СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОТЯЖЕННОГО ИЗДЕЛИЯ ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ
MANUFACTURING METHOD OF STRETCHED PRODUCT OF VARIABLE CROSS SECTION

Предложенное изобретение относится к области металлургии. Более конкретной областью использования предложенного изобретения является производство стальных арматурных стержней для железобетонных блоков или иного арматурного проката, который может быть использован при производстве строительных конструкционных изделий.
Известно большое количество способов обработки металла, используемых при производстве протяженных изделий, в том числе строительных арматурных стержней, например, горячей прокаткой в соответствии с ГОСТ 5781-82. Практически все известные технологии обеспечивают производство протяженных изделий с постоянной массой, приходящейся на единицу длины.
При производстве строительных конструкций известно изменение поперечных сечений по одному или по обоим концам протяженных изделий, необходимое для обеспечения анкеровки: закрепления стального стержня в бетоне строительной конструкции. Для этого используется сварка, например приварка поперечных стержней, осевая ковка, загибом конца стержня в форме крюка или петли (см. нормативный документ Свод правил по проектированию и строительству. Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры. СП 52-101-2003. Москва. 2004. Раздел 8). Перечисленные технологии позволяют изготавливать протяженные изделия при гладкой или рифленой поверхности исходного проката, но не обеспечивают изменения поперечного сечения на каких-либо участках, выбранных вдоль длины протяженного изделия переменного сечения, кроме концевых.
В качестве ближайшего аналога предложенного способа производства длинномерных протяженных изделий переменного сечения выбран способ изготовления протяженного изделия переменного сечения - арматурного стержня для строительной конструкции, описанный в опубликованной заявке на получение патента JP 2001323958. Согласно известному способу предварительно выбирают место расположения участка, поперечное сечение на котором будет увеличено по сравнению с базовым поперечным сечением, выполняют локальный нагрев металла в этом месте до состояния высокой пластичности материала изделия и выполняют встречную осевую осадку для деформации металла с обеспечением плавных переходов между участками с базовым и с увеличенным поперечным сечением.
Однако описанный в JP 2001323958 способ предусматривает использование специальной формы для нагретого металла, которая имеет сквозное отверстие и надевается на стержень через обязательно свободный конец этого стержня. Что не позволяет использовать известный способ для протяженных изделий непрямолинейного вида, например арматурных стержней, свернутых в бухты, в бунты или в мотки.
Другим важным недостатком известного из JP 2001323958 способа является использование при осуществлении способа специализированного элемента, играющего в железобетонной конструкции роль анкера и остающегося в объеме бетона, охватывая стержень по периметру. То есть этот элемент после завершения заполнения бетонной смесью формы выполняет функцию участка стержня с увеличенным диаметром, хотя данный элемент не является непосредственно частью стального стержня, не имеет химического состава, соответствующего составу стержня, и не образует с металлом стержня непрерывную структуру.
Третьим важным недостатком известного из JP 2001323958 способа является использование избыточной технологической операции: надвигания между нагревом и осадкой специализированного элемента из холодной зоны на стержне вдоль оси стержня на нагретый участок, за время перемещения этого элемента и до начала осадки нагретый ранее участок неконтролируемо остывает.
В условиях эксплуатации железобетонной конструкции профилированная поверхность арматурных стержней либо выполненные анкеры обеспечивают надежное сцепление арматуры с бетоном. Однако стальная поверхность, развитая по площади и сложная по форме (в результате периодичного профилирования в металлургическом производстве) повышает интенсивность коррозии металла на поверхности арматурных стержней. Это особенно интенсивно проявляется при проникновении влаги внутрь строительной конструкции и при перепадах температур. Ребра и выступы на поверхности стержня периодического профиля являются концентраторами напряжений при динамических нагрузках. Коррозия стали арматурных стержней и неравномерность напряженного состояния металла вызывают снижение или потерю контактного взаимодействия бетона и стальной поверхности армирующих стержней. Это сказывается на результатах испытаний и эксплуатации железобетонных конструкций. Известные способы изготовления протяженных изделий, предназначенных для дальнейшего использования в том числе и в строительных конструкциях, не обеспечивают создания таких видов изделий, которые бы позволили выдержать нагрузки в условиях потери сцепления стали с бетоном.
