新日铁住金的H型钢制造技术

1. 前言
　　常规H型钢轧制方法是粗轧机将加热炉加热的坯料轧制成H型钢异形坯，然后万能轧机轧制成翼板和腹板规定厚度，轧边机轧制成翼板规定的宽度。因此，H型钢内腹板高度由轧机水平辊的长度决定，翼板深度由轧边机轧辊孔型决定。在轧制不同腹板高度和不同翼板深度的H型钢时，必须更换水平辊和轧边机轧辊。
　　此外，H型钢在热轧过程中，断面内的热履历不同，因此产生内部应力。内应力很大时，腹板发生弯曲，所以H型钢的制造尺寸范围有一定限制。
　　针对这种情况，新日铁住金开发出新型H型钢轧制技术。该项技术包括可自由调整腹板高度的腹板高度万能尺寸成形技术，和不用换辊轧制不同翼板深度的孔型可变轧边机轧辊技术。利用该新型H型钢轧制技术可以制造尺寸范围很大的不同腹板高度、翼板深度的H型钢。此外，利用轧制温度厚度比控制技术可以制造多种规格的H型钢，以及利用钢坯调宽轧制技术，用同一矩形钢坯轧制出不同规格的H型钢。
2. 高效万能尺寸成形技术
2.1 斜轧法调整内腹板高度
　　不用换辊轧制不同内腹板高度H型钢的方法有腹板局部轧制法、腹板拉延法、腹板深度方向轧制法等等。新日铁住金采用的方法是斜轧式轧制法。该方法可在一个轧制道次中快速、大幅度调整内腹板高度。轧机的上下左右四个轧辊的轴向与轧制方向成α度角（交叉角）、左右轧辊间距为L。轧机对上游轧机成形的中间薄、两端厚（轧制裕量）轧坯的轧制裕量部分进行斜轧，扩展内腹板高度。轧制时，按照内腹板高度扩展要求，设定α和L，就可以获得要求的腹板高度。
　　斜轧法轧辊咬入区内钢料的变形行为分3个区域进行。在轧机入口区Ⅰ，没有发生腹板轧制，但轧辊侧面与翼板内侧接触，使腹板整体沿深度方向拉延，内腹板高度扩大。在轧制裕量被轧制的区域Ⅱ，轧制裕量被沿着腹板高度方向轧制，使内腹板高度大幅度扩大。在轧机出口区Ⅲ，腹板压下终了，但由于轧辊与翼板内侧接触，腹板整体沿深度方向拉延，内腹板高度进一步扩大。
　　与其他轧制方法相比，斜轧法的优点是，可在一道次轧制中使内腹板高度大幅度扩大、形状稳定、尺寸精度高、轧制负荷小，可实现轧机小型紧凑化。
2.2 辊身长度可调的万能轧机水平辊
　　斜轧轧机将轧材的内腹板高度轧制到规定尺寸后，用万能轧机对轧材进行整形精轧。在轧制中要在短时间内对万能轧机水平辊辊身长度进行调整。这时要使用辊身长度可调水平辊。其结构是，轧辊轴承座之间是高刚性轴杆，辊身长度调整机构位于轧辊轴承座外侧，使轧辊轴保持高弯曲刚性。这种结构使辊身长度调整机构具有高可靠性。
　　为了进行辊身长度调整，将组合辊热压装配在各个轴杆和中间套筒上。热装有操作侧组合辊的中间套筒，安装在操作侧轧辊轴承座内的止推轴承上。热装有驱动侧组合辊的轴杆贯通在中间套筒内，轴杆端部与辊身长度调整机构驱动部连接。驱动侧组合辊形成了辊轴双重结构，其转动力由花键传递。用辊身长度调节螺丝，以调节左右（内外）组合辊的间隔，从而调整水平辊的辊身长度。
2.3 辊径可调轧边辊
　　H型钢翼板宽度是上下翼板深度和腹板厚度之和。H型钢轧边机轧辊由轧制翼板端部的压下轧辊和轧材导向辊组成。如果使用孔型深度明显小于翼板深度的轧边辊进行轧制，就会发生腹板中心对于翼板深度方向上下偏离的现象。在轧制不同翼板深度的H型钢时，必须将轧边辊更换为孔型与要求的翼板深度接近的轧边辊。为解决这个问题，新日铁住金开发出辊径可调轧边辊，可以不用换辊，轧制不同翼板深度的H型钢。
　　在辊径可调轧边辊中，将翼板压下部和腹板导辊分离，在两者之间有偏心环。利用偏心环位置控制装置使偏心套筒转动，改变翼板压下部和腹板导辊的相对位置，来改变轧边辊孔型深度。
　　使用辊径可调轧边辊的好处是在H型钢轧制的任何道次中，轧边辊孔型深度都接近轧材的翼板深度，其腹板中心的偏离比用普通轧边辊的小。
