《轧钢工艺学》课程授课教案（型钢孔型设计讲义）5 H型钢孔型设计

1H型钢孔型设计H型钢工字钢H型钢主要用于工程，厂房设备，机械设备，桥梁，高速公路，民房等；机械性能和物理性能好，牢固，节约能源和环保的效果。H型钢是一种经济型断面钢材，广泛用于工业、建筑、桥梁、石油钻井平台等方面，据预测2005年我国H型钢需求量约250万吨，2010年需求量500万吨，但目前我国H型钢年生产能力为120万吨，市场需求量非常巨大。1.1H型钢分类及特点1.1.1热轧H型钢分类热轧H型钢按照其翼缘宽窄类型分为以下三类：我国热轧H型钢国标（GB/T11263-1998）宽翼缘H型钢（HK)；窄翼缘H型钢（HZ）；

1 H 型钢孔型设计 H 型钢 工字钢 H 型钢主要用于工程，厂房设备，机械设备，桥梁，高速公路，民房等；机 械性能和物理性能好，牢固，节约能源和环保的效果。H 型钢是一种经济型断面 钢材，广泛用于工业、建筑、桥梁、石油钻井平台等方面，据预测 2005 年我国 H 型钢需求量约 250 万吨，2010 年需求量 500 万吨，但目前我国 H 型钢年生产 能力为 120 万吨，市场需求量非常巨大。 1.1 H 型钢分类及特点 1.1.1 热轧 H 型钢分类 热轧 H 型钢按照其翼缘宽窄类型分为以下三类： 我国热轧 H 型钢国标（GB/T11263-1998）。 宽翼缘 H 型钢（HK）； 窄翼缘 H 型钢（HZ）；

H型钢桩（HU)。目前为（GB/T11263-2005）。H型钢分为四类，其代号如下：宽翼缘H型钢HW(W为Wide英文字头）：中翼缘H型钢HM(M为Middle英文字头);窄翼缘H型钢HN(N为Narrow英文字头);薄壁H型钢HT(T为Thin英文字头)。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Q235、SS400200×200×8×12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Q235或SS400。1.2H型钢优点H型钢截面形状经济合理，力学性能好，轧制时截面上各点延伸较均匀、内应力小，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%；文因其腿内外侧平行，腿端是直角，拼装组合成构件，可节约焊接、铆接工作量达25%。常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。1.2.1H型钢与工字钢的性能比较工字钢翼缘是变截面，靠腹板部厚，外部薄；H型钢的翼缘是等截面。工字钢性能比较工字钢的用途相当于HN型钢。1、工字型钢不论是普通型还是轻型的，由于截面尺寸均相对较高、较窄，故对截面两个主轴的惯性矩相差较大，因此，一般仅能直接用于在其腹板平面内受弯的构件或将其组成格构式受力构件。对轴心受压构件或在垂直于腹板平面还有弯曲的构件均不宜采用，这就使其在应用范围上有着很大的局限。2、H型钢属于高效经济截面型材（其它还有冷弯薄壁型钢、压型钢板等）由于截面形状合理，它们能使钢材更高地发挥效能，提高承载能力。不同于普通工字型的是H型钢的翼缘进行了加宽，且内、外表面通常是平行的，这样可便于用高强度螺栓和其他构件连接。其尺寸构成合理系列，型号齐全，便于设计选用

H 型钢桩（HU）。 目前为（GB/T11263-2005）。H 型钢分为四类，其代号如下： 宽翼缘 H 型钢 HW(W 为 Wide 英文字头)； 中翼缘 H 型钢 HM(M 为 Middle 英文字头)； 窄翼缘 H 型钢 HN(N 为 Narrow 英文字头)； 薄壁 H 型钢 HT(T 为 Thin 英文字头)。 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 Q235、 SS400 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 Q235 或 SS400。 1.2 H 型钢优点 H型钢截面形状经济合理，力学性能好，轧制时截面上各点延 伸较均匀、内应力小，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%。常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。 1.2.1 H 型钢与工字钢的性能比较 工字钢翼缘是变截面，靠腹板部厚，外部薄；H 型钢的翼缘是等截面。 工字钢性能比较 工字钢的用途相当于 HN 型钢。 1、工字型钢不论是普通型还是轻型的，由于截面尺寸均相对较高、较窄， 故对截面两个主轴的惯性矩相差较大，因此，一般仅能直接用于在其腹板平面内 受弯的构件或将其组成格构式受力构件。对轴心受压构件或在垂直于腹板平面还 有弯曲的构件均不宜采用，这就使其在应用范围上有着很大的局限。 2、H 型钢属于高效经济截面型材(其它还有冷弯薄壁型钢、压型钢板等)， 由于截面形状合理，它们能使钢材更高地发挥效能，提高承载能力。不同于普通 工字型的是 H 型钢的翼缘进行了加宽，且内、外表面通常是平行的，这样可便 于用高强度螺栓和其他构件连接。其尺寸构成合理系列，型号齐全，便于设计选 用

