王 利

(中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司 河北秦皇岛066004)

1 前言

万能轧机是一种新型的轧钢机械虽然它的出现很早，但真正广泛使用在工业生产中，还只有近四十年左右的历史。它的出现给型钢的轧制生产带来了一场革命性的变革，使型钢品种生产的范围更加宽广，也使型钢产品的精度和质量有了很大的提高。

1902年卢森堡Arbed-oifferdange厂建成第一套采用万能机架和轧边机架轧制H型钢的格雷式(Greg)工业性生产轧机，即诞生了世界上第一套万能轧机。1914年德国Peine公司建造普泼式(Puppe)万能轧机。1926年美国南芝加哥建造卡内基式(Carnagie)万能轧机。尽管许多国家建造了专业化的H型钢轧机，但发展很慢，到50年代中期才建成约7套H型钢轧机。从50年中期以后，随着建筑工业的发展，对于H型钢的需求量在不断的增加。H型钢轧机(即万能轧机)到70年代中期在全世界就建成了约60多套，其中一部分是新建的，还有一部分是改造原有大型或轨梁轧机而成，改造的共同特点是原有机架基本不变，另增设由万能机架、轧边机架组成的可逆成品万能机架。

70年代起，新建的中小型H型钢轧机有两个发展趋势：一是采用了机架串列可逆万能轧机做为中轧机组，另设轧边—万能精轧机组，如1971年7月建成的日本川崎制铁水岛中型厂(西德德马克公司和日本日立造船公司合作制造)；1979年投产的意大利特勒诺(Tirreno)厂中型万能轧机等。二是建立可以生产中型材，也可以生产小型H型钢的连续式中型轧机，这是为适应中型型材向高精度、高质量和轻型紧凑方面发展。比利时(Cockorill)厂、日本君津厂西德(Peine)厂、波兰(Katowice)厂等都在70年代建成这样的轧机。

2 万能轧机的构成及现状

万能轧机是由一对水平辊和一对立辊组成的主机架，对轧件进行四面加工，通常又由二辊水平轧机做辅助机架，万能轧机的主要结构即四个轧辊(二平二立)装在一个机架上，并且四个轧辊的轴线在一个平面内。平辊用于轧制型钢的腰部和腿部的外侧面，辅助机架用于控制腿宽并轧齐腿部的端头。万能轧机从出现到目前的使用上主要是用于轧制H型钢上，万能轧机轧制H型钢，正在朝着连续化、自动化、用连铸坯及扩大品种等方面发展。据不完全统计，目前世界各国有26个国家生产H型钢，拥有150多套H型钢轧机，年生产H型钢约5000万吨。此外，比利时、日本、西德、波兰、苏联、美国等国还建成了带万能机架的连续中型轧机等约10套。这些轧机即可生产较小规格的H型钢，也可生产其它中型型钢，特别便于生产轻型薄壁产品。

我国过去H型钢轧机(万能轧机)一直是空白，从90年代开始我国陆续建成的H型钢轧机有28套，其中投产的有25套。这25套万能轧机轧制H型钢的最大规格为H1000，最小规格为H100。能生产H型钢总量为2300万吨左右。由于市场需求和市场认识方面的原因，目前我国的H型钢使用范围与欧、美发达国家比还存在很大的差距。2015年我国H型钢的市场消费量为1240万吨左右。目前我国具有国际先进水平的H型钢生产线，大规格生产线马钢、莱钢，津西、新泰、包钢、日照各1条共6条；长治钢铁，鞍山宝得、盛达钢铁、河北天柱、莱芜金丰、昆钢有部分窄翼缘大规格生产能力；其余均为中小规格生产线。我国的H型钢还有待于市场的进一步开发。

3 万能轧机轧制型钢特点

采用常规孔型法轧制工、槽、轨等异形断面轧材时，因轧件仅受上下二个方面压缩，其断面上的金属流动靠不均匀延伸由腰部向腿部流动，因此轧件断面上内应力高，轧制轻型薄壁钢材受到很大限制，此外孔型法轧制时孔型顶部与根部辊径差大，因而速差大造成轧制能耗大，轧辊磨损大，轧件表面质量不好。孔型轧制，只可生产一般简单异型和纵轧周期断面型钢。当轧制异型断面产品时，不可避免地要用闭口槽，此时轧槽各部存在着明显的辊径差，因此无法轧制凸缘内的凸缘高度，辊身限制着可轧的轧件宽度。因此轧制60号以上的工字钢和大型钢桩等比较困难。由于径差及不均匀变形的存在，引起孔型内各部金属的相对附加流动，从而使轧制能耗增加,孔型损磨加速，成品内部产生较大的残余应力，影响轧材质量。但这种轧法设备比较简单，故目前大多数型钢轧机仍然采用。

