热轧H型钢轧钢车间设计(design of hot H-beam mill)

以连铸坯、热轧坯为原料，经加热和万能轧机轧制，生产热轧H型钢产品的车间设计。H型钢过去称为宽边工字钢，属于经济断面型钢。它与工字钢相比，其断面特点是翼缘(腿)可更宽、腹板(腰)可更高，而壁较薄；在相同断面面积时，H型钢的截面抵抗矩、惯性矩等力学性能都比工字钢高，可获得优良的抗弯能力和稳定性；腿部内外侧平行，呈直角，故拼装连接方便；形状美观。H型钢主要用于制作高层民用建筑的构件，工业厂房的梁、柱和桩，桥梁钢结构件，重型车辆桥架及各种机械的构件和机座等。H型钢用在建筑结构上可减轻重量30％～40％，做拼装组合构件可减少焊接、铆接工作量达25％。在工业发达国家，目前热轧H型钢产量约占热轧钢材产量的2％～6％，占型钢产量的30％～60％。

H型钢产品按翼缘宽度分为宽翼缘H型钢(HK)、窄翼缘H型钢(HZ)和H型钢桩(HU)三大类。中国国家标准规定的H型钢产品规格范围见表1。目前国外生产的H型钢断面最大高度达1200mm，最大翼缘宽度达530mm。H型钢的材质，主要有碳素钢和低合金结构钢，少量为含低镍、低铬的低温用钢和海洋用钢。热轧H型钢轧钢车间设计的原则和方法见轧钢厂设计。

简史     1867年德国哈哥•萨克(Huge Sack)发明带立辊的万能轧机，1901年卢森堡阿尔贝德一迪弗当日(Arbed-Differdange)厂建成了由万能机架和轧边机架组成的格雷式(Grey)H型钢轧机，德国和美国等国也相继建成了此类轧机，但在20世纪前半个世纪建成甚少。直至20世纪60年代，由于建筑业的高速发展，市场对H型钢的需求量增加，加快了H型钢轧机的发展，特别是轧钢技术和电控技术的进步，使其向多品种、自动化、中型轧机的连续化方向发展。1985年联邦德国西马克(SMS)公司开发了由两架万能机架和一架二辊轧边机架组成的串列式万能轧机，轧出了H型钢，使串列式万能轧机向经济型方向发展。至80年代末，全世界已建成H型钢轧机70余套。

中国于20世纪70年代开始研究和设计万能轧机，80年代设计建成了第一条国产化中型H型钢生产线，90年代正在建设大型热轧H型钢轧钢车间。

设计规模与产品方案      根据市场对产品的需要、规划要求和供坯建厂条件及可供选择的设备能力，经综合比较后确定。H型钢产品可以在专业化的热轧H型钢轧钢车间生产，也可在其他型钢轧钢车间生产。前者的设计规模和产品方案见表2。后者的设计规模和产品方案见大型轨梁轧钢车间设计和中型轧钢车间设计。

坯料选择     H型钢产品的特点是品种、规格多，因此一套轧机需多种断面形状和尺寸的坯料。20世纪40～50年代，H型钢产品是以钢锭为原料，一火加热成材，或由初轧机供异形坯、矩形坯两火成材。随着连续铸钢技术和型钢轧制技术的发展，目前大型H型钢产品可全部选用连铸板坯和异形坯为坯料，中型H型钢产品也可全部选用矩形和异形连铸坯。坯料断面尺寸根据产品尺寸、轧制程序和压缩比要求选择。

工艺流程和轧机布置      根据产品交货要求和坯料条件选择工艺流程，各类H型钢的基本生产工艺流程相似(图1)。

H型钢产品多数用万能法轧制(见大型轨梁轧钢车间设计图2)。大型H型钢产品一般是先热锯切后冷却，在冷床上以“工—工”状态放置，腹板间相互有热辐射，腹板冷却慢，翼缘可实现喷雾冷却，因此，其残余应力最小。中型H型钢因受工艺条件及冷床设备结构的限制，钢材在冷床上是以“H—H”状态放置，然后进行长倍尺冷却、长倍尺矫直和冷锯切。特大断面模数的H型钢用压力矫直机矫直，大、中断面模数的H型钢用辊式矫直机矫直。

H型钢轧机有组合式、串列式、连续式和半连续式等几种布置形式。组合式和串列式布置由粗轧机、万能粗轧机组及万能精轧机组组成。连续和半连续式布置由1～4个粗轧机和4～7个万能轧机及相应数量的轧边机组成。大型H型钢轧钢车间优选串列式布置，老车间改造可选组合式布置；中型H型钢轧钢车间视规模不同可选连续式或半连续式布置。

