型钢论文

第一章型钢设计

按照钢的冶炼质量不同，型钢分为普通型钢和优质型钢。普通型钢按现行金属产品目录又分为大型型钢、中型型钢、小型型钢。普通型钢按其断面形状又可分为工字钢、槽钢、角钢、圆钢等。型钢的规格以反应其断面形状的主要轮廓尺寸来表示。例如，圆钢的规格以直径的毫米数表示；下径30毫米的圆钢记作Φ30；方钢的规格用边长毫米数表示；扁钢的规格以厚度*宽度毫米数表示；工字钢、槽钢的规格以高*腿宽*腰厚表示，有进也用号数表示，号数表示高度的厘米数，例如10#工字钢就是高为100毫米的工字钢；角钢以边宽*边宽*边厚的毫米数表示，也可用号数表示。相同的工、槽钢有几种不同腿宽和腰厚时，则在号数后面加码a、b、c予以区别，例如32a#、32b#、32c#等。普通型钢由普通碳素结构钢和普通低合金结构钢生产。优质型钢由优质钢加工制成的型材。优质型钢虽然材质繁多，但品种简单，绝大多数是圆钢，此外，也有方钢、扁钢、六角钢、中空钢等。另外型钢还包括冷弯型钢，它是用普通碳素钢、优质碳素钢或低合金钢钢板或钢带经过一定的冷弯成型制成的型钢。

1.1型钢分类

1.1.1 大型型钢

大型型钢中工字钢、槽钢、角钢、扁钢都是热轧的,圆钢、方钢、六角钢除热轧外，还有锻制、冷拉等。工字钢、槽钢、角钢广泛应用于工业建筑和金属结构，如厂房、桥梁、船舶、农机车辆制造、输电铁塔，运输机械、往往配合使用。扁钢在建筑工和中用作桥梁、房架、栅栏、输电船舶、车辆等。圆钢、方钢用作各种机械零件、农机配件、工具等。异型钢中拖拉机大梁槽钢；钢桩钢用于水利建筑和矿山工程；拖拉机工程机械履带板，中凹扁、球扁钢等。这些异型钢由于接近零件或成品的形状和尺寸，可以大大减少机械加工、保证产品质量、并节约金属。

1.1.2 中型型钢

中型型钢中工、槽、角、圆、扁钢用途与大型型钢相似。异型钢中包括，水利、建筑和矿山用的9#、11#、12#、矿工钢、18V、25V、29V支撑钢；U型钢、π型钢、各种扁钢等。另外，还有专门用来制造农机犁铧的犁铧钢、电梯导轨、用于制造汽车轮网的轮网钢,用来制造农具的小农具用复合扁钢。

1.1.3 小型型钢

小型型钢中角、圆、方、扁钢加工和用途与大型相似，小直径圆常用作建筑钢筋。异型钢中包括档圈、马蹄钢、磁极钢、压脚板、浅槽钢、小槽钢、丁字钢、球扁钢、送布牙钢，热轧六角钢等。另外还有铆钉钢、农具钢、窗框钢。

1.1.4 钢筋混凝土用钢筋

属于小型型钢。包括钢筋混凝土用热轧圆钢筋、予应力混凝土用热理钢筋、钢筋混凝土用热轧带筋钢筋。冷带筋钢筋。除圆钢外，其它也称螺纹钢。因为在轧制时钢材表面轧成耳子或螺纹筋，是建筑工业中钢筋混凝土用钢材。钢筋根据材料屈服点和抗拉强度分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋.上述钢筋都直接使用。予应力混凝土用热处理的钢筋经热处理的螺纹钢筋，强度高，但不适用于焊接和点焊用的钢筋，钢筋由40Si2Mn、48Si2Mn、45Si2Cr等钢经热处理后制成，公称直径6、8.2、10毫米。冷轧带肋钢筋用Q215、Q235、24MnTi钢制成公称直径4-12毫米。钢筋热处理后应卷成盘，以热处理状态交货。

1.2 型钢生产系统

生产各类型钢的轧钢生产系统。型钢生产系统年产量通常都不超过300万t，但由于型钢在热轧材总量中占有较大的比例(一般占30%～35%，有些国家占50%以上)，故是一种常见的单一化的轧钢生产系统。

