H型钢生产技术讲座

Ｈ型钢生产技术讲座1.Ｈ型钢简介1.1特点1.1.1Ｈ型钢的横断面形状Ｈ型钢的横断面形状见图１，分为边部和腰部。边部又叫作腿部或凸缘，腰部又称腹板。Ｈ型钢与普通工字钢在形状上的区别有以下几点：一、边部的内、外面平行。因此又叫平行边工字钢，平行腿工字钢。二、边部宽度较大，宽边产品边宽与腰高之比大于１，所以又有宽边工字钢和宽边钢梁的称呼。三、腰部较薄。图ｌ．Ｈ型钢与普通工字钢的比较国外通常将Ｈ型钢写成Ｈ－ｂｅａｍ，而将普通工字钢写成Ｉ－ｂｅａｍ。从汉字的字型上看Ｈ型钢应该叫做工字钢，不过工字钢的叫法已经约定成俗。1.1.2Ｈ型钢是经济断面型钢在横断面上Ｈ型钢的金属分布合理，断面截面系数大，同样重量的Ｈ型钢比普通工字钢承载能力大１０～３０％。承载能力大的主要原因是边宽腰薄，二辊孔型是很难轧出同样边宽腰薄的普通工字钢的，原因见本文２节。同样重量的同一材料，几何形状可以决定承载能力是材料力学工作者和建筑力学工作者研究的内容。举一个通俗的例子，一张纸搭在两本书之间是不能承载任何物体的，将其裁成条，粘成Ｈ型钢状或直接折成Ｈ型钢状搭在两本书之间可承受多盒火柴。作为建筑构件，Ｈ型钢的内、外边平行，铆接方便，在节约材料的同时还可节约工时。节约建设费用可达１０％左右。1.2历史1.2.1国外Ｈ型钢的生产历史已经很长，本世纪初开始出现。美国人ＨｅｎｒｙＧｒｅｙ首先提出万能轧法的方案。Ｄｉｆｆｅｒｄａｎｇｅ钢厂开始用万能轧法轧制Ｈ型钢，奠定了Ｈ型钢的生产基础。欧洲从１９０２年开始成批量生产Ｈ型钢。所以它是一种老产品。５０年代初，Ｈ型钢逐渐取代了工字钢。各国先后改造与新建，能生产Ｈ型钢的轧机数量如下：英国１２套；比利时５套；意大利１１套；卢森堡４套；法国９套；德国ｌＯ套；瑞典３套；保加利亚２套；捷克１套；波兰１套；挪威１套；匈牙利ｌ套；西班牙２套；美国ｌ５套；加拿大１套；巴西１套；澳大利亚１套；印度ｌ套；爱尔兰１套；南非２套；独联体２套；韩国４套；日本２０套，共１１０多套。东南亚国家也在拟建Ｈ型钢轧机。５０年代以前发展不快，自５０年代开始出现了一个飞跃，尤其是在日本。出现了现代化的万能轧机。根据时间，Ｈ型钢的发展可粗略分成如下阶段：６０年代新建万能轧机，产量迅速提高；７０年代装备了计算机控制，提高尺寸精度，实现了Ｈ型钢的多机架万能孔型连轧；８０年代前半段适应连铸技术的发展，开始采用连铸板坯和连铸异形坯轧制Ｈ型钢；８０年代后半段出现了外部尺寸一定的新形Ｈ型钢。1.2.2国内我国生产Ｈ型钢的准备工作是从建设攀钢轨梁厂开始的，当时为准备生产Ｈ型钢，在攀钢轨粱厂预留了一个万能轧机跨间，由于种种原因，至今仍未能建Ｈ型钢轧机。为了生产Ｈ型钢，包钢轨梁厂于１９８０年在现有的轨粱轧机上生产过２１０吨ＩＰＥＨ２７０×１３５ｍｍＨ型钢，轧出后长期压库。９０年代初，马钢二轧厂在改造后的Φ６５０车间后部用ＵＥ机组和ＵＦ机架生产了小规格的Ｈ型钢，随后鞍山市轧钢厂也增设了ＵＥ机组和ＵＦ机架试轧了小规格Ｈ型钢，前者也有压库现象，后者由于中型工字钢的需求量大，所以用ＵＥ机组和ＵＦ机架各轧一道次生产工字钢。