H型钢常见的精整缺陷 (1)矫裂。 H型钢矫裂主要出现在腰部。造成矫裂的原因:其一是矫直压力过大或重复矫次数过多;其二是被矫钢材存在表面缺陷(如裂纹、结疤)或内部缺陷(如成分偏析、夹杂),使其局部强度降低,一经矫直即造成开裂。 (2)矫痕。 H型钢矫痕是指由于矫正圈上贴有氧化铁或其他金属异物,在矫直时这些氧化铁或异物在钢材表面形成等间距出现的凹坑。 (3)扭转。 H型钢扭转是指其断面沿某一轴线发生旋转,造成其形状歪扭。造成扭转的原因:一是精轧成品孔出口侧导卫板高度调整不当,使轧件受到导卫板一对力偶的作用而发生扭转;二是矫直机各辊轴向错位,这样也可形成力偶而使钢材发生扭转。 (4)弯曲。 H型钢弯曲主要有两种类型:一种是水平方向的弯曲,俗称镰刀弯;另一种是垂直方向的弯曲,也叫上下弯或翘弯。弯曲主要是由矫直机零度不准,各辊压力选择不当而造成的。 (5)内并外扩。 H型钢的内并外扩是指其腿部与腰部不垂直,破坏了其断面形状,通常呈上腿并下腿扩,或下腿并上腿扩状态。内并外扩是因成品孔出口导卫板调整不当造成的,以后虽经矫直,但很难矫过来,尤其是上腿并下腿扩这种情况,矫直机很难矫,因为矫直机多采用下压力矫直。 H型钢断面选择的基本原则 为便于说明H型钢(IPE梁型、IPB柱型)与普通工字钢INP在断面力学性能上的差异,我们选具有相同高度(200mm)的IPB、IPE及INP断面进行比较,这三种断面代表了轧制钢梁的历史和技术的发展过程。 在同一受力条件下,比较一下INP和IPE,尽管IPE具有低的弹性断面模数,但它的单位质量弹性断面模数WxG是优越的。在型钢横向受力时,对于弹性模数WyG,IPE更为有利。因此我们可以得到如下两个结论: (1)在一个梁仅仅受纯弯曲应力的情况下,采用IPE断面是经济的。 (2)在一个柱子同时受到x及y两个方向的负荷作用时,则采用IPB更合理。 在上述两种情况下,具有平行腿的IPE及IPB比INP(普通工字钢)具有更大的优势。从材料力学理论出发,在选择一个仅受弯曲的梁时,应主要看它的抗弯弹性断面模数Wx,也要看其抗弯惯性矩Ix,Wx与Ix是相辅相成的。对于一个受压缩的柱,弯曲抗力与曲率半径成正比。在承受小负荷的情况下,应采用IPE;在承受中等负荷的情况下,应采用IPBL系列断面(它具有大的弹性模数);在承受大应力与应变条件下,应采用IPB及IPBV(柱型H型钢)系列的H型钢。 经过计算,在各种许用弯矩下,H型钢(IPE)比普通工字钢(INP)平均单重轻10%,这对于起重设备和运输设备的结构设计有很大意义。
H型钢常用于要求承载能力大,截面稳定性好的大型建筑如:厂房、高层建筑以及桥梁、船舶、起重运输机械、设备基础、支架、基础桩等工程,H型钢能替代工字钢使用吗? H型钢和工字钢存在一些差别,H型钢做为一种新型经济建筑用材,因截面形状经济合理、力学性能好;轧制时截面上各点延伸较均匀、内应力小;与普通工字钢相比,具有截面模数大、重量轻、节省金属的优点。可使建筑结构减轻30-40%;又因为H型钢腿内侧平行,腿端是直角,拆装组合成构件。可大大的节约焊接、铆接工作量。 所以H型钢可以代替工字钢使用,但是工字钢不能代替H型钢,因为工字钢的边长小,高度大,只能承受单方向的力。H型钢槽深,厚度大,可以承受两个方向的力。 随着钢结构建筑的发展需要,只有工字钢是不行的,就是加厚工字钢,用于承重柱容易失稳。工字钢只能用于横梁,而H型钢才能用于结构的承重柱。
