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收藏词条   编辑词条 冷弯型钢

创建时间:2008-08-02

冷弯型钢(cold formed steel)

指用钢板或带钢在冷状态下弯曲成的各种断面形状的成品钢材。冷弯型钢是一种经济的截面轻型薄壁钢材,也称为钢制冷弯型材或冷弯型材。
  冷弯型钢是制作轻型钢结构的主要材料。它具有热轧所不能生产的各种特薄、形状合理而复杂的截面。与热轧型钢相比较,在相同截面面积的情况下,回转半径可增大50~60%,截面惯性矩可增大0.5~3.0倍,因而能较合理地利用材料强度;与普通钢结构(即由传统的工字钢、槽钢、角钢和钢板制作的钢结构)相比较,可节约钢材30~50%左右。在某些情况下,冷弯型钢结构的用钢量与相同条件下的钢筋混凝土结构的用钢量相当,是一种经济断面钢材。

冷弯型钢的材质一般为碳素结构钢和低合金结构钢,也有为耐大气腐蚀钢和不锈钢。冷弯型钢分为开口型钢、半闭口型钢和闭口型钢三类。用于建筑结构的品种有角钢、槽钢、帽型钢、Z型钢和其他专用型钢等(见图)。


主要特点
  冷弯型钢是以热轧或冷轧带钢为坯料经弯曲成型制成的各种截面形状尺寸的型钢。冷弯型钢具有以下特点:
  1.截面经济合理,节省材料。冷弯型钢的截面形状可以根据需要设计,结构合理,单位重量的截面系数高于热轧型钢。在同样负荷下,可减轻构件重量,节约材料。冷弯型钢用于建筑结构可比热轧型钢节约金属38-50%,用于农业机械和车辆可节约金属15-60%。方便施工,降低综合费用。
  2.品种繁多,可以生产用一般热轧方法难以生产的壁厚均匀、截面形状复杂的各种型材和各种不同材质的冷弯型钢。
  3.产品表面光洁,外观好,尺寸精确,而且长度也可以根据需要灵活调整,全部按定尺或倍尺供应,提高材料的利用率。
  4.生产中还可与冲孔等工序相配合,以满足不同的需要。
品种及工艺
  冷弯型钢品种繁多,从截面形状分,有开口的、半闭口和闭口的,主要产品有冷弯槽钢、角钢、Z型钢、冷弯波形钢板、方管、矩形管,电焊异型钢管、卷帘门等。通常生产的冷弯型钢,厚度在6mm以下,宽度在500mm以下。中国常用规格有等边角钢(肢长25~75毫米)、内卷边角钢(肢长40~75毫米)、槽钢(高 25~250毫米)、内卷边槽钢(高60~250毫米)、卷边Z形钢(高100~180毫米)等400多个规格、品种。产品广泛用于矿山、建筑、农业机械、交通运输、桥梁、石油化工、轻工、电子等工业。
  冷弯型钢是制作轻型钢结构的主要材料,采用钢板或钢带冷弯成型制成。它的壁厚不仅可以制得很薄,而且大大简化了生产工艺,提高生产效率。可以生产用一般热轧方法难以生产的壁厚均匀但截面形状复杂的各种型材和不同材质的冷弯型钢。冷弯型钢除用于各种建筑结构外,还广泛用于车辆制造,农业机械制造等方面。冷弯型钢品种很多,按截面分开口,半闭口,闭口。按形状有冷弯槽钢、角钢、Z型钢、方管、矩形管、异型管,卷帘门等。根据GB6725-92规定,冷弯型钢采用普通碳素结构钢、优质碳素结构钢,低合金结构钢钢板或钢带冷弯制成。冷弯型钢是属于经济断面钢材,也是高效节能材料,是一种具有强大生命力的新型钢材品种,它广泛应用于国民经济的各个领域,其用途大约可以分为公路护栏板、钢结构、汽车、集装箱、钢模板和脚手架、铁道车辆、船舶和桥梁、钢板桩、输电铁塔、其他等等10大类。
  在冷弯空心方矩型钢生产中,目前有两种不同的生产成形工艺。一种是先成圆再变方或矩形;另一种是直接成方或矩形。目前,在方矩形钢管成型领域,直接成方、成矩的技术国际最先进的成型技术。直接成方或矩形的工艺比先成圆再变方或矩形的工艺要先进。先成圆再变方或矩形工艺对钢带或卷板材质损坏大;而直接成方、成矩的工艺,在成型过程中基本不会对材质造成破坏,能很好的保持原材料的机械性能和物理性能,保证了产品的优良。据了解山东泰安的一家大型钢管厂就是采用直接成方、成矩的技术,成型效果非常好。
  近年来我国冷弯型钢市场需求日趋增多,应用范围不断扩大,市场前景十分广阔。目前急需开发不锈钢、镀锌板、高强度和超高强度低合金材质的冷弯型钢以及超厚、超薄系列的高难度复杂断面冷弯型钢产品。
国内冷弯型钢生产发展情况