2.4 轧制温度控制技术
　　热轧H型钢的腹板厚度小于翼板，由于轧制和冷却过程中的热容量和散热不同，在腹板和翼板之间产生温度差，引起热应力。这种热应力在翼板内成为拉伸应力，在腹板内成为压缩应力。当腹板的压缩内应力超过压屈应力时，冷却后的腹板产生波浪缺陷。
　　腹板厚度小于翼板，所以腹板冷却快，一般情况下，腹板温度低于翼板。从翼板和腹板的温度差曲线可以看出，在翼板的γ→α转变（发热转变）结束时，翼板和腹板温差曲线出现一个峰值，峰值后曲线逐渐下降。腹板冷却快于翼板，但在翼板的γ→α转变结束后，腹板的冷却速度小于翼板。这种不均匀冷却导致轧制过程中腹板和翼板各个时刻的热收缩量都不同，由于这种热收缩受到翼板和腹板的相互约束，因此在H型钢长度方向上产生热应力。翼板热应力与腹板热应力符号相反。
　　从腹板热应力可以看出，随着翼板γ→α转变结束、翼板腹板温差减小，在冷却速度快、收缩快的翼板内不断积累着压缩应力。由于γ→α转变是膨胀转变，所以腹板发生γ→α转变时，腹板应力是压缩应力，翼板应力是拉伸应力。翼板发生γ→α转变时，应力状态相反。由于在γ→α转变结束前，容易进行塑性变形，所以热应力不大。腹板和翼板厚度差越大、温度差越大，越容易发生腹板波浪缺陷，所以应尽量缩小腹板和翼板的温度差。为此，在H型钢轧后立即在翼板外侧对翼板进行水冷。
　　过去，仅为防止腹板波浪缺陷进行过度水冷时，翼板水冷面产生淬火硬化组织，硬度升高，或者因水冷引起轧材温度过低，使轧材被低温轧制、细晶铁素体受到温间加工，钢材的屈服强度升高，屈强比显著变大。采用新日铁住金的H型钢轧制温度控制技术在防止腹板波浪缺陷产生的同时，对H型钢组织也可进行控制。
3. 钢坯调宽轧制技术
　　根据热轧H型钢所用坯料的不同，其轧制方法分为异形坯轧制方法和矩形坯轧制方法。异形坯是断面尺寸形状接近H型钢成品粗断面的钢坯，所以异形坯轧制方法的优点是H型钢产品形状稳定。矩形坯轧制方法则要对钢坯进行很大的形状变化轧制。从成形稳定性角度来看，矩形坯轧制不如异形坯轧制有利（一个主要原因是在轧边时，如果没有将轧材准确地引导到轧辊孔型的中心位置，会造成轧材薄厚不均。解决方法是，调宽轧机将轧材的位置固定，利用机架移动变更孔型，从而实现轧材的准确导向）。但矩形坯轧制可使用大单重钢坯，在提高生产效率方面具有优势。目前已经采用生产效率高的矩形坯轧制方法轧制H型钢。
　　在利用矩形坯轧制H型钢时，在粗轧阶段对钢坯的侧边轧制出凹陷，形成H型钢的翼板部位。这个过程是利用多个轧边孔型逐渐扩展轧制，达到规定的翼板宽度。最后利用与H型钢成品形状近似的孔型，对轧材进行成形轧制。由于粗轧机轧辊可配置的孔型数受到轧辊辊身长度的制约，所以，必须根据H型钢尺寸（腹板高度）选用适当的矩形坯料。因此在生产多种腹板高度H型钢时，存在使用多种宽度矩形坯料的问题。为解决这个问题，在粗轧机前面配置了轧边专用的调宽轧机，使不同腹板高度的H型钢，可用同一规格矩形坯料生产。
4. 结语
　　采用上述各项技术的高效率H型钢制造流程：两架粗轧机将加热好的矩形钢坯轧制成规定形状的异形钢坯；粗轧机前面配置的调宽轧机对钢坯边部进行轧制，使H型钢坯料实现规格通用化；中间轧机机组的万能轧机对轧材进行精轧达到规定的厚度，同时利用轧边机上配置的辊径可调轧边辊，轧制出不同的翼板宽度；最后，利用斜轧机和精轧机上配置的辊身长度可调的水平辊轧制，调整腹板高度。在中间轧机的前后和精轧后面对翼板进行水冷，使腹板翼板厚度差大的H型钢也不会产生腹板波浪。
　　采用上述系列技术可以高效率制造用户要求的外缘尺寸一定，不同翼板、腹板厚度组合的H型钢。目前新日铁住金可以制造400mm×200-1000mm×400mm的47个系列、611个规格的外缘尺寸一定的H型钢，还可以不用换辊制造多种国外标准的H型钢。