提高H型钢性能的方法 H型钢作为结构用材料,广泛应用于高层建筑、工业厂房、码头、桥梁、地下巷道等大型工程。根据这些工程结构设计的要求,H型钢应具备如下性能: (1)良好的可焊性; (2)高的抗张强度和屈服强度; (3)高的抗疲劳强度; (4)良好的抗断裂韧性; (5)均匀的材料强度与塑性。 有关金属材料的研究告诉人们,提高H型钢性能的冶金途径主要有以下八条: (1)关于提高H型钢的强度,可以通过增加碳含量使珠光体量增加,从而达到提高材料抗张强度的目的。但为使材料不因碳含量提高而损害材料的可焊性和抗断裂强度,一般其碳含量上限不**过0.2%。 (2)向钢中添加合金元素,如硅、锰、铬、镍等,利用合金元素在铁素体中的固溶强化作用,也可显著提高金属材料的强度。但合金元素的加入也会使材料的可焊性变差,一般认为加入的合金元素总量应限定在1.5%以下。 (3)通过热处理,借助马氏体转变,可提高金属材料的强度和硬度。 (4)通过冷加工变形,提高金属晶体的位错密度,从而提高强度。 (5)铌、钒、钛等合金元素的沉淀硬化作用对铁素体晶粒直径的影响与终轧温度有关,终轧温度越低,晶粒直径越小,沉淀硬化作用越大,尤其是铌和钒。而且沉淀硬化可使金属材料的屈服强度提高,同时可以降低金属的脆性转变温度。金属的韧性很大程度上取决于其硫的含量和硫化物夹杂的种类。欲使钢材具有良好的韧性,其硫含量应控制在0.0029%以下,同时要控制硫化物和氧化物形状。 (6)通过晶粒再结晶,尤其是加入有利于晶粒细化的元素,如铌、钛、钒等,均可促使晶粒细化,使屈服强度提高,韧性改善。对铌而言,其大加入量为0.03%~0.04%。 (7)对H型钢而言,控制轧制是提高其性能的主要手段。**的有关研究指出,对于普通碳素钢及低合金钢钢材,其性能主要取决于终轧温度、变形程度和晶粒尺寸。低的终轧温度可以提高其抗断裂强度。实验表明,终轧温度每低10℃,屈服强度可以增加13MPa,抗张强度增加10MPa。增加金属的变形程度有利于其韧性的提高。而微量合金元素的作用则是通过晶粒细化和沉淀硬化来使钢材强韧化。在H型钢轧制过程中,控制冷却是提高钢材性能的简单易行的办法。通常是控制**精轧机前的冷却,使从**粗轧机过来的轧件温度从大约1050~1100℃降到850℃,然后再送入**精轧机轧制。从1050℃降到850℃,大约需要120s。通常采用气水冷却,喷雾时间与空冷时间为1∶3。冷却装置安放在**粗轧机后的工作辊道旁,喷嘴在高度和宽度上可以调整。在**精轧机后的冷却,对H型钢残余应力水平的控制更为关键。H型钢这时要从850℃降到80℃,大约需要110s。为使整个断面温度均匀降低,还要对H型钢的腿部进行冷却。通常也是采用喷雾冷却,同时在冷床上采用空冷,使其腰、腿温差变小。如控制不当,常常会出现腰部波浪或腿部波浪,或很大的残余内应力。总之,要使H型钢具有良好的外形和性能,就必须严格轧制工艺中的塑性形变,选择佳终轧温度和冷却速度。当以连铸坯为原料时,H型钢的性能将受到塑性变形程度、夹杂物分布、加热温度、终轧温度、冷却强度等因素的影响。 (8)用于建筑业的H型钢,通常采用低碳或**低碳合金钢。具体钢种则根据终用途而定。 马钢**轧钢厂的生产工艺与设备 该轧钢厂以H型钢为主要产品,一期工程年产60万t,其中H型钢42万t。二期工程年产100万t;其中H型钢为82万t。全厂是采用世界H型钢新工艺组织生产,主要设备是从德国曼内斯曼·德马克·萨克公司、西门子公司和美国依太姆公司引进的。马钢**轧钢厂这条H型钢生产线是中国目前生产H型钢装备水平好、自动化程度高的生产线。 这条生产线以连铸异形坯为原料,采用步进式加热炉加热,选择了二辊式大行程开坯机、**粗轧机组可逆轧制和**精轧成形工艺流程。在**轧机上装有AGC辊缝自动控制系统和快速换辊装置。热锯采用计算机精确定位。冷床为液压步进式冷床,并预留了今后进行长尺冷却的位置。矫直机采用9辊式辊距可调悬臂矫直机。检查台后还专门配备了自动堆垛和打捆设备。全厂生产管理采用计算机三级控制。该厂无论工艺设备还是自动化程度均是当今世界上**的。 