 9 — 5 — — — 59.2 59.5 55.6 53 53 54 280 125 232.5 233 140 62 47.7 48.4 6 6 49.38 5 43 4 45 4 43 2 表7—2：各机架孔型参数

6.5张力减径机孔型设计

根据来料荒管直径和成品管的规格。应采用三个减径系列，本设计中采用三辊式三圆弧构成的椭圆孔型系列来进行定减径。成品机架采用圆孔型。在此，仅对与连轧管机Φ293系列孔型相对应的Φ281系列中的一种孔型进行设计。成品管尺寸为Φ194×6㎜。

6.5.1总减径率与单机架减径率的确定

(D0DR)100% D0 式中： D0—荒管外径

DR— 减径机出口外径（热尺寸）

10933.5 με==69.2%

109 单机架减径率采用相对减径量为常数的分配方法，在任一孔型系列中，通常第一架和 的减径率约为平均减径率的50%左右，最后机架一般没有减径率，来保证成品管尺

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寸精度及真圆度。其他机架的减径率为平均减径率。考虑到一套孔型有更大的适应性，在该孔型的设计中取平均减径率为3%

6.5.2机架数目的确定

ln(Dn/D0)q

ln(1平） 式中： q 的选取原则是平＜4%时q=1，平＜8%时q=2

由公式： n n=24

起始机组机架数目n1, 成品机组机架数目n3,基本机组机架数目n2的确定

当: 平＜6%时 n1=4, 平＜5.5%时 n3=2～6, 在此取

n3=6

6.5.3各机架孔型平均直径的确定

D1DL(1D1) D2D1(1D2)

6.5.4各机架孔型长半轴和短半轴的确定

基本机组椭圆度系数i 由公式： i1平(1.11.5)求出， 且顺轧制方向逐渐减小。

bi aiDDi得: aii bi

1i11/i6.3.5其他尺寸的确定

根据: Diaibi ibi2ai2aibi 孔型圆弧半径Ri： Ri

2aibi偏心距e： eiRiai 辊缝Δg： g0.53 mm 槽口半径r： r=1.5～5.0 mm

小尺寸的孔型和成品孔型选用小的Δg和r 值,根据以上条件可求得各机架相关参数如下页表7—3

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第7章 生产过程中的控制设备及原理

7.1质量控制系统

7.1.1除鳞系统

在生产线的定径前有给荒管表面除鳞的高压水除鳞装置，当检测到热荒管时HMD发出信号，循环阀关闭，泵排出的水经除鳞箱喷嘴高压喷向轧件，进行清除轧件表面氧化铁皮工作。当热坯料尾部离开后，循环阀自动打开。

设备组成： 除鳞泵装置，循环阀组，高压水箱装置。

此外，坯料从加热炉出来在生产线运行过程中，在装有齿的辊道上旋转前进也可以除出部分鳞片。

7.1.2内吹系统

在穿孔的毛管后安装有内吹装置，其作用是向穿孔后的毛管喷吹氮气和防氧化剂（硼砂）吹除氧化铁皮。因为，硼砂在高温下发生雾化，保证毛管移送过程中不产生新的氧化铁皮。当毛管到指定的位置时，热金属检测器检测到信号并发给电控系统。装置按指令进行自动喷射工作。延时后停止。

7.2尺寸控制系统

在生产线上安装有非接触式外径、长度测量装置，激光超声检测壁厚装置，激光测长装置。

原理：(1).非接触式外径、长度测量装置采用数码摄像原理，将信号送到CTP的PLC系统。(2).激光超声以测量超声波返回时间为基础，在已知超声波速度的前提下得到通过壁厚的时间，就可以计算壁厚。(3).激光测长装置使用激光多普勒原理，通过的钢管由两股激光照亮，获取反射发散光的频率变化值。

