200×240(mm)坯軋制寬翼緣HW175×175型鋼的研究

宋維兆,李 強(qiáng)

(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(jī)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(yīng)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(shè)計(jì)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(zhì)量和軋制穩(wěn)定性。

H型鋼開坯機(jī)孔型類型分為直軋孔型系統(tǒng)、直腿斜軋系統(tǒng)和角式斜軋系統(tǒng)三種。后兩種在三輥勞特士軋機(jī)上為常用孔型系統(tǒng),已逐步被淘汰。直軋孔型系統(tǒng)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(jī)軋制技術(shù)的發(fā)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(nèi)常用的鋼坯高度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式為H坯≥(1.6～1.8)H成。

八鋼公司小型H型鋼生產(chǎn)線工藝布置為半連續(xù)式,工藝設(shè)備采用一架Φ750兩輥可逆式軋機(jī)和精軋機(jī)組(6架萬能軋機(jī)+3架軋邊機(jī))組成。初期H型鋼生產(chǎn)技術(shù)為“X—X軋制法”,后經(jīng)過多年的研究實(shí)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(shè)計(jì)關(guān)鍵是選擇鋼坯高度,按照鋼坯高度經(jīng)驗(yàn)計(jì)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(shè)計(jì)要求,若采用板坯切割成200×280(mm)的矩形坯可以滿足設(shè)計(jì)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(xù)生產(chǎn)的要求。

通過近兩年的研究和試驗(yàn),八鋼公司H型鋼廠用200×240(mm)矩形坯成功軋制HW175產(chǎn)品,并實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。

1 H型鋼開坯機(jī)孔型對腿部伸縮的研究

H型鋼開坯機(jī)直軋孔型系統(tǒng)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(shè)計(jì)中,這三種孔型對腿的拉縮和增長是工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn),研究腿部拉縮與增長非常重要。軋件進(jìn)入開坯機(jī)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(xiàn)象稱為拉縮。如圖1所示,虛線為軋前軋件尺寸,實(shí)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(fù)雜斷面孔型的速度差的影響;不均勻變形的影響;腿部側(cè)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(fù)雜斷面孔型各部分速度不同是復(fù)雜斷面變形的一個重要特點(diǎn)。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(yán)重的影響。在一般的二輥孔型中軋制H型鋼時,可以認(rèn)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(cè)壓的作用。在復(fù)雜斷面型鋼中,一般的腰部和腿部是相互垂直的。當(dāng)腰部放平時,腿部即直放,而腿部的減薄主要靠的是側(cè)壓,孔型的側(cè)壁斜度越大,側(cè)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(jié)果使軋件在孔型中的變形不對稱,這主要表現(xiàn)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(jù)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(cè)壓的影響,都將引起開口腿的增長和閉口腿的拉縮。正確計(jì)算拉縮量與增長量是保證成品腿高的關(guān)鍵。但是,由于開閉口腿金屬流動復(fù)雜,影響因素很多,到目前為止還沒有精確計(jì)算拉縮量與增長量的公式,一般都選取經(jīng)驗(yàn)值。將三種孔型對腿部總高減縮量歸納經(jīng)驗(yàn)公式如下:

切深孔內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(jī)孔型系統(tǒng)的選擇

從經(jīng)驗(yàn)公式可以看出,閉口孔的腿部拉縮最小,所以在選擇開坯機(jī)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(shù)量,同時閉口孔型還有降低軋件寬展的作用,避免開坯機(jī)終軋料型寬度過大,超過精軋機(jī)組軋制能力。采用DEFORM有限元模擬計(jì)算分析,對開坯機(jī)中三種孔型的腿部拉縮和增量進(jìn)行模擬驗(yàn)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(jī)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(jī)配輥圖

圖3 開坯機(jī)第5道軋制模擬

表1 開坯機(jī)軋制程序表

3 精軋孔型設(shè)計(jì)

考慮到開坯機(jī)軋制7道次對產(chǎn)能的影響,減少開坯機(jī)軋制道次,合理利用精軋機(jī)組第一道次軋邊機(jī)的作用,將前5道布置在開坯機(jī)上,最后一道確保開坯機(jī)終軋料型對稱均勻的控制孔放到精軋第一道軋邊機(jī)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(jì)算分析,對精軋機(jī)第一道孔型作為控制孔和軋邊孔兩功能進(jìn)行模擬驗(yàn)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(jī)采用自研的“H—H軋制法”,孔型布置順序?yàn)?E-H-H-H-E-H-H-E-H;其中精軋機(jī)組的6架萬能軋機(jī)中最后兩架萬能軋機(jī)(5U、6U)的電機(jī)功率只有800KW,且傳動速比較小,前兩架萬能軋機(jī)(1U、2U)電機(jī)功率最大(1300KW),其次為中間兩架(3U、4U)為1000kW。根據(jù)萬能軋機(jī)的電機(jī)功率和傳動速比,確定萬能軋機(jī)延伸系數(shù):

1U、2U的延伸系數(shù)范圍為1.30～1.35;

3U的延伸系數(shù)范圍為1.2～1.25;

4U、5U的延伸系數(shù)范圍為<1.2;

6U的延伸系數(shù)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(jié)束語

八鋼自產(chǎn)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(jì)算分析,對開坯機(jī)中三種孔型的腿部拉縮和增量進(jìn)行模擬驗(yàn)證,最終制定開坯機(jī)孔型類型為切深孔+閉口孔(1+4)。

該工藝方案在開坯機(jī)上實(shí)現(xiàn)了5道次大壓下量的軋制,減小腿部拉縮量,確保開坯機(jī)終軋料型腿長大于187mm,確定開坯機(jī)軋制程序表;萬能軋機(jī)采用自研的“H—H軋制法”,孔型布置順序?yàn)镋-H-H-H-E-H-H-E-H;根據(jù)萬能軋機(jī)的電機(jī)功率和傳動速比,確定萬能軋機(jī)延伸系數(shù),確定精軋軋制程序表。

2022年兩次試軋,已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn),寬翼緣H型鋼HW175成品尺寸滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《熱軋H型鋼和剖分T型鋼 GB/T 11263-2017》,產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到用戶的使用要求。