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1、型材生产及孔型设计,第一篇 型材生产,内 容 提 要,型材分类及特征型材的生产方法型材轧机的布置形式型材轧机及发展型材生产新技术,生产工艺概念及型材的一般生产工艺流程生产工艺分析,型材的概念,经过塑性加工成型，具有一定断面形状和尺寸的实心金属材,我国的型材,钢铁的生产数量和技术水平是一个国家国民经济实力的重要标志，是农业、工业、国防和科学技术现代化的基础。在金属材生产中，型材占有非常重要的地位。目前，世界上工业发达国家轧制型材总产量约占轧材总产量的1/3。中国型材工业化轧制经过百年发展，已经有一些企业拥有了代表国际先进水平的设备和工艺，产品质量也达到了国际先进水平，型材总产量逐年增加，约占钢材
2、总产量的50。广泛用于国民经济的各个部门，如：机械、金属结构、桥梁建筑、汽车、铁路、车辆制造和船舶制造的行业，在国民经济中占有不可替代的地位。,1概述,第一章 型钢生产,1.1 型材的分类及特征,热轧型材是最主要的生产方式，可生产大多数断面的型材冷轧成型用于生产高精度型材，产品的机械性能和表面质量好，产品精度和表面光洁度高,1.1 型材的分类及特征,概述,1.1 型材的分类及特征,1.1 型材的分类及特征,1.1 型材的分类及特征,冷拔（或挤压）是将坯料经一系列模孔拉拔（或挤压）成型材,1.1 型材的分类及特征,2.按断面尺寸和单位长度的重量,轨梁材：3875kg/m的重轨、2463工字钢、直
3、径90350mm圆钢大型材：直径大于100mm圆钢、边长大于100mm的方钢、3375kg/m钢轨、2063号工字钢和1840号槽钢中型材：直径50150mm圆钢、830kg/m轻轨、1018号工字钢和820号槽钢、816角钢小型材：直径965mm圆钢、58工字钢和槽钢、28角钢线材：直径为513mm。,1.1 型材的分类及特征,3.按使用部门,铁路用型材,汽车用型材,造船用型材,结构建筑用型材,矿山用型材,机械制造用异型材,4.对热轧型材按断面形状不同主要可以分为：,1.简单断面型钢,2.复杂断面型钢,3.周期断面型钢,定义,横截面没有明显的凹凸分枝，外形比较简单对称，包括方、圆、扁、六角、
4、角钢常见的见下表：,表1.1 热轧型材的断面形状、尺寸规格及主要用途,2.复杂断面型钢,定 义：,横断面由两个及以上简单几何形状组成的，具有长而薄的翼缘的型钢,生产特点：,如槽钢、工字钢、钢轨等，其断面形状复杂，各部分之间的断面形状差异很大，首先，给孔型设计带来困难；在热轧成型过程中，各个部分变形严重不均匀，表现在孔型各个部位的轧制速度不同，各个部分受力条件不同以及在时间上的不同时性等，这种严重的不均匀变形导致轧件在孔型中变形的复杂化，对轧件的质量，轧辊磨损，轧前能耗以及导致安装和调试工作带来很多不利的影响。精整困难：复杂断面型钢在轧后自然冷却过程中，断面各个部分的金属冷却条件不同，引起部分金
5、属温度不同，造成冷却收缩不均匀，这样就会使冷却后的型钢发生弯曲或者扭转，造成轧件内部组织性能的不均匀和，给后续精整带来困难，并导致成材率的降低。,按断面形状分类：,按照用途复杂断面型钢可分为5类,机械工业用的,1.印刷机，打印机零件,2.风动工具零件,3.石油机械零件,4.采矿机械零件,5.粮食加工机械零件,6.农业机械零件,10.医疗、造纸机械零件,7.汽车零件,8.轴承零件,9.机床零件,12.刀具,11.传动零件,纺织工业用的,1.各类缝纫机零件,2.纺织机零件,仪表工业用的,1.刃具,2.号码机，调节器零件,3.无线电构件,4.电讯仪表零件,5.放映机，录音机元件,电机制造业用的,1.
