H型钢的矫直设备及调整

2012轧钢2班毕业论文论文题目：H型钢矫直及调整

学校：山西冶金技师学院

专业：轧钢

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H型钢的矫直设备及调整

摘要：矫直机是对金属棒材、管材、线材等进行矫直的设备。矫直技术属于金属加工学科的一个分支，已经广泛应用于日用金属加工业，仪器仪表制造业，汽车、船舶和飞机制造业，石油化工业，冶金工业，建筑材料业，机械装备制造业，以及精密加工制造业等。近几年来H型钢以其优越性在多种行业得到了大量广泛的应用，位于其加工的后部工序的矫直受温度、轧件尺寸精度等不同因素的影响在很大程度上决定着产成品的质量水平，从而就要求从业人员对矫直工序的设备、影响因素及调整等有更加专业的理论知识及实践经验。

关键词：矫直H型钢影响质量

一、前言

（一）H型钢的基本特点及发展

H型钢因其断面与英文字母“H”相同而得名，是一种截面面积分配更加优化、经济合理，力学性能好，轧制时截面上各点延伸较均匀、内应力小的经济断面高效型材。与普通工字钢比较，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%，又因其腿内外侧平行，腿端是直角，拼装组合成构件，可节约焊接、铆接工作量达25%。由于H型钢的各个部位均以直角排布，因此H型钢在各个方向上又都具有抗弯能力强、施工简单、等优点。其特点可概括为：1、结构强度高2、设计风格灵活、丰富3、结构自重轻4、结构稳定性高5、增加结构有效使用面积6、省工省料7、便于机械加工8、环保9、工业化制作程度高10、工程施工速度快等。现已被广泛应用于要求承截能力大，截面稳定性好的大型建筑（如厂房、高层建筑等），以及桥梁、船舶、起重运输机械、设备基础、支架、基础桩等。

热轧H型钢可分为：宽翼缘H型钢（HW）、中翼缘H型钢(HM)、窄翼缘H型钢（HN）、薄壁H型钢（HT）、H型钢桩（HU）。其表示方法为：高度H×宽度B×腹板厚度t1×翼板厚度t2，如H型钢Q345 200×200×8×12表示为高200mm宽200mm腹板厚度8mm，翼板厚度12mm的宽翼缘H型钢，其牌号为Q345。

上世纪90年代初马钢650万能轧机生产出国内第一根200以下的小规格H型钢，但当时并没有形成批量生产，直到1998年才开始真正意义上的规模生产。在接下来的不到十年间，我国热轧H型钢产能出现了迅猛的发展。目前国内主要有安徽省马鞍山市的马钢公司、莱芜钢铁有限公司、日照钢铁、津西钢铁及长治钢铁生产等，此外，天津江天、鞍山三和、唐山金山三家也少量生产H型钢。

在日本、美国等工业发达国家，钢结构用钢量达到钢产量的30％左右，其中热轧H型钢在钢结构用钢中约为50-60％的水平，以此计算，截至到2015年我国对热轧H型钢的需求量将达到1300-1400万吨。远远超过日本、欧洲、美国的500万吨的年消费水平。而我国目前已经投产及在建产能还远远不够，需求必将得到迅速的增加，热轧H型钢必将迎来大力发展。

（二）矫直的作用及意义

由于对钢材轧制、冷却中控制手段及方法的不足，运输中的撞击、挤压的不可避免等一系列因素，就必然会产生各种尺寸上的不足。矫直就是钢材经热轧成型，冷床冷却后为获得到尺寸精确符合规格的良好产品而实施的各种加工手段。

矫直主要作用是消除残余应力、上下弯、侧弯、扭转等缺陷，保证翼缘斜度在规定范围内，同时也要预防啃伤、矫裂、矫痕等。在矫正各种缺陷的同时也会对钢材的内部组织结构产生一定改变，从而影响到钢材的韧性、强度等一系列性能。矫直是整个H型钢生产中最后一道对其质量的控制，与其出厂时的品质是密切相关的，可以说只有通过矫直工序，才有真正意思的产品，因此，矫直是精整工段乃至整个生产线上极其重要的工序之一。

