Анализ и направления развития процессов производства низкоуглеродистой бунтовой арматурной стали

под ред. В.M. Салганика. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011. С. 84-89.

4. Sonia Benesova, Jan Krnac. Application of Cockroft-Latham criterion in FEM analysis of wire fracture in conventional drawing of high carbon steel wires. Pittsburgh. 2008.

УДК 621.778.08

В.А. Харитонов, И.М. Петров

ФГБОУВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

АНАЛИЗ И НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ БУНТОВОЙ АРМАТУРНОЙ СТАЛИ

Конкуренция на строительном рынке порождает необходимость снижения себестоимости и сокращения сроков строительства, для чего нужны эффективные строительные материалы и современные технологии изготовления строительных конструкций, обеспечивающие надежность и долговечность сооружений. Особое место среди строительных материалов занимает низкоуглеродистая бунтовая арматурная сталь - стальной каркас железобетонных конструкций.

Основным доминирующим и даже предпочтительным композитным строительным материалом сегодня остается железобетон. Арматур-

наилучшего композитного материала [1].

Современное производство (передовая технология с соответствующей материальной базой предприятия) и персонал определяют основные условия производства и служат базой качества. Если предприятие в процессе создания продукции использует передовую технологию и имеет соответствующую ей материальную базу, а также квалифицированный персонал, заинтересованный в результатах своего труда, значит,

Такая база создает возможность улучшения качества продукции.

Для реализации возможностей, создаваемых базой качества, необходимо

-

тактическом уровне.

Отсутствие необходимой материальной базы, устаревшая технология, недостаточная мотивация или квалификация персонала приводят к тому, что процесс управления качеством будет проходить вхолостую, без

Целью статьи является сравнительный анализ и оценка различных вариантов технологических процессов производства низкоуглеродистой

Системное представление производственного процесса рассматривает взаимосвязанное влияние на технологический процесс таких операторов как люди, технические системы, специальная информация, управление, регулирование и внешние условия (см. рисунок) [3].

Системное представление производственного процесса

Стандарты регламентируют требования к выходу производствен-

В России низкоуглеродистую бунтовую арматурную сталь выпускают по требованиям ГОСТ 6727-80, ГОСТ Р 52544-2006, ГОСТ 5781-82, а также технических условий. Примерами зарубежных стандартов могут служить БШ 488 часть 1:1984 (Германия), А8ТМ А 615 (США), В8 4449:2005 (Великобритания).

В современных условиях строителям требуется арматурная сталь для ненапряженного железобетона с принципиально другими потребительскими свойствами, чем те, что регламентируются сегодня отечественными стандартами, например, ГОСТ 5781-82, СТО АСЧМ 7-93, ГОСТ 6727-80 и даже наиболее современным ГОСТ Р 52544-2006. Высокая пластичность, дифференцированная по категориям, свариваемость, коррози-

онная стойкость, надежность сцепления с бетоном, выносливость, ударная и статическая вязкость наряду с прочностью — вот востребованные категории арматурного проката для современного строительного комплекса [4].

Именно арматура по своим физико-механическим и эксплуатационным признакам может оказать существенное позитивное влияние на основные признаки эффективности железобетона, а именно, металлоемкость, индустриальность, долговечность и сейсмостойкость (безопасность) [1].

Уровень требований отечественных стандартов уступает требованиям зарубежных стандартов [5]. В европейской и международной практике проектирования и строительства в соответствии с международным стандартом ЕШ992-1 Еигосос1е2 для арматуры, используемой в ненапряженном железобетоне, для каждого класса прочности включены три категории пластичности арматуры: А, В и С. Показатель полного относительного удлинения при максимальном напряжении А^ для указанных категорий, соответственно, составляет >2,5; >5,0 и >7,5 %.

Отечественные металлургические предприятия выпускают сегодня горячекатаную и термически упрочненную арматурную сталь класса А500С с удовлетворительными эксплуатационными свойствами, в том числе соответствующими категории В по Ешосос1е 2, то есть А^ >5 %.

В отечественных стандартах СТО АСЧМ 7-93 и ГОСТ Р 525442006 регламентируются свойства, соответствующие лишь категории А по Еигосос1е 2, т.е. Agt > 2,5 %. Категорий В и С, т.е. нормирования высокопластичного арматурного проката в отечественных стандартах не предусматривается. В лучшем случае отечественный арматурный прокат класса А500С по этим документам соответствует классу В500А по ЕК 10080:2005, т.е. уровню холоднодеформированного проката [4].

