Thuyết minh đồ án thiết kế xưởng cán thép raydầm

Khoảng 80% sản lượng thép tiêu thụ hàng nămđược sản xuất theo phương pháp cán, với nhiều chủng loại khác nhau về hình dạng,kích thước, chất lượng để có thể đáp ứng các nhu cầu của các ng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Độc lập- Tự do- Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Lê Văn Bộ Mã số sinh viên: 20113620Khóa : K56; Ngành học: KH & KT Vật liệu; Chuyên ngành: CHVL & Cán kim loại

1 Đầu đề thiết kế tốt nghiệp

Nghiên cứu thiết kế xưởng cán thép ray-dầm chuyên sản xuất các loại thép hình cỡlớn và thép đường ray tàu hỏa, tàu điện, thép chữ H, năng suất 1.000.000 tấn/năm

2 Số liệu ban đầu

Mặt bằng bố trí hai hàng: hàng 1 giá hai trục đảo chiều 900; hàng 2 giá ba trục 800

và một giá hai trục 800

3 Nội dung thiết kế

6 Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 29/2/2016

7 Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

Hà Nội, ngày tháng năm 2016 Trưởng bộ môn Cán bộ hướng dẫn

CHVL và Cán kim loại

PGS Lê Thái Hùng

LỜI NÓI ĐẦU

Ngành thép là ngành công nghiệp nặng, đồng thời là cơ sở nền tảng để phát triểnkinh tế của mỗi quốc gia Việt Nam hiện nay vẫn là một nước nông nghiệp và đangtrên đà phát triển để trở thành một nước công nghiệp Để thực hiện điều đó thì chúng

ta phải đẩy mạnh công cuộc Công nghiêp hoá và Hiện đại hoá Đất nước trước hết làđưa ngành công nghiệp nặng này phát triển cả về số lượng và về chất lượng

Trong các phương pháp gia công kim loại bằng áp lực, phương pháp cán làphương pháp gia công kim loại thông dụng nhất, có truyền thống lâu đời và có nhiều

ưu điểm so với các phương pháp khác Khoảng 80% sản lượng thép tiêu thụ hàng nămđược sản xuất theo phương pháp cán, với nhiều chủng loại khác nhau về hình dạng,kích thước, chất lượng để có thể đáp ứng các nhu cầu của các ngành công nghiệp khácnhau Với dây truyền sản xuất ngày càng được cải tiến, ngành cán thép đang dần đượcphát triển cả về năng xuất lẫn chất lượng cao

Hiện nay trong nước chỉ mới phát triển được về thép xây dựng và một số loại thépnhỏ, thép tấm Sản xuất thép chủ yếu là nhập phôi từ nước ngoài hoặc sử dụng loạiphôi đúc, ngoài ra chưa hề sản xuất được các loại thép hình phức tạp cỡ lớn phục vụcho các công trình xây dựng, đường cầu, Từ thực tế đó nội dung đề tài tốt nghiệp emnhận được là tìm hiểu và thiết kế xưởng cán thép dầm- ray, và cán các loại thép U, I, H

Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp em đã nhận được sự giúp đỡ tận tìnhcủa các thầy cô trong bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại, đặc biệt là sự chỉ bảotrực tiếp tận tình của thầy giáo PGS_TS Đào Minh Ngừng Em xin chân thành cảm ơn

