冷弯厚壁方矩形钢管的成型工艺与性能

工程建设与设计
圆 园 园 缘 年第 员 期
表 员月 源 怨 园 砸 晕匝耐火耐侯钢的力学拉伸、 冲击性能和高温性能
钢结构场馆工程专题 如图 3 所示： 管，
高温性能 600℃屈服强度 /（N/mm2） ≥217
牌号 B490 RNQ
特性 耐火 耐候
700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0
建筑用冷弯大规格厚壁方矩形钢管的成型工艺与性能
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建筑用冷弯大规格厚壁 方矩形钢管的成型工艺与性能
郁 竑， 陆志华
(宝钢集团上海钢铁工艺技术研究所, 上海 200050)
[摘 要] 介绍了采用高强度高抗震高耐火耐候钢材料的冷弯大规格厚壁方矩形钢管的成形工艺， 产品性能以及它在 钢结构建筑中的应用。 [关键词] 耐火耐候钢； 高强度， 高抗震； 冷弯成型工艺； 方矩形钢管； 箱形柱 [中图分类号] TU392.1； TG325.7 [ 文献标识码 ] B [文章编号] 1007-9467 （2005 ） 01-0025-03
２．４ 耐火耐候性
宝钢 B490RNQ 耐火耐候钢的力学拉伸、冲击性能和高 温性能如表 1 ： B490RNQ 耐火耐候钢与 Q345B 钢的高温拉伸对比如 图 1 所示： 由此可见以 B490RNQ 热卷钢制成的冷弯大规格厚壁方 矩形钢管，其室温力学性能完全满足和超过国标 Q345B 的 屈强比满足国家 要求， 其成形加工性能相当或优于 Q345B， 建筑行业规范关于抗震性的要求。 同时其高温性能明显优于 600益 时 B490RNQ 的屈服强 度 仍 保 持 同等级别的 Q345B， 25
[参考文献] [1]王先进， 涂厚道.冷弯型钢生产及应用[M].北京:冶金工业出版社, 1994. [2]廖旭钊 .广州新白云国际机场指廊钢结构设计 [J].钢结构，2003. 4. (4):1耀 [3]李恺平， 陈晓航.广州新白云国际机场连接楼及连接桥钢结构设 9. 计[J].钢结构,2003,(4):5耀 [收稿日期 2005-01-03
建筑用冷弯大规格厚壁方矩形钢管的成型工艺与性能 规格冷弯型钢产品端部平整， 有效地解决了端部毛刺严重的 问题。
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材料性能的一致性 （见表 2 ， 表 3） 。
表 ３ 产品的屈强比
产品屈服 强度等级 235 345 390 外周长 /mm ≥800 壁厚 /mm 12~22 屈强比 直接成方 先圆后方 ≤80 ≤85 ≤90 ≤90
图1
BQ90RNQ 耐火耐候钢与 Q345B 钢的高温拉伸对比
在 310MPa， 远远高于 2/3 室温屈服强度， 而 Q345B 在 500 益 屈服强度已低于 2/3 室温屈服强度。 所以具 另外 B490RNQ 钢种还具有优良的耐腐蚀性能， 有耐火耐候性能的建筑工程用冷弯厚壁方矩形钢管将在相 当程度上节省防火材料的应用。 室内钢桁架屋盖采用此类钢 构件时甚至可以免去防火防锈涂料的工序， 这既能减少工程 量、 降低工程造价， 又能充分发挥方矩形钢管外形美观的视 觉效果， 有很好的综合效益。
３．２ 原料边部特殊处理技术
厚壁产品的原料边部处理质量，是实现管坯良好成型的 关键因素之一。国外较普遍采用铣边机作原料边部处理， 以 保证边部质量和符合工艺要求的几何形状。铣边机价格昂 且维护费用和运行成本都 贵， 单机价格在 1 200 万美元以上， 很高。工艺所采用专用刨边机对原料作特殊边部处理， 待原 通过加大挤压力 料进入成型机组后， 在翅片成型孔 （finpass） 将边部处理到合适形状， 确保焊接挤压力。这样的安排能在 满足工艺要求的前提下，将设备投资降低到铣边机的 1/15 ， 运行成本也只是铣边机的 1/5。
