萬能軋機在型鋼生產中的前景

王 利

(中冶沈勘秦皇島工程設計研究總院有限公司 河北秦皇島066004)

1 前言

萬能軋機是一種新型的軋鋼機械雖然它的出現很早，但真正廣泛使用在工業生產中，還只有近四十年左右的歷史。它的出現給型鋼的軋制生產帶來了一場革命性的變革，使型鋼品種生產的范圍更加寬廣，也使型鋼產品的精度和質量有了很大的提高。

1902年盧森堡Arbed-oifferdange廠建成第一套采用萬能機架和軋邊機架軋制H型鋼的格雷式(Greg)工業性生產軋機，即誕生了世界上第一套萬能軋機。1914年德國Peine公司建造普潑式(Puppe)萬能軋機。1926年美國南芝加哥建造卡內基式(Carnagie)萬能軋機。盡管許多國家建造了專業化的H型鋼軋機，但發展很慢，到50年代中期才建成約7套H型鋼軋機。從50年中期以后，隨著建筑工業的發展，對于H型鋼的需求量在不斷的增加。H型鋼軋機(即萬能軋機)到70年代中期在全世界就建成了約60多套，其中一部分是新建的，還有一部分是改造原有大型或軌梁軋機而成，改造的共同特點是原有機架基本不變，另增設由萬能機架、軋邊機架組成的可逆成品萬能機架。

70年代起，新建的中小型H型鋼軋機有兩個發展趨勢：一是采用了機架串列可逆萬能軋機做為中軋機組，另設軋邊—萬能精軋機組，如1971年7月建成的日本川崎制鐵水島中型廠(西德德馬克公司和日本日立造船公司合作制造)；1979年投產的意大利特勒諾(Tirreno)廠中型萬能軋機等。二是建立可以生產中型材，也可以生產小型H型鋼的連續式中型軋機，這是為適應中型型材向高精度、高質量和輕型緊湊方面發展。比利時(Cockorill)廠、日本君津廠西德(Peine)廠、波蘭(Katowice)廠等都在70年代建成這樣的軋機。

2 萬能軋機的構成及現狀

萬能軋機是由一對水平輥和一對立輥組成的主機架，對軋件進行四面加工，通常又由二輥水平軋機做輔助機架，萬能軋機的主要結構即四個軋輥(二平二立)裝在一個機架上，并且四個軋輥的軸線在一個平面內。平輥用于軋制型鋼的腰部和腿部的外側面，輔助機架用于控制腿寬并軋齊腿部的端頭。萬能軋機從出現到目前的使用上主要是用于軋制H型鋼上，萬能軋機軋制H型鋼，正在朝著連續化、自動化、用連鑄坯及擴大品種等方面發展。據不完全統計，目前世界各國有26個國家生產H型鋼，擁有150多套H型鋼軋機，年生產H型鋼約5000萬噸。此外，比利時、日本、西德、波蘭、蘇聯、美國等國還建成了帶萬能機架的連續中型軋機等約10套。這些軋機即可生產較小規格的H型鋼，也可生產其它中型型鋼，特別便于生產輕型薄壁產品。

我國過去H型鋼軋機(萬能軋機)一直是空白，從90年代開始我國陸續建成的H型鋼軋機有28套，其中投產的有25套。這25套萬能軋機軋制H型鋼的最大規格為H1000，最小規格為H100。能生產H型鋼總量為2300萬噸左右。由于市場需求和市場認識方面的原因，目前我國的H型鋼使用范圍與歐、美發達國家比還存在很大的差距。2015年我國H型鋼的市場消費量為1240萬噸左右。目前我國具有國際先進水平的H型鋼生產線，大規格生產線馬鋼、萊鋼，津西、新泰、包鋼、日照各1條共6條；長治鋼鐵，鞍山寶得、盛達鋼鐵、河北天柱、萊蕪金豐、昆鋼有部分窄翼緣大規格生產能力；其余均為中小規格生產線。我國的H型鋼還有待于市場的進一步開發。

