王君珂，劉 凱，孫少華，張海生，劉 楊

自1998 年國產(chǎn)熱軋H 型鋼第一支鋼材問世至今21 年的發(fā)展歷程,全國廠家遍布華北、東北、華東、華南、西南,不僅產(chǎn)能已突破3000 萬t/年,而且產(chǎn)品規(guī)格已覆蓋中國、日、韓、俄、德、澳、英、美標系,為熱軋H 型鋼向裝配式鋼結構住宅領域提供材料奠定了基礎。H 型鋼是指斷面形狀如同大寫英文字母“H”，且具有高剛性、強承載能力的高效斷面型材，被廣泛用于建筑、橋梁、地下工程及廠房結構等領域中。H 型鋼依照生產(chǎn)方式可分為熱軋H 型鋼和組合(焊接)H 型鋼，其中，熱軋H 型鋼是由熱軋工藝直接生產(chǎn)出成品，而組合H 型鋼則是由3 塊鋼板相互拼接組合焊接而成，一般僅用于特殊規(guī)格的鋼的結構設計中。重型H 型鋼由于其產(chǎn)品寬、厚等特點，傳統(tǒng)的試樣加工工藝已無法滿足現(xiàn)狀，為了得到更加高效的加工工藝，現(xiàn)在已有的工藝基礎上，探索新的加工工藝。

1 H型鋼

1.1 H 型鋼優(yōu)點

構造的穩(wěn)固性較高、構造的有效應用面積增多、便于構造進行銜接與裝設、拆除與二次應用比較便捷。建筑構造必須進行優(yōu)化，構造拆下之后，廢棄的型鋼能夠再次應用，而且二次應用的價值很高。H 型鋼身為鋼結構部件，能夠通過工廠化與機械化等方式提升生產(chǎn)能力，同時H 型鋼材的制造精度較高，制造之后針對部件展開標識，后續(xù)進行裝設期間則比較便捷，同時建筑效果也會顯著的提升。

1.2 H 型鋼主要有如下應用

建筑施工期間鋼結構梁、柱等部件；工廠大跨度梁、較高建筑的柱梁；建筑物中機械、管路等鋼結構稱重支吊架；荷載要求較高、截面穩(wěn)固性較高的橋梁；地基施工與堤壩項目；所有工業(yè)機械部件。

1.3 大H 型鋼產(chǎn)線工藝及重點設備簡介

如今我國較大規(guī)模制造H 型鋼材期間，重要軋制技術能夠劃分成X－X－H 與X－H 兩類。其中X－X－H 軋機布設方式為軋件開坯后，在兩架具備“X”孔型的方能軋機與一架扎邊設備組成的三機架萬能粗軋機組中重復的進行軋制，之后在具備“H”型孔洞的精軋設備軋制1 次從而獲得最終產(chǎn)品。而XH 軋機的規(guī)劃方式則是將X－X－H 軋機中萬能粗軋機組中的第二個“X”型孔洞替換為“H”型孔洞，省略調(diào)一部“X”型孔洞萬能軋機。此兩種軋制方式的最終工作均為在精軋設備中進行。以某生產(chǎn)廠家為例，其選用了X－X－H 生產(chǎn)方式，此公司的制造技術是：鐵水預處理、轉(zhuǎn)爐冶煉、爐外精煉、異型坯連鑄、步進梁加熱爐、高壓水除磷、二輥可逆開坯機、串列式萬能粗軋、萬能精軋、熱鋸、步進式冷床、輥式矯直機、冷鋸、檢驗最后為打包。圓盤鋸機被普遍的運用到軋鋼生產(chǎn)期間，圓盤鋸機的構造包含鋸機本體、夾持壁、傾翻輥道與軋件托起等設備。主要是將驅(qū)動電機傾斜的放置到鋸機底座，借助傘齒距和主傳動軸趨勢動鋸片，巨片通過液壓設備固定到傳動軸上，鋸片進鋸主要是借助液壓驅(qū)動，是通過比例閥依據(jù)鋸切阻力調(diào)整進鋸時速，夾緊設備主要起到夾緊效用，避免鋸片工作期間出現(xiàn)較大的晃動，從而影響了鋸片的應用時間。