sự giúp đỡ của quý thầy cô đã giúp em hoàn thành đồ án này

Hà Nội, ngày 3 tháng 4 năm 2016

Sinh viên

Lê Văn Bộ

MỤC LỤC

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ CÁN THÉP HÌNH 5

1.1 Tình hình sản xuất thép cán trong nước và thế giới 5

1.1.1 Vài nét về thị trường thép thế giới 6

1.1.2 Thị trường thép trong nước năm 2015 7

1.1.3 Thị trường thép đầu năm nay và dự báo năm 2016 7

1.2 Tổng quan về công nghệ và thiết bị cán thép hình 8

1.2.1 Sản phẩm thép hình cán nóng 8

1.2.2 Thiếp bị sản xuất cán thép hình 8

1.2.3 Công nghệ cán nóng thép hình 12

1.2.4 Sơ đồ mặt bằng phân xưởng 14

1.2.5 Quy trình sản xuất xưởng cán phôi 15

1.3 Nhiệm vụ được giao và quy trình tính toán thiết kế 18

Chương 2 TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ CÁN 19

2.1 Công nghệ cán thép chữ I số N 22 190 2.1.1 Thông số ban đầu 19

2.1.2 Xác định số lần cán 20

2.1.3 Xác định kích thước lỗ hình tinh theo dung sai âm và giãn nở nhiệt 20

2.1.4 Xác định lượng giãn rộng và chiều rộng phôi 21

2.1.5 Tính kích thước các lỗ hình định hình 26

2.1.6 Tính toán hệ thống lỗ hình cán thô 39

2.2 Tính toán chế độ cán thép 52

2.2.1 Tính chu kì cán 52

2.2.2 Tính năng suất cán 54

2.3.Các thông số công nghệ: lực cán, mômen và công suất động cơ 55

2.3.1 Lực cán 55

2.3.2 Mômen cán và công suất cán 64

2.4 Công nghệ cán thép chữ U số N 22 640 2.5 Tính toán chế độ cán thép 80

2.5.1 Tính chu kì cán 80

2.5.2 Tính năng suất cán 82

2.5.3 Các thông số công nghệ: Lực cán,mômen và công suất động cơ 83

Chương 3 NGHIỆM BỀN THIẾT BỊ CÁN 86

3.1 Nghiệm bền thiết bị chính 86

3.2 Các chi tiết và cơ cấu của giá cán 94

3.2.1 Mặt bằng bố trí thiết bị 94

3.2.2 Các loại trục cán và gối đỡ 95

3.2.3 Cơ cấu điều chỉnh giá cán 96

3.2.4 Cơ cấu dẫn hướng 97

3.2.5 Cơ cấu thay trục cán 97

3.2.6 Thân giá cán 98

3.3 Cụm chi tiết truyền động trục cán 99

3.3.1 Trục truyền lực và khớp nối 99

3.3.2 Hộp chia momen và hộp giảm tốc 99

3.4 Các thiết bị dịch chuyển phôi và sản phẩm 100

3.5 Các thiết bị khác 101

Chương 4 TÍNH HIỆU QUẢ KINH TẾ 103

4.1 Tính các chỉ tiêu kĩ thuật 103

4.1.1 Biểu đồ chu kì và năng suất cán 103

4.1.2 Cân đối diện tích mặt bằng nhà xưởng 104

4.1.3 Tiêu hao năng lượng cho các nhu cầu công nghệ 104

4.2 Tổ chức sản xuất 106

4.3 Tổ chức quản lý 107

4.4 An toàn vệ sinh lao động và vệ sinh môi trường 108

4.5 Đầu tư xây dựng cơ bản 110

4.6 Giá thành sản phẩm 110

Tài liệu tham khảo 112

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ CÁN THÉP HÌNH

1.1 Tình hình sản xuất thép cán trong nước và thế giới

1.1.1 Vài nét về thị trường thép thế giới

Thép đã và đang đóng một vai trò rất quan trọng đối với sự phát triển của xã hội.Nếu trước đây thép chỉ chủ yếu là nguyên liệu đầu vào cho ngành công nghiệp nặngthì bây giờ thép và các sản phẩm cán thép, đặc biệt là các sản phẩm cán thép hìnhđược ứng dụng rộng rãi trong xây dựng như: làm nhịp cầu, trụ cầu, cốt thép, cột truyềnhình, làm song cửa trang trí… Ngoài ra nó còn được dùng nhiều ở các lĩnh vực khácnhư trong nông nghiệp làm máy nông cụ lao động, trong quốc phòng, vũ trụ làm vũkhí, vỏ đạn, vỏ tên lửa, trong dầu khí làm cột giàn khoan… Chính vì thế mà ngànhcán thép hình đang rất được chú ý và phát triển mạnh trên cả thế giới và Việt Nam.Hiệp hội Thép thế giới (WSA) đã đưa ra bản đánh giá mới về triển vọng tổngquan ngành thép năm 2015 và 2016.WSA dự đoán tiêu thụ thép biểu kiến toàn cầu sẽtăng 2% lên 1,562 triệu tấn trong năm 2015 sau mức tăng trưởng 3,8% trong năm

2014 Trong năm 2016, dự báo nhu cầu thép thế giới sẽ tăng tiếp 2 % và sẽ đạt 1,594triệu tấn thép

Theo nguồn tin cho biết, giá thép phế liệu Mỹ giảm 30-40 USD/tấn trong tháng

10 Trong khi đó, thị trường thép phế liệu Đông Á sẽ vẫn duy trì yếu, khi nhà xuấtkhẩu thép phế liệu lớn nhất thế giới - Mỹ - thị trường trong nước và xuất khẩu có dấuhiệu giảm mạnh trong thời gian tới

Tại Sở giao dịch kim loại London (LME), giá kim loại cơ bản giao kỳ hạn 3tháng hồi phục hôm 30/9 Trong số đó, giá đồng tăng 3,8%, giá nickel tăng 5,3% vàgiá thiếc chỉ giảm 0,5% Theo báo cáo của Deutsche Bank, nếu giá nickel dự kiến sẽhồi phục, các nhà máy thép không gỉ phải cắt giảm sản xuất đáng kể Tuy nhiên, hầuhết các nhà sản xuất sẽ chờ nhu cầu thị trường hồi phục hơn là giảm giá hơn nữa Bởivậy, giá nickel sẽ khó tăng trong ngắn hạn và dự báo, sản lượng thép không gỉ toàncầu sẽ chỉ tăng 1,3% hoặc 43 triệu tấn trong năm nay

Giá thanh cốt thép kỳ hạn tại Trung Quốc giảm xuống mức thấp kỷ lục trước ngàynghỉ lễ quốc gia hôm 1/10 Rõ ràng, thị trường ngày càng tồi tệ, và giá giao ngay tiếptục giảm hơn nữa

Xuất khẩu thép Trung Quốc tăng 26,5% trong 8 tháng đầu năm 2015, do nhu cầunội địa suy giảm Trong khi đó, xuất khẩu thép của nước này trong nửa cuối năm sẽgiảm, phần lớn do nhu cầu yếu, tuy nhiên cũng do giá thấp hơn chi phí.

Hiệp hội sắt và thép Hàn Quốc cho biết, sản lượng thép thô của Hàn Quốc trongtháng 7/2015 tăng 1% so với tháng trước đó, nhưng giảm 0,7% so với cùng tháng nămngoái Trong số đó, sản lượng thép chuyển đổi tăng 4% so với tháng trước đó, lên 4,13triệu tấn, sản lượng thép lò điện giảm 4% so với tháng trước đó, xuống còn 1,79 triệutấn Trong 7 tháng đầu năm 2015, sản lượng thép thô của Hàn Quốc đạt 40,45 triệutấn, giảm 4% so với cùng kỳ năm ngoái

Giá xuất khẩu thép ống liền mạch của Cộng đồng các quốc gia độc lập (CIS) duytrì yếu, không có dấu hiệu cho thấy, nhu cầu thép ống liền mạch tăng ở hầu hết cácnước trên thế giới Tháng trước, giá xuất khẩu thép ống liền mạch của Ukraine và Ngagiảm 5-10 USD/tấn, do hoạt động thị trường xuất khẩu suy yếu Những người thamgia thị trường dự kiến, nhu cầu thép ống liền mạch tại Nga và Ukraine sẽ vẫn duy trìyếu

Theo Bộ phát triển, công nghiệp và thương mại Brazil, trong tháng 8, Brazil đãnhập khẩu 11.900 tấn thép Al-Zn và các sản phẩm tương tự khác, giảm 34% so vớitháng trước đó Một thương nhân cho biết, đồng real Brazil mất giá so với đồng đô la

