高强耐候冷弯型钢的研究与应用

1、输电铁塔用耐候冷弯型钢开发背景

近年来，随着我国钢结构应用技术的发展，冷弯薄壁型钢等经济型材发展很快，与传统轧制型材（角钢、工字钢、槽钢）相比，其自身截面性能优良，经济效益显著，这些经济型材用量在逐年增加，而角钢等热轧型钢截面特性无明显优势且价位较高，当规格选用稍多时，供货尚无保证。在这种情况下，探讨冷弯型钢在输电铁塔上的应用已显得十分必要。2009年，泰安科诺型钢股份有限公司与国家电网合作，联合开发输电铁塔用耐候冷弯型钢，2011年已经应用到输电线路工程中。耐候型冷弯型钢在输电线路铁塔中的应用尚属首次，设计中的不确定因素较多，为了保证工程的安全可靠运行，国家电网对厦门梧侣到内宫220kV输电线路塔型进行了真型试验，选取两基耐候型冷弯角钢输电铁塔应用于工程中，通过对9个工况的设计荷载测试，并达到了预计效果，为耐候钢在我国输电铁塔中的推广应用提供了技术支撑。

2、耐候型冷弯型钢在输电线路铁塔中的应用

2.1输电铁塔采用耐候钢优势

热镀锌防腐由于对环境污染较严重，一直受到环保部门的限制。为适应建设节约、环保型社会的要求，应在输电线路杆塔上探讨使用新的防腐蚀方式。结合冷弯型钢的使用，在杆塔上使用耐候钢是一种合适的防腐蚀措施。

耐候钢是通过添加少量合金元素，使其在大气中具有良好耐腐蚀性能的低合金高强度钢。耐候钢的耐大气腐蚀性能为普通碳钢的2～8倍，并且使用时间愈长，耐蚀作用愈突出。耐候钢除具有良好的耐候性外，还具有优良的力学、焊接使用性能。目前，我国高强耐候钢的生产工艺已经日趋成熟，成本不断下降，已广泛用于铁路系统，性能良好。

在输电铁塔上采用耐候钢材，与制造铁塔的传统生产方式相比，虽材料的一次性投资略高于普通型钢，但由于去掉了防腐工序，并减轻了维护负担，经初步测算，成本与采用普通钢材基本持平，同时还能大幅度减少环境污染，社会效益、环保效益显著。

2.2输电铁塔采用冷弯型钢的优势

冷弯薄壁型钢是由带钢或钢板通过冷轧机或压弯成型机加工成型的轻型钢结构构件，主要截面型式有槽型、工字型、Z型、角型、T型、方箱型、圆管型等。冷弯型钢可在常温下加工成型，能根据需要生产出材料分布最优的合理截面形状，开拓了主要借助截面形状而不是单纯增加材料用量来提高承载力的新途径，这对于节约能源和资源具有十分重要的意义。目前它已被广泛用于工业厂房、民用建筑、交通及市政设施。

冷弯薄壁型钢定尺任意，可加工任意形状和尺寸的构件。定尺任意可避免由于杆件定长导致的材料浪费。冷弯薄壁型钢形状可多样化，批量不受限，对一基塔上不同部位的杆件可以根据受力特征加工出相应的合理形状，例如塔身斜材可加工成不等肢角钢以充分利用材料的承载性能，降低材料重量。

目前我国热轧高强度角钢市场供应很少，使高强度角钢在输电铁塔上的应用受到很大限制。冷弯薄壁型钢由钢板加工成型，钢材型号多种多样，为设计人员的选材提供了更大的灵活性，尤其是可推动高强钢在铁塔上的应用。我国输电铁塔长期使用Q235、Q345角钢，铁塔的重量指标与国外先进水平有较大差距。应用由高强钢板加工成型的角钢或其它型式的构件可充分发挥钢材的特性，降低铁塔重量指标，带动我国铁塔设计水平的提高。

2.3输电铁塔用耐候型冷弯型钢

目前我国耐候型热轧角钢市场没有供应，而耐候钢板在铁路系统中被广泛使用，因此将冷弯工艺应用到耐候型钢的加工过程中。

冷弯型钢作为一种截面特性优良的钢材，具有重量轻、强度高等优点，已在工业民用建筑中得到广泛应用。同时由于热轧型钢轧辊调整困难，轧模成本高，冷弯型钢正越来越得到钢厂和加工单位的重视，冷弯型钢的加工能力和水平正不断提高，冷弯型钢产品已从普通碳素钢发展到各种低合金、高强度、耐腐蚀冷弯型钢。