3、H型钢的翼缘都是等厚度的，有轧制截面，也有由3块板焊接组成的组合截面。工字钢都是轧制截面，由于生产工艺差，翼缘内边有1：10坡度。H型钢的轧制不同于普通工字钢仅用一套水平轧，由于其翼缘较宽且无斜度（或斜度很小），故须增设一组立式轧辊同时进行辊轧，因此，其轧制工艺和设备都比普通轧机复杂。国内可生产的最大轧制H型钢高度为800mm，超过了只能是焊接组合截面。YItixXHt2BH一高度B-宽度t一腹板厚度t2翼缘厚度一圆角半径图1H型钢截面图1.3H型钢轧制方式H型钢主要是用四辑孔型，上下两个水平左右两个立辑，或称为万能孔型，以及二辊孔型（轧边孔型）轧制。根据所轧H型钢的规格、生产能力和生产条件的不同，可分为以下轧制方法。1.一般的可逆式轧法(1)开坏-UE-Ur轧法：即先将钢锭或钢坏轧成万能机架U所需的轧件断面形状和尺寸，再在U机架与轧边机架E组成的双机架连轧机组中，进行多道次往

3、H 型钢的翼缘都是等厚度的，有轧制截面，也有由 3 块板焊接组成的组 合截面。工字钢都是轧制截面，由于生产工艺差，翼缘内边有 1：10 坡度。Ｈ型 钢的轧制不同于普通工字钢仅用一套水平轧辊，由于其翼缘较宽且无斜度(或斜 度很小)，故须增设一组立式轧辊同时进行辊轧，因此，其轧制工艺和设备都比 普通轧机复杂。国内可生产的最大轧制 H 型钢高度为 800ｍｍ，超过了只能是焊 接组合截面。 1.3 H 型钢轧制方式 H 型钢主要是用四辊孔型，上下两个水平辊左右两个立辊，或称为万能孔型， 以及二辊孔型(轧边孔型)轧制。根据所轧 H 型钢的规格、生产能力和生产条件的 不同，可分为以下轧制方法。 1. 一般的可逆式轧法 (1)开坯-UE-Uf 轧法：即先将钢锭或钢坯轧成万能机架 U 所需的轧件断面形 状和尺寸，再在 U 机架与轧边机架 E 组成的双机架连轧机组中，进行多道次往

复轧制，最后在成品万能机架U中轧制一道次后得出成品H型钢。这种轧法适用于中小型的H型钢和生产能力不高的轧钢车间。(2)开坏U,E,-U,E,-U,轧法：这种轧法是将开坏后的轧件，先在U,E,双机架连轧机组往复轧制,再在U,E,双机架往复轧制，最后在成品机架U，轧一道次。这种轧法适用于轧制大规格的H型钢和生产能力较高的轧钢车间。2.串列式可逆轧法串列式可逆轧法的特点是开坏后的轧件，先在UEU三机架组成的连轧机组往复轧制，最后在Ur机架轧一道次出成品。在这种轧法中还有开坏-UEU-UEUr轧法，即开坏后，先在UEU三机架中可逆连轧3道次以上，最后在UEUr三机架连轧中轧1道次出成品。这种串列式轧法可减少轧制道次，提高轧机生产能力。3.紧凑式可逆连轧一X-H轧法X-H轧法的特点是成品万能机架Ur与UE机架组成连轧机组，在UEUr中进行往复轧制，再在其中进行UEUr连轧一道次出成品，为提高生产能力或轧较大规格的H型钢，也可先在第一组U,EU,三机架往复连轧，再在第二组U,E,U，机架中往复连轧。4.连轧方式连轧法的特点是开坏后的轧件在U,U,EU,U,E,U,E,U,组成的连轧机组中连轧，即用多个万能机架与轧边机，在每个机架中仅轧1道次。PbPd图4-47H型钢生产方法1.4H型钢孔型设计H型钢生产方式如图4-74所示，首先在二辊切深孔型中轧制出工字形异形