Mỹ, điều này đã làm giảm sức cạnh tranh nhập khẩu và tăng khả năng cạnh tranh xuấtkhẩu CSN và ArcelorMittal đã được uỷ quyền tại Brazil, để sản xuất thép Al-Zn, tuynhiên sản xuất không đủ để đáp ứng nhu cầu nội địa Brazil, bởi vậy, Brazil đã nhậpkhẩu hầu hết thép Al-Zn từ Trung Quốc Xuất khẩu thép phế liệu Brazil trong tháng 8giảm 40% so với cùng tháng năm ngoái Thị trường thép nội địa Brazil duy trì yếu, bởihoạt động ngành công nghiệp và chu kỳ sản xuất thép phế liệu suy yếu Trong tháng8/2015, Brazil đã xuất khẩu 48.800 tấn thép phế liệu cac bon, chủ yếu được xuất khẩusang các nước châu Á, giá FOB ở mức 188 USD/tấn

Trong 2 tuần qua, giá thép cuộn Thổ Nhĩ Kỳ giảm trung bình 28-93 lire/tấn, dokhông có hoạt động giao dịch trên thị trường thép dây Trong khi đó, các khách muahàng Thổ Nhĩ Kỳ miễn cưỡng giao dịch trước ngày bầu cử của nước này vào ngày1/11

Ấn Độ đã xuất khẩu 347.000 tấn quặng sắt trong tháng 6, giảm 2,6% so với cùngtháng năm ngoái Trong 6 tháng đầu năm 2015, Ấn Độ đã xuất khẩu tổng cộng 2,28triệu tấn quặng sắt, giảm 69,8% so với cùng kỳ năm ngoái, giá nhập khẩu trung bình62,8 USD/tấn, giảm 29,2% so với cùng kỳ năm ngoái

Sản lượng thép thô thị trường nội địa Mỹ đạt tổng cộng 1,735 triệu tấn, với côngsuất sử dụng 72,6% kết thúc ngày 26/9/2015 Trong 19/9, sản lượng thép thô Mỹ đạt

1,706 triệu tấn, với công suất sử dụng 71,4% Sau khi điều chỉnh, sản lượng thép thôcủa Mỹ đạt 66,092 triệu tấn, công suất sử dụng 72,5%, giảm 8% so với cùng kỳ nămngoái.

1.1.2 Thị trường thép trong nước năm 2015

Theo số liệu thống kê của Hiệp hội Thép Việt Nam,trong năm 2015, sản suất cácsản phẩm thép của Việt Nam đã đạt 14.988.000 tấn, tăng 21,54% so với năm 2014;Nhập khẩu thép thành phẩm đạt 792.000 tấn, tăng 22,56% so với cùng kỳ 2014;Lượng thép thành phẩm và bán thành phẫm xuất khẩu ước đạt 2,934 triệu tấn, giảm8,62% so với cùng kỳ 2014, trong đó lượng thép thành phẩm xuất khẩu trong năm đạt835.000 tấn, tăng 2,9%

Theo Bộ Công Thương, trong những tháng đầu năm 2015, tình hình tiêu thụ thépgặp nhiều khó khăn Nguyên nhân chủ yếu do giá các nguyên liệu đầu vào như phôithép, thép phế, quặng sắt tiếp tục giảm, cùng với giá xăng dầu liên tục giảm gây tâm

lý chờ đợi của khách hàng

Bên cạnh đó, nhu cầu thị trường chưa có sự tăng trưởng mạnh do không phải mùacao điểm về xây dựng và các đơn vị thương mại hạn chế mua vào để tập trung chocông tác thu hồi công nợ, nhiều doanh nghiệp điều chỉnh giảm giá bán để đẩy nhanhlượng hàng tồn kho giá cao ra thị trường và giữ thị phần

Theo Hiệp hội Thép Việt Nam (VSA), lượng tiêu thụ thép năm 2015 của ViệtNam chỉ xấp xỉ 6 triệu tấn, tăng khoảng 8% so với cùng kỳ, mức tăng trưởng đạt từ 4 -5%, tuy nhiên mức tăng chủ yếu do đẩy mạnh xuất khẩu từ các mặt hàng như tôn mạmàu, mạ kẽm, thép ống các loại… Điều đáng nói, công suất thép xây dựng của cácnhà máy trên cả nước hiện lên đến 11 triệu tấn, vượt gần gấp đôi nhu cầu và đang tạosức ép cạnh tranh vô cùng lớn với các doanh nghiệp trong ngành

1.1.3 Thị trường thép đầu năm nay và dự báo năm 2016

Năm 2016 dự đoán sẽ tiếp tục khó khăn với ngành thép Việt Nam, bởi bên cạnhnguy cơ thép nhập khẩu giá rẻ, đặc biệt là từ Trung Quốc, còn có những thách thứcđến từ các biện pháp phòng vệ thương mại từ thị trường xuất khẩu

Trong năm 2015, có hơn 1,78 triệu tấn phôi thép ước nhập khẩu vào Việt Nam,tăng 198% so với cùng kỳ 2014 Còn lượng thép cuộn và dây thép ước được nhậpkhẩu là hơn 1,62 triệu tấn, trong khi sản xuất thép cuộn trong nước chỉ đạt 1,13 triệutấn Tôn mạ kim loại và sơn phủ màu cũng được nhập khẩu gần1,43 triệu tấn trongnăm qua, tăng 87,55% so với cùng kỳ 2014

Tháng 1/2016, tình hình sản xuất và tiêu thụ thép không có nhiều biến động, sảnlượng sắt thép thô ước đạt 364,5 nghìn tấn, giảm 7,1% so với cùng kỳ; thép cán ước

đạt 393,2 nghìn tấn, tăng 16,4% so với cùng kỳ; thép thanh, thép góc ước đạt 385,5nghìn tấn, tăng 21,3% so với cùng kỳ Lượng thép nhập khẩu các loại tháng 01 ướctăng 33,9% so với cùng kỳ.

