轧制具有翼缘和腹板的型钢的方法和轧机作业线 本发明涉及一种用于轧制生产具有翼缘和腹板的型钢的方法和轧机作业线。更具体一些，本发明涉及一种轧制方法，它用一万能轧机单独地和非常精确地生产工字钢或具有类似形状并具有不同腹板高度的型钢，该万能轧机包括其轴线相对于水平轧辊的轴线移向轧制方向的出料侧的垂直轧辊。本发明还涉及一种用于该轧制方法的轧机作业线。
具有翼缘和腹板的型钢如工字钢通常是通过下列步骤生产的：用开坯轧机粗轧，用万能轧机进行中间轧制，然后再进行精轧。由于此方法采用了在同一系列中具有同样辊身宽度的水平轧辊，工字钢的内侧宽度WB将如图4(a)所示是恒定的。当翼缘厚度tF不同时，腹板高度(外侧宽度)W随此厚度而改变，即使在同一系列中，腹板高度也会不同，只有一组尺寸的标称尺寸和腹板高度在各个标准中(JIS，ASTM，BS，DIN等)相符合。另一方面，当建筑结构的梁是通过将同一系列中几种尺寸地轧制工字钢互相连接在一起而形成时，在施工时就会出现不利的情况，这是因为当翼缘外表面中的一个通常是对齐时，在另一个表面上会产生其大小为翼缘厚度之差的两倍的偏差。在钢筋混凝土建筑结构的情况下，柱子或梁的尺寸受到结构框架的限制。因此，当采用传统的轧制工字钢时，混凝土覆面厚度要随尺寸而变，从设计方面来看，这也是不利的。因此，根据应用情况，例如是建筑物的柱与梁之间，梁与梁之间还是柱与柱之间等等的连接，在某些情况下，传统的轧制工字钢是不便于使用的。因此，迫切希望生产如图4(b)所示的在同一系列中具有恒定的腹板高度(外侧宽度)W的轧制工字钢。
在日本的经过审查的专利公报(KoKoKu)No.1-47241和未经审查的专利公报(Kokai)No.2-6001中公开了用于在同一轧制时间中调节工字钢腹板高度的方法。也就是说，这些参考文献公开了一种方法，即在用万能粗轧机轧制以后在精轧阶段减少经过中间轧制的材料的腹板的内侧宽度。这种轧制方法的特征为，设置一台万能精轧机，该轧机装有一对辊身宽度可变的上、下水平轧辊和一对左、右垂直轧辊，当经过中间轧制的材料穿过此万能轧机时，经过中间轧制的材料的与腹板对应的部分被万能精轧机的垂直轧辊沿横向轧制，从而调整经过中间轧制的材料的腹板高度。这种轧机是通过将传统的所谓“万能轧机”的一对上、下水平轧辊进行改造，以使辊身宽度可以改变而形成的，并且这种方法是一种实用的方法，它有可能用比较经济的设备投资调节工字钢的腹板高度。
但是，腹板部分有一较大的宽度WB与厚度tw之比(WB/tw：长径比)。因此，当腹板沿横向的轧制压下量(腹板宽度压下量)加大时，腹板产生如图5(a)和5(b)所示的弯曲和翘曲，并且在腹板与翼缘之间的连接部分(圆角部分)附近可能不均匀地存在由于腹板宽度的减少而引起的多余金属。因此，会出现板厚的局部加大，并如图6所示那样，产生产品截面上的板厚不均匀性(板厚误差Δt＝twmax-twmin)。
在极端情况下，产生如图7所示的圆角部分的褶皱PL。此外，由于垂直轧辊对轧制材料的限制进而成为水平轧辊对轧制材料的限制，由水平轧辊将材料引导至正常位置的导向作用变弱，以致腹板的偏心(腹板偏心：|F1-F2|/2)将如图8所示那样由于与腹板的翘曲的叠加作用而恶化。由于近年来在工地上节约劳动力和自动化已取得很大进步，对作为建筑材料的轧制工字钢的尺寸精度的要求便越来越高，对腹板偏心特别要求有较高的精度。
