年产60万吨棒材生产车间工艺设计毕业设计
年产60万吨棒材生产车间工艺设计
摘要
本设计为年产60万吨棒材车间工艺设计。产品为Φ16～Φ36mm 的热轧带肋钢筋和圆钢，主要钢种为碳素结构钢，优质碳素结构钢，低合金钢，产品质量执行国家标准。根据成品规格选择尺寸为150mm×150mm×10000mm的连铸坯为原料，加热炉为三段步进梁式加热炉。本设计采用全连续轧制生产工艺，全线共有轧机18架，其中粗轧机6架，中轧机6架，精轧机6架，终轧最大轧制速度为13m/s。设计中采用的孔型系统为：扁箱（1#）—方箱（2#）—椭（3#）—圆（4#）—椭（5#）—圆（6#）—椭（7#）—圆（8#）—椭（9#）—圆（10#）—椭（11#）—圆（12#）—椭（13#）—圆（14#）—椭（15#）—圆（16#）—椭（17#）—圆（18#）。
关键词：工艺设计，热轧带肋钢筋，型钢、连铸坯，全连续轧制
Process Design of hot rolled bar Workshop
with Production Capacity of 600,000 t/a
Specialty：Metal Material Engineering
Name：Yang Lei
Instructor：Zhao Xicheng
Abstract
This is the technology design for producing six-hundred thounsands tons of hot rolled bar workshop per year. The size of the product is between Φ16 and Φ36 with the major steel grade of the carbon structural steel ,the carbon constructional quality steel or the low alloyed steel.And we carry out national standard during the production .According to the size of product we use the concast billets with the size of 150mm×150mm×10000mm for the raw material and the Walking Beam Heating Furnace . We use continuous rolling technology ，there is 18 mill in common ,6 for roughing mill ,6 for medium mill ,6 for finishing mill .The largest end mill speed is about 13m/s .In the production of steel rolling we use the pass system of square－square－ellipse－circle－ellipse－circle－ellipse－circle－ellipse－circle－ellipse －circle－ellipse－circle－ellipse－circle－ellipse－circle．
Key words：process design，hot rolled ribbed bar，shape steel ，concast billet，fully continuous rolling
目录
1 绪论 (1)
2 产品方案和产品标准 (5)
2.1产品方案的制定 (5)
2.2计算产品的选择 (6)
2.3产品标准与技术要求 (7)
3坯料选择和金属平衡表 (10)
3.1坯料选择 (10)
3.2金属平衡表 (10)
4 制定生产工艺流程 (12)
4.1生产工艺的制定 (12)
4.2生产工艺过程 (14)
5.孔型设计 (19)
5.1孔型系统选择 (19)
5.2孔型设计的内容 (19)
5.3孔型设计的要求 (20)
5.4计算产品Ф16MM热轧带肋钢筋孔型设计 (20)
5.5典型产品Ф25热轧带肋钢筋的孔型设计 (26)
5.6典型产品Ф32热轧带肋钢筋孔型 (29)
6 压下规程的确定 (33)
6.1轧制参数计算 (33)
6.2轧制压力计算 (34)
6.3轧制力矩的计算 (35)
7．主电机的选择及其参数计算 (37)
7.1主电机类型的选择 (37)
7.2初选主电机 (37)
8 主要设备选择 (40)
8.1设备选择主要内容 (40)
8.2生产设备分类 (40)
8.3设备选择的原则 (40)
8.4主要设备 (40)
9 电动机的校核及功率计算 (44)
9.1校核原则 (44)
9.2产品Φ16热轧带肋钢筋的电机校核 (44)
10 轧辊及机架强度刚度计算 (47)
10.1轧辊选择 (47)
10.2配辊 (47)
