基于攀钢轨梁厂25#a工字钢产品设计

1、基于攀钢轨梁厂25#a工字钢产品设计材料成型及控制工程班 周诚岩 指导教师 周兰花 曾富洪摘要 围绕25#工字钢孔型轧制生产，主要进行25#a工字钢的孔型设计。针对钢材的断面特点，经过理论分析，设计了一套全直轧孔型系统。运用这套孔型系统将粗轧和精轧两个阶段有效的结合在一起，并在孔型系统中设计了一道预切深孔型，以利于切深孔切深，防止不均匀变形过大所产生的一些缺陷。根据给出的条件对25#a工字钢按照4-3-3-1形式进行了较为合理的孔型配置。从实用性出发，考虑设计简化、加工和调整的方便设计了导卫装置；采用CAD、PROE等软件完成了孔型图、导卫装置图、配辊图等的开发与设计。设计结果为25#工字钢的

2、生产上应用将具有较好的指导意义。关键词 工字钢，热轧，孔型设计，孔型加工1绪论1.1 引言工字钢也称钢梁，是截面为工字形的长条钢材。工字钢分普通工字钢和轻型工字钢。工字钢广泛用于各种建筑结构、桥梁、车辆、支架、机械等。1进入21世纪以来，随着现代社会工业的发展，钢铁业和造船业在世界各地都得到了迅速发展。在方、圆、角钢等简单断面型钢已不能满足大型工程的设计要求下出现了这种异型型钢。材料力学的研究表明，具有工字形断面的型钢比方、圆、角断面的型钢具有更大的抗弯模数，又比上述断面的型钢节约金属，因此它更满足现代工程工业的需要。1.2工字钢生产现状目前我国生产的工字钢多以普碳钢为主，与国外的同类钢相比，

3、在综合性能相近的条件下，由于国外在钢中加入了微量合金元素，因此钢的强度比我国的高，同时可以节省钢材。国内轧制普通工槽钢，根据产品规格采用与产品尺寸相对应的专用坯料。一般轧制<36号工槽钢万能轧制法的特点为：可改善钢材表面质量，钢材尺寸精度高；轧辊消耗低，轧辊共用性增加，用孔型法轧制普通工字钢，一套轧辊最多能轧一种型号三种规格的工字钢，采用万能轧制法，一套轧辊可轧制多种型号多种规格的H型钢或普通工字钢。以前轧制大号工字钢一般使用异型坯，其形状与产品尺寸相对应。因此异形坯规格很多，异型坯本身的生产工艺较复杂。近年来，随着坯料的连铸化，正逐步推行坯料共用工艺。1.3 孔型设计及现状发展一般型钢

4、轧机生产工字钢的孔型系统，对中小号工字钢采用斜轧或直轧法，对大号工字钢采用弯腰大斜度轧法，孔型开闭口交替使用。槽钢的孔型系统，一般采用弯腰大斜度或蝶式轧法，中间孔型采用 2个控制孔，其余为开口孔型。近2O年来，国外工业先进国家均采用万能轧制法生产工槽钢 (主要是H型钢和平行腿槽钢)。攀枝花钢铁集团轨梁厂型钢生产线采用两辊轧机和万能轧机混合轧制钢轨和其它型钢,分布主要是第一套为两辊三道次直轧,第二套为万能扎和两辊轧机混合轧制,轧制道次数为三个,第三套同第二套相同,第四套第五套第六套都和单列万能轧机,道次数为一个道次，最后三道轧机为精轧机组。攀钢集团轨梁厂万能轧生产线主要轧制104M重轨和其它型钢