  我国冷弯型钢生产起始于20世纪50-60年代,生产厂家集中于鞍山、上海、重庆等个别地区,主要服务于农机业。20世纪80年代,是第一次发展高潮,生产厂家扩大到华东、华北、东北等地区,服务范围也扩大到货车、客车、建筑门窗、公路护栏、货架、电器等行业,但都限于中小型机组,品种规格较少,约2000种;材质均为普碳钢,全部冷弯型钢产量约占钢材总量的1-1.5%,与世界各国相比差距很大。国外冷弯型钢品种规格一般为8000-10000种,材质多元化,合金化钢种占50-70%,冷弯型钢产量占钢材总产量的比例一般为5%。因此,我国冷弯型钢发展的空间很大。
  由于我国钢铁工业的迅速发展,特别是板带比不断提高,已达到41.46%,为冷弯型钢的发展提供了充足的原料,板带材量的增大,也必然推动深加工行业的发展。在其应用领域,冷弯型钢的优点越来越被用户认识,它属于经济断面高效钢材,可节约金属15-30%,投资少,生产灵活,能满足用户的各种要求,在个性化市场发展中更显出它独特的优越性。广泛采用冷弯型钢取代热轧型材和其他品种,已成为不可阻挡的趋势。
  截至目前,我国共有1000多条冷弯型钢生产线,生产能力达到每年1500万吨。新建和在建的ф200-ф660mm大型机组共有50套,集中分布在华东、华北和东北地区。冷弯型钢主要服务于公路建设、钢结构、汽车制造、集装箱、铁道车辆、钢模板与脚手架、桥梁、电器柜、悬挂输送机、电缆桥架、货架、电梯导轨、龙骨钢、蔬菜大棚、农业机械、谷物仓储、家具及防火设备等方面。冷弯型钢协会对9个行业调查资料表明,当前需求量共计438.45万吨/年,占钢材总量的2.4%。
  目前中国现有冷弯型钢主要品种有:结构用冷弯方矩形管,客车用冷弯钢,卷帘门及钢窗用型钢,低压流体输送用焊管,通用开口冷弯型钢,建筑用钢结构冷弯型钢,以及各种断面的冷弯异型材,已在建筑、机械、核电、汽车、铁路、农机、化工、石油、制冷、食品、纺织、医疗、超市、集装箱等工业和民用工业中广泛应用,尤其是新兴产业对冷弯型钢的需求呈现“量广面大”的态势。目前中国生产的不锈钢、镀锌板、高强度和超高度低合金钢材质的冷弯型钢数量很少,需要进口;具有前沿性发展方向的冷弯型钢产品和复杂断面、超厚、超薄、系列的冷弯型钢,潜在的市场都相当大,发展前景广阔。现在这类冷弯型钢国内还很少,不少产品至今仍是空白,有的只能依靠进口来弥补。如用于豪华型客车的镀锌冷弯型钢年消费量至少在3000吨以上,目前主要采用进口产品,且需求还在继续上升。
  我国冷弯型钢市场的潜力很大,前景广阔,但重点应放在开发高新技术、高质量、高附加值的新型冷弯型钢以及冷弯生产领域工艺技术的研究,新技术装备的开发、研制或引进、消化工作,包括具有国际前沿技术水平的柔性冷弯机组等等,而切勿一哄而上,搞低水平的重复建设。
区域案例:广东冷弯型钢市场分析
  广东作为轻工大省及国内最发达区域,钢材消费量很大,往往领导着国家钢材消费的潮流,(H型钢在广东的应用较全国领先了3年)。冷弯型钢的应用即是如此。
  冷弯型钢在广东省的主要销售品种是C型槽、压型钢板、冷弯矩形钢管、圆管,它消费量大,仅乐从钢材市场年流通量就达十几万吨。广东冷弯型钢的需求反映出型钢规格小、数量大、应用范围广等特点,这些与其经济结构息息相关;显然,华北、东北却显示出规格多、规格批量流量不均衡(受重点工程的开工情况影响大)等特点,可以看出,广东冷弯型钢的发展形式,又将是北方、内地的发展向导,但同时北方及内地的重工业发展,客观上存在需求广东市场上并不常见的大型冷弯型钢的必然性。
  1、 广东地区冷弯型钢年需求量
  ① 冷弯方钢管、矩形管: 规格20-300MM的,年需12-15万吨,400MM及以上的,年7000-10000吨,目前多为焊接成型的。
  ② 冷弯C型钢:由于生产技术要求不高,各种C型钢生产线到处都有,全年数量无法计算;
  ③ 焊接圆管:直径20-300MM,约30-35万吨,超过300的,主要是大型重点工程,估计每年有2万吨左右。
  综上所述,广东地区冷弯型钢需求量当在50万吨以上。
  2、 广东地区的大型冷弯型钢厂商
  ① 广州钢管厂:年钢管及冷弯型钢生产能力10万吨,
  ② 广州粤海钢管厂:年钢管及冷弯型钢生产能力6-7万吨
  ③ 广州珠江钢管厂:年钢管及冷弯型钢生产能力12万吨
  ④ 揭阳太丰桥钢管厂:年钢管及冷弯型钢生产能力6-7万吨
