金属材料方向同学专用模板-工厂设计(课程设计)

年产量500万吨，外径30mm，壁厚6mm，1060纯铝车间设计

摘要

本车间为年产500万吨纯铝车间设计。设计本着工艺先进、技术可靠的原则，以设计任务为基础，市场需求为导向，并参考一些国内外热轧厂的资料，对车间进行工艺设计。在本设计中，采用了许多先进的技术和设备，确保了成品能得到良好的板形及力学性能。

关键词：500万吨；市场需求；板形；力学性能

I

目录

1. 设计任务书 (3)

2. 设计的目的和要求分析 (5)

2.1 设计目的 (5)

2.2 设计要求 (5)

3. 设计说明书 (5)

3.1生产方案的设计 (5)

3.2工艺方案的设计 (5)

3.3 设备方案的设计....................................

3.4 工艺计算与设备负荷计算 (5)

3.5 其它 (5)

4 工艺流程定额卡 (5)

5 车间平面布置图 (5)

6 总结 (5)

7 参考文献 (5)

1.设计任务书

课程设计题目：年产量500万吨，外径30mm，壁厚6mm，1060纯铝车间设计。

2. 设计的目的和要求

2.1 设计目的：

通过本课程设计教学所要达到的目的是：

(1)训练学生综合运用材料成型原理、金属凝固原理等课程的理论知识独立思考、分析、初步解决材料成型工艺问题的技能，提高运算、设计绘图能力及查阅资料的技能；

(2)使学生熟练掌握工艺设计的步骤和方法；

(3)培养学生以材料科学理论为基础并结合生产实际进行工厂设计的设计思想。

2.2 设计要求：

（一）设计内容

(1) 设计说明书 1 份

(2) 产品工艺流程定额卡 1 份

(3) 车间平面布置图 1份

（二）设计要求

(1)设计过程中要做到严谨、科学、切合实际。

(2)设计图纸要求按国家有关制图规范绘制，图纸要求整洁、规范、美观、线条流畅、布局合理以及数据齐全，图纸数据与说明书一致。

(3)设计说明书要严格按要求书写。

（三）设计步骤

(1) 确定成品品种、规格、年产量以及原材料的相关参数。

(2) 根据设计任务书编制产品方案。

(3) 确定3A21铝合金的生产工艺流程，并绘出工艺流程图。

(4) 锭坯的选择。

(5) 详细阐述各道工序作用和目的以及计算相关工艺参数。

(6) 选择主要设备和辅助设备。

(7) 工艺计算并编制生产工艺流程定额卡。

(8) 设备负荷计算。

(9) 计算车间面积，确定车间布置。

(10) 确定厂房形状和主要尺寸，画出车间平面布置图。

3. 设计说明书

3.1 生产方案的设计

3.1.1 铝的性质

物质的用途在很大程度上取决于物质的性质。由于铝有多种优良性能，因而铝有着极为广泛的用途。

(1)铝的密度很小，仅为2.7 g/cm3，虽然它比较软，但可制成各种铝合金，如硬铝、超硬铝、防锈铝、铸铝等。这些铝合金广泛应用于飞机、汽车、火车、船舶等制造工业。此外，宇宙火箭、航天飞机、人造卫星也使用大量的铝及其合金。例如，一架超音速飞机约由70%的铝及其合金构成。船舶建造中也大量使用铝，一艘大型客船的用铝量常达几千吨。

(2)铝的导电性仅次于银、铜，虽然它的导电率只有铜的2/3，但密度只有铜的1/3，所以输送同量的电，铝线的质量只有铜线的一半。铝表面的氧化膜不仅有耐腐蚀的能力，而且有一定的绝缘性，所以铝在电器制造工业、电线电缆工业和无线电工业中有广泛的用途。

(3)铝是热的良导体，它的导热能力比铁大3倍，工业上可用铝制造各种热交换器、散热材料和炊具等。

(4)铝有较好的延展性(它的延展性仅次于金和银)，在100 ℃～150 ℃时可制成薄于0.01 mm的铝箔。这些铝箔广泛用于包装香烟、糖果等，还可制成铝丝、铝条，并能轧制各种铝制品。

