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热轧H型钢高效生产工艺改进方案

265 2020-11-03 11:42:03


1、前言

H型钢的轧制是将由加热炉加热的材料经粗轧机轧制成工字梁用异型坯后,再经万能轧机轧制出翼缘和腹板的厚度、经轧边机轧制出翼缘宽度(图1)。因此,腹板内宽由所用的水平辊的辊身宽度决定,翼缘宽度(深度)由轧边辊的孔型深度决定。因此,为了生产不同腹板高度或翼缘宽度的产品,需要更换水平辊或轧边辊。另外,对于H型钢的热轧,由于断面内各部位的温降差异而产生内部应力,极端的情况下腹板会发生压曲,因此一般情况下H型钢的生产范围受到限制。

对于这一问题,日本制铁通过应用可自由调整腹板高度的自由成形技术和无需换辊生产不同翼缘宽度的直径可变式轧边辊,生产出更多规格的H型钢产品。另外,翼缘和腹板的厚度方面,也利用与厚度相应的轧制温度控制技术,实现了多种规格的H型钢生产。除此之外,还通过使用钢坯定径轧制技术,对同一矩形坯进行不同规格产品的生产。

2、高效率自由成形技术

2.1、用斜辊调整腹板内部宽度的高效自由成形技术

不换辊而调整腹板内宽的方法大致可分为两种,即万能轧机轧制后将内部宽度扩大或缩小的方法,日本制铁采用了扩宽法。

针对腹板部分轧制法、腹板拉伸法以及宽度方向轧制法等技术都存在着腹板内宽扩大量有限,或不适合工业化生产等问题,日本制铁采用了斜辊式轧制法作为能1道次高效大范围调整的方法。该轧制法的原理如图2所示,通过装配成上下四根轧辊的轴心与轧制方向成交叉角α且左右辊的间隔为L的轧机,将在前道工序中轧制出的比中央部位厚的腹板两端(加厚部分)斜向轧制而实现腹板内宽的扩大。这时通过结合内宽扩大条件设定α和L,可得到所需腹板高度的产品。

通过分析斜辊式轧制法中轧辊咬钢过程中材料的变形过程可以认为,变形行为分在三个区域。在轧机入口区域Ⅰ,尽管不进行腹板的压下,但轧辊侧面和翼缘内侧接触,腹板整体沿宽度方向拉伸,腹板内宽被扩大;在加厚部分受到压下的区域Ⅱ,由于被向宽度方向轧制,因此产生大幅扩宽;在出口侧的区域Ⅲ,尽管已经完成腹板的压下,但轧辊与翼缘内侧接触,腹板整体被拉伸,发生扩宽。综上所述,通过斜辊式轧制实现的腹板内宽增大包括腹板的拉伸和加厚部位向宽度方向的流动。

斜辊式轧制法与其他方法相比的优势在于1次轧制即可在大范围内控制腹板内宽,且形状稳定、尺寸精度高,轧制负荷小,可实现轧机的紧凑化等。

2.2、辊身宽度可调节的水平辊

用斜辊式轧机将腹板内宽调整到所需宽度后,为了用精轧万能轧机进行精整轧制,使用了可以短时间内在线调整轧辊辊身宽度的水平辊。辊身宽度可调的水平辊结构,在轧辊轴承座之间配置有高刚性的心轴,并且辊宽度调节机构安装于轧辊轴承座的外侧,以保持辊轴的抗弯刚性,同时保证可靠的辊宽度调节。为了调整宽度,将分割后的轧辊分别热装嵌入到各心轴和中间套筒中,嵌入操作侧轧辊的中间套筒轴向固定在与操作侧轧辊轴承座组装在一起的推力轴承上,而嵌入驱动侧轧辊的心轴贯穿中间套筒内部,使其端部与辊身宽度调整驱动部分接触。该轧辊的辊轴为双重结构,轧辊的旋转力通过花键传递。辊身宽度通过旋转左右(内外)的辊间距调节。