一重（富拉尔基重型机器厂）于７０年代末，８０年代初着手研究Ｈ型钢轧机，并为攀钢设计过Ｈ型钢轧机。以后为马钢二轧厂制造了连接板式Ｈ型钢轧机。沈重与东北大学于８０年代初协作设计了ＵＥ机架。沈重以后为鞍山市轧钢厂制造了Ｈ型钢轧机。重庆设计院从事Ｈ型钢轧机的工作较早，曾为攀钢进行过Ｈ型钢车间的设计，也曾出国进行过考察，但至今未能使其设计得到应用。马鞍山设计院从８０年代末从事Ｈ型钢车间的设计工作，为马钢二轧厂的Φ６５０车间改造用ＵＥ机组和ＵＦ机架生产小规格Ｈ型钢进行了工程设计。并承担了马钢大Ｈ型钢厂的设计工作，也曾出国进行过考察。包头设计院为秦皇岛设计了生产小规格Ｈ型钢的轧钢车间。为鞍山市轧钢厂设计了生产小规格Ｈ型钢的生产线，也为包钢轨粱厂做过增设万能轧机生产Ｈ型钢和重轨的改造设计。北京设计总院曾为邯郸钢铁总厂改造生产Ｈ型钢做过设计。鞍钢设计院曾为鞍山市小型轧钢厂设计过Ｈ型钢生产车间。并参加了出国考察和去美国拆迁旧设备。东北大学６０年代参与了攀钢轨梁厂的设计方案制定。７０年代末进行了万能孔型轧制Ｈ型轧件的实验研究和理论分析。随后又对轧件施加前后张力，研究了在张力作用下，Ｈ型轧件在万能孔型和轧边孔型中的变形过程，并且用有限元法对其轧制过程进行了分析。以后为配合包钢轨梁厂改造生产Ｈ型钢，根据其具体条件做了关于开坯的实验研究。在冶金部科技司的支持下，已经在东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室安装、调试运转了ＵＤ型ＵＥＵ三机架连轧机组，而且成功地进行了机架间张力的检测和控制，直接测量机架间张力，张力可控制在１５０牛顿以下，尤其适用于不能使用活套的复杂断面型钢连轧。东北重型机械学院―现燕山大学于１９８１年９月开始了万能轧机的研制工作，１９８４年列为机械工业部科技攻关重点项目。１９８９年列为国家经委合同项目，课题名称为“Ｈ型钢轧机关键技术研究”。重点研制了连接板式Ｈ型钢轧机，在此基础上由一重加工制造的轧机已用于马钢二轧厂的Φ６５０车间改造。国内其它学校，如西安冶院、武汉钢院和唐山矿院也做过关于轧制Ｈ型钢方面的研究，但仅是一般性的，由于条件的限制，以后未能继续进行这方面的研究工作。到目前为止，国内正在建设中的Ｈ型钢轧机有马钢大Ｈ型钢轧机，产品的最大规格为Ｈ６００ｍｍ，设备来自德国德马克公司，预计１９９７年投产。还有鞍山市第一轧钢厂的Ｈ型钢轧机，产品的最大规格为４００ｍｍ，设备由美国两家钢厂废弃的英制开坯机和万能轧机拼凑而成，预计投产日期一直处在变化之中。莱芜钢铁总厂从日本引进的一套Ｈ型钢连轧机也正在建设过程中。拟建Ｈ型钢轧机的企业还有唐钢、攀钢、武钢等。台湾最近也投产了一套大型Ｈ型钢轧机。1.3品种规格分类Ｈ型钢的品种规格很多，分类方式也有好几种。按边宽分，有宽边（Ｂ／Ｈ≥１，Ｂ是边宽，Ｈ是腰高）、中边和窄边（Ｂ／Ｈ≤０．５）。