组成型钢生产系统的基本轧机是方坯初轧机、中小型钢坯连轧机和各类成品型钢轧机。所用坯料除由系统内的初轧机、中小型钢坯轧机供应外，各种规格的

连铸坯已成为各类成品轧机的主要供坯来源。

生产规模的大小以及对型钢品种和规格的要求是选择和决定这类生产系统轧机组成的基本依据。这类生产系统之一见图。

图1-1 型钢生产系统图

1.3我国型钢生产技术现状及发展

1.3.1 H型钢的发展现状

由于我国H型钢市场的需求较大，普通型钢的使用量萎缩，我国的中、小型型钢生产技术发展缓慢，改造力度不大。目前国内主要型钢生产基地仍采用20世纪60年代设备。轧机仍采用胶木瓦的三辊轧机，横列式或跟踪式布置。中、小型型钢轧机近几年也涌现一批半连续或连续式轧机，其中通化小型厂将横列式轧机改造成半连续式轧机，用以生产中、小规格的工字钢、槽钢、角钢和圆钢。由于连铸比的迅速提高，Φ650mm轧机失去了开坯功能。现存的中型轧机只能成为专门的型材轧机。轧件尺寸精度差和精整工艺不完善问题成为改造重点。中型材生产的主要技术进步有：成品轧机的轴承改造、精整线的长尺冷却、长尺矫

直改造。型材使用步进式冷床、冷锯切定尺。鞍钢中型厂、马钢二轧厂等的改造可作为代表。

热轧H型钢根据不同用途合理分配截面尺寸的高宽比，具有优良的力学性能和优越的使用性能。结构强度高。同工字钢相比，截面模数大，在承载条件相同时，可节约金属10-15%。设计风格灵活、丰富。在梁高相同的情况下，钢结构的开间可比混凝土结构的开间大50% ，从而使建筑布置更加灵活。结构自重轻。与混凝土结构自重相比轻,结构自重的降低，减少了结构设计内力，可使建筑结构基础处理要求低，施工简便，造价降低。以热轧H 型钢为主的钢结构，其结构科学合理，塑性和柔韧性好，结构稳定性高，适用于承受振动和冲击载荷大的建筑结构，抗自然灾害能力强，特别适用于一些多地震发生带的建筑结构。据统计，在世界上发生7 级以上毁灭性大地震灾害中，以H 型钢为主的钢结构建筑受害程度最小。增加结构有效使用面积。与混凝土结构相比，钢结构柱截面面积小，从而可增加建筑有效使用面积，视建筑不同形式，能增加有效使用面积4-6%。与焊接H 型钢相比，能明显地省工省料，减少原材料、能源和人工的消耗，残余应力低，外观和表面质量好。便于机械加工、结构连接和安装，还易于拆除和再用。采用H 型钢可以有效保护环境，具体表现在三个方面：一是和混凝土相比，可采用干式施工，产生的噪音小，粉尘少；二是由于自重减轻，基础施工取土量少，对土地资源破坏小，此外大量减少混凝土用量，减少开山挖石量，有利于生态环境的保护；三是建筑结构使用寿命到期后，结构拆除后，产生的固体垃圾量小，废钢资源回收价值高。以热轧H 型钢为主的钢结构工业化制作程度高，便于机械制造，集约化生产，精度高，安装方便，质量易于保证，可以建成真正的房屋制作工厂、桥梁制作工厂、工业厂房制作工厂等。发展钢结构，创造和带动了数以百计的新兴产业发展。工程施工速度快，占地面积小，且适合于全天候施工，受气候条件影响小。用热轧H 型钢制作的钢结构的施工速度约为混凝土结构施工速度的2-3倍，资金周转率成倍提高，降低财务费用，从而节省投资。以我国“第一高楼”上海浦东的“金贸大厦”为例，主体高达近400 m 的结构主体仅用不到半年时间就完成了结构封顶，而钢混结构则需要两年工期。

1.3.2 螺纹钢的发展现状

螺纹钢常用的分类方法有两种：一是以几何形状分类，根据横肋的截面形状及肋的间距不同进行分类或分型，如英国标准（BS4449）中，将螺纹钢分为Ⅰ型、Ⅱ 型。这种分类方式主要反应螺纹钢的握紧性能。二是以性能分类（级），例如我国现行执行标准，螺纹钢为（G B1499.2-2007）线材为1499.1-2008）中，按强度级别（屈服点/抗拉强度）将螺纹钢分为3个等级；日本工业标准（JI SG3112）中，按综合性能将螺纹钢分为5个种类；英国标准（BS4461）中，也规定了螺纹钢性能试验的若干等级。此外还可按用途对螺纹钢进行分类，如分为钢筋混凝土用普通钢筋及予应力钢筋混凝土用热处理钢筋等。

