Колонный двутавр с толщиной полки до 40 мм
COLUMN I-BEAM WITH A SHELF THICKNESS OF UP TO 40 mm

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству проката из низколегированной стали повышенной прочности с гарантией свариваемости без дополнительной термической обработки, используемого для изготовления сварных металлических конструкций, пригодных к эксплуатации в условиях низких температур.
Известен колонный двутавр, традиционно изготавливаемый из низколегированной стали 09Г2С по [1] ГОСТ 19281-2014, содержащей компоненты при следующем соотношении, масс.%: углерод ≤ 0,12; марганец 1,30-1,70; кремний 0,50-0,80; фосфор ≤ 0,030; серу ≤ 0,035;хром ≤ 0,30; никель ≤ 0,30; медь ≤ 0,30; железо – остальное.
Недостатком известного решения является то, что прокат, производимый из стали указанного состава имеет гарантию свариваемости, Сэкв не более 0,46%, однако не может обеспечивать механические свойства для класса прочности С390 по [2] ГОСТ 27772-2015 и класса прочности С390Б по [3] ГОСТ Р 57837-2017.
Наиболее близким аналогом (прототипом) к заявляемому изобретению является двутавр из стали 12Г2ФД по [4] ГОСТ 19281-2014, которая содержит углерод, марганец, кремний, алюминий, фосфор, серу, медь, ванадий в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,09-0,15; марганец 1,30-1,70; кремний 0,17-0,37; фосфор ≤ 0,017; сера ≤ 0,030; медь 0,15-0,30; хром ≤ 0,30; никель ≤ 0,30; ванадий 0,02-0,10; азот ≤ 0,008, железо остальное.
Недостатком известного решения является то, что прокат, производимый из стали, указанного состава, при обеспечении механических свойств для класса прочности С390 по ГОСТ 27772-2015 и класса прочности С390Б по ГОСТ Р 57837-2017, не имеет гарантии свариваемости, Сэкв более 0,46%. Сварка данной стали возможна с дополнительной термической обработкой проката перед сваркой, что ведет к усложнению изготовления и удорожанию изготовления сварных конструкций из такой стали.
Перечисленные аналоги содержат обязательный перечень элементов, но не указывают конкретные пределы их содержания и дополнительные легирующие элементы для получения требуемых механических свойств и специальных требований потребителей по свариваемости.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение является повышение механических свойств (предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение, ударную вязкость KCV при температуре минус 40°С) колонного двутавра с толщиной полки до 40 мм, с одновременным получением углеродного эквивалента не более 0,46%, что способствует повышению потребительских свойств проката и улучшению свариваемости, в виду отсутствия дополнительной термической обработки сварного шва.
Указанный технический результат достигается тем, чтоколонный двутавр с толщиной полки до 40 мм изготовлен из стали, содержащей компоненты в следующем соотношении, масс.%: углерод 0,09-0,12; марганец 1,55-1,70; кремний 0,17-0,27; алюминий 0,02-0,06; фосфор ≤ 0,015; сера ≤ 0,010; медь ≤ 0,020; азот ≤ 0,008; хром 0,10-0,20; никель 0,25-0,30; ванадий 0,06-0,08; молибден 0,02-0,05; железо – остальное.
Пределы содержания компонентов в заявляемом изобретении, получены опытно-экспериментальным путем.
Заявителем разработан колонный двутавр с толщиной полки до 40 мм из стали, содержащей компоненты в следующем соотношении, масс.%: углерод 0,09-0,12; марганец 1,55-1,70; кремний 0,17-0,27; алюминий 0,02-0,06; фосфор ≤ 0,015; сера ≤ 0,010; медь ≤ 0,020; азот ≤ 0,008; хром 0,10-0,20; никель 0,25-0,30; ванадий 0,06-0,08; молибден 0,02-0,05; железо – остальное, обеспечивающим получение углеродного эквивалента Сэкв не более 0,46% и одновременное обеспечение повышенного значения прочности, что гарантирует свариваемость проката без дополнительной термической обработки.