Năm 2016, cùng với việc thị trường xuất khẩu rộng mở, ngành thép Việt Nam sẽ

có thêm cơ hội để đưa sản phẩm sang các nước và đó là lý do để ngành thép mạnh dạnđặt mục tiêu tăng trưởng khoảng 15-20%

Dự báo năm 2016, giá mặt hàng sắt thép có xu hướng không tăng do nhu cầu tiêuthụ tại một số thị trường khu vực như Trung Quốc có khả năng giảm, bên cạnh đó nhucầu tiêu dùng trong nước cũng không tăng

Đối với thép xây dựng, cung đang nhiều hơn cầu và quốc gia có sản lượng théplớn như Trung Quốc vẫn đang thực hiện các chính sách đẩy mạnh xuất khẩu, vì vậygiá thép xây dự báo sẽ khó có khả năng tăng

1.2 Tổng quan về công nghệ và thiết bị cán thép hình

Công nghệ và thiết bị cán thép luôn được cản tiến nâng cao mức độ cơ khí hóa và

tự động hóa, tạo ra dây chuyền sản xuất năng suất và chất lượng Trong các dâychuyền như vậy, con người chỉ có chức năng giám sát kiểm tra, điều chỉnh các thông

số, duy trì chế độ làm việc Sự phát triển kinh tế nói chung và thị trường thép nói riêng

ở Việt Nam gần đây đã thúc đẩy sự cập nhật kĩ thuật sản xuất thép xây dựng với nhiều

cơ sở nhập khẩu công nghệ và thiết bị cán hiện đại Công nghệ mới sản xuất thép cán

có ứng dụng quá trình biến dạng kim loại ở điều kiện kết hợp cơ nhiệt liên quan đếnquá trình biến đổi cấu trúc và nâng cao cơ tính sản phẩm Hàng loạt các nguyên côngliên quan đến vận chuyển, nung phôi, làm nguội cưa cắt, kiểm tra, thu hồi được cơ khíhóa ở mức cao, loại bỏ tối đa lao động thủ công Để phát huy năng suất và chất lượngsản phẩm, hệ thống thiết bị phải đồng bộ, có tính năng kỹ thuật cao cũng như đội ngũphục vụ phải có trình độ chuyên môn vững vàng

1.2.1 Sản phẩm thép hình cán nóng

Chủng loại cán thép hình được nhận biết theo hình dạng, kích thước và được chiavào loại tiết diện đơn giản và loại tiết diện phức tạp Các loại thép tiết diện đơn giản làloại thép cán có tiết diện cắt là các hình tròn, vuông, chữ nhật

Các chủng loại thép cán nóng tiết diện đơn giản được cán trên máy cán chuyêndụng, số lượng chủng loại bao gồm kích thước khác nhau theo tiêu chuẩn và các điềukiện kĩ thuật

Tất cả các loại thép hình đều được sản xuất bằng phương pháp cán nóng Các loạithép đơn giản có tính kinh tế cao là các loại được sử dụng với ít phế liệu nhất Chính

vì vậy kích thước các chủng loại tính toán với dung sai sao cho chúng có tính sử dụngtốt nhất.

Các loại thép cán nóng có tiết diện phức tạp được chia thành hai nhóm căn cứ vàođặc tính sử dụng: công dụng chung và chuyên dụng riêng

Thép công dụng chung là các loại thép hình chữ I, chữ U, thép góc đều cạnh vàthép góc lệch cạnh, thép lục giác… các loại thép này được sử dụng rộng rãi trong tất cảcác ngành chế tạo máy và xây dựng Thép cán chuyên dụng của nền kinh tế Quốc dân.Công ngệ cán phôi cho sản phẩm là các loại thép có tiết diện đơn giản như dạnghộp vuông, hộp chữ nhật, dẹt với các kích thước khác nhau, được sử dụng làm phôicho quá trình cán thép hình trung bình và nhỏ

Cán phôi có thể thực hiện trên máy cán ba trục có đường kính trục từ 500-800

mm, sử dụng động cơ xoay chiều hoặc trên máy cán phôi liên tục Các loại phôi thỏi cótiết diện vuông được dùng làm phôi ban đầu cho các máy cán hình cỡ lớn, vừa và nhỏ.Phôi ban đầu để sản xuất thép thỏi là thỏi đúc hoặc phôi qua rèn ép Phôi thỏi được cán

ra từ các máy cán phôi hai trục đảo chiều, máy cán phôi liên tục và máy đúc- cán phôiliên tục

1.2.2 Thiếp bị sản xuất cán thép hình

Thiết bị chính là các thiết bị trên đường giá cán bao gồm 3 phần chính: a) phầntrực tiếp làm kim loại biến là: khung giá cán, trục cán và các cơ cấu gối đỡ ổ bi, cơ cấuđiều chỉnh khe hở trục và điều chỉnh dọc trục; b) bộ phận truyền động: trục truyền lực,khớp nối, hộp giảm tốc, hộp chia mômen…; c) nguồn động lực là động cơ điện Sơ đồkết nối các bộ phận đường giá cán thể hiện trên hình 1.1

Tuy nhiên ở những nhà máy lớn và cán liên tục cần điều khiển tốc độ thường dùngđộng cơ điện một chiều tuy giá thành đắt nhưng nó có thể điều khiển được tốc độ màđộng cơ xoay chiều thì không.

Hộp giảm tốc là bộ phận quan trọng của máy cán dùng cho việc giảm tốc độ quay

và tăng mômen lực với tỉ số truyền chuyển động lớn hơn 1 Trong các khối block cánthép dây , nếu tốc độ trục quá cao ta phải dùng hộp số có tỉ số truyền < 1 Việc chọnhộp giảm tốc không những phải phù hợp với tỉ số truyền thiết kế mà còn phải phù hợpvới công suất máy cán Thông thường ở các nhà máy cán thường sử dụng hộp giảmtốc bánh răng trụ răng nghiêng hoặc răng chữ V

Hộp chia mômen áp dụng hầu hết trong các nhà máy cán để đảm bảo sự chuyểnđộng cân đối giữa hai trục Trong hộp truyền lực người ta thường sử dụng bánh răngchữ V để truyền chuyển động qua cho các trục cán vì so với hai bánh răng thẳng, răngnghiêng thì bánh răng chữ V có khả năng truyền lực khỏe, chịu tải lớn, độ bền cao vàkhử được lực dọc trục

