200×240(mm)坯軋制寬翼緣HW175×175型鋼的研究

宋維兆,李 強

(1.新疆八一鋼鐵股份有限公司制造管理部;2.新疆八一鋼鐵股份有限公司軋鋼廠)

前言

萬能軋機軋制H型鋼的軋制方法主要有:格林法、薩克法、杰普潑法、X-H軋制法和X-X軋制法。目前格林法、薩克法和杰普潑法應用較少,各國的H型鋼主要以X—H軋制法和X—X軋制法為主。在H型鋼孔型設計中坯料高度的選擇尤其重要,坯型直接影響到H型鋼成品質量和軋制穩定性。

H型鋼開坯機孔型類型分為直軋孔型系統、直腿斜軋系統和角式斜軋系統三種。后兩種在三輥勞特士軋機上為常用孔型系統,已逐步被淘汰。直軋孔型系統要求鋼坯高度為成品腿寬的2.0～2.2倍,即:H坯≥(2.0～2.2)H成。

隨著近代H型鋼萬能軋機軋制技術的發展,在坯型的選擇上,大H型鋼采用“H”形的異性坯,中小H型鋼的鋼坯高度與成品腿寬的比例也降到了1.6～1.8倍,是目前國內常用的鋼坯高度計算的經驗公式為H坯≥(1.6～1.8)H成。

八鋼公司小型H型鋼生產線工藝布置為半連續式,工藝設備采用一架Φ750兩輥可逆式軋機和精軋機組(6架萬能軋機+3架軋邊機)組成。初期H型鋼生產技術為“X—X軋制法”,后經過多年的研究實踐,目前H型鋼軋制全部采用自研的“H—H軋制法”。

H型鋼孔型設計關鍵是選擇鋼坯高度,按照鋼坯高度經驗計算,軋制寬翼緣H型鋼HW175所需的最小鋼坯高度為280mm。而八鋼最大連鑄矩形坯截面尺寸為200×240(mm),坯材比只有1.37,鋼坯高度不滿足H型鋼孔型設計要求,若采用板坯切割成200×280(mm)的矩形坯可以滿足設計要求,但是板坯切割的效率極低,加工成本高,無法滿足大批量連續生產的要求。

通過近兩年的研究和試驗,八鋼公司H型鋼廠用200×240(mm)矩形坯成功軋制HW175產品,并實現了批量生產。

1 H型鋼開坯機孔型對腿部伸縮的研究

H型鋼開坯機直軋孔型系統中孔型類型分為:切深孔型、閉口孔型和控制孔型,這三種孔型安裝孔型大類均屬于蝶形孔。

在H型鋼工藝設計中,這三種孔型對腿的拉縮和增長是工藝設計的關鍵點,研究腿部拉縮與增長非常重要。軋件進入開坯機蝶形孔型中軋制時,在腿部高向無直壓的條件下,軋后腿長比軋前腿長縮短的現象稱為拉縮。如圖1所示,虛線為軋前軋件尺寸,實線為軋后軋件尺寸,△hb為拉縮值。同樣條件下,如果軋后腿長增長了,則稱為增長,如圖1中的△hk即為增長值。

圖1 H型鋼軋制拉縮與增長示意圖

影響腿的拉縮和增長的主要因素有:復雜斷面孔型的速度差的影響;不均勻變形的影響;腿部側壓的作用;不對稱變形等因素的影響。

(1)不均勻變形的影響。復雜斷面孔型各部分速度不同是復雜斷面變形的一個重要特點。由于孔型各部分具有不同軋輥直徑,因而各部分的速度也不同,這必須會對軋件在孔型中的變形帶來嚴重的影響。在一般的二輥孔型中軋制H型鋼時,可以認為軋件時按照腰部的延伸而延伸的,也就是不論邊部的自然延伸有多大,軋件也將按腰部的延伸而延伸。

(2)腿部側壓的作用。在復雜斷面型鋼中,一般的腰部和腿部是相互垂直的。當腰部放平時,腿部即直放,而腿部的減薄主要靠的是側壓,孔型的側壁斜度越大,側壓量也越大。

(3)不對稱變形等因素的影響。在一個蝶形孔型中,由于閉口槽和開口槽中的作用力條件不同,結果使軋件在孔型中的變形不對稱,這主要表現為軋件的開口邊和閉口邊的邊高不等,尤其在切深孔中軋制矩形斷面鋼坯時,這種不對稱變形特別明顯。

