1、輸電鐵塔用耐候冷彎型鋼開發(fā)背景

近年來，隨著我國鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，冷彎薄壁型鋼等經(jīng)濟(jì)型材發(fā)展很快，與傳統(tǒng)軋制型材（角鋼、工字鋼、槽鋼）相比，其自身截面性能優(yōu)良，經(jīng)濟(jì)效益顯著，這些經(jīng)濟(jì)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(yōu)勢且價位較高，當(dāng)規(guī)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(yīng)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(wǎng)合作，聯(lián)合開發(fā)輸電鐵塔用耐候冷彎型鋼，2011年已經(jīng)應(yīng)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(yīng)用尚屬首次，設(shè)計(jì)中的不確定因素較多，為了保證工程的安全可靠運(yùn)行，國家電網(wǎng)對廈門梧侶到內(nèi)宮220kV輸電線路塔型進(jìn)行了真型試驗(yàn)，選取兩基耐候型冷彎角鋼輸電鐵塔應(yīng)用于工程中，通過對9個工況的設(shè)計(jì)荷載測試，并達(dá)到了預(yù)計(jì)效果，為耐候鋼在我國輸電鐵塔中的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

2、耐候型冷彎型鋼在輸電線路鐵塔中的應(yīng)用

2.1輸電鐵塔采用耐候鋼優(yōu)勢

熱鍍鋅防腐由于對環(huán)境污染較嚴(yán)重，一直受到環(huán)保部門的限制。為適應(yīng)建設(shè)節(jié)約、環(huán)保型社會的要求，應(yīng)在輸電線路桿塔上探討使用新的防腐蝕方式。結(jié)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(qiáng)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(yōu)良的力學(xué)、焊接使用性能。目前，我國高強(qiáng)耐候鋼的生產(chǎn)工藝已經(jīng)日趨成熟，成本不斷下降，已廣泛用于鐵路系統(tǒng)，性能良好。

在輸電鐵塔上采用耐候鋼材，與制造鐵塔的傳統(tǒng)生產(chǎn)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(hù)負(fù)擔(dān)，經(jīng)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(huán)境污染，社會效益、環(huán)保效益顯著。

2.2輸電鐵塔采用冷彎型鋼的優(yōu)勢

冷彎薄壁型鋼是由帶鋼或鋼板通過冷軋機(jī)或壓彎成型機(jī)加工成型的輕型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jù)需要生產(chǎn)出材料分布最優(yōu)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(jié)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(yè)廠房、民用建筑、交通及市政設(shè)施。

冷彎薄壁型鋼定尺任意，可加工任意形狀和尺寸的構(gòu)件。定尺任意可避免由于桿件定長導(dǎo)致的材料浪費(fèi)。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(jù)受力特征加工出相應(yīng)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(qiáng)度角鋼市場供應(yīng)很少，使高強(qiáng)度角鋼在輸電鐵塔上的應(yīng)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(shè)計(jì)人員的選材提供了更大的靈活性，尤其是可推動高強(qiáng)鋼在鐵塔上的應(yīng)用。我國輸電鐵塔長期使用Q235、Q345角鋼，鐵塔的重量指標(biāo)與國外先進(jìn)水平有較大差距。應(yīng)用由高強(qiáng)鋼板加工成型的角鋼或其它型式的構(gòu)件可充分發(fā)揮鋼材的特性，降低鐵塔重量指標(biāo)，帶動我國鐵塔設(shè)計(jì)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(yīng)，而耐候鋼板在鐵路系統(tǒng)中被廣泛使用，因此將冷彎工藝應(yīng)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(yōu)良的鋼材，具有重量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，已在工業(yè)民用建筑中得到廣泛應(yīng)用。同時由于熱軋型鋼軋輥調(diào)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(chǎn)品已從普通碳素鋼發(fā)展到各種低合金、高強(qiáng)度、耐腐蝕冷彎型鋼。