Giá cán là cơ cấu trực tiếp làm biến dạng kim loại Vì lực cán rất lớn nên khi thiết

kế, cấu tạo giá cán càng đơn giản càng chịu được lực cao Ngoài ra các tiêu chí dễ thaythế, dễ tháo lắp cũng được áp dụng Các chi tiết, lắp ráp trên giá cán được thể hiện trênhình vẽ 1.2

Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo và lắp ráp giá cán hai trụcTrục cán là chi tiết tham gia trực tiếp tạo hình cho phôi cán 2, hai trục cán thôngdụng là trục cán hình và trục cán tấm Trục cán có nhiều loại kích cỡ khác nhau tùythuộc từng loại máy cán Với máy cán thô thì trục có đường kính lớn còn với cán tinh

và cán trung thì nhỏ hơn Trục có thể làm bằng gang cầu hoặc thép

Kích thước chính của trục là đường kính và chiều dài thân trục được lựa chọn phụthuộc vào độ bền uốn và độ uốn cho phép Khi xác định đường kính trục cũng cầnxem xét các điều kiện ăn phôi và tỉ số giữa lượng ép và đường kính theo công thứcsau: D = ∆h/(1- cosα).

Hình 1.3 Sơ đồ cấu tạo và lắp ráp trục cánTrục cán có các thành phần: 1- thân trục (đường kính D và chiều dài L), trong quátrình cán thực tiếp với phôi cán; 2- cổ trục ở cả hai phía, tựa vào ổ bi, có đường kính d

và chiều dài l; 3- đầu nối khớp để lắp khớp nối truyền lực với các trục các đăng.Phầnđầu nối có cấu tạo khác nhau tùy thuộc thiết kế cho từng loại máy( Hình 1.4)

Hình 1.4 Các dạng trục cán hình

Tỷ lệ giữa chiều dài thân trục L và đường kính D máy cán được xác định như sau:

Cổ trục cán có thể tính d = (0,55-0,63).D cho máy cán hình và d = (0,7-0,75).Dcho các loại máy cán tấm Duo và Trio Chiều dài cổ trục thông thường lấy bằng đườngkính cổ trục và phần nối khớp có đường kính nhỏ hơn khoảng 10 – 15 mm

Các loại mác thép thường không đáp ứng các điều kiện làm việc của trục nênngười ta phải dùng các mác thép có độ bền cao và các loại thép đúc hợp kim Trụcgang đúc có các thành phần hợp kim Cr, Ni, Mo đảm bảo độ bền và độ chống màimòn: 2,5- 3,2%C; 0,3- 0,7% Mn; 0,5-1,2%Si; 0,5%S; 0,2-0,5% P; 0,2-0,5% Ni; 0,3%

Mo Các loại trục cán bằng thép tùy tường trường hợp phôi đầu vào, có thể dùng cácloại mác khác nhau 45, 50,50X, 50XH,

Thiết bị phụ

Quá trình di chuyển phôi thép trong xưởng cán tính từ khâu chất phôi vào lò nungđến khâu bao gói kết thúc chu trình công nghệ, được thực hiện bởi các cơ cấu, phươngtiện vận chuyển, trong đó chủ yếu là các băng tải con lăn, băng tải xích gạt hoặc cácbăng chuyền cấu tạo khác nhau và cùng với tất cả các cơ cấu, thiết bị liên quan khác.Các loại thiết bị này gọi là thiết bị cơ khí xưởng cán hay thiết bị phụ Cầu trục cũng làthiết bị tham gia vào việc vận chuyển và coi là thiết bị phụ Các thiết bị phụ quantrọng là: lò nung, máy cắt, sàn nguội, máy nắn Các thiết bị này cần được chọn căn cứvào thiết bị chính cũng như các thông số về sản phẩm và năng suất cán

1.2.3 Công nghệ cán nóng thép hình

Nhiệt độ cán

Nhiệt độ cán nóng kim loại là nhiệt độ bắt đầu cán, khoảng nhiệt độ mà tại đóbiến dạng dẻo kim loại là tốt nhất, nhanh nhất, trở kháng biến dạng nhỏ nhất, sảnphẩm cán có hình dạng và kích thước đúng yêu cầu quy định, có chất lượng cao nhất.Đối với thép đường ray nhiệt độ cán có thể dự vào giản đồ pha Fe3C theo hàm lượngCacbon chứa trong thép đó

Thép 09 2 có %C  0,12%,� như vậy theo giản đồ pha Fe-C ta có:

Nhiệt độ kết thúc cán quyết định tới tổ chức tế vi của kim loại, tới cơ lí tính, do đóảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng sản phẩm cán Đối với thép trước cùng tích nhiệt độ

50 100 C� để đảm bảo độ hạt,

màu sắc thép, tránh biến cứng Như vậy ta có thể chọn nhiệt độ cán cho giá cán đầutiên( nhiệt độ bắt đầu cán ) và nhiệt độ kết thúc cán như sau:T 1150 C, T1  0 n 900 C0 .

Từ hai mốc nhiệt độ trên xác định nhiệt độ cán tại các giá cán còn lại, lấy chênh lệch

10 30 C�

Thiết kế lỗ hình trục cán và các nguyên tắc cơ bản

Quá trình cán dùng các trục cán có tiện lỗ hình để tạo ra các sản phẩm có tiết diệnngang là hình tròn, vuông, tam giác,chữ I, chữ U, gọi là thép cán hình Lỗ hình trụccán ( khuôn cán) là khoảng trống hình học được tạo bởi 2 rãnh của 2 trục cán đặt đốidiện nhau Rãnh cán là phần bề mặt đã tiện hoặc bỏ đi một phần bề mặt trục theo hìnhsản phẩm thiết kế

Quá trình tính toán lỗ hình phụ thuộc vào hình dạng sản phẩm; loại máy và đặctính của chúng, công suất động cơ và chất lượng sản phẩm cũng như các yếu tố khác.Nguyên tắc chung cho thiết kế lỗ hình như sau:

sau xác định từ điều kiện nghiệm bền;

biến dạng;

nhiệt;

- Xác định lượng giãn rộng và chiều rộng lỗ hình;

