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1、河北联合大学本科生毕业设计开题报告题目： 年产90万吨棒材车间设计 学 院： 冶金与能源学院 专 业： 金属材料工程 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 2012年3月26日一、选题背景（含题目来源、应用性和先进性及发展前景等）1 题目的来源1.1 棒材的定义及其分类棒材是一种简单断面型材，一般是以直条状交货。棒材的品种按断面形状分为圆形、方形和六角形以及建筑用螺纹钢筋等几种，后者是周期断面型材，有时被称为带肋钢筋。棒材的断面形状最主要的还是圆形。国外通常认为，棒材的断面直径是 9300 mm。国内在生产时约定俗成地认定为：棒材车间的产品范围是断面直径为 1050 mm。棒材的断面形状简
2、单，比起线材一般断面大很多，因此散热慢，允许轧制时间长，头尾温差大的问题不突出，但上限产品容易压缩比不足。与其他热轧一样，为能轧制高尺寸精度的产品，必须保证加热均匀一致，轧机刚度尽可能的高，轧制中，做到冷却一致。轧制中还有磨损带来孔型的变化，影响轧制的持久稳定。棒材广泛用于建筑、机械、汽车、船舶等工业领域，其中70 %棒材用作建筑，其余用作各类轴、螺栓、螺母、锚链、弹簧等用材。因此钢铁工业的发展有着非常重要的意义。我国是一个发展中国家，住房尚需大量发展，建筑用钢的需求在很长一段时间内都将是很高的。另外随着人民生活水平的提高，相应汽车用钢的需求也会越来越多。除螺纹钢筋直接应用于建筑之外，有相当部
3、分加工成各种轴类零件。1.2 棒材生产发展史棒线材生产已有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。棒材轧制是所有轧材中最容易实现的品种，它可以有多种方式。从三辊横列式，到扭转二重式，从各种半连续式到全连续式，都能生产棒材，但其产量、尺寸精度、成材率、合格率却都大不一样。三辊轧机刚度低，加热温度的波动必然带来严重的产品尺寸波动，加上横列式速度慢、轧制时间长，导致轧件头、尾温差加大，容易尺寸不一致，并且性能不均，产量很低，质量波动很大，优质率极低。全
4、连续轧机一般采用平立交替，轧件无扭，事故少、产量高，可以实现了大规模的专业化生产和组织性能控制.同时轧机采用高刚度，控制自动化程度较高，使尺寸精度和合格率得到很大提高，尤其成材率提高，减少回炉炼钢的浪费。机械零件要求机加工性能良好，加工后为保证使用时的机械性能，还要进行淬火、正火或渗碳等热处理。有些产品还要进行镀层、喷漆、涂层等表面处理。作为建筑用材，提高尺寸精度和机械性能的均匀程度，可以节省大量钢材，同样对于加工轴类，也可减少车削，降低成本。棒材经过控轧控冷，也可提高使用性能，这在轧制过程可以通过工艺的控制来实现。而冶金工业是现代工业的重要组成部分。冶金工业为机械制造业提供优质的原料，机械工
5、业反过来才能为其它行业提供优良的机械装备。1.3 国内外棒材的现状及与国外的差距经过几十年的发展,中国目前已经成为棒材生产大国,与日本、瑞典相当,基本能满足国内市场的需求,并有少量出口。1.3.1 国外棒材生产现状近30年来，日本、美国、欧洲等合金结构钢的合金化与冶炼、压力加工工艺有了很大的发展，主要体现在微合金或合金化、二次精练与连铸、控轧控冷等方面。从1970年开始，炼钢工艺的变化主要为：铁水预处理以降低钢水中磷、硫和硅的含量，钢包精练加钙脱硫以提高DWTT和夏比冲击能。由于铁水预处理及炉外精练技术的发展与日益成熟，使得转炉流程在特殊钢生产方面发挥了重要作用。目前合金结构钢中小型棒材趋于向