冷彎型鋼斷面形狀可以很復(fù)雜，但生產(chǎn)設(shè)備及工藝比較簡單，一次性投資小；組織生產(chǎn)靈活，長度、寬度可任意選擇；不受批量限制；產(chǎn)品表面光滑，尺寸精度高；在工程應(yīng)用中屬于高效經(jīng)濟(jì)斷面鋼材，一般可節(jié)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(zhì)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(hù)負(fù)擔(dān)。最重要的是使用耐候性結(jié)構(gòu)鋼取消了鍍鋅帶來的環(huán)境污染，當(dāng)耐候型結(jié)構(gòu)鋼使用批量大時，其成本將進(jìn)一步降低，宜逐步推廣應(yīng)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(huán)境污染，是一項(xiàng)具有顯著經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保意義的工作，應(yīng)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(yīng)用研究。可以相信，當(dāng)耐候型冷彎型鋼在輸電鐵塔上的應(yīng)用得到檢驗(yàn)，并納入設(shè)計(jì)規(guī)程體系中，耐候型冷彎型鋼將在輸電鐵塔上得到大量應(yīng)用。

3、耐候型冷彎型鋼的研究

3.1冷彎型鋼成型工藝數(shù)值模擬

運(yùn)用ANSYS/LS-DYNA對角鋼的冷彎成型過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析整個變形過程中，不同成型階段的等效應(yīng)力、各個分應(yīng)力、主應(yīng)力及等效應(yīng)變、各個分應(yīng)變、主應(yīng)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(yùn)動狀態(tài)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(yùn)用有限元分析軟件，對冷彎型鋼的生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析研究，得到了板材變形區(qū)在輥彎過程中的應(yīng)力、應(yīng)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(shù)進(jìn)行了數(shù)值分析。

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

3.2高效耐候冷彎型鋼力學(xué)性能分析

測試角鋼冷彎前后的各項(xiàng)力學(xué)性能，包括屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性、洛氏硬度，并測試出應(yīng)力-應(yīng)變曲線等。對變形區(qū)變形前后的金相組織進(jìn)行檢驗(yàn)分析。為進(jìn)一步改進(jìn)冷彎角鋼生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量提供技術(shù)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(jīng)過冷彎變形，在角鋼變形區(qū)（R弧部位）有明顯加工硬化現(xiàn)象，屈服強(qiáng)度增加了30.1%，抗拉強(qiáng)度增加了19.7%，增加明顯；角鋼側(cè)翼板屈服強(qiáng)度增加4.4%，抗拉強(qiáng)度增加了1.2%，略有增加。在角鋼變形區(qū)（R弧部位）斷后伸長率下降，塑性降低，側(cè)翼變化不明顯。冷彎變形過程對型鋼產(chǎn)品的沖擊韌性影響不大，靠近R弧角鋼側(cè)翼板和母材的沖擊韌性基本無變化。冷彎產(chǎn)品在角鋼變形區(qū)硬度增加20.3%，角鋼側(cè)翼板硬度基本無變化。冷彎產(chǎn)品在角鋼變形區(qū)（R弧部位）厚度減薄量約為0.11 mm，減薄約2.1%；角鋼側(cè)翼板部位減薄約0.56%，減薄量較小。

根據(jù)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（GB/T 1591-2008）國標(biāo)中關(guān)于Q420及Q460的鋼材性能要求對Q450NQR1材料生產(chǎn)的高效耐候冷彎型鋼進(jìn)行評定。高效耐候冷彎型鋼，平均屈服強(qiáng)度大于460MPa，抗拉強(qiáng)度度介于550～720MPa之間，平均斷后伸長率大于19%，-40℃沖擊功遠(yuǎn)大于34J，力學(xué)性能滿足規(guī)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(qū)），2號試樣取自角鋼側(cè)翼（未變形區(qū)，組織與母材組織相同）。試樣截面經(jīng)拋光后腐蝕，檢驗(yàn)其硬度及金相組織。