目前，在型钢轧制的企业，一般是通过矫直机上下辊的反复弯曲来完成矫直的，有时矫直后仍有小批量成品出现弯曲缺陷时也会采用其他增加压力的方法利用其本身具有的弹塑性变形特性来进行人工矫直。

二、H型钢的矫直设备

（一）矫直机的基本原理

矫直与弯曲是两个相反的工艺过程，但它们的变形机理是相同的。为了将钢材矫直，首先要了解金属的弹性特征，通常，不同金属的弹性极限大小是不一样的，也就是说在塑性变形的同时也伴随着弹性变形。因此矫直的同时是一个相当复杂的反复弹塑性变形过程，涉及到几何、材料和接触等多重非线性问题。当矫直

压力方向产生的力矩之和使钢材有残余变形时，就会出现成品上下弯曲或侧弯，当在钢材截面方向，上下辊产生力矩合不等于0，且使钢材屈服时，就会有残余变形，从而产生扭转缺陷。因此矫直机轴向、径向压力参数的控制是矫直成品质量的关键所在。

（二）矫直机的种类

在H型钢的正常生产中的矫直机械设备都可称之为矫直机。轧钢机械中，矫直机可根据结构特点其主要类型可分为：压力矫直机、辊式矫直机、平行滚矫直机、斜滚矫直机、旋转反弯矫直机；拉伸与拉弯矫直机；等等。

目前在H型钢生产中的矫直机采用辊式矫直机。辊式矫直机按结构特点可分为龙门式矫直机，悬臂式矫直机两种。另外按其传动方式又可分为三种：下棍全部为传动辊；下棍和第一个进口上棍为传动辊;上、下辊全部为传动辊。

（三）矫直机的选择

矫直机的选择取决于被矫钢材的规格、钢种、断面形状等因素。根据型材的形状、尺寸及轧件的弯曲状态，可以分别在压力矫直机、辊式矫直机斜棍型钢矫直机进行矫直。而对于垂直方向弯曲的型钢及周期断面材则采用拉伸矫直。

首先，辊式矫直机具有两排平行交错的工作辊，弯曲的轧件在旋转着的工作辊之间作直线运动，经工作辊的多次弯曲而得到矫直，它的特点是轧件能以较高的速度在运动过程中进行矫直，生产效率高，且易于实现机械化和流水作业。

再次，悬臂矫直机装拆辊方便快捷，可减少更换规格及故障处理时间，调整工能直接观看到钢材在各矫直辊间的变化情况，以便正确分配各辊压力，还可站在机体一端，观看棍子孔型的错位情况，从而快速调整减少缺陷钢材的产量。另外，如果棍子表面粘有异物，划伤或啃伤钢材时，不需拆棍，可直接用砂轮清除。

而传动方式的选择，主要是考虑钢材的咬入情况。一般普碳钢比合金钢要容易咬入，所以生产普碳钢为主的车间选用下辊传动的即可；而生产合金钢为主的车间，就需选用下棍和第一个进口上棍为传动辊或上、下辊全部为传动辊。而上下辊同为传动辊的矫直机在辊型设计和整体构造上，还应考虑到上、下辊的线速度是否一致，故在辊型设计和棍子的制造与准备上要求更加严格。

因此一般H型钢厂的矫直机都选择的是下辊传动的悬臂式矫直机。

（四）悬臂式矫直机的结构

悬臂式矫直机的结构可分为机架，辊轴，矫直机的驱动装置，垂直调整装置，轴向调整装置，立辊装置6大部分。

1、机架

矫直机的机架，一般采用铸钢制造，其优点是强度高，刚性好。其缺点是重量太大，往往是整个厂中重量最大的设备，不利于更换、检修挪动。现在广泛的采用高强度可焊性好的厚钢板经过特殊焊接加工而成。由一个底座，两个侧面框架和一个上部框架组成。机架必须充分保证矫直机的刚性，上轴由框架上部悬吊，下轴安放在底座上。

