第9章大、中型型材及復雜斷面型材生產東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室高秀華2025/4/132主要內容初軋開坯凸緣型鋼的軋制二輥孔型與四輥萬能孔型軋制凸緣型鋼的區別大、中型型鋼生產技術2025/4/1339.1初軋開坯按老式的煉鋼生產體系布局，一個大型鋼鐵聯合企業，應該是板材、型材和管材都能生產。初軋廠是整個生產體系的咽喉，在老式的鋼鐵生產體系初軋的地位是非常重要的。而連鑄技術成熟之后，由于各工業先進國家的連鑄比已經逐步達到95％以上，有些國家甚至達到了100％。我國連鑄比已經達到90％以上。傳統的初軋開坯生產已成為歷史。2025/4/134老式的鋼鐵生產體系2025/4/1359.1初軋開坯自20世紀80年代起，世界上就沒有新建過大型初軋機，我國寶鋼的初軋機是世界上最后建設的一臺大型板坯和管坯初軋機。目前軋制普通鋼材的絕大多數都使用連鑄坯，只有在用連鑄法澆鑄有困難時，才用鋼錠經初軋軋成鋼坯。例如生產超出規定壓縮比的極厚、極大鋼材；生產高合金鋼等特殊鋼坯，用連鑄法還難以保證質量。2025/4/1369.2凸緣型鋼的軋制H型鋼和工字鋼鋼軌2025/4/1379.2凸緣型鋼的軋制一、H型鋼和工字鋼（1）特性及用途H型鋼是斷面形狀類似于大寫拉丁字母H的一種經濟斷面型材；萬能鋼梁寬邊（緣）工字鋼平行邊（翼緣）工字鋼H型鋼的橫斷面通常分成為腰部和邊部兩部分，有時也稱為腹板和翼緣。2025/4/138

H型鋼和普通工字鋼的區別

2025/4/139一、H型鋼和工字鋼（1）特性及用途H型鋼的邊部內側與外側平行或接近于平行，邊的端部呈直角，因此得名平行邊工字鋼。與腰部同樣高度的普通工字鋼相比，H型鋼的腰部厚度小，邊部寬度大，因此又得名寬邊工字鋼。

2025/4/1310一、H型鋼和工字鋼形狀特點：腰薄、邊寬、翼緣平行、邊端呈直角，斷面高度和邊寬之比較小，斷面形狀和尺寸合理，與等高度、相同重量的工字鋼相比，其慣性矩及力學性能要優越得多。不論是承受彎曲力矩、壓力負荷、偏心負荷都顯示出它的優越性能，可較普通工字鋼大大提高承載能力。采用Ｈ型鋼在建筑上可使構件質量減輕30%～60%，用在橋梁上可減輕質量15%～20%，一般結構可減輕10%～25%。2025/4/1311一、H型鋼和工字鋼由于其邊部內側與外側平行，邊端呈直角，便于拼裝組合成各種構件，即美觀又大方，還可節約焊接和鉚接工作量達25%左右，大大加快工程的建設速度，縮短工期。2025/4/1312一、H型鋼和工字鋼用途各種民用和工業建筑結構；各種大跨度的工業廠房和現代化高層建筑；要求承載能力大、截面穩定性好、跨度大的大型橋梁；重型設備；高速公路；艦船骨架；礦山支護；地基處理和堤壩工程；各種機械零件。2025/4/1313一、H型鋼和工字鋼產量目前，在發達國家，大型型鋼大部分被H型鋼所代替，特別是主要產鋼國家的H型鋼產量占鋼材總量的4％～8％;我國僅占0.4%;日本是世界上H型鋼產量最高的國家，H型鋼占型鋼產量的50％左右，而普通工字鋼產量占型鋼產量的2.3%。2025/4/1314二、H型鋼分類按產品邊寬分類寬邊H型鋼：邊寬b≥腰高h中邊H型鋼：邊寬b≥腰高h的1/2窄邊H型鋼：邊寬b≤腰高h的1/2按用途分類H型鋼梁：以窄邊H型鋼作為梁材（其高度與腿寬之比為2:1~3:1）故又有梁型H型鋼H型鋼柱：寬邊H型鋼作為柱材（其高度與腿寬之比為1:1）。柱型H型鋼之稱。H型鋼樁：厚邊H型鋼梁：有時將平行腿槽鋼和平行邊T字鋼也列入H型鋼的范圍2025/4/1315主要規格和種類2025/4/1316二、H型鋼分類按尺寸規格分類大號H型鋼

