王 利

(中冶沈勘秦皇島工程設(shè)計研究總院有限公司 河北秦皇島066004)

1 前言

萬能軋機(jī)是一種新型的軋鋼機(jī)械雖然它的出現(xiàn)很早，但真正廣泛使用在工業(yè)生產(chǎn)中，還只有近四十年左右的歷史。它的出現(xiàn)給型鋼的軋制生產(chǎn)帶來了一場革命性的變革，使型鋼品種生產(chǎn)的范圍更加寬廣，也使型鋼產(chǎn)品的精度和質(zhì)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(jī)架和軋邊機(jī)架軋制H型鋼的格雷式(Greg)工業(yè)性生產(chǎn)軋機(jī)，即誕生了世界上第一套萬能軋機(jī)。1914年德國Peine公司建造普潑式(Puppe)萬能軋機(jī)。1926年美國南芝加哥建造卡內(nèi)基式(Carnagie)萬能軋機(jī)。盡管許多國家建造了專業(yè)化的H型鋼軋機(jī)，但發(fā)展很慢，到50年代中期才建成約7套H型鋼軋機(jī)。從50年中期以后，隨著建筑工業(yè)的發(fā)展，對于H型鋼的需求量在不斷的增加。H型鋼軋機(jī)(即萬能軋機(jī))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(jī)而成，改造的共同特點是原有機(jī)架基本不變，另增設(shè)由萬能機(jī)架、軋邊機(jī)架組成的可逆成品萬能機(jī)架。

70年代起，新建的中小型H型鋼軋機(jī)有兩個發(fā)展趨勢：一是采用了機(jī)架串列可逆萬能軋機(jī)做為中軋機(jī)組，另設(shè)軋邊—萬能精軋機(jī)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(chǎn)的意大利特勒諾(Tirreno)廠中型萬能軋機(jī)等。二是建立可以生產(chǎn)中型材，也可以生產(chǎn)小型H型鋼的連續(xù)式中型軋機(jī)，這是為適應(yīng)中型型材向高精度、高質(zhì)量和輕型緊湊方面發(fā)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(jī)。

2 萬能軋機(jī)的構(gòu)成及現(xiàn)狀

萬能軋機(jī)是由一對水平輥和一對立輥組成的主機(jī)架，對軋件進(jìn)行四面加工，通常又由二輥水平軋機(jī)做輔助機(jī)架，萬能軋機(jī)的主要結(jié)構(gòu)即四個軋輥(二平二立)裝在一個機(jī)架上，并且四個軋輥的軸線在一個平面內(nèi)。平輥用于軋制型鋼的腰部和腿部的外側(cè)面，輔助機(jī)架用于控制腿寬并軋齊腿部的端頭。萬能軋機(jī)從出現(xiàn)到目前的使用上主要是用于軋制H型鋼上，萬能軋機(jī)軋制H型鋼，正在朝著連續(xù)化、自動化、用連鑄坯及擴(kuò)大品種等方面發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前世界各國有26個國家生產(chǎn)H型鋼，擁有150多套H型鋼軋機(jī)，年生產(chǎn)H型鋼約5000萬噸。此外，比利時、日本、西德、波蘭、蘇聯(lián)、美國等國還建成了帶萬能機(jī)架的連續(xù)中型軋機(jī)等約10套。這些軋機(jī)即可生產(chǎn)較小規(guī)格的H型鋼，也可生產(chǎn)其它中型型鋼，特別便于生產(chǎn)輕型薄壁產(chǎn)品。

我國過去H型鋼軋機(jī)(萬能軋機(jī))一直是空白，從90年代開始我國陸續(xù)建成的H型鋼軋機(jī)有28套，其中投產(chǎn)的有25套。這25套萬能軋機(jī)軋制H型鋼的最大規(guī)格為H1000，最小規(guī)格為H100。能生產(chǎn)H型鋼總量為2300萬噸左右。由于市場需求和市場認(rèn)識方面的原因，目前我國的H型鋼使用范圍與歐、美發(fā)達(dá)國家比還存在很大的差距。2015年我國H型鋼的市場消費(fèi)量為1240萬噸左右。目前我國具有國際先進(jìn)水平的H型鋼生產(chǎn)線，大規(guī)格生產(chǎn)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(dá)鋼鐵、河北天柱、萊蕪金豐、昆鋼有部分窄翼緣大規(guī)格生產(chǎn)能力；其余均為中小規(guī)格生產(chǎn)線。我國的H型鋼還有待于市場的進(jìn)一步開發(fā)。

