異型鋼軋制關鍵技術研究與應用

朱慶華

異型鋼因其使用高效便捷、綜合成本低、綠色環保在國外已得到全面推廣應用，如二十世紀二十年代鋼板樁在歐美、日本等發達國家開始大規模應用，中國到本世紀初才引入，僅鋼板樁應用方面與發達國家有百年差距，其中有行業應用特征所限，但因異型鋼軋制成本高、批量小、成材率低等使其高品質規模化生產一直困擾著正常開發生產。

研究實施本項目對解決異型鋼生產技術的行業共性問題、豐富企業產品結構、促進國家相關領域的轉型升級等具有非常重要的現實和長遠意義。

1 創新點及關鍵技術

從三個維度進行研究分析。

1.1 異型鋼全軋程三維熱力耦合數值模擬技術的研究及應用

1.1.1 異型鋼全軋程三維熱力耦合數值模擬思想及方法

采用“分段組合”的方法，根據軋制規程，將整個軋制過程分成多個時間段進行計算，在整個計算過程中，每一個時間段的求解結果作為下一時間段求解模型的初始條件。以U型鋼板樁為例，由于軋制道次較多，網格畸變過大，初始網格構形經過多道次模擬后計算精度降低。減小多道次變形過程中網格畸變的影響，采用了中間道次模型重構及溫度映射的方法，如下所示。

軋制過程的熱力耦合計算，采用顯式時間積分算法進行結構計算，同時采用隱式時間積分算法進行溫度計算。由于隱式算法是無條件穩定的，在一個耦合的時間增量△t內，溫度計算的時間步長可以較結構計算的時間步長更大。這樣一來，在時間增量△t內的結構增量步數和溫度增量步數就不相同。經過若干耦合時間增量的計算之后，得到最終的計算結果。

在計算過程中，對流、輻射、熱傳導三種熱交換形式同時存在，設定軋件表面與周圍環境之間的對流和輻射熱交換邊界條件。在變形區內，軋件產生較大的塑性變形，假設軋制變形過程中塑性功轉換為熱的有效系數設定為0.9。軋輥采用剛性輥，由于研究的對象為軋件，軋輥的溫度場不作為研究對象，假設軋輥溫度恒定為300℃。軋輥與軋件之間的熱交換主要是熱傳導的形式進行，設定兩者之間的熱傳導系數。在變形區由于軋輥與軋件的接觸，軋件表面與周圍環境的對流和輻射熱交換，這兩個邊界條件在變形區內自動轉換為軋件與軋輥之間的熱傳導。在軋制過程中，采用面對面接觸方式進行軋輥與軋件之間的接觸定義，采用庫倫摩擦方式進行摩擦的定義，摩擦系數設定為0.35。

1.1.2 基礎數據庫的建立

熱軋過程中軋件的溫度加熱到1200℃左右，隨著軋制過程的進行，軋件溫度會產生變化（塑性功轉換為熱導致升溫，與周圍環境的熱交換會導致降溫）。材料的相關物性參數將會隨著溫度的變化而產生變化。針對異型鋼生產線典型鋼種，建立了溫度相關的彈塑性材料模型。材料的相關物性參數通過實驗得到，其中包括了隨溫度變化的結構參數：彈性模量、泊松比、熱膨脹系數；隨溫度變化的熱力學參數：比熱、導熱系數，以及不同溫度、不同應變率下的應力應變曲線。同時針對異型鋼產線，為便于數值模擬工作的開展，建立孔型系統的三維CAD模型及有限元網格模型。

1.1.3 全流程軋制數值模擬

通過全軋程數值模擬，得到各道次軋制過程中的孔型充滿程度及應力應變分布。根據全軋程三維熱力耦合數值模擬計算，得到軋制全程軋件的幾何形狀改變的同時得到了軋件溫度場的演變，從而完成了軋制過程中軋件任一部位任一時刻溫度狀態，為控制組織演變及優化工藝提供溫度依據。