1.4 異形坯軋制H 型鋼

上世紀八十年代之后，由于異性坯連鑄工藝的持續(xù)進步，制造H 型鋼逐漸的開展應用異型坯當作原材料。和板坯、矩形坯進行比較，異型坯的斷面形狀更加貼近H 型鋼，所以其具備下列優(yōu)勢：①開坯工序縮減。下表中是應用異型坯和板坯各自是開坯流程與制造時間。通過表能夠發(fā)現(xiàn)，異型坯的開坯環(huán)節(jié)有所降低，制造效率較高，所以開坯設備不會影響整體的制造工序的進程。并且，因為軋制時間減少，軋件溫度降低較少，通常軋件溫度能夠降低到一百攝氏度，軋制力減少了百分之三十，軋制能耗降低了百分之二十。②整體的成材率提高，異型坯腹板厚度為一百二十毫米，軋到能夠進入萬能軋機的厚度歷程中，因為軋件形變較少，軋制期間首尾兩端形成的廢料較少。所以，馬鋼均應用異型坯進行H 型鋼的制造。而因為“近終形”連鑄工藝快速的進步，H 型鋼生產(chǎn)期間應用的異型坯腹板厚度也逐漸降低，如今國際上最為先進的H 型鋼生產(chǎn)工藝其腹板厚度是五十毫米。

1.5 靈活的精整工藝

型鋼精整工藝通常為定尺精整與長尺精整。定尺精整為把熱軋件鋸切為需要的定尺長度，之后展開冷卻、矯直等操作。但是長尺精整為把熱軋件直接展開冷卻與矯直，之后鋸切為需要的定尺長度。長尺精整因為軋件較長，冷卻期間冷床的應用頻次較高；矯直期間要入頻次較少，從而出現(xiàn)彎頭、彎尾的情況較少，生產(chǎn)量較高，同時矯直效果較好；鋸切過程中能夠安排施工，同時軋件冷縮程度較低，可以獲得較好的定尺精度。不過，鋸切冷材期間鋸片磨損速度較快。鑒于以上原因，規(guī)劃期間應用定尺精整和長尺精整互相融合的技術，能夠應用熱鋸切定尺，之后進行冷矯直，同時能夠應用熱鋸把軋件平均分為兩部分，待冷卻、矯直之后應用冷鋸按排切割為定尺，此種操作方式靈活性較高。

2 H型鋼表面裂紋的連鑄工藝原因分析

2.1 中間包的溫度和水口的結構

溫度是干預H 型鋼材制作的條件之一，不過通過多次試驗能夠看出溫度不會造成H 型鋼表層出現(xiàn)眾多的裂縫，因此其并且重要的干預條件。針對連鑄技術的水口構造展開研究，水口構造重點包含三孔水口與直孔水口。三孔水口的缺點比較明顯，其首端市場會松動或者掉落，應用時間比較短，因此水口構造通常會應用直孔水口。結晶器出口位置的厚度變動較大，若是結晶器呈現(xiàn)為收縮的情況，厚度較薄的位置可能出現(xiàn)裂痕，而厚度最為薄弱的位置形成眾多的裂痕與直孔型水口構造的聯(lián)系較大。此外，應用直孔型水控構造可能造成供熱布設不勻，可能導致H 型鋼表層出現(xiàn)裂紋。所以，水口構造對于H 型鋼表層裂紋出現(xiàn)影響較大，中間包溫度對于表層裂紋的干預度較小。

2.2 結晶器和二冷段的冷卻強度

有關人員在進行結晶設備冷卻強度探究期間發(fā)現(xiàn)結晶設備的正常冷卻強度范疇，在連鑄技術中，結晶設備較寬的一端熱流度在1.3MW/m2～1.5MW/m2之間，較窄的一段熱流度為1.3MW/m2～1.4MW/m2，若是結晶設備熱流度達到此條件，則H 型鋼表層形成裂縫的狀況較低。依據(jù)此探究結果針對H 型鋼的異型坯展開研究，結果顯示結晶設備的冷卻強度相對較好，導致H 型鋼形成裂縫的概率較低。進行二冷段冷卻強度調(diào)查期間，異型坯的二冷段水量一般在0.7min2～到0.8m/min2之間，其冷卻能力較高。H 型鋼異型坯表層的面積通常會大于板坯與方坯，因此二冷段的異型坯表層溫度下降速度較快，依據(jù)具體的溫度測量與模擬，能夠看出異型坯表層為二冷段低溫的脆性環(huán)節(jié)，因此可能造成裂紋生成。

