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大规格冷弯方矩形管及其生产工艺概述

供稿人:吴春莹  供稿时间:2006-7-26   关键字:大规格  冷弯  方矩形管  
冷弯方矩形管又称为冷弯方矩形空心结构型钢,作为一种轻型、薄壁、大断面惯性矩的高效型材,正广泛应用于建筑、汽车、航空、轻工和机械制造等行业。在建筑行业,特别是在中高层、高层及超高层建筑中,具有大中口径和厚壁的大规格冷弯方矩形管因承受力大、刚度大、抗变形能力强、耐久性好、防火、抗震性好、自重轻等一系列优点,其地位愈显突出。
大规格冷弯方矩形管的生产工艺
目前生产大规格方矩形管有四种工艺:
 
1.平板拼焊工艺
 
传统的大规格方矩形管采用四块钢板拼焊而成(如图1所示)。其优点在于可以省却弯曲工序,并且不受壁厚的限制。缺点为生产速度慢、质量不稳定、强度低,并且产生四条焊缝。目前,该生产工艺已很少被采用。
 
图1 生产大规格方矩形管的平板拼焊工艺

资料来源:上海宝钢建筑工程设计研究院
 

2.高频电阻焊(ERW)的先圆后方工艺

这是生产方矩形钢管的一种基本工艺,即在高频电阻焊机组生产圆管工艺的基础上,在定径机上增设方矩形孔型,使圆形焊管冷却加工成方矩形焊管(如图2所示)。该工艺的优点是尺寸精度较高,弯角90°处壁厚稍增。关于缺点,有文献指出:在由圆变方的过程中,轧辊作用力始终集中于一点,应力集中。往往在壁厚(>12.7mm)时,型材弯曲过程中可能出现显微裂纹,严重时甚至断裂。另外,当生产小批量、多品种时,换辊次数多。
 
图2 生产大规格方矩形管的先圆后方工艺
 
 
资料来源:北美钢管协会2001年报告
 
日本新日铁建材公司利用圆变方辊弯机组生产的方矩形管,产品最大规格达550mm×550mm×22mm。
 
3.高频电阻焊(ERW)的直接成方工艺
 
该工艺即采用专用成型机组将带钢直接弯曲成方矩形管(如图3所示)。其优点在于有效地解决了厚壁高强度产品的角部微裂纹问题,同时,在生产小批量、多品种时换辊次数较少;缺点是弯角90°处壁厚变薄。
 
图3 生产大规格方矩形管的直接成方工艺   
 
资料来源:北美钢管协会2001年报告
 
美国Bull Moose Tube 公司采用辊弯直接成方工艺生产的方矩形钢管,产品最大规格为304mm×304mm×15.8mm;上海宝钢建筑工程设计研究院采用排辊直接成方工艺生产冷弯方矩形,产品最大规格为500mm×500mm×19mm。
 
直接成方和先圆后方是目前生产大规格冷弯方矩形管的主流工艺。在这两种工艺的产品机械性能对比上:先圆后方工艺是二次成型,由于“加工硬化”的作用,使钢管的屈服限有所提高,但延伸率有所下降;“直接成方”工艺是一次成型,则在钢管的力学性能方面与母材相近。
 
4.埋弧焊(SAW)的两槽钢对扣拼焊工艺
 
该工艺是将板卷分别弯曲成“[”形,然后用埋弧焊(内外焊)将两个“[”形对焊成双焊缝方矩形管(如图4所示)。这种成型工艺有两个特点:一是可以在方矩形管内部加隔板(筋板);二是断面可至200mm×200mm~1000mm×1000mm的范围,突破了高频电阻焊(ERW)焊管断面只能达到550mm×550mm的局限。然而,其缺点也不容忽视:一是双焊缝工艺用对接焊缝以及焊后离线热处理再加以矫正工序较为复杂;同时,由于预先仍然是辊弯成型,故最大壁厚一般不超过20mm;并且,由于两条焊缝同在中心截面上,在作受力件使焊缝承受剪切力时非常不利。
 
图4 生产大规格方矩形管的两槽钢对扣拼焊工艺
 
 
资料来源:北美钢管协会2001年报告
 
武钢集团汉口轧钢厂利用现有机组生产的500mm×250mm×12.5mm冷弯钢槽,并结合自行设计的钢槽刨边打坡口装置,进行两钢槽对扣拼焊,从而生产出500mm×500mm×12.5mm的大规格方形管。
方矩形管的市场及其应用情况
近年来,方矩形管作为新型绿色建材在世界各国的建筑业展示出广阔的应用前景。北美钢管协会特设有空心结构型钢委员会(STI/HSS),其成员公司如表1所示:
 
表1 STI/HSS成员公司名单
公司名
中文公司名
国家
Atlas Tube, Inc.
阿特拉斯钢管公司
加拿大
Bull Moose Tube Company
布尔-穆斯钢管公司
美国
Eugene Welding Company
尤金焊接公司
美国
Hanna Steel Corporation
汉纳钢公司
美国
Hannibal Industries, Inc.
汉尼拔工业有限公司
美国
Independence Tube Corporation
独立钢管公司
美国
IPSCO Tubulars Inc.
伊普斯科钢管公司
美国
LTV Copperweld
LTV科珀韦尔德公司
加拿大
Maverick Tube Corporation
马弗里克钢管公司
美国
Novamerican Steel Inc.
诺美钢铁公司
美国
Productos Laminados de Monterrey, SA de CV
普罗兰沙公司
墨西哥
Valmont Industries
维蒙特工业公司
美国
Vest, Incorporated
维斯特公司
美国
Welded Tube of Canada Limited
加拿大焊管有限公司
加拿大
资料来源:北美钢管协会2001年报告,上海科学技术情报研究所整理
 