2、辊轴

辊轴由锻钢制造，安装在机架上，并延伸到轴承的外端，矫直工作辊安装在伸出的轴端上。各轴承都是滚动轴承，工作侧为径向轴承，驱动侧为止推轴承，从而使辊轴上下左右方向都不发生偏移松动。

3、矫直机的驱动装置

矫直机的驱动装置一般由变速箱、齿轮座和万向接轴等组成。当需要矫直的钢材品种和规格较多，产量较大，轧钢过快时，矫直往往会成为薄弱环节。此时矫直机采用可调速矫直机是最适宜的。这样可以根据情况灵活的地调矫直速度。变速箱可以采用变速箱与齿轮座合为一体的复合式减速机，其优点是结构紧凑，占地面积小，重量轻，而且使用可靠。

H型钢矫直机一般只驱动下排工作辊，有时为了方便咬入，上排第一个辊子也会设计成传动辊，其余为从动辊。

4、垂直调整装置

垂直调整装置是为了使被矫直的钢材在上下方向上产生弯曲，而使矫直辊产生升降位移的装置。通过电机（一般为交流电机），弹性联轴节，蜗杆减速机和丝杠带动工作辊升降，蜗杆轴的轴承使用单列深槽球轴承和单列止推轴承，涡轮轴承使用止推球面滚柱轴承。涡轮减速机用润滑脂润滑，其他轴承用手动给油泵润滑。此外，为防止机器的损坏和便于操作人员的观察，通常在两个方向上设置限位开关，采用自动同步机的电信号以及刻度盘指针来显示升降距离。

5、轴向调整装置

轴向调整装置时为了使被矫直的钢材产生横向弯曲，而使矫直辊发生轴向位移的装置。轴向移动是靠轴向移动电机通过摆线减速机和涡轮减速机，使丝杠动作，从而使轴承外圈移动，再使辊轴产生移动。轴向移动装置，是使用双列圆锥滚子轴承，靠轴承座与轴承套之间及圆柱滚子轴承与内套之间分别进行滑动。各部件的滑动部分和轴承部分采用润滑油润滑。移动量的大小利用自动同步电机的信号通过收发信号器显示。此外，还常用限位开关来限制两侧的行程作为安全装置。

上下两排辊都可以单独进行轴向调整。

6、立辊装置

立辊是设在矫直机的进出口处，每处各有一对立着的辊子，用以进行钢材的横向导向。根据被矫直钢材的大小可以任意改变其开口度。此装置是由交流电机通过通过涡轮蜗杆驱动丝杠，丝杠的顶端与立辊机座连接，用以驱动立辊的开闭。

三、一般矫直缺陷的原因与规避方法

（一）上下弯曲缺陷

上下弯曲超标是矫直过程中首先要保证消除的缺陷。其产生原因包括：1.轧件在冷床冷却过程中由于冷却水不能均匀分布在型钢表面，头部冷却速度较快，先行弯曲，形成浴盆状，使腹板上的积水不能流出，导致上表面收缩率明显大于型钢下表面，产生上弯。2.万能机组上下轧辊的辊径差过大，轧件上下表面温度不同，导致轧制时型钢上下表面的延伸率不同，产生上下弯曲缺陷。3.矫直辊各辊辊径超出公差范围，各辊压下分配不合理。

解决措施：

1.为消除不均匀变形，首先应该使2辊压下量足够大，满足型钢塑变要求。消除型钢原有变形，达到统一的变形的目的。

2.保证合理有序的过钢节奏，加大矫直测量次数，确保矫直中心在一条直线上。制定矫直辊装配标准，保证安装正确，有据可查。建立BH值与矫直辊间距的关系，做到合理配辊，保证辊缝在1－3mm之间。

具体调整：

首先确定所需压力的大小，主要取决于以下几方面：被矫钢材的品种、规格；待矫轧件的原始弯曲程度；待矫轧件的终轧温度；被矫轧件的机械性能；矫直温度等。

（二）左右弯曲缺陷

型钢左右弯曲也叫侧弯。型钢侧弯的形成主要有三个方面：

1.轧机两侧压下量不同，使来料一侧延伸率大于另一侧，直接导致两侧翼缘厚度不一致。由于轧辊两侧的磨削量不同，轧制过程中，两侧腿的延伸率亦不同，造成延伸率大的一侧腿薄，延伸率小的腿厚，矫直过程中，在同等的受力条件下，自然出现侧弯。