5、，该套轧机组代表了当前国际国内较为先进的技术。我国工槽钢的生产水平与国外相比差距很大，已经影响到机械产品结构件的重量，机车，车辆产品的自重，高层建筑、高速公路的发展， 因此急需改进和发展H型钢和平行腿槽钢，以满足国民经济各行业的需求，为此建议： (1) 重视建设生产型钢的万能轧机，使H型钢能迅速地在国内得到生产和使用。(2) 新建的专业型钢厂打破传统观念，结合国内情况，采用转炉配连铸机，小号工、槽钢用连铸矩形坯或方坯，大号工、槽钢用近似最终断面形状的异型坯，连铸坯，连铸连轧生产型钢。(3) 生产型钢的关键是改造轧机。要重视老厂的改造与新建万能轧机型钢厂相结合。采用紧凑式万能轧机代替目前的三辊式

6、轧机。采用万能轧制法生产平行腿工、槽钢，努力推广XH万能法生产大、中号H型钢、工字钢。 2 攀钢轨梁厂设计概况2.1 厂房建设情况2.1.1 设计规模的设想一期设计的90万吨主体设备吨位22500T，厂房面积90904m2，设有13项主要设备、7项附属设施、共有10个跨间、总跨度为210m，跨间长度为660m。扩建后厂房长为696m，宽210m。建筑面积10万m2。2.1.2 主要设备三座连续式推刚加热炉、四架轧机、7台热锯机、3台辊式矫直机以及两套加工设备和空床淬火设备等。开坯机为950轧机，主电机功率为5300千瓦；轧辊中心距：1050-880mm轧机采用二列横列式布置，第二列主要有2架8

7、00三辊式轧机，主电机功率为6500KW，精轧机采用850万能轧机。主电机为1800KW，均为直流电机。2.2 型钢主要生产工艺型钢主要生产工艺为：收料上料加热轧制锯切写号冷却矫直打印检查分级涂色打捆（合钢）入库2.2.1 开坯开坯工艺流程见图2.1所示。图2.1 型钢轧制的开坯流程2.2.2 加热、轧制通用型材的轧制工艺流程举例如图2.2所示。型材轧制分为粗轧、中轧、和精轧。图2.2 通用型材加热、轧制的工艺流程2.2.3 精整型材的轧后精整有两种工艺，一周内个是传统的热锯切定尺，定尺矫直工艺。一种是较新式的长尺冷却、长尺矫直、冷锯切工艺，工艺流程的例子如图2-3所示。图2-3 型材的精整工

8、艺流程2.3 原料的选择及清理2.3.1 原料的选择轧钢常用的原料为钢锭、轧坯和连铸坯，本设计采用240×240矩形轧坯，为保证成品质量，先采取表面清理。2.3.2 原料的检查和清理尽管炼钢工艺的不断改进使坯料的表面质量不断提高，但用户对轧件、质量的要求也在不断提高，因此在轧制之前，特别是对于表面质量要求很高的优质轧件，清除坯料表面缺陷对提高产品质量仍起着重要作用。2.4 原料加热和加热炉2.4.1 原料的加热在轧钢之前，要将原料进行加热，其目的是提高钢的塑性，降低变形抗力及改善金属内部组织和性能，以便于轧制加工，这就是说一般要将钢加热到奥氏体单相固溶体组织的范围内，并使有较高的温度

9、和足够的时间以均化组织及溶解碳化物，从而得到塑性高、变形抗力低、加工性能好的金属组织。2.4.2 加热炉从钢坯在炉内的移动方式有推钢式加热炉与步进式加热炉两大类。推钢式加热炉分带下加热的和步进式加热的两种，上下加热的推钢式加热炉多用于加热断面尺寸超过100120mm的方坯。本设计根据提供的设备要求采用推钢式加热炉对坯料加热。3 25#a工字钢轧制工艺设计3.1 工字钢的生产工艺流程轧制任何一种钢材都可能有几种工艺过程，本设计采用240×240矩形坯经高速锯切下料后，采用风动砂轮进行表面清理钢坯的表面缺陷，严格按照炉号进行管理。在室温下装入推钢式加热炉进行加热，之后进行轧制、冷却、矫直

