极限规格H 型钢产品轧制缺陷分析及优化

李 彬，潘 利

（中国宝武集团马鞍山钢铁股份有限公司，安徽 马鞍山 243000）

热轧H 型钢是一种具有优越力学性能的经济断面型材，其截面模数大，连接方便，在建筑结构中具有良好的抗压、抗弯性能，同时具有利于抗震等特点，广泛用于工业厂房结构、设备基础桩、机械设备的构件、铁道车辆的大梁、市政及民用建筑等钢结构中，应用前景十分广阔[1-3]。随着生产规模的不断扩大，市场对H 型钢有价格更低、轧制精度更高、性能更好的预期，对于生产企业而言，低投入和高回报始终是其最终的追求目标。中国宝武集团马鞍山钢铁股份有限公司（全文简称“马钢”）作为拥有国内第一条H 型钢生产线的企业，多年来凭借该产品优越的产品性能，一直有着中国名牌的称号。但是在生产美标W21 系列产品时，其中W21×57/50/44 三个极限规格在开坯轧制后存在反舌头，万能轧制阶段反舌头较长的问题，如图1 所示，极易发生翼缘撕裂，甚至插入立辊箱体的事故，其综合成材率仅为83.88%，大大限制了企业产能的提升。

图1 万能轧制后舌头形状

本文通过对坯型、开坯孔型系统、轧制规程设计进行创新，提出了设备和工艺改进措施，大大降低了该系列产品轧制缺陷，以对H 型钢的研究提供参考。

1 马钢大H 型钢生产工艺流程

马钢大H 型钢分厂主要生产工艺[4-5]：步进梁加热炉→高压水除鳞→二辊可逆开坯机（BD）→串列式（U1-E-U2）万能粗轧机组→万能精轧机（UF）→热锯→步进链式冷床→辊式矫直机→冷锯→精整→打包。目前马钢大H 型钢生产采用的是X-X-H 的轧制方式，X-X-H 的轧制代表的是U1-U2-UF 三个机架，U1-U2 是往复轧制，轧制时钢的形状是X 形状，UF是成品孔，轧制时起到整形作用，把轧件从X 形变成H 形，工艺布置如图2 所示。

图2 马钢大H 型钢平面布置

2 万能轧制阶段翼缘撕裂的原因分析

美标W21 系列极限规格W21×57/50/44 三个规格生产过程中一直存在BD 轧后反舌头，进入万能轧机轧制时翼缘延伸较长，端部翼缘向两侧扩展发生撕裂的现象。究其原因主要有两点：一是采用BB1 坯型轧制时，开坯轧制后已经有反“舌头”形貌，在万能轧制阶段造成腹板和翼缘的延伸不均衡，由于轧件翼缘部位在自由变形区，翼缘延伸较长且外扩，易造成翼缘撕裂甚至扎入立辊箱体的生产事故；二是受坯形限制，异形坯在BD 轧制阶段采用外形尺寸750 mm×450 mm×120 mm 的BB1 坯型，而为得到合适尺寸的万能来料，且该孔型系统要兼顾W21 系列其他规格产品，因此在轧制小规格产品时，轧件首先需在箱型孔压腿，方可在异型孔延伸轧制，BD 阶段轧件腿部金属经过反复镦粗，相对于腹板延伸较多，开坯轧制后轧件头尾端部表现出反舌头形状，下页图3 为开坯孔型布置。

图3 开坯机延伸孔型（mm）

进入万能轧机轧制时，轧件在原规程轧制下，整个轧制过程中翼缘的压缩比较大，且延伸偏大，这就会拉缩腹板的金属量，万能轧制前几道次轧件腹板的金属量较多，腹板受翼缘延伸所带来的拉力影响不大，就会产生翼缘拉缩腹板拉不动的现象；最后几道次翼缘部位金属已不多，翼缘延伸较大，拉动腹板金属，易造成腹板延伸大于翼缘延伸，打破了腹板和翼缘延伸平衡，也就产生了较长翼缘部位反舌头现象，甚至在圆角处拉裂。轧制时很容易发生头尾部位扎开翼缘插入立辊箱或者侧导板的事故，造成不必要的经济损失，严重限制了该系列产品的产能提升，因此，对该系列产品轧制工艺进行开发很有必要。