通过仅仅采用导向装置，来改进将经过中间轧制的材料引导到万能精轧机的导向精度，以及通过在万能精轧机上调节翼缘的轧制压下量比，以将任一种装置用于总延伸量平衡，就可将上述成型问题改善到某个程度。但是，由于根据成型的基本基理，腹板宽度压下量实际上不能增加得过多，因此即使设置了辊身宽度可变的轧辊，也不能充分发挥这种轧辊的功能。因此，留下了这样一个问题，即不仅不能在多个系列中产生各种各样的腹板内侧宽度，而且即使在同一系列中，以及在具有大的翼缘厚度范围的系列中，也不能用同一轧辊组将腹板高度做成恒定的。
为了解决上述问题，本发明的申请人以前曾在日本的未经审查的专利公报(KoKai)No.4-100602中提出过一种技术。在该轧制方法中，使万能精轧机的垂直轧辊的轴线相对于辊身宽度可变的水平轧辊的轴线朝轧制方向的出料侧移动，并在经过中间轧制的材料的腹板被辊身宽度可变的水平轧辊限制时减少腹板的内侧宽度。根据这一方法，可使腹板的偏心在腹板宽度被垂直轧辊减小时受到辊身宽度可变的水平轧辊的限制作用的限制，并可使由于腹板宽度的减少而产生的多余金属由于翼缘在轧制的出料侧轧制时的腹板延伸促进作用而较容易地沿纵向流动，从而可以防止成品截面内的板厚不均匀性，并最终可以非常精确地生产具有大到某一程度的腹板高度值的有各种腹板高度的产品。但是，这一轧制方法仍然有其局限。
换句话说，当腹板宽度压下量变大时，受腹板的压力影响的区域就扩大，而此压力P将如图9(a)所示那样超过一定的极限值。因此，与由辊身长度可变的水平轧辊1a(1b)产生的腹板限制力的影响范围WR1(用打点的图形表示的区域)相比，图9(b)所示的腹板弯曲WB在沿轧制方向的进料侧要发生得更多一些。这样就产生一个问题，即，即使在用万能精轧机轧制以后，图9(b)中所示的腹板弯曲WB仍然存在，而且由于此腹板弯曲WB，腹板没有被引导到正常的轧制位置，从而有可能产生偏心。另外，腹板在其两个端部都受到辊身宽度可变的水平轧辊的限制，由于此腹板限制的影响，以及来自翼缘的腹板限制的影响，这种腹板弯曲在横向的中心为最大。
本发明旨在解决上述的各种问题，其目的是提供一种轧制高质量的具有翼缘和腹板的型钢的方法以及一种用于该方法的轧制作业线，上述方法可以强有力地、不分阶段地在联机的基础上调节轧制材料的腹板内侧宽度，而不必更换任何轧制工具，它还可以限制腹板的残余弯曲和由于腹板宽度减少轧制而引起的腹板偏心的恶化。
本发明的要点存在于下列各点之中。
(1)一种轧制具有翼缘和腹板的型钢的方法，它包括下列步骤：用开坯轧机将具有矩形或狗骨形(dog-bone shaped)截面的毛坯粗轧成粗轧材料；用包括一万能粗轧机和一立辊轧机的中间轧机对经过粗轧的材料进行中间轧制；和用一包括辊身宽度可变的水平轧辊与垂直轧辊的万能精轧机精轧经过中间轧制的材料，以便在腹板的中间部分受到一在辊身宽度可变的水平轧辊的进料侧附近某一位置的导向机构的限制，以及垂直轧辊的轴线相对于水平轧辊的轧辊线位置沿轧制方向偏移时，沿横向经过翼缘将腹板高度减小至预定的各种尺寸。
(2)一种按照要点(1)的轧制具有翼缘和腹板的型钢的方法，其中，用水平辊导向或用摩擦导向限制腹板的中心部分。