而采用万能轧机轧制时，轧件同时受四个方向压缩，在平辊与立辊四个轧辊受上、下、左、右压缩，轧件断面上腿部与腰部延伸基本相同，金属在轧件断面上很少流动现象，因此非常有利于轧制轻型薄壁经济断面钢材，H型钢是其中最有代表性的轻型型薄壁高效钢材，所以通常把这种万能轧机也称为H型钢轧机，现代最新设计的万能轧机都是设计为复合即万能辊组与二辊辊组可以通用，因此除了轧制H型钢外，也可轧制工、槽、角、轨、方圆、扁等全部异形断面，可以名副其实的称之“万能”型钢轧机。

4 我国采用万能轧机初期发展泛例

鞍山市轧钢厂已于一九九二年将原500/2/400×3横列式中型轧机改造为万能轧机开发H型钢产品。其改造分二步进行，第一期工程保留500×2，拆除了400×3轧机及后部冷床等设备，采用了国产的 [沈阳重机厂制造] 全计算机控制的大刚度开轨式万能轧机，按照中轧组U+E可逆，精轧机组U一架不可逆组成2-2-1布置方案，轧机采用万能辊系及二辊辊系两种方式 [注：U-万能轧机，E-轧边机]。后部工序采用了长尺冷却，长尺矫直，冷切定尺等先进的中型精整工序，第一期改造只花费了4800万元。于92年12份投产后，原5#-15#槽钢，6.3-10#角钢，12Kg/m-15Kg/m轻轨的质量得到很大提高，产品尺寸精度达到±0.1mm -0.2mm，表面光洁，定尺率高，并实现了产品的负公差轧制，成材率达到99.8%以上经济效益得到显著提高。投产后第一年就收回了投资成本。

该厂二期改造是将500×2轧机改成ф650×1/500×1 大规格产品通过ф650×1轧机，小规格产品二者都通过。开坯改造后该厂可生产HZ200、HZ140这样的小型H型钢及相应断面的中型材。该厂二期改造以后，于96年还相应的成功轧制5.5—8.0轮辋钢。随着我国汽车工业的飞速发展，汽车轮辋钢的需求日增，鞍山市轧钢厂的产品在一汽和二汽都有大量订货，给该厂带来了可观的效益。象这样的产品虽然也可以在普通的三辊式轧机上生产，但是难度很大。而且质量也得不到保证，成材率低、成本高，用万能轧机生产这种复杂断面的产品，就能够充分发挥万能轧机的优势，不仅产品质量好，而且成材率也很高，产品具有很强的竞争力。该厂生产的汽车轮辋钢的价格每吨比普通型材高1000多元，产品的效益是相当可观的。鞍山市轧钢厂开创了我国利用万能机轧制除H型钢以外的型材先河。也提供了万能轧机轧制普通型材和特殊型材的生产经验。

5 万能轧机和三辊轧机轧制型钢比较

随着我国铁路的现代化发展，载重量的不断增加，火车时速已达到350Km/h ,因此对钢轨的强度、韧性、耐磨性、平直度等都提出了很高的要求。除了对钢轨的强度、材质、耐磨性等有一定要求外，还对钢轨的尺寸公差和形状有一定的要求。传统的钢轨轧制分为：直轧法和斜轧法两种，在一般三辊水平轧机上用箱-帽-轨形孔型系统进行生产。根据多年生产经验，为保证轧出足够宽的轨底，需用足够高的矩形坯料，3—4个帽形孔和5—6个轨形孔。在咬入条件允许的情况下，帽形孔切深较多，孔内侧压较小时，则产品质量较易保证。此时轨底部分金属能受到强烈加工，原垂直于轨底的结晶组织被切分和轧平后加强轨底强度。轨形孔采取斜配置，与直配置相比，不但减少了孔形切槽深度，增大了轧辊强度，有利于加大变形量，而且减少了辊径差和轧辊重车量，对增大孔底侧压量，提高孔形使用寿命均有利，所以目前均多采用斜轧法。但是二辊孔型轧制轨，无论是直轧法还是斜轧法都存在如下一些问题：

1)轨头踏面形状难保证

标准规定轨头的踏面的形状是由2-3个园弧形成，园弧半径是定值。在二辊成型孔中，轨头踏面处于成品孔开口处，因此成品重轨的轨头踏面是按自由展宽或有限的限制展宽而形成，其形状在温度高时呈平直形，在温度低时呈曲率半径较小的凸形，新旧辊不同，其形状也不同，一根钢轨的高度不均时，其形状也不同。

2)断面形状不对称用

二辊孔型轧制重轨，从第一个轨形孔到最后一个成品孔，轧件都是在上下左右全不对称的变形条件下进行轧制的。特别是成品孔中不对称的变形条件，常使成品重轨的断面形状不对称。虽然在轧制过程中采取了相应的对策，但仍然有时由于某种原因使对称程度超差。

3)轨高和轨底的精度较差

轨高尺寸取决于轨头的局部自然展宽，而自然展宽量取决于温度，成品孔的压下量，轧辊表面状态，轨底尺寸不仅取决于成品孔的腰部压下量，还取决于成品前九轨底部份的开口和闭口边的厚度，在轧制过程中，上述因素是变化的，为保证尺寸精度，要靠正确的调整，稍有不慎，就会有超差出现。

