Высокопрочный низкотемпературный свариваемый арматурный стержень
HIGH-STRENGTH LOW-TEMPERATURE WELDED REINFORCING ROD

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству из стальных непрерывнолитых заготовок высокопрочных свариваемых арматурных профилей (стержней), используемых в качестве рабочей арматуры железобетонных конструкций, а также конструкций, работающих при низких температурах до минус 170°С.
Известен ванадийсодержащий низкотемпературный стальной профиль, содержащий C: 0,05-0,09% C, 0,15-0,40% Si, 1,40-1,60% Mn, P≤0,010%, S≤0,010%, 1,08-1,29% Ni, 0,10-1,72% Cu, 0,020-0,048% V, Fe и неизбежные примеси – остальное. Для производства стального профиля заготовку нагревают до 1100-1250°C, горячую прокатку начинают при температуре 900-1060°C и заканчивают при температуре 900-1100°C, после чего профиль охлаждается водой до температуры 500-650°С (CN 103243264, МПК С22C 38/16, B21B37/74, 20.01.2016 г.).
Известный арматурный профиль произведен по технологии горячей прокатки без термомеханического упрочнения в потоке стана, что приводит к увеличенному образованию поверхностной окалины и ухудшению потребительских свойство готового арматурного профиля. Кроме того, используется дополнительное легирование, что удорожает процесс производства.
Наиболее близкой по своей технической сущности и достигаемому техническому результату является арматурный стальной стержень, содержащий от С 0,06-0,11%, Si≤0,25%, Mn 0,8-2,0%, P≤0,01%, S≤0,01%, Al 0,01-0,03%, Ni 0,50-1,00%, Mo 0,027-0,125%, Cr≤0,25%, Cu≤0,28%, N≤0,01% Fe и неизбежные примеси – остальное. Арматурный стальной стержень может иметь поверхностный слой и сердцевину, отличные от поверхностного слоя. Поверхностный слой в основном состоит из отпущенного мартенсита. Сердцевина арматурного стального стрежня может иметь смешанную структуру из бейнита, феррита и перлита. При комнатной температуре предел текучести составляет не менее 500 МПа, при этом отношение предела прочности к пределу текучести составляет не менее 1,15, относительное удлинение не менее 10%. Кроме того, при температуре минус 170°C арматурный стальной стержень может иметь равномерное удлинение не менее 3%, коэффициент чувствительности к надрезу выше 1,0.
Способ производства включает нагрев сляба до температуры 1030-1250°C, горячую прокатку с температурой конца прокатки 920-1030°C, после этого поверхность горячекатаного арматурного стального стержня охлаждается до температуры начала мартенситного превращения (температура Ms) или более низкой температуры посредством обработки поверхности предварительной закалкой. При этом обработка поверхности перед закалкой включает этап повторного нагрева арматурного стального стержня до температуры 520-600°C (CN 111527229, МПК C22C 38/58, C22C 38/44, C21D 9/08, C21D 9/52, C22C 38/42, 11.08.2020 г.).
Недостатком известной арматуры является технологический приём повторного нагрева стального арматурного стержня перед закалкой, который способствует развитию хрупкости стали в результате необходимости длительного нагрева до температуры 520-600°C, причем высокая скорость охлаждения после нагрева, в этом случае, не устраняет хрупкости. Наряду с высокими механическими и технологическими свойствами никелевые стали подвержены межкристаллитной коррозии, в особенности, после медленного охлаждения или длительного нагрева стали, а также после повторного нагрева закаленной стали в пределах 400-800°С.
Технический результат – создание нового продукта с повышенными эксплуатационными и механическими свойствами, высокое качество и выход годных арматурных профилей.