(3)一种具有翼缘和腹板的型钢的轧机作业线，它包括：一用于将具有矩形或狗骨形截面的毛坯轧制成粗轧材料的开坯轧机；一包括一万能粗轧机和一立辊轧机的中间轧机，用于将经过粗轧的材料轧制成中间轧制材料；以及一包括辊身宽度可变的水平轧辊和垂直轧辊的万能精轧机，用于精轧经过中间轧制的材料，其中，在万能精轧机的辊身宽度可变的水平轧辊的进料侧附近某一位置设置一用于限制腹板的中心部分的导向机构，并在垂直轧辊上装设一用于使垂直轧辊的轴线相对于辊身宽度可变的水平轧辊的轴线偏移的轧辊轴线移动机构。
(4)一按照要点(3)的具有翼缘和腹板的型钢的轧机作业线，其中，用于限制腹板的中心部分的导向机构包括一水平辊导向装置或一摩擦导向装置，并进一步设有一液压缸或螺旋管柱，以便调节导向装置的间隙。
图1是表示按照本发明的轧机作业线的布置的示意图。
图2是表示采用本发明时腹板宽度减少轧制状态的侧视图。
图3是采用本发明时腹板宽度减少轧制状态的平面图。
图4(a)和4(b)分别是表示轧制的工字钢的成品形状的剖视图。
图5(a)和5(b)是精轧过程中的劣等轧制状态的说明图。
图6是在按照现有技术的方法的工字钢截面中产生不均匀厚度的情况的说明图。
图7是工字钢的剖视图，其中，在圆角部分产生褶皱。
图8是工字钢的剖视图，其中，产生了尺寸/形状缺陷。
图9(a)和9(b)是按照现有技术的方法的工字钢产生腹板弯曲的情况的说明图。
图1示出了用于实施本发明的轧机作业线的布置的一个例子。在粗轧步骤中，采用具有矩形截面的扁坯或狗骨形板坯作为毛坯料，并用开坯轧机BD的上、下水平轧辊将其轧制成狗骨形粗轧材料。在中间轧制步骤中，用万能粗轧机RU和立辊轧机E将粗轧材料轧制并成型为具有基本上为工字形的截面的中间轧制材料。这些粗轧步骤与中间轧制步骤与在本技术领域中公知的成型具有一翼缘的型钢，如工字钢的步骤相似，因此省略了对其的详细说明。此后，在精轧步骤中，用万能精轧机FU对中间轧制材料的与腹板对应的部分沿其宽度方向进行轧制，以使腹板高度达到所要求的尺寸。在万能精轧机FU的前面、并且是在其附近设置水平辊导向装置HG或摩擦导向装置FG，以作为用于沿腹板宽度方向限制其中心部分的导向机构。此处，水平辊导向装置包括至少一对上、下辊子，在必要时，也可以设置多对辊子。另外，这些导向装置的每一个都有一用于通过液压缸或螺旋管柱正确而迅速地调节上、下辊子之间的间隙或上、下摩擦导向装置之间的间隙的机构。
此外，此处所用的万能精轧机FU是这样一种类型，即其中的垂直轧辊2a和2b的轧辊轴线XV相对于辊身宽度可变的水平轧辊1a(1b)的轧辊轴线XH移动了一段距离d(在下文中，这个d将称为“垂直辊移动距离”)。这种布置的例子代表的是一个简单的例子，其中，万能粗轧机RU和立辊轧机E的每一个都要如此布置，以便在中间轧制步骤中形成一对轧机，但是从生产率等方面出发，在有必要时，也可以设置多对轧机。
现在来说明为什么在本发明中要在万能精轧机FU上将水平轴线与垂直轴线移开一个d。
在此情况下，水平轧辊和垂直轧辊的成型材料抓取位置与和轧辊接触的位置之间的关系示于图2和3中，并可用下列各式来表示。
腹板在水平轧辊上的接触投影长度：lDW=RHΔtw-(Δtw)2/4-----(1)]]>
翼缘在垂直轧辊上的接触投影长度：lDF=2RV(tF1-tF2)-(tF1-tF2)2----(2)]]>翼缘外表面在垂直轧辊上的接触投影长度：ldFO=RV(W1-W2)-(W1-W2)2/4----(3)]]>式中，
RH：水平轧辊的半径(1/2DH)
RV：垂直轧辊的半径(1/2DV)
tw：腹板厚度
tF：翼缘厚度
W：腹板外侧宽度(高度)
