Анализ вариантов формирования свойств исходной заготовки при производстве высокопрочной стальной арматуры для железобетонных шпал

Список литературы

1. Отчет по командировке советских специалистов в Англию / ВНИИМЕ-ТИЗ. Магнитогорск, 1972.

2. Кулеша В.А. и др. Изготовление высококачественных метизов: монография. Белорецк,1999. С. 106-116.

3. Терских Д.С. Некоторые вопросы стабилизации артурной проволоки // Сб. материалов науч.-техн. конференции. Белорецк, 2006. Вып. 2. С. 29-30.

4. Бабич В.К., Гуль Ю.П., Долженков И.Е. Деформационное старение стали. М.: Металлургия, 1977. 320 с.

Bibliography

1. Report on the mission of Soviet specialists in England. / VNIIMETIZ. Magnitogorsk, 1972.

2. Kulesza, V.A etc. Making high-quality hardware / / of collective monograph. Beloretsk, 1999. P. 106-116.

3. Terskikh D.S Some questions stabilization reinforcement wire.: Sat. Materials Science and Engineering Conference Bauman in Belorezk. 2006. issue 2. P. 29-30.

4. V.K Babich, J.P Hull, Dolzhenkov I.E Strain aging of steel. Moscow: Metallurgiya, 1977. 320.

УДК 621.733

Мезин И.Ю., Чукин В.В.

АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ ФОРМИРОВАНИЯ СВОЙСТВ ИСХОДНОЙ ЗАГОТОВКИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ВЫСОКОПРОЧНОЙ СТАЛЬНОЙ АРМАТУРЫ ДЛЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ШПАЛ*

Технологии производства железобетонных шпал (ЖБШ) нового поколения ориентированы на существенное сокращение металлоемкости конструкций, снижение трудоемкости и энергетических затрат за счет перехода к схемам укрупненного армирования. При таком армировании используются 4 армирующих стальных стержня диаметром до 10,0 мм вместо 44 проволок диаметром 3,0 мм, что предопределяет ужесточение требований к показателям качества арматурной стали [1].

Основными нормируемыми параметрами высокопрочной арматуры, как готового изделия, являются механические свойства, длительная прочность, уровень потерь напряжения от релаксации, стойкость к коррозионному растрескиванию, уровень сцепления с бетоном, а также геометрические параметры, определяющие конструктивные особенности профиля [2-6].

Требования по механическим свойствам готовой арматуры следующие:

- временное сопротивление разрыву должно быть не менее 1600 МПа;

- условный предел текучести должен быть не менее 1450 МПа;

- относительное удлинение при разрыве должно быть не менее 6,0%;

- количество знакопеременных изгибов на 90° на оправке диаметром 100 мм должно быть не менее 3 раз;

- модуль упругости арматурной стали должен быть не менее 2,0*105Н/мм2.

Основными вопросами, требующими решения при разработке технологии изготовления арматурной стали, является поиск способов, обеспечивающих получение необходимого периодического профиля на поверхности арматуры, а также разработка эффективных методов упрочнения металла для формирования регламентированного уровня его механических свойств [7].

Анализ способов формирования механических свойств высокоуглеродистой катанки диаметром более 15 мм для производства высокопрочной арматуры

Экономически и технически обоснованными технологическими вариантами достижения высокопрочного состояния арматуры являются: термомеханическое упрочнение в потоке прокатного стана при горячей прокатке, применение закалки с отпуском с отдельного нагрева, а также методы холодной пластической деформации. Наиболее перспективными на сегодняшний день являются технологии, основанные на деформационном упрочнении в сочетании с финишной механотермической обработкой конечного изделия. Общепринятая технология производства стальной высокопрочной арматуры периодического профиля диаметром 9,6 мм представлена в виде обобщенной технологической схемы на рис. 1. Требуемый уровень прочности изделия в этом случае достигается варьированием диаметра и прочностных характеристик исходной заготовки.