  ⑤乐从正华钢铁贸易公司:年销售1.5万吨
  ⑥乐从浩祥钢铁贸易公司:年销售量2万吨
  3、广东地区冷弯那型钢的应用领域
  ① 钢结构领域:广东有大量的轻钢厂房建设,单纯从建筑行业年消耗40万吨H型钢(其中热轧20万吨)来看,矩形钢管、圆管、C型钢等的消费量应超过此数量,但目前还未能达到此数目,市场仍在开发、成长之中。
  ② 其他领域:广东地区的汽车行业(大型货柜车)、造船、集装箱制作、电站、化工设备等项目较多,是使用冷弯型钢的另外一个重要领域。
我国冷弯型钢应用的主要领域
  铁道车辆
  采用高强耐候钢和扩大使用冷弯型钢。根据国外资料,铁道车辆采用的冷弯型钢有67种,每节货车用量4.7吨。占车厢重量的20%。而我国使用品种为18~20种,每节车厢用量1.2吨,占车厢重量的5.2%。各车辆厂应在设计中尽量扩大冷弯型钢使用量,充分发挥冷弯型钢轻型、薄壁、高效的特点。
  输电铁塔
  着重研究用冷弯型钢代替传统的热轧角钢,提高铁塔综合性能,降低成本。在高压长距输电铁塔中,高强耐腐结构钢管当前已在大连、广州、无锡、上海等地试用,不久将召开推广应用会。通讯铁塔采用冷弯型钢制造的三角形铁塔结构也正在抓紧研制中。
  钢板桩
  钢板桩的应用,在国外很普遍,主要用于江河及海边护堤、建筑基础和管沟施工。但我国既无产品标准,又无施工规范,无法应用冷弯型钢,目前都用热轧槽钢、工字钢代替。下一步将由用户行业编制施工规范,填补我国钢板桩市场的空白。
  机械制造 冷弯型钢在机械制造行业中还有很大的市场潜力,特别是汽车制造业,但在我国已开发的品种不多,如:车厢板、客车龙骨、汽车门窗、传动轴、排气管、减震器、货车大梁等,还有保险杠、轿车上各种弯管,都还未采用冷弯型钢。
  钢结构
  钢结构是冷弯型钢最大的用户,其应用范围是建筑的承重骨架,围护板件和屋架檩条、单体构件等,如:桁架、钢架、墙架、支撑平台、楼梯、龙骨、门窗等。冷弯型钢在国外建筑业中应用非常广泛,因为它是一种轻型薄壁钢材,具有重量轻、强度高等优异性能,也是国家大力推广的高效经济的新型材料。在发达国家,钢结构建筑用冷弯型钢占冷弯型钢总量的50%~70%,冷弯型钢在房.屋钢结构中主要应用于三个方面: 做骨架的柱材、单体构件和围护板件。
  ●骨架的柱材
  承重结构钢管是钢结构的最佳柱材,其品种有圆管:φ21.3-610mm,t=1.2-1.6mm,标准规格82个。方管:20×20-500×500mm,t=1.2-16mm,标准规格101个。矩形管:30×20-600×400mm,t=1.5-16mm,标准规格170个。根据国标,柱材规格共353个。2002年用钢量35万吨,2005年将达到84万吨。
  ●单体构件,檩条、屋架等开口冷弯型钢
  槽钢(含内卷边槽钢、外卷边槽钢、不等边槽钢)规格为20×10-400×50mm,t=1.5-6mm,标准规格88个。角钢(含不等边角钢、内卷边角钢)规格为20×20-150×75mm,t=1.2-6mm,标准规格45个。工字钢(含内卷边、不对称工字钢)规格是80×40-250×75,t=2-5mm,标准规格23个。根据国标,冷弯型钢用于钢结构的开口型钢共173个规格。2002年用钢量44万吨,2005年将达到105万吨。
  ●围护板件:压形板、夹心板、复合板、瓦棱板、弧形板等
  宽度B=400-1000mm(非标宽度达1250mm),t=0.5-23mm,高度H=12-75mm(非标高度达145mm),标准规格129个。2002年用钢量18万吨,2005年将达到42万吨。
  用于钢结构的冷弯型钢总量:2002年97万吨,2005年231万吨,占全部冷弯型钢总量的32%。
“十一五”我国冷弯型钢需求预测
  我国冷弯型钢历史上曾受到板带材产量低的制约,因原料短缺发展缓慢,随着近年来我国钢铁工业的大发展,板带产量也大幅度提高,这对深加工,特别对冷弯型钢将是一次极好的机遇,随着我国钢铁工业以及钢结构等相关行业的加速发展,对冷弯型钢的需求也越来越大,我国冷弯型钢正面临着一场新的发展高潮。