Углеродный эквивалент рассчитывается по формуле:
Механические свойства, заявляемого колонного двутавра с толщиной полки до 40 мм соответствуют классу С390 по ГОСТ 27772-2015:
- при толщине полки до 10 мм включительно
Т
2
предел текучести (σ) - не менее 390 Н/мм;
в
2
временное сопротивление (σ) - не менее 520 Н/мм;
s
относительное удлинение (δ) - не менее 20 %;
2
ударную вязкость KCV при температуре минус 40 °С - более 34 Дж/см.
- при толщине полки cвыше 10 до 20 мм включительно
Т
2
предел текучести (σ) - не менее 380 Н/мм;
в
2
временное сопротивление (σ) - не менее 520 Н/мм;
s
относительное удлинение (δ) - не менее 20 %;
2
ударную вязкость KCV при температуре минус 40 °С - более 34 Дж/см
- при толщине полки cвыше 20 до 40 мм включительно
Т
2
предел текучести (σ) - не менее 370 Н/мм;
в
2
временное сопротивление (σ) - не менее 490 Н/мм;
s
относительное удлинение (δ) - не менее 20 %;
2
ударную вязкость KCV при температуре минус 40 °С - более 34 Дж/см
Разработанный колонный двутавр с толщиной полки до 40 мм изготовлен из стали, имеющей следующий количественный состав (мас.%) и качественный состав:
• содержание углерода в пределах от 0,09 до 0,12%, при заявляемом соотношении других компонентов низколегированной стали определяет ее прочность. Снижение содержания углерода менее 0,09% приводит к недостижению требуемых прочностных характеристик. Увеличение содержания углерода сверх 0,12% снижает пластичность, ухудшает ударную вязкость и снижает свариваемость.
• содержание марганца в пределах от 1,55 до 1,70%, при заявляемом соотношении других компонентов низколегированной стали, вводится для повышения прочности стали, а также снижения негативного влияния серы (красноломкость). При содержании марганца менее 1,55% требуемые прочностные характеристики недостижимы. Увеличение содержания марганца свыше 1,70% снижает пластичность и ударную вязкость.
• содержание кремния в пределах от 0,17 до 0,27 %, при заявляемом соотношении других компонентов низколегированной стали, необходимо для раскисления стали и для повышения прочности. При содержании кремния менее 0,17%, не происходит требуемого раскисления стали, сталь становится полуспокойной. Увеличение содержания кремния более 0,27% приводит к снижению ударной вязкости и свариваемости.
• содержание алюминия в пределах от 0,02 до 0,06 %, при заявляемом соотношении других компонентов низколегированной стали, является технологической добавкой для раскисления стали. При содержании алюминия менее 0,02% не происходит требуемого раскисления стали. Увеличение содержания алюминия более 0,06% приводит к усложнению разливки и удорожанию стали.
• содержание фосфора меньше или равное 0,015% (≤ 0,015%), при заявляемом соотношении других компонентов низколегированной стали, является вредной примесью в стали, в количестве более 0,015% резко ухудшает пластичность, вязкость, свариваемость стали.
• содержание серы меньше или равное 0,010% (≤ 0,010), при заявляемом соотношении других компонентов низколегированной стали, является вредной примесью в стали, в количестве более 0,010% резко ухудшает прочностные свойства и свариваемость стали.
• содержание меди меньше или равное 0,020% (≤ 0,020), при заявляемом соотношении других компонентов низколегированной стали, является сопутствующим элементом, при ее количестве выше 0,020% положительного влияния на сталь не оказывает, но увеличивает своей массовой долей углеродный эквивалент.
• содержание азота меньше или равное 0,008% (≤ 0,008), при заявляемом соотношении других компонентов низколегированной стали, является карбонитридообразующим элементом, упрочняющим сталь. Однако повышение концентрации азота сверх 0,008% приводит к снижению ударной вязкости и свариваемости.