В соответствии с принятой последовательностью технологических операций, основным способом формирования необходимых прочностных характеристик исходной заготовки является процесс обработки катанки в потоке прокатного стана с использованием тепла нагрева металла под горячую прокатку. На получение требуемых свойств при таком упрочнении исходной заготовки существенное влияние оказывают следующие основные факторы: температурно-временные характеристики прокатки, термообработки и охлаждения; химический состав стали; диаметр прутка. Указанные факторы формируют параметры технологии упрочнения, которая для каждой конкретной марки стали определяет конечное структурное состояние, а следовательно, и ее механические свойства [8].

'Работа выполнена в рамках комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения (договор 13.G25.31.0061).

25

, 15

Рис. 1. Обобщенная схема производства высокопрочной арматуры

Для производства высокопрочной арматуры традиционно применяют высокоугле-родистые марки стали с содержанием углерода более 0,8%, а также микролегированные углеродистые стали [9]. В качестве базовых для разработки и проектирования технологии производства высокопрочной стальной арматуры периодического профиля, по опыту ОАО «ММК-Метиз», приняты стали марок 80ХФЮ, 85ХФЮ, 85ФЮ. Выбор данных марок стали связан с особенностями механизмов упрочнения и возможностью получения структуры металла, способной к дальнейшему ее измельчению деформационными методами. Уровень прочностных свойств заготовок (ав) после горячей прокатки из указанных марок стали находится в диапазоне 1200 - 1300 МПа.

Однако дополнительное легирование углеродистых сталей существенно повышает стоимость исходного сырья, а следовательно, и цену конечной продукции. Поскольку указанные обстоятельства ухудшают эффективность и конкурентоспособность производства высокопрочной арматуры, то поиск технических и технологических решений для производ-ства рассматриваемой продукции с использованием простых углеродистых марок стали без их дополнительного легирования представляется актуальной задачей.

К недостаткам технологии термомеханического упрочнения стали с прокатного нагрева следует отнести производственные трудности в обеспечении надежности процессов изготовления арматурной ста -ли требуемого уровня прочности и, как следствие, формирование недостаточной стабильности свойств получаемого проката.

Анализ микроструктуры, термомеханически упрочненной с прокатного нагрева катанки, показал, что полученный прокат, как правило, характеризуется неоднородностью структурного состояния металла как по длине бунта, так и в поперечном сечении проката. Такой результат структурообразования связан с несовершенством процессов нагрева и охлаждения металла

в производственных условиях прокатного передела. При этом может отсутствовать возможность проведения необходимого по параметрам водяного охлаждения металла, которое позволило бы произвести более равномерное охлаждение катанки по сечению. Дальнейшее охлаждение катанки в условиях отсутствия или недостаточной продувки воздухом также может приводить к неравномерному температурному полю как по сечению, так и по длине бунта катанки. Перечисленные выше факторы в конечном итоге и приводят к формированию неравномерности структурных составляющих по длине проката, что напрямую обусловливает значительный разброс прочностных и пластических свойств стали в одной партии поставляемого металла.

В подтверждение приведенных выводов следует в качестве примера привести экспериментальные данные пластических свойств катанки из стали марки 85ФЮ с применением технологии термомеханического упрочнения стали с прокатного нагрева. Указанные данные представлены на рис. 2.

1 2 3 4 5 6

№ пробы

Рис. 2. Относительное сужение катанки из стали марки 85ФЮ, полученной с применением технологии ее термомеханического упрочнения с прокатного нагрева

Анализ показателей пластичности стальной заготовки по результатам оценки величины ее относительного сужения (см. рис. 2) показал, что значение этого параметра в пределах одного бунта может изменяться в достаточно широком интервале. Отклонение составляет порядка 90%. Исходя из приведенных данных следует, что получение термоупрочненной катанки со стабильными параметрами микроструктуры и механических свойств требует точного соблюдения технологии обработки прокатываемого металла, настройки линии водяного охлаждения и поддержания химических элементов в стали в узком интервале, что представляется довольно сложной производственной задачей. Следует также отметить, что отличительной особенностью технологических про -цессов с использованием заготовок больших диаметров является проявление масштабного эффекта, который характеризуется снижением прочностных и пла-стических характеристик изготавливаемой из них проволоки по сравнению с проволочной продукцией, получаемой из заготовок меньшего размера.

