ВЫСОКОПРОЧНЫЙ СВАРИВАЕМЫЙ АРМАТУРНЫЙ ПРОФИЛЬ
HIGH-STRENGTH WELDED REBAR

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к производству стальных высокопрочных свариваемых арматурных профилей из непрерывнолитых заготовок.
Известен сортовой круглый горячекатаный прокат со специальной отделкой поверхности, изготовленный из среднеуглеродистой стали, содержащей следующие соотношения компонентов, мас.%:
углерод
0,37-0,50
марганец
0,50-0,80
кремний
0,17-0,37
хром
0,15-0,25
сера
0,020-0,040
ванадий
0,005-0,02
алюминий
0,03-0,05
кальций
0,001-0,010
азот
0,005-0,015
кислород
0,001-0,015
мышьяк
0,0001-0,03
олово
0,0001-0,02
свинец
0,0001-0,01
цинк
0,0001-0,005
железо и неизбежные примеси
остальное
2
при соотношении: As+Sn+Pb+5×Zn≤0,07; O/Ca=1÷4,5; Ca/S≥0,065, примеси: никель не более 0,30%, медь не более 0,30%, молибден не более 0,10%, фосфор не более 0,030% [Патент РФ 2328535, МПК C21D 8/06, С22С 38/60, 10.07.2008 г.].
Известные сортовые профили имеют низкие прочностные и вязкостные свойства. Это снижает их качество и выход годного.
Известен высокопрочный свариваемый арматурный профиль, изготовленный из низколегированной стали, имеющей следующий химический состав, мас.%:
углерод
0,04-0,17
марганец
1,30-1,95
кремний
0,15-0,35
ниобий
не более 0,08
титан
не более 0,07
ванадий
не более 0,08
железо и неизбежные примеси
остальное
[Патент РФ 2381283, МПК C21D8/08, С22С 38/04, 10.02.2010 г.].
Известные высокопрочные арматурные профили имеют низкие качество и выход годного вследствие недостаточных пластических, вязкостных свойств и свариваемости.
Наиболее близкой по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является высокопрочная сталь, используемая, в том числе, и для изготовления арматурных профилей и имеющая следующий химический состав, мас.%:
углерод
0,005-0,3
марганец
0,3-2,5
кремний
до 1,5
по меньшей мере, один элемент из группы:
ниобий
до 0,1
ванадий
до 0,15
титан
до 0,3
цирконий
до 0,3
э
при этом сталь имеет углеродный эквивалент С≤0,40, а ее структура состоит из феррита и мартенсита [Патент US 4406713, МПК C21D 8/00, 27.09.1983].
Недостатком известной стали является то, что она не обладает стойкостью к разупрочнению при высоких температурах (пожаростойкость) и возможностью эксплуатации при низких температурах.
Технический результат изобретения - повышение механических и эксплуатационных свойств, качества и выхода годных арматурных профилей.
Технический результат достигается тем, что высокопрочный свариваемый арматурный профиль из низколегированной стали получен из стали, содержащей компоненты при следующем соотношении, мас.%:
углерод
0,03-0,50
марганец
0,95-2,25
кремний
0,15-0,70
ванадий
не более 0,08
ниобий
не более 0,08
железо и неизбежные примеси
остальное
5
в
т
при этом сталь имеет микроструктуру, состоящую из мартенсита отпуска, нижнего и верхнего бейнита, значение δ≥12%, отношение σ/σ≥1,08, суммарное содержание ванадия и ниобия составляет [V]+[Nb]≥0,035%, а ее углеродный эквивалент связан с диаметром арматурного профиля соотношением
0,36≤Сэ≤0,60 при 10≤d≤18 мм,
0,40≤Сэ≤0,60 при 20≤d≤28 мм,
0,45≤Сэ≤0,60 при 32≤d≤40 мм,
0,48≤Сэ≤0,60 при 42≤d≤70 мм,
5
в
т
где δ - относительное удлинение, %, σ - временное сопротивление разрыву, МПа, σ - предел текучести МПа, Сэ - углеродный эквивалент, %.