：將腰高在700mm以上的產品稱為大號H型鋼中號H型鋼

：腰高在300~700mm的產品稱為中號H型鋼小號H型鋼：腰高小于300mm的產品稱為小號H型鋼按生產方式分類焊接H型鋼軋制H型鋼2025/4/1317三、生產方法焊接法它是將厚度合適的帶鋼裁成合適的寬度，在連續式焊接機組上將邊部和腰部焊接在一起。

優點：可以生產各種難以軋制的H型鋼斷面，生產操作靈活，適合小批量、多品種的市場需求。缺點：焊接H型鋼金屬消耗大，生產的經濟效益低，不易保證產品性能均勻。

2025/4/1318焊接H型鋼采用焊接方法生產：H型鋼的斷面模數超過10000時，用軋制方法生產不經濟。斷面模數不算大，但斷面是不對稱的，如兩腿具有不同的長度或不同的厚度等。2025/4/1319生產工藝：連續式工藝流程（以鋼卷為原料）：鋼帶縱切→開卷→打坡口→定位→焊接→矯直→剪切→包裝連續式工藝大多采用高頻焊接，其產量大約為2～5萬t/a，它可以生產高度為200～500mm的窄邊、中邊及寬邊H型鋼、T型鋼、L型鋼等，其焊速可達30m/min。2025/4/1320間斷式工藝流程（以鋼板為原料）：切割下料→干燥噴丸→預彎→對正預焊→喂進焊接→翻轉再焊→切成定尺→矯直→標志防銹→包裝間斷式工藝：大多采用埋弧焊接，其產量約為1～3萬t/a，它可以生產高度為200～1500mm的各種寬度的H型鋼、T型鋼等，其焊速可達1.8m/min左右。2025/4/13212025/4/1322三、生產方法軋制法H型鋼在萬能孔型中軋制;H型鋼的腰部在上下水平輥之間進行軋制，邊部則在水平輥側面和立輥之間使其同時軋制成形；在萬能機架后設置軋邊端機，俗稱軋邊機，以便加工邊端并控制邊寬；將萬能軋機和邊端機組成一組可逆連軋機，使軋件往復軋制若干次，或者是將幾架萬能軋機和1~2架軋邊端機組成一組連軋機組，每道次施加相應的壓下量，將坯料軋成所需規格形狀和尺寸的產品。2025/4/1323用萬能軋機軋制H型鋼（a)萬能－軋邊端可逆連軋；(b)萬能粗軋孔；(c)軋邊端孔；(d)萬能成品孔1－水平輥；2－軋邊端輥；3－立輥；4－水平輥2025/4/1324三、生產方法軋制法在軋件邊部，由于水平輥側面與軋件之間有滑動，故軋輥磨損比較大。為了保證軋輥重車后的軋輥能恢復原來的形狀，除萬能成品孔型外，上下水平輥的側面及其相應的立輥表面都有3°~10°的傾角，即萬能粗軋機和中軋機的立輥是雙圓錐形。成品萬能孔型，又稱萬能精軋孔，其水平輥側面與水平輥軸線垂直或有很小的傾角，一般在0°~0.3°，立輥呈圓柱狀。

2025/4/1325側壁斜度y:垂直的側壁是沒有的作用：形成喇叭口引導軋件進入孔型，出軋槽不易纏輥，利于脫槽。有寬展余地，防止耳子，共用性好。增加軋輥壽命，重車量與斜度的關系：△D=2a/sinφ。異形孔中可以增大側壓量△hc=△hzsinφ2025/4/1326四、H型鋼的生產工藝過程2025/4/1327四、H型鋼的生產工藝過程一般小號H型鋼多選用方坯，大號H型鋼多選用異形坯，方坯和異形坯可用連鑄坯，也可由初軋直接供給。鋼坯在經過精整和稱重后，裝入步進式加熱爐中加熱到1200～1250℃出爐，步進式爐大多數采用雙絕熱滑軌和軸流式燒嘴，可對不同規格鋼坯提供最佳的溫度控制，并節約燃料。2025/4/1328四、H型鋼的生產工藝過程鋼坯出爐后，高壓水除鱗，然后被送入開坯機軋制。開坯機一般為兩輥可逆式軋機，在開坯機上需要軋制7～13道左右，然后軋件被送往熱鋸切頭尾。再把軋件送入萬能粗軋機軋制，一般軋制數道后送入萬能精軋機，軋一道最后成形。再次切去頭尾，并按定貨要求把軋件切成定尺長度再送往冷床冷卻；由于H型鋼腿厚與腰厚之比較大，若采用平放，容易因腰腿冷卻進度不一致，造成腰部波浪，故一般多采用立冷（工工