设备选择     主要设备有：加热炉、粗轧机、万能粗轧机组、万能精轧机组、锯机、冷床和矫直机等。此外还有高压水除鳞装置、堆垛机、打捆机及称重、标记等设备。

(1)加热炉。有推钢式和步进式两种。步进式加热炉的特点是钢坯加热温度均匀，加热快，烧钢制度可随坯料规格和钢种变化灵活调节，当轧机事故停车时钢坯可立刻退出炉外，避免被氧化或烧化，但投资较高。新设计的H型钢轧钢车间应尽可能选用步进式加热炉。根据轧机综合机时产量要求选择加热炉能力。

(2)粗轧机。二辊可逆式或三辊不可逆式粗轧机，轧辊直径为850～1500mm、辊身长度为2500～3000mm，主电机容量为DC3000～7000kw。

(3)万能粗轧机组。组合式和串列式布置的万能粗轧机组有两种组成形式：一种是由一架万能粗轧机和一架轧边机组成，另一种是由两架万能粗轧机和一架轧边机组成。万能粗轧机的水平辊和立辊装在一个机架内，轴线互相垂直并位于同一平面上，故机架尺寸和重量均大。50年代前多为闭口式万能机架，60年代后开发了高刚度和换辊方便的开轭式机架、连接板式机架、预应力机架和紧凑式机架。根据轧制压力选择轧辊直径，水平轧辊直径一般为850～1，575mm，水平辊和立辊直径比为1.4～1.5；水平辊辊身长度按产品最大高度决定，立辊辊身长度按产品最大腿高确定；主电机容量为DCl500～6300kW。轧边机为二辊式，按产品翼缘最大高度确定轧辊直径，轧辊直径为570～1150mm。主电动机容量为DC500～2200kW。

(4)万能精轧机组。组合式和串列式布置的万能精轧机组有两种组合形式：一种是由一架轧边机和一架万能轧机组成，另一种仅有一架万能轧机。万能精轧机组的机架和轧辊尺寸等与万能粗轧机组相似，但主电动机容量较小。

(5)锯机。按工艺要求选择冷、热锯机。轧件上冷床前需切成定尺的选用热锯机，轧件长倍尺冷却、长倍尺矫直后锯切可选用冷锯机。大型H型钢轧钢车间一般设热锯机，中型H型钢轧钢车间按轧件冷却方式设热锯和冷锯机。冷、热锯机锯片直径按锯切轧件最大高度选取。

(6)冷床。有绳式、链式牵引和步进梁式三种形式。由于绳式、链式冷床爪距不变，冷床面积利用率低，钢材易被划伤，现已被步进梁式冷床替代。步进梁式冷床步距可变，可根据钢材冷却工艺要求改变步距和调节冷却时间，冷床面积利用率高，不易划伤钢材，但投资较高。为满足冷却工艺操作要求，冷却大型H型钢的冷床进出口侧需设翻钢机，长倍尺冷却的中型H型钢冷床进出口侧可不设翻钢机。按轧机产量、轧件进出冷床温度要求选择冷床面积。

(7)矫直机。有固定辊距、变辊距辊式矫直机和压力矫直机等三种形式。因H型钢轧钢车间的产品尺寸及断面模数范围宽，一般设变辊距矫直机和压力矫直机组成矫直线。大型H型钢产品选用七辊矫直机矫直，中型H型钢产品选用7～9辊矫直机矫直，特大型H型钢产品选用压力矫直机矫直。可根据产品断面模数选择辊式矫直机的辊距和压力矫直机的能力。

车间组成和平面布置      热轧H型钢轧钢车间由炉子跨、轧机跨、精整跨和轧辊加工等辅助间组成。根据确定的工艺流程、选定的设备、编制的代表性轧制程序表和必要的工艺计算，进行车间平面布置。布置原则是：(1)充分考虑坯料热送、热装的可能性；(2)炉子跨和轧机跨之间可随总图地形选择平行或垂直布置，轧机跨和精整跨一般为平行布置；(3)为保证H型钢轧件腰部终轧温度大于680℃的要求，全部轧机应紧凑布置在同一轧机跨内；(4)要考虑原材料、成品、废品和废渣等的储存和运输，也要考虑轧机换辊、设备检修及公用系统和辅助跨间的空间配置；(5)厂房布置还要考虑散热通风、操作安全等因素。大型H型钢轧钢车间平面布置见图2。半连续式中型H型钢轧钢车间平面布置见图3。

消耗指标      随坯料种类、规格、热送、热装温度，以及产品的不同，其指标差异较大。一般，每吨产品的主要消耗指标约为：坯料消耗1.06t；燃料消耗1.4GJ；电力消耗90kW•h。

发展方向      H型钢轧钢车间应向连续化、自动化、产品专业化和连铸坯热送、热装方向发展。采用控温、控轧、控冷工艺来生产高强度钢材。继续发展高刚度紧凑式万能轧机和快速换辊系统以便提高产品尺寸精度和产量。