通過金相分析，該冷彎型鋼產(chǎn)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(fā)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(nèi)弧的晶粒組織沿厚度方向上被拉伸。該產(chǎn)品的金相組織保證了它的各項(xiàng)力學(xué)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(zhì)量，對兩種類型的焊接試件進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)。

-8mmQ450NQR1和-8mmQ450NQR1鋼板焊接標(biāo)準(zhǔn)試件拉伸試驗(yàn)破壞發(fā)生在母材處，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及延伸率滿足要求；-12mmQ450NQR1和-12mmQ345B鋼板焊接標(biāo)準(zhǔn)試件拉伸試驗(yàn)破壞發(fā)生在母材Q345B處，其屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及延伸率滿足要求。對兩種類型的焊接試件進(jìn)行常溫下的沖擊試驗(yàn)，滿足要求。對兩種類型的焊接試件進(jìn)行了180°彎曲試驗(yàn)，滿足要求。

根據(jù)GB11345-89標(biāo)準(zhǔn)，對-8mmQ450NQR1對接焊縫進(jìn)行超聲波探傷檢測，判定焊縫質(zhì)量等級為Ⅰ級合格。 

根據(jù)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（GB/T 1591-2008）國標(biāo)中關(guān)于Q420及Q460的鋼材性能要求對Q450NQR1進(jìn)行評定。Q450NQR1鋼材，屈服強(qiáng)度大于450MPa，抗拉強(qiáng)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(xué)性能滿足規(guī)范要求；化學(xué)成分含量及碳當(dāng)量滿足規(guī)范要求。

4、高效耐候冷彎型鋼的應(yīng)用

近年來，隨著我國冷彎型鋼應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，冷彎薄壁型鋼等經(jīng)濟(jì)型材發(fā)展很快，與傳統(tǒng)軋制型材相比，冷彎薄壁型鋼具有斷面材料分布合理、回轉(zhuǎn)半徑大、抗彎和抗扭性能好等特點(diǎn)。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(dá)到提高承載力和節(jié)約鋼材的目的。為了提升冷彎產(chǎn)品的性能，高效耐候冷彎型鋼將在各個領(lǐng)域得到應(yīng)用。

4.1鐵路車輛行業(yè)

高效耐候冷彎型鋼具有高強(qiáng)度、高腐蝕性、成形性能和焊接性能優(yōu)越，為提高運(yùn)載能力及車輛的應(yīng)用，高強(qiáng)耐候冷彎型鋼將會得到廣泛的應(yīng)用。

4.2電力行業(yè)

由于高強(qiáng)耐候冷彎型鋼具有高強(qiáng)度的型材、產(chǎn)品規(guī)格隨意、產(chǎn)品定尺可變、耐腐等優(yōu)點(diǎn)，在輸電鐵塔上采用高強(qiáng)耐候冷彎型鋼材料，與制造鐵塔的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式相比，雖材質(zhì)的一次性投資略高，但由于去掉了防腐工序，其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著，經(jīng)粗步測算，每噸成本可下降20%左右。 

4.3鋼結(jié)構(gòu)建筑

近年來。隨著我國鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，冷彎薄壁型鋼等經(jīng)濟(jì)型材發(fā)展很快，這些經(jīng)濟(jì)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(yōu)良性能，經(jīng)濟(jì)效益更為顯著。 在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，經(jīng)濟(jì)的截面特性為設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)。高效耐候冷彎型鋼可根據(jù)構(gòu)件受力特點(diǎn)選擇合適截面形式，充分發(fā)揮其截面界面特性，使其更經(jīng)濟(jì)合理。

4.4汽車行業(yè)

高強(qiáng)鋼板的屈服強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)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(jù)汽車工業(yè)節(jié)能降耗的發(fā)展目標(biāo)，要求車身強(qiáng)量化、載重量最大化、抗不同大氣環(huán)境腐蝕性能，高效耐候鋼將在汽車行業(yè)有很大的發(fā)展前景。