熱軋大型H型鋼殘余應力相關研究

李同敬

摘 要：熱軋大型H型鋼以其優(yōu)越的力學性能、經(jīng)濟性在建筑行業(yè)、電力工程行業(yè)、石油化工行業(yè)等眾多領域得到廣泛應用。隨著熱軋大型H型鋼應用規(guī)模的不斷提升，其性能相關問題的研究得到越來越多人的關注。本文以熱軋大型H型鋼殘余應力為例，就熱軋大型H型鋼冷卻后大殘余應力的影響、鋼殘余應力分布情況以及鋼殘余應力控制進行了簡要分析，以供參考。

關鍵詞：熱軋大型H型鋼;殘余應力;力學性質(zhì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.050

0 引言

隨著科學技術的創(chuàng)新發(fā)展，型鋼鋼材在我國各領域各行業(yè)正得到廣泛應用，成為推動社會經(jīng)濟發(fā)展與建設的重要材料。大型H型鋼作為型鋼鋼材體系中的重要組成部分，隨著高層建筑、石油化工以及電力工程建設等的高速發(fā)展，需求量不斷增加，軋制質(zhì)量要求相應提升。熱軋大型H型鋼殘余應力作為影響型鋼軋制質(zhì)量的重要因素，有必要加強殘余應力相關問題的研究，實現(xiàn)殘余應力的科學控制。

1 問題的提出

據(jù)不完全統(tǒng)計顯示，截至2015年我國粗鋼產(chǎn)量超過了8億噸，鋼材產(chǎn)量超過了11.2億噸;截至2017年上半年，我國粗鋼產(chǎn)量超過346800萬噸，比同期增長了4.4個百分點。而在眾多鋼材產(chǎn)品生產(chǎn)與應用中，型鋼所占比重相對較大，超過了百分之五十，而在眾多型鋼中，大型H型鋼數(shù)量相對較多。追其原因，與我國建筑事業(yè)、電力事業(yè)等的發(fā)展存在密切關聯(lián)性（大型H型鋼在高層建筑、預配置裝配建筑建設中具有廣泛應用性）。與此同時，隨著大型H型鋼需求量的不斷增加，對其性能與應用質(zhì)量提出了更高的要求。而在性能與質(zhì)量研究中發(fā)現(xiàn)，熱軋大型H型鋼冷卻后的殘余應力對其性能與質(zhì)量存在一定影響。例如，湯夕春、賀小川等（2006）研究發(fā)現(xiàn)，殘余應力對H型鋼承載能力存在影響;高麗亞（2006）、談燕（2008）朱國明（2017）等研究發(fā)現(xiàn)，殘余應力對H型鋼穩(wěn)定性存在影響。但從理論研究整體層面來看，關于熱軋大型H型鋼殘余熱應力相關問題的研究相對較少[1]。基于此，為降低熱軋大型H型鋼殘余應力對大型H型鋼性能與質(zhì)量的影響，豐富相關理論研究體系，本文以軋后HN700mm×300mm規(guī)格的大型H型鋼為例，對其殘余應力進行了簡要分析，探尋控制殘余熱應力影響的方式方法。

2 熱軋大型H型鋼殘余應力存在的影響

通常情況下，材料在進行加工時，受多種因素影響，材料的各個部分會發(fā)生變形，且變形程度不同。但由于材料所生產(chǎn)加工的產(chǎn)品多為一個整體，在各部分變形過程中，存在相互制約性，在內(nèi)部形成一個平衡的力，即為內(nèi)應力。當材料加工完成后，仍存在與工件內(nèi)部的應力則被稱之為“殘余應力”[2]。就大型H型鋼而言，在工件受熱加工過程中，一般會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)應力與熱應力兩種內(nèi)應力，故在加工完成后，也會產(chǎn)生殘余結(jié)構(gòu)應力與殘余熱應力兩種殘余應力。而實踐證明殘余應力的產(chǎn)生，會導致大型H型鋼的腹板出現(xiàn)波浪，影響大型H型鋼整體質(zhì)量。與此同時，殘余應力的產(chǎn)生能夠使大型H型鋼的截面處形成塑性區(qū)，擴大非彈性屈曲范圍、降低H型鋼非彈性屈曲的荷載限值，影響H型鋼整體性能，降低大型H型鋼應用的穩(wěn)定性、可靠性，從而無法滿足作為梁、柱等構(gòu)件的要求。