直接成方
390
235
≥375
先圆后方
345
≥470
390
ຫໍສະໝຸດ Baidu
≥490
和间接成方工艺相比， 直接成方工艺生产的产品在机械 性能方面更接近于原材料的机械性能，较好地保持了和原
钢 结 构 专 家 介 绍
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１ 大规格方矩形钢管的应用现状
近几年随着国家对基本建设的投入，各地重大市政工 程和建筑工程越来越多的采用了钢结构形式，而大规格厚 壁方矩形钢管由于外形美观， 受力合理， 节点处理相对简单 等优点， 因而在机场航站楼、 体育场馆和会展中心等的桁架 结构体系以及幕墙支撑体系中作为钢构件得到普遍应用。 但在实际应用中，方矩形钢管也遇到了一些急需解决 的问题。 首先，过去国内冷弯型钢市场所能提供的绝大部分都 是普通精度的小口径、 薄壁冷弯型钢， 材质大都为 Ｑ２３５， 而 300mm伊 300mm伊 12mm 以上的高强度、 厚壁、 大规格方矩形 钢管， 由于常温在线连续成型工艺技术难度高、 投资大， 有 很大的风险性，因而许多钢结构工程中此类构件只得从国 外进口， 制约了我国建筑钢结构的发展。 其次，方矩形钢管作为钢构件同样也面临高温软化问 题， 无论在何种场合都须对其进行相应的防火处理， 这一方 面加大了工作量和工程造价，同时也一定程度的影响了方 钢管构件外形美观的视觉效果。 宝钢集团上海钢铁工艺技术研究所 （简称工艺所） 通 过引进国外先进技术和自主开发相结合的方式，采用目前 世界上最先进的自动排辊直接成方技术，依托宝钢集团优 质建筑钢材，现已投产具有良好高强度高抗震高耐火耐候 性能的大规格厚壁冷弯方矩形钢管，最大尺寸为 500mm 伊 500mm， 最大壁厚为 19mm。由工艺所起草主编的冷弯型钢 产品国家标 准 GB/T 6725 —2002 和 GB/T 6728—2002 已 于 2002 年 12 月颁布。2003 年 6 月建设部正式下文， 由工艺所 主编起草国家建设行业标准 《建筑结构用方矩形钢管》 。工 艺所的 《高强度高抗震高耐火耐候超大规格方矩形管及连 接件研究》 课题经国家科技部批准， 已列入国家高技术研究
同时由于不同壁厚产品的成型弯曲弧度不同， 轧辊通用 性受到限制。 工艺所的大规格冷弯方矩形钢管采用了先进的 “直接 成方”生产工艺， 即在常温下将热轧钢卷板直接轧成方矩形
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３．３ 旋转锯切技术
工艺所大规格冷弯型钢生产线采用旋转锯切设备，保证 +5mm ， 同时保持了大 了产品的定尺精度， 精定尺精度为 0 耀
[作者简介] 郁竑 （1951耀 ） 男， 江苏南通人， 教授级高级工程师， 从 事光机电一体化方面的设计与研究.
发展计划 （863 计划） 。
２ 产品的性能特点
２．１ 大规格 工艺所方矩形钢管生产线产品的最大规格为 500 mm伊 500 mm伊 19mm， 为世界第二。世界第一的日本新日铁 26 英 寸方矩管生产线最大规格为 550 mm伊 550 mm 伊 22mm。欧美 国家目前最大规格方矩形 管为 400伊 400伊 12.7mm 。 ２．２ 高强度
传统辊弯成型工艺采用定弯点位置变弯曲弧度法完成 管坯角部成型， 适用于轧制中小规格产品。用这种工艺轧制 “三高一超” 方矩管， 会暴露出其固有缺陷。 有于该工艺弯曲 过程中的轧辊作用力始终集中于一点， 过分的应力集中往往 型材弯曲过程中出现显微裂纹， 严重 在厚壁 （12.7mm 以上） 时导致开裂。有这种缺陷的产品用于建筑钢结构后果严重。 对日本阪神大地震中断裂方矩管立柱的研究表明， 角部微裂 纹是引发方矩管断裂的主要原因。
３ 方矩形钢管生产线的主要工艺特点