7.3重量与温度控制系统

7.3.1重量控制系统

在管坯区安装有电子称重装置，管坯称重后，数据送给管坯区的PLC系统。

7.3.2温度控制系统

在生产线上安装有红外测温仪来检测控制轧件的温度。总之，以上的所有控制装置通过电控装置输送到PLC系统，集中显示到各控制台。来保证产品的性能与质量及设备的安全。

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第8章 车间平面布置

8.1车间平面布置的原则

(1). 应满足生产工艺的要求，使生产流程合理。

(2). 既有利于生产，又使占地面积最小，运输线最短，以求缩短生产周期，提高生产率和单位面积产量。

(3).保证操作方便，安全生产和工人的健康。

(4). 使人行道和工作线平行，避免金属（原料与成品）流线、金属废料流线以及其他材料的运输线要相互交叉。

(5).考虑将来的发展，要留有余地

8.2车间平面布置的内容

车间平面布置是车间设计中的重要问题，布置的是否合理不仅对当前生产情况、车间占地的面积、车间投资直接带来影响，而且对车间今后的发展、扩大车间再生产能力也起重要作用。

从工艺设计角度看，车间平面布置的内容在于合理的确定为完成生产任务而选用的生产工艺流程、设备形式、数量以及它们之间的相互关系和有关辅助设备的面积、位置等。

生产流程线、设备位置等问题当然要以满足产品的工艺要求为首要前提，其次考虑车间的具体条件，以求得整个车间平面布置的合理性和经济性。但是，由于生产条件的差异生产条件的不断变化，没有适应一切情况的，永远保持不变的轧钢平面布置。所以，在确定车间平面布置时，应根据生产任务的需要，提出多种布置方案，经过分析、比较，最后确定一个最合理的方案。

8.2.1金属流程线的布置

考虑到生产工艺流程线的顺畅与合理及中间堆料场地和运输，节约建筑面积等，本车间采用横移式与曲折式的混合布置形式。

8.2.2生产设备的布置

布置主要设备时，尽可能使生产流程方向与厂房纵向一致；轧机最好能布置在一个顺向的轧制跨间内，连轧机各机架间距离主要决定于设备是否放得下，安装、换辊和检修是否方便，以及其他特殊工艺要求；电机最好能放在单设的主电室，一般在另一跨间。

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且布置的所有设备必须位于吊车工作的范围内。

8.2.3间内仓库设施的布置与面积计算

仓库面积可用以下公式计算：

F24AnKtK1QH

式中， A—设备产量 t/h, N—存放天数天 Kt—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—每堆原料的堆放高度 m

K1—仓库利用系数

8.2.4他设施的布置

(1).操纵台位置的确定

操纵台是一部分设备的控制中心，其面积大小和位置主要根据操作人员的工作条件和设备的机械化、自动化程度的高低来确定。操作台应靠近被控制设备中心便于操作人员看到所控制设备与加工的材料。

(2). 主电室布置

主电室布置主要有两种形式：一种是与主跨间隔开的单独布置主电室，自成系统，室内空间大，通风条件良好，电机及控制系统有较好的条件运行，但需要单独的吊车，增加了投资。另一种是主电室置于主跨内，可以不用专门设吊车和厂房，节省投资，但工作条件较差。

从实际的生产看，轧制车间大多采用主电室设在单独的一跨内。 (3).工具堆放场地

不管什么车间都要有一定的场地堆放工具。由于工具繁多，但都比较小，在车间单独设工具间。

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致谢

本设计是在李春福老师的悉心指导下完成的。通过此次的设计，使我阅读了大量的书籍，将大学所学的知识系统地浏览了一遍，并掌握了许多有用的知识。此外，两位老师教学经验丰富，治学严谨，耐心的指导，使我在几个月的毕业设计中受益菲浅，并从他们那学到了许多知识。在此对两位老师表示我最诚挚的谢意。

同时感谢这组同学在设计期间对我的帮助和指点。没有他们的帮助和提供资料，要想在短短的几个星期的时间里完成毕业论文是几乎不可能的事情。 我们一起讨论，从中也巩固了自己的所学。

总之，没有老师和同学们的帮助，本设计就不可能比较顺利的完成，在此我向他们一并致以真诚的谢意。

更向百忙之中抽暇查阅本论文的老师致以崇高的敬意和由衷的感谢！ 诚然，我的论设计还有很多的缺点和不足，望老师批评、指正！

学生签名

日 期： 2013年11月

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参考文献

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湖南工业大学专科毕业设计（论文）过程管理资料

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