(5)铝的表面因有致密的氧化物保护膜，不易受到腐蚀，常被用来制造化学反应器、医疗器械、冷冻装置、石油精炼装置、石油和天然气管道等。

(6)铝粉具有银白色光泽(一般金属在粉末状时的颜色多为黑色)，常用来做涂料，俗称银粉、银漆，以保护铁制品不被腐蚀，而且美观。

(7)铝在氧气中燃烧能放出大量的热和耀眼的光，常用于制造爆炸混合物，如铵铝炸药(由硝酸铵、木炭粉、铝粉、烟黑及其他可燃性有机物混合而成)、燃烧混合物(如用铝热剂做的炸弹和炮弹可用来攻击难以着火的目标或坦克、大炮等)和照明混合物(如含硝酸钡68%、铝粉28%、虫胶4%)。

(8)铝热剂常用来熔炼难熔金属和焊接钢轨等。铝还用做炼钢过程中的脱氧剂。铝粉和石墨、二氧化钛(或其他高熔点金属的氧化物)按一定比率均匀混合后，涂在金属上，经高温煅烧而制成耐高温的金属陶瓷，它在火箭及导弹技术上有重要应用。

(9)铝板对光的反射性能也很好，反射紫外线比银强，铝越纯，其反射能力越好，因此常用来制造高质量的反射镜，如太阳灶反射镜等。

(10)铝具有吸音性能，音响效果也较好，所以广播室、现代化大型建筑室内的天花板等也采用铝。

3.1.2 铝的发现简史

铝是我们非常熟悉的金属，早在公元前5世纪就有了应用明矾作收敛剂、媒染剂的记载。

1825年，丹麦化学家和矿物学家厄斯泰德（Oersted H.C.1777-1851，丹麦）用钾汞齐还原无水卤化铝，第一个制备出不纯的金属铝。

1827年，德国化学家维勒（Wohler Friedrich，1800-1882，德国）用金属钾还原无水氯化铝，制备出较纯的铝，并用它的许多性质。

由于维勒制取铝的方法不可能应用于大量生产，在这以后的一段很长时间里，铝是珠宝店里的商品、帝王贵族的珍宝。直到1886年两位青年化学家分别独立地用电解法制铝获得成功，使铝成为普通商品，竟然经历了60多年的时间。这两位年轻的化学家一位是21岁的美国大学生豪尔，另一位是大洋彼岸的21岁法国大学生埃罗。他们的工作奠定了今天电解铝的方法。

铝的命名源自拉丁文Alumen，这一名词中世纪在欧洲是对具有收敛性矾的总称，它的英文名称是Aluminium，元素符号为Al，我国从它的第二音节译为铝。

3.1.3 我国铝工业的发展近况

进入21世纪以来，我国铝产业呈快速发展势头。2000年—2011年，我国氧化铝产量由432.8万吨增长到3407.8万吨，电解铝由279.4万吨增长到1778.6万吨，分别增长了6.87倍和5.37倍。我国已经成为铝生产、加工大国。但是我国铝产业存在着诸多问题，如产能过剩、原料对外依存度高、高精尖加工技术仍落后于世界先进水平等。

（1）快速发展与产能过剩

我国铝产业在进入21世纪后经历了一个快速发展的时期。2000年—2011年，我国氧化铝、电解铝产量的年均增长速度分别达到21%和18%。铝产业的快速发展保证了国民经济的用铝需求，但是由于投资的过快进行，而需求受经济放缓等因素影响增长不力，近几年我国铝产业产能严重过剩。据估计，到2011年年底，全国已形成氧化铝产能5220万吨/年、电解铝产能2550万吨/年、铝

材产能3200万吨/年，与产量相比，2011年氧化铝、电解铝、铝材的产能利用率分别只有65%、70%和87.5%。实际上铝产业的过快发展已经使铝供给超过市场需求，铝价(13345,-70.00,-0.52%)低迷，铝企业经营困难。