В качестве неизбежных примесей сталь содержит, мас.%: сера не более 0,025, фосфор не более 0,025; хром не более 0,3, никель не более 0,3, медь не более 0,45. Сталь дополнительно содержит, мас.%: молибден не более 0,08, титан не более 0,08.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Приведенные сочетания химических элементов, в совокупности с технологией производства, позволяют получить в готовом арматурном профиле структуру, состоящую из мартенсита отпуска, нижнего и верхнего бейнита, оптимальные содержание и морфологию неметаллических включений, однородную макроструктуру и благоприятное сочетание характеристик прочности, упругости и пластичности.
Углерод вводится в состав данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности. Верхняя граница содержания углерода 0,50% обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня свариваемости и вязкости данной стали, а нижняя 0,03% - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.
Марганец используется, с одной стороны, как упрочнитель твердого раствора, а с другой стороны, как элемент, повышающий устойчивость переохлажденного аустенита стали. При этом верхний уровень содержания марганца 2,25% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний предел марганца 0,95% - необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности данной стали.
Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию 0,15% обусловлен технологией раскисления стали и необходимостью обеспечить заданный уровень пластичности стали. Содержание кремния выше 0,70% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.
Ванадий и ниобий являются элементами, оказывающими положительное влияние на свойства арматурных профилей. При содержании ванадия и ниобия не более 0,08% (каждого) они способствуют измельчению зерна микроструктуры, повышают прочность и пластичность стали, но ведут к удорожанию производства высокопрочных арматурных профилей. В то же время, увеличение концентрации ванадия и ниобия более 0,08% (каждого) удорожает себестоимость производства высокопрочных арматурных профилей, ухудшает их свариваемость. Это приводит к снижению выхода годного.
Экспериментально установлено, что для получения требуемых механических свойств необходимо, чтобы суммарное содержания ванадия и ниобия удовлетворяло условию [V]+[Nb]≥0,035%.
В качестве неизбежных примесей сталь может содержать серу, фосфор, хром, никель, медь в заявленных количествах.
Сера и фосфор являются вредными примесями, снижающими пластические и вязкостные свойства. При концентрации серы и фосфора не более 0,025% (каждого) их вредное воздействие проявляется слабо и не приводит к заметному снижению механических свойств стали.
Наличие хрома положительно сказывается на прочности стали и расширяет возможности использования металлического лома при выплавке, что способствует снижению себестоимости производства высокопрочных арматурных профилей. Однако содержание хрома более 0,3% негативно сказывается на свариваемости сталей.
Содержание никеля не более 0,3% позволяет обеспечить в готовом арматурном профиле высокие значения временного сопротивления предела текучести и относительного удлинения при хорошей свариваемости.
Медь способствует повышению прочностных свойств арматурных профилей. Но если содержание этого элемента для данной композиции превышает 0,45%, то возможно так называемое «выпотевание» меди на поверхности проката при нагреве передельной заготовки, что приведет к ухудшению качества поверхности и снижению коррозионно-стойкости готового проката.
Сталь может также дополнительно содержать молибден и титан в заявленных количества.
Наличие в составе стали не более 0,08% молибдена обеспечивает получение прочностных характеристик. Однако превышение приведенных значений не сопровождается дальнейшим повышением качества арматурных профилей, а лишь увеличивает расходы на легирование, что представляется нецелесообразным.
Титан используют в качестве раскислителя, обеспечивающего образование карбонитридов при температурах выше температуры ликвидус. При содержании титана более 0,08% размер карбонитридов резко возрастает, что приводит к одновременному падению пластичности и ударной вязкости стали.
Структура стали, состоящая из мартенсита отпуска, нижнего и верхнего бейнита, в совокупности с микролегированием стали ниобием, способствует тому, что сталь не разупрочняется при высоких температурах (до 700-750°С) и, таким образом, является пожаростойкой.
5
При величине относительного удлинения δ менее 12% разрушение материала происходит достаточно хрупко, без образования шейки, в связи с чем снижается надежность конструкций.
