H型钢的发展历程及改进趋势

H型钢的发展历程及改进趋势H世钢是一种截面忧化世劎,是截面绘合理的钢梁"在形状上,H世钢也称宽缘钢梁或宽T行T-字钢.H电钢具仃壁薄、昶缘宽、单至轻、疗笛材料,并」I规格赛、高度范围人、翼缘内外侧表面基本平行、翼缘内端为直角、使用方便灵活，便于钾焊连结，有良好的使用性能，其断面模数、刚度虞相应惯性矩等力学性能都优于同类工字钢⑴。在不同要求的金属结构件中，H型钢不论是在重量、施工、抗震性和节能降耗，还是承受弯曲力矩、压力荷重、偏心荷重等方面都显示出其独具的优点。因此，广泛的应用到建筑、人型工业厂房、发电厂、机械制造、起重机械、石油化工、海洋口艮桥梁闸坝利地谍丁-稈等行业,是一种高如赛川途钢材,越來越被人们所重视必叫H型钢作为国内的一种新兴产品，人规模工业化生产只有十余年的时间*対其生产过程技术的研究需要进行人量细致的工作。中国第一条H型钢生产线即马钢H型钢生产线主休电气设备从国外引进，具有工艺装备先进、自动化控制水平高等特点,达到20世纪90年代国陌先进水T：叫马钢以“把H型钢建成马钢标在性产站，形成企业核心竞争力”为出发点，在各种规格热轧H型钢国外先进生产技术的消化吸收、新产胡的研发、牛一产能力及产砧质吐的捉高、主产系统的信息化建设、牛产装备的国产化等方面进行了较为系统和深入的研究,开展了巾-仃成效的T-作,使各项主要经济技术指标全面超越了原设计水平，创造了巨人的经济效益和社会效马钢大型H型钢生产线整休上运行良好，但轧制线缺乏对轧件性能的调控能力。从目前钢铁生产的发展趋势和用户使用情况看，对轧件进行在线热处理（控制冷却〕和性能调控是H型钢发展的一个重要方向。超快速冷却技术是近年来发展的一种具有较高冷却速率的冷却方袪，其特点是控制轧件在限定（通常极短｝的时间内，快速降温至目标温度序叫超快速冷却的设备特点是:体枳小,设计结构:U杂,流体换热效率高。这种技术主耍应川」:钢材热加工工艺过程中的轧后快速冷却及中间坯快速冷却，不仅能提高钢材综合力学性能、便用性能以及牛产效率,而且也町以降低钢材屮的合金元素,挣约资源,起到降本增效的作川。依托国家科技支撑计划项口“高效节约型建筑用钢产品开发及应用研究”,马钢H噴钢厂大H型钢勺:-产线轧A亍超快速冷却装置巴研制成功并投A便用,IV绘人冷却能丿J可达到80^150r/s,冷却断面可满足目前人H型钢生产线所有规格*便马钢人H型钢生产线成为我国第一条具备轧后超快速冷却能力的H型钢生产线。目前国内外对H型钢轧人|采JI」超快速冷却T一艺及应用研究萇少。H型钢的发展可追溯到19世纪屮叶，1849年法国人兹尔发明了焊接工字钢，由r其力学性能优r角钢，得到迅速的发展。两年后用两轮轧制法轧出了工字钢，由其腿窄只能作钢梁使用。1850〜I860年力能轧机在美国发明，为轧制平行腿的钢梁创造了条件，1897年格林等人指出：同时解决H型钢腿部宽度和腿尖加工问题仅用一架）｝能轧机是不行的，要解决此问题必须有一架）｝能轧机与轧边机连轧才行。H型钢生产的发展受到了这一成果极人地推动。1908年前后采用格林法生产H型钢有美国的伯利恒、德国培因厂，1955年欧洲煤钢联营成功开发出IPE系列钢梁即H型钢，1957年9月第一批IPE系列钢梁在德国培因厂顺利生产。60年代以后，随着世界钢铁工业的发展，H型钢轧制也得到迅速发展。热轧H型钢诞生一百多年來，经历了四个发展阶段⑴：第一阶段即普通型工字钢；第二阶段是窄腿H型钢（如IPE系列）；第三阶段为宽腿钢（如IPB系列）；第四阶段为闭合形型钢（如方管）。