6、涡轮机叶片：动叶片和静叶片,2.电机元件,3.垫圈,建筑结构用钢,1.民用钢窗,2.船舰用钢窗,常见热轧型钢,3.周期断面型钢,定 义,断面尺寸沿轧材纵轴方向是周期变化,分 类,带肋钢筋，弯断面轴，弯断面扁钢和机械零件用断面轧件,生产特点,主要用纵轧、斜轧、横轧或楔横轧方式生产,概述,产品,生产方法,1.2 型钢的生产方法,轧制法,采用适当的原材料，在初轧机，钢坯连轧机和各种型钢轧机上通过不同形状孔型轧制成众多简单断面和复杂断面的型钢.,定义,特点,生产规模大，生产效率高，能耗少和成本低等优点，是生产型钢的主要方法,弯曲成型法,用钢板或钢带，通过多对具有不同形状是旋转的轧辊使轧件承受弯曲变形获
7、得所需形状的钢材，这种生产方法成为弯曲成型,用弯曲型钢代替普通热型钢可以减轻结构的重量，较少制造工作量并节约大量金属。广泛用于汽车,车辆,造船,农具,航空和自行车等,焊接成型法,将中厚板或带钢焊接成型的方法,可以生产特大断面型钢，多用于H型钢。用焊接法生产型钢可以节约金属随着钢板生产的发展，焊接型钢的比例也将提高,定义,定义,特点,特点,锻压成型法,定义,特点,原料在锻锤往复冲击力或在压力机的压力下成型的钢材,典型的有圆棒材,饼材,弯断面和异形断面型钢，如：连杆，螺旋桨和涡轮叶片,先热轧成型，并留有加工余量，后经酸洗、碱洗、水洗、涂润滑剂、冷拔（轧）成材，可生产高精度型材，产品机械性能和表面质
8、量均高于一般热轧型材。热冷弯成型法是以热轧或冷轧板带为原料，使其通过带有一定槽形而又回转的轧辊，使板带钢承受横向弯曲变形而获得所需断面形状的型材。,轧制生产的常规方法,概述,在一般二辊或三辊轧机上进行轧制，孔型由两个或三个轧辊的轧槽所组成，可生产一般简单、异型和周期断面型材。,1.普通轧法,2.多辊轧法,孔型由三个以上轧辊轧槽组成，减小了闭口槽的不利影响，可轧出凸缘内外侧平行的经济断面型材，轧制精度高，轧辊磨损、能耗、轧件残余应力均减少，常用于角、槽、丁、H型钢的生产。,3.热弯轧法,将坯料轧成扁带或接近成品断面的形状，然后在后继孔型中趁热弯曲成型，可轧制一般方法得不到的弯折断面型钢。,4.热
9、轧纵剖轧法,将较难轧的非对称断面产品先设计成对称断面，或将小断面产品设计成并联形式的大断面产品，以提高轧机生产能力，然后在轧机上或冷却后用圆盘剪进行纵剖。,5.热轧冷拔（轧）法,型钢轧机的布置形式（生产方案）,横列式,定义,轧机横向排布成一列。现在很少用到，不少开坯机也采用横列式分布,特点,a：同一列轧机一般由一台电动机驱动,b：轧机结构一般为三辊或者两辊交替式轧机,c：轧机操作方式多为穿梭轧制，小规格产品采用活套轧制,d：轧机设备（包括电器）比较简单，投资少，建厂快,顺列式,定义,按轧机方向顺序排列成一行，轧件在每架轧机上轧一道,特点,a：每台轧机单独驱动，因而各架轧机具有不同的轧制速度,b