6、高速化、连续化和自动化的方向发展。国外生产合金结构钢中小型轧机有三种类型：第一种是横列式或多列式轧机；第二种是采用活套式无张力轧制的瑞典式轧机；第三种是连续式轧机。全球钢材市场竞争十分激烈形势下， 钢铁企业要想在市场竞争中处于不败之地，谁有最低的成本，谁有最好的质量，谁就有了制胜的法宝。在运用新技术、新方法来实现对标挖潜、降本增效、提高产品质量方面，轧钢生产企业在进行大量的投资改造中。如何在现有工艺基础上走出利用最少投资， 取得最大效益的新路子是目前所有钢材生产企业面临的难题。1.3.2 国内棒材生产现状目前，我国特殊钢企业在激烈的市场竞争中处于艰难发展时期。特钢企业发展困难主要是由于电炉冶炼
7、成本高、废钢资源紧张生产效率低及市场秩序混乱等原因。2003年我国特钢企业钢材年产量约3000万t，占全国钢总量的1820 %，其中高合金比约5 %。在特殊钢型材品种上80 mm以上的大型材占22.53%，3880 mm中型材占38.1 %，1037 mm小型材占33.09%，10 mm以下的型材占6.28 %。国内外市场对棒材的需求量是巨大的，且对其质量要求也越来越高。棒材广泛用于机械、汽车、船舶、建筑等工业领域。有的直接用于混凝土中，有的可通过二次加工来制作各种轴、齿轮、螺栓、螺母、锚链、弹簧等。我国是一个发展中国家，住房尚需大量发展3。建筑用钢的需求在很长一段时间内都将是很高的；另外随着
8、人民生活水平的提高，家庭汽车成为人们追求的目标，相应汽车用钢的需求也会越来越大。棒材有着广阔的发展空间，所以设计现代化的棒材车间是十分必要的。尽管近年来棒材质量较80年代有了新的发展与提高，但发展还是极不平衡的。小型棒材一直是我国消费量最大的钢材品种，并且一直以较高速度增长，近20 年来, 小型棒材产量占钢材的总产量的23.527.7 %。国际国内棒材市场竞争非常激烈，为了领先于其他竞争对手，获得有利地位，钢材生产厂必须在保证良好产品质量的同时，降低生产成本。我国棒材的总产量在钢材总量中的比例超过40 ，在世界上是最高的。这是国内经济建设所决定，我国过去底子薄、经济落后，基础建设任务重，必然在
9、一定阶段，对建筑用棒材和机械加工用棒材需求较大。随着现代化建设程度的逐渐提高，棒、线材在钢材总量中的比例将会逐步降低，但总量还会增加。而造成这一现状的主要原因之一我国轧钢设备与国外存在着一定的差距。尤其是轧制棒材材的中小型轧机。轧机刚度决定轧材的尺寸精度，而对称调整则改善轧钢工的劳动条件，减小工艺事故，提高轴承寿命，提高成差率和作业率。我们的综合实力不比国外差，部分引进生产线在管理、装备、技术经济指标都优于国外企业，竞争力是非常明显的。2 应用性和先进性2.1 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
10、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。2. 2 调整品种结构及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
11、 % ,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。2. 3 积极增加级钢筋的产量级钢筋是指强度为400 MPa 的带肋钢筋,在一般钢筋混凝土结构工程中使用级钢筋,与级钢筋相比,可节约钢材12 %14 % ,可增加建筑物安全储备,有显著的社会经济效益。而且级钢筋由于碳当量低,焊接方便,焊接性能好。强屈比不小于1. 26 ,适于抗震,有利于地震区建筑物使用。国家已将级钢筋作为推广项目,而目前我国级钢筋只占全部钢筋产量的4 %左右,远远满足不了市场需要。因此应大力发展级钢筋的生产。2. 4 积极引进和
