熱軋大型H型鋼殘余應(yīng)力相關(guān)研究

李同敬

摘 要：熱軋大型H型鋼以其優(yōu)越的力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)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(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著熱軋大型H型鋼應(yīng)用規(guī)模的不斷提升，其性能相關(guān)問題的研究得到越來(lái)越多人的關(guān)注。本文以熱軋大型H型鋼殘余應(yīng)力為例，就熱軋大型H型鋼冷卻后大殘余應(yīng)力的影響、鋼殘余應(yīng)力分布情況以及鋼殘余應(yīng)力控制進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：熱軋大型H型鋼;殘余應(yīng)力;力學(xué)性質(zhì)

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

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，型鋼鋼材在我國(guó)各領(lǐng)域各行業(yè)正得到廣泛應(yīng)用，成為推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與建設(shè)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(shè)等的高速發(fā)展，需求量不斷增加，軋制質(zhì)量要求相應(yīng)提升。熱軋大型H型鋼殘余應(yīng)力作為影響型鋼軋制質(zhì)量的重要因素，有必要加強(qiáng)殘余應(yīng)力相關(guān)問題的研究，實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的科學(xué)控制。

1 問題的提出

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)顯示，截至2015年我國(guó)粗鋼產(chǎn)量超過(guò)了8億噸，鋼材產(chǎn)量超過(guò)了11.2億噸;截至2017年上半年，我國(guó)粗鋼產(chǎn)量超過(guò)346800萬(wàn)噸，比同期增長(zhǎng)了4.4個(gè)百分點(diǎn)。而在眾多鋼材產(chǎn)品生產(chǎn)與應(yīng)用中，型鋼所占比重相對(duì)較大，超過(guò)了百分之五十，而在眾多型鋼中，大型H型鋼數(shù)量相對(duì)較多。追其原因，與我國(guó)建筑事業(yè)、電力事業(yè)等的發(fā)展存在密切關(guān)聯(lián)性（大型H型鋼在高層建筑、預(yù)配置裝配建筑建設(shè)中具有廣泛應(yīng)用性）。與此同時(shí)，隨著大型H型鋼需求量的不斷增加，對(duì)其性能與應(yīng)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(yīng)力對(duì)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(yīng)力對(duì)H型鋼承載能力存在影響;高麗亞（2006）、談燕（2008）朱國(guó)明（2017）等研究發(fā)現(xiàn)，殘余應(yīng)力對(duì)H型鋼穩(wěn)定性存在影響。但從理論研究整體層面來(lái)看，關(guān)于熱軋大型H型鋼殘余熱應(yīng)力相關(guān)問題的研究相對(duì)較少[1]?；诖?，為降低熱軋大型H型鋼殘余應(yīng)力對(duì)大型H型鋼性能與質(zhì)量的影響，豐富相關(guān)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(duì)其殘余應(yīng)力進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，探尋控制殘余熱應(yīng)力影響的方式方法。

2 熱軋大型H型鋼殘余應(yīng)力存在的影響

通常情況下，材料在進(jìn)行加工時(shí)，受多種因素影響，材料的各個(gè)部分會(huì)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(gè)整體，在各部分變形過(guò)程中，存在相互制約性，在內(nèi)部形成一個(gè)平衡的力，即為內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)材料加工完成后，仍存在與工件內(nèi)部的應(yīng)力則被稱之為“殘余應(yīng)力”[2]。就大型H型鋼而言，在工件受熱加工過(guò)程中，一般會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力與熱應(yīng)力兩種內(nèi)應(yīng)力，故在加工完成后，也會(huì)產(chǎn)生殘余結(jié)構(gòu)應(yīng)力與殘余熱應(yīng)力兩種殘余應(yīng)力。而實(shí)踐證明殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，會(huì)導(dǎo)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(shí)，殘余應(yīng)力的產(chǎn)生能夠使大型H型鋼的截面處形成塑性區(qū)，擴(kuò)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(yīng)用的穩(wěn)定性、可靠性，從而無(wú)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(yīng)力分布情況

以軋后規(guī)格為HN700mm×300mm的大型H型鋼為例，應(yīng)用隱式時(shí)間積分算法對(duì)其殘余應(yīng)力分布情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。在此過(guò)程中，提出基本假設(shè)，如“熱軋后，工件初始長(zhǎng)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(yīng)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(yīng)力分布情況相對(duì)復(fù)雜，大型H型鋼腹板部分以壓應(yīng)力為主，且在長(zhǎng)與寬的對(duì)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(yīng)力為主;大型H型斷面存在的殘余應(yīng)力為不均勻分布，隨著斷面厚度的變化而變化[3]。

與此同時(shí)，為進(jìn)一步探尋大型H型鋼冷卻后殘余應(yīng)力情況，對(duì)翼緣切割過(guò)程中大型H型殘余應(yīng)力場(chǎng)存在的變化進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)，在切割過(guò)程中大型H型鋼腹板部分的殘余應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生了一定變化，即壓應(yīng)力逐漸向拉應(yīng)力進(jìn)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(guò)程中裂紋問題的產(chǎn)生提供了空間。與此同時(shí)，當(dāng)拓展到腿腰連接位置時(shí)，應(yīng)力變化將發(fā)生巨大改變，即由“平穩(wěn)”轉(zhuǎn)化為“突增”，當(dāng)應(yīng)力增加到一定值時(shí)，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(yīng)力控制措施

由上述分析可知，熱軋大型H型的殘余應(yīng)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(guò)程中，腹板開裂問題的產(chǎn)生與熱軋冷卻后殘余應(yīng)力的轉(zhuǎn)變存在密切關(guān)聯(lián)性。根據(jù)殘余應(yīng)力分布情況以及轉(zhuǎn)變規(guī)律，可采用翼緣外側(cè)強(qiáng)制冷卻與型鋼斷面溫差調(diào)控的方法，進(jìn)行熱軋大型H型鋼殘余應(yīng)力影響的控制，以減低殘余應(yīng)力對(duì)型鋼質(zhì)量與性能的影響。方法試驗(yàn)與殘余應(yīng)力檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)制冷卻法能夠有效降低型鋼殘余應(yīng)力的產(chǎn)生與影響，腹板壓應(yīng)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(yīng)力是影響大型H型鋼軋制質(zhì)量的關(guān)鍵因素。因此，在當(dāng)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(yīng)加強(qiáng)熱軋大型H型鋼殘余應(yīng)力相關(guān)問題的研究，對(duì)熱軋大型H型鋼殘余應(yīng)力存在的不利影響具有全面認(rèn)知與了解，掌握殘余應(yīng)力分布情況，并采取行之有效的措施進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力不利影響的消除。

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