  冷弯型钢是属于经济断面钢材,也是高效节能材料,是一种具有强大生命力的新型钢材品种,它广泛应用于国民经济的各个领域,其用途大约可以分为公路护栏板、钢结构、汽车、集装箱、钢模板和脚手架、铁道车辆、船舶和桥梁、钢板桩、输电铁塔、其他等10大类。经过大量的信息采集和调查分析,丁国良预测,目前的国内冷弯型钢需求约为597.2万吨,到“十一五”期间则将增长为845万吨。其中其中公路护栏板目前需求约为35万吨,“十一五”期间将继续发展,增长为38万吨;钢结构用钢需求则将由目前的200万吨,增长为250万吨;汽车用钢需求量也将继续放大,将由目前的70万吨增长为100万吨;集装箱用钢需求将由目前的150万吨增长为200万吨;钢模板和脚手架由于市场已经基本饱和,需求难以放大,仍将继续保持110万吨;由于火车提速等原因,铁道汽车用钢的需求量也将放大,由目前的8万吨,将增长到12万吨;船舶桥梁用钢需求将由13万吨增长到15万吨,钢板桩我国目前市场尚未开发完全,目前国内仅一万吨的产量,并且基本都用于出口。钢板桩是一种新型节约型钢材,有其独特的优点,在国外大量运用于水利、土建上,在我国尚属空白,亟待开发。“十一五”将重点开发钢板桩市场,预测钢板桩需求量将达到50万吨;输电铁塔用钢目前国内仅2000吨,大部分输电铁塔尚在使用热轧角钢型材,而冷弯型钢则因具有经济、防腐、形状多样等多项优点,替代热轧角钢建造输电铁塔已经成为必然趋势。“十一五”期间,这部分冷弯型钢需求也将达到50万吨。此外还有农业机械、蔬菜大棚、货架等其他用途,目前国内需求约为10万吨,“十一五”期间将达到20万吨。当前冷弯型钢市场需求量只占目前国内钢产量的2%,“十一五”期间将达到3.4%。
  近年来,用户对冷弯型钢的认识已经大大提高,冷弯型钢断面形状可以很复杂,生产设备及工艺则比较简单,一次性投资小,上马快,组织生产灵活,长度、宽度、厚度任意选择,;不首批量限制;产品表面光滑,尺寸精度高;相同断面形状尺寸性能相同,可节约金属15-50%,虽然单价高于热轧型材,但工程造价仍低于常用材料,这些特长决定他生命力强的特点,冷弯型钢必然会受到国名经济各行业、各部门的欢迎。原来采用热轧型钢的大市场,逐步被冷弯型钢所取代,将是不可抗拒的发展趋势。
  我国冷弯型钢行业的发展,也同时存在着诸如体制问题尚未解决、市场竞争中竞争多、合作少带来的负效应、市场开发力度不够、技术装备落后,机组不配套等各方面的问题,这些都制约了我国冷弯型钢行业的健康发展。如何抓住这次机遇,使冷弯型钢行业更健康,更有效的发展,是一个值得深思的问题,要从五个方面着手规划,一是要根据我国国情大力开拓冷弯型钢的市场;二是制定一套完整、先进的冷弯型钢标准体系;三要提高装备技术装备水平;四要提高技术管理水平;五是要引导我国冷弯型钢发展的布局合理化。
冷弯型钢行业发展方向
  热轧型钢是一火一次成材,而冷弯型钢是二次或三次成材,生产成本比热轧型材大,虽然强度相对较高,可节省钢材,但售价较贵,因此在国外使用冷弯型钢的部位,目前国内还大量使用相对安全性能较差的热轧型钢或木材。目前,价格因素是限制我国冷弯型钢发展的重要原因之一。
  冷弯型钢的优势是生产热轧生产不了薄规格,外观要求美观的薄壁复杂断面专用型材。某些场合使用冷弯型钢,如汽车、拖拉机、铁路车辆等,需自重轻的场所。
  我国现有冷弯型钢机组应根据自身存在的问题,逐步进行配套改造,结合实际情况,吸收国内外先进技术与装备,开发新产品、新工艺、提高装备水平,在投资不多的情况下,能够不断扩大产品品种,提高产品质量。老企业充分利用自身生产经验丰富,生产小批量、多品种规格产品,充分利用已具有多套模具的优势,(若乡镇企业增加新品种需新增模具,追加投资,相对增加成本),提高管理水平的同时提高在市场竞争中的竞争力,在保证产品质量的前提下,尽量降低成本,达到优质优价,更好发挥老厂潜能。
  同时我国在冷弯型钢发展过程中应加大以下工作力度:1.开口冷弯型钢国家标准已制订,但断面形状需补充修改,在出版设计图中给予修订;2.压形板虽有国家标准,但已不能使用,需要重新修订;3.在承重梁柱材料中,热轧H型钢适合于做梁,方矩管适合于做柱。根据国外调查资料显示,H型钢与方矩管的比例为1:1,而我国一直沿用热轧H型钢为主,产量近200万吨。而方矩管制造规格小,箱型梁制造工艺落后,方矩管数量远低于热轧H型钢,是极不合理的现象。应集中开发大型方矩管研究以满足市场需求,根据国情研究的结论是:350×350mm,t=8-16mm方管以下宜采用一次成型直缝焊管生产,350×350-800×800mm,t=8-20mm方管宜采用双焊缝对焊工艺,既扩大产品规格又可焊接加强筋(内隔板),800×800-1000×1000mm,t=20-40mm宜采用折弯工艺,这是最佳生产方式。有关双焊缝对焊大型方矩管的技术设备及工艺,在学习国外基础上,已经成熟。第一条生产线即将在国内建成。深信经过一、二年努力,钢结构所用的柱材会得到全面的满足。