）。（H型鋼控冷）2025/4/1329H型鋼生產工藝2025/4/13302025/4/13312025/4/1332五、H型鋼孔型設計H型鋼軋制方法：在二輥式軋機上軋出異形坯，在四輥萬能軋機上精軋；用連鑄異形坯，在二輥開坯機和四輥萬能軋機上進行精軋。萬能軋機的孔型設計則包括輥型設計和壓下規程設計兩部分。輥型設計包括以下內容：（1）水平輥直徑與立輥直徑的選擇。水平輥直徑取決于所軋H型鋼的邊寬度b。b值大，水平輥直徑大，立輥輥身也長。立輥直徑的大小取決于軋輥強度。2025/4/1333五、H型鋼孔型設計

輥型設計包括以下內容：（2）水平輥和立輥輥身長度設計。水平輥輥身取決于產品的腰高，立輥輥身長取決于產品的邊寬。（3）水平輥側面斜度和立輥輥面錐度的確定。水平輥側面斜度和立輥輥面錐度是一致的，成品前的萬能孔型通常為4～8°，成品孔型一般取0～15′。2025/4/1334五、H型鋼孔型設計

壓下規程設計使軋件腰部和邊部的延伸相等或接近相等。若腰部的延伸系數比邊部的延伸系數大得多，則腰部將會出波浪；若二者相反，則邊部將出波浪或導致腰裂。若腰部的延伸系數與邊部的延伸系數相差很大時，可能使邊部和腰部分開，完全不能軋制。2025/4/1335鋼軌高速鐵路第一代：200km/h第二代：300km/h第三代：350km/h實驗車速：515km/h

高速鐵路線路：小坡度0.8%~3.5%；線路曲線采用大半徑，2500~8000m各國高鐵單車平均時速德國232公里/h日本243公里/h法國277公里/h中國350公里/h2025/4/13362025/4/1337現代化鐵路對鋼軌的要求普遍采用重型斷面鋼軌法國：≥160km/h，50kg/m，60kg/m德國：≥200km/h，54-65kg/m；≥250km/h，70kg/m前蘇聯：≥140km/h，65kg/m普遍采用無縫線路采用焊接長軌：現在焊軌廠將鋼軌焊成250m長軌，送到軌排廠預裝上軌枕，再用軌排運輸車上的設備變行走邊鋪設。我國占30%。2025/4/1338鋼軌的起源及演變

鐵路運輸是在16～17世紀由馬車運輸發展起來的。鋼軌最早的形式是木質軌。大約1767年出現鑄鐵軌,標志鋼軌的開始。當時這種鑄鐵軌實際上是一塊僅有1.5m長的鑄鐵板。蒸汽機作為動力牽引貨車和客車，推動了鐵路運輸和鋼軌的發展。英國人喬治·史蒂文森在1829年他設計出了被稱為“火箭”的機車。2025/4/1339喬治·史蒂文森發明的“火箭”機車

2025/4/1340鋼軌的起源及演變

從1767年以后一直到大約1830年，人們一直是生產、使用鑄鐵軌，這種鑄鐵軌大多為T字形狀，車輪在軌頭突緣的限制下可防止下道。1831年波·奧·奧埃伯設計出單重18kg工字形軌，其斷面輪廓已接近我們現代鋼軌。在這之后又有人設計出U形斷面軌和其他形狀軌，但這些斷面軌均在行車實賤中逐步被淘汰。到1858年，鋼軌的形狀基本固定下來，即工字形面，那時的鋼軌單重達38kg。2025/4/1341鋼軌的起源及演變