Таким образом, принципиальным моментом в формировании стабильной технологии деформационного упрочнения и последующего передела при изго-

21

18

17

15

товлении высокопрочной стабилизированной арматуры является обеспечение производства качественным подкатом с однородной структурой и заданным уровнем механических свойств.

Из практики сталепроволочного производства известно, что наиболее благоприятным для последующего волочения является структура мелкодисперсной феррито-цементитной смеси с межпластинчатым расстоянием, соответствующим параметрам сорбита. Получение такой структуры в условиях прокатного передела возможно при контролируемом охлаждении катанки в витках по методу Стелмора в основном на тонких диаметрах проката. В катанке толстых диаметров с учетом масштабного фактора получение качественных сорбитизированных структур в условиях прокатного передела затруднительно. Однако, несмотря на эти трудности и недостатки, все же в настоящее время для изготовления метизной продукции различного назначения, включая и арматуру, из заготовок больших диаметров, в основном, используется катанка, структура которой сформирована в условиях прокатного передела. Это происходит в основном из-за того, что процессы патентирования стальных заготовок больших диаметров отечественными метизными заводами практически не освоены. Несмотря на то, что технологии и оборудование подготовки структуры металла на стадии прокатного передела постоянно развиваются, совершенствуются и ориентированы на получение структуры, эквивалентной патентированию, тем не менее, качество микроструктуры и уровень свойств стали, сформированной в прокатном производстве, уступают качеству патенти-рованной стали. Об этом свидетельствуют данные, представленные фирмами «МГЬ» и «Сопйпиш Ргорет

Степень деформации, %

Рис. 3. Изменение временного сопротивления разрыву проволоки из стали 85 на переходах волочения подката, обработанного различными методами

Как следует из представленных данных, обе фирмы четко разграничивают состояние исходного металла. Во всех случаях заготовка, обработанная по методу Стелмора, в исходном состоянии по прочностным свойствам уступает заготовке, подвергнутой патентированию, что предопределяет в конечном итоге более низкий уровень прочности проволоки, протянутой из такой заготовки.

Особенности структурного состояния анализируемых методов подготовки исходной стали отражается на динамике изменения характеристик пластичности

металла в процессе деформации и конечном уровне этих свойств в изделиях.

На рис. 4 приведена зависимость пластических свойств подката 010 мм из стали марок 85ФЮ и C85CrV от степени деформации при волочении. Сталь 85ФЮ обработана по методу Стелмора в условиях отечественного металлургического предприятия, а структурное состояние стали C85CrV итальянского производства соответствует структуре металла после патентирования. Из указанного рисунка видно, что изменение характеристик пластичности проволоки из стали 85ФЮ в пределах маршрута волочения носит более спонтанный характер, по сравнению со сталью C85CrV. Судя по величине относительного сужения, проволока, изготовленная из стали C85CrV, на конечном и промежуточных диаметрах обладает более высоким запасом пластичности.

50

О

5--------

0 -------

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0

Суммарное отнсительное обжатие, %

Рис. 4. Зависимость относительного сужения стальных заготовок от их относительного обжатия при волочении: 1- сталь С85^; 2, 3 - сталь 85ФЮ

Учитывая отмеченные выше недостатки технологического процесса производства высокопрочной арматуры, схема которого изображена на рис. 1, в рамках настоящей работы проведено его совершенствование. Для достижения высокопрочного состояния и специальных свойств арматуры диаметром 9,6 мм в технологический процесс ее производства целесообразно ввести предварительную термическую обработку металла по типу патентирования. Указанная обработка исходной стали должны преследовать следующие цели: формирование оптимальных микроструктуры и комплекса механических свойств для последующей переработки металла; выравнивание сформированной в прокатном переделе неравномерности структуры и свойств исходного металла как по длине бунта, так и по его сечению; обеспечение возможности перехода от легированных сталей (например, сталь 85ФЮ) к углеродистым (сталь75-85) в производстве высокопрочной арматуры.