3 萬能軋機軋制型鋼特點

采用常規孔型法軋制工、槽、軌等異形斷面軋材時，因軋件僅受上下二個方面壓縮，其斷面上的金屬流動靠不均勻延伸由腰部向腿部流動，因此軋件斷面上內應力高，軋制輕型薄壁鋼材受到很大限制，此外孔型法軋制時孔型頂部與根部輥徑差大，因而速差大造成軋制能耗大，軋輥磨損大，軋件表面質量不好。孔型軋制，只可生產一般簡單異型和縱軋周期斷面型鋼。當軋制異型斷面產品時，不可避免地要用閉口槽，此時軋槽各部存在著明顯的輥徑差，因此無法軋制凸緣內的凸緣高度，輥身限制著可軋的軋件寬度。因此軋制60號以上的工字鋼和大型鋼樁等比較困難。由于徑差及不均勻變形的存在，引起孔型內各部金屬的相對附加流動，從而使軋制能耗增加,孔型損磨加速，成品內部產生較大的殘余應力，影響軋材質量。但這種軋法設備比較簡單，故目前大多數型鋼軋機仍然采用。

而采用萬能軋機軋制時，軋件同時受四個方向壓縮，在平輥與立輥四個軋輥受上、下、左、右壓縮，軋件斷面上腿部與腰部延伸基本相同，金屬在軋件斷面上很少流動現象，因此非常有利于軋制輕型薄壁經濟斷面鋼材，H型鋼是其中最有代表性的輕型型薄壁高效鋼材，所以通常把這種萬能軋機也稱為H型鋼軋機，現代最新設計的萬能軋機都是設計為復合即萬能輥組與二輥輥組可以通用，因此除了軋制H型鋼外，也可軋制工、槽、角、軌、方圓、扁等全部異形斷面，可以名副其實的稱之“萬能”型鋼軋機。

4 我國采用萬能軋機初期發展泛例

鞍山市軋鋼廠已于一九九二年將原500/2/400×3橫列式中型軋機改造為萬能軋機開發H型鋼產品。其改造分二步進行，第一期工程保留500×2，拆除了400×3軋機及后部冷床等設備，采用了國產的 [沈陽重機廠制造] 全計算機控制的大剛度開軌式萬能軋機，按照中軋組U+E可逆，精軋機組U一架不可逆組成2-2-1布置方案，軋機采用萬能輥系及二輥輥系兩種方式 [注：U-萬能軋機，E-軋邊機]。后部工序采用了長尺冷卻，長尺矯直，冷切定尺等先進的中型精整工序，第一期改造只花費了4800萬元。于92年12份投產后，原5#-15#槽鋼，6.3-10#角鋼，12Kg/m-15Kg/m輕軌的質量得到很大提高，產品尺寸精度達到±0.1mm -0.2mm，表面光潔，定尺率高，并實現了產品的負公差軋制，成材率達到99.8%以上經濟效益得到顯著提高。投產后第一年就收回了投資成本。

該廠二期改造是將500×2軋機改成ф650×1/500×1 大規格產品通過ф650×1軋機，小規格產品二者都通過。開坯改造后該廠可生產HZ200、HZ140這樣的小型H型鋼及相應斷面的中型材。該廠二期改造以后，于96年還相應的成功軋制5.5—8.0輪輞鋼。隨著我國汽車工業的飛速發展，汽車輪輞鋼的需求日增，鞍山市軋鋼廠的產品在一汽和二汽都有大量訂貨，給該廠帶來了可觀的效益。象這樣的產品雖然也可以在普通的三輥式軋機上生產，但是難度很大。而且質量也得不到保證，成材率低、成本高，用萬能軋機生產這種復雜斷面的產品，就能夠充分發揮萬能軋機的優勢，不僅產品質量好，而且成材率也很高，產品具有很強的競爭力。該廠生產的汽車輪輞鋼的價格每噸比普通型材高1000多元，產品的效益是相當可觀的。鞍山市軋鋼廠開創了我國利用萬能機軋制除H型鋼以外的型材先河。也提供了萬能軋機軋制普通型材和特殊型材的生產經驗。