Повышение эффективности отечественного строительства, надежности и безопасности эксплуатации строительных сооружений, снижение себестоимости железобетона, а также актуальная необходимость сближения эксплуатационных показателей отечественного арматурного проката с европейским уровнем предполагает производство и применение низкоуглеродистой бунтовой арматуры в комплексе следующих категорий:

класс прочности не менее 500 Н/мм2 с возможностью его повышения при минимальных затратах и времени; категория пластичности в соответствии с Еигосос1е 2 «В» и «С»;

способы упрочнения арматуры должны минимизировать применение операций термической обработки, в особенности для сейсмически стойкого проката категории пластичности «С»;

форма и параметры периодического профиля должны обеспечивать высокие показатели сцепления с бетоном, формироваться пред-

почтительно при горячей прокатке и полностью обеспечивать эффективную механизированную высокопроизводительную переработку;

технологическая свариваемость должна обеспечиваться не только низким содержанием углерода, но и содержанием необходимых для этого легирующих элементов, состав и доля которых могут определяться еще и способом упрочнения проката;

прокат должен быть коррозионностойким как минимум в сред-неагрессивных средах и морозоустойчивым до -50° С.

ГОСТ 6727-80 регламентирует малое количество потребительских свойств, уступает западным аналогам и устарел, но проволока, произведённая по нему, остаётся востребованной на российском рынке, в первую очередь, благодаря низкой цене.

Параметры производственного процесса, а также состав и состояние оборудования влияют на качество изделий и эффективность производства. Показатели процесса и оборудования должны обеспечивать получение высококачественных изделий с максимальной производительностью и минимальными затратами. Производственный процесс должен

- стабильность и устойчивость технологического процесса и работы оборудования, возможность длительного получения заданных показателей качества изделия;

- высокая эффективность процесса и производительность оборудования;

- цикличность производства, а также малооперационность;

- обеспечение условий труда.

Согласно системному представлению (см. рисунок), в основе производственного процесса лежит технологический процесс. В свою очередь, в основе технологического процесса лежат основные операции. Основные операции влекут за собой дополнительные операции. Например, использование волочения в качестве основной операции требует дополнительной операции проведения подготовки катанки к волочению. Также при выборе технологии необходимо учитывать влияние всех факторов на

Можно выделить несколько вариантов производственной системы - первый вариант это система, основанная на методах обработки металлов давлением (катанка —» ОМД — профилирование), другой вариант производственной системы - профилирование горячекатаной заготовки (катанка профилирование). Также как отдельную производственную систему можно выделить производство бунтовой арматуры по схеме «растяжение-знакопеременный изгиб».

Процесс производства низкоуглеродистой арматурной проволоки по классической схеме состоит в волочении горячекатаной заготовки (ка-

танки) на промежуточный размер в твердосплавных монолитных волоках и последующем профилировании [3].

В данной технологической схеме обязательными являются операции подготовки поверхности катанки к волочению, нанесение подсма-зочного слоя, термическая обработка. Большое количество операций увеличивает затраты. Также в данной технологической схеме обязательно появляются растягивающие напряжения в проволоке. Исключить их можно использованием дополнительных операций, например, отпуска или знакопеременной деформации, что, в свою очередь, также удорожает технологию. Также операции термообработки являются технологическим барьером.

Целесообразность применения волочения в монолитной волоке для производства арматуры определяется присущими процессу преимуществами - возможностью получать изделия высокой точности, повышением прочностных свойств за счёт наклёпа, высокой чистотой поверхно-

В сравнении с другими методами обработки металлов давлением волочение имеет ряд недостатков (разноименная схема напряженного состояния металла в деформационной зоне при волочении, значительные

Производство арматурной стали волочением не позволяет управлять производственным процессом и получать свойства, соответствую-

Некоторые недостатки данной технологической схемы можно устранить заменой волочения в монолитной волоке другим видом волочения - например, волочением во вращающейся монолитной волоке или волочение в роликовой волоке. Волочение проволоки через неприводные роликовые волоки существенно снижает коэффициент внешнего трения в зоне деформации, так как при этом способе волочения трение скольжения между поверхностью протягиваемой проволоки и неподвижным волочильным инструментом заменяется трением качения. Развитие данного производственного процесса связано с удорожанием и усложнением тех-

Использование методов интенсивной пластической деформации в качестве операции обработки металлов давлением позволят повысить качество готовой бунтовой арматуры, получить арматурную сталь с высокими пластическими и прочностными свойствами и мелкодисперсную структуры.