按单位重量区分，有轻型、中型和重型，其中重型之中还有极重型（腰厚３０～７５ｍｍ）和超重型（腰厚大于７５ｍｍ，最厚者腰厚为９０ｍｍ，边厚１２０ｍｍ）。以德国标准为例，腰高都是ｌ００ｍｍ的Ｈ型钢，ＨＥ１００Ａ、ＨＥｌ００Ｂ和ＨＥｌ００Ｍ的每米重量分别为１６．７、２０．４和２２公斤。按用途分类，宽边Ｈ型钢又叫做拄型Ｈ型钢，窄边Ｈ型钢又叫做梁型Ｈ型钢。另外，Ｔ型钢和Ｈ型钢桩也都属于Ｈ型钢，前者就是将Ｈ型钢从腰部中间切开。从分类方法上可以看出，Ｈ型钢的规格数量多。如２０号以下的产品，普通工字钢只有６～７种，按照德国标准，Ｈ型钢则有２５种，按日本标准则更多，公制、英制两个系列，约４０个规格。不过近年来有逐步减少的趋势。我国原有的标准与德国标准近似，对规格的数量作了适当的简化。现在正在对标准进行修改，建议多靠一些日本标准的意见较多。规格数量多的情况，对新建厂的轧辊储备量提出了较高的要求，占用流动资金的数量可观。1.4用途和用量1.4.1用途Ｈ型钢的用途非常广泛，主要作建筑结构的柱子和梁材。可用于桥梁、涵洞、隧道、厂房，尤其是热加工厂的厂房、车辆、船舰、机械结构、地震多发地区的住宅等等。国内冶金行业中，武钢和宝钢的轧板厂厂房结构都是采用的Ｈ型钢珩架，没有轧制产品，就采用焊接Ｈ型钢代替。1.4.2用量各国的用量根据不同的国情有较大的区别，但总的来说，占钢材总产量的４～５％。其中日本的用量最大，产量也最大，１９９０年产量为８００万吨，１９９３年接近千万吨，除了板卷外，这是最大宗的产品。美国和德国的用量次之，韩国的产量也远超过１００万吨。连我国的台湾，产量也达到几十万吨。我国长期以来，由于用钢政策的限制，在建筑行业没有Ｈ型钢的使用规范，用量一直没有大幅度上升。某些需要Ｈ型钢的用户在国内不能提供配套货源的情况下，也就不再考虑使用国产轧制Ｈ型钢。焊接Ｈ型钢在国内还有一定的市场，仅鞍山市就有两条焊接Ｈ型钢生产线还在运行中。我国Ｈ型钢市场正在缓慢地扩大着，Ｈ型钢使用规范也正在编制过程中。2.凸缘型钢的轧制特点及使用万能孔型轧制的优点2.1两辊孔型轧制凸缘型钢的轧法及轧不出平行边的原因由轧辊形状和轧件的变形特性所决定，两银孔型轧制凸缘型钢，最大的困难在于轧出薄而且高的边（腿），因为边和辊面是相互垂直的。为了轧出来，只有采用带所谓开、闭口边的孔型，见图２．１．开口边２．闭口边３．腰图２．两辊轧机轧制普通工字钢的孔型这种孔型在轧制过程中存在以下问题：1)孔型横断面上各处变形程度不同；2)轧件的边部必须带有一定的斜度，不能轧出内外侧均无斜度的平行边；3)轧辊消耗大，原因，一是辊环直径大，二是斜度小时轧辊的车修量大，三是辊面上线速度差大；4)动力消耗大；5)产品尺寸精度低；6)轧制效率低，对轧边部来说，两道才能顶一道；7)闭口边的楔卡使轧件边宽拉缩严重。这种孔型是轧不出来带平行边、宽边的薄腰Ｈ型钢的。轧不出平行边的原因主要是由于孔型的侧壁不能无斜度，无斜度则轧辊不能车修，轧件难以脱槽。轧不出宽边的原因是辊径差太大。