10、：与横列式相比较，具有间隙时间短，速度快，生产效率高，辅助设备少,c：机架间距大，厂房长，只适用于生产大型钢材，机架数目多，投资大,棋盘式,定义,特点,介于横列式和顺列式之间。,前几架轧机较短用顺列式，后几架精轧机布置成两横列式，各轧机相互错开，两列轧辊转向相反，轧机布置紧凑，适用于中小型钢生产,这是顺列式轧机分布的缺点,概述,半连续式,定义,特点,它介于连轧和其他形式轧制之间，通常用于轧制合金钢。,a.一种初轧为连续，精轧为横列式；,b.另一种初轧为横列式或其他型式，精轧为连续式,连续式,定义,特点,轧机纵向紧密排列成连轧机组,a.可用单独传动或集中传动,b.每架只轧一道，一根轧件可在数机架
11、内同时轧制，各机 架遵循秒流量相等原则,c.轧制速度快，产量高，轧机紧密排列，间隙时间短，轧件温度小，轧件温度比较均匀，钢材性能好,d.机械、电气设备较为复杂，投资大，且品种比较单一,连续式分布的缺点,c.复二重式,1.3 型钢轧机,1.型钢轧机的分类,按用途,初轧开坯机,成品轧机,按轧辊平均工作直径命名,按人字齿轮节圆直径命名,按成品轧机尺寸大小分,轧机的发展方向,1.采用平立交替轧机代替全水平轧机的连续式或半连续式，提高轧制速度，提高生产效率，取消移钢和横移装置，避免了钢的扭转2.加大坯料尺寸，尤其是长度，增加机架数量，采用步进加热炉3.增加轧机刚度，提高轧制精度，采用闭口机架、预应力轧机
12、、短应力线轧机等。采用快速换辊4.采用计算机自动控制，提高产品精度5.采用无接触在线检测装置，为自动控制及调整提供数据，如激光测径仪、磁力探伤仪6.生产趋向专业化,1.4 型钢生产新技术,1.采用连铸异型坯及连铸坯直接热装轧制（CC-DHCR）近终形连铸热装轧制2.在线控制、冷却和余热淬火 目的：在不明显增加生产成本的前提下，提高钢材使用性能和精度 重轨的余热淬火、H型钢的控制冷却3.长尺冷却和长尺矫直 优点：提高平直度、减少矫直盲区、提高成品定尺率4.采用计算机自动控制，提高产品精度5.用万能轧机生产经济断面材（H型钢、板桩钢）6.无孔型轧制7.切分轧制,内 容 提 要,型材分类及特征型材的
13、生产方法型材轧机的布置形式型材轧机及发展型材生产新技术,生产工艺概念及型材的一般生产工艺流程生产工艺分析,2 型钢生产工艺分析,生产工艺的概念,把不同化学成分的钢锭（或钢坯）轧成有一定断面形状和尺寸的钢材所经过的各种加工工序的总和称为“轧钢生产工艺”,型钢生产工艺流程,坯料的准备,加热,轧制,切断,冷却,矫直,检查、清理,打捆入库,2.1 坯料的准备,一.坯料的种类,钢锭,钢锭是炼钢的最终产品。选用钢锭作为原料，因成材率低，产品质量不易保证，现已逐渐被淘汰,钢坯,钢坯是型钢生产的常用原料，由钢锭轧成钢坯。质量好，但是成材率低，逐步被连铸坯代替,连铸坯,是由钢水经连铸机直接铸造成的钢坯，由于连铸
14、钢坯工艺大大简化了从钢水到钢坯的生产过程，省去了初轧阶段，因此金属收得率高，产品成本低，基建投资和生产费用少，节约能源，劳动定额少和劳动条件好等优点。不足为，小规格连铸坯不易生产，总压缩比相对偏小，有些钢种不易生产,对于小型钢最早：60mm60mm90mm90mm，原因：断面小，可减少轧制道次，投资少，但连轧坯质量不易控制目前：普碳钢：130mm130mm150mm150mm，甚至160mm160mm，坯重1.52.0t，甚至2.53.0t合金钢：140mm140mm240mm240mm，以160mm160mm 200mm200mm用得最多,一.坯料的种类,二.对原料的要求,意义,正确选择型钢