2.3 建議

①能夠調(diào)節(jié)軋制線、晃動輥道與導衛(wèi)的方位，防止造成相對位置的落差偏大，進而良好的規(guī)避此種情況。調(diào)節(jié)期間必須注意軋件偏心的改變，特別是軋件首尾的偏心。②能夠調(diào)節(jié)傾翻輥道角度、托起方位、進鋸時速以及進鋸壓力等，能夠借助管控鋸切溫度從而調(diào)節(jié)翼緣斜度；然后為夾持臂的夾持角度較大造成夾持期間對翼緣造成擠壓，導致翼緣斜度不符合標準，此種狀況需要調(diào)節(jié)夾持臂的角度進行處理；此外鋸機冷卻水出現(xiàn)問題，鋸切之后在等待方位依舊有水會濺起，導致單側翼緣冷卻勻?qū)嵍认陆?，出現(xiàn)翼緣斜度，此種狀況能夠采用調(diào)節(jié)鋸機冷卻水的水嘴角度，以及調(diào)節(jié)鋸機鋸切等待位置等方法進行處理，確保等待期間不會有水碰觸到翼緣。

3 H型鋼開坯軋輥設計的有限元模擬與試驗驗證

3.1 有限元模擬

坯料在通過孔槽期間其外形拓寬模擬情況為下圖。坯料經(jīng)過四個不同的孔槽、經(jīng)過七道次軋制發(fā)生變化之后其形狀如圖2。通過圖2 能夠發(fā)現(xiàn)，這種規(guī)劃方式為腹板拓寬軋制規(guī)劃，也就是把尺寸相對小的H坯料通過各種寬度的孔槽，逐漸拓寬為大尺寸的坯料，之后通過粗軋和精軋等工序展開厚度裁剪，從而獲得大尺寸H型鋼材。

圖1 坯料經(jīng)過孔槽時的外形拓寬模擬結果

圖2 各道次軋制后的坯料外形變化

3.2 軋制試驗

圖3 新輥開發(fā)流程

3.3 軋制分析流程

①創(chuàng)建型鋼軋制流程有限元分析模型，確定模型的最初條件和邊界條件。②應用顯式積分方式，針對H 型鋼瞬態(tài)軋制流程展開數(shù)據(jù)研究。③尋找最初事先軋制穩(wěn)態(tài)的單元，并把此單元當作單元集，把此單元投影到平面上從而形成最初的截面網(wǎng)絡，此幾面需要和軋制主方向呈九十度角。④編輯Script 程序，篩選出穩(wěn)態(tài)單元集中所有節(jié)點溫度，把此部分溫度進行傳送。⑤把顯式積分法替換為隱式積分法，針對軋制道次縫隙的瞬態(tài)溫度場展開數(shù)據(jù)研究。⑥創(chuàng)建新穎的模型單元，應用模型驅(qū)動的方式，針對節(jié)點溫度展開映像處理。⑦創(chuàng)建軋件模型，映像節(jié)點溫度、積分點累加等效塑性變化與奧氏體晶粒大小。

3.4 結果與討論

對比鉛坯通過所有孔槽軋制之后的斷面情況，如圖4。圖中虛線是軋輥輥形實線是鉛坯斷面形狀，能夠發(fā)現(xiàn)，鉛坯通過所有軋制之后，鉛坯的腹板寬度逐步增加。看圖能夠發(fā)現(xiàn)：鉛坯在孔槽GR4 中通過四次軋制，翼板中心外側稍稍向內(nèi)側凹陷，通過第五次、第六次與第七次軋制之后，因為孔槽原本外形并非對稱，進而坯料軋制方位出現(xiàn)便宜，從而造成導致翼緣填充出現(xiàn)問題。選取鉛坯在所有孔槽中的指定方位，針對仿真與試驗數(shù)據(jù)展開對比，最終的對比情況如圖5。所有道次模擬和試驗數(shù)據(jù)幾乎相同，而最為關心的兩端翼緣高度差異值全部不超過百分之五，但是腹板厚度方面，由于試驗軋機的油壓形成和CAE 模型網(wǎng)絡邊緣平整度差異造成的干預，所以模擬和試驗數(shù)據(jù)之間的差異較大，不過此差異能夠通過萬能粗軋機調(diào)節(jié)開度管控進行修復。在進行最后軋制期間，測驗軋制外形和模擬情況相同，如圖4。通過此能夠判定此軋輥輥形規(guī)劃的合理性和實用性較高。