（2）原料对外依存严重

我国铝土矿资源总储量接近40亿吨，不过仍不能满足国内铝产业的原料需求。2000年，我国电解铝产量仅279.4万吨，氧化铝自给率达71%。但是电解铝产能发展过快，氧化铝很快供不应求。2004年，我国生产的氧化铝只能满足电解铝生产需要的49%。近几年，我国氧化铝产量的提高已经使氧化铝自给率提高到2011年的90%，进口量减少。但与此同时，铝土矿不足的问题凸显出来。2006年—2011年，我国自产铝土矿仅能满足国内需求的40%左右。2011年，我国进口铝土矿4523万吨、氧化铝188万吨，电解铝原料对外依存度达61.5%。

（3）产业结构趋于合理

目前，我国铝产业很多技术居世界领先水平。从电解铝节能技术上看，异型阴极电解槽、新型结构导流槽、电流高效节能控制等技术被广泛采用；大型预焙槽已成主流，世界上第一条500kA预焙槽已在中铝连城分公司投入工业化生产。2011年全国电解铝平均电耗为13900度，已接近世界最好水平。铝产业集中度大大提高，2011年年底，电解铝产能排名前十位的企业产能合计占总产能的64.36%。在要素配置上，电解铝生产也向能源丰富且价格便宜的西部地区发展。

表3-1 中国近年来铝加工材产量单位：万吨

3.2 工艺方案的设计

工艺设计是工厂设计的主要环节，是决定全局的关键。

工艺设计的主要任务——确定生产方法、选择生产工艺流程；确定生产设备的类型、规格、数量，选取各项工艺参数及定额指标；确定劳动定员及生产班制；进行合理的车间工艺布置。

从工艺技术上、生产设备上、劳动组织上保证设计厂投产后能正常生产，在产品的数量和质量上达到设计的要求。

工艺设计的基本原则：

（1）根据计划任务书规定的产品品种、产量和质量进行设计

（2）选择技术先进、经济合理的工艺流程和设备

（3）合理考虑机械化、自动化装备水平

（4）全面解决工厂生产、厂外运输和各种物料贮备的关系

（5）注意考虑工厂建成后生产挖潜的可能性和留有工厂发展的余地

（6）方便施工、安装，便于生产、维修

（7）注意保护环境，减少污染

3.2.1 原料的选择

本车间全部采用高质量无缺陷连铸坯为原料，铝种为：普碳铝、优质铝和低合金铝。

3.2.2生产流程

熔铸是铝材生产的首道工序

主要过程为：

（1）配料：根据需要生产的具体合金牌号，计算出各种合金成分的添加量，合理搭配各种原材料。

（2）熔炼：将配好的原材料按工艺要求加入熔炼炉内熔化，并通过除气、除渣精炼手段将熔体内的杂渣、气体有效除去。

（3）铸造：熔炼好的铝液在一定的铸造工艺条件下，通过深井铸造系统，冷却铸造成各种规格的圆铸棒。

（4）挤压：挤压是型材成形的手段。先根据型材产品断面设计、制造出模具，利用挤压机将加热好的圆铸棒从模具中挤出成形。常用的牌号6063合金，在挤压时还用一个风冷淬火过程及其后的人工时效过程，以完成热处理强化。不同牌号的可热处理强化合金，其热处理制度不同。

（5）氧化：挤压好的铝合金型材，其表面耐蚀性不强，须通过阳极氧化进行表面处理以增加铝材的抗蚀性、耐磨性及外表的美观度。其主要过程为：a.表面预处理：用化学或物理的方法对型材表面进行清洗，裸露出纯净的基体，以利于获得完整、致密的人工氧化膜。还可以通过机械手段获得镜面或无光（亚光）表面。b.阳极氧化：经表面预处理的型材，在一定的工艺条件下，基体表面发生阳极氧化，生成一层致密、多孔、强吸附力的AL203膜层。c.封孔：将阳极氧化后生成的多孔氧化膜的膜孔孔隙封闭，使氧化膜防污染、抗蚀和耐磨性能增强。氧化膜是无色透明的，利用封孔前氧化膜的强吸附性，在膜孔内吸附沉积一些金属盐，可使型材外表显现本色（银白色）以外的许多颜色，如：黑色、古铜色、金黄色及不锈钢色等。