根據研究,由于受到外摩擦,速度差,變形不均勻即延伸差和開口腿側壓的影響,都將引起開口腿的增長和閉口腿的拉縮。正確計算拉縮量與增長量是保證成品腿高的關鍵。但是,由于開閉口腿金屬流動復雜,影響因素很多,到目前為止還沒有精確計算拉縮量與增長量的公式,一般都選取經驗值。將三種孔型對腿部總高減縮量歸納經驗公式如下:

切深孔內腿總高減縮量為腰部壓下量的30%～40%:H1-H2=(0.3～0.4)(d1-d2)

閉口孔內腿總高減縮量為腰部壓下量的10%～20%:H1-H2=(0.1～0.2)(d1-d2)

控制孔內腿總高減縮量為腰部壓下量的50%～70%:H1-H2=(0.5～0.7)(d1-d2)

2 開坯機孔型系統的選擇

從經驗公式可以看出,閉口孔的腿部拉縮最小,所以在選擇開坯機孔型組合的形式上盡量增加閉口孔,減少切深孔和控制孔的數量,同時閉口孔型還有降低軋件寬展的作用,避免開坯機終軋料型寬度過大,超過精軋機組軋制能力。采用DEFORM有限元模擬計算分析,對開坯機中三種孔型的腿部拉縮和增量進行模擬驗證:采用1道切深孔+4道閉口型,確定了配輥圖和軋制程序表分別見圖2和表1,開坯機通過五道次軋制后的終軋料型成倒梯形的“H”狀,如圖3所示。

圖2 開坯機配輥圖

圖3 開坯機第5道軋制模擬

表1 開坯機軋制程序表

3 精軋孔型設計

考慮到開坯機軋制7道次對產能的影響,減少開坯機軋制道次,合理利用精軋機組第一道次軋邊機的作用,將前5道布置在開坯機上,最后一道確保開坯機終軋料型對稱均勻的控制孔放到精軋第一道軋邊機上,讓精軋第一道具備控制孔和軋邊孔兩種特性,采用DEFORM有限元模擬計算分析,對精軋機第一道孔型作為控制孔和軋邊孔兩功能進行模擬驗證,并確定孔型,其孔型見圖4。

圖4 精軋第1道軋制模擬圖

萬能軋機采用自研的“H—H軋制法”,孔型布置順序為:E-H-H-H-E-H-H-E-H;其中精軋機組的6架萬能軋機中最后兩架萬能軋機(5U、6U)的電機功率只有800KW,且傳動速比較小,前兩架萬能軋機(1U、2U)電機功率最大(1300KW),其次為中間兩架(3U、4U)為1000kW。根據萬能軋機的電機功率和傳動速比,確定萬能軋機延伸系數:

1U、2U的延伸系數范圍為1.30～1.35;

3U的延伸系數范圍為1.2～1.25;

4U、5U的延伸系數范圍為<1.2;

6U的延伸系數范圍為<1.16;

確定精軋軋制程序表,見表2。

表2 精軋軋制程序表

5 結束語

八鋼自產的最大矩形坯200×240(mm)理論上無法滿足HW175成品翼板寬度175mm的工藝要求。在研究過程中采用了DEFORM有限元模擬計算分析,對開坯機中三種孔型的腿部拉縮和增量進行模擬驗證,最終制定開坯機孔型類型為切深孔+閉口孔(1+4)。

該工藝方案在開坯機上實現了5道次大壓下量的軋制,減小腿部拉縮量,確保開坯機終軋料型腿長大于187mm,確定開坯機軋制程序表;萬能軋機采用自研的“H—H軋制法”,孔型布置順序為E-H-H-H-E-H-H-E-H;根據萬能軋機的電機功率和傳動速比,確定萬能軋機延伸系數,確定精軋軋制程序表。

2022年兩次試軋,已實現批量生產,寬翼緣H型鋼HW175成品尺寸滿足國家標準《熱軋H型鋼和剖分T型鋼 GB/T 11263-2017》,產品質量達到用戶的使用要求。