孔利明

（新疆八一鋼鐵股份有限公司）

半連軋工字鋼工藝設(shè)計與改進(jìn)

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(jī)生產(chǎn)線的工藝布置、設(shè)備性能參數(shù)，重點介紹了在部分設(shè)備利舊條件下，軋制極限規(guī)格產(chǎn)品在孔型設(shè)計上存在的實際問題及改進(jìn)后的效果。結(jié)合生產(chǎn)實踐探討了軋件在粗軋道次、萬能孔型中的變形規(guī)律、控制要點。介紹了針對影響軋制穩(wěn)定性所采取的一些改進(jìn)措施。

工字鋼；萬能軋機(jī)；孔型設(shè)計；軋制規(guī)程設(shè)計

1 前言

工字鋼廣泛用于工業(yè)廠房、機(jī)械制造、起重機(jī)械、橋梁閘壩、地鐵工程等領(lǐng)域，由于性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)合理，強(qiáng)度和剛度好，目前國內(nèi)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(jīng)濟(jì)截面型材，其翼緣寬壁薄，單重輕，翼緣內(nèi)外側(cè)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(fā)揮效能。在不同要求的金屬結(jié)構(gòu)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(yōu)點，能有效提高承載能力，具有優(yōu)良的力學(xué)性能。斷面模數(shù)，慣性矩及相應(yīng)剛度等都優(yōu)于傳統(tǒng)的工字鋼。

鑒于H型鋼產(chǎn)品的市場發(fā)展優(yōu)勢以及國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)的分布情況，八鋼新建一條30萬t規(guī)模的萬能軋機(jī)半連軋生產(chǎn)線，發(fā)揮其優(yōu)于傳統(tǒng)工字鋼兩輥式軋制工藝的4輥萬能寬翼緣軋機(jī)特性，填補(bǔ)新疆乃至西北地區(qū)普通工字鋼和H型鋼的產(chǎn)品空白。

新建生產(chǎn)線利用了部分舊的設(shè)備，根據(jù)生產(chǎn)線工藝狀況的特點及極限規(guī)格產(chǎn)品開發(fā)的需要，有針對地進(jìn)行孔型設(shè)計制定壓下規(guī)程，為H型鋼的高精度穩(wěn)定生產(chǎn)提供基礎(chǔ)條件。

2 工藝布置及主要設(shè)備

H型鋼生產(chǎn)線建在新疆阜康市技術(shù)開發(fā)區(qū)，位于烏魯木齊市和昌吉州境內(nèi)，所需坯料由八鋼公司本部煉鋼廠40t轉(zhuǎn)爐或150t轉(zhuǎn)爐提供，周圍環(huán)境達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求，生產(chǎn)工藝及設(shè)備選型具備國內(nèi)同類先進(jìn)的自動化配置水平。工藝布置見圖1。

圖1 半連軋工字鋼產(chǎn)線平面布置圖

設(shè)計產(chǎn)品規(guī)格坯料規(guī)格見表1。主要設(shè)備見表2。軋機(jī)性能參數(shù)見表3。

表1 產(chǎn)品及坯料規(guī)格

表2 型鋼產(chǎn)線主要設(shè)備參數(shù)

表3 軋機(jī)性能參數(shù)

3 工藝特點

產(chǎn)品原料采用八鋼本部供應(yīng)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(guī)格，產(chǎn)品規(guī)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(jī)，主電機(jī)功率由2000kW改為2500kW,可軋制5～9道，可為萬能精軋機(jī)組提供腰部較薄的成型斷面，減少萬能軋機(jī)負(fù)荷。但此配置落后于二輥可逆式軋機(jī)，一般粗軋機(jī)組采用二輥式可逆軋機(jī)具有的調(diào)整靈活、軋輥孔型共用性強(qiáng)、大幅減少換輥頻次、適應(yīng)多品種規(guī)格、小批量生產(chǎn)特點的優(yōu)點。精軋機(jī)組主電機(jī)利舊，各機(jī)架電機(jī)功率如表2，上限產(chǎn)品規(guī)格按常規(guī)配置電機(jī)功率明顯偏小，在軋制過程中過負(fù)荷跳電情況時有發(fā)生，需從均衡壓下分配和鋼溫控制上給與協(xié)調(diào)。