全軋程的數值模擬，可是準確的判斷各道次走鋼狀態，從而指導孔型及配輥設計、優化的同時，也為前后導衛裝置的設計提供了直觀的參考依據。同時，針對不同孔型設計或道次壓下分布，可以準確預測軋制負荷（軋制力、扭矩等），在與設備能力對比后直接指導孔型及工藝設計、優化。通過數值模擬確認了鋼板樁在雙BD軋制過程中不同道次形變情況，根據每個道次軋制形變余量條件，為雙BD軋制前坯型選擇、道次變形量分配、寬展形變設計以及導衛裝置提供了理論指導。避免生產初始反復試軋影響軋制效率，提高異型鋼軋制的成材率，大幅度縮短了研發時間及成本。同時，為精軋工序提供合適的粗軋件尺寸，進而可有效控制耳子、填充不滿等帶來的質量缺陷。

1.1.4 精軋機組軋制數值模擬

在BD階段數值模擬計算結果的基礎上，采用建立的連軋機組模型庫，完成5機架連軋數值模擬。從而得連軋機組各臺軋機軋件的變形、應力、應變、溫度等在虛擬環境下“真實”展現。

在數值模擬過程中，得到了各道次的走鋼狀態，特別翹頭現象，因為最初導衛設計的不合理導致翹頭堆鋼事故的發生，在鋼板樁數值模擬過程中，軋件厚度方向應變分布中，兩側腿部下端的變形明顯大于上部，軋件頭部出現上翹；兩對角應變差引起的對角延伸接近，軋件沒有發生明顯扭轉；通過連軋過程的數值模擬，得到了各架軋機軋制速度及秒流量，為軋機轉速等核心連軋工藝參數提供了參考依據；相關孔型、工藝、裝備通過現場實施，與模擬情況符合。為軋制過程穩定性研究提供了一種方法，尤其對于異型鋼的開發，有利于穩定工藝，保證軋制順行，提高作業率及成材率。

1.1.5 全軋程數值模擬軋件各道次截面疊加對比

在全軋程三維熱力耦合數值模擬計算結果的基礎上，提取各道次軋件截面形狀疊加，利用數值模擬，可對可逆雙BD軋制按產品大類分配孔型共用，精軋機組尺寸近似系列產品孔型共用軋制。通過數值模擬，最終對軋制力、延伸率，金屬在X、Y、Z 方向的速度場和等效應力進行了分析，進一步了解了軋件在軋制過程金屬的流動和孔型充滿情況。進而為異型鋼軋制過程斷面尺寸精度控制提供有效參考，結合數值模擬軋制過程出現翹頭、扭曲等異常情況，對參數設計進一步優化調整，為導衛裝置、孔型配輥等提供協同指導。

1.2 基于坯型和孔型共用的異型鋼柔性軋制技術

1.2.1 坯型共用技術的研究與應用

（1）異型鋼軋制坯型適應性分析。根據公式可計算出所需鋼坯最小高度（軋制型鋼翼緣高的方向）B0和鋼坯最小寬度H0。異型線粗軋區域采用的是雙BD工藝布置模式，因此可通過充分發揮異型線雙BD軋機工藝布置優勢，針對不同坯型對應規格產品的尺寸特征從工藝設計的角度賦予BD1縮坯、BD2過渡塑形的職能。

（2）坯型統一設計思路。根據經驗數據確定出平均延伸μp值，結合μz=μpn把上式兩邊取對數，則可求出BD軋制道次數n為：n=logμpμz=7-13。即異型線BD往復軋制道次為7-13道。

結合異型線自BD到精軋有效輥身長度及有效孔型個數，根據異型鋼各類型成品尺寸，可以以寬度偏差在25mm以內，高度偏差在25mm以內為原則對尺寸相近的規格進行分類。

（3）履帶鋼坯型統一設計。根據上述相近規格分類原則，L2W228、L3S216系列、L3W213系列、L3S203系列等多個規格可并為一類，即取中間規格L3W213參與坯料計算。將160*160坯型以及240*375坯型去除，以180*220、165*200、260*300三種坯型替代，減輕坯料組織壓力。