下标1：在精轧之前(中间轧制材料)
下标2；在精轧之后
由于本发明基本上将精轧前(中间轧制材料)的腹板厚度tw1调整为精轧后的腹板厚度tw2，腹板轧制压下量Δtw显然为零。但是，在实践中，腹板内侧宽度是由在翼缘厚度的总延伸量因轧制压下而开始发生以前作用在腹板上的垂直轧辊来减少的，由此，腹板厚度增加。因此，在水平精轧时产生腹板轧制压下量Δtw。另一方面，在腹板接触开始前，在翼缘以外的压缩区域的长度ldFB(＝ldFO-ldw)确定了压下轧制方法中的最大宽度压下量。因此，当垂直轧辊的轴线XV相对于水平轧辊的轴线XH朝轧制出料侧偏移一距离d时，最大宽度压下量可从ΔWo增加到ΔW1。此处，ΔWo=2·(Rv-Rv2-(ldW+ldFB)2)----(4)]]>ΔWd=2·(Rv-Rv2-(ldW+ldFB)2+d)2)----(5)]]>
为了保证稳定的轧制和质量，通常最好将偏移量d设定在某一范围内，在该范围内，存在腹板和翼缘的同时压下区。
下面将说明采用作为本发明的特征的水平辊导向装置HG或摩擦导向装置FG来限制腹板弯曲和腹板偏心的方法。
通过将朝垂直轧辊的轧制出料侧的移动与水平辊导向装置HG或摩擦导向装置FG结合起来，本发明可以有效地利用辊身宽度可变的水平轧辊的腹板限制作用和水平辊导向装置HG或摩擦导向装置FG的腹板限制作用。这样，本发明可使腹板宽度压下量显著地大于只采用朝轧辊的轧制出料侧移动时的压下量。
图2和3示出了采用本发明的水平辊导向装置HG时的腹板宽度减少轧制状态。图2是一侧视图，图3是一平面图。从设计强度方面看，水平辊导向装置HG的辊子直径Dg必须至少为150mm左右，而辊身宽度可变的水平轧辊的直径DH约为1400mm。因此，为了避免它们相互干涉，从辊身宽度可变的水平轧辊的正下方位置到水平辊导向装置的辊子的正下方位置的距离L必须至少为500mm左右，而且要有一些裕量。这样，从位于水平辊导向装置的辊子的正下方的位置到腹板被辊身宽度可变的水平轧辊轧制以前的位置，腹板实际上处于不受限制的状态。本发明可以应用的情况包括这样一种情况，其中，可以在很大程度上实现腹板的宽度减少，并且压力P的影响可以扩展到轧制进料侧。此时，本发明用垂直轧辊尽可能地将腹板宽度减少滞后至轧制出料侧，用辊身宽度可变的水平轧辊限制腹板，将水平辊导向装置HG装在它不会与辊身宽度可变的水平轧辊干涉的位置上，并在腹板被水平辊导向装置HG限制的同时用垂直轧辊进行腹板宽度减少轧制。这样，即使在相当大的腹板宽度减少轧制的情况下，两个腹板限制力的影响范围WR1和WR2也可以覆盖压力P的影响范围，而且可以比以往更好地进行腹板宽度减少轧制，而不致引起腹板弯曲和中心偏移。
顺便说说，在图3中，腹板的两个端部在由导向机构产生的腹板限制力的影响范围(WR1，WR2)之外。不过，在实践中，由于两个端部受到来自翼缘的腹板限制力的作用，并不会产生腹板弯曲和腹板翘曲，因此，只要沿其横向限制腹板的中心部分就已经足够。实际上，水平辊导向装置HG的宽度可以设定在从辊身宽度可变的水平轧辊的内侧宽度IW至外侧宽度OW之间的范围内。