Технический результат достигается тем, что высокопрочный низкотемпературный свариваемый арматурный стержень диаметром от 12 до 36 мм из легированной стали, согласно изобретению получен из стали, содержащей компоненты при следующем соотношении, мас.%:
углерод
не более 0,10
марганец
0,60-1,80
кремний
0,05-0,60
никель
0,50-1,30
медь
не более 0,40
хром
не более 0,40
ванадий
не более 0,03
ниобий
не более 0,03
молибден
не более 0,07
при необходимости
титан
не более 0,03
мышьяк
не более 0,01
азот
не более 0,01
остальное
железо и неизбежные примеси
в
т
р
т
max
р
в
т
при этом арматурный стержень имеет значение углеродного эквивалента, рассчитываемое по выражению Сэкв=С+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Cu+Ni)/15, составляющее не более 0,52, микроструктуру, состоящую из мартенсита отпуска, нижнего и верхнего бейнита, отношение σ/σ≥1,15, значение δ≥14%, при этом при температуре минус 168ºС арматурный стержень имеет предел текучести σ не менее 575 МПа, относительное равномерное удлинение δ не менее 3%, коэффициент чувствительности к надрезу KNSR не менее 1, где δ – относительное равномерное удлинение, %, σ – временное сопротивление разрыву, МПа, σ – предел текучести, МПа.
Стержень получен из стали, в качестве неизбежных примесей содержащий, мас.%: сера не более 0,025, фосфор не более 0,025.
Технический результат достигается также тем, что способ производства высокопрочного низкотемпературного свариваемого арматурного стержня диаметром от 12 до 36 мм, согласно изобретению включает нагрев непрерывнолитой заготовки, горячую черновую и чистовую прокатку, охлаждение водой и завершающее охлаждение на воздухе, при этом заготовку получают из легированной стали, содержащей следующий химический состав, мас.%:
углерод
не более 0,10
марганец
0,60-1,80
кремний
0,05-0,60
никель
0,50-1,30
медь
не более 0,40
хром
не более 0,40
ванадий
не более 0,03
ниобий
не более 0,03
молибден
не более 0,07
при необходимости
титан
не более 0,03
мышьяк
не более 0,01 и
азот
не более 0,01
остальное
железо и неизбежные примеси
в
т
р
т
max
р
в
т
при этом арматурный стержень имеет значение углеродного эквивалента, рассчитываемое по выражению Сэкв=С+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Cu+Ni)/15, составляющее не более 0,52, микроструктуру, состоящую из мартенсита отпуска, нижнего и верхнего бейнита, отношение σ/σ≥1,15, значение δ≥14%, при температуре минус 168ºС арматурный стержень имеет предел текучести σ не менее 575МПа, относительное равномерное удлинение δ не менее 3%, коэффициент чувствительности к надрезу KNSR не менее 1, где δ – относительное равномерное удлинение, %, σ – временное сопротивление разрыву, МПа, σ – предел текучести, МПа, нагрев непрерывнолитой заготовки производят до температуры 1050-1250°С, температуру конца черновой прокатки поддерживают в пределах 950-1000°С, а охлаждение водой ведут до температуры 510-560°С для профиля диаметром от 12 мм до менее 20 мм, до температуры 540-600°С для профиля диаметром не менее 20 мм и менее 28 мм, до температуры 550-620°С для профиля диаметром не менее 28 мм и до 36 мм.
Способ характеризуется тем, что сталь в качестве неизбежных примесей содержит, мас.%: серу не более 0,025, фосфор не более 0,025.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Комплекс механических свойств и хладостойкость стали при криогенных температурах определяется, в основном, ее химическим составом. Поэтому, для получения высокой хладостойкости при криогенных температурах при сохранении достаточного уровня прочностных характеристик необходимо оптимизировать химический состав стали с учетом следующих установленных зависимостей.
Углерод в заявляемой стали определяет прочностные свойства арматурного профиля. При содержании углерода выше 0,10% после отпуска образуется избыточное количество карбидной фазы, которая чрезмерно упрочняет сталь и снижает хладостойкость арматурного профиля.
Марганец связывает серу в соединение MnS, препятствуя образованию вредного соединения FeS. Кроме того, марганец раскисляет сталь. При достаточно низком содержании в стали углерода присутствие значительных количеств марганца не вызывает ухудшения вязкости термически улучшенной стали. При содержании марганца в пределах 1,60-1,80% ударная вязкость неизменно сохраняется на весьма высоком уровне, в то время как предел прочности и предел текучести возрастают.
Содержание кремния ниже 0,05% приводит к недостаточному раскислению стали, что снижает прочность арматурного профиля. Увеличение содержания кремния выше 0,60% ведет к упрочнению феррита, что снижает хладостоикость.