（4）門架槽系列坯型統一設計。經延伸率分析及理論計算可將320*410坯料等大斷面通過翻鋼換孔軋制將坯料縮小至136*115斷面。實施坯型共用技術后，坯型數量較原始設計數量大幅減少，而產品規格不斷得以擴充和豐富。

通過研究坯型資源共享、孔型設計共用等技術制定方案，將12種外形的坯料縮減為5種，其中3種坯型的使用量占比總量的90%以上，需要2臺連鑄機供應坯料。降低了生產組織難度，實現異型線多品種多規格少坯型小批量的柔性軋制。

1.2.2 孔型共用技術的研究與應用

異型線采取的可逆雙BD軋機布置形式，是國際上唯一一家采取此種工藝布置的產線，由于異型線的產品主要為熱軋異型鋼，產品生產工藝差異性大，要求產線的工藝布置具備足夠的靈活性。

常規的設計思路往往得出一種異型材使用一套工藝，而隨著異型線多規格系列開發，造成軋輥、導衛等工藝件投入帶來的成本壓力愈加明顯，孔型的共用已成為技術瓶頸，基于此研究開發異型鋼的孔型共用技術。對于孔型共用技術從雙BD連軋、連續式控制孔設計、5機架精軋孔型優化匹配進行研究和應用。

（1）雙BD孔型共用技術。利用BD1和BD2軋制過程各道次變形及壓下量分配，對BD1和BD2軋制道次結合產品規格進行前期余量優化分配，實現雙BD軋制過程形變效率最大化，突出BD1大變形量特征、實現BD2近終型軋制。

（2）連續式控制孔設計思路。根據相近規格尺寸偏差綜合考慮，可以在一套BD軋輥上布置一個箱型孔或一個開口切分孔、兩個閉口切分孔、三個控制孔，軋件通過箱型孔縮坯、切分孔塑形、控制孔擴腰（或縮腰），選擇不同個數的控制孔進行組合軋制，進而實現一對BD軋輥可生產多個子規格。通過此類設計方案，在保證產品精度的同時，大量減少了工裝投入，提升生產組織效率。

（3）六機架精軋孔型共用技術。精軋成品孔型設計的關鍵是確定翼緣內側間距，即成品孔型水平輥寬度，為提高軋輥壽命和保證產品尺寸，確定軋輥寬度時應考慮腹板寬度和翼緣厚度方向上公差。

通常遵循前期機架間水平輥寬度增幅較大，前期機架間水平輥寬度增幅較小。圓角自成品孔逆軋制順序依次增大2㎜～7㎜，前面機架可取大些。水平輥側壁斜度P%自成品孔逆軋制順序依次加大2%～10%不等。

1.3 基于異型鋼高尺寸精度特征的軋制技術研究

異型鋼斷面復雜、非對稱，使其在軋制過程中橫向金屬流分布非對稱、不均衡且長度規格分布范圍大，導致孔型設計難度大且無先例可鑒、孔型局部磨損嚴重、咬入條件苛刻、導衛精度要求嚴等，使得異型鋼尺寸精度控制難度大；而其產品尺寸精度要求較一般產品更高。

1.3.1 差異化組合異型導衛裝置設計

導衛設計是異型鋼工藝設計的重要組成部分。不論軋制任何斷面形狀的異型鋼，幾乎在所有孔型的入口和出口都要使用導衛裝置，其目的是使軋件能夠進出孔型，來保證軋件按既定的變形條件進行軋制。導衛裝置的設計和使用是否得當，直接影響到產品的質量和軋機生產能力。盡管孔型設計合理，如果導衛裝置的設計或使用不當，也不能軋出合格的成品，并可能造成刮切軋件、擠鋼、纏輥，異型鋼斷面尺寸精度控制亦無從談起，甚至造成斷輥或更嚴重的設備事故和人身事故。

與常規H型鋼軋制過程不同，斷面非對稱的異型鋼在軋制過程中，勢必會因為延伸不平衡出現軋件偏頭、扭轉等問題，該類問題單從孔型設計角度優化往往效果不佳，需要結合全軋程數值模擬不同斷面軋件軋制過程中應變、應力分布分析軋制狀態，進而根據軋制狀態賦予相對應的導衛裝置設計職能（如防止偏頭、防止翹頭等），以此來實現對應不同孔型實現不同效果的個性化導衛設計。