1865年美國首先用軋制方法生產了鋼軌，當時軋制的鋼軌單重為22.6kg。從那時起直到現在，經歷了130余年，鋼軌斷面形狀幾經修改變化，但基本上保持了1865年所設計的工字形斷面形狀。由于機車動力的擴大，鋼軌斷面尺寸隨之不斷增加。從1865年最初單重22.6kg，到1900年45.2kg，再到1930年59.2kg軌1947年以后設計了70.1kg重型軌。2025/4/13422025/4/1343鋼軌1840年出現鋼軌的軋制生產。我國的鋼軌生產是從1894年開始的，由湖北漢陽鐵廠生產。當時曾生產了從29.8kg/m到42.16kg/m的各種斷面鋼軌。新中國后，先后興建了鞍鋼大型廠、武鋼大型廠、包鋼軌粱廠和攀鋼軌梁廠等。這些廠經過多年現代化改造，現已形成鋼軌生產能力達950萬t/a。從1967年，重鋼、鞍鋼和包鋼開始進行鋼軌全長淬火實驗研究，攀鋼于1980年建成我國第一條電加熱鋼軌全長淬火生產作業線，1998年又建成余熱全長淬火生產線。2025/4/1344鋼軌概況鋼軌的橫截面積可分為軌頭、軌腰和軌底；規格表示：以每米長的重量表示；品種：普通鋼軌的重量范圍為5～78kg/m，起重機軌重可達120kg/m。輕軌：30kg/m以下的鋼軌，短途、輕載、低速專線重軌:30kg/m以上，長途、重載、高速電車軌、吊車軌、常用的鋼軌規格有9、12、15、22、30、38、43、50、60、75kg/m。2、鋼軌生產工藝－重軌2025/4/1345鋼軌使用缺陷孔裂

擦傷

軌底破碎

軌頭磨耗剝離

2025/4/1346對鋼軌的要求大斷面鋼軌更高的強韌性：合金化熱處理三高：高純凈度、高尺寸精度、高平直度三精：精煉、精軋、精整U71Mn和U75V2025/4/1347表1高速鐵路用重軌鋼的化學成分及性能2025/4/13482、鋼軌生產工藝－重軌2025/4/1349鋼軌的四流方坯連鑄鋼軌的轉爐冶煉現代化鋼軌冶煉工藝流程為：生鐵脫硫預處理——氧氣頂吹轉爐冶煉——除渣處理——LF爐外精煉——真空脫氣——連鑄2025/4/13502、鋼軌生產工藝－重軌鋼軌軋制工藝流程：連鑄坯——步進式加熱爐——高壓水除鱗——萬能軋機軋制——鋼軌熱預彎——復合矯直——平直度在線檢測——渦流探傷——超聲波探傷——外觀檢查——鋸切、端頭精加工——入庫。2025/4/1351重軌的軋制方法兩輥軋制法（采用箱形－帽形－軌形孔型系統）直軋法斜軋法萬能孔型法（采用萬能軋機軋制）上下對稱軋制。軋件尺寸精確，軋件內部殘余應力小，軌底加工好，軋機調整靈活）軋后冷卻自然空冷：無氫冶煉，冷床上冷卻。緩冷：除此之外，為了去氫，避免白點發生。2、鋼軌生產工藝－重軌2025/4/1352采用萬能軋機軋制鋼軌2025/4/1353軋后冷卻自然空冷：為使軋件冷卻均勻，防止由于重軌頭、底溫度不均產生收縮彎曲，影響矯直質量，重軌在上冷床時要求側臥，使相鄰重軌頭、底相接，冷卻至200℃以下時，方可吊下冷卻床進行矯直。矯直溫度要求低于100℃。緩冷：重軌在冷床上冷卻至磁性轉變點溫度以下，便由側臥翻正，吊往緩冷坑。重軌入坑溫度一般為550~600℃，每排重軌間用隔鐵隔開，以保證緩冷均勻，重軌裝滿緩冷坑后立即加蓋蓋好，緩冷時間一般為5~6h，待坑溫降至300℃左右揭蓋，然后在坑內仍停留1.5h，以減少可能產生的溫度應力，重軌出坑后在100℃溫度以下進行矯直。2、鋼軌生產工藝－重軌2025/4/1354鋼軌熱預彎2025/4/1355鋼軌熱預彎：可減少殘余應力和矯直噪音2025/4/1356軌端淬火淬火工藝：將重軌兩端80~100mm長的一段放在感應加熱器內快速加熱至880~920℃，然后噴冷卻水淬火至450~480℃，再利用自身余熱回火，從而得到均勻的索氏體組織，使重軌端部得到所要求的力學性能。2、鋼軌生產工藝－重軌2025/4/1357鋼軌全長淬火軋后余熱淬火：軋后余熱淬火的設備置于重軌軋制生產線上，并利用終軋后的溫度對重軌進行淬火，該工藝生產效率高，成本低并且占地面積小。但要求生產節奏穩定，并能夠根據來料的溫度波動自動調節淬火時間和用水量，以保證得到穩定的組織和性能，淬火后軋件利用自身余熱回火，要求在冷床上均勻冷卻，然后矯直、鉆眼、檢查、入庫。2、鋼軌生產工藝－重軌2025/4/1358鋼軌全長淬火重新加熱淬火：電感應加熱火焰加熱淬火介質：水、汽水混合物、油重軌重新加熱淬火可以在單獨的淬火生產線上進行，生產組織比較靈活，但需要有中間倉庫，再加熱設備和淬火前后的處理設備，能耗較高，占地面積和投資均較大。由于重軌軌頭全長淬火時，重軌受熱不均要產生縱向彎曲，故有時在淬火前將其反向預彎，有時采用夾持防彎裝置，或在淬火冷卻后重新矯直。軌端加工：銑頭、鉆眼等。2、鋼軌生產工藝－重軌2025/4/1359鋼軌平立復合矯直2025/4/1360