10.3轧辊校核 (47)
11 轧机生产能力计算 (53)
11.1轧机小时产量的计算 (53)
11.2轧钢机平均小时产量 (54)
11.3轧钢车间轧机年产量计算 (54)
11.4轧机负荷率计算 (55)
11.5轧制图表 (56)
12 辅助设备的选择 (57)
12.1选择原则 (57)
12.2加热设备 (57)
12.3导位、活套设备 (61)
12.4剪切机 (61)
12.5冷却设备 (64)
12.6堆垛机 (64)
12.7打捆机 (64)
12.8起重运输设备的选择 (65)
13 车间平面布置 (68)
13.1车间平面布置的原则 (68)
13.2金属流程线的确定 (68)
13.3设备间距的确定 (69)
13.4其它设施面积的确定 (71)
13.5车间厂房组成及立面尺寸的确定 (73)
14 车间主要经济技术指标 (75)
14.1经济技术指标及其重要性 (75)
14.2制定经济技术指标的依据 (77)
14.3车间劳动组织 (78)
15 环境保护及综合利用 (81)
15.1轧钢厂的环境保护 (81)
15.2节能和综合利用 (82)
参考文献 (84)
附录1 (85)
附表1：三种计算产品的孔型系统计算 (85)
附表2：轧制力 (87)
附表3：轧制力矩 (90)
附表4：电机校核 (92)
附表5：轧辊强度校核 (95)
致谢 (98)
英文翻译及原文 (99)
1.介绍 (99)
2.实验材料，设备和试验步骤 (100)
2.2 实验设备 (100)
2.3 轧制规程设计 (101)
1 绪论
近20年是我国型钢生产技术飞速发展的20年。20年前，我国型钢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。我国型钢生产技术用20年的时间，走过了约50年的发展路程。
20世纪50年代我国钢产量很低，生产的钢筋品种有限，国有钢铁企业也只能生产3号光圆钢筋(I级钢筋)和5号螺纹钢筋，屈服强度标准值分别为235, 275MPa; 20世纪60年代开始研制16MnSi(后改为20MnSi，也称II级钢筋)和25MnSi(也称班级钢筋)2种低合金带肋钢筋，实际上研制成功并大量生产的是20MnSi钢筋，而25MnSi钢筋产量有限，两者屈服强度标准值分别为335, 375MPa;同时研制并投人生产的还有44Mn2Si等带肋钢筋(也称N级钢筋)，其主要用于经热处理或冷拉后的预应力钢筋。
20世纪50年代，我国正处于国民经济建设的高潮，钢筋供需矛盾较为突出，为发展冷加工生产，通过对低强度钢筋的冷轧、冷拔、冷扭或冷拉等冷加工手段，使钢筋冷作硬化，在牺牲原钢筋塑性的条件下，获得较高的屈服强度。冷加工钢筋主要采用细直径盘条生产冷拔钢丝，其既用作预应力混凝土中、小型构件中的预应力钢筋，也部分用作某些钢筋混凝土构件中的受力钢筋和构造钢筋;另外，通过冷拉后的粗带肋钢筋，用作大、中型预应力混凝土构件中的预应力钢筋，部分用作钢筋混凝土构件中的配筋。
20世纪80年代，小规格钢筋产量和规格不能满足工程建设需求，国内中小型企业针对
这一形势，开始引进或自制冷轧带肋钢筋设备，轧机数量和产量达到了相当规模。此外，还生产了小规格、断面为矩形的冷轧扭钢筋用作钢筋混凝土楼板中的配筋，填补了原来热轧带肋钢筋没有小规格的空缺，为工程建设所需钢筋规格的配套起到了辅助作用。此外，在20世纪70年代所用的预应力钢筋，除为上述的冷拉钢筋、冷拔钢丝外，在大型工程结构中还采用了钢丝、钢绞线，其抗拉强度标准值不超过1670MPa.
20世纪80年代开始研制，90年代正式投人生产的新一代热轧带肋钢筋有2种:一种是以微合金元素(V, Ti, Nb)为基础的HRB400钢筋，另一种是采用余热处理工艺生产的RRB400(K L400)钢筋(包括按英国BS标准生产的钢筋)，使我国钢筋在化学成分上进行了更新换代;余热处理钢筋既可用于出口，也可为国内工程选用。在同一时期，引进了相当数量的低松弛高强度钢绞线生产线，使这种高质量的预应力钢筋在公路、房屋、铁路及其他工程领域获得了广泛应用，推动了预应力混凝土结构的发展。
20年前，我国小型与线材生产状况为，我国拥有小型与棒线材轧机约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10几万t/a。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。
（2）连铸比很低，1984年不足10%。
（3）轧机刚度低，弹跳大。
20年来小型与棒线材生产取得了一定的的技术进步。
一、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。
二、产品升级。对于棒材产品，大力推广应用III级热轧带肋钢筋，替代II 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。