熱軋異型鋼截面不對稱，相比對稱型鋼，異型鋼軋制過程中容易出現偏頭、翹扣頭、扭轉等，導致成品精度低、成品頭尾尺寸超差、成品表面劃傷等缺陷。軋制過程中出現的偏頭、翹扣頭、扭轉等情況是由于軋制過程中斷面內延伸不平衡導致，熱軋異型鋼由截面對稱的矩形連鑄坯軋制成截面不對稱的成品，中間軋制過程不均勻變形劇烈，難以在孔型設計中實現延伸平衡，需要使用具備特殊功能的導衛輔助對中和咬入孔型，消除偏頭、翹扣頭、扭轉等情況的影響。

導衛在較好的實現對中和咬入孔型功能時，軋件與導衛之間間隙要足夠小，容易出現劃傷軋件和卡鋼的情況，嚴重時可引起堆鋼和纏輥事故，導致生產中斷。本項目設計研發了一種熱軋異型鋼用滾動導衛裝置，既實現了順利引導軋件對中和咬入孔型，又不劃傷軋件，此裝置的主要功能創新點如下：

（1）增加導板輔助裝置。在原有導衛的基礎上增加側面導向裝置，防止軋件因偏頭不能對正孔型，側面導向裝置采用“喇叭口”設置，既可以順利引入軋件，也可以促進軋件在咬入孔型前扶正軋件對中孔型，實現順利咬入。

（2）增加導輪防劃傷裝置。側面導向裝置與軋件之間接觸時，二者之間產生滑動摩擦，當軋件存在扭轉趨勢時，側導板容易劃傷軋件，影響產品表面質量，甚至產生廢品。為了即是順利導入軋件又防止出現劃傷，在原有導向裝置的基礎上增加了導向輪裝置，采取滑動摩擦+滾動摩擦組合的方式，有效方式軋件表面劃傷，從根本上杜絕了因偏頭導致劃傷缺陷的產生。

（3）突破了當前熱軋型鋼生產導向輪與軋制面的距離極限。熱軋型鋼生產中也存在應用導向輪的案例，是安裝在軋機前后，由于導向輪與軋制面之間的距離較遠，導向效果不明顯，對軋件在導衛中的偏頭、扭轉起不到作用。組合異型導衛實現了將導向裝置安裝在軋機內部，顯著提高了導向效果。此熱軋異型鋼用滾動導衛裝置的應用，將導向輪與軋制面的距離拉近到584mm，是當前熱軋型鋼行業內的最短距離。

1.3.2 門架槽鋼BD導衛設計

異型鋼在控制孔內軋制時，腿端部金屬量會急劇增加，與孔型側壁接觸腿部上下側壓產生較大差異，造成脫槽困難的情況，進而導致軋件扣頭，此類扣頭趨勢難以通過調整孔型有效去除，因此需要通過對工藝輔助件導衛進行優化，常規設計中導衛尾部需要進行一定斜度倒角設計，來保證異型鋼在往復軋制過程中進出導衛后可與輥道及軋輥平直接觸；針對扣頭現象去除單道次孔型出口導衛尾部斜角，使導衛針對性的對軋件扣頭狀態起糾正作用。異型材的生產過程中，不可避免的會產生不均勻變形。而伴隨著劇烈的不均勻變形產生的偏頭、翹頭、扭轉不僅對設備壽命造成很大損傷，對產線的生產成本也有很大影響。因此通過增加布置于BD機前與機后的鉗式翻鋼機的動作，根據位置要求在+ 90°- 90°之間范圍內設定好拿鋼位置，具體功能體現如下：

（1）正確引導軋件進入孔型，防止出現咬偏甚至卡在導衛中造成廢鋼。通過優化設備喂鋼角度，大大較低了產品的中間廢品量，而且減少了因人工喂鋼造成的局部切絲壓入而產生的軋后檢廢。

