半連軋工字鋼工藝設計與改進

孔利明

（新疆八一鋼鐵股份有限公司）

半連軋工字鋼工藝設計與改進

孔利明

（新疆八一鋼鐵股份有限公司）

文章介紹了新建半連軋工字鋼萬能軋機生產線的工藝布置、設備性能參數，重點介紹了在部分設備利舊條件下，軋制極限規格產品在孔型設計上存在的實際問題及改進后的效果。結合生產實踐探討了軋件在粗軋道次、萬能孔型中的變形規律、控制要點。介紹了針對影響軋制穩定性所采取的一些改進措施。

工字鋼；萬能軋機；孔型設計；軋制規程設計

1 前言

工字鋼廣泛用于工業廠房、機械制造、起重機械、橋梁閘壩、地鐵工程等領域，由于性能穩定，結構合理，強度和剛度好，目前國內外市場上所占比例逐步增加。工字鋼系列中的H型鋼屬于高效經濟截面型材，其翼緣寬壁薄，單重輕，翼緣內外側表面平行，翼緣端為直角，便于組合鉚焊連接，由于截面形狀合理能使鋼材更高的發揮效能。在不同要求的金屬結構中，不論是承受彎曲力矩、壓力荷重還是偏心荷重都有獨特的優點，能有效提高承載能力，具有優良的力學性能。斷面模數，慣性矩及相應剛度等都優于傳統的工字鋼。

鑒于H型鋼產品的市場發展優勢以及國內生產企業的分布情況，八鋼新建一條30萬t規模的萬能軋機半連軋生產線，發揮其優于傳統工字鋼兩輥式軋制工藝的4輥萬能寬翼緣軋機特性，填補新疆乃至西北地區普通工字鋼和H型鋼的產品空白。

新建生產線利用了部分舊的設備，根據生產線工藝狀況的特點及極限規格產品開發的需要，有針對地進行孔型設計制定壓下規程，為H型鋼的高精度穩定生產提供基礎條件。

2 工藝布置及主要設備

H型鋼生產線建在新疆阜康市技術開發區，位于烏魯木齊市和昌吉州境內，所需坯料由八鋼公司本部煉鋼廠40t轉爐或150t轉爐提供，周圍環境達到國家標準要求，生產工藝及設備選型具備國內同類先進的自動化配置水平。工藝布置見圖1。

圖1 半連軋工字鋼產線平面布置圖

設計產品規格坯料規格見表1。主要設備見表2。軋機性能參數見表3。

表1 產品及坯料規格

表2 型鋼產線主要設備參數

表3 軋機性能參數

3 工藝特點

產品原料采用八鋼本部供應的 150×150（mm）、165×225（mm）和200×240（mm）連鑄坯，能滿足100～250mm寬的槽鋼、工字鋼以及6.3～18#角鋼品種規格，產品規格范圍較大。

3.1 裝備特點

（1）為減少投資，粗軋利用了八鋼公司原中型材廠的Φ650三輥式開坯機，主電機功率由2000kW改為2500kW,可軋制5～9道，可為萬能精軋機組提供腰部較薄的成型斷面，減少萬能軋機負荷。但此配置落后于二輥可逆式軋機，一般粗軋機組采用二輥式可逆軋機具有的調整靈活、軋輥孔型共用性強、大幅減少換輥頻次、適應多品種規格、小批量生產特點的優點。精軋機組主電機利舊，各機架電機功率如表2，上限產品規格按常規配置電機功率明顯偏小，在軋制過程中過負荷跳電情況時有發生，需從均衡壓下分配和鋼溫控制上給與協調。

（2）精軋前設置Φ1500mm圓盤熱鋸，完成切頭和根據50m冷床及成品定尺長度鋸切對應倍尺。精軋后的倍尺飛剪能夠對小規格的角槽鋼進行倍尺剪切。新增的六架萬能軋機替換原有的六架兩輥水平軋機，滿足H型鋼的生產條件，同時可改變由兩輥軋機軋制工字鋼的特有難度，有利于提高軋制穩定性及產品質量。萬能軋機選用無牌坊短應力線卡盤式軋機，每架軋機由一臺直流電機單獨傳動，采用液壓馬達和手動方式同步對稱調整或單獨調整輥縫；水平輥系為彈簧平衡。