H型钢生产的发展⑻简况如图1.1所示。图I」II型钢的发展简况Fig」」ThedevelopmentofIIbeamh型钢又叫平行腿工字钢，由r其使用方便并貝有很好的经济性，所以h型钢的用途非常广泛。H型钢与普通工字钢相比,具有如下优点:（1）受力性能优良，相同单重时，截面模数人，用途更为广泛。H型钢与普通工字钢相比，腹板高H与翼缘宽BZ比H/B较小，前者的H/B仅为0.95〜1.46,而后者为1.47〜2.73,这是H型钢在尺寸上的显著特点,H型钢截面对受弯曲构件和受压稳定來说是最佳截面，因此非常适合用做受压构件，而普通工字钢只适合作受弯构件而不适合作受压构件。（2）截面设计更为合理，在承受和同载荷的条件卜.H型钢比普通工字钢可节约金属10〜15%.在相同截而而枳的情况K采用H型钢钢桩比普通工字钢钢柱承载能力人一借以上。与焊接H型钢相比，产品质量高，价格低。（3）H型钢具有便丁•连接杆件、造型美观、节约工时等优点。H型钢翼缘上卜•边缘是相互平行的，I天I此很好地适应了构件Z间的连接构造，不同规格的H型钢可以很方便地组合成许多不同形状和尺寸的构件。H型钢便进行各种机械加工和焊接作业且装卸方便，这可以人人加快施工进度，缩短建没周期⑴⑴。从20世纪60年代起，出现了钢的微合金化(Microalloyingofsteel),这一提法也慢慢地被人们认同。微合金化是一个笼统的概念，通常指在原有添加合金元素的基础上再添加微量的Nb、V、Ti等碳氮物形成元素2⑷,这些元素可以对材料力学性能有影响、也可以对耐蚀性、耐热性起利有作用。根据钢类及品种的不同，添加不同含量的微合金元素。对于主加合金元素来说,微合金元素是属于微量范围内的。微合金钢是局限在热轧低碳和热轧超低碳的圈子里，它有儿个基本属性,，5-171：1)在钢中添加的微合金元素，在加热过程时发生溶解，在冷却过程中会人最析出碳氮化物，通过细化晶粒和沉淀强化等行为对钢的力学性能发挥作用。2)微合金化钢受轧制过程中控轧控冷工艺影响较人，钢的微合金化结合钢的控轧控冷技术既是作为微合金化钢设计、生产等的重要前提，也是微合金化钢叫做新型低合金高强度钢的依据。人们最早注意到的微合金元素是帆元素，早在19世纪20年代，美国人Bullens就开发出添加0.】2%〜0.20%锐的软钢。在钢中f尼的应用比帆要晚，1945年后，科学研究工作者成功解决了饥的冶金问题，饥钢的研制和开发应用在人西洋两岸同时积极进行。在过去的40年，馄、锐、钛微合金化的HSLA钢得到了迅速发展，目前世界上总生产量约为8000)］吨/年I，x_，91o在1970年以后是微合金钢的迅速发展时期，特别在20世纪90年代屮后期，新一代钢铁材料研发计划在世界主要钢铁生产国相继被制定并实施，钢铁材料的最重要发展方向是微合金化、超细组织、高洁净度和高均匀度，微合金钢的研发及应用获得了更为广泛的重视和认同㈤】。微合金钢在各工业发达国家被作为钢铁工业中最重要的研制和发展方向。20世纪90年代以后，美国把利用微合金钢新技术改进其海军舰艇用高强度合金船体钢板(HSLA80〜100)的可焊性和韧性列入美国国防生产规划，政府投入6亿美元将BethlehemStee啲BumsHarbor等几个钢厂(1991〜1996年)彻底改造,使其具备了生产新型微合金化高强度钢板的能力01。目前，国外正在开发设计用于人管径高压输送大然气管线，强度可达到700MPa,相当以铁一線为基体的APIX100的高强度微合金管线钢，现在已处丁•试用阶段［⑷。