各种表面处理工艺后铝型材的特征与性能：

磨砂面料铝型材：磨砂面铝型材避免了光亮的铝合金型材在建筑装饰中存在一定的环境、条件下会形成光的干扰的缺点，它的表面如锦缎一样细腻柔和，很受市场的青睐，但现有的磨砂材必须克服表面砂粒不均匀，并能看到模纹的不足。

多色调表面处理铝型材：单调的银白色和茶色已不能满足建筑师们与外墙装饰面砖、外墙乳胶的很好配合，新型的不锈钢色、香槟色、金黄色、钛金色、红色系列（酒红色、枣红色、黑色、紫色）等加上彩色玻璃能使装饰效果锦上添花。这些型材都必须经化学或机械抛光之后再氧化，效果才佳。

电泳涂漆铝型材：电泳涂漆型材表面光泽柔和，能抵抗水泥、砂浆酸雨的侵蚀，日本90%的铝型材都经过电泳涂漆。

粉末静电喷涂铝型材：粉末静电喷涂型材的特点是抗腐蚀性能优良，耐酸碱盐雾大大优于氧化着色型材。

等离子体增强电化学表面陶瓷化铝型材：该类型材是当今世界最先进的处理技术。此型材产品质量优良，但成本较高。它具有20多种色调，其最大特点是可根据需要象印花布一样套色，型材表面色彩缤纷，装饰效果极佳。

镀钛工艺：

铝型材镀钛金工艺，包括选材、抛光、化学除油、清水冲洗、活化、真空镀钛工艺步骤，其特征在于它还包括：

a、预镀工艺，该工艺是将活化后并经清水冲洗的钛金铝型材置于由食盐、盐酸和水组成的液体中进行化学处理，处理温度为常温，处理时间至液体发生激烈化学反应为止；

b、电镀工艺，该工艺中镀液成份包括硫酸镍、氯化镍、硼酸、十二烷基硫酸钠、糖精、光亮剂，工艺条件：电流3-4A /dm阴极移动、5-7A/dm空气搅拌，镀液温度50-60℃，PH 值3．9-4．2，电镀时间15分钟。

铝合金建筑型材产品具有强度高、重量轻、耐腐蚀、装饰性好、使用寿命长、色彩丰富等优点。通常，好的产品其表面在20年内不失光、不变色。

注意事项：

选购及使用铝合金建筑型材产品时应注意以下几点：

1. 查看产品出厂合格证，注意出厂日期、规格、技术条件、企业名称和生产许可证编号。

2. 仔细察看产品的表面状况，产品应色彩鲜亮，光泽好，表面不能有明显的擦划伤、气泡等缺陷。

3. 一定要注意产品的壁厚，门、窗料的产品厚度应不小于1.2mm。

4. 注意产品表面涂层的厚度，阳极氧化产品的膜厚不低于10μm，电泳涂漆产品的膜厚不低于17μm，粉末喷涂的涂层厚度不超出40-120μm范围，氟碳漆喷涂产品应在二涂以上，不能低于30μm。

5. 沿海地区的用户最好选择耐蚀性能较好的电泳涂漆型材、粉末喷涂型材或氟碳喷涂型材产品。

6. 日常维护时不能用刷子等其他硬物作为清洗工具，应选择柔软的棉纱和棉布。

7. 清洗时可以用水、洗涤灵和肥皂，但不能用其他有机物。

劣质特征：

挤压缺陷：铝型材挤压过程中因挤压设备是否完备，挤压工艺是否成熟以及操作是否失当，会产生诸如气泡、夹杂、成层、色差、扭曲等缺陷，影响铝型材的质量。

氧化膜厚度薄：国家标准规定建筑铝型材氧化膜厚度应不小于10um（微米）。厚度不够，铝型材表面易锈蚀、腐蚀。抽验中一些无产名、厂址、生产许可证、

合格证的铝型材，其氧化膜厚度仅2至4um，有的甚至没有氧化膜。据专家估算每减少1um氧化膜厚度，每吨型材可减少电耗成本150多元。

化学成分不合格：掺入大量杂铝、废铝的铝型材能大大降低成本，但会导致建筑铝型材化学成分不合格，严重危及建筑工程安全。

降低型材壁厚：90系列推拉窗型，按国家标准其铝型材壁厚最低不小于1．4mm，一些产品仅0．6至0．7mm。46系列地弹门型，国家标准使用的铝型材壁厚最低不小于1．62mm，抽检中，一些产品仅0．97至1．18mm。