图1-2 螺纹钢需求走势图

，“金九”已过半，需求却迟迟不见起色，多数市场出货惨淡。与此同时，国内主要城市螺纹钢库存四周连续上涨。虽然截至8 月份全国保障性住房已高达82%的开工率，但是目前了解到各地保障房建设的资金瓶颈仍然影响其建设进度。受国内商品房调控政策影响，商品房开工放缓的风险

已经显现，剔除保障性住房建设部分，7 月商品房新开工增速已下滑至-9%。动车事故之后国务院、安监局和铁道部进行安全大检查，铁路投资如期放缓。数据显示1-8 月份铁道部固基建投资完成额为3164.7亿元，同比降幅11.1%，未来铁路投资下降的趋势仍将持续。

原料供应充足及建筑钢材目前普遍略有盈利，预计后期国内建筑钢材产量将呈持续增长态势。首先，从数据上看，8 月份中国进口铁矿石5909 万吨，同比去年增长32.5%，矿石以及焦炭供应充足,后期国内钢厂出厂减产的条件并不具备。其次，从盈利情况来看目前建筑钢厂普遍有200 元/吨左右的盈利空间，钢厂主动减产动力不足。据最新数据显示，全国9 月上旬日均粗钢产量达196.40 万吨，旬环比增幅3.08%。总体来看，后期市场供应压力将逐步增加。

1.3.3 重轨发展现状

随着现代铁路高速、重载运输的发展，对钢轨钢的质量和性能提出了更高、更苛刻的要求. 目前钢轨钢的主要发展趋势是高强度、高韧性和高纯净化. 钢轨良好的抗疲劳性能和焊接性能是高速铁路用钢轨的基本特征. 要保证钢轨各项性能达到要求，在对钢的成分和组织进行严格控制的同时，还要求钢轨钢具有较高的纯净度，即要尽量降。

低钢中的有害元素和气体的含量，减少钢中的夹杂物. 目前，提高钢的纯净度已成为改善钢轨内在质量，保证钢轨综合性能的主要措施和手段. 表1为国内外高速铁路钢轨标准对钢轨内部质量的要求。英、美、日本等工业发达国家在钢轨生产中均采用铁水预处理、炉外精炼、真空脱气和连铸等先进技术，有效地提高了钢轨钢的纯净性. 目前我国重轨钢的生产技术水平与国外还存在较大差异，因此，加强国内重轨钢生产技术装备和工艺技术研究具有重要意义。

表1-3 高速铁路钢轨标准对钢轨内部质量的要求

1.4特钢发展趋势

特殊钢是机械、汽车、军工、化工、家电、船舶、交通、铁路以及新兴产业等国民经济大部分行业用钢最主要的钢类。我国特钢行业承担着国防军工、高新技术产业以及机械、汽车等关键产业所需的特殊钢材品种。中国制造业的增长为国内特殊钢发展提供了空间，制造行业的持续快速发展，特别是机械、汽车、机电、造船等行业，对优特钢的需求强劲，成为支撑优特钢市场的直接动力。特钢市场的特点是专业化强，市场幅射面窄，市场对特钢的需求是多品种、小批量。国内特钢材(合金钢和优质碳素钢)的消费中，汽车工业占35％左右，机械工业占24％左右，所以机械制造、汽车工业是特钢的主要市场。

结构汽车用优质钢材约占汽车用钢材量的30％，汽车用特钢占全国特钢总量的35％左右，其中合金结构钢、弹簧钢、冷镦钢、易切削钢等都是各特钢厂的支柱产品。

合金钢、不锈耐热、高温合金、粉末冶金、功能材料、难熔金属、钛合金等特钢品种是航天、航空、兵器、舰船、核能、电子、国防建设等军工部门所必需的军用冶金材料，为航天、航空、舰船、兵器、核技术等领域装备的更新换代、提高性能、实行国产化提供冶金军工酉己套材料，满足国防科技和武器装备发展的要求。另外，国内电站建设速度加快，造船产量、承接订单量的增加都为特钢行业提供了极大的市场增量。随着特钢下游企业的技术进步，对特钢产品质量、流程优化、生产专业化提出了更高的要求，目前高技术含量、高精度产品仍主要

