复杂断面型钢及万能轧机孔型设计

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复杂断面型钢及
万能轧机孔型设计轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（东北大学）
内
容
1 复杂断面与简单断面型钢轧制变形的区别1．1 什么是复杂断面型钢？1．2 复杂断面型钢的用途和特点1．3 典型产品 1．4 复杂断面型钢与简单断面型钢轧制变形的区别2 二辊孔型轧制复杂断面型钢时轧件的变形特点 3 万能孔型轧制复杂断面型钢的优点3．1万能孔型及其轧制凸缘断面型钢的优点3．2在万能孔型和轧边端孔型中轧件的变形特点4
二辊孔型轧制复杂断面型钢的孔型设计4．1成品孔型4．2延伸孔型4．3切深孔型 5万能孔型轧制的孔型设计5．1 H 型钢 5．2 重轨6万能孔型的轧制力计算 7国内外型钢轧制新技术7．1 近终形连铸异形坯7．2 无开坯机轧制技术和MPS技术(Mulit-Purpose Section Technology)7．3 万能孔型和轧边端孔型二合一的UE孔型7．4 H型钢生产新技术 8型钢高精度轧制工艺研究与生产实践8．1前言8．2 除轧机刚度外，影响轧件尺寸精度的因素分析 8．3 提高型钢轧制尺寸精度的试验研究 8．4 型钢高精度轧制技术在生产上的应用 8．5 结论 9棒线材连轧机低温轧制规程研究9．1前言9．2 影响低温轧制的工艺参数 9．3 现有连轧机降低轧制温度的阻碍 9．4 轧制实验结果 9．5 结论 1 复杂断面与简单断面型钢轧制变形的区别
! J1 Y: w' \+ a- ^) U7 }1．1 什么是复杂断面型钢？
复杂断面型钢又叫异型断面型钢，其特征是横断面具有明显凸凹分枝。 1．2复杂断面型钢的用途和特点
复杂断面型钢的品种、规格繁多，被广泛地应用于国民经济的各个领域。
# G% n4 S  w% \  d" Y钢结构用材中使用量最大的品种是H型钢。交通运输用材中用量最大且对产品质量要求最高的当属重轨。1）品种规格多。2）断面形状差异大。3）断面形状复杂。4）轧机结构和轧机布置形式多种多样。
" o+ F. k& X* q9 u! P常用的分类方法有以下4种：1）按生产方法分类。现今生产型钢的主要方法是热轧。2）按使用部门分类。3）按断面尺寸大小分类。分为大型、中型和小型。4）按使用范围分类。有通用型钢、专用型钢和精密型钢。1．3 典型产品1．3．1
5 _% d3 b; o. ^2 mH型钢和工字钢