腹板弯曲与腹板偏心也可以通过采用本发明的摩擦导向装置FG、用类似的操作来限制，而腹板宽度减少可以比现有技术中完成得更多。为了防止产品的胶合性缺陷(seizure flaws)和刮伤，水平辊导向装置比较有益，但是从限制腹板的观点出发，摩擦导向装置FG更有益，因为从每个辊身宽度可变的水平轧辊1a，1b的轧辊正下方到摩擦导向装置FG末端的距离L可以做得比水平辊导向装置HG的小。由于这个原因，采用先进的技术，如陶瓷涂层或局部集中润滑的方法，就可以使用具有改进的抗胶合能力的摩擦导向装置。
下面将参考本发明的实施例更详细地说明本发明。
本实施例是针对产品系列H550×200(腹板高度×翼缘宽度)的工字钢的。在此例子中，用于在同一产品系列中由同一轧辊组得到恒定的腹板高度的翼缘厚度范围与现有技术相比被大大地扩大了。换句话说，用腹板厚度和翼缘厚度表示的与产品尺寸(6mm×9mm)、(6mm×12mm)、(6mm×16mm)、(9mm×16mm)、(9mm×19mm)、(9mm×22mm)、(12mm×16mm)、(12mm×19mm)、(12mm×22mm)、(12mm×25mm)、(14mm×25mm)、(14mm×28mm)、(16mm×28mm)和(16mm×32mm)对应的毛坯可以通过中间轧制步骤轧制成所要求的厚度。于是，将万能精轧机的垂直轧辊间隙如此设定，以使所有系列的腹板高度都与具有最小厚度(6mm×9mm)的工字钢的腹板高度，即550mm一致，并将辊身宽度可变的水平轧辊的轧辊宽度如此设定，以便与每个翼缘厚度相对应。此时，每个经过中间轧制的材料的翼缘厚度要如此计算，以使在精轧步骤的翼缘轧制压下率基本上等于腹板轧制压下率，并调整万能粗轧机的垂直轧辊。
根据现有技术的轧制方法，可以在这样一个范围内完成腹板宽度减少(腹板宽度压下量：约为32mm)，在此范围内，直至产品尺寸为(6mm×6mm)、(9mm×19mm)和(12mm×25mm)，都可以满足公差要求。但是，在产品尺寸超过此范围时，腹板弯曲仍然没有去掉，并且腹板偏心位于产品公差之外。
另一方面，在按照本发明的轧制方法中，垂直轧辊的移动距离d被设定为100mm，水平辊导向装置的辊子间隙被设定为经过中间轧制的材料的腹板厚度，而从辊身宽度可变的水平轧辊的正下方位置到水平辊导向装置的辊子的正下方位置的距离L被设定为500mm。这样，对于直至(16mm×32mm)(腹板宽度压下量：约为46mm)的产品尺寸，都可以进行轧制而无任何问题。同样，对于直至(16mm×32mm)(腹板宽度压下量：约为16mm)的产品尺寸，通过将垂直轧辊的移动距离d设定成100mm，并将几乎位于辊身宽度可变的水平轧辊正下方的摩擦导向装置的间隙设定为中间轧制材料的腹板厚度加上2mm的和，也可以进行轧制而无任何问题。
在另一例子中，垂直轧辊的轴线朝轧制出料侧移动，并且可以消除在辊身宽度可变的水平轧辊间隙和翼缘轧制压下量比都处于一般的设定水平时，腹板的两个端部在腹板宽度减少轧制过程中所产生的厚度增加，图6中所示的产品截面内的板厚不均匀性(板厚误差Δεt＝twmax-twmin)也可以消除。
在此例子中，公式(4)和公式(5)中的作为最大宽度压下量的ΔWo和ΔWd的值为ΔWo＝20mm，ΔWd＝32mm，此时的轧辊尺寸为：水平轧辊的半径为650mm，垂直轧辊的半径为490mm，而两个轧辊之间的偏移量(d)为27mm。
当进行具有翼缘和腹板的型钢的腹板宽度减小轧制时，本发明可以增加比现有技术多的腹板宽度压下量而不致引起腹板弯曲和腹板偏心。因此，本发明可进一步地扩大翼缘厚度的范围，其中，可在同一产品系列中用同一轧辊组得到比现有技术高的腹板宽度。