口本新口铁人分钢厂成功开发出厚度在18〜50mm,屈服强度人T400MPa的高强韧表层微合金钢板，并将之称为开拓性高技术钢1221。这种钢板主要是利用控轧和在线控冷技术在其两个表面各形成4mm厚度的超细晶粒(0.5〜2pm)强韧化带，心部则仍然保持细晶(】0〜12屮n),使钢板冷脆转移温度卜•降到・123°C,比市场通用的微合金钢板的冷脆转移温度低约40°C左右，而且此种钢板还具有极高韧性(AKV>200J),它主要用丁•抗震型高层建筑钢结构。我国已经形成了一批微合金钢开发和生产的基地。以人型钢铁企业的技术屮心为核心，构成了微合金钢的开发和生产基地，如近年宝钢的管线钢和汽车用钢、武钢的桥梁钢和容器钢、浦钢的造船用钢、马钢的高层建筑用钢、鞍钢的工程机械用钢和海上采汕平台用钢、攀钢的重轨以及南钢的微介金III级钢筋，从介金设计到装备的改造和工艺优化，均取得了各有侧重的成就。1.4.2高强度H型钢低合金高强度钢不仅具有高的强度，而且碳当最很低，故具有良好的焊接性能。因低合金高强度钢的应用口趋广泛,开发各种类型的低合金高强度热轧H型钢成为各H型钢生产企业的主要研究方向。目前开发低合金高强度钢的主要产品是板材。由丁•型材的轧制变形较复杂，低合金高强度H型钢的开发相对难度较人。而H型钢的变形较近似丁•板材轧制，为开发低合金高强度H型钢创造了有利条件㈢Hl。程昴，杨俊®切通过控制生产中的各关键参数,添加适最的饥、锐、钛等微合金化元素，采用“微合金化+控制轧制”技术，成功开发了凡Q400MPa的高强度H型钢产品。不仅完全符合有关标准要求，且在某些方面明显高丁•标准要求，钢材强度较高、屈强比较低、塑性与韧性较好、组织细密均匀，晶粒度平均为9.5级，钢材的表面质就优良，尺寸精度很高。为今后生产更高级别H型钢奠定了基础。汪开忠等［绚用60t顶底复吹转炉冶炼，钢包炉吹氟、喂线和成分微调，异型坯(mm:750X450X120)弧形连铸和H型钢万能轧机轧制工艺研制了碳当量CeqW0.42%的V・Nb微合金高强度热轧H型钢(%):0.14〜0.17C,0.43〜0.55Si,1.2K-1.45Mn+().01()■-O.()2SS+0.010〜0.02了P,0.03—0.05Nb+0.08—042V.检验统计数据表明,BS55C热轧H业钢纟」L织为铁素体和珠光体，实亟晶粒度9级,屈服强度均在420MPa以I...榨鼎等a1采11J帆氮微合金化*|Hj钢屮添加W<).01%Nbflio.101-0.12K%V+控制轧制匸艺•加热温度1230-1260V,在950VW卜形变ht达到60%t终轧温度830-8S00轧后空冷。咸功研制出：组织主要为铁素体和珠光体，铁素休晶粒非常细小*丫均晶粒尺寸均小」70imi*晶粒度在9级以1一,屈服强度为他MPa,抗拉强度为610MPa的热轧H型钢.川埼制铁公司J'-1997年被□本建设省批准主产590MPa级高强度建筑钢材,但这种钢材需要二次淬火一回火处理，对于特厚H型钢则需要有专用热处理炉，既影响了交货时血,也捉高了主产成木。川崎制铁公id采取微调T钢屮的化学成介和控制组织形态等方法，即采用在超低碳贝氏休钢中添加铜兀素，利用铜元素析出硬化作用，成功开发出在590MPa级别高强度特厚H型钢，满足用户对59OMP自级特厚H型钢的需求吧钱健清等卩叮通过理论研究井综合产品要求和现有的条件。应用VN合金来实现低碳高强度H型钢的开发-通过实验室实验确址了具休的轧制匸艺.绘后经过试牛产开发出性能优异的低碳高强度H型钢。试生产在马钢H型钢中型生产线上进行