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用途广泛

; C' l' B6 S! j6 xH型钢的产品规格很多，有如下几种分类：1）按边宽分为宽边、中边和窄边。宽边：边宽b大于或等于腰高h，中边：b大于或等于h的1/2，窄边：b等于或小于h的1/2。2）按用途分为H型钢梁、H型钢柱、H型钢桩、厚边H型钢梁。窄边为梁材，宽边为柱材。故又有梁型H型钢和柱型H型钢之称。3）按生产方式分为焊接H型钢和轧制H型钢。4）按尺寸规格分为大、中、小号H型钢。腰高在700mm以上称大号、腰高在300-700mm称中号、腰高小于300mm的产品称小号。1．3．2
钢轨
历史长。1840年就开始了钢轨轧制。
钢轨横断面可分为轨头、轨腰和轨底。世界各国对钢轨的技术条件有不同的要求，但钢轨的横断面形状是一致的。钢轨的规格以每米长的重量来表示。普通轨的重量范围为5-78kg/m，起重轨可达120kg/m。常用的规格有9，12，15，22，24，30，38，43，50，60，75kg/m。通常将30kg/m以下的钢轨称为轻轨，在此重量以上的钢轨称为重轨。 钢桩（钢板桩）1．4 复杂断面与简单断面型钢轧制变形的区别
6 r$ G/ b" h8 r3 Q主要区别有如下几点：1）简单断面型钢孔型，要求1个方向压下。复杂断面型钢，需要多方向压下，最难轧出的是薄而高的腿，即凸缘。
4 o1 x) l% H, G+ a解决问题，思路有两条，1是在设备上，采用万能轧机，用立辊和水平辊侧壁轧凸缘。2是在孔型，所谓2辊孔型轧制凸缘断面型钢的孔型设计，即复杂断面型钢孔型设计。2）简单断面型钢孔型，变形参数如咬入、压下量、轧制速度等，可用数字表达。复杂断面型钢的变形参数，很难用数字表达，因此在复杂断面型钢孔型设计时，作图是必不可少的手段3）复杂断面型钢，沿轧件横断面上的不均匀变形不可避免，轧制中轧件承受附加的拉、压和扭转等。在孔型设计时必须考虑这些不均匀变形，不能影响轧制顺利进行。1) 除腰部外，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，对边部，两道才能顶一道7) 闭口边的楔卡使轧件边宽拉缩严重。3 万能孔型轧制复杂断面型钢的优点
, L! U3 q. }' n# ^; B3 a3．1万能孔型及其轧制凸缘断面型钢的优点万能孔型轧制的优点：1) 立辊直接轧腿，可轧制薄而高的平行边。2) 轧件的边高拉缩小，坯料高度小，可以不用或少用异型坯。粗轧的道次数可以减少。万能孔型边部可以大压下，得到大延伸，减少总道次数。3) 调整压下规程(辊缝)，可轧出厚度不同的产品。调整轧边端孔型，可控制边宽。一架轧机可以轧制多道次，机架数少。
; n1 o6 j2 _! r4)
, k$ W! ^4 \& Q6 }辊面线速度差小，轧辊磨损小且均匀。轧辊几何形状简单，容易使用具有高耐磨性能的新材料轧辊。轧辊的加工和组装也比较简单。5)
# _! d- u  B- N6 t6 w5 p4 G轧制过程是对称压下，变形相对均匀。6)
不依靠孔型的侧压和楔卡使轧件变形，轧件的表面划伤小，轧制动力消耗小。3.2在万能孔型和轧边端孔型中轧件的变形特点3 .2.1 万能孔型中轧件的变形特点1）由变形区形状所决定，在万能孔型中轧件变形均匀，好于两辊孔型轧工字钢。所以辊耗、能耗都比较小，是一种较经济的轧制方式。2) 边部和腰部的变形互相影响。宽边产品，边部拉腰部的现象明显，边面积 Fb=2tb

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腰面积 Fy =d(h-2t)=0.75t(h-2t)=0.75th-1.5txt式中：t是边厚，b是边宽，h是腰高。