10、、锯切等工艺进行生产，最后经检查合格后分级成倍尺料交出。其工艺流程如下:钢坯下料清理加热轧制锯切写号冷却矫直打印检查分级涂色打捆入库。3.2 孔型设计型钢孔型设计主要内容包括三个方面：1）断面孔型设计。根据原料和成品的断面形状和尺寸及产品性能的要求，确定孔型系统、轧制道次和各道次的变形量，以及各道次的孔型形状和尺寸。2）配辊确定孔型在各机架上的分配以及在轧辊上的配置方式，以保证轧件能正常轧制、操作方便、成品质量好、轧机产量高。3）轧辊附件设计导卫装置的设计。导卫装置应保证轧件能按照要求的状态进出孔型，或者使轧件在孔型以外发生一定的变形，或者对轧件起矫直或翻转作用等。25#工字钢的孔型设计是基于

11、上述内容进行的。23.2.1 孔型系统的选择结合轨梁厂的设备状况以及供应产品的特点，选用延伸孔型为箱形孔型系统，精轧机为万能通用孔型系统。根据轧机的具体条件，可采用各种混合孔型系统，如成品孔和成品前孔采用用直边斜轧孔型，其它各孔型采用直轧孔型；或在轧制程序的前几个孔型采用斜轧孔型，后几个孔型采用直轧孔型，或采用其它的混合形式。根据攀钢轨梁厂950/800/850二列式轨梁轧机的工艺特点，结合生产工字钢的经验，确定直轧孔型系统。该孔型系统由一个箱形孔、两个切深孔和七个直轧孔组成。3.2.2孔型设计原则采用正确的孔型设计可以使轧制异型面型钢所不能避免的不均匀变形尽可能发生在前几个孔型中，而不是在全

12、部孔型中。在前几个孔型中，金属的温度较高，其变形抗力不大，并且塑性也较好（与以后几个孔型中的金属相比较）。在其它几个孔型中，必须尽可能采用均匀的压缩和断面各部分均匀的延伸，因为只有在这样的条件下才能得到形状正确的、内应力较小的最终产品，而能量消耗和轧辊的磨损都最少。43.2.3 延伸系数的分配总延伸系数钢坯断面面积/成品孔面积：11.86 （3-1）按产品标准查得NO25工字钢的断面面积为4854.1mm2选取，则求得n为： （3-2）按延伸曲线把分配到各孔，分配的原则是：取腿的延伸系数大于腰的延伸系数，即（+）/2大于，其差值在0.02-0.05。对于大号工字钢，由于要不面积占的比例较大，容

13、易产生腰拉腿的现象，一般采用开口腿的延伸大于闭口腿延伸的设计方法，即大于。对于中小号工字钢由于要不面积占的比例较小，对腿的拉缩作用也小，多以腰腿延伸系数可按下式分配：对于成品孔和成品前孔：= 对于其它工字孔： （+）/2 3.2.4 腿部变形原则除小号工字钢外，一般总是腿部延伸大于腰部延伸，即：>,=（+）/2 注：控制孔、切深孔除外。腿高的确定：开口孔进开口孔或控制孔进开口孔 h1=h2-(0-1mm)开口孔进控制孔h1=h2+(4-9mm)3.2.5 确定腿尖a、腿根b的尺寸开口孔进开口孔或控制孔进开口孔,由已知腿面积及腿高计算。F腿1/h1=(a1+b1)/2 （3-3）a1、b1

14、按以下原则分配：1) a1/a2>b1/b2,a1-a2<b1-b2或a1/a2=b1/b2 2) 开口孔进控制孔 a1=a2-(0.51.0)5 3.2.6 孔型系统计算例如成品孔孔型系统计算如下：(1) 孔型宽度：(为负公差)。 (2) 腰厚： (取部分负公差)。 (3) 腿高：。 (4) 开口腿高： 闭口腿高：。 (5)腰部面积:2477.3=1803.1mm2。 (6) 开口腿端宽度：开口腿根宽度：， (7) 开口腿面积：闭口腿面积：（8） 成品孔K1腰部压下量一般取为 （9） 成品孔K1腰部展宽量取为 。 （10） 腰部延伸系数：。 （11） 开口腿端侧压量： 闭口腿端侧