• содержание хрома в пределах от 0,10 до 0,20%, никеля в пределах от 0,25 до 0,30%, ванадия в пределах от 0,06 до 0,08% и молибдена в пределах от 0,02 до 0,05% при заявляемом соотношении других компонентов низколегированной стали, являются легирующими элементами, способствующими повышению прочностных характеристик. В предлагаемом изобретении выбрано наилучшее соотношение их массовых долей для максимального повышения прочности без потери свариваемости.
При содержании хрома ниже 0,10% прочность снижается. При превышении его предела в 0,20% снижается свариваемость стали, происходит недопустимое увеличение углеродного эквивалента Сэкв выше 0,46%.
• содержание никеля в пределах от 0,25 до 0,30% способствует повышению ударной вязкости, однако при содержании менее 0,25%, его влияние незначительно, а превышение предела в 0,30% приводит к недопустимому увеличению углеродного эквивалента Сэкв выше 0,46%.
• содержание ванадия в пределах от 0,06 до 0.08% повышает прочностные характеристики стали, способствует измельчению зерна. При содержании ниже 0,06% необходимого повышения прочности не происходит, при содержании выше 0,08% происходит увеличение углеродного эквивалента Сэкв выше 0,46%.
• содержание молибдена в пределах от 0,02 до 0,05% необходимо для повышения прочности и улучшения свариваемости. Его содержание ниже 0,02% не дает требуемого положительного эффекта, а превышение 0,05% ведет к недопустимому увеличению углеродного эквивалента Сэкв выше 0,46%.
Заявляемый технический результат достигается при использовании количественного и качественного состава компонентов, и не зависит от последовательности (очередности) их добавления в расплав, а также от того добавляются они в чистом или в виде лигатуры.
Технология производства проката включает: выплавку стали кислородно-конверторным способом, внепечную обработку, непрерывную разливку, охлаждение, нагрев до температуры 1250°С и последующую прокатку на универсально-балочном стане с температурой окончания прокатки в интервале 800-1050°С.
Данная технология производства заявляемого колонного двутавра, изготовленного из стали, с химическим составом, обеспечивающим указанное оптимальное соотношение между элементами и получение углеродного эквивалента Сэкв не более 0,46%, позволяет получить повышенные прочностные характеристики проката с одновременным обеспечением гарантии свариваемости без дополнительной термической обработки сварного шва у потребителя.
В Таблице 1 указан состав стали, из которой изготовлен предложенный колонный двутавр и состав стали марок по ГОСТ 19281-2014.
Результаты механических испытаний колонного двутавра с толщиной полки 35,5 мм, изготовленного из стали, содержащей компоненты в предложенном соотношении, приведены в таблице 2 и таблице 3.
Фактические механические свойства проката соответствуют требованиям стандартов на прокат.
В таблицах 4, 5, 6 приведены результаты испытаний сварных швов из проб двутавра 40К5 из стали классом прочности С390.
Сварка проб осуществлялась механизированным способом в среде защитных газов, тремя марками проволоки (Св-08Г2С, Св-08ГСМТ, Св-08ГСНТ).
Все контролируемые параметры соответствовали требованиям стандартов на металлоконструкции.
Из таблиц 2, 3, 4, 5, 6 видно, что заявленный колонный двутавр характеризуется высокими прочностными характеристиками, с одновременным обеспечением гарантии свариваемости у потребителя.
Таким образом, сущность заявленного технического решения заключается в том, что колонный двутавр с толщиной полки до 40 мм изготовленный из стали с химическим составом, в котором известные компоненты подобраны в оптимальном соотношении, обеспечивает требования потребителей к сочетанию необходимых технических характеристик проката и хорошей свариваемости без дополнительной термической обработки сварного шва, что соответствует критерию «новизна».
Анализ патентов и научно-технической информации выявил отсутствие признаков, сходных с признаками, которые присуще в предлагаемом техническом решении, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень».