3.2 生產工藝特點

（1）角、槽鋼的軋制不宜使用萬能軋機輥環形式，因其輥徑尺寸大、輥環寬度限制，存在軋制負荷大、軋輥利用率低問題，尤其是角鋼的生產，故在軋制角、槽鋼產品時，可將萬能軋機立輥輥系拆除，輥環軋輥更換為輥身長度900mm的整體軋輥，并更換導衛橫梁，滿足多品種的生產需求。

（2）H型鋼采取在線矯直工藝，為了避免軋件高溫矯直后出現的熱應力彎曲，在冷床出口側設有噴水冷卻裝置強化冷卻,消除矯后鋼材在繼續冷卻過程中重新產生彎曲的內應力所導致的形位尺寸變化。在定尺冷鋸時，冷卻水的局部冷卻也會導致高溫的型鋼彎曲變形，故必須進行噴霧冷卻，矯直時軋件的鋼溫不得超過100℃。

矯直后的成品通過編組成排進行可進行不同定尺長度的鋸切，提高定尺切割效率。電磁碼垛機可實現所有品種規格的自動碼垛操作，達到全流程機械化作業，降低勞動強度。

在自動控制中具有精軋機組各機架之間采用微張力控制、速度級聯控制、軋制速度主控沖擊速降補償、軋件頭尾跟蹤、模擬軋制功能、飛剪快速準確定位控制、鋸切控制及設備運行連鎖控制等功能的一級基礎自動化級和過程控制的計算機控制系統。

4 孔型系統的設計思路

國內H型鋼生產線粗軋一般采用兩輥多道次往復軋制或一至兩架三輥開坯機軋制，軋制5～9道，后續由4～6架萬能軋件與2～3架軋邊機組成連軋機組。根據軋機形式的不同孔型系統有所區別。鑒于實際工裝條件，在Φ650開坯孔型設計采用了共軛彎腿斜軋孔型形式，以利于加大產品規格范圍。根據產品大綱中的不同規格，經5～7道次粗軋軋成具有工字形斷面的中間坯，四輥萬能機架和二輥軋邊機架所組成的9架連軋機組進行精軋。

4.1 開坯孔型設計及壓下規程

圖2 開坯機孔型

以194×150×6×8.8（mm）H型鋼為例，根據Φ650mm軋機參數，粗軋孔型采用了直軋共軛和斜軋法混合設計。為增加軋制道次，粗軋孔型采用三對共軛孔型，1～2道為水平切深孔，3～6道采用斜軋孔型，第7道規整腿長對稱。方坯或矩形坯軋制H型鋼，腿的長度不同于異形坯，在軋制道次較少的條件下，采用斜軋法易于增加腿高，坯料高度的選擇一般取成品腿高的1.4～1.6倍。此規格坯料斷面為200×240（mm）矩形連鑄坯。

粗軋孔型設計以來料斷面及精軋道次而確定，粗軋末道尺寸要滿足精軋壓下規程條件。孔型設計主要依據為腰部壓下量Δ，根據萬能軋機平均延伸系數與總軋制道次，得到總的延伸系數（相對腹板而言）∶

通常，內側壁斜度取10%～25%，外側壁斜度取5%～15%；翼緣高度=+(5～30mm)。

式中∶、0——成品、來料腿厚；

1/ηtc、1/ηyc——腿、腰平均壓下系數；

α——腿、腰壓下平衡系數；

α的取值范圍∶窄翼緣系列α=1.002～1.014；寬翼緣系列α=1.002～1.028

進萬能孔型前的開坯機最終道次尺寸確定如圖3 a所示。

圖3 成品和精軋來料斷面圖

第1～2道為直軋切深孔，按照經驗數據切深孔內腿總高拉縮量為腰部壓下量的30%～40%，即∶1-2=(0.3～0.4)(1-2)

第3～6道斜軋孔由于斜度較大，腿高的拉縮量為腰部壓下量的12%～20%，即∶1-2=(0.12～0.2) (1-2)

圖4 粗軋孔腿部修改示意

原設計孔型由于拉縮量估算誤差導致成品腿長達不到標準尺寸要求,實際試軋尺寸記錄，見表4。

表4 不能軋機壓下規程 mm

經反復調整粗軋末道腿高達不到設計的165mm，再減小軋邊壓下量其成品腿高仍短約3mm，故對粗軋孔型進行了修改。如圖4中a、c為原設計開坯第3、4道孔型的斜配角和開口腿外側斜度，通過加大側壁壓力來實現增加腿部的寬展，既側壓量與孔型側壁斜度成正比，為了增加側壓量，采取孔型斜配或加大開口腿外側斜度，改進后其斜配角由12度增加到15度；外側腿斜度由15度增加到23度（如圖4修改后的b、d），解決了原開坯孔型設計出現的成品腿長度欠3mm的問題。開坯機壓下規程見表5。