5 萬能軋機和三輥軋機軋制型鋼比較

隨著我國鐵路的現代化發展，載重量的不斷增加，火車時速已達到350Km/h ,因此對鋼軌的強度、韌性、耐磨性、平直度等都提出了很高的要求。除了對鋼軌的強度、材質、耐磨性等有一定要求外，還對鋼軌的尺寸公差和形狀有一定的要求。傳統的鋼軌軋制分為：直軋法和斜軋法兩種，在一般三輥水平軋機上用箱-帽-軌形孔型系統進行生產。根據多年生產經驗，為保證軋出足夠寬的軌底，需用足夠高的矩形坯料，3—4個帽形孔和5—6個軌形孔。在咬入條件允許的情況下，帽形孔切深較多，孔內側壓較小時，則產品質量較易保證。此時軌底部分金屬能受到強烈加工，原垂直于軌底的結晶組織被切分和軋平后加強軌底強度。軌形孔采取斜配置，與直配置相比，不但減少了孔形切槽深度，增大了軋輥強度，有利于加大變形量，而且減少了輥徑差和軋輥重車量，對增大孔底側壓量，提高孔形使用壽命均有利，所以目前均多采用斜軋法。但是二輥孔型軋制軌，無論是直軋法還是斜軋法都存在如下一些問題：

1)軌頭踏面形狀難保證

標準規定軌頭的踏面的形狀是由2-3個園弧形成，園弧半徑是定值。在二輥成型孔中，軌頭踏面處于成品孔開口處，因此成品重軌的軌頭踏面是按自由展寬或有限的限制展寬而形成，其形狀在溫度高時呈平直形，在溫度低時呈曲率半徑較小的凸形，新舊輥不同，其形狀也不同，一根鋼軌的高度不均時，其形狀也不同。

2)斷面形狀不對稱用

二輥孔型軋制重軌，從第一個軌形孔到最后一個成品孔，軋件都是在上下左右全不對稱的變形條件下進行軋制的。特別是成品孔中不對稱的變形條件，常使成品重軌的斷面形狀不對稱。雖然在軋制過程中采取了相應的對策，但仍然有時由于某種原因使對稱程度超差。

3)軌高和軌底的精度較差

軌高尺寸取決于軌頭的局部自然展寬，而自然展寬量取決于溫度，成品孔的壓下量，軋輥表面狀態，軌底尺寸不僅取決于成品孔的腰部壓下量，還取決于成品前九軌底部份的開口和閉口邊的厚度，在軋制過程中，上述因素是變化的，為保證尺寸精度，要靠正確的調整，稍有不慎，就會有超差出現。

4)軌頭和軌底的加工量小、質量差

進行一個軌形孔的軋件寬度小于成品孔的寬度，軌形孔的軌底與軌頭部份，特別是軌底面與軌頭踏面直接的壓下量小，正因為這樣，用二輥孔型軋重軌都一樣，軌腰的質量均高于軌頭和軌底。

5)重軌的平直度較差

重軌的平直度是保證火車在軌上行駛能快速平穩運行的重要條件之一，因為在二輥孔型軋制時，成品孔是在軌頭處開口，軌頭踏面處于自然展寬，由于影響展寬的諸多因素中沿重軌長度方向有差異，其結果導致在重軌長度方向的軌高也有差異。這種差異使重軌踏面平直度較差。

綜上所述，用二輥孔型軋重軌，由于其軋制條件在客觀上的限制，必然會出現上述問題，雖可以通過各種方法與措施來減輕，但不能完全消除。

隨著高速火車的產生，對重軌的各方面要求的進一步提高，包鋼、攀鋼、鞍鋼、原武鋼等生產重軌的企業，為了滿足高速重軌的要求正在采用萬能軋機軋制重軌，用萬能軋機軋制的百米定尺重軌，為我國高速鐵路的發展做出了巨大貢獻。