15、生产用坯料，对生产具有重要意义。坯料选择合理不仅可以保证钢材质量，而且可以充分发挥轧机的生产能力，提高轧制质量，降低金属消耗,基本要求,钢种,化学成分,外形尺寸,坯料质量,表面状况,断面形状,尺寸大小,表面缺陷,经过加热和轧制后，小部分可能已经得到改善或消除，但是大部分缺陷不仅不能消除，反而会扩展成为更加严重的缺陷，甚至使轧件成为次品或废品，从而使成材率降低,内部质量,钢坯内部组织肉眼可见的缩孔，分层，气泡，白点。对于优质碳素钢和碳素钢、轴承钢、冷镦钢与合金钢种，根据需求，检查脱炭层的厚度，钢中的非金属夹杂物含量及程度大小等,常见的表面缺陷,纵向或横向裂纹，结疤，起皮，表面夹杂，表面气孔，皮下
16、气孔及气泡，飞翅，翻皮，波形面，压痕,二.对原料的要求,三.坯料的检查与清理（对于优质碳素结构钢和特殊钢（如不锈钢、阀门钢）,检测的意义,为了确保型材的质量和生产顺利进行，在投料前，对钢坯进行质量检查，及时发现原料缺陷,检查的内容,对钢的外形尺寸和表面缺陷的检查，有些品种内部缺陷也进行检查,常用检测方法,目视检测,最常用也是最经济的方法。靠人工对钢的牌号，批号，外形，表面缺陷进行检查，不足之处在于可靠性略差，且引人而异,磁感应检测,它主要用于检查钢坯表面及表层的缺陷。电磁感应探伤的方法较多。如荧光粉磁粉探伤法（钢坯探伤），涡流探伤法（成品探伤），电磁探伤法（成品）,超声波探伤法,它主要用于检验
17、钢坯的内部缺陷。,提高钢材合格率，保证钢材质量的重要措施,经检验的钢坯存在不允许又或超过限定的缺陷时，必须进行清理，消除缺陷,清理,清理方法,为何有些钢要酸洗？,加热的目的,a.提高金属塑性,b.降低变形抗力,c.消除铸造的组织缺陷和应力,加热的要求,a.合金温度应满足轧制工艺要求,b.在坯料的断面上和长度方向上温度均匀,c.减少金属的氧化和脱碳，防止产生过热和过烧,d.加热产生良好的技术经济指标,e.加热产生发生的事故少，寿命长,加热工艺制度,a.入炉温度,b.加热温度,c.出炉温度,d.加热时间,e.加热速度,f.加热曲线,小型连轧 P78 中型型钢 P62,2.2 加热,温度的确定,考虑
18、的因素,a.钢锭组织缺陷对加热的影响,b.终轧温度对加热温度的影响,c.加热温度对钢的氧化和脱碳的影响,d.坯料断面尺寸大小和轧制道次多少对加热温度的影响,e.轧制速度高低对加热温度的影响,f.轧制工艺特点（连轧，横列式）对加热温度的影响,g.节省能源对加热温度的影响,小型连轧 P78 中型型钢 P62,根据钢的化学成分和钢在加热过程中的组织变化，碳钢最合适的加热温度范围是单相奥氏体区,Fe-C相图,各类钢的加热温度,为什么要尽可能提高入炉温度？,下限：亚共析钢（C0.77%）:在JE线以下50100，破碎碳化物，防止石墨析出,上限:NJE以下100150，防止过烧,加热速度,加热的快慢，以钢