Экспериментальным путем установлено, что для стали заявленной композиции легирования оптимальное содержание никеля составляет 0,50-1,30%, что позволит обеспечить достаточную легированность феррита для получения дисперсной структуры и высокой хладостойкости при температурах до -168°С и не приведет к значительному удорожанию стали.
Введение в состав стали меди в количестве более 0,40% при существенном ограничении содержания охрупчивающих границы зерен примесей (фосфора и пр.) технически и экономически нецелесообразно.
Хром повышает прочность стали. При его содержании более 0,40% снижаются пластические свойства стали.
Микролегирование ванадием сдерживает рост зерна аустенита во время нагрева и прокатки, а также упрочняет сталь за счет образования карбидных и карбонитридных включений. Ограничение верхней границы содержания ванадия 0,03% способствует получению развитой мелкодисперсной микроструктуры в стали и обеспечивает сочетание высоких прочностных и пластических свойств готового арматурного профиля.
Ниобий и титан являются сильными карбонитридообразующими элементами. При этом они способствуют получению ячеистой дислокационной микроструктуры стали, обеспечивающей сочетание высоких прочностных характеристик и высокой ударной вязкости при криогенных температурах. Содержание титана и ниобия в количестве более 0,03% каждого способствует образованию избыточного количества малорастворимых примесей, которые стремятся перейти на границы, являющиеся областями с меньшей плотностью, обогащают границы зерен и охрупчивают сталь и снижают хладостойкость.
Сера, фосфор, азот и мышьяк являются вредными примесями, ограничение их содержания выбрано исходя из обеспечения металлургического качества стали. Содержание серы не более 0,025% способствует повышению пластичности и низкотемпературной ударной вязкости. Фосфор способствует повышенной склонности к хрупким разрушениям при понижении температуры испытаний и отпускной хрупкости за счет обогащения межзеренных границ. Содержание фосфора не более 0,028% позволит исключить отпускную хрупкость. Азот оказывает негативное влияние на снижение ударной вязкости и повышение порога хладноломкости. В связи с этим содержание азота в стали указанного состава ограничено на уровне 0,01%. При содержании мышьяка более 0,01% наблюдается снижение ударной вязкости и пластичности, особенно при отрицательных температурах.
Молибден сдерживает рост зерна в процессе кристаллизации и тем самым обеспечивает мелкозернистую однородную структуру. Микродобавки молибдена препятствуют выделению феррита по границам крупных зерен вблизи линии сплавления при сварке, что позволяет сохранить высокую вязкость сварных соединений. Содержание молибдена в количестве не превышающем 0,07% для заявляемой стали способствует получению требуемого уровня прочности и ударной вязкости стали.
Применение стали указанного состава позволяет обеспечивать значения углеродного эквивалента  и удовлетворительную свариваемость стали.
Приведенные сочетания химических элементов 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, пластичности и хладостойкости.
в
т
в
т
т
max
NSR
Указанный тип структуры позволяете достигать в арматурном профиле соотношения временного сопротивления разрыву σ к пределу текучести σ при комнатной температуре σ/σ не менее 1,15. В противном случае конструкция будет иметь недостаточный запас прочности после достижения арматурного профиля пластических деформаций. Кроме того, при температуре минус 170 °С арматурный профиль имеет предел текучести σ не менее 575МПа, относительное равномерное удлинение δ не менее 3%, коэффициент чувствительности к надрезу Kне менее 1.
Температура нагрева непрерывнолитой заготовки ниже 1050°C будет недостаточной, возникнет проблема повышенных нагрузки на прокатное оборудование. При температуре нагрева выше 1250°C возрастает вероятность роста зерна аустенита, происходит обезуглероживание поверхностного слоя, что приведет к снижению прочности.
Если температура на выходе черновой прокатки выше 1000°C, образуется крупнозернистый перлит, что затрудняет обеспечение прочности готового арматурного профиля. С другой стороны, если температура на выходе черновой прокатки ниже 950°C, будет создаваться дополнительные нагрузки при прокатке, что снижает производительность и эффект термомеханической обработки.