表5 開坯機壓下規程mm

4.2 萬能軋機的孔型設計

萬能軋機軋制時只能對腰部和腿部壓下，腿端的壓下需要軋邊機進行對腿長進行控制。在腿部壓下時由于水平輥側面與軋件存在速度差，滑動摩擦造成軋輥的磨損較大，為增加重車率，設計3°～8°的斜度。其孔型設計主要是確定水平輥寬度。

孔型設計主要是確定H型鋼邊部內側間距，即精軋孔型水平輥寬度，見圖5。

腰的厚度和腿的寬度根據標準或用戶要求所規定的上下限取中間值作為設定值；

式中∶αt、αy——腿和腰的熱膨脹系數；

γi——各機架輥身長度影響系數；

——腿厚，mm

實際在萬能軋機上軋制H型鋼時，軋件的腰高和腿寬的變化很小，為簡化計算，可以近似的認為i-1=i，i-1=i將延伸率轉化為壓下量之比，建立常數即

萬能軋機的成品孔型是H形的，成品前孔型為X型，如圖4所示，軋輥側壁斜度取3°～5°。在萬能孔型內，翼緣在水平輥側面與立輥形成的孔型里變形，翼緣的端部延輥身方向自由寬展，影響翼緣寬展的因素有∶翼緣的壓下量，翼緣和腹板之間的變形牽制，軋邊機對翼緣端部壓下量形成的強迫寬展等。

圖5 成品、成品前孔型設計

4.3 軋邊機孔型設計

軋邊機作用是對翼緣端部及腹板和翼緣連接處進行加工。軋邊機孔型的水平輥寬度e=,或e=-(0.5～1.0)mm；其側壁斜度與來料側壁斜度相同；軋邊機孔型的槽底斜面應與側壁夾角為90°，如圖6所示。為來料腹板內寬，e為軋邊機孔型的水平輥寬。

圖6 軋邊機示意圖

軋邊機孔型深度he可用下式確定∶

由于軋邊機孔型腰部無壓下，只是對腿端壓下修正，軋邊機設計了套裁技術，實現了一套軋輥可以布置2個以上規格的孔型，減少了軋輥的更換和占用量。

4.4 精軋機組壓下規程

制定規程時，一般應使翼緣壓下系數大于腰部壓下系數。通常成品軋機腹板壓下系數可取1.05～1.1。其余道次可取1.1～1.5。

軋件在U/H孔型中軋制時，軋件的邊高會有變化，軋件邊部在U/H孔型軋制時的寬展量要大于從U/H道次到U/H道次時的寬展量，從H道次到U道次時，軋件邊部除自然增長量外，由于軋件邊部在H道次中，邊部附近有局部增厚，進入U/H道次中軋制時，軋件邊端處有強迫增長量∶

根據上述原則，可確定出精軋機組各道次的軋件尺寸及壓下規程見表6。

掌握軋件在不同部位變形規律基礎上，準確計算各道次斷面積，確定成品軋件的軋制速度，計算各道次延伸系數，建立秒流量關系，萬能軋機只需按水平輥直徑作為工作直徑。由于多機架連軋，無活套調節，微張力控制難度較大，要求具備一定操作技能，根據畫面電流值變化情況和機架間軋件堆拉狀態手動干預。

表6 精軋機組壓下規程mm

5 關于半連軋軋制工藝改進的思考

（1）Φ650m粗軋機軋制稍大規格的H型鋼，如20#及以上規格，采用共軛孔型可以增加槽孔配置，改善咬入條件。彎腿斜軋、孔型斜配孔型設計，可以使開口腿相對于腰向外擴張一個角度，其側壓量進一步加大，加劇了開口腿的增長和減少閉口退的拉縮，起到彌補鋼坯高度不足、減少軋制道次的效果。

斜軋開口腿內側斜度不易過大，否則腿厚向的壓下不但沒有寬展，還會使腿部金屬量向腰部流動，減少腿部的寬展。斜軋法同時也會增加軋輥的軸向力，給成品4條腿的對稱性控制帶來難度，需對輥環側壁專設的止串間隙精確加工，采取三輥對車方式，并加強制瓦壓板作用。