3 萬能軋機(jī)軋制型鋼特點

采用常規(guī)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(nèi)應(yīng)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(zhì)量不好。孔型軋制，只可生產(chǎn)一般簡單異型和縱軋周期斷面型鋼。當(dāng)軋制異型斷面產(chǎn)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(nèi)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(nèi)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(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，影響軋材質(zhì)量。但這種軋法設(shè)備比較簡單，故目前大多數(shù)型鋼軋機(jī)仍然采用。

而采用萬能軋機(jī)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(xiàn)象，因此非常有利于軋制輕型薄壁經(jīng)濟(jì)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(jī)也稱為H型鋼軋機(jī)，現(xiàn)代最新設(shè)計的萬能軋機(jī)都是設(shè)計為復(fù)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(jī)。

4 我國采用萬能軋機(jī)初期發(fā)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(jī)改造為萬能軋機(jī)開發(fā)H型鋼產(chǎn)品。其改造分二步進(jìn)行，第一期工程保留500×2，拆除了400×3軋機(jī)及后部冷床等設(shè)備，采用了國產(chǎn)的 [沈陽重機(jī)廠制造] 全計算機(jī)控制的大剛度開軌式萬能軋機(jī)，按照中軋組U+E可逆，精軋機(jī)組U一架不可逆組成2-2-1布置方案，軋機(jī)采用萬能輥系及二輥輥系兩種方式 [注：U-萬能軋機(jī)，E-軋邊機(jī)]。后部工序采用了長尺冷卻，長尺矯直，冷切定尺等先進(jìn)的中型精整工序，第一期改造只花費(fèi)了4800萬元。于92年12份投產(chǎn)后，原5#-15#槽鋼，6.3-10#角鋼，12Kg/m-15Kg/m輕軌的質(zhì)量得到很大提高，產(chǎn)品尺寸精度達(dá)到±0.1mm -0.2mm，表面光潔，定尺率高，并實現(xiàn)了產(chǎn)品的負(fù)公差軋制，成材率達(dá)到99.8%以上經(jīng)濟(jì)效益得到顯著提高。投產(chǎn)后第一年就收回了投資成本。

該廠二期改造是將500×2軋機(jī)改成ф650×1/500×1 大規(guī)格產(chǎn)品通過ф650×1軋機(jī)，小規(guī)格產(chǎn)品二者都通過。開坯改造后該廠可生產(chǎn)HZ200、HZ140這樣的小型H型鋼及相應(yīng)斷面的中型材。該廠二期改造以后，于96年還相應(yīng)的成功軋制5.5—8.0輪輞鋼。隨著我國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車輪輞鋼的需求日增，鞍山市軋鋼廠的產(chǎn)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(chǎn)品雖然也可以在普通的三輥式軋機(jī)上生產(chǎn)，但是難度很大。而且質(zhì)量也得不到保證，成材率低、成本高，用萬能軋機(jī)生產(chǎn)這種復(fù)雜斷面的產(chǎn)品，就能夠充分發(fā)揮萬能軋機(jī)的優(yōu)勢，不僅產(chǎn)品質(zhì)量好，而且成材率也很高，產(chǎn)品具有很強(qiáng)的競爭力。該廠生產(chǎn)的汽車輪輞鋼的價格每噸比普通型材高1000多元，產(chǎn)品的效益是相當(dāng)可觀的。鞍山市軋鋼廠開創(chuàng)了我國利用萬能機(jī)軋制除H型鋼以外的型材先河。也提供了萬能軋機(jī)軋制普通型材和特殊型材的生產(chǎn)經(jīng)驗。

5 萬能軋機(jī)和三輥軋機(jī)軋制型鋼比較

隨著我國鐵路的現(xiàn)代化發(fā)展，載重量的不斷增加，火車時速已達(dá)到350Km/h ,因此對鋼軌的強(qiáng)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(qiáng)度、材質(zhì)、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(tǒng)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(jī)上用箱-帽-軌形孔型系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)。根據(jù)多年生產(chǎn)經(jīng)驗，為保證軋出足夠?qū)挼能壍?，需用足夠高的矩形坯料?—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(nèi)側(cè)壓較小時，則產(chǎn)品質(zhì)量較易保證。此時軌底部分金屬能受到強(qiáng)烈加工，原垂直于軌底的結(jié)晶組織被切分和軋平后加強(qiáng)軌底強(qiáng)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(qiáng)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(cè)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(jìn)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(yīng)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(tài)，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(diào)整，稍有不慎，就會有超差出現(xiàn)。