12、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,尽快国棒材生产中通过不断尝试各种节能降耗和提高产品质量的方式、方法，探索出了许多值得学习的经验和取得了很好的经济效益和社会效益是非常重要的。当采用常规冷装炉加热轧制工艺时，为了保证坯料全长的质量，对一般钢材可采用目视检查，手工清理的方法。对质量要求严格的钢材，则采用超声波探伤、磁粉或磁力线探伤等进行检查和清理，必要时进行全面的表面修磨。棒材产品轧后还可以探伤和检查，表面缺陷还可以清理。采用连铸坯热装炉或直接轧制工
13、艺时，必须保证无缺陷高温铸坯的生产。对于有缺陷的铸坯，可进行在线热检测和热清理，或通过检测将其剔除，形成落地冷坯，进行人工清理后，再进入常规工艺轧制生产。钢铁企业要想在市场竞争中处于不败之地，谁有最低的成本，谁有最好的质量，谁就有了制胜的法宝。在运用新技术、新方法来实现对标挖潜、降本增效、提高产品质量方面，轧钢生产企业在进行大量的投资改造中。如何在现有工艺基础上走出利用最少投资， 取得最大效益的新路子是目前所有钢材生产企业面临的难题。些车间为扩大产品上限，有时也选两种坯料，这时粗轧第一架的能力要加大，同时设备作业率降低。一个车间最好一个坯料规格，这样轧机有最大的利用率。连铸可以明显节能、提高产
14、品质量和收得率，有巨大的经济效益，这已经在普通钢种上得到广泛应用，也正在向高档钢材和特殊钢种的生产迅速扩大。对机械结构用钢，由于中心偏析和延伸比等问题，连铸质量较难保证，由于电磁搅拌、低温铸造等技术的显著进步，使这些钢种也可以采用连铸进行生产。要达到主体设备立足国产化目的，需要几家国内企业的合作，其中包括机械、液压设备制造、电气及自动化控制等。横列式轧机的经营成本最高、效益最差; 国产化的半连轧、连轧生产线的成本较低、效益较好。近几年全国产化生产线的投产，标志着我国的连轧棒材装备与技术基本上达到国际先进水平。我国地域广大, 经济发展不平衡, 对产品需求的档次不同。根据这一国情及市场要求棒、线材
15、生产现代化应分阶段向前推进。我国主要应走改造、挖潜、更新之路少铺新摊子。改造、更新是永无止境的。每一阶段的改造、更新, 都应以质量、经济效益为出发点和落脚点; 同时, 要不断提高技术装备水平, 从工艺合理、经营管理得当、职工素质过硬、设备先进实用等因素综合考虑, 以获得最佳效果。在保证质量的前提下, 不断地降低建设和生产成本永远是轧钢工作者的主题。应不断开发国产技术并保证其先进、实用、可靠。同时, 随着市场需求及国内制造水平的提高, 要不断提高档次, 并注意吸收国外先进技术。3 棒材市场与发展前景分析随着我国加入WTO后国内外市场的逐渐放宽，我国机加工行业将会进一步扩大生产，加大出口，对上游大
16、规格棒材原料的需求也将进一步扩大。针对目前大规格棒材市场的良好表现及对未来市场的乐观预计，国内多家钢铁企业已经开始着手新的大棒材生产线的建设，相信未来l0年内国内大棒材企业将迎来一次大的技术革新，而这对于增强我国钢铁企业的国际竞争力也相当重要。由于棒的用途广泛，因此市场对它们的质量要求也是多种多样的，根据不同的用途，对力学强度、冷加工性能、热加工性能、易切削性能和耐磨耗性能等也各有所偏重。总的要求是：提高内部质量，根据深加工的种类，材料本身应具有合适的性能，以减少深加工工序，提高最终产品的使用性能。用作建筑材料的螺纹钢筋，主要是要保证化学成分并具有良好可焊性，要求物理性能均匀、稳定，以利于冷弯
17、，并有一定的耐蚀性。从整个市场来看，与市场竞争激烈的小规格圆钢相比，大规格棒材一直保持较高的价位。从规格上来说，规格越大的棒材价格越高。一般大规格圆钢的价格比同钢号的小规格圆钢价格都要高100元左右。不同的市场，在产品规格上的价格分布也有所不同。各钢厂的产品在各市场的价格也不一样，这主要是由于运费、成本和质量的不同所造成的。其中，过去老特钢企业，如大冶特钢、西宁特钢和长城特钢等企业的产品价格比较高，而新进入特钢行业的一些普钢企业，如石家庄钢厂、承德钢厂和莱芜钢厂的产品价格较低，对市场有一定的冲击。从钢种上来看，不同钢种的价格差距较大。有些普通钢种每吨只能卖到3 000多元，而像工具钢和模具钢一