Примером метода интенсивной пластической деформации, пригодного для производства длинномерных изделий, является радиально-сдвиговая деформация. Компактность, относительно меньшая стоимость оборудования, высокая степень автоматизации, универсальность инстру-

мента и возможность осуществления больших разовых обжатий (коэффициент вытяжки до 30...40) являются бесспорными преимуществами радиально-сдвиговой деформации. К факторам, сдерживающим распространение этого способа прокатки, относятся, в частности, такие, как его нетрадиционность, малоисследованность [8].

Зарубежные производители уже давно используют технологию холодной прокатки для производства арматурной стали [9].

Применение прокатки для производства бунтовой арматуры позволяет получить более качественную продукцию, а также упрощает процесс деформирования, повышает производительность и, как следствие, повышает экономическую эффективность производства. При этом часто отпадает необходимость в промежуточной и окончательной намотке бунтовой арматуры в моток или бунт, что позволит избежать появления дополнительных напряжений и искажений профиля. При прокатке захват заготовки валками происходит автоматически, что исключает операцию острения ее конца, необходимую при волочении, отсутствует опасность обрывов, так как напряжение растяжения в арматуре в данном случае значительно ниже. Холоднокатаная арматура имеет более высокие значения временного сопротивления и предела текучести, повышенный модуль упругости, лучшие релаксационные свойства [10].

Горячекатаная арматурная сталь имеет высокую пластичность и высокое сцепление с бетоном, но характеризуется низкой прочностью.

Примером малооперационной технологии является нанесение профиля на упрочненную катанку без промежуточного калибрования заготовки на необходимый размер. Это обеспечивает необходимое повышение прочностных свойств и сохраняет достаточно высокий уровень пластичности. Технология производства рифленой арматурной стали из катанки включает предварительную стадию деформации в первом калибре клети круглой заготовки-катанки до получения сечения подобного треугольнику с закругленными вершинами с целью лучшего заполнения профильных канавок второго калибра клети и изготовление готового профиля во втором трехвалковом калибре с нанесённым профилем. Наряду с уменьшением диаметра во втором калибре клети формируется профиль. Таким способом возможно производить бунтовую арматуру любого профиля при наличии роликовых клетей определенной конфигурации. Это дает возможность гибкого подхода к требованиям потребителя по виду профиля, наряду с обеспечением требований международных стандартов по механическим свойствам холоднодеформированной арматуры [3]. Недостатком данной технологической схемы является необходимость использования либо легированной заготовки, что увеличивает затраты, либо термоупрочнённой заготовки, имеющей исходное напряженное состояние, что связано с потерей пластичности. Профилирование

увеличит напряженное состояние в арматуре. Для устранения напряженного состояния необходимо вводить дополнительную операцию, что увеличит затраты. Также холодное профилирование не позволяет обеспечить

Другим примером малооперационной технологии является производство низкоуглеродистой арматурной стали по схеме «растяжение -знакопеременный изгиб» из горячекатаной заготовки. Данная технологическая схема позволяет получать высокие прочностные свойства при сохранении высокой пластичности. Она позволяет реализовать как преимущества горячей прокатки при производстве арматуры, так и преимущества холодной деформации.

Добавление к растяжению элемента изгиба на роликах существенно улучшает физику процесса растяжения:

- принципиально повышает устойчивость процесса растяжения, т.е. устраняет причину быстрого развития локализации деформации за счет знакопеременной по сечению деформации;

- увеличивает прочностные характеристики с существенно меньшими потерями пластичности и затратами энергии, чем при растяжении, за счет немонотонности деформации, уменьшения средней плотности дислокаций и неоднородности их распределения по объему при знакопеременной деформации [6];

- исключает эффект Баушингера при последующей работе растянутого образца на сжатие из-за проработки каждого элемента сечения многоцикличной деформацией по схеме «растяжение - сжатие»;

- обеспечивает при изгибе наложение внешних напряжений на остаточные, образующиеся при прокате или волочении. В результате, как минимум, снижаются величины растягивающих напряжений на поверхности бунтовой арматуры, а, как максимум, напряжения перераспределяются таким образом, что на поверхности формируются сжимающие напряжения, уравновешивающие внутренние растягивающие [11].

Выводы

1. Отечественная арматурная сталь уступает зарубежным аналогам по уровню свойств, поэтому необходимо развивать технологию, оборудование, а также повышать уровень российских стандартов до мирового уровня.