复轧制，最后在成品万能机架 Uf 中轧制一道次后得出成品 H 型钢。这种轧法适 用于中小型的 H 型钢和生产能力不高的轧钢车间。 (2)开坯 U E U E U 1 1 2 2 − − f 轧法：这种轧法是将开坯后的轧件，先在 U E1 1 双 机架连轧机组往复轧制,再在 U E2 2 双机架往复轧制，最后在成品机架 U f 轧一道 次。这种轧法适用于轧制大规格的 H 型钢和生产能力较高的轧钢车间。 2.串列式可逆轧法 串列式可逆轧法的特点是开坯后的轧件，先在 UEU 三机架组成的连轧机组 往复轧制，最后在 Uf 机架轧一道次出成品。在这种轧法中还有开坯-UEU-UEUf 轧法，即开坯后，先在 UEU 三机架中可逆连轧 3 道次以上，最后在 UEUf 三机 架连轧中轧 1 道次出成品。这种串列式轧法可减少轧制道次，提高轧机生产能力。 3.紧凑式可逆连轧—X-H 轧法 X-H 轧法的特点是成品万能机架 Uf 与 UE 机架组成连轧机组，在 UEUf 中进 行往复轧制，再在其中进行 UEUf 连轧一道次出成品， 为提高生产能力或轧较大规格的 H 型钢，也可先在第一组 U E U 1 1 1 三机架往 复连轧，再在第二组 U E U 2 2 f 机架中往复连轧。 4.连轧方式 连轧法的特点是开坯后的轧件在 U U EU U E U E U 1 2 1 3 4 2 5 3 f 组成的连轧机组 中连轧，即用多个万能机架与轧边机，在每个机架中仅轧 1 道次。 1.4 H 型钢孔型设计 H 型钢生产方式如图 4-74 所示，首先在二辊切深孔型中轧制出工字形异形

坏（图4-47a)，然后在万能机架和轧边机上进行多道次轧制。轧出“x”形轧件（图4-47b）,最后在万能精轧机上轧出H型钢。从图4-47中可以看出，在轧制H型钢的过程中使用两类孔型，异形坏和轧边在二辑轧机上进行，其孔型属二辑孔型，而H钢的主要变形量在四辊万能轧机上进行，属四辊万能H型钢孔型。故H型钢的孔型设计分为二辊孔型设计和四辊H型钢孔型设计两部分。二辊孔型设计方法如前所述。本节主要讨论四辊H型钢孔型设计。四辊H型钢轧机孔型设计包括两部分。辊型设计和压下规程设计。1.4.1成品孔型设计R管装立缇B水平辊宽度△.+8W, =β(H - 2t+ 2式中H一轧件高度冷尺寸；t一翼缘厚度冷尺寸；A，一轧件腹板高度方向上的正偏差；8一轧件翼缘厚度方向公差尺寸；β,一热膨胀系数=1.012~1.013。R水平辊孔底宽

坏(图 4-47a) ,然后在万能机架和轧边机上进行多道次轧制。轧出“X”形轧件(图 4-47b) ,最后在万能精轧机上轧出 H 型钢。从图 4-47 中可以看出，在轧制 H 型钢 的过程中使用两类孔型，异形坯和轧边在二辊轧机上进行，其孔型属二辊孔型， 而 H 钢的主要变形量在四辊万能轧机上进行，属四辊万能 H 型钢孔型。故 H 型 钢的孔型设计分为二辊孔型设计和四辊 H 型钢孔型设计两部分。二辊孔型设计 方法如前所述。本节主要讨论四辊 H 型钢孔型设计。 四辊 H 型钢轧机孔型设计包括两部分。辊型设计和压下规程设计。 1.4.1 成品孔型设计 ⚫ 水平辊宽度 ( 2 ) 2 W H t h t    ++ − = − + 式中 H —轧件高度冷尺寸； t —翼缘厚度冷尺寸； + —轧件腹板高度方向上的正偏差；  −—轧件翼缘厚度方向公差尺寸； t —热膨胀系数=1.012~1.013。 ⚫ 水平辊孔底宽