2.来料在冷却过程中，冷床长度方向存在温差，空气在冷床底部形成一个自下向上，自北向南的循环，导致轧件向北弯曲。

3.矫后的弯曲主要原因为轴向零位标定不准，立辊压力过大或过小造成的。

解决措施：

1.优化水量，优化步距。尽可能的使型钢完整进入水区，加强现场通风，保证型钢进入水区前温度小于400℃。水冷时间不宜过长，因为冷却时翼缘为拉伸—压缩—拉伸过程，腹板为压缩—拉抻—压缩过程，所以过长时间冷却会引起较大的侧弯并伴随下弯、上弯现象的出现。如Ｈ250*250规格，步距选取560mm，各区水量为20％、30％、60％、90％、100％。这样冷却后的型钢基本平直，为矫直打下良好基础。水量控制也是我们未来总结的重点。

2.做好矫直机轴向零位标定，合理利用轴向。经常观察立辊和型钢之间的间隙，做到准确调整。

具体调整：

首先确认矫直采用的矫直方式，本文以大压下为例。因为在大压下矫直时，型钢翼缘发生全塑变，产生金属流动，使两侧翼缘合理拉伸压缩，有利于侧弯的矫直。

（三）扭转与侧壁斜度超差

扭转产生的主要原因为：

矫直机各辊轴向相差太大或出入口的水平辊位置不当。如3辊偏北，5辊偏南，使型钢存在一对力偶作用，产生扭转。扭转出现的时候，我们会看到型钢刚出矫直机时头部明显剧烈摆动，过矫直后能够明显看到扭转。

侧壁斜度超差产生的原因为：

1.辊型不正；压力过大，型钢与矫直辊间隙过小。

2.辊子磨损、矫直机轴窜动过大，液压螺母没有锁紧或者止推轴承磨损过大都会引起侧壁斜度超差。

解决措施：

明确轴向位置，加大矫直压力。不要单独打8辊轴向，调整侧弯时应以每相临的3个辊为一个调整单元，保证矫直稳定性。侧壁斜度的处理措施是经常注意检查各辊轴向位置，窜动情况。注意在不同间隙情况下，最大矫直力的选取。对和H2与H3的测量做到每批抽查，以做到及时调整。

（四）啃伤、矫裂、矫痕缺陷

产生啃伤缺陷的主要原因是辊型不正确，辊子表面有瘤，辊型磨损严重等原因。另外，由于操作不慎，入口导板过宽或偏斜，辊型设计不当，钢材偏过等情况均能引起钢材啃伤。

矫裂产生的主要原因是多次回矫，产生加工硬化；矫直力过大；冷却不均匀，出现骤冷的情况；腹板与翼缘金属延伸比严重不平衡；型钢BH值与矫直辊间距过大，直接压到圆角上都会形成矫裂、矫痕。

解决措施：

经常检查相应辊面磨损情况，有积瘤的要及时清理；观察进钢情况，保证入口导位位置正确；经常卡量矫直盘圆角与成品圆角；制定合理的矫直力，尽量避免回矫；合理控制冷却过程；保证型钢低于80℃进入矫直机；注意观察各辊轴向、垂直窜动量，做到及时应对。

四、日钢十辊悬臂式矫直机的结构技术参数与调整出现的问题

2004 年建成投产的日钢H型钢厂主体设备是由意大利达涅利引进，电气自动化控制系统从德国西门子引进，部分辅助设备由达涅利设计，国内制作。截至2008 年年底，该厂已累计开发的产品规格达50多个，其中包括H型钢、工字钢和槽钢。2006 年11 月设备整体改造后，冷床长度增加至150m，产量也有月产8 万吨达到13 万吨，现已具备年产量145 万吨的能力，且各项经济技术指标位居同行业前列。能有如此高的产能，作为重大主体设备之一的矫直机也起着至关重要的作用。该矫直机设计新颖，技术先进，它不同于国内其它型钢生产厂家的矫直机，国内多数生产厂家的矫直机多为九辊变节距悬臂式矫直机，而该矫直机为十辊等节距悬臂式矫直机，其调整思路也与众不同。在实际生产过程中，会出现各种影响该矫直机调整的因素。如何在最短的时间内将百米多长的成品矫直合格，直接关系着各项经济技术指标。