劣质铝型材大量减少封闭时间：减少了化学试剂损耗，成本降了，但型材耐腐蚀性能也大大降低了。

3.3 设备方案的设计

3.3.1 基本设备的选择

（1）熔铸炉，可用铝棒生产；

（2）挤压机；矫直设备：其主要有辊式矫直机，压力矫直机，张力矫直机三大类。

辊式矫直机的工作是连续进行的，生产效率高，应用广

压力矫直机是靠冲头往返运动进行矫直的，生产率低；

张力矫直机多用于有色金属材料的矫直。

矫直的目的——长度方向矫直；

横断面整形；

表面氧化铁皮疏松。

图1 矫直设备

（3）时效炉，可以增加铝型材的硬度；

（4）阳极氧化线；

（5）双头锯、滚弯机、叉车、天车等上产所需的基本设备。

铝合金挤压材的矫直分为拉矫、辊矫、扭拧矫、压力矫、局部矫和手工矫等。拉矫在拉伸矫直机上进行，主要是消除产品纵向上的弯曲、波浪、不平度等缺陷。目前世界上的拉矫机有龙门式、单轨式等几种，最大吨位为400MN，主要

拉伸大断面棒材和型材以及后壁管材。

表3-2. 铝合金板材辊式矫直机技术性能

3.3.2 辅助设备的选择

根据不同用途和作用，辅助设备分为加热、冷却、切断、矫直、起重运输等。（P96～130）

确定其型式、能力和数量。选择原则如下：

1. 满足生产工艺流程要求；

2. 保证有较高的工作效率，充分发挥主设备的能力（大10%～20%）；

3. 节省投资（重量，占地面积，性能价格比）

包括加热炉和热处理炉：（均热，退火，淬火，时效，回火，常化等）。

按工艺用途分为：铸锭的加热及均热炉；

半成品和成品退火炉；

成品热处理炉。

按加热温度分为：低温炉（轻金属及合金）；

中温炉（重金属及合金）；

高温炉（碳钢及合金钢）。

3.3.3 炉型选择

应考虑坯料材质，形状，断面尺寸，装料温度，产量，质量等。

1. 均热炉——主要用于初轧车间，特厚板车间加热厚度＞400mm的钢锭。

炉型有：换热式，蓄热式，复座式均热炉等

2. 均匀化炉——消除铝镁合金铸造时的热应力和化学成分、组织的不均匀。

3. 连续式加热炉

(1) 推钢式炉——投资少能耗较高，用于产量质量要求不高的车间

(2) 步进式炉——上个世纪70年代以来在型、板热轧机取代推钢式炉的主要炉型。

步进式加热炉优点：

（1）炉长不受推钢比限制——不产生拱钢，粘钢现象。

（2）生产能力大，单位炉底面积产量比推钢式炉高。

（3）维护、修炉容易。

4. 环形加热炉—管材和有色金属型、板车间用有固定炉壁的环形室和环形回转炉底，炉底从装料门至出料门回转一整圈的期间内，铸锭或轧坯即被加热。

除基本具有步进式炉的优点外，还具有炉内气氛易控制，单位能耗少等优点。

但机械设备复杂，占地面积大，单位炉底面积产量（炉底强度）比推钢式炉小（生产能力小）及装出料门近（操作不便）的缺点。

5. 感应加热炉（通常为工频炉）

现代挤压机车间广泛采用，其具有加热速度快，体积小，耗电低，可实现机械化自动化等优点，但对铜合金，钢锭等加热温度高，单位电耗大，产量高的

车间很少采用，但对加热温度范围窄的金属或合金（如不锈钢、钛合金）仍然有采用。

3.3.4 加热炉产量计算

1 按加热时间进行计算

Q = LnG / bT

式中：

Q——加热炉小时产量；

L——炉子有效长度（m）;

n——装料排列数; G——每根坯料重量（t）;

b——坯料的炉内宽度（m）;