目前我国小型和棒材的生产现状为：到2004年，我国小型和棒材生产拥有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t，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10~12m。产品规格为?10~?40，?20以下产品采用切分轧制。
（2）产品以带肋钢筋为主。不生产带肋钢筋的小型连轧机只有杭州钢铁公司、石家庄钢铁公司和邢台钢铁公司等几家。
（3）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。
（4）对提高产品质量、满足用户需求有益而影响产量的技术，在我国的使用和推广力度低于世界先进水平国家。这些技术包括：
①棒材自由规格减定径技术。其可为用户提供任意规格的产品，适应多品种、小批量市场需求。
②棒材高精度轧制技术。
③合金钢和低合金钢棒材在线控制冷却技术。
④多钢种、小批量棒材的市场开发。
⑤专用小型材的市场开发。
工业先进国家的型钢轧制品种多达万余种，而我国的热轧型材品种只有上千种。差距最大的是专用小型材。这些型材多用于汽车、纺织、电机、农业等等，我国在这方面的工作与20年前相比进步不大。上述特点说明我国小型与棒材生产还处于市场需求旺盛阶段。钢材生产厂取得效益主要仍依靠产量来实现。
从我国的热轧带肋钢筋发展史可以看出，我国热轧带肋钢筋的生产水平不断提高，普通钢筋从低碳钢、低合金钢向微合金钢发展;预应力钢筋从强度偏低、松弛较大向高强度、低松弛的钢绞线、钢丝发展;同时，冷加工钢筋的发展趋向是:冷拔钢丝、冷拉钢筋从广泛采用到被淘汰出局，而作为细直径的冷轧钢筋和冷轧扭钢筋，仍将是普通钢筋的一种补充，它们的存在与发展，取决于其产品的质量、价格和售后服务，它们将通过市场机制与细直径的热轧带肋钢筋进行竞争。
热轧带肋钢筋广泛用于被广泛用于民用建筑、高层建筑、重点工程：机场、港口、高速公路、桥梁、电厂等建设，是一种非常重要的钢材。型钢生产在轧钢车间生产中占有重要的地位，据不完全统计，目前我国每年生产的型材占钢材生产总数量的50%左右，因此，掌握型钢生产理论与工艺，对提高型钢产品质量和精度，开发新品种、新工艺、新设备，完善生产自动化和计算机控制技术，具有很大的现实意义。
在本设计中，自动化程度极高，从坯料上料到成品，一线全部自动化，无需人工操作。坯料选用连铸坯取代初轧钢坯，提高了成材率，简化了工艺过程，降低了生产成本。同时，设计采用全连轧生产线，缩短了轧制周期，提高了轧机产量、轧制精度和成品质量，降低了成本。并且在轧制的精轧部分采用平立辊交替轧制，减少轧制事故的发生，提高了生产效率。
2 产品方案和产品标准
2.1 产品方案的制定
产品方案又称产品大纲，是指设计的工厂或车间拟定的生产产品名称、品种、规格、状态、计划产量。
产品方案是进行车间设计、制定产品生产工艺过程、确定轧机组成或选择各项设备的主要依据，包括车间拟生产的产品名称、品种、规格及年产量计划。产品方案不但规定了车间的类型，同时也规定了车间的生产产品方向，是车间组织生产的依据。
2.1.1 产品方案的选择原则
产品方案是指所设计的工厂的主要生产车间拟生产的产品的名称、品种、规格、状态及年计划产量，依次来选择设备和制定工艺。
确定产品方案的原则：
（1）国民经济发展对产品的要求，既考虑当前的急需又要考虑将来发展的需要。
（2）产品的平衡，考虑全国各地的布局和配套加以平衡。
（3）建厂地区的条件、生产资源、自然条件、投资等可能性。
（4）考虑轧机生产能力的充分发挥，提高轧机的生产技术水平。
根据上级下达的设计任务书对各项产品的数量及质量、品种、规格范围、状态需要的同时，进行一系列的调查工作，针对国民经济现状及发展，国内外市场动态，综合全国各地区布局和配套加以平衡，满足国防需要，车间的规模和技术上的可能性以及建厂地区的水煤气电，交通、资源等自然条件，并考虑各车间的配套和合理分工来确定最优的产品方案。
2.1.2 产品方案的确定
根据本次设计任务书要求并借鉴相关的陕西龙门钢铁总厂西安轧钢厂的生产实际情况，制定产品方案见表2.1。
轧机年生产Ф16～Ф36mm的热轧带肋钢筋和圆钢60万吨，全部以直条交货，定尺长度为6～12m。钢种为碳素结构钢、优质碳素结构钢、低合金钢。热轧带肋钢筋按GB1499－1998标准进行生产、检查和验收。产品包装执行GB1499－1988标准。热轧圆钢的尺寸、外形、重量及允许偏差应符合GB/T702《热轧圆钢和方钢尺寸、外形、重量及允许偏差》的有关规定。
表2.1 产品方案表
产品大纲
品种材质规格（mm）年产量(万t) 所占比例(%) 交货状态热
轧带肋钢筋、圆钢
碳素结构钢、
优质碳素结构钢、
低合金钢
Φ16～Φ20 30 50
热
轧
态
Φ20～Φ3018 30
Φ30～Φ3612 20
合计60 100
2.2 计算产品的选择
车间拟生产的产品品种、规格及状态组合起来可能有数十种以上。但是，在设计中不可能对每种合金的每一个品种、规格及状态都进行详细的工艺计算，