15、压量：。（12） 开口腿根侧压量： 闭口腿根侧压量：。 （13） 开口腿端压下系数: 闭口腿根压下系数：。 （14） 开口腿部延伸系数和闭口腿部延伸系数： 因，又，确定出，。（15） 圆弧半径：孔为成品孔，圆弧半径取值：。（16） 增长量取， 拉缩量取。其余孔型计算方法同上。3.3 轧制规程设计3.3.1 950开坯机压下规程的编制为避免轧机因压下量过大而产生腰部波浪，编制压下规程时工字型切深孔的压下量不能太大950开坯机的压下规程见表3.1。6表3.1 950开坯机压下规程孔型号道次Bd（mm）压下量备注118024070218810080翻钢1800C320863.936.1420827.

16、836.1翻钢1800C521721.86.03.3.2 轧制道次根据轧制工字钢的经验，25号工字钢轧制总道次分为14道，轧制道次分配为在950开坯机上为5-3-3-1，800/850机列7个孔型中各轧制1个道次。800轧机配辊图的绘制采用PROE三维设计软件，对机架、横梁、轧辊、底座进行了装配，根据三维装置图投影，绘制出轧机配辊图。各机架配辊图见附图。850精轧机采用万能孔型系统轧制。3.3.3 速度制度1） 950轧机速度制度的确定非翻钢道次 （3-4）翻钢道次 （3-5）按以上公式计算出各道次轧制所需时间。 故950轧机轧制一根钢材所需的时间为:T950=T1+T2+T3+T4+T5+t

17、j1+tj2+tj3+tj4+tj5=3.75+4.15+5.5+5.7+6.5+5+8+5+4+4+20=72秒2）800轧机速度制度800轧机为恒转速轧制，转速为0-90-100 r/min取n=90 r/min （3-6）由此可得，t6=4.9s,t7=8.8s,t8=10.4s,t9=12s,t10=13.6s,t11=14.8s3）850轧机轧制速度的确定850轧机为横转速轧制，轧制速度为0-100-200 r/min取n=100r/min （3-7）所以t12=13.4s.各道次间隙时间的取定：从而可得各轧机的轧制时间为：T800I=t6+t7+t8+=4.9+8.8+10.4+6

18、+10+10=50.1sT800II=t9+t10+t11+ =12+13.6+14.8+10+6+10=66.4sT850=159+10=25.9sT总=T800I+T800II+T850+T950=50.1+66.4+25.9+72=214.4s4）各道次的轧制温度温降公式： （3-8） 式（3-8）中 T1开轧温度K；TZ热辐射时间，TZ=（该道次的轧制时间+下一道次的轧制时间）/2+间隙时间；C常数，取C=4；P常数值，取P=1.166；G坯料重量F坯料散热面积。由前面计算可求得各道次TZ。根据轨梁厂实际情况，950轧机的开轧温度为1130，950轧机至800轧机的温降取为50，则80

19、0轧机的开轧温度为1080。结合前面数据，代入式（3-8），可求得各道次温降，结果列入表3.2中。表3.2 轧制各道次温降表道次123456789101112温度11301124.61106.81098.210821072.61056.71043.81024.61006.8986978.83.4 电机平衡负荷校核如果去掉由水平力引起的力矩，则轧制力矩可由单元体素对一个轧辊作用的垂直力乘以相应的力臂来计算： （3-9）忽略摩擦力，简化之 （3-10）3.4.1 轧制压力的计算接触面积和轧件变形前后的几何尺寸有关轧制非断面的孔型，接触面积可近似按式（3-11）计算。F=(B+b)/2，； （3-1

20、1）式（3-11）中 FH，Fh分别为轧前，轧后轧件断面面积； B，b轧前，轧后轧件的最大宽度。金属作用在轧辊上的单位面积上的总压力可表示为化简可得： （3-12）各道次速度及压下量计算结果列入表3.3中。表3.3 轧制过程各道次速度及压下量道次123456789101112V3.163.312.863.253.384.464.985.035.065.086.05.67-11-4.6-1.140.84H-51-25.2-12.114.8h-40-20.6-13.9613.961） 950开坯机轧制压力计算选取950开坯机变形量最大的K8孔作为校核基准，开坯机轧制温度取轧制9000C，轧制压力计