В большинстве случаев процессы патентирования организуются по принципу непрерывного потока при движении проволоки развернутой нитью через систему агрегатов, обеспечивающих совмещение операций термической обработки и подготовки поверхности металла. Патентирование в нитку в мировой практике проводится, как правило, только для заготовок диаметром до 10-12,5 мм. С увеличением толщины подката патентирование на непрерывных агрегатах становится затруднительным из-за увеличения жесткости металла. В связи с этим разработаны способы патенти-

рования катанки толстых сечений с диаметром прутка 10-25 мм в бунтах [10]. Такие способы, однако, не получили широкого развития из-за чрезмерного окали-нообразования, трудностей травления, а также по причине большой структурной неоднородности металла, растущей при увеличении массы бунтов.

Принципиальным моментом в вопросах осуществления такой термической обработки является выбор среды для охлаждения проволоки. В практике отечественных заводов закрепилось патентирование в одной ванне с использованием расплавов солей. Вопросы экономики, связанные с большим расходом солей, а также загрязнение окружающей среды нитратами при этом остаются на втором плане.

По своей охлаждающей способности расплавы солей существенно уступают свинцу [11]. Обработка в свинце, благодаря высокой скорости охлаждения и изотермичности распада аустенита, в состоянии обеспечивать повышенную структурную однородность металла и более высокий уровень механических свойств проволоки. Отмеченные преимущества расплавов свинца в состоянии проявлять себя тем эффективней, чем толще диаметр обрабатываемой с их применением проволоки.

Поскольку отечественные метизные заводы не имеют опыта патентирования заготовок диаметрами более 15 мм, в настоящей работе осуществлена наработка первоначальных исходных данных по предлагаемой обработке катанки из углеродистых сталей (0,70,85% С) диаметром более 15 мм в расплаве свинца.

Анализ режимов патентирования, используемых на большинстве метизных заводов России, показал, что достоверные и хорошо отработанные параметры процесса существуют в основном для катанки диаметром до 8 мм, изготовленной из углеродистой стали с содержанием углерода до 0,8%. Для работы с катанкой диаметром более 15 мм, изготовленной из стали с содержанием углерода 0,7-0,85%, необходимо определить варианты режимов, адаптированные к условиям ее переработки.

Прогнозирование режимов патентирования высокоуглеродистой катанки диаметром более 15 мм

Для решения указанной задачи выполнен статистический анализ режимов нагрева катанки и охлаждающей среды, наиболее часто встречающихся в производстве. Далее, на основе выполненного анализа построены прогнозные графики назначаемых режимов применительно к катанке диаметром до 17 мм, изготовленной из стали с относительно высоким содержанием углерода. Аппроксимация графических зависимостей прогнозируемых режимов термической обработки позволила получить уравнения для расчета температур нагрева охлаждающей среды и заготовки диаметром до 17 мм. Указанные формулы приведены в табл. 1.

С использованием полученных формул выполнен расчет ориентировочных режимов термообработки катанки из углеродистой стали диаметром до 17 мм. Указанные режимы приведены в табл. 2. Ожидаемые значения предела прочности на растяжение термообработан-

ной катанки из углеродистой стали, обработанной по прогнозируемым режимам, приведены в табл. 3.

Таблица 1

Статистические зависимости для расчета температур нагрева охлаждающей среды и катанки из углеродистой стали

Содержание углерода, % Температура нагрева охлаждающей среды, °С Температура нагрева катанки, °С

0,5 1 = 501,99сС0,0601 Т = 889,74сС0,0242

0,6 1 = 513,,14й°0497 Т = 878,01сС00233

0,7 1 = 520,0860 0403 Т = 875,9160,0211

0,8 1 = 530,07сС-0,0395 Т = 865,8860,0183

0,9 1 = 538,99сС-0 0303 Т = 861,5960,0153

Примечание. ? - температура охлаждающей среды, °С; Т - темпе-ратуразаготовки, °С; ё - диаметр катанки, мм.