（2）在保證連軋機組來料斷面尺寸符合要求條件下，精軋腰部和腿部的壓下各道都是獨立調整，要用塞尺準確設定壓下量，自制試棒操作更為方便。斷面尺寸按逆軋制方向，由成品按軋制時腰、腿的壓下平衡條件來確定，理想條件是兩者壓下率相等。若腿的壓下量過大，則腿的寬展過大，軋邊時腰和軋輥間隙偏大，4條腿的尺寸不易相等；反之，對腰壓下過大，腰起波浪缺陷。腹板和翼緣延伸不均，產生的成品腹板或翼緣波浪，嚴重時會出現腿部或腰部拉裂，尤其是接近終軋的幾個道次。

（3）工字鋼軋制不同于簡單斷面軋件生產，在連軋機組無法測量各道次軋件尺寸，試軋過程或更換產品規格后的秒流量關系的建立需要準確掌握軋機彈跳對輥縫設定的影響規律。在主電機能力偏小情況下，均衡分配各道次的壓下系數尤為主要，采用馬弗爐加熱對小樣進行逐道試軋，連軋前準確調整腰部和腿部的標準尺寸和對稱度，對減少堆鋼事故，快速順產非常必要，通過上述措施的實施，成品軋制速度由2m/s可提高到2.6m/s，加快軋制節奏提高小時產量。

（4）萬能軋機的水平輥與立輥輥身長度及輥徑的配置要綜合考慮H型鋼腰內寬、腿高以及咬入條件等因素，在水平輥尺寸的設計時存在磨損、熱膨脹和彈性變形的影響；立輥錐度的不對稱也會影響腿部的偏向寬展。綜合考慮咬入條件和立輥強度及結構因素，在配輥、磨損后的返修及水平輥面的熱裂修復時，要保證立輥和水平輥輥徑之比在0.6～0.7。

（5）H型鋼腰部、腿部的均勻延伸是實現工字鋼全連軋工藝的關鍵,應結合生產實際,摸索影響變化規律,達到工字鋼腰、腿延伸系數之差最佳。腰部、腿部均勻延伸,可以減小腰部、腿部之間的殘余應力,保證連續軋制的正常軋制,降低能耗、提高產品質量、降低軋輥磨損,從而降低產品的成本,以獲得更大的經濟效益。

（6）除連軋秒流量因素外，軋件開花頭和進出口導位狀況是影響堆鋼事故的主要原因，后續增加的切頭、分段圓盤熱鋸，有效解決了軋件頭部咬偏造成的堆鋼事故。原設計喇叭口形式入口導位易出現軋件騎入水平輥縫處而沖出口導位，改進為上下腰部吊掛式導槽結構。切頭和改進導位的配合，能可靠、穩定連軋，作業率顯著提高。

要生產出質量好、成本低的H型鋼，首先需要確定一個合理的生產工藝流程，包括加熱制度、孔型系統和精確的軋制規程，并根據設備條件在實踐中對生產工藝進行不斷完善和優化。

[1]王川等主編.孔型設計資料.成都金華應用技術研究所.

[2]錢大川主編.型鋼生產新技術.北京∶冶金出版社.

[3]趙松筠，唐文林.型鋼孔型設計.北京∶冶金工業出版社.

[4]孫中華.軋鋼生產新技術實用手冊（第二卷H型鋼生產）.銀生音像出版社.

Design and Improvement on I-beam Steel Semi-continuous Rolling Process

KONG Li-ming
（Xingjiang Bayi Iron&Steel Stock Co.,Ltd）

This paper introduces the new semi-continuous I-beam universal section rolling production line in terms of process layout and equipment performance parameters.It focuses on the practical issues in the interest of the old part of the equipment condition about rolling pass design product specification limits on the presence and the effects after improvement.Combined with practical applications,the rolling in the roughing passes,the deformation and controlling essentials of the universal pass are discussed.Some improved measures that affect the stability of rolling are adopted.

I-beam steel；universal rolling mill；pass design；rolling schedule design

TG335.4+.2

A

1672—4224（2015）04—0045—06

聯系人：孔利明，男，58歲，大專，高級工程師，烏魯木齊（830022）新疆八一鋼鐵股份有限公司軋鋼廠

E-mail:konglm@bygt.com.cn