в
т
в
т
После прокатки профиль диаметром менее 20 мм охлаждается водой до температуры 510-560°, профиль диаметром не менее 20 мм и менее 28 мм – до температуры 540-600°, профиля диаметром не менее 28 мм – до температуры 550-620°С. Если при охлаждении водой температура будет ниже нижнего предела указанного интервала для каждой группы профилей – произойдет чрезмерное охлаждение металла, прочностные характеристики вырастут, возникает риск неполучения требуемых значений соотношения временного сопротивления разрыву σ к пределу текучести σ при комнатной температуре σ/σ не менее 1,15. При охлаждении водой при температуре выше верхнего предела указанного интервала для каждой группы профилей – охлаждение будет недостаточным.
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.
Непрерывнолитые заготовки из низколегированной стали нагревали в методической печи сортопрокатного стана 250 и 350 до температуры аустенитизации 1200°С и осуществляли многопроходную горячую прокатку арматурных профилей различных диаметров. Последний проход черновой прокатки осуществляли при температуре 1000°С в круглом калибре с винтовыми канавками для формирования периодического арматурного профиля.
Прокатанный арматурный профиль пропускали через трубчатые холодильники, в которых осуществляли его ускоренное охлаждение водой (закалку) от температуры до температуры 510-620°С. Окончательное охлаждение закаленного арматурного профиля от температуры 510-620°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.
Варианты реализации предложенного способа приведены в таблице 2. В таблице 3 представлены результаты испытаний и выход годного.
Таблица 1
Химический состав сталей
№ состава
Содержание химических элементов, масс.%
С<sub>экв</sub>, %
C
Mn
Si
Ni
Cu
Cr
V
Nb
Mo
S
P
Ti
As
N
1
0,03
0,90
0,30
1,20
0,05
0,05
0,02
0,05
-
0,012
0,025
0,02
0,02
0,008
0,47
2
0,08
1,55
0,22
1,09
0,04
0,03
0,05
0,04
0,01
0,011
0,015
0,02
0,01
0,010
045
3
0,07
1,15
0,34
0,90
0,25
0,09
0,015
0,015
-
0,025
0,020
-
0,01
0,012
0,37
Таблица 2
Технологические параметры производства высокопрочного арматурного профиля
№ состава
Диаметр профиля, мм
Температура нагрева заготовки, °С
Температуру конца черновой прокатки, °С
Температура конца охлаждения водой, °С
1
28-36
1200-1250
1000
540
2
20-25
1190-1240
990
520
3
12-18
1190-1220
985
500
Таблица 3
Результаты механических испытаний и выход годного
№ состава
При комнатной температуре
При температуре -168°С
Выход годного Q, %
Предел прочности σ<sub>в</sub>, МПа
Предел текучести σ<sub>т</sub>, МПа
σ<sub>в</sub>/σ<sub>т</sub>
Относительное равномерное удлинение δ<sub>р</sub>, %
Предел текучести σ<sub>т</sub>, МПа
Относительное равномерное удлинение δ<sub>max</sub>, %
Коэффициент чувствительности к надрезу K<sub>NSR</sub>
1
560
666
1,18
15,1
806/788
4,0
1,05
99,4
2
548
660
1,20
14,8
8895/826
3,9
1,10
99,3
3
564
668
1,17
14,6
905/825
3,4
1,06
99,5
Данные, представленные в таблице 3, свидетельствуют о том, что при реализации предложенного технического решения достигается высокое качество высокопрочных свариваемых арматурных профилей при одновременном повышении выхода годного.
Предлагаемый высокопрочный сварной арматурный профиль, характеризуется высокими служебными свойствами (свариваемость, способность к гнутью,  и т.д.), что позволяет использовать его со сварными соединениями в составе арматурных каркасов, сеток, закладных деталей и отдельных стержней при расчетной температуре до -168°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 без ограничений по характеру действия нагрузки (статической, динамической и многократно повторяющейся).
Таким образом, заявляемый химический состав стали обеспечивает наиболее стабильный уровень хладостойкости и трещиностойкости при низких температурах (до -168°С).
Арматурный стержень применяется при проектировании и изготовлении возводимых на строительных площадках вертикальных цилиндрических стальных резервуаров с плоским дном для хранения охлажденных сниженных газов с рабочей температурой от 0°С до -165°С.