T——加热时间（h）; T=cb c——材质系数

注意：

1) 该法为现有炉子的产量计算，对新设计的加热炉，Q为主要设备要求的小时产量，通常按主要设备平均小时产量的1.1～1.2 倍计算（Q=(1.1～1.2)AP）, 或按计算产品中比例较大，小时产量较高的产品计算。

2) 按Q计算后，由于炉底强度的不同，按Q计算出的炉长不一定能满足加热时间T 要求，因此还必须按有关公式确定炉底强度。

2 按炉子生产率指标计算

Q = PF/1000ψ

式中：

P——有效炉底强度（kg/m2h）,

通常取P=500～700kg/m2h，厚规格取上限；

F——炉底布料面积（m2）;

ψ——炉子干扰系数（0.9～1.0），多座炉取下限；

Q——炉子小时产量，取值同上。

对于设计新炉，通常用该法计算。

3.3.5 炉子尺寸的确定

1. 炉宽：

主要根据坯料长度确定。

单排：B=l+2C 双排：B=2l+3C

式中：

l ——坯料最大长度（m）；

C——料间或料与炉墙间隙（0.2～0.3m）

2. 炉长： L=F/b

式中： F——炉底有效面积；

b——计算产品坯料宽度。

（1）对于推钢式炉：L＜ibmin 式中：

i——推钢比，坯料条件较好时 i=250～300

bmin——坯料在炉内的最小宽度（m）。

当L＞ibmin时，取2～3座炉子。

（2）对步进式炉—— L确定后还应：

1）增加炉长方向坯料间的间隙(n-1)a，n——装料块数；a——料间间隙，通常取0.05m。

2）为了防止步进时坯料撞炉门，增加坯料入炉定位距离，通常为1～1.5m（宽料取上限），当坯料位子确定后，步进机构立即作踏步运动。

当L＞60m时，取2～3座炉子。

3. 推钢机的选择

推钢式加热炉炉后采用推钢机，其中有：

螺旋式——结构简单，重量轻，造价低，但传动效率低，零件易损。推力和推速低——用于推力小于20吨的小型车间。

齿条式——结构复杂，重量大，造价高，但传动效率高，不需要经常维修，推力和推速大——用于推力大于20吨的大、中、小型车间。

液压式——传动更平稳，重量更轻，结构简单，并能调速，但需要液压站。——现代化车间。

（1）推力：P=Qf

Q——被推金属的重量（t）；

f——摩擦系数，通常取0.5～0.6。

当P计算出来后应查相应手册确定推钢机吨位。

（2）推速——取决于坯料规格，炉子产量和出料方式

料高H=30～40mm v=0.05～0.08m/s

H=100～300mm v=0.1～0.12m/s

为了减少间隙时间，回退速度约为推进速度的两倍。

（3）行程——

取决于坯料规格，辊道宽度，出料要求，一次吊运（输入）坯料量及检修要求等。

通常：2500～4000mm

3.4 工艺计算与设备负荷计算

3.4.1 基本设备负荷计算

轧钢机的生产率：

轧钢机单位时间内的产量。

单位时间：

小时、班、日、月和年。

常用的轧机产量有两种：

1）轧机小时产量；

2）轧机年产量；

轧机理论小时产量：

轧制节奏时间（秒）。原料重量（吨）；

小时）；

轧机小时产量，（吨式中---=T Q A Q T

A /3600

轧机实际小时产量：

轧钢机利用系数。轧制节奏时间（秒）原料重量（吨）；

小时）；

轧机小时产量，（吨式中----=11;

/3600K T Q A QK T

A

轧钢机利用系数又称轧钢机生产率降低系数。

轧钢机利用系数反映了轧机节奏失调的程度，反映了轧机理论小时产量和实际小时产量的差异。

85

.0~80.090

.0~85.0/;

/111==----==K K A A T T T T A A K L S S L S

L L S 成品轧机开坯机时）。

轧机理论小时产量（吨时）轧机实际小时产量（吨）；

实际轧制节奏时间（秒）；

理论轧制节奏时间（秒式中

成品轧机小时产量：