軋制鋼軌的孔型系統2025/4/13619.3大型型材軋機的典型布置形式串列式粗軋機為一臺或兩臺二輥可逆式開坯機(簡稱BD機)，中軋機是一組萬能一軋邊端一萬能3機架可逆連軋機組（簡稱UEU機組）或者是一組或兩組萬能一軋邊端可逆連軋機組（簡稱UE機組），精軋機是一臺成品萬能軋機（簡稱Uf軋機）

開坯機連軋機組成品萬能軋機2025/4/13629.3大型型材軋機的典型布置形式橫列式橫列式大型型鋼軋機以一列式和兩列式最多。一列式布置的機架一般是三輥軋機。兩列式布置，其BD機一般為兩輥可逆開坯機，第二列的軋機為三輥軋機。2025/4/13639.3大型型材軋機的典型布置形式半連續式在萬能連軋機組前有一臺或兩臺二輥可逆開坯機，萬能連軋機由5～9架萬能軋機（U）和2～3架軋邊端機（E）組成，萬能軋機數目較多時，則分成兩組。2025/4/13649.4二輥孔型與四輥萬能孔型軋制凸緣型鋼的區別一、凸緣型鋼的軋制特點及使用萬能孔型軋制凸緣型鋼的優點1、二輥孔型軋法軋制凸緣型鋼的軋法及軋不出凸緣型鋼的原因

困難在于軋出薄而且高的邊部，只有采用帶開閉口邊的孔型，這種孔型存在的問題如下：（1）除腰部外，孔型橫斷面上各處變形程度不同；（2）軋件的邊部必須帶有一定的斜度，不能軋出內外側均無斜度的平行邊；2025/4/13652025/4/1366橫列軋機16號工宇鋼的直軋孔型系統2025/4/13672025/4/1368二輥孔型軋法問題（3）軋輥消耗大，其原因一是輥環直徑大，二是斜度小時軋輥的車削量大，三是輥面上線速度差大；（4）動力消耗大；（5）產品尺寸精度低；（6）軋制效率低，對軋邊部來說，兩道才能頂一道；（7）閉口邊的楔卡使軋件邊寬拉縮嚴重。2025/4/1369難以軋出平行邊、寬邊的薄腰H型鋼的原因：

（1）由于孔型的側壁不能無斜度－－軋不出平行邊；

（2）輥徑差太大－－軋不出寬邊；

（3）二輥軋機總是要多配幾個孔型，輥身長度大，彈跳大－－不能軋薄腰。2025/4/1370立輥直接壓下，可直接軋制薄而高的平行邊。軋制過程中軋件的邊高拉縮小，要求的坯料高度小，因此可以不用或少用異形坯，減少總道次數。改變輥縫，就可以軋出厚度不同的產品。另外通過軋邊端孔型的調整，可以改變邊部的寬度。孔型中的輥面線速度差小，軋輥的磨損較小并且均勻。另外軋輥的幾何形狀簡單，容易使用具有高耐磨性能的軋輥。軋輥的加工和組裝也比較簡單。2、萬能孔型軋法的優點2025/4/1371軋制過程一般是在對稱壓下的情況下進行，變形相對比較均勻。不依靠孔型的側壓和楔卡使軋件變形，因此軋件的表面劃傷較小，軋制動力消耗小。2、萬能孔型軋法的優點2025/4/1372二.軋件在萬能孔型和軋邊端孔型中的變形特點2025/4/1373一、軋件在萬能孔型中的變形特點腰部和邊部的變形區形狀近似于平輥軋板。邊部和腰部的變形互相影響。腰部