高強耐候冷彎型鋼的研究與應用

1、輸電鐵塔用耐候冷彎型鋼開發背景

近年來，隨著我國鋼結構應用技術的發展，冷彎薄壁型鋼等經濟型材發展很快，與傳統軋制型材（角鋼、工字鋼、槽鋼）相比，其自身截面性能優良，經濟效益顯著，這些經濟型材用量在逐年增加，而角鋼等熱軋型鋼截面特性無明顯優勢且價位較高，當規格選用稍多時，供貨尚無保證。在這種情況下，探討冷彎型鋼在輸電鐵塔上的應用已顯得十分必要。2009年，泰安科諾型鋼股份有限公司與國家電網合作，聯合開發輸電鐵塔用耐候冷彎型鋼，2011年已經應用到輸電線路工程中。耐候型冷彎型鋼在輸電線路鐵塔中的應用尚屬首次，設計中的不確定因素較多，為了保證工程的安全可靠運行，國家電網對廈門梧侶到內宮220kV輸電線路塔型進行了真型試驗，選取兩基耐候型冷彎角鋼輸電鐵塔應用于工程中，通過對9個工況的設計荷載測試，并達到了預計效果，為耐候鋼在我國輸電鐵塔中的推廣應用提供了技術支撐。

2、耐候型冷彎型鋼在輸電線路鐵塔中的應用

2.1輸電鐵塔采用耐候鋼優勢

熱鍍鋅防腐由于對環境污染較嚴重，一直受到環保部門的限制。為適應建設節約、環保型社會的要求，應在輸電線路桿塔上探討使用新的防腐蝕方式。結合冷彎型鋼的使用，在桿塔上使用耐候鋼是一種合適的防腐蝕措施。

耐候鋼是通過添加少量合金元素，使其在大氣中具有良好耐腐蝕性能的低合金高強度鋼。耐候鋼的耐大氣腐蝕性能為普通碳鋼的2～8倍，并且使用時間愈長，耐蝕作用愈突出。耐候鋼除具有良好的耐候性外，還具有優良的力學、焊接使用性能。目前，我國高強耐候鋼的生產工藝已經日趨成熟，成本不斷下降，已廣泛用于鐵路系統，性能良好。

在輸電鐵塔上采用耐候鋼材，與制造鐵塔的傳統生產方式相比，雖材料的一次性投資略高于普通型鋼，但由于去掉了防腐工序，并減輕了維護負擔，經初步測算，成本與采用普通鋼材基本持平，同時還能大幅度減少環境污染，社會效益、環保效益顯著。

2.2輸電鐵塔采用冷彎型鋼的優勢

冷彎薄壁型鋼是由帶鋼或鋼板通過冷軋機或壓彎成型機加工成型的輕型鋼結構構件，主要截面型式有槽型、工字型、Z型、角型、T型、方箱型、圓管型等。冷彎型鋼可在常溫下加工成型，能根據需要生產出材料分布最優的合理截面形狀，開拓了主要借助截面形狀而不是單純增加材料用量來提高承載力的新途徑，這對于節約能源和資源具有十分重要的意義。目前它已被廣泛用于工業廠房、民用建筑、交通及市政設施。

冷彎薄壁型鋼定尺任意，可加工任意形狀和尺寸的構件。定尺任意可避免由于桿件定長導致的材料浪費。冷彎薄壁型鋼形狀可多樣化，批量不受限，對一基塔上不同部位的桿件可以根據受力特征加工出相應的合理形狀，例如塔身斜材可加工成不等肢角鋼以充分利用材料的承載性能，降低材料重量。

目前我國熱軋高強度角鋼市場供應很少，使高強度角鋼在輸電鐵塔上的應用受到很大限制。冷彎薄壁型鋼由鋼板加工成型，鋼材型號多種多樣，為設計人員的選材提供了更大的靈活性，尤其是可推動高強鋼在鐵塔上的應用。我國輸電鐵塔長期使用Q235、Q345角鋼，鐵塔的重量指標與國外先進水平有較大差距。應用由高強鋼板加工成型的角鋼或其它型式的構件可充分發揮鋼材的特性，降低鐵塔重量指標，帶動我國鐵塔設計水平的提高。