（一）等节距十辊悬臂式矫直机的结构及技术参数

十辊悬臂式矫直机由上下两排交错布置的辊子构成。经过冷床冷却后的百米轧件，通过上下辊时，经过反复弯曲得到矫直。矫直辊为“组合式”矫直辊，是由各种规格垫片及辊环通过液压丝冒固定在轴套上组合而成（辊环上面无键槽）。矫直中起作用的是辊环，每相邻的三个辊环都构成一个三角形变形区，更换规格仅仅需要更换由辊环和垫片组装而成的轴套。轴套组装离线完成。矫直辊具有结构简单、换辊方便、共用性强、节省辊耗等优点。

辊环的外圆角半径R 一般应比轧件内圆角半径r 大0～3mm，这样能保证矫直时不会损伤内圆角。随着规格的增大，辊片的宽度也相应增大。辊片的厚度一般有50mm、60mm、80mm 等。矫直辊的水平间距均为900mm，上下辊中心间距为600-1000mm。矫直辊上线后其工作宽度是不可调的，仅能对每个辊进行轴向调整和对上辊进行径向调整。

（二）等节距十辊悬臂式矫直机调整出现的问题

该矫直机矫后经常出现的缺陷可以归为弯曲、翼缘斜度超标、侧弯、扭曲、压痕等五大类，每一类又细分几种情况。

1.弯曲缺陷每个规格都会出现，其中包括整支钢矫后上弯或下弯,或同支钢上下弯曲不同。

2.翼缘斜度超标缺陷易出现在中、宽翼缘规格，主要表现为两腿内并或外括，或者单腿内并或外括。

3.矫后侧弯主要表现为整支钢侧弯或尾部侧弯，多出现在宽翼缘规格。

4.扭曲缺陷主要出现在H150×150 规格和H175×175 规格等宽翼缘规格。

5.压痕在钢上主要有两种情况，连续性压痕和周期性压痕。

五、等节距十辊悬臂式矫直机调整中的影响因素及调整措施

针对该矫直机和该厂的工艺特点，影响矫直调整的因素可分为压下规程设定的影响、冷却工艺的影响、矫直辊工装的影响、轧制工艺的影响和其它因素的影响等几种。

（一）矫直压下规程的影响

压下规程分为径向压下和轴向压下，无论那一个量分配不合理就会影响到上下弯曲，侧壁斜度，甚至侧弯。

1、径向压下的影响

正常的调整思路是：在压下规程上，利用前期大压下大变形，先把大弯曲矫直成小弯曲，之后再利用后面逐渐递减的小压下，把小弯曲

矫成更小的弯曲，直至消失。在调整的过程中就是利用上两辊与下面一个辊，或者是上面一个辊与下面两个辊组成一个倒三角或正三角的变形区，在整个矫直过程中需经过八个变形区。等节距调整不同于变节距调整，在整个调整过程中，改变某一个或某几个变形区的压下就会对相邻变形区有影响，甚至引起相邻变形区的变化与想改变的变形区的变化一起形成反作用力，导致某一方向的弯曲越调越严重，造成过犹不及。

2、轴向压下的影响

由于轧制后的轧件受外界的影响，造成上扩下并，或上并下扩等缺陷，对于此类型的钢进行矫直只能通过轴向压下进行调整。调整后的轧件内侧两个r 角受矫直力大小不同，会造成钢出现不同程度的侧弯，甚至会造成扭曲。

（二）冷却工艺的影响

该厂型钢的冷却方式为“H”式，相对与“I”冷却方式，残余应力峰值较大，且主要集中在腹板中部。当冷却力度不够时，温度太高进入矫直机压力过大易形成压痕，压力太小，不能消除内部残余应力，矫后一经冷却便会出现上翘下弯。