в
т
При соотношении временного сопротивления разрыву к пределу текучести σ/σменее 1,08 конструкция имеет недостаточный запас прочности после достижения арматурного профиля пластических деформаций.
Для предложенного химического состава при величине углеродного эквивалента Сэ более 0,60% возможно значительное ухудшение пластических свойств и, соответственно, снижение сопротивления готового проката ударным нагрузкам.
Углеродный эквивалент рассчитывается исходя из формулы
где С - массовая доля углерода, %;
Mn - массовая доля марганца, %;
Cr - массовая доля хрома, %;
V - массовая доля ванадия, %;
Мо - массовая доля молибдена, %;
Сu - массовая доля меди, %;
Ni - массовая доля никеля, %.
Экспериментально установлено, что для сохранения необходимого уровня прочностных свойств арматурного профиля в месте сварного соединения углеродный эквивалент должен соответствовать условиям
э
0,36≤С≤О,60 при 10≤d≤18 мм;
э
0,40≤С≤О,60 при 20≤d≤28 мм;
э
0,45≤С≤О,60 при 32≤d≤40 мм;
э
0,48≤С≤0,60 при 42≤d≤70 мм,
где d - номинальный диаметр арматурного профиля, мм.
Примеры реализации предлагаемого технического решения.
Выплавку низколегированных сталей различного химического состава производили в электродутовой печи. Для раскисления и легирования сталей в расплав вводили ферросилиций, ферромарганец, ферротитан, феррованадий, ниобий. Химический состав выплавленных сталей с различным содержанием легирующих элементов и примесей приведен в таблице 1.
а
кп
Непрерывнолитые заготовки из низколегированной стали нагревали в методической печи сортопрокатного стана 350 до температуры аустенитизации Т=1200°С и осуществляли многопроходную горячую прокатку арматурных профилей различных диаметров. Последний проход осуществляли при температуре Т=1000°С в круглом калибре с винтовыми канавками для формирования периодического арматурного профиля.
кп
з
Прокатанный арматурный профиль пропускали через трубчатые холодильники, в которых осуществляли его ускоренное охлаждение водой (закалку) от температуры Т=1000°С до температуры Т=490-560°С.
з
Окончательное охлаждение закаленного арматурного профиля от T=490-560°C до температуры окружающей среды проводили на воздухе. В процессе охлаждения на воздухе происходил самоотпуск закаленной стали. Микроструктура термоупрочненного арматурного профиля по всему поперечному сечению состояла из мартенсита отпуска, нижнего и верхнего бейнита. Для такой микроструктуры характерно сочетание высокой прочности, пластичности, ударной вязкости. Благодаря этому достигается повышение качества и выхода годных высокопрочных свариваемых арматурных профилей.
В таблице 2 представлены контролируемые параметры высокопрочных свариваемых арматурных профилей и их эффективность.
Данные, представленные в таблице 2, свидетельствуют о том, что при реализации предложенного технического решения (составы №6, 8) достигается наиболее высокое качество высокопрочных свариваемых арматурных профилей при одновременном повышении выхода годного. В случаях запредельных значений заявленных параметров (составы №1,5, 7), а также прототипа (вариант №14) качество высокопрочных профилей снижается. Также для составов №5, 7 становится неудовлетворительной свариваемость из-за высокого содержания в них углерода.
Исследования показали, что разупрочнение арматурных профилей, произведенных по составу №9, происходит при температуре ниже, чем в случае реализации предложенного технического решения.
Таким образом, предложенный высокопрочный свариваемый арматурный профиль обладает высокой пластичностью и стойкостью к высоким знакопеременным нагрузкам в зоне упругопластической работы материала, что позволяет рекомендовать его для использования в качестве рабочей арматуры железобетонных конструкций при строительстве атомных электростанций в сейсмически активных районах (до 9-балльных нагрузок).