2.3輸電鐵塔用耐候型冷彎型鋼

目前我國耐候型熱軋角鋼市場沒有供應，而耐候鋼板在鐵路系統中被廣泛使用，因此將冷彎工藝應用到耐候型鋼的加工過程中。

冷彎型鋼作為一種截面特性優良的鋼材，具有重量輕、強度高等優點，已在工業民用建筑中得到廣泛應用。同時由于熱軋型鋼軋輥調整困難，軋模成本高，冷彎型鋼正越來越得到鋼廠和加工單位的重視，冷彎型鋼的加工能力和水平正不斷提高，冷彎型鋼產品已從普通碳素鋼發展到各種低合金、高強度、耐腐蝕冷彎型鋼。

冷彎型鋼斷面形狀可以很復雜，但生產設備及工藝比較簡單，一次性投資??；組織生產靈活，長度、寬度可任意選擇；不受批量限制；產品表面光滑，尺寸精度高；在工程應用中屬于高效經濟斷面鋼材，一般可節約金屬材料15%～30%，雖然單價高于熱軋型材，但工程造價仍低于常用材料。

耐候鋼板出廠價格比普通熱軋型鋼要高1500元/噸左右，材質的一次性投資高于普通型鋼，但由于去掉了防腐工序，并減輕了維護負擔。最重要的是使用耐候性結構鋼取消了鍍鋅帶來的環境污染，當耐候型結構鋼使用批量大時，其成本將進一步降低，宜逐步推廣應用。

因此，在輸電線路桿塔上推廣使用耐候型冷彎型鋼，不僅可減少鐵塔鋼耗，還能降低加工成本，大幅度減少環境污染，是一項具有顯著經濟效益和環保意義的工作，應及時開展冷彎型鋼，尤其是耐候型冷彎型鋼在輸電鐵塔上的應用研究?？梢韵嘈?，當耐候型冷彎型鋼在輸電鐵塔上的應用得到檢驗，并納入設計規程體系中，耐候型冷彎型鋼將在輸電鐵塔上得到大量應用。

3、耐候型冷彎型鋼的研究

3.1冷彎型鋼成型工藝數值模擬

運用ANSYS/LS-DYNA對角鋼的冷彎成型過程進行數值模擬，分析整個變形過程中，不同成型階段的等效應力、各個分應力、主應力及等效應變、各個分應變、主應變的變化情況；利用POST26分析整個成型過程中，剛性軋輥與板材的接觸力、滑動界面能量、回彈及阻尼能量、剛性體的運動狀態等；利用LS-PREPOST了解板材在成型過程中，圓角彎曲處的厚度減薄量變化及沙漏能的變化情況等。

運用有限元分析軟件，對冷彎型鋼的生產工藝進行分析研究，得到了板材變形區在輥彎過程中的應力、應變分布，以及成型過程中的減薄、板型，成型角度變化等工藝參數進行了數值分析。

通過對冷彎型鋼成型過程的仿真優化，并對比分析型鋼產品冷彎前后材料性能和組織變化，改進了現有冷彎工藝制度，開發了一種新的高效耐候冷彎型鋼Q460的生產工藝。通過新的冷彎型鋼工藝控制技術，保證了冷彎型鋼Q460的各項力學性能、尺寸精度（厚度、回彈角度等）、產品質量（表面質量、微觀組織等）。

3.2高效耐候冷彎型鋼力學性能分析

測試角鋼冷彎前后的各項力學性能，包括屈服強度、抗拉強度、沖擊韌性、洛氏硬度，并測試出應力-應變曲線等。對變形區變形前后的金相組織進行檢驗分析。為進一步改進冷彎角鋼生產工藝，提高產品質量提供技術參考。

高效耐候冷彎型鋼母材拉伸樣品

高效耐候冷彎型鋼彎弧拉伸樣品

 經過冷彎變形，在角鋼變形區（R弧部位）有明顯加工硬化現象，屈服強度增加了30.1%，抗拉強度增加了19.7%，增加明顯；角鋼側翼板屈服強度增加4.4%，抗拉強度增加了1.2%，略有增加。在角鋼變形區（R弧部位）斷后伸長率下降，塑性降低，側翼變化不明顯。冷彎變形過程對型鋼產品的沖擊韌性影響不大，靠近R弧角鋼側翼板和母材的沖擊韌性基本無變化。冷彎產品在角鋼變形區硬度增加20.3%，角鋼側翼板硬度基本無變化。冷彎產品在角鋼變形區（R弧部位）厚度減薄量約為0.11 mm，減薄約2.1%；角鋼側翼板部位減薄約0.56%，減薄量較小。