3 熱軋大型H型鋼冷卻后殘余應力分布情況

以軋后規(guī)格為HN700mm×300mm的大型H型鋼為例，應用隱式時間積分算法對其殘余應力分布情況進行了數(shù)值模擬分析。在此過程中，提出基本假設，如“熱軋后，工件初始長度為300cm，彈塑性”、“熱軋后大型H型鋼為理想型，即工件首尾整齊”、“在15℃以下，大型H型鋼的殘余應力情況為常規(guī)狀態(tài)”等。結(jié)果分析可知，熱軋后大型H型鋼殘余應力分布情況相對復雜，大型H型鋼腹板部分以壓應力為主，且在長與寬的對稱中心位置最為明顯;大型H型鋼腹板與型鋼翼緣連接處則以拉應力為主;大型H型斷面存在的殘余應力為不均勻分布，隨著斷面厚度的變化而變化[3]。

與此同時，為進一步探尋大型H型鋼冷卻后殘余應力情況，對翼緣切割過程中大型H型殘余應力場存在的變化進行了分析，發(fā)現(xiàn)，在切割過程中大型H型鋼腹板部分的殘余應力場產(chǎn)生了一定變化，即壓應力逐漸向拉應力進行轉(zhuǎn)化，并從切口處開始向四周拓展，在一定程度上為工件加工過程中裂紋問題的產(chǎn)生提供了空間。與此同時，當拓展到腿腰連接位置時，應力變化將發(fā)生巨大改變，即由“平穩(wěn)”轉(zhuǎn)化為“突增”，當應力增加到一定值時，大型H型鋼將產(chǎn)生腹板開裂問題。

4 熱軋大型H型鋼殘余應力控制措施

由上述分析可知，熱軋大型H型的殘余應力主要分布在鋼腹板位置以及腹板與翼緣連接位置，且H型加工過程中，腹板開裂問題的產(chǎn)生與熱軋冷卻后殘余應力的轉(zhuǎn)變存在密切關聯(lián)性。根據(jù)殘余應力分布情況以及轉(zhuǎn)變規(guī)律，可采用翼緣外側(cè)強制冷卻與型鋼斷面溫差調(diào)控的方法，進行熱軋大型H型鋼殘余應力影響的控制，以減低殘余應力對型鋼質(zhì)量與性能的影響。方法試驗與殘余應力檢測發(fā)現(xiàn)，強制冷卻法能夠有效降低型鋼殘余應力的產(chǎn)生與影響，腹板壓應力可減少20MPa～50MPa，提升型鋼加工成材率。

5 結(jié)論

總而言之，熱軋大型H型鋼殘余應力是影響大型H型鋼軋制質(zhì)量的關鍵因素。因此，在當前大型H型鋼需求量不斷增多，軋制質(zhì)量要求不斷提升的背景下，應加強熱軋大型H型鋼殘余應力相關問題的研究，對熱軋大型H型鋼殘余應力存在的不利影響具有全面認知與了解，掌握殘余應力分布情況，并采取行之有效的措施進行控制，實現(xiàn)殘余應力不利影響的消除。

參考文獻：

[1]馬勁紅，陳松，田暢.冷卻工藝對Q235H型鋼組織及力學性能的影響[J].熱加工工藝，2018，47（04）：232-234.

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[3]裴暖暖，朱國明，李波等.小型H型鋼全軋程數(shù)值模擬及斜軋孔型軋制力模型研究[J].軋鋼，2014，31（02）：25-30.