冷弯型钢断面形状可以很复杂，但生产设备及工艺比较简单，一次性投资小；组织生产灵活，长度、宽度可任意选择；不受批量限制；产品表面光滑，尺寸精度高；在工程应用中属于高效经济断面钢材，一般可节约金属材料15%～30%，虽然单价高于热轧型材，但工程造价仍低于常用材料。

耐候钢板出厂价格比普通热轧型钢要高1500元/吨左右，材质的一次性投资高于普通型钢，但由于去掉了防腐工序，并减轻了维护负担。最重要的是使用耐候性结构钢取消了镀锌带来的环境污染，当耐候型结构钢使用批量大时，其成本将进一步降低，宜逐步推广应用。

因此，在输电线路杆塔上推广使用耐候型冷弯型钢，不仅可减少铁塔钢耗，还能降低加工成本，大幅度减少环境污染，是一项具有显著经济效益和环保意义的工作，应及时开展冷弯型钢，尤其是耐候型冷弯型钢在输电铁塔上的应用研究。可以相信，当耐候型冷弯型钢在输电铁塔上的应用得到检验，并纳入设计规程体系中，耐候型冷弯型钢将在输电铁塔上得到大量应用。

3、耐候型冷弯型钢的研究

3.1冷弯型钢成型工艺数值模拟

运用ANSYS/LS-DYNA对角钢的冷弯成型过程进行数值模拟，分析整个变形过程中，不同成型阶段的等效应力、各个分应力、主应力及等效应变、各个分应变、主应变的变化情况；利用POST26分析整个成型过程中，刚性轧辊与板材的接触力、滑动界面能量、回弹及阻尼能量、刚性体的运动状态等；利用LS-PREPOST了解板材在成型过程中，圆角弯曲处的厚度减薄量变化及沙漏能的变化情况等。

运用有限元分析软件，对冷弯型钢的生产工艺进行分析研究，得到了板材变形区在辊弯过程中的应力、应变分布，以及成型过程中的减薄、板型，成型角度变化等工艺参数进行了数值分析。

通过对冷弯型钢成型过程的仿真优化，并对比分析型钢产品冷弯前后材料性能和组织变化，改进了现有冷弯工艺制度，开发了一种新的高效耐候冷弯型钢Q460的生产工艺。通过新的冷弯型钢工艺控制技术，保证了冷弯型钢Q460的各项力学性能、尺寸精度（厚度、回弹角度等）、产品质量（表面质量、微观组织等）。

3.2高效耐候冷弯型钢力学性能分析

测试角钢冷弯前后的各项力学性能，包括屈服强度、抗拉强度、冲击韧性、洛氏硬度，并测试出应力-应变曲线等。对变形区变形前后的金相组织进行检验分析。为进一步改进冷弯角钢生产工艺，提高产品质量提供技术参考。

高效耐候冷弯型钢母材拉伸样品

高效耐候冷弯型钢弯弧拉伸样品

 经过冷弯变形，在角钢变形区（R弧部位）有明显加工硬化现象，屈服强度增加了30.1%，抗拉强度增加了19.7%，增加明显；角钢侧翼板屈服强度增加4.4%，抗拉强度增加了1.2%，略有增加。在角钢变形区（R弧部位）断后伸长率下降，塑性降低，侧翼变化不明显。冷弯变形过程对型钢产品的冲击韧性影响不大，靠近R弧角钢侧翼板和母材的冲击韧性基本无变化。冷弯产品在角钢变形区硬度增加20.3%，角钢侧翼板硬度基本无变化。冷弯产品在角钢变形区（R弧部位）厚度减薄量约为0.11 mm，减薄约2.1%；角钢侧翼板部位减薄约0.56%，减薄量较小。

根据低合金高强度结构钢（GB/T 1591-2008）国标中关于Q420及Q460的钢材性能要求对Q450NQR1材料生产的高效耐候冷弯型钢进行评定。高效耐候冷弯型钢，平均屈服强度大于460MPa，抗拉强度度介于550～720MPa之间，平均断后伸长率大于19%，-40℃冲击功远大于34J，力学性能满足规范要求。