依靠进口，国内特钢企业如何面对挑战，把握机遇，实现可持续发展尤显重要。

21世纪，钢铁工业的发展基本态势是向集约化、高技术化以及产品成本降低方向发展。所以，全球钢材价值量的增长大于钢产量的增长，这是全球钢铁工业的基本趋势。(美国不锈钢、工具钢、铬基和镍基钢、电工钢占总钢量2％，价值量占钢总价值量12％)。欧洲、美国、日本钢铁产品已经向特、精、高的方向发展，向深加工、高附加值的产品发展，向低成本、高效率、生态型企业发展，以确保钢铁工业可持续发展。特钢是国民经济各部门不可缺少的重要基础材料，发展特钢是提升钢材价值量的重要环节。据中国特钢企业协会统计，近年来，我国优特钢产量占全国钢产量的比重为8％一10％，其中合金钢为6％一7％，优特钢钢材产量约占全国钢材产量比重为7％一8％，合金钢材为5％左右。近几年国内合金钢材比呈上升趋势：2000年合金钢比5．06％，2001年合金钢比5．87％，2002年合金钢比6．17％，2003年合金韦}4比6．65％，2004年合金钢比6．87％，2005年合金钢比7．01％。(工业发达国家的合金钢材占其钢材总量的lO～15％，其中德国为19．1％，日本18．5％，意达利15．6％)。我国工业化进程中，特别是国民经济传统产业的现代化升级改造、新兴高新技术产业以及国防现代化建设的发展，有力拉动中国优特钢生产和消费数量增长，特钢行业的产品结构进一步优化。同时对特钢传统材料质量提升、更新换代以及品种结构等，不断提出更新、更高要求。

2005年，优特钢经济运行以平稳为主流，在宏观调控推动下，特钢生产企业经济运行的侧重点是加快结构调整，深化企业改革，提高产品质量挡次，加快技术改革步伐，提高市场占有率，提高竞争力，积极参与国际市场竞争。2005年特铡市场复杂多变，一季度需求旺，价格升。上半年需求增速平缓，全国新增产能释放，月度需求变化大。下半年钢铁产业政策出台，取消长材、钢坯、铁合金出口退税，对市场导向和影响明显。预计2006年特钢经济运行要好於普钢，特钢市场需求与价格双平稳。从以上分析可以看出，中国的特殊钢行业正处於良性发展期。

图1-4 2005年特钢产量

表1-52005年中国特钢品种结构

1.5新工艺

1.5．1 热轧型钢工艺润滑

在热轧型钢时，对轧辊孔型喷射润滑剂以改善摩擦状况的工艺技术。热轧型钢的特点是轧件在孔型内变形(见孔型轧制)。由于型钢品种繁多，断面形状复杂，轧件在孔型内的变形极不均匀。特别是在轧制角钢、槽钢、工字钢、钢板桩、汽车轮辋等带凸缘的异形型材时，高温、高压、高摩擦的恶劣变形条件集中在孔型内壁和角部，使孔型磨损不均而直接影响产品的尺寸精度。热轧型钢时采用工艺润滑可以减少孔型的局部啻损和总磨损量，使孔型容易充满，提高轧件的形状和尺寸精度，改善表面质量，增加孔型的轧出量。早在1935年，苏联就开始在型钢轧机上用动物油(猪油、牛油)进行润滑轧制，并获得良好效果。由于资源的限制，未能长期广泛使用。以后的实践证明，最有效的润滑剂是同时具有润滑和冷却作用的皂胶乳液和油-水乳化液(包括合成油或矿物油乳化液)，也有采用合成蜡基的热轧固体润滑剂的。当它们与旋转的轧辊接触时很容易在轧槽表面涂上一层薄而均匀的油膜。

热轧型钢工艺润滑剂的评定标准是轧机传动电机负荷的降低，轧制压力和变形区摩擦系数的降低，孔型的局部磨损和总磨损量减少，孔型的一次轧出量增加，轧材表面的质量的提高等。热轧型钢采用工艺润滑的主要效果是，降低轧制压力约10％，孔型的轧出量增加30％～50％，总的轧辊费用减少约45％。热轧型钢时工艺润滑剂的供给方式和一般热轧工艺润滑一样，只是喷嘴的形状要根据孔型的形状和具体部位来确定。