萬能軋機軋制重軌，因為直平輥和立輥的軸線是在一個水平面上，平輥可為主，出輥可為被動，在萬能軋機旋轉一架二輥軋機(即軋邊機)，做為輔助成型機架；主輔機架均為可逆式，在軋制中形成連軋。由于不存在閉口槽，且為上下對稱軋制，故產品尺寸精確，軋件內部殘余應力小，軌底加工好，軋輥磨損及電能消耗均減少，調整比較靈活。與常規軋法相比，產量可提高1.8倍，作業率提高10%，軋輥消耗降低20%。

用萬能孔型軋制鋼軌，早在1960年，美國人Jssermum就取得了專利權，但未得到實際應用。1962～1968年期間在法國Unimetal-Suciber集團(原來的Saciler公司)Hayange廠，用多輥孔型軋制重軌取得進展，1965年取得了用多輥孔型機架和軋邊機軋制重軌的專利，并把專利賣給了幾個國家，俄羅斯也從事了這方面的研究初中，現在已有幾個國家使用了多輥孔型軋制重軌，它們是：

1)法國Unimetal-Suciber集團的Hayange廠；2)析日鐵八幡軌梁廠；3)南非鋼鐵公司，比勒陀利亞廠；4)美國賓夕法尼亞洲，惠林匹茲保鋼公司莫內森廠；5)澳大利亞的布羅希爾公司懷阿拉廠；6)巴西米納斯·吉拉斯鋼公司；7)俄羅斯KMK廠。

以上各廠都通過多輥孔型法生產出合格的重軌。

提高重軌質量從開始生產重軌之日起就從未間斷過，其辦法是不斷提高鋼本身的質量，鋼的純凈度，改變化學成份。加合金元素。但在改變形狀方面，過去研究的種種方法等，但直接最有效的方法應為采用多輥孔型軋重軌，其效果已被相關廠的使用較為明顯的證明了。

6 綜述

我國的萬能軋機使用，目前為止除了鞍鋼、武鋼、攀鋼、包鋼采用萬能軋機軋制鋼軌產品外，大部份還只局限于軋制型鋼上。到2015年盡管我國H型鋼軋機(萬能軋機)已有30多套投入生產但是大、中型材還是有很大缺口。特別是近年來，國家提倡綠色鋼結構建筑作為國家發展的主導方向。在未來市場上對大中型鋼材品種需求和多樣化，萬能軋機除了生產H型鋼的同時，還可以使用萬能軋機四輥輥系軋制常規的大中型鋼材如重軌、槽鋼、T型鋼(切分)等。鞍鋼、武鋼、攀鋼、包鋼采用萬能軋機軋制鋼軌產品已經廣泛適用于我國近三萬公里的高速鐵路線上，我國高鐵成為世界品牌，與高質量的鋼軌有著密不可分的關系。在保證鋼軌的踏面形狀、斷面形狀不對稱用、軌高和軌底的精度、重軌的平直度等方面提供了可靠的保證。由于采用萬能軋機軋制大中型材的孔型磨損少，能耗低，軋材表面質量好，因此，在我國型材軋機領域中，隨著國民經濟的發展，同時也需大量各種復雜斷面的異型鋼，采用萬能軋制型鋼是最有優勢的生產技術。特別是在推行綠色鋼結構建筑及鋼結構裝配式建筑方面，所需的連接件、特殊結構件，都可以通過萬能軋機生產線完成。隨著萬能軋機在型鋼生產中的普及應用，目前我國型鋼生產的設備和技術已達到或基本達到國際先進水平。今后型鋼生產的主要課題是提高產品質量和開發新品種。目前H型鋼的研發方向正朝著積極開發研制建筑用耐火、耐候、抗震系列H 型鋼，國際先進標準H型鋼、高強度控軋控冷H型鋼等品種。迄今為止，我國還有部分型鋼產品生產空白。例如:鋼板樁、大型船用型鋼、大型鐵路車輛用型鋼、機械工程用鋼。這些產品也是型鋼市場重點培育和發展的市場。由萬能軋機生產線取代原有傳統老式型鋼軋機生產線是我國大中型材生產技術發展的必然趨勢。