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

3.2 生產(chǎn)工藝特點

（1）角、槽鋼的軋制不宜使用萬能軋機(jī)輥環(huán)形式，因其輥徑尺寸大、輥環(huán)寬度限制，存在軋制負(fù)荷大、軋輥利用率低問題，尤其是角鋼的生產(chǎn)，故在軋制角、槽鋼產(chǎn)品時，可將萬能軋機(jī)立輥輥系拆除，輥環(huán)軋輥更換為輥身長度900mm的整體軋輥，并更換導(dǎo)衛(wèi)橫梁，滿足多品種的生產(chǎn)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(xiàn)的熱應(yīng)力彎曲，在冷床出口側(cè)設(shè)有噴水冷卻裝置強(qiáng)化冷卻,消除矯后鋼材在繼續(xù)冷卻過程中重新產(chǎn)生彎曲的內(nèi)應(yīng)力所導(dǎo)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(dǎo)致高溫的型鋼彎曲變形，故必須進(jìn)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(jìn)行可進(jìn)行不同定尺長度的鋸切，提高定尺切割效率。電磁碼垛機(jī)可實現(xiàn)所有品種規(guī)格的自動碼垛操作，達(dá)到全流程機(jī)械化作業(yè)，降低勞動強(qiáng)度。

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

4 孔型系統(tǒng)的設(shè)計思路

國內(nèi)H型鋼生產(chǎn)線粗軋一般采用兩輥多道次往復(fù)軋制或一至兩架三輥開坯機(jī)軋制，軋制5～9道，后續(xù)由4～6架萬能軋件與2～3架軋邊機(jī)組成連軋機(jī)組。根據(jù)軋機(jī)形式的不同孔型系統(tǒng)有所區(qū)別。鑒于實際工裝條件，在Φ650開坯孔型設(shè)計采用了共軛彎腿斜軋孔型形式，以利于加大產(chǎn)品規(guī)格范圍。根據(jù)產(chǎn)品大綱中的不同規(guī)格，經(jīng)5～7道次粗軋軋成具有工字形斷面的中間坯，四輥萬能機(jī)架和二輥軋邊機(jī)架所組成的9架連軋機(jī)組進(jìn)行精軋。

4.1 開坯孔型設(shè)計及壓下規(guī)程

圖2 開坯機(jī)孔型

以194×150×6×8.8（mm）H型鋼為例，根據(jù)Φ650mm軋機(jī)參數(shù)，粗軋孔型采用了直軋共軛和斜軋法混合設(shè)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(guī)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(guī)格坯料斷面為200×240（mm）矩形連鑄坯。

粗軋孔型設(shè)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(guī)程條件?？仔驮O(shè)計主要依據(jù)為腰部壓下量Δ，根據(jù)萬能軋機(jī)平均延伸系數(shù)與總軋制道次，得到總的延伸系數(shù)（相對腹板而言）∶

通常，內(nèi)側(cè)壁斜度取10%～25%，外側(cè)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(shù)；

α——腿、腰壓下平衡系數(shù)；

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(jìn)萬能孔型前的開坯機(jī)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(jīng)驗數(shù)據(jù)切深孔內(nèi)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(shè)計孔型由于拉縮量估算誤差導(dǎo)致成品腿長達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)尺寸要求,實際試軋尺寸記錄，見表4。

表4 不能軋機(jī)壓下規(guī)程 mm

經(jīng)反復(fù)調(diào)整粗軋末道腿高達(dá)不到設(shè)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(jìn)行了修改。如圖4中a、c為原設(shè)計開坯第3、4道孔型的斜配角和開口腿外側(cè)斜度，通過加大側(cè)壁壓力來實現(xiàn)增加腿部的寬展，既側(cè)壓量與孔型側(cè)壁斜度成正比，為了增加側(cè)壓量，采取孔型斜配或加大開口腿外側(cè)斜度，改進(jìn)后其斜配角由12度增加到15度；外側(cè)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(shè)計出現(xiàn)的成品腿長度欠3mm的問題。開坯機(jī)壓下規(guī)程見表5。

表5 開坯機(jī)壓下規(guī)程mm

4.2 萬能軋機(jī)的孔型設(shè)計

萬能軋機(jī)軋制時只能對腰部和腿部壓下，腿端的壓下需要軋邊機(jī)進(jìn)行對腿長進(jìn)行控制。在腿部壓下時由于水平輥側(cè)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(shè)計3°～8°的斜度。其孔型設(shè)計主要是確定水平輥寬度。

孔型設(shè)計主要是確定H型鋼邊部內(nèi)側(cè)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(jù)標(biāo)準(zhǔn)或用戶要求所規(guī)定的上下限取中間值作為設(shè)定值；

式中∶αt、αy——腿和腰的熱膨脹系數(shù)；

γi——各機(jī)架輥身長度影響系數(shù)；

——腿厚，mm

實際在萬能軋機(jī)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(rèn)為i-1=i，i-1=i將延伸率轉(zhuǎn)化為壓下量之比，建立常數(shù)即

萬能軋機(jī)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(cè)壁斜度取3°～5°。在萬能孔型內(nèi)，翼緣在水平輥側(cè)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(jī)對翼緣端部壓下量形成的強(qiáng)迫寬展等。