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。
在工程实践中有两种作法：1）在万能孔型中扩边；2）万能孔型中边宽减少。5) 轧制后边端不齐，外侧宽展大，见图4。原因如下：(1)水平辊侧面对边部内侧的金属质点有向下的摩擦力；(2)边部内侧轧辊的线速度差大，轧件出辊时是一个整体，边端受到边根的拉缩，类似于轧件闭口边的拉缩；(3)边部外侧立辊的压下量大，宽展也大。由于边端不齐，为了保证产品质量，轧边端孔型是必不可少的。3.2.2 在轧边端孔型中轧件的变形特点1)根据l/h，l－变形区长，h－变形区平均高，轧边端是典型的高件轧制。轧制时变形深入不下去，宽展集中在轧辊接触面附近，形成明显的双鼓变形，造成轧件边端局部增厚。双鼓局部增厚的边部在后续的万能孔型中产生不均匀压下，一是造成强迫宽展，边宽又得到恢复，二是造成水平辊侧面和立辊的不均匀磨损，对应双鼓局部增厚处出现槽沟。因此，轧边端的压下量应尽量小，只要轧平边端即可。
2) 轧边端时变形区内轧件的断面形状是窄而高，边根不能横向移动，边端受到摩擦力的约束，压下量一旦过大，轧件边部将出现塑性失稳弯曲，达不到轧边端的目的。由于这一原因，轧边端压下量也不能大，一般情况下，轧边端道次的压下率不应大于5%。3) 由于轧边端时轧件与轧辊的接触面很窄，压下量小，接触面积很小，所以在万能--轧边端往复可逆轧制时存在着张力饱和现象。张力一旦加大，轧边端孔型中的轧件将被拉住或者拔出。可以自动调节张力。4 二辊孔型轧制复杂断面型钢孔型设计
4．1 成品孔型
2 F1 w+ N' D# o8 K4 V为了延长轧槽寿命，闭口槽（死槽），一般尽可能小，磨损变大后，调整开口槽尺寸，孔型轧出的轧件还是对称的。
二辊孔型轧制工、槽钢，由于脱槽的限制，轧件几何形状不符合产品标准要求。工字钢有内拼和外扩，槽钢腰部有弯曲，这些缺陷需要用矫直机矫正。由于矫直盲区，二辊孔型轧出的工、槽钢，产品端头质量不能令用户满意。
如使用万能孔，则工字钢的内拼和外扩，槽钢的腰部弯曲就不再成为问题。4．2 延伸孔型4．2．1 孔型系统和孔型数目选择工字钢孔型，孔型系统的选择主要考虑成品腿高
钢坯高度B0与成品腿宽b之比B0/b B0/b=(1.8-2.2)时，使用直轧系统。B0/b=(1.6-1.8)，使用直腿斜轧系统B0/b=(1.5-1.6)，使用弯腿斜轧系统
钢坯宽度H0与成品高度h的关系为H0－∑h，∑h是轧制时，产品高度方向上各个道次轧件宽展量之和。
- v: R5 F/ L0 G8 Q& u( f3 V; h/ A如果坯料尺寸大于上述参考值，则在异形孔型前设置箱形孔。直轧系统和斜轧系统的最大区别在于：
9 J$ F! u# ]4 `- _9 F斜轧孔型中，开口腿有比较大的侧压量，腿高拉缩量小，其它参数的确定与直轧孔型一样。直轧孔型和斜轧孔型的区别见图6。表2 各规格工字钢轧制道次及所用辊径工字钢规格
' g7 T8 j$ g! E/ Y异形孔数量
4 D# M& X" W- B) u* g% j参考辊径,mmNo.10—14
9 |/ }# N3 H/ s" g# k" p( U3 l6－
- r. y4 h& c9 C, b+ }% Y* X8
, p  H5 j7 h5 {! A" b2 O! r; t8 w350-500
1 B6 h% u# P& A) A; L' v) l14—20
8－10
400-650
20—30
3 S9 \: ]: y& _# C5 V' E10－12
600-750
9 R  a, I. v% x! B- ]( b30—63
10—14