为了减少工作量，加快进度同时又不影响整个设计质量，可以将各类产品进行分类编组，从中选择典型产品作为计算产品。
计算产品选择原则：
（1）有代表性
指所选的所有计算产品从车间总体来说，在合金、品种、规格、状态、年产量和工艺特点等方面有代表性。
（2）通过所有工序
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，而是对所有计算产品综合来看。
（3）所选计算产品要与实际相接近。
（4）计算产品要留有一定的调整余量。
本车间制定产品方案时，依据设计任务术要求，经过对同类厂的调查和统计分析，选取很具有代表性的品种和规格作为典型产品。所以，在本设计中选择钢的牌号为20MnSi的Φ16、Φ25、Φ32的热轧带肋钢筋作为典型产品，即计
算产品，见下表：
表2.2 计算产品
钢号品种
规格
（mm）
年产量
(万t)
所占比
例(%)
标准
交货状
态
20MnSi 热轧带肋钢筋Φ1630 50
GB1499
-1998
热
轧
态Φ2518 30
Φ3212 20
合计60 100
2.3 产品标准与技术要求
实际生产中为了满足用户客观上的使用要求，每个品种都必须满足形状、尺寸规格和内部性能的要求。因而，各类产品的分类、编制、牌号、化学成分、品种规格和尺寸公差、生产技术条件、机械相能、验收规程、试验及包装方法、交货状态等，国家均有标准规定，如国标、冶标、企标等，如果国家没有标准规定，可由生产厂家和客户商定。
产品的技术要求就是人们对产品的牌号、规格、表面质量以及组织性能等方面的要求产品的技术要求也是不同的，生产者根据产品技术要求组织生产。生产的产品能否满足技术要求，要看企业的技术水平。
2.3.1 产品的标准
国家有关部门根据产品使用上的技术要求和生产部门可能达到的技术水平，制定了产品标准。按照制定的权限与使用范围的不同、产品标准可分为国标、冶标、企标等。产品标准一般包括以下内容：
（1）规格标准规定产品的牌号、形状、尺寸及表面质量，并且附有使用供参考的有关参数等。
（2）性能标准规定产品的化学成分、物力机械性能、热处理性能、晶粒度、抗腐蚀性、工艺性能及其他特殊的性能要求等。
（3）试验标准规定作实验时的取样部位、试样形状和尺寸、试验条件以及实验方法等。
（4）交货标准规定产品交货、验收时的包装、标志方法及部位等。
2.3.2 热轧带肋钢筋相关技术要求
（1）尺寸、外形、重量及允许偏差
热轧带肋钢筋的尺寸、外形、重量及允许偏差应符合GB1499-1998《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》的有关规定，具体要求在合同中注明。
其他截面形状钢材尺寸、外形、重量及允许偏差应符合相应标准或供需双方协议的规定，具体要求在合同中注明。
（2）牌号及化学成分见表2.3。
表2.3 20MnSi性能参数
钢号
化学成分% 力学性能
C Mn S P Si
σs/MPa σb/MPa δ5/%
不小于
20MnSi 0.25 1.60 0.045 0.045 0.80 335 490 16
钢材（或坯）的化学成分允许偏差应符合GB/T222《钢的化学分析用试样及化学成分允许偏差》的规定。
（3）冶炼方法
除非合同中用规定，冶炼方法有生产厂自行选择。
（4）交货状态
钢材通常以热轧或热锻状态交货。如需方要求（并在合同中注明），也可以以热处理（退火、正火或高温回火）状态交货。
（5）力学性能
用热处理毛坯制成试样测定钢材的纵向力学性能和退火或高温回火状态的硬度，检验结果应符合表2.3中的规定。钢筋在最大力下的总伸长率δgt不小于2.5%。供方如能保证，可不做检验。根据需方要求，供应以淬火和回火状态交货的钢材，其测定力学性能用试样不再进行热处理，力学性能指标由供需双方协议确定。
（6）表面质量
压力加工用钢材的表面不得有裂纹、结疤、折叠及夹杂。如有上述缺陷必须清除，清除深度从钢材实际尺寸算起应符合相关的规定。清除宽度不小于深度的5倍，同一截面达到最大清除深度不用多于一处。允许从实际尺寸算起不超过尺寸公差的1/2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。
（7）脱碳层
根据需方要求（并在合同中注明），对含碳量大于0.30%的钢应检验脱碳层，采用显微组织法检验每边总脱碳层深度（铁素体+过渡层）不大于钢材直径的或厚度的1.5%。
（8）热轧带肋钢筋钢成品相关标准见表2.4。
表2.4 热轧带肋钢筋成品标准mm
公称直径
内径d 横肋高h
纵肋高
h1
横
肋
宽
纵
肋
宽
间距l
横
筋
末
端
最
大
间
隙
（
工
程
周
长
的
10%
弦
长）
公称
横截
面面
积
/mm2
理论
重
量，
kg/
m 公
称
尺
寸
允
许
偏
差
公
称
尺
寸
允
许
偏
差
公
称
尺
寸
允
许
偏
差
公
称
尺
寸
允
许
偏
差
6 3
±0.