Аппроксимация данных, приведенных в табл. 3, позволила получить статистические зависимости для расчета предела прочности катанки из углеродистой стали диаметром до 18 мм после ее патентирования по расчетным режимам. Указанные зависимости приведены в табл. 4.

Анализ данных, представленных в табл. 2 и 3, показал, что наиболее приемлемым для условий предварительного этапа разработки технологии производства высокопрочной арматуры из углеродистых марок стали может служить режим, осуществляемый с нагревом катанки до 900-930°С и последующим охлаждениием в расплаве свинца в температурном интервале 430-500°С.

Предлагаемый режим патентирования углеродистой проволоки соответствует условиям термической обработки, реализуемой с использованием традиционных видов термического оборудования. Однако при организации поточного производства термическая обработка катанки диаметром 15-16 мм, для устранения масштабного фактора, должна быть реализована на специализированных термических агрегатах, обеспечивающих повышенную интенсивность охлаждения заготовок указанных размеров на переходе в ванну изотермического распада за счет активной циркуляции охлаждающей среды с высокой теплоемкостью. Такая специфика производства может потребовать увеличения температуры ванны изотермического распада аустенита до температур, соответствующих таким диаметрам проволоки, при которых влияние масштабного фактора несущественно. Таким диаметром проволоки может быть величина, равная 1-2 мм. Для этих диаметров температура ванны должна находиться в пределах 520-550°С. Об этом свидетельствуют результаты предварительных исследований процессов патентирования на термических агрегатах с интенсивным перемешиванием расплавленных сред.

Таблица 2

Расчетные температуры нагрева охлаждающей среды и катанки из углеродистой стали, °С

Диаметр катанки, мм Содержание углерода, %

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

ванна катанка ванна катанка ванна катанка ванна катанка ванна катанка

9 440 938 460 924 476 917 486 901 504 891

10 437 941 458 926 474 920 484 903 503 892

11 435 943 455 928 472 921 482 905 501 894

12 432 945 454 930 471 923 481 906 500 895

13 430 947 452 932 469 925 479 907 499 896

14 428 948 450 934 468 926 478 909 498 897

15 427 950 449 935 466 927 476 910 497 898

16 425 951 447 937 465 929 475 911 496 899

17 423 953 446 938 464 930 474 912 495 900

18 422 954 444 939 463 931 473 913 494 901

Таблица 3

Ожидаемые значения предела прочности на растяжение термообработанной катанки

из углеродистой стали, х10 МПа

Содержание углерода, % Диамет э катанки, мм

1,05 1,9 2,3 2,7 3,5 4,7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

0,4 98 94 92 91 89 86 81 81 80 79 79 78 78 77 77 76 76

0,5 108 105 103 101 98 95 91 90 89 89 88 87 87 86 86 85 85

0,6 118 116 114 112 110 105 99 100 99 98 97 96 96 95 94 94 93

0,7 127 122 121 120 118 113 108 108 107 106 105 105 104 104 103 103 102

0,8 135 132 131 130 127 125 120 120 119 119 118 118 117 117 116 116 115

Таблица 4

Статистические зависимости для расчета предела прочности термообработанной катанки из углеродистой стали диаметром до 18 мм

Примечание. а — предел прочности термообработанной заготовки из углеродистой стали, МПа; d - диаметр катанки, мм.

Заключение

В рамках представленной работы выполнен анализ вариантов формирования технологических процессов производства высокопрочной арматуры для железобетонных шпал, а также проведена наработка исходных данных по режимам патентирования катанки из углеродистых сталей (0,7-0,85% С) диаметром более 15 мм. Приведенные результаты могут быть полезными для проектирования новых технологий изготовления высокопрочной арматуры диаметром 910 мм из высокоуглеродистых марок стали.

Список литературы

1. Лебедев В.Н. Опыт освоения производства высокопрочной стабилизированной арматуры для железобетонных шпал нового поколения // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова, 2010. № 2. С. 74-76.

2. Сычков А.Б., Жигарев М.А., Перчаткин A.B. Технологические особенности производства арматурного проката широкого назначения. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2006. 499 с.