2.3、直径可变式轧边辊

H型钢的翼缘宽度是如图1所示的上下翼缘深度和腹板厚度的总和。轧边辊由压下翼缘前端的翼缘压下部分和起到将钢材引导至适当位置作用的腹板约束部分构成。当使用孔型深度显著小于产品翼缘深度的轧边辊进行轧制时,就会发生相对于翼缘宽度的腹板中心位置上下方向的错位,因此当轧制不同翼缘宽度的产品时,需要换成孔型深度与产品翼缘深度接近的轧边辊。直径可变式轧边辊是为了无需换辊轧制不同翼缘宽度的产品而开发的轧辊。这种轧辊分离了翼缘压下部分和腹板约束部分,两者之间用偏心环连接。用安装于轧辊外部的偏心环的定位装置使该偏心轴套转动,由此使翼缘压下部分和腹板约束部分的相对位置发生变化,从而改变孔型深度。

使用直径可变式轧边辊的优势在于无论在哪一轧制道次均能使产品的翼缘深度与轧边辊的孔型深度近似,因此比使用普通的轧边辊生产时腹板中心错位的情况少。

3、定径轧制技术

热轧H型钢的原材料大致可分为断面接近成品的工字梁用异型坯和矩形坯。使用工字梁用异型坯的情况下,由于材料与成品尺寸的断面接近,可较好保证产品形状的稳定。而使用矩形坯的情况下,由于需要更大的形状变化,从成形层面看不如异型坯,但由于可使用大单重原材料,在生产效率方面具备优势。另外,为了实现产品大型化,矩形坯的自由度更高,因此目前采用生产效率高的矩形坯。

由矩形坯生产H型钢的情况下,在粗轧阶段割入钢坯的短边,使其形成H型钢的翼缘部位。经过数个轧边机后逐步扩展确保形成所要求的翼缘宽度。最后使用与成品尺寸近似的孔型进行轧制。由于可配置粗轧机轧辊的孔型数受到轧辊辊身长度的制约,轧边机轧制时的压下量受限,需要选择与产品尺寸相应宽度的钢坯。因此,存在生产多种腹板高度的产品时需要准备多种宽度的钢坯的问题。特别是为了生产大型H型钢,钢坯宽度也需要增大,因此在推进大型化时,钢坯宽度的通用化成为需要解决的问题。通过在粗轧机的前段配置轧边专用的定径轧机,可用通用的钢坯宽度生产不同腹板高度的产品。

用矩形坯生产H型钢的方法与采用工字梁用异型坯生产的情况相比,在造型层面的稳定性方面处于劣势。其主要原因之一是在轧边时如果不能将钢材正确导入轧辊(孔型)的中心位置,则会出现厚度不均衡。为了解决这一问题,采取了钢材在定径轧机的位置保持固定,而通过机架横移改变所使用孔型的方式,确保正确的钢材导入。

伴随着产品的大型化,使用的钢坯宽度也逐渐增大。为了将其竖起也需要大型设备,设备成本昂贵不经济。因此,采用了使用机械手的新的钢坯竖起方法,实现设备的紧凑化。包括以下几个步骤:首先是预倾斜工序,即在钢坯宽度方向一侧的下面挂钩爪,将水平状态的钢坯提起并使其在20-30°范围内倾斜;其次是倾斜工序,即进一步提升钩爪的同时使其向钢坯的旋转中心侧移动,并使钢坯倾斜达到50-60°;最后是竖起工序,即将钩爪进一步向上述钢坯的旋转中心侧移动,钢坯成竖起状态。采用此方法可实现最宽达1800mm钢坯的轧制。

4、结语

以上所述H型钢的高效生产工艺中,在加热炉加热的钢坯通过2架粗轧机轧制成所需形状的工字梁用异型坯。这时,安装在前段的定径轧机采用机架横移方式和新的钢坯竖起方法,可实现材料通用化和大型化。在中轧机组,使用万能轧机轧制到目标厚度的同时,使用安装在轧边机的直径可变的轧辊,自由调整翼缘宽度。最后使用斜辊轧制和安装在精轧机上的辊身宽度可变的水平辊调整腹板高度。

通过采用以上一系列技术,可以高效率地生产出用户要求很高的外部尺寸一定、翼缘和腹板厚度自由组合的产品。同时,还无需换辊生产出大量的国际标准的H型钢。