W= β(H-2t)+2tan(α-90°)B式中α一侧壁斜角；B,一水平辊高度。.侧壁斜角范围为α=90°～90.5°，多为90.25°，值越大翼缘厚度差异越大。当翼缘宽度大于250mm时，取90°●水平辊圆角半径R与成品圆弧尺寸相同。·水平辊高度B,=(B-t,)×(1.012~1.013)+(10~20)mm。式中B一轧件翼缘宽度；.一轧件腰部厚度。立辊圆角半径R，取5mm。..立辊高度B=B,+(5~10)mm。1.4.2万能粗轧机孔型四辊万能轧机目前大多由U，和Urz构成，孔型设计分别设计U，和Ur2。U和Ur2的侧壁斜角α为95°~96，立辑侧壁斜角0为5°~6°，其圆弧半径R。=2Wke。其他参数如下表

( 2 ) 2tan( 90 ) W H t B k t t = − + −   式中  —侧壁斜角； Bt —水平辊高度。 ⚫ 侧壁斜角 范围为  = 90 ~ 90.5 ，多为 90.25 ，值越大翼缘厚度差异越大。当翼缘 宽度大于 250mm 时，取 90 ⚫ 水平辊圆角半径 R1 与成品圆弧尺寸相同。 ⚫ 水平辊高度 ( ) (1.012 ~1.013) (10 ~ 20) B B t mm t w = −  + 。 式中 B—轧件翼缘宽度； w t —轧件腰部厚度。 ⚫ 立辊圆角半径 R2 取 5mm。 ⚫ 立辊高度 (5 ~ 10) B B mm h t = + 。 1.4.2 万能粗轧机孔型 四辊万能轧机目前大多由 Ur1 和 Ur 2 构成，孔型设计分别设计 Ur1 和 Ur 2 。 Ur1 和 Ur 2 的侧壁斜角 c 为 95 ~ 96 ，立辊侧壁斜角  为 5 ~ 6 ，其圆弧半径 2 R W c kc = 。其他参数如下表

Wikc立辊BWnc水平辊万能粗轧机轧辊名称立辊水平辊圆角半径圆角半径高度 Btct孔底宽Wkci高度Bne宽度WheiR2ciRictUr2Riel =Btc2 =Wke2 = Whe2 +R2cl =Whne2 =R, +3R, +3B, + 2W,-32 tan(α-90°)B,2Bne = BicBiecr =Whel =Ric2 =+(5 ~ 10)UrW..-Wn.R2c2 =Wnc2Wkel =Wke2Rcl2tan(α。-90°)Re +5-(2 ~ 5)+5

万能粗轧机轧辊 名称 水平辊 立辊 宽度 whci 圆角半径 R1ci 高度 Btci 孔底宽 Wkci 高度 Bhc 圆角半径 R2ci Ur 2 2 3 hc h W W = − 1 1 1 3 R c R = + 2 2 tc t B B = + 2 2 2 2tan( 90 ) kc hc c t W W  B = + − (5 ~10) B B hc tc = + 2 1 1 3 R c R = + Ur1 1 2 (2 ~ 5) hc hc W W = − 1 2 1 1 5 c c R R = + 1 2tan( 90 ) tc kc hc c B W W  = − − W W kc kc 1 2 = 2 2 1 1 5 c c R R = +

1.4.3轧边机孔型设计行W.L轧边机示意图平辊槽深h.为：B-t(1.012 ~1.015)-△。h, =2式中B一轧件翼缘宽度；t.一轧件腰部厚度；△。一主要用于防止轧制时轧件与轧辊辊身接触，为了便于调整，一般调整余量设定为5~7mm。侧壁斜度取万能孔型侧壁斜度，轧边机孔型的槽底斜面应与侧壁成90°夹角。槽底斜面角度β比UR的侧壁斜角α.大1°。平辊底宽：L,=Whe+2h,tan(α。-90°)平辊宽度：W.=L,-2tanOhc平辊圆角半径与相应的万能粗轧机平辊圆角半径相同。为避免水平辊与轧件腰部接触，有时将轧边机孔型的上下水平辊车成如图虚线部分。其S=4～6mm

