大型轨梁轧钢车间设计(design of hezvy section mill and railbeam mill)

以初轧坯和连铸坯为原料，经加热、轧制、精整等工序，生产大型型材及铁路用轨的轧钢车间设计。大型轨梁车间按产品可以分为大型型钢车间和轨梁车间两类，前者以生产型钢为主，后者以钢轨和型钢两种产品为主。此类轧钢机的产品主要为铁路、矿山、车辆、船舰等使用的专门用途钢材，如钢轨、槽帮钢、Z型钢、球扁钢、履带钢等，以及建筑、机械等结构用通用型材，如工字钢、槽钢、角钢和H型钢等，兼生产大型方钢、圆钢、无缝管坯或方坯。设计的原则、方法见轧钢厂设计。

简史 1828～1831年间，用二辊孔型法轧出工字钢与整体钢轨，但规格均较小；真正的大型型钢在三辊式和二辊可逆式轧机出现后才发展起来。最早的三辊式钢轨轧机与二辊可逆式大型轧机分别于1857年和1867年在英国建成。1854年已在万能轧机上轧出高l78mm工字钢，但当时这种工艺技术不够成熟，后经逐步改进，至20世纪早期才臻完善，1901年在卢森堡建立了第一套格雷式万能轧机。1964年法国人斯塔门巴(stammbach)发明了在万能轧机上轧制钢轨。随后日本又用万能法轧出槽钢、钢桩等，并出现了由H型钢、槽钢切分来生产T型钢、角钢的工艺，使万能法实现了能生产绝大部分型钢品种。

钢轨全长淬火于20年代国外已开始研究，至50～60年代才先后投入工业生产，有中频感应加热淬火法和整体油淬火法。中国于1965年开始研试双频感应加热淬火，1976年投产。80年代英国和卢森堡等国利用轧制余热的淬火方法投入生产。

中国在1905年于汉阳钢铁厂安设大型型钢轧钢机。1953年建成鞍山钢铁公司大型轧钢厂，为一列式三辊轧机。1960年设计建成武汉钢铁公司800／650mm大型轧钢厂，1969年建成包头钢铁公司大型轨梁厂，1974年设计建成攀枝花钢铁公司轨梁厂，均为二列式轧机。

设计规模及产品方案 根据市场需求、建厂条件和可选的主体设备能力等确定。部分大型轨梁轧机的设计规模和产品方案见表。

坯料选择 按品种可以分为重轨方圆坯坯料和型钢坯料。

(1)重轨及方圆钢坯料。采用初轧或连铸方坯和矩形坯。由于重轨定尺严格，坯重要满足成品定尺的整数倍；为消除残存的铸造组织和使成品晶粒细化，要求由钢锭至成品轨的总延伸不小于50，由连铸坯至成品不小于10，按此确定锭重和连铸坯断面。重轨钢钢种选用高碳或高碳系低合金钢和合金钢。对钢质要求严格，一般应进行炉外精炼以提高其纯洁度、化学成分的精确度和降低氢含量。方圆钢的钢种取决于产品用途选用碳钢、低合金钢及合金钢等。

(2)型钢坯料。采用方形、矩形和异形初轧坯或连铸坯。坯料规格取决于型钢的品种规格，坯料断面足以包容整个成品断面，并能给断面各部分以足够的压下量。对于钢梁用坯，一般当成品高和翼宽之和小于450mm时，可选用方坯或矩形坯，当大于450mm时，采用异形坯。90年代初出现了用板坯轧制异形型坯的工艺，较大的钢梁亦可采用板坯为原料。型钢的钢种通常选用碳钢和低合金钢。

工艺流程 大型轨梁轧钢车间主要生产大型型钢和重轨，其生产工艺流程如图1。型钢和重轨的生产工艺各有其特殊性。

(1)重轨生产。重轨坯要在温态(150～300℃)进行火焰清理；加热要防止脱碳。重轨轧制有孔型法和万能法两种。孔型法是将矩形或方形轧成梯形，经切分孔、帽形孔和轨形孔轧成钢轨；万能法则是先经开坯机和粗轧机轧成轨形毛坯，接着在万能机架和轧边机上轧制，最后用半万能机架将钢轨全部外形尺寸精轧成成品。钢轨热定尺锯切应预留加工余量。当钢轨钢含氢量大于临界值(随钢种而异，约2．5×10^-6左右)时须缓冷；当含氢量小于临界值时不需缓冷，但须在热态预弯，以减小冷后弯曲。矫直采用水平和立辊矫直机，进行双向矫直；轨头加工及精密定尺采用附设带温度补偿的精密定尺装置和兼具倒棱功能的锯钻联合机床。全部钢轨在线进行超声波探伤。

重轨双频感应加热淬火工艺，以成品轨为原料，先以工频电流将钢轨整体预热至500～600℃，继以中频电流将轨顶加热至900～950℃，经短暂空冷后，喷压缩空气及水雾，将钢轨淬火，使淬火层形成细珠光体(索氏体)组织，并控制钢轨弯曲度，其后进行矫直、硬度检验和检查。为适应高速火车的需要，将发展高强韧性重轨。