động cơ;

tuổi thọ cao

1.2.4 Sơ đồ đồ mặt bằng phân xưởng

Hình 1.1 Sơ đồ mặt bằng bố trí thiết bị máy cán thép dầm-ray

I-Khu vực kho chứa thép phôi lớn; II- Khu vực lò nung; III- Gian máy cán; IV- Khu vực của máy cán; V- Khu vực nhiệt luyện; VI- Kho sản phẩm;

VII- Khu xử lý thép đường ray; VIII- Khu xử lý thép dầm

1-Giá cán duo 900; 2- Giá cán thô trio 800; 3- Giá cán tinh duo 800; 4- Băng tải cấpphôi vào; 5- Lò nung; 6- Băng tải của máy cán và băng tải xích; 7-Băng tải cấp phôicho máy cán; 8- Máy cưa: 9- Máy đóng dấu; 10- Maý uốn, 11,19,27- Sàn làm nguội;12,17- Máy nắn; 13,18- Máy nắn thủy lực; 14- Máy cắt nguội; 15- Cưa nguội; 16- Giáđỡ; 20- Lò giữ đẳng nhiệt; 21,29- Giá đỡ; 22- Lò tôi; 23,27- Máy nắn kiểu con lăn; 24-

Lò tôi kiểu tang trống; 25-Giá có nắp đậy; 26- Lò ủ

Căn cứ vào cấu tạo và số lượng các giá cán, các máy cán phôi có thể là máy cánliên tục gồm một, hai hoặc ba giá bố trí trên một hang Đối với các máy cán phôithép thô, bố trí kiểu hàng thường gồm từ một đến ba giá trio để cán ra các phôivuông cho xưởng cán thép hình Các loại máy này thường để cán các loại phôi thỏiđúc thép chất lượng cao có khối lượng từ 2,5 đến 3 tấn

Các loại máy cán liên tục sản xuất phôi thép được thiết kế từ trước chỉ có giácán duo trục nằm, dẫn động chung thành từng nhóm Phôi thép được ép bởi haihướng vuông góc với nhau nhờ có cơ cấu dẫn hướng xoắn hoặc các trục lăn đượcthiết kế nhằm mục đích lật phôi.

Hình 1.11 Sơ đồ lưu trình sản xuất xưởng cán phôiTrong các máy cán liên tục hiện đại, các giá cán trục đứng nằm được bố trí xem

kẽ có dẫn động riêng bằng các động cơ dòng một chiều Những dây truyền cán nhưvậy cho phép giảm chiều dài đường cán, trong đó các trục đứng nằm có thể đichuyển theo phương ngang và các trục đứng theo phương thẳng đứng để tâm các lỗhình làm việc trùng với đường cán Ưu điểm của máy cán liên tục là năng suất cao,trình độ cơ khí hóa và tự động hóa cao, chuyên sản xuất phôi thỏi cho máy cán hình.Dẫn động các máy cán là động cơ điện một chiều, điều chỉnh vô cấp Sau giá cán thôngười ta thường đặt máy cắt đầu đuôi bằng máy cắt bay hoặc máy cắt dao phẳngsong song lưu trình sản xuất phôi thép được trình bày ở hình 1.11 , đây cũng là lưutrình cơ bản trong cán thép hình ở các xưởng cán nói chung

1.2.5 Quy trình sản xuất xưởng cán phôi

Chuẩn bị và nạp phôi

Phôi được nhập vào công ty được kiểm tra về thành phần hóa học, kích thước,được ghi vào sổ kiểm tra chất lượng phôi Phôi liệu trước khi nạp vào lò phải đượckiểm tra, những phôi không đạt phải loại ra chờ xử lý Phôi đáp ứng được yêu cầuđược chuyển từ bãi chứa phôi vào gian nạp phôi Phôi nạp lò được ghi vào sổ theodõi nguyên liệu nạp lò

Sàn nguội

Phôi liệu sau khi được được nạp vào lò nung phôi liên tục, nung từ nhiệt độ môitrường (200C) lên đến nhiệt độ cán, tùy thuộc vào từng mác phôi nhiệt độ

1100 1150 C� Phôi cán khi dịch chuyển trong lò và đạt đến nhiệt độ yêu cầu sẽ

có cơ cấu đưa phôi ra lò và di chuyển đến giá cán bằng bàn con lăn

Phôi hồi lò khi dây truyền cán gặp sự cố hoặc hồi hết phôi để sửa chữa lò

Công nghệ cán

Sơ đồ của máy cán thép dầm và thép đường ray hiện đại trên thế giới là máy cángồm một giá cán thô duo- đảo chiều được bố trí ở hàng cán thứ nhất, hai giá cán batrục trio-đảo chiều và một giá cán duo cán không đảo chiều được bố trí ở hàng cánthứ hai Các máy cán dầm-ray hiện đại tiếp nhận các phôi thép thỏi lớn (bloom) cóchiều dài 3,4-4,5 m, trọng lượng tới 5,9 tấn, trực tiếp từ các máy cán lớn hoặc từ khochứa

Khu vực lò nung có hai lò nung liên tục để nung các phôi thép nguội từ khochứa và hai lò nung kiểu buồng cho các phôi còn đang nóng từ máy cán lớn Các lò

hoàn thiện

chiều có đường kính trục 900 mm, chiều dài thân trục 2300 mm được dẫn động bởiđộng cơ ddienj một chiều có công suất 6230 kW với số vòng quay 0-60-120vòng/phút

Giá cán 900 có cấu tạo giống như giá cán lớn 1150, chỉ khác ở tỷ lệ kích thước

và cấu tạo một số cơ cấu

Trục cán quay trong bạc kín ghép từ vật liệu nhíp, hành trình nâng trục trên 700

mm, cân bằng trục trên bằng đối trọng Cơ cấu đai ốc vít nén được dẫn động bởiđộng cơ 200kW