圖4 鉛坯經(jīng)各孔槽軋制后的斷面外形

圖5 鉛坯經(jīng)各孔槽軋制后的斷面外形仿真與試驗結果比較

4 熱軋H型鋼用于鋼結構住宅裝配式建筑可行性分析

4.1 熱軋H 型鋼用于裝配式鋼結構住宅的成本優(yōu)勢

我國H 型鋼自上世紀末投產(chǎn)到現(xiàn)在，經(jīng)過了二十年的發(fā)展，其生產(chǎn)量大約為粗鋼的百分之二，同時產(chǎn)業(yè)相對聚集，統(tǒng)計如今已經(jīng)投產(chǎn)的公司共計二十七家，生產(chǎn)線為三十九條，其中有十一條生產(chǎn)線一直生產(chǎn)的為百米重軌、熱軋店里角鋼與熱軋鋼板樁，但是沒有進行H 型鋼生產(chǎn)。不過由于我國產(chǎn)能的持續(xù)增加，熱軋H 型鋼井噴式進入市場，同時軋制技術和工藝逐步提升，造成熱軋H 型鋼的工業(yè)化、批量化程度逐步提高，鋼的售價而在大幅度的下降。因此，熱軋H 型鋼創(chuàng)建了步入房產(chǎn)行業(yè)的售價優(yōu)勢。

4.2 熱軋H 型鋼用于鋼結構裝配式住宅替代焊接H 和方矩管的可行性研究

熱軋H 型鋼經(jīng)過孔型軋制，成品性能可以保證品質(zhì)，同時規(guī)格相同全部在合理的差異范疇內(nèi)。并且，能夠靈活運用熱軋H 型鋼拼接為相同規(guī)格對接焊拼、剪力墻或者對拼連接為圓形核心筒，并且相同規(guī)格的兩個H 型鋼，腹板分別剖分百分之五十之后對叉生成十字型柱體。我國鋼結構技術研究所裝配式標準化鋼結構生產(chǎn)研究院相關人員表示，對于熱軋H 型鋼在裝配式項目中的應用已經(jīng)研發(fā)出梁柱不遺漏在外側的鋼結構建筑系統(tǒng)，良好的處理了在梁柱的整體應用過程中，鋼結構出現(xiàn)腐蝕或者起火等問題。并且研發(fā)了各種栓焊銜接的節(jié)點工藝，創(chuàng)建了相對特殊的型鋼構建化工藝系統(tǒng)。

5 開坯機（BD）孔型設計

規(guī)劃開坯機孔型期間，需要依據(jù)軋制規(guī)格、坯料大小展開系統(tǒng)的思考。①腹板厚度規(guī)劃。對開開坯機成型孔腹板厚度進行規(guī)劃期間，需要同時關注萬能位置腹板翼緣的延展關系、開坯機孔型數(shù)量、開坯機和萬能位置生產(chǎn)節(jié)奏等眾多條件的干預。萬能條件腹板翼緣延展關系是：開坯機成型孔翼緣厚度或者開坯機成型孔腹板厚度與產(chǎn)品翼緣厚度或者產(chǎn)品腹板厚度的比值在0.9：1 ～1.5：1 之間。若是成品軋件翼緣寬度數(shù)值較大，則在萬能位子需要適當?shù)氖┘有巫兤仁雇貙挼腍 型鋼成品的腹板厚度選擇最大值；若是產(chǎn)品翼緣厚度較小同時生產(chǎn)期間生成翼緣波浪等問題的概率較高，則選取最小值。②平均翼緣后顧規(guī)劃。依據(jù)成型孔腹板厚度和萬能位置腹板翼緣延展聯(lián)系，判定開坯成型孔平均翼緣厚度和開坯設備需要的孔型數(shù)目，通常情況下孔型測壓量規(guī)劃在五毫米到二十毫米之間。③開槽深度規(guī)劃。規(guī)劃開坯設備成型孔開槽深度期間，需要關注萬能位置腹板翼緣延展邏輯與產(chǎn)品材深度等條件。產(chǎn)品材深度和開坯設備成型孔孔槽深度的差異值不超過三十毫米。

6 結語

總而言之，應用數(shù)值分析和仿真技術可以對H 型鋼熱軋過程進行準確分析，能夠為熱軋實踐提供一定的借鑒與參考。近年來，數(shù)值分析與仿真技術在型鋼生產(chǎn)領域起到了重要的指導性作用，但實際在仿真分析與數(shù)值計算時仍然存在一定的缺陷，有很多分析細節(jié)無法準確把握，對實際的復雜加工環(huán)境不能精確模擬，這需要科研人員不斷努力，為我國型鋼熱軋事業(yè)做出貢獻。