21、算如下:将数据代入以上轧制压力公式（3-12）计算：P= P=P=5396 KN2) 800轧机轧制压力计算选取800轧机上的K5孔作为轧机校核基准，850轧机上的轧制温度取终轧温度10430C计算。将数据代入以上轧制压力公式（3-12）计算得：P= P=P=4134 KN3) 800轧机轧制压力计算选取800轧机上的K2孔作为轧机校核基准，800轧机上的轧制温度取9860C计算。将数据代入轧制压力公式（3-11）计算。P= P=P=1584 KN4) 850轧机轧制压力计算选取850轧机上的K10孔作为轧机校核基准，850轧机上的轧制温度取终轧温度计算9780C计算。将数据代入轧制压力公式（

22、3-12）计算。P= P=P=1673 KN3.4.2 轧制力矩的计算不考虑轧辊辊颈与轴承间的摩擦损失，由轧辊平衡条件出发，简单轧制过程中，上述条件只有在每个轧辊上，两轴承的反作用力与轧件给轧辊的总压力P大小相等，且其方向垂直地与摩擦圆相切时才能保持平衡。这时，转动轧辊所需力矩为： （3-13）式（3-13）可写成：=PDsin （3-14）因 ，则=；（3-221）热轧铸锭时，=0.55-0.60取=0.555 故950开坯机的轧制咬入角=，合力角轧制力矩为：=5396=432.5 KNm由轧辊轴承中的附加摩擦力矩： （3-15）式（3-11）中 轧辊辊颈直径；轧辊轴承摩擦系数。则： （3-

23、16） 式（3-16）中 传动机械效率，一般取0.960.98；轧辊与主电机间的传动比，取为1；根据轨梁厂使用的电机功率：，电机转速，一般为0，取；则电动机的额定转矩：；空转力矩：则静力矩：，因此950轧机功率足够。同理验算800、800、850轧机功率均能满足要求。3.5 轧辊强度校核3.5.1 950轧机强度校核选取腿部最深的孔型K9孔进行轧辊的强度校核。图3.2 950轧机K9孔受力横梁图根据此孔轧辊的受力情况做出横梁图如图3.2所示，代入本章第四节计算出的该孔轧制压力，绘制出弯矩应力图。图3.3 950轧机K9孔剪应力图因：，有：得： 。弯曲力矩，得出第九孔产生的应力，代入数据得出。参

24、考轧辊轻度数据，950轧辊的轧制强度，故以上孔型的应力小于，所以辊的强度能满足要求。3.5.2 800轧机校核选取腿部最深的孔型K7孔进行轧辊的强度校核。第七孔强度校核计算同上，代入数据得：第7孔产生的应力，代入数据得出。参考轧辊轻度数据，950轧辊的轧制强度，故以上孔型的应力小于，所以辊的强度能满足要求。3.5.3 800轧机校核选取腿部最深的孔型K4孔进行轧辊的强度校核第四孔强度校核计算同上，代入数据得：第4孔产生的应力，代入数据得出。参考轧辊轻度数据，800轧辊的轧制强度，故以上孔型的应力小于，所以辊的强度能满足要求。3.5.4 850轧机校核选取腿部最深的孔型K1孔进行轧辊的强度校核第

25、一孔强度校核计算同上，代入数据得：第1孔产生的应力，代入数据得出。参考轧辊轻度数据，850轧辊的轧制强度，故以上孔型的应力小于，所以辊的强度能满足要求。4 导卫装置设计不论任何断面的型钢轧制，几乎在所有孔型的入口和出口都要使用导卫装置。其目的是使轧件能按照所需要的状态进出孔型，来保证轧件按规定变形条件进行轧制。导卫装置通常包括横梁、导板、卫板、夹板、导板箱、托板等装置。4.1 横梁它是固定导卫装置用的，安装在机架上要求其必须保持水平，上下方向的位置要适当，横梁要具有足够的强度，而且还能在机架中固定牢固和装卸方便，导卫装置在横梁上固定也要保证牢固和装卸方便。4.2 卫板它是安装在出口方向的横梁上