7 E7 d0 y# i, B7 l750-950
6 f1 J$ E/ Q% h5 z6 R5 A以上异形孔型的数量，包括了切深孔型。异形孔型的数目最好是偶数，在受到轧机布置形式限制，必须使用奇数孔型数时，要设置对称切深孔，或者是在尽可能远离成品孔型处，将不对称

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变形消除。 4．2．2 延伸孔型变形参数设计1)首先确定各孔型的腰部压下量
0 I6 l- Q* s8 k$ n* t工字钢孔型设计，延伸分配的主要依据是腰部压下量。限制因素除咬入条件、电机能力和轧件表面质量之外，还有一个特殊因素―腿部内侧壁斜度。
8 ~5 z, v7 S) O$ N) ]9 _直轧孔型，轧件腿部的内侧壁愈小，所允许的腰部压下量也愈小。轧普通工字钢时，其成品内侧壁斜度为1：6。所以在成品孔型中，腰部压下量一般为0.5mm。成品前孔的腰部压下量一般为1―2mm。其它各孔中的腰部压下量Δd可以按等差级数或者近似等差级数逐渐增加。
/ @4 m( l4 d) u$ S# T! u1 e
$ ]) g) N, t1 Z- x还要校核。注意：校核咬入条件要根据图示结果，不能简单计算压下量。
% a: b1 \& a1 @# ~各孔要有一定的腰部宽展量，可减轻轧辊磨损，利于咬入。成品孔为0.5－1.0mm，逆轧制顺序各孔的宽展量可逐渐加大，在1―10mm范围内。
# Q6 z% T# R- M3 }8 F8 }原因是：压下量大，则宽展量也大。
/ H% [0 x; N! L0 J, G钢坯宽且矮的时候，可采用负宽展，负宽展量根据咬入条件确定，最大可到15－17mm。这样对增加腿高有利，但是加大轧辊磨损，也易造成咬入困难。各孔型的腰部横断面积为F yi＝di hi腰部延伸系数为λyi ＝F yi+1/F yi。成品孔腰部延伸系数λy1 ＝1.05-1.15,成品前孔λy2 ＝1.15-1.25其它各孔λyi ＝1.3-1.8平均腰部延伸系数λy＝1.25-1.35。
* Z2 E  K6 D! b  O大号工字钢取下限，
, T7 g5 o* U' a) E' x8 }小号工字钢取上限。
2 r) u# P# {- ^' t为保证腿高，腰部延伸系数λy和开口腿延伸系数λk，闭口腿延伸系数λb应满足如下关系：1）大号工字钢：
/ d2 s; V! ]6 G$ S, S腰部断面积F y占轧件断面积F的比率较大，如果腰部延伸大于腿部延伸，会造成腿高拉缩，设计时要使腿部平均延伸大于腰部。即：
0.5*(λk+λb)> λy为满足上述关系，延伸孔型应该使用异形坯。大号工字钢，用切深孔将矩形坯轧成异形坯的生产实例不多。老式轧机轧大号工字钢时，异形坯由初轧机提供。新型轧机，使用连铸异形坯或者是利用连铸板坯轧成异形坯。2）中、小号：腿部平均延伸也要大于腰部。中、小号工字钢经常使用矩形坯和方坯，这样势必有一些孔型的腰部延伸大于腿部平均延伸。这种情况，应该尽量安排在切深孔型或紧邻切深孔的孔型中。3）各种规格的工字钢，在延伸孔型中都应该遵守以下原则：λk> λy >λb（0.5*(λk+λb)）－ λy ＝0～0.05
( y# ~; ~5 e: t二辊孔型轧制异形断面型钢，最困难就是轧制薄而高的腿，腿又只能在开口槽中受到加工。故开口腿延伸系数λk大，目的就是使金属在开口槽中有较大的侧压。在闭口槽中，轧件的腿部延伸主要是由来料的腿部进入闭口槽，形成楔卡和腿高被压下而实现的，腿高将明显缩短。如果在孔型设计时，在闭口槽中安排较大的侧压，将造成楔卡严重，腿高拉缩过大。直轧孔型中，λk－λb为0.04～0.08，斜轧孔型中，λk－λb可为0.1～0.2，最大可到0.4。各孔型中，闭口腿变短，拉缩量Δhb，
开口腿变长，增长量Δhk。各孔型轧后的开口腿和闭口腿高度为hk2=hb1+Δhb1, hb2=hk1-Δhk1, hk3=hb2+Δhb2, hb3=hk2-Δhk2, hk4=hb3+Δhb3, hb4=hk3-Δhk3……, 等。拉缩量Δhb和增长量Δhk的经验数据见表3。表3
; b( _  N% y  @拉缩量Δhb和增长量Δhk经验数据
9 [- H- Y, o: m' V9 mUnit:mm

* C. D9 o  y& O9 |  ~, \工字钢
9 X3 F) h2 k. l, t; I) s) C4 r直轧孔型系统
8 m4 `! ^# p4 Z: R/ _斜轧孔型系统
规格No.
: |2 q( n5 L) o( P. j& O成品孔
其它孔
成品孔
其它孔
5 x5 T! L" w) y% ^, z, A

" A( N5 B* g! n! RΔhk
Δhb
  e  s2 Y: e2 jΔhk
Δhb
Δhk
Δhb
7 _7 t8 g) M3 @. J) C" k% eΔhk
Δhb
3 o9 A3 R( I3 J8 Z7 s
8-18
0-0.5
4-5
0.2-0.5
5-6
3 q$ |3 a! b. ~( |( L$ x# [0.5-1
) F" w9 A! b/ ]% x, ^& c3 S2-6
2-5
3-6
10-30
& m- N1 \$ v1 T5 K! G$ O' t0-1.0
5-8
: j& P8 f' i  X+ w; F/ H0.4-1.0
8 p3 L0 n) R& \1 }4 W. B- Q/ O6-8
0 s2 x* W( W0 u+ a( Q8 }0.6-1
3 d, e9 C* A$ R+ G3-7
2-5
4-7
- i& f# }. A& y- k- r30以上
0-1.5
' ^7 Z& R) X' i7-8
0.6-1.5
0 S, f5 k- {5 M7-10
& H$ R3 Z6 H# h" `1-1.5
4-8
$ W0 @; m  n' _2-5
5-8
: q( R2 R0 c7 ^
根据腿部侧压，确定各孔腿厚。腿面积按梯形面积计算，需要确定的尺寸有，腿尖厚ak ,ab, 腿根厚bk ,bb, 腿高hk ,hb。闭口槽接受的是前一孔轧出的开口腿，为避免楔卡太大，要求来料的腿最少可以插入闭口槽1/3。见图。故每孔的开口腿尖厚aki小于后一孔（逆轧制顺序，已设计完）闭口腿尖厚，aki＝abi－1-(0.5～0.8)，bki＝2F ki /hki-aki。闭口腿厚根据已得到的闭口腿面积Fki 如下：abi +bbi＝2F bi /hbi,
+ e& B, M3 y/ k$ abbi -bki-1> abi -aki-1,abi/ aki-1> bbi/ bki-1,换一种方式理解：在开口腿中轧制，要求腿根部绝对变形量大，腿尖部相对变形量大。各孔型的闭口腿外侧壁斜度为2％，开口腿外侧壁斜度为4－8％，以闭口腿内侧壁无内斜为原则。如果使用弯腿斜轧法，闭口腿外侧壁斜度可取2～23％，开口腿外侧壁斜度可取10～45％，比较理想的是使内外侧壁斜度接近相等。
各孔型的闭口腿尖内外圆角半径，成品孔型按2－4mm选取，逆轧制顺序每孔逐渐加大1－3mm，但要保证闭口槽底有一平直段。开、闭口腿根部圆角半径，成品孔型按产品标准选取，逆轧制顺序每孔逐渐加大5－10mm。