3.3高效耐候冷弯型钢金相组织分析

从辊弯试样中截取金相试样，1号试样取自角钢圆角部分（即变形区），2号试样取自角钢侧翼（未变形区，组织与母材组织相同）。试样截面经抛光后腐蚀，检验其硬度及金相组织。

通过金相分析，该冷弯型钢产品基体组织为铁素体加珠光体组织，与原材料Q450NQR1耐候钢的组织一致。冷弯边部组织晶粒发生明显形变，弯弧外层的晶粒组织沿宽度方向被拉长，弯弧内弧的晶粒组织沿厚度方向上被拉伸。该产品的金相组织保证了它的各项力学性能。

3.4高效耐候冷弯型钢焊接性能分析

耐候型冷弯型钢输电铁塔塔脚底板采用的Q345B钢材，因此存在Q450NQR1之间的焊接和Q450NQR1与Q345B之间的焊接，两种类型的连接焊缝。为了检测耐候钢的焊接质量，对两种类型的焊接试件进行了拉伸试验、冲击试验、弯曲试验。

-8mmQ450NQR1和-8mmQ450NQR1钢板焊接标准试件拉伸试验破坏发生在母材处，其屈服强度、抗拉强度及延伸率满足要求；-12mmQ450NQR1和-12mmQ345B钢板焊接标准试件拉伸试验破坏发生在母材Q345B处，其屈服强度、抗拉强度及延伸率满足要求。对两种类型的焊接试件进行常温下的冲击试验，满足要求。对两种类型的焊接试件进行了180°弯曲试验，满足要求。

根据GB11345-89标准，对-8mmQ450NQR1对接焊缝进行超声波探伤检测，判定焊缝质量等级为Ⅰ级合格。 

根据低合金高强度结构钢（GB/T 1591-2008）国标中关于Q420及Q460的钢材性能要求对Q450NQR1进行评定。Q450NQR1钢材，屈服强度大于450MPa，抗拉强度度介于550～720MPa之间，断后伸长率大于19%，-40℃冲击功大于34J，力学性能满足规范要求；化学成分含量及碳当量满足规范要求。

4、高效耐候冷弯型钢的应用

近年来，随着我国冷弯型钢应用技术的发展，冷弯薄壁型钢等经济型材发展很快，与传统轧制型材相比，冷弯薄壁型钢具有断面材料分布合理、回转半径大、抗弯和抗扭性能好等特点。它不是像热轧型钢以增加材料面积来提高其承载力，而是通过变化型钢断面形状达到提高承载力和节约钢材的目的。为了提升冷弯产品的性能，高效耐候冷弯型钢将在各个领域得到应用。

4.1铁路车辆行业

高效耐候冷弯型钢具有高强度、高腐蚀性、成形性能和焊接性能优越，为提高运载能力及车辆的应用，高强耐候冷弯型钢将会得到广泛的应用。

4.2电力行业

由于高强耐候冷弯型钢具有高强度的型材、产品规格随意、产品定尺可变、耐腐等优点，在输电铁塔上采用高强耐候冷弯型钢材料，与制造铁塔的传统生产方式相比，虽材质的一次性投资略高，但由于去掉了防腐工序，其经济效益和社会效益显著，经粗步测算，每吨成本可下降20%左右。 

4.3钢结构建筑

近年来。随着我国钢结构应用技术的发展，冷弯薄壁型钢等经济型材发展很快，这些经济型材用量在逐年增加，加工成本在降低，加上其自身截面的优良性能，经济效益更为显著。 在钢结构建筑中，经济的截面特性为设计考虑的重点。高效耐候冷弯型钢可根据构件受力特点选择合适截面形式，充分发挥其截面界面特性，使其更经济合理。

4.4汽车行业

高强钢板的屈服强度已经达到了1500Mpa,并且具有良好的成形性能和焊接性能，满足车辆车架的性能要求。根据汽车工业节能降耗的发展目标，要求车身强量化、载重量最大化、抗不同大气环境腐蚀性能，高效耐候钢将在汽车行业有很大的发展前景。