Phía trước và phía sau của giá cán 900 duo-đảo chiều có lắp đặt hệ thống bàn đỡvới thước đảo phôi và cơ cấu lật phôi Các thước đảo phôi được dẫn động bằng động

cơ điện một chiều 150kW với tốc độ quay 25 vòng/phút

Sau giá cán 900, phôi cán được đưa tới hàng cán thứ hai gồm hai giá cán thô trio

và một giá cán tinh duo

Trục cán của giá cán thô trio có đường kính 800 mm và chiều dài thân trục 1900

mm, được nắp trong ổ đỡ có bạc ép liền khối từ vật liệu gỗ nhíp, làm nguội và bôitrơn bằng nước, có mỡ bôi trơn gián đoạn định kỳ, được dẫn động bởi động cơ dòngđiện một chiều có công suất 4500kW và tốc độ 0-70-140 vòng.phút

Máy có khung giá kiểu hở với nắp đậy được kết khối với phần khung bởi chốtgiữ dạng nêm Giá cán có các cơ cấu đai ốc vít nén trên và dưới được thiết kế saocho có thể điều chỉnh bằng tay gạt Trục trên được cân bằng bởi hệ thống lò xo Giá

cán có hệ thống vòi phun làm nguội trục Các trục cán của hai giá cán thô được nốivới nhau bằng khớp then hoa.

Giá cán tinh được bố trí cùng hàng với hai giá cán thô và có đường kính trục

800 mm, chiều dài thân trục 1100 mm, được dẫn động bởi động cơ điện 1840 kWvới số vòng quay 0-80-160 vòng/phút

Trục của giá cán tinh được lắp đặt trong ổ bi đũa bốn hàng, bôi trơn bằng bơm

áp lực Việc thay thế các tục cán được tiến hành ngay trên giá cán Hàng cán thứ hai

có các băng tải dẫn vào, dẫn ra, sàn băng tải xích gạt Hai giá cán ba trục có các bànnâng hạ kiểu bập bênh được bố trí ở hai phía

Sau giá cán tinh, thép được băng tải vận chuyển đưa đến khu vực năm máy cưađĩa, tại đó thép được cưa thành nhiều đoạn đều bằng nhau với tốc độ 100-120 m/s.Sau khi cưa, các loại thép đường ray được khắc dấu trên máy đóng dấu

Tiếp theo thép đường ray được đưa đến máy nắn con lăn gồm hai con lăn đứng

và hai con lăn nằm để nắn uốn thanh đường ray đang ở trạng thái nóng

Các thanh ray có chiều dài 25 mét tiếp tục được đưa đến sàn làm nguội kiểubăng tải xích Tại sàn nguội có bố trí cơ cấu lật phôi dùng để lật các thanh ray trướckhi dẫn đến khu xử lý nhiệt và lật các thanh thép đàm chữ L, U, I trước và sau khilàm nguội

Sau khi làm nguội trên sàn, các thanh ray được được đưa vào một trong năm lò

phút Các thanh ray được dịch chuyển trong lò bằng gạt xích, tại đây chúng được giữhai tiếng

Trước khi giữ đẳng nhiệt, thép đường ray nên được hạ nhiệt xuống

và chỉnh lần cuối bằng máy ép thủy lực

Để tôi thể tích các thép đường ray được chuyển từ khu bảo quản vào kho, từ đócác thanh đường ray được đóng bó kiểu “ xếp nghêng” từ 8-11 thanh và đưa vào lò

0

450 C trong thời gian haitiếng Sau khi ram thép thanh ray được nắn trên máy nắn sáu trục nằm và máy nắnsáu trục đứng để nắn thẳng theo mặt phẳng thẳng đứng và mặt phẳng nằm ngang.Sau đó được đưa đến bộ phận kiểm tra để tiếp nhận, đóng bó đưa vào kho hay vậnchuyển đến khách hàng

Gia công cơ đối với thanh thép ray được thực hiện theo dây truyền công nghệgồm công đoạn nắn trên máy nắn nhiều trục, nắn trên máy nắn thủy lực, phay mặtmút, khoan lỗ ovan trên các máy phay và máy khoan.

Để tăng cường độ bền và tính chống mài mòn, sau công đoạn phay và khoan cácthanh ray được tôi cao tần bề mặt để có cấu trúc hạt xoocbit Độ cứng ở đầu cácthanh ray đạt đến 300-400 HB

Để đảm bảo điều kiện làm việc lâu dài, thép thanh ray không những chỉ có cơtính của lớp tôi cao mà còn cần có độ bền chống va đập dẫn đến phá hủy giòn Kiểmtra thử độ bền phá hủy giòn cho thấy các thanh ray được tôi trong môi trường nước-không khí kết hợp với tôi cao tần có độ bền ở trạng thái ứng suất đàn hồi cao nhất.Việc tôi các đầu thanh ray bằng hỗn hợp hơi nước không khí trong điều kiện đã uốnđàn hồi trước sẽ làm tăng các đặc tính sử dụng

Các thanh thép chữ U, chữ I và các thép tiết diện khác được sản xuất trên máycán dầm-ray sẽ được máy cưa cắt thành các đoạn bằng nhau, qua sàn nguội, vậnchuyển đến khu vực máy nắn, tại đây thép được nắn bằng máy con lăn nhiều trục vàmáy nắn thủy lực

Sau kiểm tra các thanh thép tiếp tục được cắt nguội thành các thanh sản phẩm,cắt các phần bị hỏng

Các loại thép hình sau cán được đưa vào kho và chứa trong các hộp khung hàn,

có bàn nâng, các hộp khung này có bánh xe vận chuyển trên đường ray

Công suất của máy cán dầm-ray hiện đại là 160-200 tấn/giờ tương đương với1,3-1,5 triệu tấn/năm Công suất của máy cán dầm-ray kiểu cũ là 750-800 ngàntấn/năm

1.3 Nhiệm vụ được giao và quy trình tính toán thiết kế

Nhiệm vụ đồ án của em được giao là thiết kế xưởng cán thép I, U công suất 1triệu tấn/ năm

Dựa trên cơ sở lý thuyết và các thông số ban đầu, đồ án gồm các phần:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ cán thép hình

Chương 2: Tính toán công nghệ, gồm các bước: 1- thiết kế lỗ hình trục cán; tính các thông số tốc độ cán và tốc độ biến dạng; 3- tính các thông số năng lượng.Chương 3: Nghiệm bền thiết bị, bao gồm thiết kế, lựa chọn kích thước thiết bị