18、类的高档大棒材每吨则要卖到几万、十几万元，甚至更高。另外，由于工艺的不同，有的钢厂用的电炉一模铸，有的采用转炉一连铸，它们之间的价格差距也比较大。用模铸制造的产品比连铸的产品价格要高800元以上，一般钢种都是以热轧状态交货，而一些精整和热处理后交货的产品比普通热轧材的价格要高出许多。以轴承钢为例，相同牌号和规格的轴承钢，退火材比热轧材价格要高出900元t以上。对于像工具钢和模具钢一类的高端大棒材而言，市场需求比较小，全国年需求量才30多万吨，但其价格非常高，利润相当可观。而国内只有少数的特钢企业才能生产，数量也非常少。尽管目前很多最终用户利用其他钢种代替一部分，但从质量上来说，远没有工具钢和模
19、具钢好。对于大型的机加工企业来说，对这部分钢种的需求也呈增长趋势。很多高端钢种国内还生产不了，只能从国外进口。而这些特殊钢种大多只能用电炉冶炼，利用模铸开坯才能达到用户需求。市场上很多最终用户对于像轴承钢、工具钢和模具钢一类的产品都要求采用模铸生产。这部分产品的市场需求量相比一般优质钢要小，但其价格和利润比一般钢种要高得多。随着国内机加工产品出口的增长，对于这部分高端钢种的需求也将进一步扩大。总体来说，现在国内大规格圆钢的市场是供不应求，随着国内经济的持续发展，预计这种需求还将继续增长。二、设计方案（含设计主要内容、方法手段及预期达到的目标等）1 棒材产品特征1) 在满足用户需求方面，针对用户
20、的不同要求，提供所有产业用原材料。2) 在等级高的领域，比如汽车的发动机驱动系统悬挂系统的重要安全部件，对棒材有多种性能要求。3) 中间产品很少作为热轧材料使用，一般经过锻造热处理机械加工等二次三次加工而成最终产品。4) 最终产品是具有国际竞争力的产品。5) 近年来全球范围内都在寻求通过产品的生活圈循环，改善环保状况。2 设计主要内容1) 收集有关资料，了解棒材的国内外生产现状与前景，所建厂产品范围，应用领域，产品范围和产品规格，建厂经济依据；2) 典型产品总延伸计算，道次选择，轧机布置选择比较；3) 压下分配，轧制规程计算，温降计算，轧制力计算，并绘制轧制图表，年产量计算；4) 孔型设计，电
21、力校核，轧辊计算强度校核；5) 辅助设备选择：加热炉形式选择，空冷机、剪切机选择；6) 金属平衡、燃料消耗计算，环境保护与综合利用的规划；7) 绘制工艺平面图。8) 分析设计可行性及介绍本设计特点。3 方法手段3.1 生产工艺流程图工艺流程是：原料准备称重测长加热粗轧机组倍尺剪穿水冷却中轧机组精轧机组冷床冷却定尺剪棒材打捆成品入库。3.2 轧机设备一般配有倍尺剪切飞剪、齿条式步进冷床。在冷床后设置在线矫直机和定尺剪切飞剪。也可采用普通的吨位较大的冷剪机，但应配置定尺机。连铸坯热送热装、无头轧制、切分轧制、低温轧制、温控轧制、余热淬火+ 热芯回火轧后余热处理、高精度轧制、在线多条矫直和飞剪定尺剪
22、切；具备了大家所熟知的各种装备，这一切是构成现代小型棒材车间的基本要素。不同企业可以根据自己的不同要求和资金情况而决定取舍何种装备和技术。3.2.1 加热炉一般均为步进式加热炉（步进底式、步进梁式、步进梁底混合式），尤以步进梁式加热炉最佳。燃料一般为煤气（高炉煤气、焦炉煤气、转炉回收煤气及混合煤气）、天然气和重油。近年来，为进一步节能和提高燃烧效率，有采用蓄热式换向预热空气和高炉煤气的趋势，其空气预热温度可达1000摄氏度左右，节能效果非常明显。此外，有条件的还采用了连铸坯热送热装。3.2.2 轧钢机一般为18架或20架机架组成。分粗、中、精轧三组，都是平+ 立交替布置无扭式轧制的全连续布置。