4 5 4 5
±0.
8
9 8 0
±0.
5
5.0
1
1.58
1 8 17.
3
1.
6
+0.
5
-0.4
1.
6
1.
2.
10.
5.6
254.
5
2.00
2 0 19.
3
±0.
4
1.
7
±0.
5
1.
7
1.
2
2.
10.
±0.
8
6.2
314.
2
2.47
2 2 21.
3
1.
9
±0.
6
1.
9
±0.
9
1.
3
2.
5
10.
5
6.8
380.
1
2.98
2 5 24.
2
2.
1
2.
1
1.
5
2.
5
12.
5
7.7
490.
9
3.85
2 8 27.
2
±0.
4
2.
2
2.
2
1.
7
3.
12.
5
±1.
8.6
615.
8
4.83
3 2 31.
2.
4
+0.
8
-0.7
2.
4
±1.
1
1.
9
3.
14.
9.9
804.
2
6.31
3坯料选择和金属平衡表
3.1 坯料选择
正确选择坯料对轧钢生产具有重要影响。坯料选择合理，不仅可使钢材质量得到保证，而且可使轧机生产能力得以发挥，金属收得率也能提高。
坯料选择的内容是正确地确定坯料的种类、断面形状及其尺寸大小。坯料的选择是个复杂的问题，它受许多因素的影响和限制。选择坯料时要全面考虑生产需要和客观肯恩格之间的相互关系，综合分析各种因素的影响，这样才能取得良好的技术经济效果。
根据设计任务的要求，在本设计中选用20MnSi。碳素结构钢占棒材总产量70%以上，碳、硅、锰、硫、磷是碳素结构钢中的五大元素，碳、锰是钢中的主要强化元素，它具有良好的焊接工艺性能，用量比较大，生产的厂家也不少比较适合本设计任务。
综上，在本设计中就用20MnSi钢作为坯料钢种。
目前，轧钢生产用坯有三种：即用连铸坯、用钢锭轧制成的坯、用钢锭直接轧制成材。
与其它两种相比，连铸坯的特点：
金属收得率可提高6～12％；
每吨钢大概可节约热能14万卡；
降低产品成本可达10％；
《金属压力加工车间设计》表4-1，选用连铸方坯对轧制生产来说有很多优点，它可以减少金属消耗量，成材率高，生产过程简化，节能耗，降成本，生产规模设置灵活，还可以节省劳动力，改善劳动条件，连铸坯是当今行业的发展趋势；同时现在国内外轧合金钢的轧机也主要是以连铸坯为原料，所以在本设计中就选用连铸方坯为原料。
由于连铸坯有这些特点，根据本车间的设计要求，选择优质连铸坯。根据成品的断面尺寸、工艺安排及设计产量的，我们将连铸坯的尺寸选为150mm×150mm×10000mm。
3.2 金属平衡表
金属消耗是轧钢生产中最重要的消耗，因此，降低金属消耗对节约金属、降低成本有重要的意义。
根据本设计的特点，确定金属消耗有以下几部分组成：
（1）氧化和烧损即金属在高温状态下的氧化损失，本设计取1%；
（2）切损包括切头、切尾、切边河由于局部质量不合格而必须切除所造成的金属损失，本设计中取1.0%；