2-và nghiệm bền căn cứ 2-vào kết quả đã tính Chọn các thiết bị chính 2-và phụ

Chương 4: Hiệu quả kinh tế

Phần cuối là phần phụ lục đính kèm

Chương 2

TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ CÁN

2.1 Công nghệ cán thép chữ I số N 22 0

2.1.1 Thông số ban đầu

Phôi ban đầu 350x350 mm

Mặt bằng phân xưởng bố trí 2 hàng:

-một giá 2 trục 800

Hình 2.1 Sơ đồ bố trí giá cán trong xưởng cán

Bảng 2.1 kích thước thép chữ I số 22Diện

tích tiết

diện,

F,

Khốilượng1m,kg

Kích thước mm

cao, h

Chiềurộngbản, b

Chiềudàythân, d

Chiềudày TBbản, t

Bán kínhlượntrong, R

Bán kính lượn,r

2.1.3 Xác định kích thước lỗ hình tinh theo dung sai âm và giãn nở nhiệt

Chiều rộng lỗ hình (chiều cao dầm)

Chiều dày đầu chân

5, 40,4711,6

a b

Hình 2.2 Kích thước thép chữ I số 22

2.1.4 Xác định lượng giãn rộng và kích thước phôi

Dựa vào “hình 4.44 Đồ thị xác định giãn rộng” Tr.229, [1] ta xác địnhđược lượng giãn rộng trong lỗ hình xẻ rãnh và tổng lượng giãn rộng

Đối với lỗ hình xẻ rãnh:  5 mmB1

Đối với tất cả các lỗ hình còn lại: B2 7� 35 mm.

Tổng giãn rộng :

7 1

a1,15 0,95

Lỗ hình cắt chân hở phía trước

=2900,8 mm2 Chiều dày thân lỗ hình cắt

ch1 1

2 7 7

ch 7 7

2.qd

Bd

2 7

ch 7 7

2.q dd

Hiệu chỉnh chiều dày cho =65mm với mục đích tăng bán kính lượn và góc

ăn có thể trong phạm vi lớn 33- Như vậy:

Diện tích lỗ hình cắt khi có thêm qphu

Q

2 0

Tiết diện phôi ban đầu

Vậy số lần cán thô là 5 lần Kết hợp số lần cán định hình là 7, ta có tổng số các lỗ hình là 12

Như vậy lỗ hình xẻ rãnh ở nhóm giá cán định hình sẽ là lỗ hình K6

12

ch ch7 ch8 ch9 ch10 ch11 ch12 7

�

= 1,45.1,5.1,45.1,4.1,3.1,15 = 6,58Tính diện tích tiết diện của các chân từ diện tích chân 1

ch7

2 ch6

ch7

7

2 ch7

ch8

8

2 ch8

ch9

9

2 ch9

ch10

10

2 ch10

ch11

11

ch11 ch12

t7 t8 t9 t10 t11 t12 7

       

�

= 1,45 1,5 1,4 1,35 1,25 1,15 = 5,9Xác định chiều dày thân

6 7 7

7 8 8

8 9 9

10

10 11

11

11 12

7

B35

2,11

a1,15.1,15.1,1.1,1.1,1.0,95a



Chiều dày đầu chân kín

h11 k12

k12 k12 k12

Góc ăn

0 12

Xác định kích thước chân hở trên bằng tọa độ điểm K [1]

Chiều dày trung bình của chân hở

ch12 h12

Chiều dài đầu chân hở

Bán kính lượn giữa thân và bích

Hình 2.9 Kích thước lỗ hình K12

 Tính thông số cho lỗ hình K11

Chiều dày trung bình của chân hở

ch11 h11

h10 k11

b  2.t  a  2.9,91 6,84 12,98 mm  

Góc ăn

0 11

Chiều dày trung bình của chân kín dưới

ch10 k10

k10 k10 k10

Góc ăn

0 10

Hình 2.7 Kích thước lỗ hình K10

 Tính thông số cho lỗ K9

Chiều dày trung bình của chân hở

ch9 h9

Chiều dày trung bình của chân kín dưới là

ch9 h9

h8 k9 9

k9 k9 k9

Góc ăn

0 9

ch8 k8

Góc ăn

0 8

Hình 2.5 Kích thước lỗ hình K8

 Tính các thông số cho lỗ hình K7

Chiều dày trung bình của chân hở

ch7 h7

Kích thước chân dưới

Chiều dày trung bình của chân

7 k7 7

Chiều dày đầu chân kín

6 k7 7

Hình 2.4 Kích thước lỗ hình thứ K7Bảng 2.3 Thông số thiết kế cán thép chữ I (TCVN) - Lỗ hình định hình

Lê Văn Bộ-MSSV 20113620 38

THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ THIẾT KẾ LỖ HÌNH CÁN ĐỊNH HÌNH

2.1.6 Tính toán hệ thống lỗ hình cán thô

 Phân bố hệ số biến dạng hệ thống lỗ hình cán thô

Ở lần cán đầu tiên nên lấy  bé từ (1.15 ÷ 1.25) đủ để bong lớp vẩy rèn, nếu lấy quá lớn tức là lượng ép quá lớn dẫn đến phôi khó ăn vào trục, lớp ôxit cứng trên bề mặt sẽ bị ép chặt và đi vào phôi làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

Các lần cán thứ 2, thứ 3, thứ 4 chúng ta thấy: nhiệt độ cán vẫn tốt, tính dẻo tốt, trởkháng biến dạng nhỏ, thép chưa bị biến cứng…, nên ta lấy các hệ số giãn dài lớn để tăng năng suất, tiết kiệm điện và giảm hao mòn máy móc

Bảng 2.4 Phân bố hệ số biến dạng hệ thống lỗ hình cán thô

Lỗhình

Hệ sốgiãndài µ

Tiết diệnLH

F, mmˆ²125705.7

1 1

D = 900 mm

Diện tích tiết diện lỗ hình vuông sau

1 2 2

Kiểm tra giãn rộng

Chiều cao trung bình của phôi vào lỗ hình