（2）在鉗式翻鋼機夾持力的作用下，克服軋制過程中產生的不均勻變形。

（3）使用鉗式翻鋼機后，預先在二級控制系統輸入軋件翻轉的角度，即可實現軋件的自動咬入。鉗式翻鋼機可以實現中間坯料的任意角度翻轉，實現工藝上要求的異型型鋼的斜軋。

（4）開坯充分，避免氧化鐵皮壓入。BD2前后配有鉗式翻鋼機，鉗式翻鋼機靠近機架。通過小推床輔助對中，粗軋區采用雙BD軋制模式，并且配以翻鋼鉤輔助設備，使軋件在進入精軋前得到充分開坯。其中在前面開坯階段配合翻鋼鉤充分翻鋼軋制：每軋制一個道次，即進行90°翻鋼，最大限度的去除鋼坯表面氧化鐵皮壓入。

1.3.3 頭尾預彎式冷卻的研究實施

因異型斷面型材的不對稱性，熱態下的型材在冷卻過程中會出現不同程度的冷卻彎曲變形，而軋件的冷卻變形會對矯直工序的彎曲控制產生較大困難，往往出現變形嚴重的部分超差，而變形輕微的部分合格，進而會對生產效率與生產指標產生較大影響。異型生產線采用頭尾預彎式冷卻技術即帶有預彎小車功能的動靜步進梁式冷床。該冷床在設計上不僅避免了鏈條同步性差造成的長尺軋件拉彎變形的缺陷，而且在拉入裝置上增加預彎小車，有效解決了異型鋼因斷面形狀不對稱產生冷卻彎曲、冷卻扭曲，超出矯直區域調整能力的問題。預彎小車的引入使得軋件在放置靜梁上之前，能夠根據不同斷面異型鋼冷卻彎曲規律對熱態軋件進行有目的性的反向彎曲，保證軋件在冷卻過程中能夠隨著應力釋放與冷卻變形恢復到平直狀態，防止異型斷面型材彎曲度超出矯直設備能力而產生批量廢品。

預彎式冷床入口位置有若干個預彎小車。該裝置中升降鏈架由長梁、驅動長梁運動的擺動架、鏈架、支座等組成，液壓缸推動同步梁使得鏈架升降，擺動臂通過連桿保持同步動作，使鏈架保持平直升降；預彎小車共計布置26個，小車行程由編碼器控制，每臺小車最大行程為 4.2米，有效預彎行程最大為3米。預彎小車由電機單獨傳動，小車行程由編碼器控制。通過控制各個預彎小車的行程量達到預彎曲不對稱型鋼的目的，最終解決或者減輕不對稱型鋼的冷卻側彎缺陷。

預彎模型中包含軋材規格、各區域的溫度、材質等，使得每一支鋼均能得到合適的彎曲量。通過選用合適的溫降曲線與模擬出軋機彎曲情況，制定預彎模型。以J160b為例，軋件冷卻過程中頭尾部分會向冷床西側彎曲，因此選用拋物線預彎模型Y=-4.625x2+6.125x-9.82進行試生產，后期又進一步結合現場實際情況，對存儲在二級程序中的預彎模型修正，保證冷卻后的軋件能夠滿足矯直工序的彎曲度要求。

2 結語

異型鋼生產設計等可借鑒資料、經驗很少，本項目在實施過程中以全軋程數值模擬、全流程工藝優化、全工序質量保障，形成異型鋼“三維一體”的系統性解決方案。實現了異型鋼軋制全流程仿真模擬，這項技術突破了以往異型鋼仿真模擬僅局限于單工序、單本體設計問題，為異型鋼工藝優化提供全流程指導保障。以異型多品種多規格小批量特點，實現了柔性軋制，為異型鋼生產綜合成本降低起到很好的引領作用。針對異型鋼高表面質量和高尺寸精度要求，經過系統優化、創新集成，尺寸精度達到國際先進指標要求、表面質量可與機加工狀態相媲美，在國內乃至海外市場均獲得良好的口碑。