Использование заявленного колонного двутавра для изготовления металлических конструкций у потребителя позволяет обеспечить:
1) повышение прочностных характеристик конструкций;
2) свариваемость, без дополнительной термической обработки сварного шва.
Это приводит к расширению сортамента производимой продукции и увеличению объемов сбыта двутавров.
Опытная проработка и использование предлагаемого технического решения на АО «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат» подтверждает соответствие критерию «промышленная применимость изобретения».
Источники информации
[1] ГОСТ 19281-2014
[2] ГОСТ 27772-2015
[3] ГОСТ Р 57837-2017
[4] ГОСТ 19281-2014
Таблица 1
Компоненты сталь
Содержание компонентов стали, масс.%
Заявляемое изобретение
Сталь марки 09Г2С по ГОСТ 19281-2014
Сталь марки 12Г2ФД ГОСТ 19281-2014
Примеры
1
2
3
4
5
углерод
0,097
0,114
0,12
≤ 0,12
0,09-0,15
марганец
1,58
1,68
1,59
1,30-1,70
1,30-1,70
кремний
0,22
0,23
0,23
0,50-0,80
0,17-0,37
алюминий
0,038
0,041
0,034
0,02-0,06
-
фосфор
0,0089
0,0096
0,0100
≤ 0,030
≤ 0,030
сера
0,0031
0,0027
0,0029
≤ 0,035
≤ 0,035
медь
0,010
0,010
0,009
≤ 0,30
0,15-0,30
азот
0,0049
0,0065
0,0049
≤ 0,010
≤ 0,010
хром
0,119
0,13
0,126
≤ 0,30
≤ 0,30
никель
0,29
0,29
0,29
≤ 0,30
≤ 0,30
ванадий
0,064
0,07
0,0069
≤ 0,12
0,02-0,10
молибден
0,041
0,044
0,044
-
-
железо
остальное
остальное
остальное
остальное
остальное
Таблица 2
Свойства стали
Свойства стали по примерам (на растяжение)
Прокат из заявляемой стали
Требования по ГОСТ 27772-2015
Требования по ГОСТ Р 57837-2017
Примеры
1
2
3
4
5
Пределтекучести,Н/мм<sup>2</sup>
393-392
396-392
423-419
≤370
≤375
Временноесопротив-ление,Н/мм<sup>2</sup>
539-534
544-535
573-572
≤490
≤520
Относи-тельное удлинение, %
32-30
32-31
28-27
≤20
≤20
Таблица 3
Свойства стали
Свойства стали по примерам (на ударный изгиб)Ударная вязкость, Дж/см<sup>2</sup>, при температуре, °С
Прокат из заявляемой стали
Требования по ГОСТ 27772-2015
Требования по ГОСТ Р 57837-2017
Примеры
1
2
3
4
5
KCUминус 40
371, 362356, 350
267, 255243, 241
356, 350345, 330
≤34
-
KCVминус 40
247, 220200, 185
152, 149144, 138
220, 205201, 197
≤34
≤34
Таблица 5
Маркасварочной проволоки
Место отбора образца
Ударная вязкость KCV, Дж/см<sup>2</sup>, при температуре минус 40°С
СП 53-101-98, СП 70.13330.2012
не менее 34
ось шва
линия сплавления
Св-08Г2С
Стенка
52, 69, 80,  85, 96, 100
96, 168, 188, 216, 315, 340
71, 102, 106, 110, 120, 130
55, 205, 210, 230, 277, 368
35, 102, 126, 130, 158, 193
246, 258, 261, 290, 302, 342
Полка
38, 45, 52, 97, 120, 143
220, 241, 242, 243, 256, 280
62, 71, 73, 82, 85, 93
221, 238, 257, 267, 280, 281
55, 57, 78, 83, 87, 102
170, 247, 255, 270, 291, 300
Св-08ГСМТ
Стенка
85, 124, 140, 146, 170, 206
193, 284, 285, 328, 353, 368
83, 94, 115, 123, 150, 204