在过去的几年中,美国空心结构型钢市场得到了迅速的发展(如图5所示)。据美国LTV钢铁公司估计,最近5年,美国空心结构型钢消耗量还将以每年5%~10%的速度增长。目前,美国方矩形管的产品规格可达到1200mm×1200mm。
 
图5 自1994年美国空心结构型钢的出货量
 
资料来源:北美钢管协会2001年报告
 
在地震频发的岛国日本,自从1984年仙台地震以后,日本建筑法规定钢结构住宅立柱必须采用方矩形管以提高住宅的抗震性。随着方矩形管在建筑钢结构应用上的普及,其生产的规格也逐渐增大。东芝钢管、丸一钢管和日本制管株式会社等大型企业均以生产方矩形管和普通开口型钢为主,目前方矩形管最大规格已达到550mm×550mm,最大壁厚为22mm。2002年日本钢结构用冷弯方矩形管总产量已达到200×104 t,市场需求量最大的钢管规格为200mm×200mm~400mm×400mm,这些规格的方矩形管覆盖了日本钢结构用方矩形管总量的80%以上。
 
我国在上世纪90年代以前,仅能生产规格为180mm×180mm×8mm及以下的冷弯方形管。为适应市场需求,提供更优质、更大规格的冷弯方矩形管,国内部分钢铁企业纷纷新增了大型冷弯空心方矩型钢生产线。根据2004年底的统计数据,我国现有专业生产大中口径方矩形焊管企业12家,年设计产能127万t,产品最大规格达到500mm×500mm×19mm(如表2所示)。
 
表2 专业生产大中口径方矩形焊管企业(生产线)
 
序号
企业名称
产品最大规格,mm
机组特征
设计产能,万t/a
1
宝钢上海钢铁工艺研究所
500×500×19
直接成方/排辊
15
350×350×16
 
10
2
无锡玉龙钢管公司
400×400×12
直接成方/辊式
10
250×250×8
直接成方/排辊
8
3
沈阳东洋异型钢管公司
400×400×16
先圆后方/辊式
5
4
秦皇岛东洋特殊钢管公司
400×400×22
先圆后方/辊式
5
5
山东泰安山口钢管公司
400×400×16
直接成方/排辊
15
6
杭州大光明重型钢管公司
400×400×16
先圆后方/辊式
15
7
武钢集团汉口轧钢厂
300×300×12.7
直接成方/辊式
10
8
广州钢管厂
200×200×8
直接成方/排辊
8
9
上海佳艺冷弯型钢厂
200×200×10
先圆后方/辊式
8
10
鞍山中铁钢管公司
200×200×8
先圆后方/辊式
6
11
天津淮海冷弯型钢公司
200×200×8
直接成方/辊式
6
12
天津港星冷弯型钢公司
200×200×8
直接成方/辊式
6
总计
14套
200×200~500×500
直接成方/先圆后方
127
 
资料来源:http://www.tjbcm.cn/bcminfo/info02/bcmmarket/shichangzs/D200412020495.htm
 
与之同时,我国北京、上海和南方沿海等地在轻型钢结构建筑中开始大量应用冷弯方矩形管。较为典型的应用实例如表3所示:
 
表3 冷弯方矩形管在我国建筑业的应用实例
 
建筑类型
建筑物名称
截面形式
工业厂房
上海钢铁工艺技术研究所冷弯型钢厂厂房
方矩形
武汉汉口轧钢厂冷弯型钢车间
方矩形
大型标志性建筑
上海东方明珠电视塔
方形
 
上海金贸大厦
方矩形
浦东国际机场候机大楼
方形
民用建筑
天津市丽苑小区试点工程
方形
杭州瑞丰大厦
方矩形
武汉国际证券大厦
方矩形
台北国际金融中心
矩形
资料来源:《焊管》2005年28卷第3期,上海科学技术情报研究所整理
 
随着国内钢管混凝土工程应用的不断增加,方矩形钢管的生产正逐步从数量扩张型向质量创新型方向转变,向大规格、高强度、高抗震和高耐火耐候方向发展,以适应节约型社会和循环经济的趋势。
 
参考文献
1.Hollow structural sections(北美钢管协会2001年报告)
http://www.pirate4x4.com/tech/billavista/PDFs/HSS%20Principal%20producers%20and%20capabilities.pdf

2.冷弯方矩形管的性能特点及其在建筑业中的应用
焊管.2005,28(3).6-9

3.大型冷弯方、矩形钢管的生产与研究
焊管.2003,26(6).28-31

4.关于钢管在钢结构行业的市场分析
http://www.tjbcm.cn/bcminfo/info02/bcmmarket/shichangzs/D200412020495.htm

5.新日铁公司冷间成形角形钢管
http://www.nsc.co.jp/kenzai/kenchiku/bcr-bcp/std.html

6.Bull Moose Tube HSS Section Properties — Squares
http://www.bullmoosetube.com/images/PDFs/bmt-square- properties.pdf

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