(2)型钢生产。大型材毛坯的成型轧制采用孔型法；中轧和精轧成型轧制有孔型法和万能法两种。孔型法是传统的轧制方法，是根据型材断面形状采用由两个轧辊刻槽组成的孔型，进行多孔型轧制，万能法则由四个轧辊形成的孔型进行轧制。例如钢梁轧制，一般是在中轧万能机架上采取蝶形轧制法，另由轧边机轧制翼缘端面，二者进行多道次可逆轧制，成品精轧仅一道次，用H型轧制法将翼缘矫直成平行翼缘。90年代初发展了串列可逆式轧机和x—H轧制法，即U₁EU₂串列轧机的第一架万能机架(U₁)采用蝶形轧制法；第二架万能机架(U₂)采用H型轧制法，图2为万能轧机布置和轧制示意图。

钢梁冷却采取间隔立冷法，以改善冷却条件，减小钢材内应力。较小钢梁和一般型钢成品收集采取卧式堆垛打捆；大型钢梁采取立式成排打捆或成排后用磁盘起重机吊运入库。

工艺设备选型 主要工艺设备包括加热炉、轧机、锯机、冷床、矫直机以及重轨加工和淬火设备，根据产品方案、产量、产品质量和操作工艺要求选择设备。

(1)加热炉。有推钢式和步进式两种。由于坯料断面大，且多为异型，为保证钢坯加热质量，宜采用后者。

(2)轧机。主轧机轧辊公称直径取决于产品品种规格。普通型二辊或三辊式精轧机辊径与最大产品翼宽的关系为：当翼宽小于160mm时，轧辊公称直径为 φ650～700mm；当翼宽小于210mm时，辊径为 φ750～850mm。开坯(粗轧)机和中轧机的轧辊尺寸取决于原料规格和孔型设计。一列式轧机轧辊尺寸基本相同；二列式轧机开坯机公称直径一般较精轧机约大100～150mm。万能型轧机系单孔轧制，水平辊和立辊轴线处于同一垂直平面内，水平辊辊身长度由最大钢梁的腹高决定；立辊辊身长度由最大翼宽决定；水平辊最小辊径则取决于立辊长度和水平辊轴承尺寸。立辊直径一般约为水平辊直径的2／3左右。

机架结构应具有足够的强度、刚度和稳定性、便于调整及快速换辊。开坯机采用可逆式二辊闭口机架，轧辊成组更换；普通型中轧及精轧机采用三辊或二辊开口式机架；精轧机一般为二辊式机架或带立辊装置的二辊、四辊复合机架，轧辊组装换辊或整机更换。万能型机架型式很多，比较现代化的结构有：开轭式、斜楔式、多种型式的紧凑式机架，一般采用整机更换或成组轧辊更换冉L辊轴承普遍采用滚动轴承。轧重轨的万能轧机两个立辊有不同的直径，轨头侧较小。轧边机能快速轴向换孔。精轧机则为半万能式机架，仅用一个立辊。

(3)锯机。分热锯和冷锯，有滑座式和四连杆式。锯片直径和行程按最大规格钢梁选用，锯片传动功率应满足锯切最大断面，最高强度的方圆钢要求，并能快速更换锯片。

(4)冷床。有拉钢式、托运链式和步进梁式。拉钢式冷床钢材立冷困难，且易刮伤钢材。因此一般选用后两者。

(5)矫直机。有辊式矫直机和压力矫直饥。辊式矫直机为换辊方便，采用悬臂式。矫直重轨宜用水平辊／立辊双向辊式矫直机；矫直型钢由于断面差别大，宜选用变节距辊式矫直机。矫直重轨宜选用双向液压压力矫直机，以避免翻钢操作；大型钢梁可选用卧式压力矫直机。

(6)重轨锯钻加工机床。采用锯钻联合机床，有高速钢刃具和镶硬质合金刃具两种，后者适于高强度轨、重型轨和要求高生产率者，并配有带温度补偿的精密定尺装置和钻孔倒棱装置，可同时进行锯、钻、倒棱和精密定尺加工。

(7)轨端淬火机。采用中频感应加热帽形淬火机。

(8)重轨全长淬火机。双频感应加热式，有三个工频和一个中频加热器；淬火冷却器由喷风器和喷雾器组成。

(9)全长淬火轨矫直机。由立式和卧式三辊矫直机和双向压力矫直机组成，后者用于补矫。

车间组成和平面布置 大型轨梁轧钢车间平面布置见图3。

轧线设备布置在多跨平行厂房内，一般总长在600～1200m，宽度在100～230m，轧线伸直布置的车间长而较窄，局部折转布置者较短而宽。轧机布置有横列式、越野式、多列可逆式等。重轨型钢生产线一般在冷床后或辊式矫直机后分别进入各自的精整线；大型方圆钢通常在冷床前收集、进入其冷却、精整线，钢坯库多数与主跨间垂直布置，也可平行布置；成品库一般平行于主跨间纵向布置，或以多跨横向布置。除主轧线外还有各种辅助设施，包括轧辊加工和换辊准备间、各种工具加工间、检验设施、供配电设施、机械、电器等维修间、各种机电备品库和材料库，以及汽化冷却、高压水和水处理设施等。

消耗指标 每吨成品的主要消耗指标因品种而异。方圆钢和管坯需钢坯1．04t；重轨和普通型钢需钢坯1．052～1．075t；燃料消耗为2．0～2．5GJ；电力消耗为60～80kw•h；双频加热全长淬火轨电力消耗为200kW•h。