我国建筑用冷弯型钢发展前景
  冷弯型钢是一种经济高效钢材,在工程建筑领域发挥着重大的作用。目前,国外建筑业用冷弯型钢约占冷弯型钢总量的25%~30%。按此推算,我国建筑业用冷弯型钢应达到30万吨,加上彩涂板和钢管,我国建筑业用冷弯型钢大约需要80万吨,这充分显示了建筑用冷弯型钢大有可为。
  冷弯型钢可生产各种复杂的断面,与热轧型钢相比,具有断面形状合理、重量轻、强度高的优点,同时又在冷弯加工中提高了强度,比一般热轧型钢的构件节约钢材10%~50%,其产品质量好、表面光洁、尺寸精度高、型材定尺灵活,生产中能源消耗少、成材率高、金属损耗少。在建筑工程中,采用冷弯型钢能提高综合经济效益,减轻建筑物重量,提高构件工厂化程度,方便施工、缩短施工工期。
  目前,冷弯型主要应用在下列3个领域内:一是轻钢工业建筑(大多是单层,个别为2~3层)的主要构件,如屋面板、墙板、楼面板、梁、柱、檩条(屋面、墙面)、支撑及门窗框等,一般用钢量为40千克/平方米左右,按年竣工面积500万平方米计算,需用钢材20万吨,其中冷弯型钢15万吨;二是低层钢结构住宅(一般为3层以下),这是一项量大面广的建筑,如按全国年竣工的住宅面积15亿平方米的1%计算,需用钢材60万吨,其中冷弯型钢用量争取达到15万吨是有可能的;三是建筑领域和市政建设需要的冷弯型钢,如道路隔离栏杆、广告支架、立体车库、超市、农贸市场及各种临时建筑等。
  目前,我国钢结构发展对钢材的需求按5%~8%速度增加,2005年钢结构加工量预计达到1400万吨,预计到2010年将达到1800万吨(占钢筋混凝土结构用钢量10%)左右,2020年将达到2700万吨(占钢筋混凝土结构用钢量15%)左右。同时,我国火力电厂的建设还会加快,主厂房和锅炉钢架用钢量会增加(包括核电厂厂房用钢、风力发电用钢等);交通工程中的桥梁会有所增加,铁路桥梁一般采用钢结构,高速公路中的护栏、收费站、交通标志的钢结构用量也不少;市政建设中采用钢结构的量会增加,如地铁和轻轨工程、城市立交桥、高架桥、环保工程、城市公共设施及临时房屋等均越来越多地采用钢结构;钢结构住宅将增加,国家提供建设节能省地住宅,有关钢结构住宅的试点工程、设计规范及配套技术、材料基本具备。目前,我国仅有几百万平方米的钢结构住宅,发达国家钢结构住宅比例已达到40%~50%。若我国每年6亿平方米的城镇住宅建设有10%采用钢结构,按多层、高层建筑平均每平方米使用60千克钢材计,用钢量将达到每年360万吨。这些都将给冷弯型钢的发展提供一个广阔空间。
  要扩大冷弯型钢的使用量,冷弯型钢企业就要努力提高产品质量,减低成本,改进服务,特别要解决建筑产品规格多、批量少的问题,增加大规格的方、矩管,做好新产品的试点推广工作,并要深入到钢结构住宅样板工程;合理选用冷弯型钢及焊接、连接材料;在设计中充分考虑风、雪荷载,并验算施工时受力情况,选择合理的连接方法;研发适合冷弯型钢用的防火及防腐材料和施工措施,提高其耐久性能,并根据冷弯型钢产品的特点,在建筑施工中创造各类施工方法,不断提高工程质量、缩短工期;同时也要组织国内外技术交流、新产品联合攻关、工程试点等,编制技术规程、规范及产品标准,开展企业人员培训,组织协调企业价格自律和发展规划。
我国冷弯型钢在铁路货车上的应用
  1、铁路敞车上冷弯型钢使用情况
  铁路敞车上到目前共开发并应用三种冷弯型钢。在1985年开发了两种,分别为端墙横带带和帽型钢侧柱,在1993年开发了尖角矩形管上侧梁,材质为耐候钢09CuPTiRE-A,屈服强度为295MPa。以上三种冷弯型钢自开发应用以来,经多年使用验证,产品质量一直比较稳定,特别是尖角矩形管的开发,保证了上侧梁角部与侧板的连接焊缝质量。
  2、铁路棚车上冷弯型钢使用情况