该厂的工艺装备特点是: 其坯料采用连铸异形坯和连铸矩形坯,采用连铸异形坯轧制H型钢是轧制H型钢的新工艺,它大大减少了轧制道次,变形均匀,轧制尺寸精度高。 该厂主体设备如轧机、热锯、矫直机等均是由德国德马克公司设计制造的,主辅传动电机和自动化控制系统是由德国西门子公司供应的,这些主体设备性能优良、操作方便。另外,该厂还从国外引进了相应技术软件,如辊缝零位自动调整技术(德国德马克公司**)、UBS**型钢轧制模拟系统软件和交流传动的矢量控制技术等,保证该厂从轧机调整、孔型设计到主辅传动各方面都处于世界*水平。 该厂的先进计算机系统实现了从原料入厂到成品发货生产全过程的自动化管理。其三级计算机系统,保证了全厂经营管理、生产过程控制和工序操作始终处于受控佳状态,为提高企业效益提供了可靠保证。 莱钢H型钢厂的生产工艺与设备 该厂设备由日本新日铁和东芝公司提供。工艺操作设备总重11000t,其中轧线设备7560t。电气设备装机总容量为23176kW。该车间年生产能力为50万t,其中H型钢35万t。该车间总投资约为88821万元。 该车间采用短流程型钢生产工艺,从连铸开始,经热装、连轧、冷却、矫直、锯切、检查、堆垛、打捆等工序,是目前我国一条水平较高的型钢生产作业线。
若以传统的初轧坯为原料,由于初轧坯为方形或矩形,与成品H型钢在外形上无几何相似性,其轧制工艺至少需要两个步骤。第一步首先在二辊式开坯机上将初轧坯轧成“狗骨头”状异形坯,这是必不可少的。但在这个二辊式开坯机的孔型上进行的切楔轧制,由于坯料外形与孔型无几何相似性,在轧制过程中,随着整个断面腿及腰的形成,坯料即轧件不可避免地要受到剪应力的作用,同时产生金属的横向流动,即宽展。为减少因不均匀变形所造成的金属外形的破坏,应尽量在高温下采用每道小压下量来完成从初轧坯到“狗骨头”状异形坯的轧制过程,但这需要较多道次才能完成。 从异形坯到成品的轧制过程,受到轧件温度相对较低、金属塑性变差等条件的限制。首要的是要防止在轧制过程中产生横向金属流动,其办法是必须保证**机架的驱动水平辊与从动立辊的直径比控制在3∶1。同时在设计孔型和轧机调整时要保证轧件腿部与腰部的延伸一致,否则将会影响成品尺寸的准确和外形的完整。 若以异形初轧坯或板坯为原料轧制H型钢,则开坯机仍是不可缺少的,至于需要几架开坯机,则需根据产品范围选择,至少1架,多则2~3架。 若以连铸薄异形坯为原料,由于其断面形状与成品断面接近,则可以不要开坯机,而用**轧机直接轧出成品,因此这种工艺轧钢设备投资省,流程短,是具有发展潜力的新工艺。目前这种工艺存在的主要问题是如何提高连铸机铸速及产量,以与轧机能力相平衡。 采用连铸异形坯为原料时异形坯尺寸的确定 根据英国钢铁研究院的报告,为保证H型钢的尺寸精度和良好的冶金性能,至少要保证其坯料与成品的压缩比为6∶1,对梁型系列,实际压缩比还要高,平均在8∶1~10∶1之间。 据美国1992年有关连铸工字形钢坯的**介绍,用该**提供的技术可生产连铸工字形坯或称为“狗骨头”状异形坯或称为“沙漏状”异形坯。这种异形坯由腰部和张开成一定角度的腿组成,其腰部平均厚度不**过75mm,腿部厚度也不**过75mm。 这种异形坯的腿部厚度与腰部厚度之比为0.5∶1~2∶1。该连铸异形坯断面的优势是可用较小的压缩比生产所需冶金性能的H型钢,通常压缩比为3∶1即可。这样就可以减少热轧工艺设备和投资,提供一种更为经济节能的型钢生产方法。 通常采用国内**生产的异形坯多经15道次就可轧出所需尺寸的H型钢,其坯与成品的压缩比约为3∶1。同时由于这种连铸异形坯外形接近终成品,因此它在轧制变形过程中具有小应力和应变,有利于减少腿、腰部不均匀延伸所造成的腰撕裂及腿波浪等缺陷。用这一**方法生产的连铸异形坯具有细的铁素体和珠光体组织,它比用普通方法生产的铸坯具有更高的冲击性能。