252, 284, 291, 317, 360, 373
72, 121, 131, 141, 152, 177
260, 334, 341, 357,369, 370
Полка
93, 177, 172, 180, 216, 218
197, 227, 240, 243, 250, 360
70, 72, 75, 80, 96, 133
258, 272, 320, 331, 322, 333
57, 75, 77, 108, 110, 137
178, 227, 235, 262, 278, 343
Св-08ГСНТ
Стенка
76, 82, 90, 122, 133, 137
224, 230, 231, 233, 243, 247
63, 68, 78,  80, 82, 102
220, 253, 255, 261, 264, 281
57, 63, 83, 96, 100, 113
206, 243, 253, 355, 344, 323
Полка
55, 76, 81, 87, 91, 97
171, 205, 208, 212, 246, 295
72, 73, 85, 86, 90, 92
175, 191, 202, 206, 200, 222
77, 81, 83, 85, 87, 93
178, 190, 197, 206, 233, 247
Таблица 6
Маркасварочнойпроволоки
Местоотбораобразца
Твердость, HV
СП 53-101-98, СП 70.13330.2012
не более 320
Фактические значения
основной металл
зона термического влияния
шов
Св-08Г2С
Стенка
137, 139, 141,141, 141
152, 156, 160, 160,164, 164,168
144, 148, 152, 152, 156, 156, 160, 164
141, 141, 141,144, 148
141, 144, 148, 152,156, 160, 164
132, 135, 137, 139, 144, 148, 152, 156
141, 141, 141,144, 148
152, 156, 160, 160,164, 164,168
137, 139, 141, 144, 148, 160, 164
Полка
137, 137, 137,139, 139, 139, 141
137, 139, 141, 144,148, 152, 156
137, 139, 141, 144, 144, 148, 148
137, 139, 141,141, 144, 148
144, 148, 152, 152, 152,156, 156, 156
141, 144, 148, 152, 152, 156, 156
141, 141, 141,144, 148
152, 152, 152,156, 156, 156, 160, 164
141, 144, 148, 152, 156, 160, 164
Св-08ГСМТ
Стенка
141, 141, 144,144,148, 148
144, 148, 152, 156, 160, 164, 168
144, 148, 160, 160, 164, 164, 168
141, 141, 144,144, 148, 148
144, 148, 152, 156, 160, 164, 168
168, 168, 168,180, 184
Продолжение таблицы 6
Маркасварочнойпроволоки
Местоотбораобразца
Твердость, HV
СП 53-101-98, СП 70.13330.2012
не более 320
Фактические значения
основной металл
зона термического влияния
шов
137, 137, 139, 139,141, 144, 148
144, 144, 148, 148,152, 156, 160, 164
127, 130, 135,141, 172, 17
Полка
137, 139, 137,139, 141, 141
144, 148, 152, 152,156, 156, 160
137, 139, 144, 144, 148, 148, 152, 156
141, 141, 141,144, 148,
141, 144, 144, 144,148, 148, 148
141, 141, 144,152, 156, 148
141, 141, 144,144, 148, 148
144, 148, 152, 156,160, 164, 168
168, 168, 168,180, 184
Св-08ГСНТ
Стенка
141, 141, 141,144, 148
152, 152, 156, 156,160, 160, 164, 164
172, 176, 180,184, 188, 188
137, 139, 141, 144,144, 148, 148
152, 156, 160, 160,164, 164, 168
168, 172, 172, 176, 176, 180, 184
137, 139, 141, 141,144, 148
152, 156, 160, 164,168, 172, 176
160, 164, 172, 176, 180, 184, 188
Полка
132, 135, 137, 137,139, 139, 141
152, 156, 168,168, 172, 176
127, 130, 141, 144, 148, 160, 164
141, 141, 141,144, 148
160, 164, 172, 172,176, 176, 180, 184
172, 176, 180, 184, 188, 196, 200
137, 137, 137, 139, 139, 139, 141
152, 152, 156, 156, 160, 164, 172, 176
132, 135, 144, 148, 180, 184, 196, 200