根據低合金高強度結構鋼（GB/T 1591-2008）國標中關于Q420及Q460的鋼材性能要求對Q450NQR1材料生產的高效耐候冷彎型鋼進行評定。高效耐候冷彎型鋼，平均屈服強度大于460MPa，抗拉強度度介于550～720MPa之間，平均斷后伸長率大于19%，-40℃沖擊功遠大于34J，力學性能滿足規范要求。

3.3高效耐候冷彎型鋼金相組織分析

從輥彎試樣中截取金相試樣，1號試樣取自角鋼圓角部分（即變形區），2號試樣取自角鋼側翼（未變形區，組織與母材組織相同）。試樣截面經拋光后腐蝕，檢驗其硬度及金相組織。

通過金相分析，該冷彎型鋼產品基體組織為鐵素體加珠光體組織，與原材料Q450NQR1耐候鋼的組織一致。冷彎邊部組織晶粒發生明顯形變，彎弧外層的晶粒組織沿寬度方向被拉長，彎弧內弧的晶粒組織沿厚度方向上被拉伸。該產品的金相組織保證了它的各項力學性能。

3.4高效耐候冷彎型鋼焊接性能分析

耐候型冷彎型鋼輸電鐵塔塔腳底板采用的Q345B鋼材，因此存在Q450NQR1之間的焊接和Q450NQR1與Q345B之間的焊接，兩種類型的連接焊縫。為了檢測耐候鋼的焊接質量，對兩種類型的焊接試件進行了拉伸試驗、沖擊試驗、彎曲試驗。

-8mmQ450NQR1和-8mmQ450NQR1鋼板焊接標準試件拉伸試驗破壞發生在母材處，其屈服強度、抗拉強度及延伸率滿足要求；-12mmQ450NQR1和-12mmQ345B鋼板焊接標準試件拉伸試驗破壞發生在母材Q345B處，其屈服強度、抗拉強度及延伸率滿足要求。對兩種類型的焊接試件進行常溫下的沖擊試驗，滿足要求。對兩種類型的焊接試件進行了180°彎曲試驗，滿足要求。

根據GB11345-89標準，對-8mmQ450NQR1對接焊縫進行超聲波探傷檢測，判定焊縫質量等級為Ⅰ級合格。 

根據低合金高強度結構鋼（GB/T 1591-2008）國標中關于Q420及Q460的鋼材性能要求對Q450NQR1進行評定。Q450NQR1鋼材，屈服強度大于450MPa，抗拉強度度介于550～720MPa之間，斷后伸長率大于19%，-40℃沖擊功大于34J，力學性能滿足規范要求；化學成分含量及碳當量滿足規范要求。

4、高效耐候冷彎型鋼的應用

近年來，隨著我國冷彎型鋼應用技術的發展，冷彎薄壁型鋼等經濟型材發展很快，與傳統軋制型材相比，冷彎薄壁型鋼具有斷面材料分布合理、回轉半徑大、抗彎和抗扭性能好等特點。它不是像熱軋型鋼以增加材料面積來提高其承載力，而是通過變化型鋼斷面形狀達到提高承載力和節約鋼材的目的。為了提升冷彎產品的性能，高效耐候冷彎型鋼將在各個領域得到應用。

4.1鐵路車輛行業

高效耐候冷彎型鋼具有高強度、高腐蝕性、成形性能和焊接性能優越，為提高運載能力及車輛的應用，高強耐候冷彎型鋼將會得到廣泛的應用。

4.2電力行業

由于高強耐候冷彎型鋼具有高強度的型材、產品規格隨意、產品定尺可變、耐腐等優點，在輸電鐵塔上采用高強耐候冷彎型鋼材料，與制造鐵塔的傳統生產方式相比，雖材質的一次性投資略高，但由于去掉了防腐工序，其經濟效益和社會效益顯著，經粗步測算，每噸成本可下降20%左右。 

4.3鋼結構建筑

近年來。隨著我國鋼結構應用技術的發展，冷彎薄壁型鋼等經濟型材發展很快，這些經濟型材用量在逐年增加，加工成本在降低，加上其自身截面的優良性能，經濟效益更為顯著。 在鋼結構建筑中，經濟的截面特性為設計考慮的重點。高效耐候冷彎型鋼可根據構件受力特點選擇合適截面形式，充分發揮其截面界面特性，使其更經濟合理。

4.4汽車行業

高強鋼板的屈服強度已經達到了1500Mpa,并且具有良好的成形性能和焊接性能，滿足車輛車架的性能要求。根據汽車工業節能降耗的發展目標，要求車身強量化、載重量最大化、抗不同大氣環境腐蝕性能，高效耐候鋼將在汽車行業有很大的發展前景。