热轧大型H型钢残余应力相关研究

李同敬

摘 要：热轧大型H型钢以其优越的力学性能、经济性在建筑行业、电力工程行业、石油化工行业等众多领域得到广泛应用。随着热轧大型H型钢应用规模的不断提升，其性能相关问题的研究得到越来越多人的关注。本文以热轧大型H型鋼残余应力为例，就热轧大型H型钢冷却后大残余应力的影响、钢残余应力分布情况以及钢残余应力控制进行了简要分析，以供参考。

关键词：热轧大型H型钢;残余应力;力学性质

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

0 引言

随着科学技术的创新发展，型钢钢材在我国各领域各行业正得到广泛应用，成为推动社会经济发展与建设的重要材料。大型H型钢作为型钢钢材体系中的重要组成部分，随着高层建筑、石油化工以及电力工程建设等的高速发展，需求量不断增加，轧制质量要求相应提升。热轧大型H型钢残余应力作为影响型钢轧制质量的重要因素，有必要加强残余应力相关问题的研究，实现残余应力的科学控制。

1 问题的提出

据不完全统计显示，截至2015年我国粗钢产量超过了8亿吨，钢材产量超过了11.2亿吨;截至2017年上半年，我国粗钢产量超过346800万吨，比同期增长了4.4个百分点。而在众多钢材产品生产与应用中，型钢所占比重相对较大，超过了百分之五十，而在众多型钢中，大型H型钢数量相对较多。追其原因，与我国建筑事业、电力事业等的发展存在密切关联性（大型H型钢在高层建筑、预配置装配建筑建设中具有广泛应用性）。与此同时，随着大型H型钢需求量的不断增加，对其性能与应用质量提出了更高的要求。而在性能与质量研究中发现，热轧大型H型钢冷却后的残余应力对其性能与质量存在一定影响。例如，汤夕春、贺小川等（2006）研究发现，残余应力对H型钢承载能力存在影响;高丽亚（2006）、谈燕（2008）朱国明（2017）等研究发现，残余应力对H型钢稳定性存在影响。但从理论研究整体层面来看，关于热轧大型H型钢残余热应力相关问题的研究相对较少[1]。基于此，为降低热轧大型H型钢残余应力对大型H型钢性能与质量的影响，丰富相关理论研究体系，本文以轧后HN700mm×300mm规格的大型H型钢为例，对其残余应力进行了简要分析，探寻控制残余热应力影响的方式方法。

2 热轧大型H型钢残余应力存在的影响

通常情况下，材料在进行加工时，受多种因素影响，材料的各个部分会发生变形，且变形程度不同。但由于材料所生产加工的产品多为一个整体，在各部分变形过程中，存在相互制约性，在内部形成一个平衡的力，即为内应力。当材料加工完成后，仍存在与工件内部的应力则被称之为“残余应力”[2]。就大型H型钢而言，在工件受热加工过程中，一般会产生结构内应力与热应力两种内应力，故在加工完成后，也会产生残余结构应力与残余热应力两种残余应力。而实践证明残余应力的产生，会导致大型H型钢的腹板出现波浪，影响大型H型钢整体质量。与此同时，残余应力的产生能够使大型H型钢的截面处形成塑性区，扩大非弹性屈曲范围、降低H型钢非弹性屈曲的荷载限值，影响H型钢整体性能，降低大型H型钢应用的稳定性、可靠性，从而无法满足作为梁、柱等构件的要求。

3 热轧大型H型钢冷却后残余应力分布情况

以轧后规格为HN700mm×300mm的大型H型钢为例，应用隐式时间积分算法对其残余应力分布情况进行了数值模拟分析。在此过程中，提出基本假设，如“热轧后，工件初始长度为300cm，弹塑性”、“热轧后大型H型钢为理想型，即工件首尾整齐”、“在15℃以下，大型H型钢的残余应力情况为常规状态”等。结果分析可知，热轧后大型H型钢残余应力分布情况相对复杂，大型H型钢腹板部分以压应力为主，且在长与宽的对称中心位置最为明显;大型H型钢腹板与型钢翼缘连接处则以拉应力为主;大型H型断面存在的残余应力为不均匀分布，随着断面厚度的变化而变化[3]。

与此同时，为进一步探寻大型H型钢冷却后残余应力情况，对翼缘切割过程中大型H型残余应力场存在的变化进行了分析，发现，在切割过程中大型H型钢腹板部分的残余应力场产生了一定变化，即压应力逐渐向拉应力进行转化，并从切口处开始向四周拓展，在一定程度上为工件加工过程中裂纹问题的产生提供了空间。与此同时，当拓展到腿腰连接位置时，应力变化将发生巨大改变，即由“平稳”转化为“突增”，当应力增加到一定值时，大型H型钢将产生腹板开裂问题。

4 热轧大型H型钢残余应力控制措施

由上述分析可知，热轧大型H型的残余应力主要分布在钢腹板位置以及腹板与翼缘连接位置，且H型加工过程中，腹板开裂问题的产生与热轧冷却后残余应力的转变存在密切关联性。根据残余应力分布情况以及转变规律，可采用翼缘外侧强制冷却与型钢断面温差调控的方法，进行热轧大型H型钢残余应力影响的控制，以减低残余应力对型钢质量与性能的影响。方法试验与残余应力检测发现，强制冷却法能够有效降低型钢残余应力的产生与影响，腹板压应力可减少20MPa～50MPa，提升型钢加工成材率。

5 结论

总而言之，热轧大型H型钢残余应力是影响大型H型钢轧制质量的关键因素。因此，在当前大型H型钢需求量不断增多，轧制质量要求不断提升的背景下，应加强热轧大型H型钢残余应力相关问题的研究，对热轧大型H型钢残余应力存在的不利影响具有全面认知与了解，掌握残余应力分布情况，并采取行之有效的措施进行控制，实现残余应力不利影响的消除。

参考文献：

[1]马劲红，陈松，田畅.冷却工艺对Q235H型钢组织及力学性能的影响[J].热加工工艺，2018，47（04）：232-234.

[2]甘宅平.热轧型钢轧辊材质的研究与发展方向[J].冶金设备，2017（S2）：31-45.

[3]裴暖暖，朱国明，李波等.小型H型钢全轧程数值模拟及斜轧孔型轧制力模型研究[J].轧钢，2014，31（02）：25-30.