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孔型锁口长度l，见图，为10－15mm。孔型外圆角半径r，见图，为8--10mm。辊缝s应大于该机架上最小腰厚孔型的腰厚，以便保护轧槽。4．3切深孔形
7 N8 G, f- Q: [- t顺轧制顺序的第一个异形孔到开始应用变形接近均匀的孔型之间的各个孔型皆称为切深孔型。小于20号的工字钢，腰厚在20―25mm，大于20号的工字钢，腰厚在38―45mm以上，且腰部中间宽度－楔宽小于孔型总宽h的（1/2～1/3），均可认为是切深孔形。
$ r  l7 A, I2 O, u& G在切深孔形中，要保持λy> λk>λb 。使用直轧孔型时，腿高减缩量一般为腰部压下量的35－40％。使用斜轧孔，腿高减缩量为腰部压下量的20－30％。不论直轧还是斜轧，都是腰部愈薄，腿高的拉缩量愈大。因此在设计切深孔型时，离成品孔远的孔型腿高拉缩量取下限，反之取上限。在有开、闭口腿的区别时，开口腿的拉缩量要比闭口腿小2－3mm。
按接触点校核咬入，必须用图示法。条件允许，应尽量加大腰部压下量，使腰部变薄，形成高腿，以便以后各孔可以进行接近均匀的变形。
切深孔型必须保证不能切偏，一旦切偏，将无法矫正。所以孔型设计时，必须用作图法，保证轧件在进第一个切深孔型时，轧件先接触孔型侧壁，后接触切深楔，见图7。5 万能孔型轧制的孔型设计5．1 H型钢
在万能孔型中轧制H型钢，孔型设计的工作比较简单。由孔型形状和轧件的变形条件所决定，轧件的轧制前后腰高不变，腿宽近似不变，即孔型设计可以不计轧件宽展。所以H型钢的孔型设计类似于轧制板材的压下规程分配。
" D& v, \$ b* ~由变形特点所决定，轧制H型钢时孔型设计一般应遵守以下原则： 1) 万能孔型，腿的延伸应略大于腰。为避免拉缩腿宽。一般是令(λy-λt)=0.01～0.03。如果差值较大，将影响腰部表面的质量。2) 轧边端的压下量应尽量小，只要轧平即可。3) 为保证咬入，万能孔型前的来料内腔应略小于水平辊的宽度，差值为1-2mm。4) 一般常规轧制，成品孔型侧面的斜度在0—200之间，其它万能孔型侧壁的斜度在4-100之间。
腰部面积Fy等于腰厚d和腰内侧宽(水平辊宽)hn的乘积。腿面积Ft等于腿厚t和腿高b乘积的2倍。

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这个资料很难得，所以特向老大申请加精，希望能给大家有所启示

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谢谢老大的鼓励，呵呵

一两酒

明天细看，东工的吴迪吧？
3 t% K1 m, T. K& d跟他多谈佛教，就比较容易接近了，他比较喜欢这个。

过街蛤蟆

H型钢的孔型可不好玩，玩过不少东西了，但没玩过这东西，四周的不少牛人也没玩过这东西，有难度，学习一下。

Jumchen

lz,能不能弄到轧钢轨的资料呀?