圖5 成品、成品前孔型設(shè)計

4.3 軋邊機(jī)孔型設(shè)計

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

圖6 軋邊機(jī)示意圖

軋邊機(jī)孔型深度he可用下式確定∶

由于軋邊機(jī)孔型腰部無壓下，只是對腿端壓下修正，軋邊機(jī)設(shè)計了套裁技術(shù)，實現(xiàn)了一套軋輥可以布置2個以上規(guī)格的孔型，減少了軋輥的更換和占用量。

4.4 精軋機(jī)組壓下規(guī)程

制定規(guī)程時，一般應(yīng)使翼緣壓下系數(shù)大于腰部壓下系數(shù)。通常成品軋機(jī)腹板壓下系數(shù)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(jìn)入U/H道次中軋制時，軋件邊端處有強(qiáng)迫增長量∶

根據(jù)上述原則，可確定出精軋機(jī)組各道次的軋件尺寸及壓下規(guī)程見表6。

掌握軋件在不同部位變形規(guī)律基礎(chǔ)上，準(zhǔn)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(shù)，建立秒流量關(guān)系，萬能軋機(jī)只需按水平輥直徑作為工作直徑。由于多機(jī)架連軋，無活套調(diào)節(jié)，微張力控制難度較大，要求具備一定操作技能，根據(jù)畫面電流值變化情況和機(jī)架間軋件堆拉狀態(tài)手動干預(yù)。

表6 精軋機(jī)組壓下規(guī)程mm

5 關(guān)于半連軋軋制工藝改進(jìn)的思考

（1）Φ650m粗軋機(jī)軋制稍大規(guī)格的H型鋼，如20#及以上規(guī)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(shè)計，可以使開口腿相對于腰向外擴(kuò)張一個角度，其側(cè)壓量進(jìn)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(bǔ)鋼坯高度不足、減少軋制道次的效果。

斜軋開口腿內(nèi)側(cè)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(huán)側(cè)壁專設(shè)的止串間隙精確加工，采取三輥對車方式，并加強(qiáng)制瓦壓板作用。

（2）在保證連軋機(jī)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(diào)整，要用塞尺準(zhǔn)確設(shè)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(chǎn)生的成品腹板或翼緣波浪，嚴(yán)重時會出現(xiàn)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(chǎn)，在連軋機(jī)組無法測量各道次軋件尺寸，試軋過程或更換產(chǎn)品規(guī)格后的秒流量關(guān)系的建立需要準(zhǔn)確掌握軋機(jī)彈跳對輥縫設(shè)定的影響規(guī)律。在主電機(jī)能力偏小情況下，均衡分配各道次的壓下系數(shù)尤為主要，采用馬弗爐加熱對小樣進(jìn)行逐道試軋，連軋前準(zhǔn)確調(diào)整腰部和腿部的標(biāo)準(zhǔn)尺寸和對稱度，對減少堆鋼事故，快速順產(chǎn)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(jié)奏提高小時產(chǎn)量。

（4）萬能軋機(jī)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(nèi)寬、腿高以及咬入條件等因素，在水平輥尺寸的設(shè)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?qū)捳?。綜合考慮咬入條件和立輥強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)因素，在配輥、磨損后的返修及水平輥面的熱裂修復(fù)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(xiàn)工字鋼全連軋工藝的關(guān)鍵,應(yīng)結(jié)合生產(chǎn)實際,摸索影響變化規(guī)律,達(dá)到工字鋼腰、腿延伸系數(shù)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(yīng)力,保證連續(xù)軋制的正常軋制,降低能耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低軋輥磨損,從而降低產(chǎn)品的成本,以獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

（6）除連軋秒流量因素外，軋件開花頭和進(jìn)出口導(dǎo)位狀況是影響堆鋼事故的主要原因，后續(xù)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(shè)計喇叭口形式入口導(dǎo)位易出現(xiàn)軋件騎入水平輥縫處而沖出口導(dǎo)位，改進(jìn)為上下腰部吊掛式導(dǎo)槽結(jié)構(gòu)。切頭和改進(jìn)導(dǎo)位的配合，能可靠、穩(wěn)定連軋，作業(yè)率顯著提高。

要生產(chǎn)出質(zhì)量好、成本低的H型鋼，首先需要確定一個合理的生產(chǎn)工藝流程，包括加熱制度、孔型系統(tǒng)和精確的軋制規(guī)程，并根據(jù)設(shè)備條件在實踐中對生產(chǎn)工藝進(jìn)行不斷完善和優(yōu)化。

[1]王川等主編.孔型設(shè)計資料.成都金華應(yīng)用技術(shù)研究所.

[2]錢大川主編.型鋼生產(chǎn)新技術(shù).北京∶冶金出版社.

[3]趙松筠，唐文林.型鋼孔型設(shè)計.北京∶冶金工業(yè)出版社.

[4]孫中華.軋鋼生產(chǎn)新技術(shù)實用手冊（第二卷H型鋼生產(chǎn)）.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(lián)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