3 改进措施

由于该系列W21×57/50/44 三个规格产品在万能阶段均有产生翼缘撕裂的风险，且新工艺BD 和万能轧制阶段采用同一孔型系统，加之产生撕裂的问题主要原因集中在BD 阶段变形不均匀，限于篇幅，这里仅以W21×44 规格为例，对轧制工艺的改进做简要介绍。

3.1 更改坯料类型

采用BB2 坯型轧制，该坯料尺寸为500 mm×300 mm×120 mm，该坯型在加热炉执行加热制度工艺，加热制度的制定以钢坯加热均匀、保证钢坯完全奥氏体化、奥氏体晶粒均匀化为目的[6]，保证加热段温度在1 150～1 290 ℃，均热段温度在1 200～1 300 ℃。

3.2 优化开坯孔型和轧制规程

开坯轧制阶段是工艺开发的关键，需要采用合适的坯型，并搭配合适的孔型系统，使得开坯后轧件变形为正向舌头，在万能阶段腿腰延伸匹配的前提下，避免产生翼缘撕裂的情况，优化后的孔型系统如图4所示。新孔型系统由4 个异型孔组成，轧件在异型孔即可完成开坯轧制，整个变形过程主要为扩腰和压腿高，同时对腹板和翼缘变形而言更为适合，由原料至成品各部位变形更均匀，进入万能轧制无反“舌头”现象发生。

图4 开坯机延伸孔型（mm）

采用新的孔型系统和轧制规程生产W21×57、W21×50、W21×44 规格时，轧件在4 个异型孔中依次完成扩腰、压腿的过程，BD 轧后还有轻微正向“舌头”，如图5 所示。在万能轧制阶段，轧件也未发现有明显的反舌头情况，基本改善了轧件翼缘撕裂或者插入立辊箱的风险。

图5 BD 轧制后舌头形状

3.3 优化万能轧制规程

万能轧制阶段需根据BD 轧制后原料尺寸，同时配合新的轧制规程，将整个万能轧制过程腹板与翼缘的压缩比控制在1∶1.15，从而使整个万能轧制过程腿腰变形较为均匀，得到最终满足表面尺寸标准要求的产品。为进一步改善反舌头的情况，在改善来料正“舌头”的基础上，将整个变形过程中翼缘的压下量适当减小，并在一定程度适当减小翼缘的延伸量，改善变形翼缘拉缩腹板的情况，可基本消除翼缘扎入立辊箱体的风险。

3.4 优化轧辊设备

马钢大H 型钢生产线采用1-3-1 串列式的万能轧机，翼缘撕裂事故起因是延伸较长的翼缘使其处于自由变形区的端部，从而形成向两侧扩展的形状，在往复轧制咬入轧机瞬间，扎开的翼缘首先接触立辊，容易插入立辊箱体。鉴于此，在每次组产装配轧辊前，控制好立辊本体和轴承座端盖之间的空隙，保证立辊辊面与端盖之间的间隙在3 mm 以内，这样即使出现类似扎开或者撕裂的情况，也不至于使翼缘端部插入箱体，可在一定程度减少事故发生率。

4 结论

1）优化轧制工艺后，成功解决了W21×44 等极限规格H 型钢在万能轧制阶段翼缘撕裂问题，产品表面质量和尺寸均符合标准要求；

2）将设备和轧制工艺相结合，可降低翼缘撕裂造成的故障发生率；

3）生产实践证明，坯形和轧制规程优化后，W21系列产品综合成材率由原来83.88%提升到了91.63%以上，极大释放了该系列产品产能。