23、粗轧机架的型式为闭口式，悬臂式和短应力线式各有千秋。但出成品的中轧机和精轧机组几乎都是短应力线式轧机，这是因为短力线轧机具有轧制线固定，可平+立倾翻机架，机架可整体更换等特点。粗、中、精轧三组机组之间配置三台飞剪，精轧机组配置无张力轧制的活套。3.2.3 控冷控轧设备一般在粗轧机后配有水冷淬火装置，以实现棒材轧后余热淬火+ 热芯回火的处理。此外，有的在最后两架精轧机之间拉开一定的距离，设置一定长度的水冷段，以实现低温轧制或温控轧制，以获得超细晶粒组织。3.2.4 高精度轧制设备有的车间在棒材精轧机后安装三个机架的定径机，以生产超精密特殊质量的棒材，用来满足紧固件和汽车工业的需要。3.2.5 无
24、头轧制目前新建或已建的现代化小型棒材轧钢车间为提高轧机的作业率和金属收得率，都采用无头焊接轧制工艺，一般在加热炉出口（或粗轧机组后）采用闪光焊将进入头架粗轧机的钢坯尾部对接到下一根出炉钢坯的头部上，实现无限连续的无头轧制。为此，在车间工艺布置时，对加热炉与头一架粗轧机之间要留出EWR无头焊接设备所需要的空间，以便安装或预留该设备。3.2.6 电气传动和控制一般普遍采用直流电机单独传动，也可采用全数字矢量控制的交交变频控制的交流电机传动，更能节能和减少对电机的维护。粗中轧采用微张力控制和精轧为无张力活套控制，全车间采用微机控制与管理。4 研究方法1) 收集棒材车间设计相关资料，查阅文献，确定棒材
25、车间的生产规模、品种，；生产方案、建厂地址及厂区范围，资源利用状况、各种材料供应、运输等要求，需要达到的技术水平，经济及社会效益，环保要求等。2) 参考相关的标准和手册，参考相关书籍和指导老师意见，从中汲取经验和思路，进一步搜集做好相关记录，通过文献分析法、文本细读法、比较法综合分析法等确定并形成毕业设计内容及进度计划。3) 根据现场实习并进行设备、工艺分析，工艺设计与设备选择，工艺参数计算，计算机软件绘图，完成毕业设计任务。5 设计要达到的目标1) 进一步巩固，加深对所学基本理论、基本技能和专业知识的掌握，使之系统化、综合化。2) 初步掌握科学研究的基本方法和能力。包括调查研究、查阅文献和搜
26、集资料的能力，理论分析和制定设计方案的能力，设计计算和制图的能力等。3) 树立严谨、负责、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、敢于创新的科学研究精神；养成善于与他人合作的工作作风；培养独立思考，独立获取知识以及综合运用已学知识解决实际问题的能力。4) 设计高效环保的连轧棒材车间，采用先进的工艺和技术，设计并绘制出车间工艺平面图；三、进度安排1. 第35周：了解棒材的国内外生产现状与前景，所建厂产品范围，应用领域，产品范围和产品规格，建厂经济依据；确定大概研究方向，并开始着手于相关数据及其文献收集及翻译；并撰写文献综述。2. 第6周：收集与本设计相关的基本数据和理论，完成毕业设计开题报告。3. 第79
27、周：查阅相关文献和数据，进行典型产品总延伸计算，道次选择，轧机布置选择比较；完善各个设计中遇到的问题并不断将前期的构思实现，进行压下分配，轧制规程计算，温降计算，轧制力计算，并绘制轧制图表。4. 第10周：年产量计算及孔型设计，电力校核，轧辊计算强度校核，进一步确定论文草稿。5. 第1114周：对辅助设备选择及金属综合利用规划，CAD绘图，撰写毕业设计说明书、摘要并译文。6. 第15周：完成毕业设计任务，根据指导老师的意见最终定稿，回忆和整理整个过程的思路和心得，准备毕业答辩。四、参考文献（外文参考文献不少于2篇）1 崔艳. 国内棒材生产线生产工艺及设备综述J. 重型机械科技. 2004.1
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