  铁路棚车上冷弯型钢开发应用较敞车要晚,在没汁新型P64A大容积棚车时,于1994年同期开发了车顶侧梁与冷弯波纹门板,在1997年开发了左门右框和右门左框。为了适应铁路货车重载的要求,齐车集团公司在2001年下半年又开发研制了新型的P64G型减轻自重棚车。该公司同时还开发了四种冷弯型钢,分别为冷弯变Z型车顶侧梁、矩形空心型钢上侧梁、上边框和U型冷弯型钢侧柱,其材质为高耐候结构钢09CuPCrNi-A,屈服强度为345MPa。
  3、冷弯型钢所用材料情况
  冷弯型钢能够满足车辆设计者的合理的设计结构;可以代替较厚重的热轧型钢。但是由于采用的较复杂断面以及厚度有所减薄,带来了腐蚀和强度、刚度等问题。以P64G型棚车上侧梁为例,用新型冷弯型钢代替了原先的等边角钢,为了增加其刚度,就要求设计出一种类似于汽车上用的上边框形状,这种形状最大的缺点是易于存水和污物,增加了表面的腐蚀速度。因此,冷弯型钢所用材料要具有一定的耐腐蚀性。
  从1987年开始,我国的铁路货车成批使用了耐候钢,其材质多为09CuPTiRE。最初开发的敞车上用的三种冷弯型钢都采用了这种铜磷系列的耐候钢。科学试验及运用试验都说明:这种耐候钢。耐腐蚀性一般相当于普通碳素钢的2倍左右,在恶劣环境中相当于2-3倍。到2001年为止,铁路主型货车、敞棚车上都采用的是这种耐候钢,随着重载、提速的铁路主要技术政策的制定,选用高耐候、高强度的结构钢以降低车辆自重、提高整车性能问题显得尤为突出和迫切。为了适应这一大方向,冷弯型钢在选材上也要以此为出发点进行开发研制。结合铁路客车在耐候钢上的使用情况及未来铁路用钢的要求,耐腐蚀性和强度等级上应当在原有使用钢材基础上提高一个等级,这就是现在通用型减轻自重棚车上采用的材料——09CuPCrNi—A,其屈服强度为345Mpa,其耐腐蚀性相当于普通碳素钢的2-3倍,在恶劣环境下相当于3倍以上。
  在刚度上,由于冷弯型钢的断面可由设计者自行设计,不像定型的热轧型材那样受到局限。以P64G型棚车开发的四种冷弯型钢为例,其截面弹性抗弯模量都接近或等于其替代的热轧型钢,而在结构设计上可具有较大的灵活性。
  4、冷弯型钢开发使用中存在的问题
  我国铁路货车上应用冷弯型钢虽然已有十多年的历史,但与俄罗斯、美国等国家相比,在品种和数量上都相差很多,在冷弯型钢的制造工艺和产品装车使用上存在以下问题:一是冷弯型钢作为成品存在较大的内应力。在冷弯型钢加工前期,开卷、滚剪、闭卷再开卷、平板后进行冷弯,增加了内应力。在冷弯过程中,其加工方式属于机械强制变形,成形后势必存在很大的内应力。冷弯后虽然有校正工序,但也只是对型钢外形尺寸予以精确,对消除内应力效果并不大。其成品存放一段时间后时效变形很明显,这说明冷弯型钢确实有很大的内应力存在。二是装车前的处理使冷弯型钢产生较大变形。由于冷弯型钢交货状态下是没有预涂底漆的,这就要求装车前要进行抛丸除锈处理。在除锈、钝化了冷弯型钢表面的同时,也将其内应力进行了释放,造成了弯曲和扭转变形。对那些开口不对称结构,变形尤为明显。三是虽然我国研制的耐候钢力学性能、抗腐蚀性及焊接性良好,但其冲压性能不如普通碳素钢。其制件在弯曲后回弹较大,因此在冷弯时应研究采用合理的工艺参数,以保证产品质量。四是应尽快完善新型冷弯型钢的技术条件。铁路货车在应用冷弯型钢时,应针对各种冷弯型钢的加工制造、使用工况、变形特点等制定相应的技术标准,以适应生产、使用及检验。在现行铁路货车的检验标准上目前还没有针对冷弯型钢的规范。这在一定程度上阻碍了冷弯型钢在铁路货车上应用及开发的进程。
  冷弯型钢在我国铁路货车上的应用才刚刚起步,从铁路业发达的国外货车发展方向来看,冷弯型钢在我国货车上的应用会越来越多。虽然目前确实存在不少问题,如生产工艺的急待提高、货车上的应用如何定型以及如何制定相应的行业标准等。有关专家提出,作为冷弯型钢制造厂与货车生产厂应当紧密联系、加强交流、互相沟通,这样才能更好地推动冷弯型钢在货车上的广泛应用;也可以使铁路货车结构更合理地优化,使货车产品的整机性能迈上一个新的台阶。
  我国冷弯型钢在输电铁塔上的应用方向
  我国每年要新建110kV级以上的输电线路约17000公里,每年建设输电铁塔要耗用钢材约45万吨。随着我国电力业的快速发展,大容量、长距离、高电压的输电线路越来越多,杆塔的荷载越来越大。