4)轨头和轨底的加工量小、质量差

进行一个轨形孔的轧件宽度小于成品孔的宽度，轨形孔的轨底与轨头部份，特别是轨底面与轨头踏面直接的压下量小，正因为这样，用二辊孔型轧重轨都一样，轨腰的质量均高于轨头和轨底。

5)重轨的平直度较差

重轨的平直度是保证火车在轨上行驶能快速平稳运行的重要条件之一，因为在二辊孔型轧制时，成品孔是在轨头处开口，轨头踏面处于自然展宽，由于影响展宽的诸多因素中沿重轨长度方向有差异，其结果导致在重轨长度方向的轨高也有差异。这种差异使重轨踏面平直度较差。

综上所述，用二辊孔型轧重轨，由于其轧制条件在客观上的限制，必然会出现上述问题，虽可以通过各种方法与措施来减轻，但不能完全消除。

随着高速火车的产生，对重轨的各方面要求的进一步提高，包钢、攀钢、鞍钢、原武钢等生产重轨的企业，为了满足高速重轨的要求正在采用万能轧机轧制重轨，用万能轧机轧制的百米定尺重轨，为我国高速铁路的发展做出了巨大贡献。

万能轧机轧制重轨，因为直平辊和立辊的轴线是在一个水平面上，平辊可为主，出辊可为被动，在万能轧机旋转一架二辊轧机(即轧边机)，做为辅助成型机架；主辅机架均为可逆式，在轧制中形成连轧。由于不存在闭口槽，且为上下对称轧制，故产品尺寸精确，轧件内部残余应力小，轨底加工好，轧辊磨损及电能消耗均减少，调整比较灵活。与常规轧法相比，产量可提高1.8倍，作业率提高10%，轧辊消耗降低20%。

用万能孔型轧制钢轨，早在1960年，美国人Jssermum就取得了专利权，但未得到实际应用。1962～1968年期间在法国Unimetal-Suciber集团(原来的Saciler公司)Hayange厂，用多辊孔型轧制重轨取得进展，1965年取得了用多辊孔型机架和轧边机轧制重轨的专利，并把专利卖给了几个国家，俄罗斯也从事了这方面的研究初中，现在已有几个国家使用了多辊孔型轧制重轨，它们是：

1)法国Unimetal-Suciber集团的Hayange厂；2)析日铁八幡轨梁厂；3)南非钢铁公司，比勒陀利亚厂；4)美国宾夕法尼亚洲，惠林匹兹保钢公司莫内森厂；5)澳大利亚的布罗希尔公司怀阿拉厂；6)巴西米纳斯·吉拉斯钢公司；7)俄罗斯KMK厂。

以上各厂都通过多辊孔型法生产出合格的重轨。

提高重轨质量从开始生产重轨之日起就从未间断过，其办法是不断提高钢本身的质量，钢的纯净度，改变化学成份。加合金元素。但在改变形状方面，过去研究的种种方法等，但直接最有效的方法应为采用多辊孔型轧重轨，其效果已被相关厂的使用较为明显的证明了。

6 综述

我国的万能轧机使用，目前为止除了鞍钢、武钢、攀钢、包钢采用万能轧机轧制钢轨产品外，大部份还只局限于轧制型钢上。到2015年尽管我国H型钢轧机(万能轧机)已有30多套投入生产但是大、中型材还是有很大缺口。特别是近年来，国家提倡绿色钢结构建筑作为国家发展的主导方向。在未来市场上对大中型钢材品种需求和多样化，万能轧机除了生产H型钢的同时，还可以使用万能轧机四辊辊系轧制常规的大中型钢材如重轨、槽钢、T型钢(切分)等。鞍钢、武钢、攀钢、包钢采用万能轧机轧制钢轨产品已经广泛适用于我国近三万公里的高速铁路线上，我国高铁成为世界品牌，与高质量的钢轨有着密不可分的关系。在保证钢轨的踏面形状、断面形状不对称用、轨高和轨底的精度、重轨的平直度等方面提供了可靠的保证。由于采用万能轧机轧制大中型材的孔型磨损少，能耗低，轧材表面质量好，因此，在我国型材轧机领域中，随着国民经济的发展，同时也需大量各种复杂断面的异型钢，采用万能轧制型钢是最有优势的生产技术。特别是在推行绿色钢结构建筑及钢结构装配式建筑方面，所需的连接件、特殊结构件，都可以通过万能轧机生产线完成。随着万能轧机在型钢生产中的普及应用，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。今后型钢生产的主要课题是提高产品质量和开发新品种。目前H型钢的研发方向正朝着积极开发研制建筑用耐火、耐候、抗震系列H 型钢，国际先进标准H型钢、高强度控轧控冷H型钢等品种。迄今为止，我国还有部分型钢产品生产空白。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。这些产品也是型钢市场重点培育和发展的市场。由万能轧机生产线取代原有传统老式型钢轧机生产线是我国大中型材生产技术发展的必然趋势。