1.4.3 轧边机孔型设计 轧边机示意图 平辊槽深 c h 为： (1.012 ~1.015) 2 w c c B t h − = −  式中 B—轧件翼缘宽度； w t —轧件腰部厚度；  c —主要用于防止轧制时轧件与轧辊辊身接触，为了便于调整，一般调 整余量设定为 5~7mm。 侧壁斜度取万能孔型侧壁斜度，轧边机孔型的槽底斜面应与侧壁成 90 夹角。 槽底斜面角度  比 UR 的侧壁斜角 c 大 1 。 平辊底宽： 2 tan( 90 ) i L W h i hc c c = + −  平辊宽度： 2tan i i W L h c i c = −  平辊圆角半径与相应的万能粗轧机平辊圆角半径相同。为避免水平辊与轧件腰 部接触，有时将轧边机孔型的上下水平辊车成如图虚线部分。其 S mm = 4 ~ 6

1.4.4二辊开坏机孔型设计进万能孔型前的开坏机最终道次形状设计，根据万能轧机平均延伸系数与总轧制道次n，可求出总的延伸系数（相对腹板而言）：z=up由此可求得该道次的腹板翼缘厚度：T,= stwT, = μst,(1.1~1.5)W, =W -(2~5)式中，平均延伸系数μ，可根据H型钢腹板高度h取1.15~1.33(大规格取下限，小规格取上限)。通常，内侧壁斜度取10%~25%，外侧壁斜度取5%~15%，从而可求得该道次腹板总高度H；翼缘高度B=b+(5~30)mm1.5万能轧机压下规程设计UEU机组压下规程制定时，一般应使翼缘压下系数n,大于腰部压下系数n,，精轧机Ur的压下系数n可取1.05~1.1，其余道次可取1.1~1.5。轧件在U孔型中轧制时，轧件的边高会有变化，轧件边部在U孔中轧制时

1.4.4 二辊开坯机孔型设计 进万能孔型前的开坯机最终道次形状设计，根据万能轧机平均延伸系数与总轧 制道次 n，可求出总的延伸系数（相对腹板而言）： n    = p 由此可求得该道次的腹板翼缘厚度： (1.1 ~ 1.5) (2 ~ 5) w w f f h T t T t W W     = = = − 式中，平均延伸系数  p 可根据 H 型钢腹板高度 h 取 1.15~1.33(大规格取下 限，小规格取上限)。 通常，内侧壁斜度取 10%~25%，外侧壁斜度取 5%~15%，从而可求得该道 次腹板总高度 H；翼缘高度 B b mm = + (5 ~ 30) 1.5 万能轧机压下规程设计 UEU机组压下规程制定时，一般应使翼缘压下系数 t 大于腰部压下系数  y ， 精轧机 UF 的压下系数 t 可取 1.05~1.1，其余道次可取 1.1~1.5。 轧件在 U 孔型中轧制时，轧件的边高会有变化，轧件边部在 U 孔中轧制时

的增长量△B,为自然增长量△B,与强迫增长量△B之和。从Ui到U3道次时，轧件边部的△B,为：AB, = be(b,R,)=△t(b + tof)式中to,t一翼缘轧前厚度与轧后厚度，△t=t-t;bo一翼缘轧前宽度；R.一立辊半径。从E道次到U道次时，轧件边部除自然增长量外，由于轧件边部在E道次中，边部附近有局部增厚。因此在U道次中轧制时，轧件边端处有强迫增长量：ABa = kNh, u式中k一系数，一般取0.5~0.7;μ一轧件在U型孔中的延伸系数；Λh一轧件在孔型中的总边高压下量。根据上述原则，可确定出UEU机组各道次的轧件尺寸及压下规程

的增长量 B u 为自然增长量 Bt 与强迫增长量 Bd 之和。 从 U1 到 U3 道次时，轧件边部的 Bt 为： 1 2 2 0 0 0 0 1 ( ) ( )  =  + B b b R t b t t t v 式中 0 1 t t, —翼缘轧前厚度与轧后厚度， 0 1  = − t t t ； 0 b —翼缘轧前宽度； R v —立辊半径。 从 E 道次到 U 道次时，轧件边部除自然增长量外，由于轧件边部在 E 道次 中，边部附近有局部增厚。因此在 U 道次中轧制时，轧件边端处有强迫增长量： c d c t B k h   =  式中 k —系数，一般取 0.5~0.7；  —轧件在 U 型孔中的延伸系数； c h —轧件在孔型中的总边高压下量。 根据上述原则，可确定出 UEU 机组各道次的轧件尺寸及压下规程