19、温在单位时间内变化的度数表示,从提高加热炉产量出发：加热速度愈快，炉子产量愈高从保证钢的加热质量出发：加热速度愈慢，钢温愈均,不同加热阶段，加热速度不同：,预热段、,加热段、,均热段,与钢种的化学成分、坯料的厚薄与几何形状复杂程度有关：,受炉子构造、供热能力和加热条件的限制,加热时间,tC H,t 为加热时间，minH 方坯高或圆坯直径，mm,t=(7+0.05H),C加热单位金属高度所需时间系数系数,C,0.10.15 低碳钢和低合金钢,0.30.4 中碳钢和一般高碳合金结构钢,小型连轧 P107,钢在连续式加热炉中加热时间,H 方坯高或圆坯直径，mm,钢的加热还与加（受）热面有关，还有数更
20、精确的公式,连铸坯的热装热送工艺,类型,1.直接轧制,连铸机生产的高温连铸坯切割后立即送入轧钢加热炉，装炉温度不低于9501000，钢坯在加热炉内仅均热。,特点,条件,连铸和轧钢紧凑布置；加热炉内有一定的钢坯缓冲能力；要连铸和轧钢小时生产能力相匹配，轧机能力等于连铸能力,2.高温热装,特点,条件,连铸坯的装炉温度约为Ar3900.,轧钢车间紧邻连铸车间布置；连铸机与轧机的小时生产能力匹配要求低，连铸机和轧机之间没有加热炉,3.低温热装,特点,条件,有两种类型：一，装炉温度为Ar1Ar3；二，装炉温度为400 Ar1.一般装炉温度较低称为温装,连铸车间距离较远，热连铸坯需用保温车运送到轧钢车间,
21、热装热送的条件,a.可生产无缺陷的连铸坯,b.连铸机和轧机生产能力匹配得当,c.轧机车间应尽可能的接近连铸车间，并且具有连铸坯热送条件,d.炼钢铸铁和轧钢工序应统一调度相互协调,e.轧钢车间应有一座冷、热连轧铸坯均可加热的加热炉，其燃烧系统调节灵活，能适应轧机小时生产量的波动和经常型的冷、热坯交替热炉情况,热装热送的优点,a.利用连铸坯的物理热，降低能耗,b.提高成材率，减少金属能耗,c.简化了生产工艺流程，节约了生产费用,d.采用无缺陷铸坯轧制，提高了质量,e.节约了厂房面积和劳动力,f.设计合理的孔型，采用尽可能多的共用孔型，以减少换辊次数,g.设置完善的计算机系统，以控制与协调连铸机与轧
22、机之间生产能力匹配,型钢生产理论与工艺P231(234),典型热装送工艺,正常热装、,间接热装、,冷装、,混和热装、,延迟热装,轧制速度,主要讲述三个问题：轧制速度、轧制温度（控制）、导卫装置,轧制过程中各道次的轧辊线速度，即轧辊与金属接触处（工作辊径处）的轧辊圆周速度。轧制速度对产量有直接影响，在其他条件相同的条件下，轧制速度（最后一机架）越快，产量越高,影响因素,a.咬入条件,b.电机能力,c.轧制方案（如横列式、连续式不同）,d.设备条件,2.3 轧制,小型连轧机终轧速度一般可达18m/s。不同品种的轧制速度不同，轧制尺寸越大，轧制速度越低；轧制尺寸越小，轧制速度越高。其第一架轧机的轧制