冷弯方矩形钢管的传统成形工艺是在常温下先将热轧 钢卷板通过多架成形机组逐步轧成圆管， 随后通过整形机组 再将圆管轧成方管， 被称作 “间接成方” 工艺， 如图 2 所示。
a 定点变径工艺示意
b
定弯曲弧度变弯点位置工艺示意
图 ４ 定点变径工艺和定弯曲弧度变弯点位置工艺示意图 图 ２ 间接成方的先圆后方图
线在世界上排前两名，仅次于最大的日本新日铁公司 660mm(26in)冷弯型钢线， 其特点如下：
图 ３ 直接成方闭口产品辊花图
B490RNQ 抗拉强度 B490RNQ 屈服强度 Q345B 抗拉强度 Q345B 屈服强度
３．１ 弯曲孤度变弯点位置成型工艺 工艺所采 用了弯曲弧度变弯点位置成型工艺。这种工艺
工艺所生产的方矩形管最大厚度达 19mm， 超厚不仅体 现在绝对厚度上， 还体现在产品的相对厚度上。 对厚度是冷弯成型难易的一个重要指标，方管用边厚比 /贼 ） 表示。 目前国内外普遍认为， 边厚比低于 10 时产品具有 （月 很高的成型难度。 工艺所生产的方矩形管， 其小断面大壁厚产 100mm 伊 14mm、 120mm 伊 品 边 厚 比 可 达 7， 如 100mm 伊 120mm伊 16mm 等。
４ 大规格厚壁冷弯方矩形管的性能
表 ２ 产品的机械性能对比
Ⅰ级 屈服强度 /MPa ≥ 235 ≥ 225 ≥ 345 ≥ 325 ≥ 390 ≥ 370 ≥ 255 ≥ 245 ≥ 235 ≥ 365 ≥ 355 ≥ 345 ≥ 410 ≥ 400 ≥ 390 ≥490
成型方式
产品屈服 强度等级 235 345
为了减轻自重、 提高抗震抗冲击等安全性能， 国内外开 始广泛使用高强钢，材料强度极限已达 630MPa 甚至更高。 按产 工艺所生产的方矩形管， 其母材抗拉强度可达 630Mpa， 品强度等级列世界第一， 日本新日铁生产线产品的最高强度 两者相差接近 15% 。 仅为 550Mpa ，
２．３ 产品超厚
采用一个弯曲半径， 各道次的弯曲受力点在弯曲部位逐渐变
100 200 300
400
500
600 700 800 /益
。由于施力点不断变化， 化， 最终完成整个成型过程 （图 4 ） 产品成型自然平滑， 有效解决了厚壁高强产品的角部微裂纹 问题。工艺所在前期预研中采用这种工艺对壁厚 8mm 以上 产品作成型试验， 效果良好。 同时， 固定的轧辊弯曲弧度为轧 辊的通用性和在线快速换辊创造了条件， 更换规格时的换辊 26h 缩短为 2h耀 3h。 时间可以从 24h耀
力学拉伸 冲击性能 屈服强度 抗拉强度 延伸率 试验 冲击 试验 屈强比 2 5 (％) 温度/℃ 功/J 方向 厚度/mm /(N/mm2) /(N/mm ) ≥6&＜12 － ≥345 470～610 ≥21 20 ≥34 纵向 ≥12&≤20 ≤0.83
并在此基础上研制出全世
界第一条最大规格达 500mm 伊 500mm 伊 19mm 的 方 矩 形 管 排 辊直接成方生产线，这条生产
５ 前景展望
大规格高强度高抗震高耐火耐候厚壁冷弯方矩形钢管 的国产化填补了国内建材领域的空白。这样一种新型截面、 新型材质的钢构件可广泛应用于航站楼、 体育场馆、 会展中 心等空间结构和桁架结构体系中，也能应用于近年来兴起 的钢结构住宅体系之中，将有力促进我国冷弯型钢产品结 构调整， 并带动钢结构建筑的发展。
壁厚 /mm 4~12 >12~22 4~12 >12~22 4~12 >12~22 4~16 4~12 >12~22 4~16 4~12 >12~22 4~16 4~12 >12~22
抗拉强度 延伸率 (常温) /MPa /(%) 冲击功/J ≥23 — ≥375 ≥24 ≥ 27 ≥470 ≥21 ≥22 ≥19 ≥20 ≥15 ≥17 ≥21 ≥13 ≥15 ≥19 ≥ 11 ≥13 ≥17 — ≥ 27 — ≥ 27 — ≥ 27 — ≥ 27 — ≥ 27