26、，其作用是为了防止轧件出孔型时产生向上或向下的弯曲或缠辊。下卫板是安置在下横梁上，而上卫板通常采用弹簧或重锤吊挂在上横梁，但是此种结构较为复杂，且在承受“下压”较大时易使上横梁活动或产生弯曲，为此我们创造性改进卫板的设计，将卫板固定在导板上，并要保证卫板前端与轧槽接触部分与轧槽形状相适应。4.3 导板使用导板的目的是使在左右方向上保证轧件正而且直地进出孔型，在设计时要考虑入口和出口轧件形状不同，尽可能简化形状结构以便于加工，尽可能地减轻导板的重量以便装卸，尽可能便于调整固定和拆装，基于上述三条原则，我们将导板固定方式作了改进，固定导板用的长螺栓须从下部穿入并紧固，一方面在导板上钻如此长的孔在加

27、工时很困难，而且从使用角度看就显得非常不便于拆装和调整。在导卫装置图的绘制上，为节省人力、物力，简化繁琐的绘图过程，采用三维绘图软件（proe）对轧机的机架、轧辊、底座、横梁进行装配，根据装配图绘制导板和卫板，然后导出二维平面图的方法，因此，在保证了以上导卫装置设计的要求下提高了产品设计的效率，为新产品的开发节省了时间，降低了产品设计成本。例如在设计800轧机导卫装置中，先按照第三章计算数据绘制出轧辊、机架，（横梁尺寸按照攀钢原有轧机横梁数据绘制）按照要求装配出800轧机的装配图，然后根据装配图生成导板三维立体图，导出CAD图纸,如图4.1、4.2、4.3所示。图4.2 800轧机导卫装置配辊

28、图图4.1 800轧机三维配辊图图4.3 采用PROE对轧机进行装配的爆炸图结 语以攀钢轨梁厂现状为基础，根据国家标准（GB83001）对25#a工字钢的断面尺寸要求，结合攀钢轨梁的实际生产情况，完成了攀钢轨梁厂25#a工字钢的工艺设计和孔型开发，具体成果如下：(1) 完成了25#a工字钢从坯料选择到成品发货的系列工艺设计。并以此为依据对车间平面布置进行了优化。(2) 完成了25#a工字钢的延伸孔、成品孔的断面孔型设计、950轧机、800I架轧机，800II架轧机、850轧机相应的配辊图设计和导卫装置设计。(3) 采用万能孔型系统代替原有850两辊式轧机，使得产品尺寸精度更高，轧制速度控制更方

29、便，能较好的达到孔型系统要求的技术指标。(4) 在导卫装置的设置上采用PROE三维作图先对轧机机架、轧辊、底座、横梁进行装配，再根据装配好的装配图绘制出导卫装置，这样在保证产品质量的基础上可简化导卫装置的设计，节省人力、物力。(5) 完成25#a工字钢的轧制规程设计、各道轧制相应的力学参数计算，在此基础上对电机能力进行了校核，证明了轧制规程和孔型断面设计的合理性。参考文献1 张慧生，翁绳厚.国内外工槽钢生产技术及其发展J.轧钢.1994,6: 2 B.H.巴赫契诺夫.孔型设计M.北京：冶金工业出版社，19603 孙秉云 闰治国.25#热轧普型工字钢孔型设计与轧制J.包钢科技.2006,l:47-50 4 许云祥.型钢孔型设计M.北京:冶金工业出版社,19935 白光润.型钢孔型设计M.北京:冶金工业出版社,19956 曾富洪,周兰花.28#工字钢轧制工艺改进J.攀钢技术,1998,21,23-26 The design of 25# a I-steel