23、速度不低于0.1m/s，以免轧件与轧辊接触时间过长而使表面龟裂。,一般而言，普碳钢或低合金钢速度偏高，合金钢速度偏低,轧制温度,开轧温度：第一道次钢的轧制温度。一般比加热温度低50100 T，塑性好，强度，轧制力，但能耗高，轧制质量，表面质量 目前，采用低的开轧温度，同时采用控制轧制。采用低开轧温度可降低能耗，改善轧制质量。且在连轧机上轧时，因轧制速度高，还可能出现升温,终轧温度：终轧道次或终轧阶段的轧件温度。由轧件性能要求、设备能力及材料塑性等 条件确定 T终过低，变形抗力高，塑性差，尺寸易超差和出耳子、折叠等缺陷 T终过高，钢的实际晶粒尺寸增大，降低钢的力学性能，同时影响钢的显微组织，如生
24、成碳化物带状组织等,一般，亚共析钢的终轧温度应高于Ac3线50100，以防生成带状微组织；采用控轧工艺，终轧不仅仅在Ac3以下，甚至在Ar1以下轧制 过共析钢的终轧温度一般在AcmA1间。若温度过高，冷却后会形成网状碳化物，温度过低则有较多的带状碳化物析出。还需考虑钢种与产品形状与大小，如为保证高速钢有足够的塑性，其终轧温度应在900 以上；无相变的铁素体不锈钢Cr25终轧温度应为750800，以保证晶粒细小。,控制轧制,控制轧制,a.再结晶型：在奥氏体再结晶区轧制,b.未再结晶型：在奥氏体未再结晶区轧制,c.两相区轧制：在奥氏体未再结晶区及铁素体区轧制,为实现控制轧制，需在轧制线上设置冷却装
25、置，如图 控制轧制可生产具有细晶粒，强韧性组合好的钢材，还可用简化或取消热处理工序，还可用于开发新产品，如双相钢等,导卫装置,导卫装置：安装在轧辊孔型入口和出口处，控制轧件使其顺利正确进入和离开孔型的引导装置。主要包括：导板梁、导板、卫板、夹板、导板箱、托板、扭转导板、扭转辊、扭转管、围盘和导管等 导板：控制轧件，不使其左右歪扭的装置，导板间距略大于入口轧件尺寸 卫板：控制轧件，不使其上下弯曲的装置，卫板应紧贴辊面，比辊面略低，上下卫板距离大于轧出轧件高度,作用,a.正确将轧件导入轧辊孔型，保证轧件稳定变形，并获得要求形状和尺寸,b.顺利、正确地将轧件从孔型中导出，防止缠辊,c.控制或强制轧件
26、扭转或弯曲变形，并按一定方向运动,轧件从终轧温度冷却到常温的过程称为轧后冷却，轧后冷却与钢种、断面形状和大小有关。,2.4 冷却,冷却方式,a.自然冷却,b.强制（快速）冷却,c.缓冷、堆冷,a）.风冷,b）.雾冷,c）.水冷,冷却阶段,a.第一阶段,b.第二阶段,c.第三阶段,i 不均匀冷却会使轧件产生弯曲，这种现象对型材轧制比较突出，主要由于型材断面复杂，变形不均匀，轧后温度分布不均匀，冷却速度不均匀，轧件向轧后温度高的方向弯曲，可采用分阶段局部冷却消除,2.4 冷却,冷却对轧材质量的影响,ii 冷却速度对氧化铁皮生成的多少有很大关系不均匀。终轧温度越高，冷却速度越大，氧化铁皮越厚。为减少氧化铁皮生成，常采用强制冷却方法,iii冷却速度对钢的力学性能会有影响。轧完后的成品轧件温度分布越不均匀，冷却速度越大，产生的热应力越大。,2.5 其它精整工序,i)切断剪切（轧件状态：热、冷；运动：飞）：小型简单断面切倍尺、切定尺、切头尾、分段、事故 锯切（轧件状态：热、冷；运动：飞）：钢轨、工字钢、槽钢、管坯、方钢、大中型圆钢及异形断面钢材ii)矫直 压力矫:局部弯曲部分或钢材头部和尾部弯曲，大型钢材、钢轨的头部或异形断面；补矫 多辊矫：简单、复杂（适用面广）斜辊矫：圆钢 拉力矫：垂直两方向皆弯曲,生产工艺分析,