Предлагаемый высокопрочный сварной арматурный профиль также характеризуется высокими служебными свойствами (свариваемость, способность к гнутью, повышенную пожарную безопасность, и т.д.), что позволяет использовать его со сварными соединениями в составе арматурных каркасов, сеток, закладных деталей и отдельных стержней при расчетной температуре до -55°С также без ограничений по характеру действия нагрузки (статической, динамической и многократно повторяющейся) и без сварки в качестве расчетной и конструктивной арматуры при любой расчетной температуре (до -75°С) без ограничений по характеру действия нагрузки (статической, динамической и многократно повторяющейся).
Кроме того, предлагаемый высокопрочный свариваемый арматурный профиль является свариваемым всеми видами сварки, применяемыми для арматурных профилей других менее прочных классов А500С и А400.
Использование предложенного технического решения позволит повысить рентабельность производства высокопрочных свариваемых арматурных профилей на 10-15% за счет снижения себестоимости. При этом на 19-45% уменьшается металлоемкость конструкций за счет применения предлагаемого арматурного профиля, обладающего более высокой прочностью, при замене им арматурного профиля классов А500С и А400.
Таблица 1
Состав низколегированных сталей
№ состава
Содержание химических элементов, мас.%
С
Mn
Si
V
Nb
S
P
Cr
Mi
Сu
Мо
Ti
Fe+примеси
1
0,03
0,90
0,30
0,02
0,05
0,012
0,025
0,05
0,08,
0,05
-
0,02
остальное
2
0,08
1,55
0,22
0,05
0,04
0,011
0,015
0,03
0,04
0,04
-
0,02
-:-
3
0,17
1,15
0,34
0,015
0,015
0,025
0,020
0,09
0,08
0,25
-
-^
-:-
4
0,25
1,35
0,22
-
-
0,035
0,040
0,07
0,08
0,25
-
-
-:-
5
0,62
0,68
0,21
-
-
0,025
0,024
0,08
0,10
0,28
-
-
-:-
6
0,19
1,15
0,40
0,018
0,020
0,015
0,022
0,08
0,11
0,26
0,01
-
-:-
7
0,54
0,58
0,19
-
-
0,022
0,021
0,08
0,07
0,10
-
-
-:-
8
0,24
1,22
0,38
0,02
0,019
0,021
0,019
0,11
0,08
0,25
-
-
-:-
9
0,15
1,20
0,24
0,012
0,010
0,015
0,023
0,10
0,09
0,24
~
"
(прототип)
Таблица 2
Контролируемые параметры высокопрочных свариваемых арматурных профилей и их эффективность
№ варианта
№ состава
Диаметр профиля, мм
С<sub>3</sub>,
M+[Nb], %
Показатели качества
Выход годного Q,%
δ<sub>5</sub>, %
σ<sub>в</sub>, МПа
σ<sub>т</sub>, МПа
σ<sub>в</sub>/σ<sub>т</sub>
Свариваемость при температуре -55°С
1
2
18
0,36
0,09
19
820
770
1,07
Уд.
99,5
2
2
40
0,36
0,09
22
730
650
1,12
Уд.
99,7
3
5
16
0,77
0
8
1010
920
1,10
Неуд.
0
4
1
12
0,20
0,07
24
690
660
1,045
Уд.
99,5
5
4
36
0,51
0
18
750
660
1,14
Уд.
99,3
6
3
32
0,40
0,03
19
760
670
1,13
Уд.
99,4
7
6
16
0,43
0,038
18
840
700
1,20
Уд.
99,6
8
6
28
0,43
0,038
18
770
670
1,15
Уд.
99,8
9
6
40
0,43
0,038
17
740
650
1,14
Уд.
99,7
10
7
18
0,66
0
10
995
900
1,09
Неуд.
0
11
8
22
0,49
0,039
17
810
710
1,14
Уд.
99,7
12
8
28
0,49
0,039
16
800
690
1,16
уд-
99,8
13
8
36
0,49
0,039
16
780
670
1,16
уд.
99,6
14
9
28
0,39
0,022
19
750
625
1,20
Уд.
97,3
прототип