1.5.2 型钢控制冷却

对热轧后的型钢进行的旨在控制相变组织和提高钢材力学性能的冷却工艺。型钢控制冷却的目的除了提高钢综合性能、减少氧化损失、改善劳动条件之外，防止和减轻型钢的翘曲和变形，降低残余应力，节约冷床面积也是一个重要方面。冷却介质多采用水或水雾。由于型钢的形状比较复杂，所以控制冷却装置的形状也比较复杂。

钢筋的控制冷却装置为湍流管冷却器。钢筋热轧后在奥氏体组织状态下通过湍流管快速冷却，将钢筋表面淬成马氏体，随后由其心部放出余热进行自回火，达到提高强度、改善韧性的目的。这种控冷工艺简单，节省能源，改善操作环境，钢筋外形美观，条形直，有明显的经济效益，是值得推广的一种工艺。(见钢筋控制冷却)

线材控制冷却分为3个阶段，即将轧后线材通过穿水冷却使温度急速降到800～650℃后在输送链上进行相变冷却和最后空冷。高碳钢线材采用标准斯太尔摩法得到微细珠光体代替了索氏体化处理。低碳、低合金、中碳钢线材采用慢冷斯太尔摩法得到良好的拉拔性能和加工变形性能，取消了退火处理。

角钢的控制冷却装置有射流冷却装置、带有缝隙喷嘴的集水管冷却装置、限制冷却装置和冷却箱体冷却装置几种。冷却器的作用除了进行角钢水冷外，还有防止冷却过程中角钢扭曲和矫直作用。

特殊异形断面型钢，如H型钢、钢轨、Z字型钢等采用控制冷却的目的主要是提高钢材性能、降低钢材中的残余应力、减少生产中产生的弯曲。冷却装置形状比较复杂，因型钢的断面而异。控制冷却技术在非对称断面和特殊异形断面型钢生产中的应用是今后研究开发的方向。

1.5.3 几种棒线材生产的新工艺

线材生产新工艺和新技术主要分两类：一是通过微合金化强化或工强化机理。提高棒线材强度，如碳纳米管技术、超细晶钢生产技术、超快冷丁艺、线材在线盐浴处理工艺等；二是通过流程简化和局部工艺优化，提高生产节奏，降低生产成本，如连铸连轧工艺、热装热送T艺、无头轧制技术和超短流程工艺等。介绍了近几年来国内外棒线材生产最新的一些工艺及技术，包括纳米材料技术、超细晶钢生产技术、超快冷工艺和短流程生产工艺等几种最新工艺和技术。

1.6纳米材料在线材生产中的应用

纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100 nm间的粒子。由于尺寸小、比表面大和量子尺寸效应等原因，它具有不同于常规固体的新特性。1991年，碳纳米管由日本电镜学家饭岛

教授通过高分辨率电镜发现，为黑色粉末状，是由类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管状物，一般为多层。直径为几纳米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。其尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，但强度超过钢的100倍而质量密度只有钢的七分之一。它像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以伸，6 000℃左右的熔点是已知材料中最高的。如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。碳纤维纳米管成为纳米技术研究的热点，同样其在钢铁领域的应用前景诱人。

1.7我国型钢生产的发展趋势

目前我国型钢生产的设备和技术已达到或基本达到国际先进水平。今后的技术进步，提高设备水平不再是主要课题主要课题是提高产品质量和开发新品种。目前我国执行的型材标准，主要是为适应生产厂的水平和能力而制定。而国外钢铁厂并不满足于按标准生产，用户需求才是生产的标准。因此，从尺寸公差、钢水纯净度、化学成分稳定性、力学性能均匀性、轧件表面质量和包装质量等等方面比较，我国与工业发达国家还有很大差距。从以上发展前景看，中型轧机的改造方向不应是连续式轧机，较好的一个发展方向是在现有两列式轧机基础上，增加1台或2台万能和二辊可更换式轧机，扩大与小型轧机和大型轧机的规格配套能力。适于使用二辊轧机轧制的大型材。迄今为止，我国还有部分生产空白。例如:钢板桩、大型船用型钢、大型铁路车辆用型钢、机械工程用钢。今后大型材的一个工作重点是开发和培育这些市场。

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