2. Выбор производственного процесса оказывает влияние как на свойства арматурной стали, так и на уровень затрат, поэтому, управляя способом производства, можно управлять конкурентоспособностью арматурной стали. Способ производства необходимо выбирать, исходя из

требований потребителя и учитывая влияние на качество всех операторов

3. Чтобы поднять уровень отечественной низкоуглеродистой бунтовой арматурной стали необходимо совершенствовать существующие технологии и разрабатывать новые, позволяющие получить арматурную сталь, соответствующую современным мировым требованиям.

Библиографический список

1. Дорохин П.С., Харитонов В.А. Прогресс в структуре потребления арматурного проката диаметром до 18 мм неизбежен // Стройметалл. 2012. №3. С. 14-23.

2. Огвоздин В.Ю. Модель качества // Стандарты и качество. 2006. № 1. С. 63-64.

3. Харитонов В.А., Зайцева М.В. Производство волочением проволоки из низкоуглеродистых марок стали: проектирование, технология, оборудование: учеб. пособие. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2011. 167 с.

4. Аникеев В., Харитонов В.А. Арматура нуждается в унификации требований //Металлоснабжение и сбыт. 2010. № 10. С. 60-65.

5. Арматурный прокат для железобетонных конструкций и изделий. Справочное пособие / под ред. Ю.Т. Худика, A.B. Кекуха. Кривой Рог. 2003.

6. Харитонов В.А., Радионова JI.B. Формирование свойств углеродистой проволоки холодной деформацией: Монография. Магнитогорск: МГТУ им. Г. И. Носова, 2001. 127 с.

7. Производство стальной проволоки / Х.Н. Белалов, H.A. Клеков-кина, A.A. Клековкин, А.Г. Корчунов и др. Монография. Магнитогорск: МГТУ, 2005. 543 с.

8. Совершенствование режимов деформации и инструмента при волочении круглой проволоки. Харитонов В.А., Манякин А.Ю., Чукин М.В. и др.: монография. Магнитогорск: Издательство МГТУ им Г.И. Носова, 2011. 174 с.

9. Холоднокатаная арматурная сталь //Метизы. 2006. № 1. С. 4244.

10. Битков В.В. Производство холоднокатаной проволоки для армирования железобетонных конструкций на высокоскоростных линиях модульного типа // Заготовительные производства в машиностроении. 2006. №8. С. 35- 43.

11. Харитонов В.А., Иванцов А.Б., Лаптева Т.А. Формирование свойств проволоки деформацией по схеме «растяжение - знакопеременный изгиб» // Актуальные проблемы современной науки, техника и об-

разования: материалы 68-й межрегион, науч.-техн. конф. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. Т. 1. С. 43-45.

УДК 621.771 Р.В. Файзулина

ФГБОУВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» О.Н. Молева, А.Ф. Вакильев, Ю.А. Кашникова ОАО «ММК» Л.П. Судакова

ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ЗАЩИТНОЙ АТМОСФЕРЫ ПРИ КОЛПАКОВОМ ОТЖИГЕ ЖЕСТИ НА ОБРАЗОВАНИЕ ДЕФЕКТА «КРОМОЧНАЯ САЖА»

Изучение фазового состава поверхностного дефекта «сажистая кромка» на черной жести колпакового отжига с использованием рентгеновской установки УРС-0,02 показало, что основными соединениями на участках углеродсодержащих загрязнений являются: Ре(0И)2, Бе304, РегОзхНгО-В-гидрогематит.

Исследование технологических параметров, таких как влияние прокатного масла, остаточная загрязненность после обезжиривания, не показали ожидаемых результатов. Опыт применения прокатных масел различных производителей «Оего1иЬ», «Тшпо1», «ЬиЬго» на пятиклете-вом стане «1200» показал, что выбор масла не повлиял на возникновение дефекта поверхности жести «сажистая кромка». Величина остаточной загрязненности на поверхности жести в настоящее время в среднем составляет 12,8 мг/м2.

На рис. 1, 2 представлен уровень остаточной загрязненности и частота распределения дефекта в различные периоды производства жести толщинами 0,22 и 0,20 мм.

При следующей технологической операции (рекристаллизацион-ный отжиг) возможно образование гидроокислов железа при условии нахождения металла в метастабильной атмосфере защитного газа [1].

Анализ загрузки колпаковых печей показал, что количество рулонов с «сажистой кромкой» связано с массой садки.

На рис. 3, 4 представлено влияние неравномерной загрузки колпаковых печей на появление дефекта «сажистая кромка».