  同时由于我国土地资源紧缺以及环保要求提高,使得线路走廊、拆迁问题日趋严重,为缩小线路走廊、减少拆迁量和占地和基础土方开挖,多回路同塔并架和大坡度的铁塔将越来越多地被采用。随着杆塔规模同大型化发展,组成铁塔型材的规格也越来越大,使得目前常用的低强度热轧角钢已难以满足使用要求,寻求新形式、新品种的型钢材料已成为必然。
  随着我国钢铁工业的发展和科学技术水平的不断提高,我国高强度级别钢材和其他形式的型钢产品越来越多地涌现。冷弯薄壁型钢以其重量轻、强度高、材料利用率高以及施工方便等优点,已被建筑、交通、市政、工业和民用用品等行业广泛使用。本文对输电铁塔中使用高强冷弯薄壁型钢的可行性进行了一些探讨,希望以此来推动冷弯薄壁型钢产品在电力行业的使用。
  1、输电线路铁塔的发展现状
  我国输电线路铁塔目前用材主要以热轧角钢型材为主,辅以少量钢管,钢材的品种以Q235和Q345两种为主,铁塔采用热镀锌防腐,使用年限约为50年。随着钢铁工业的不断发展,铁塔使用的钢材在材质和类型上也有了一定的改进。具体表现为:
  高强度钢材的使用。我国输电铁塔结构所用钢材,与园外先进国家相比,品种单一、强度值偏低、可选择余地小。当杆塔荷载较大时,只能采用组合截面来弥补材料强度低的不足,增大了设计、加工的工作量和投资。美国《输电铁塔设计导则》中共推荐了10种材料标准供设计者选用,其高强钢材的屈服强度达到448MPa。俄罗斯的《钢结构设计规范》中所列钢材的强度等级已达到578Mpa。近年来,随着我国冶金工业的不断发展,高强度钢材的生产已经不再是难事,我国的高强度结构用钢的质量提高较快且日渐稳定,供货渠道日趋通畅,为输电线路杆塔中采用高强度钢材提供了可能。在75OkV输电线路的前期科研项目中,国家电力公司电力建设研究所已经对高强钢使用将要遇到的节点连接构造、构件设计参数取值、配套螺栓以及经济效益情况进行了研究:认为目前从技术和使用上,高强钢已完全具备了在铁塔中使用的条件,并且高强钢的使用可降低铁塔重量10%-20%。但目前高强钢大量使用的最大障碍是型钢材料的供应。铁塔需要的型钢品种多,各规格成批的需求量不大,同时高强型钢成形难、轧模成本高、轧辊调整困难,使钢厂生产高强型钢的积极性不高,供货难以保证。
  钢管塔的使用。上世纪80年代,国际上许多国家在开发特高压输电线路时,开始将钢管型材应用到了铁塔结构中,出现了以钢管为塔体主材的钢管塔。在日本,10OOkV的超高压线路及高塔中几乎全部使用了钢管塔,他们对于钢管杆的设计技术研究非常透彻。
  借鉴国外经验,国内在5OOkV双回路铁塔和同塔四回铁塔中也已使用钢管型材,体现出了其良好性能和效益。其优点表现在:一是可以减小塔身风压(构件体形系数,圆管比角钢几乎小一倍);二是在截面面积相等的情况下,圆管的回转半径比角钢大20%左右;三是提高了结构承载能力,一般来讲,钢管塔比角钢塔用量降低10%-20%;同时还可减少杆件数量,缩短建塔周期,易于结构多样化。但钢管的使用也存在钢管型材规格品种有限、外面质量不好、价格高等缺点,同时钢管间连接的节点构造复杂,加工生产效率低。
  冷弯薄壁型钢的使用。冷弯薄壁型钢的使用在国外已有几十年的历史。据了解,在输电铁塔中已应用冷弯薄壁型钢的国家有意大利、美国、加拿大、英国、原苏联、墨西哥等。据国外资料统计,采用冷弯薄壁型钢比传统热轧角钢可节省钢材10%-18%。美国《输电铁塔设计导则》中有针对等肢卷边角钢和除角钢外其他型钢的承载力计算的描述,这说明美国土木工程师协会早已注意到冷弯型钢的构件在铁塔上的应用。但在国内,冷弯薄壁型钢在输电铁塔中的使用仍是空白。随着杆塔结构的大型化发展,组成铁塔的型材规格也越来越大,使得目前常用的低强度热轧型钢已难以满足使用要求,且热轧型钢规格有限,货源不充足。虽然通过采用组合截面和节点特殊处理可部分弥补型材的不足,但使得设计、加工的工作量和投资增大了许多,也使荷载传递方式复杂化,增加了不安全隐患。因此,在我国探求一种适合输电铁塔的新型钢形式已显得十分必要。
  2、高强冷弯型钢的优势
  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。
  经济的截面特性。铁塔中腹杆的工作状态大多是大长细比的压杆失稳,采用角钢等型材,截面特性无明显优势,且可选择的规格有限。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。