例如，Φ６５０轧机轧制边宽１５０ｍｍ的产品，最大的辊径为６８０＋１７０＝８５０ｍｍ，而最小的辊径才６３０－１５０＝４８０ｍｍ，对于生产，使用直径８５０ｍｍ的大轧辊，可强度却只能按４８０计算，工具费用消耗很大。辊径差大的另外二个后果一是沿着轧件的边部上轧辊的线速度差太大，轧辊磨损严重，二是边高拉缩严重。轧不出薄腰的原因主要在于两辊轧机总是要多配几个孔型，辊身长度大，弹跳大，腰部不可能轧薄。要轧制出带薄而高的边的凸缘型钢，从孔型方面来考虑，使用万能孔型是最有效的措施。2.2使用万能孔型轧制的优点1)立辊从左右方向直接压下，可直接轧制薄而高的边，可以轧出平行边。2)轧制过程中轧件的边高拉缩小，因此要求的坯料高度小，可以不用或少用异形坯。粗轧的道次数可以减少，在万能孔型中轧制时可以直接对边部施加以较大的压下量，得到较大的延伸，减少总道次数。3)只简单地改变压下规程（辊缝），就可以轧出厚度不同的产品。另外通过轧边端孔型的调整，可以同时改变边部的宽度。4)孔型中特有的辊面线速度差小，轧辊的磨损较小并且均匀。另外由于轧辊的几何形状简单，容易使用具有高耐磨性能的新型材料轧辊。轧辊的加工和组装也比较简单。5)轧制过程一般是在对称压下的情况下进行，变形相对较均匀。6)不依靠孔型的侧压和楔卡使轧件变形，轧件的表面划伤较小，轧制时的动力消糙也小。3.在万能孔型中和轧边端孔型中轧件的变形特点Ｈ型钢的轧制要使用万能孔型和轧边端孔型，见图３。前者的作用是将边部和腰部轧薄，使轧件延伸。后者的作用是加工边端。在这两种孔型中轧件的变形特点如下：图３．万能孔型和轧边端孔型的示意图3.1在万能孔型中轧件的变形特点1)腰部和边部的变形区形状近似于平辊轧板。水平辊轧腰的变形区形状就是平辊轧板，但轧件的变形受到边部的影响。边部变形区，水平辊侧面是一个半径极大的双曲面，接近于平板，立辊是一个椭圆，该椭圆与圆相差很小，相当于在一个平板和圆辊之间轧板。由变形区形状所决定，在万能孔型中轧件的变形较均匀，远远好于两辊孔型轧制工字钢。所以辊耗、能耗都比较小，是一种较经济的轧制方式。2)边部和腰部之间的变形互相影响。边部的变形大，将对腰部产生拉延作用；反之，则腰部拉延边部。对于宽边产品，边部拉腰部的现象明显，因为边部的断面积、远大于腰部用Ｆy和Ｆｂ分别表示腰部和边部的断面积Ｆｂ＝２ｔＢ式中：ｔ是边厚，Ｂ是边宽。考虑到腰厚Ｄ一般是边厚的０．７５以下，并且Ｂ不小于腰高Ｈ，于是这种情况下，如果边部的压下大，则腰部很容易拉薄，甚至不接触轧辊，腰部的表面质量很差。反之，腰部也拉边部，虽然情况不会有边部拉腰部那么严重，但也不可忽略。尤其是对于窄边的产品，腰部压下大将把边宽拉小，边宽是很不容易轧出来的，除非是特殊情况，应避免拉小。在孔型设计时应充分考虑这一点。3)腰部全后滑。推导非常麻烦，在此略去。从定性上说，立辊是被动的，从边根向上立辊辊面上各点的线速度越来越小，所以轧件的出口速度低于水平辊的名义线速度。4)边部的变形区长，立辊先接触轧件。如果轧件咬入端是一个平