（三）矫直辊工装的影响

矫直辊的装配是影响矫直调整质量的一个重要因素，每一个细小因素的变动均会造成对调整不稳定，如矫直辊工作角的匹配，矫直辊工作宽度与轧件成品万能轧机水平辊辊宽的匹

配等。

1、矫直辊r 角的影响

矫直辊的r 角必须与轧件的R角相匹配，r 角过小，轧件R角处易矫裂，r 角过大，矫直不稳定。

2、矫直辊工作宽度的影响

对于矫直辊工作宽度，正常情况下我们是按照如下公式计算：

KBi = Bi /1.013±a

KBi：矫直辊工作宽度

Bi：成品轧机水平辊辊宽

a：修正系数，取a=0.2～1.2，宽翼缘取小值，窄翼缘取大，随着规格的增大，a也变大。

当矫直辊的工作宽度过小，矫直辊的r 角与轧件两边R 角接触不稳定，在矫直过程中易产生侧弯，甚至形成“S”弯；矫直辊的工作宽度过大，则会影响矫后轧件的开口度，甚至侧壁斜度。

3、矫直辊片状态的影响

在生产过程中每片矫直辊都要受到磨损，由于其所处的位置不同，每片辊片的磨损程度也不同，若在装配中两片辊片直径相差，会导致轧件腹板一侧有压痕，若辊片有较大磨损，上线后矫直不稳定。

4、轧制工艺的影响

轧钢工艺的影响主要表现在不同的轧制过程，轧件尺寸变化不同，给矫直调整带来的不良影响。例如，来料钢材的腹板轧制过薄，其变形力就会随之减小，而矫直机的压下也同时减小，但钢材所需变形力的减小造成的影响远远大于压下量减小的影响，因此在矫直机参数不变情况下就会产生向下弯曲，腹板增厚则相反。

（四）采取的主要技术措施

1、明确调整目的，做到有的放矢

在压下规程上，径向压下实行第二辊压下量最大第一辊和第三辊差不多，压下量小于第二辊，第四辊又小于第三辊，第五辊最小．轴向压下实行上下同时动，且主要集中在2、3、4 辊，不提倡只动上辊轴向或下辊轴向，避免形成了扭曲。针对宽翼缘上下开口度差异大的问题，每个规格，每种情况都制定了相对应的调整措施。

2、均衡生产节奏，实施气冷、雾冷相结合

根据规格的不同，腿、腰相对比较厚的规格实施雾冷，腿、腰相对比较薄的实施气冷。因此，每支钢的温度都保持在80℃以下，而且整支钢的温差首尾相差不到5℃，正常的生产节奏又保证了每支钢的温差变化不大，从而把冷却工艺造成的影响降低到最低点。

3、实施了数据分析，优化了矫直辊工装

加强了从矫直辊的工装到该规格下线所有数据的跟踪。如装配时辊片的厚度、r 角、辊径、KBi、矫直压力记录值和矫后成品尺寸值等.通过分析，及时优化了r 角、辊径和KBi 与规格的最佳匹配。其次，在矫直辊工装上实施了交叉配合，降低了辊耗，减少了调整的不利因素。

六、结论

H型钢生产中受设备及温度、轧制速度、尺寸精度等因素影响而比较容易产生的一些缺陷，如何快速有效的调整，提高产品质量，还有很长的路要走，以便使我们能进一步提高自己的技能，以提高Ｈ型钢产品的实物质量。针对出现的问题，应细心观察实际情况，找出影响轧件矫直质量的主要因素，再综合其他因素对轧件进行调整．只有这样，矫直质量才能稳步提高，生产才能顺利进行。

1、结构强度高

2、设计风格灵活、丰富

3、结构自重轻

4、结构稳定性高

5、增加结构有效使用面积

6、省工省料

7、便于机械加工

8、环保

9、工业化制作程度高10、工程施工速度快

参考文献：

（1）袁志学，马水明，中型型钢生产，北京：冶金工业出版社，2005

（2）熊及滋, 压力加工设备，北京：冶金工业出版社, 1999

（3）崔甫, 矫直原理与矫直机械，北京：冶金工业出版社, 2005