3. Высокопрочная арматурная сталь / Кугушин A.A., Узлов И.Г., Калмыков В.В., Мадатян С.А., Ивченко A.B. М.: Металлургия, 1986. 272 с.

4. Юхвец И.А. Производство высокопрочной проволочной арматуры. М.: Металлургия, 1973. 264 с.

5. Фогель Л.М. Повышение свойств арматурной проволоки с четырехсторонним профилем на основе совершенствования режимов волочения и профилирования: дис. ... канд. техн. наук. Магнитогорск: •-

МГМИ, 1991. 138 с.

6. Киреев Е.М. Совершенствование производства высокопрочной арматурной проволоки с целью повышения ее релаксационной стойкости: дис. ... канд. техн. наук. Магнитогорск: МГМИ,1984. 146 с.

7. Лебедев В.Н., Корчунов А.Г., Чукин М.В. Производство высокопрочной стабилизированной арматуры для железобетонных шпал нового поколения // Металлург. 2011. №1. C. 75-78.

8. Производство метизов /Шахпазов Х.С., Недовизий И.Н., Ориничев В.И. и др. М.: Металлургия, 1977. 392 с.

9. Михайлов К.В. Задачи отечественной строительной науки в области арматуры и предварительно напряженных железобетонных конструкций // Бетон и железобетон. 2004. № 2. С. 3-5.

10. Никифоров Б.А., Харитонов В.А., Киреев Е.М. Производство высокопрочной арматуры. Свердловск, 1982. 96 с.

11. Потемкин К.Д. Термическая обработка и волочение высокопрочной проволоки. М.: Металлургиздат, 1963. 120 с.

Bibliography

1. Lebedev V.N. Launching the production of high-strength stabilized reinforcement for up-to-date ferroconcrete crossties //Vestnik Magnitogorsk State Technical University named after G. I. Nosov, 2010. № 2. P. 74-76.

2. Sichkov A.B., Zhigarev M.A., Perchatkin A.V. The technological features of manufacture of reinforcing bar for wide function: Magnitogorsk: «MSTU», 2006. 499 p.

3. The high-strength steel reinforcement / Kugushin A.A., Uzlov I.G. Kal-mykov V.V., Madatyan S.A., Ivchenko A.V. M.: Metallurgy, 1986. 272 p.

4. Yukhvets I.A. The manufacture high-strength wire reinforcement M.: «Metallurgy», 1973. 264 p.

5. Fogel L.M. Heightening characteristics of reinforcing wire with quadripartite profiles on basis of enhancement conditions of drawing and contouring. Thesis of candidate of technical science. Magnitogorsk: MGMI, 1991. 138 p.

6. Kireev E.M. Enhancement manufactures high-strength reinforcing wire for heightening its relaxation durability. Thesis of candidate of technical science. - Magnitogorsk: MGMI, 1984. 146 p.

7. Lebedev V.N., Korchunov A.G., Chukin M.V. Manufacture of high-strength stabilized reinforcement for reinforced-concrete ties of new generation// Metallurgist, 2011. №1. P. 75-78.

8. Manufacture of hardware / Shakhpazov Kh.S., Nedoviziy I.N., Orinichev V.I. and others// «Metallurgy», 1977. 392 p.

9. Mikhaylov K.V. The tasks for native building science in domain of reinforcement and previously strained reinforced-concrete constructions// Concrete and reinforced concrete, 2004. № 2. P. 3-5.

10. Manufacture of high-strength reinforcement. / B.A. Nikiforov, V.A. Khari-tonov, E.M. Kireyev. //Sverdlovsk: 1982. 96 p.

11. Potemkin K.D. Thermal treatment and drawing high-strength wire. M.: Metallurgical State Publishing House, 1963. 120 p.

+

Содержание углерода, % Предел прочности на растяжение термообработанной катанки изуглеродистой стали, МПа

0,4 а= 994,11 d 0,0942

0,5 а= 1099,5 d °,°898

0,6 а= 1214,8 d-0,0906

0,7 a= 1287,7 d-00804

0,8 a= 1367,7 d °,°591