  随意的产品规格。一座10吨重的常规铁塔,要用到不同规格的角钢多达25种,要保证同时采购到规格品种如此众多、批量不大的型材难度可想而知。因此,铁塔加工经常出现塔材规格以大替小的代料,在铁塔加工企业中因塔材代料造成5%的浪费是很正常的,多的可达10%。而冷弯薄壁型钢的生产设备简单,一套冷轧机可生产多种规格的型钢,生产的批量、规格不受限制,这就为铁塔用材的供货来源提供了有力的保障。
  可变的产品定尺。一座10吨重的铁塔通常由近2000根构件组成,铁塔各构件的长短不一。当前热轧型钢都是定尺产品,因此使用热轧型钢进行塔材下料时,经常出现材料余头,这种由于材料定尺造成的材料损耗多达5%。而冷弯钢产品可按用户需要提供各种尺寸的型钢,成材率高(达99%),下脚余料少,可有效减少铁塔加工中的材料损耗。
  多样的形状。冷弯薄壁型钢截面形状的多样性,可以避免采用90度角钢只能将铁塔设计成方形或矩形以及塔身变坡引起连接构件不共面的弊病,它为设计者设计新型、合理铁塔开创了灵活条件。如可建立三立柱铁塔,铁塔腹杆体系也可进行优化,可设计出更合理的铁塔腹杆布置,这为设计各种新型铁塔体系,进一步减轻铁塔重量、节约材料、减少构件数开创了新途径。
  高强度的型材。对于铁塔采用的高强度材料型钢,若采用冷弯型钢产品,可有效避免热轧型钢供货批量限制和轧制工艺困难等缺陷。
  防腐问题。由于输电线路长期在野外运行,为保证铁塔安全,输电铁塔通常采用热镀锌防腐。冷弯薄壁型钢由于截面形状多变、型钢壁薄不太适宜热镀锌。目前,一些先进的防腐技术和工艺在不断地出现,如采用耐候材料和新镀层工艺,为冷弯薄璧型钢的防腐提供了良好的解决措施。
  高强耐候钢的生产工艺已经日趋成熟,已广泛用于铁路系统。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。
  在上世纪80年代末期,有关科研单位就开始着手冷弯薄壁型钢用于输电铁塔的可行性研究,但由于当时冷弯型钢的价格较高和技术手段不够完善,加上早期的铁塔规模都较小,已有的热轧型钢完全就可满足使用要求,项目未能立项。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。这为冷弯薄壁型钢在输电铁塔上的应用提供了可能性。
  使用冷弯薄壁型钢可有效地节约资源和能源。在输电铁塔上推广使用高强耐候冷弯型钢,不仅可减少铁塔耗钢,还能降低加工成本,避免环境污染。是一项有显著经济效益和环保意义的工作,所以应及时开展高强冷弯型钢,尤其是高强耐候冷弯薄壁型钢在输电铁塔上的应用研究。
  3、在输电铁塔中采用冷弯薄壁型钢应加强研究
  随着冷弯薄壁型钢在工业、民用建筑结构上的用途增加。设计理论日趋完善。目前,我国实施的是国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》、上海市颁布的《轻钢结构设计规范》和中国工程建设标准化协会颁布的《门式钢架轻型房屋钢结构技术规程》,都为冷弯薄壁型钢的应用提供了设计依据。
  目前,我国冷弯薄壁型钢在输电铁塔尚未应用,更没有相关的设计技术规定。铁塔结构的计算模型是空间桁架结构,构件的设计是按拉杆和压杆稳定计算,构件的边界条件情况对构件承载能力产生很大影响,同时线路施工现场决定铁塔组装不能使用大型机械,应采用易于现场施工的连接方式。输电铁塔受力和结构构造的特殊性决定了不可照搬轻钢结构的设计方法,要想使冷弯薄壁型钢在输电铁塔中广泛使用,还需要在以下几方面进行一些理论分析和试验研究工作:
  1.确定输电铁塔上冷弯薄壁型钢构件承载力的计算方法和参数取值,包括在特定边界约束条件下受压构件稳定曲线的选取和使用、偏心构件承载力的计算方法、构件连接处强度和稳定的计算方法、风荷载在构件产生的荷载和振动响应的计算取值。2.冷弯薄壁型钢塔形体系机构件断面优化分析。3.确定合理的连接构造形式和杆件支撑形式。4.较大厚度冷弯型钢的成形工艺。5.冷弯型钢的防腐问题。6.高强耐候冷弯型钢的力学性能和耐腐蚀指标。

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李哲

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