4)軌頭和軌底的加工量小、質(zhì)量差

進(jìn)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(zhì)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(wěn)運(yùn)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(jié)果導(dǎo)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(xiàn)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(chǎn)生，對重軌的各方面要求的進(jìn)一步提高，包鋼、攀鋼、鞍鋼、原武鋼等生產(chǎn)重軌的企業(yè)，為了滿足高速重軌的要求正在采用萬能軋機(jī)軋制重軌，用萬能軋機(jī)軋制的百米定尺重軌，為我國高速鐵路的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。

萬能軋機(jī)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(jī)旋轉(zhuǎn)一架二輥軋機(jī)(即軋邊機(jī))，做為輔助成型機(jī)架；主輔機(jī)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(chǎn)品尺寸精確，軋件內(nèi)部殘余應(yīng)力小，軌底加工好，軋輥磨損及電能消耗均減少，調(diào)整比較靈活。與常規(guī)軋法相比，產(chǎn)量可提高1.8倍，作業(yè)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(quán)，但未得到實際應(yīng)用。1962～1968年期間在法國Unimetal-Suciber集團(tuán)(原來的Saciler公司)Hayange廠，用多輥孔型軋制重軌取得進(jìn)展，1965年取得了用多輥孔型機(jī)架和軋邊機(jī)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(xiàn)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(tuán)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(nèi)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(chǎn)出合格的重軌。

提高重軌質(zhì)量從開始生產(chǎn)重軌之日起就從未間斷過，其辦法是不斷提高鋼本身的質(zhì)量，鋼的純凈度，改變化學(xué)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(yīng)為采用多輥孔型軋重軌，其效果已被相關(guān)廠的使用較為明顯的證明了。

6 綜述

我國的萬能軋機(jī)使用，目前為止除了鞍鋼、武鋼、攀鋼、包鋼采用萬能軋機(jī)軋制鋼軌產(chǎn)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(jī)(萬能軋機(jī))已有30多套投入生產(chǎn)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(jié)構(gòu)建筑作為國家發(fā)展的主導(dǎo)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(jī)除了生產(chǎn)H型鋼的同時，還可以使用萬能軋機(jī)四輥輥系軋制常規(guī)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(jī)軋制鋼軌產(chǎn)品已經(jīng)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(zhì)量的鋼軌有著密不可分的關(guān)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(jī)軋制大中型材的孔型磨損少，能耗低，軋材表面質(zhì)量好，因此，在我國型材軋機(jī)領(lǐng)域中，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，同時也需大量各種復(fù)雜斷面的異型鋼，采用萬能軋制型鋼是最有優(yōu)勢的生產(chǎn)技術(shù)。特別是在推行綠色鋼結(jié)構(gòu)建筑及鋼結(jié)構(gòu)裝配式建筑方面，所需的連接件、特殊結(jié)構(gòu)件，都可以通過萬能軋機(jī)生產(chǎn)線完成。隨著萬能軋機(jī)在型鋼生產(chǎn)中的普及應(yīng)用，目前我國型鋼生產(chǎn)的設(shè)備和技術(shù)已達(dá)到或基本達(dá)到國際先進(jìn)水平。今后型鋼生產(chǎn)的主要課題是提高產(chǎn)品質(zhì)量和開發(fā)新品種。目前H型鋼的研發(fā)方向正朝著積極開發(fā)研制建筑用耐火、耐候、抗震系列H 型鋼，國際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)H型鋼、高強(qiáng)度控軋控冷H型鋼等品種。迄今為止，我國還有部分型鋼產(chǎn)品生產(chǎn)空白。例如:鋼板樁、大型船用型鋼、大型鐵路車輛用型鋼、機(jī)械工程用鋼。這些產(chǎn)品也是型鋼市場重點培育和發(fā)展的市場。由萬能軋機(jī)生產(chǎn)線取代原有傳統(tǒng)老式型鋼軋機(jī)生產(chǎn)線是我國大中型材生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。