Задачей предложенного изобретения является создание способа изготовления протяженного изделия именно переменного сечения, которое, в первую очередь, позволило бы обеспечить работоспособность железобетонных или фибробетонных строительных конструкций при значительных коррозионных повреждениях арматурного стержня и местной или общей потере связи стали с бетоном. Дополнительной задачей предложенного изобретения является возможность замены широко используемой при производстве строительных конструкций арматурной стали периодического профиля на арматурную сталь гладкого профиля.
Технический результат, ожидаемый от использования предлагаемого изобретения, будет заключаться в разработке способа производства протяженных изделий, при эксплуатации которого будет минимизировано влияние на прочность строительной конструкции изменения качества протяженного изделия в процессе длительного контакта между основным материалом строительной конструкции, например бетоном, и поверхностью изделия, например стального арматурного стержня, находящегося внутри строительной конструкции. Также предлагаемое изобретение обеспечит возможность использования «индивидуального подхода» при проектировании блочных строительных конструкций, что особенно важно при строительстве зданий, к качеству которых предъявляются повышенные требования, например к проектированию и сооружению сейсмостойких конструкций, исходя из конкретных мест расположения каждого из блоков строительной конструкции в здании или сооружении и условий их эксплуатации.
Технический результат, ожидаемый от использования предлагаемого изобретения, достигается тем, что предложен способ изготовления протяженного изделия переменного сечения, преимущественно арматурного стержня, включающий выбор на протяженном изделии мест расположения участков, поперечное сечение на которых увеличено по сравнению с базовым поперечным сечением; локальный нагрев мест расположения этих участков до состояния высокой пластичности материала изделия и встречное осевое перемещение этих участков, приводящее к их деформации и формированию по длине протяженного изделия участков, поперечное сечение которых должно быть увеличено при сохранении плавных переходов между участками с базовым и увеличенным поперечным сечением.
В отличие от известных технических решений выполняют предварительное моделирование конструкции, в которой будет использовано протяженное изделие переменного сечения, с определением мест расположения напряженных участков конструкции, выбором на протяженном изделии мест расположения, по меньшей мере трех участков, поперечное сечение на которых увеличено по сравнению с базовым поперечным сечением, и соответствующих расположению напряженных участков конструкции и назначением непериодического закона изменения длин и поперечных сечений участков изделия, поперечное сечение на которых увеличено. При этом обеспечивается увеличение не менее чем в три раза поперечного сечения участков, расположенных по краям стержня, по сравнению с участками, расположенными между ними. Увеличение поперечного сечения участков в соответствии с выбранным непериодическим законом изменения длин и поперечных сечений производится при выпучивании нагретого металла изделия при нагреве и встречной осевой деформации нагретых участков. Операции по нагреву и осевой деформации повторяют для каждого из участков изделия, поперечное сечение на котором должно быть увеличено.
В частных случаях реализации предложенного технического решения для обеспечения осевой деформации выполняется газопламенный нагрев изделия на участке, поперечное сечение которого должно быть увеличено, либо нагрев изделия при прохождении электрического тока, например, под воздействием тока магнитной индукции. На поверхность участка увеличенного сечения протяженного одновременно с формированием этого участка изделия наносится защитное покрытие.
При практической реализации предложенного способа по результатам предварительного моделирования конструкции назначается непериодическая зависимость (зависимость, не связывающая геометрические параметры протяженного изделия с технологией его изготовления), в соответствии с которой будут изменяться протяженность и поперечные сечения этих участков, поперечное сечение для которых целесообразно увеличить по сравнению с базовым поперечным сечением протяженного изделия. Например, может быть выполнено моделирование железобетонных блоков (колец или других изделий) исходя из конкретных мест расположения каждого из блоков в строительной конструкции, моделирование условий эксплуатации позволит спрогнозировать наиболее опасные места блока и соответственно определить места расположения анкерующих зон на арматурных стержнях. При этом должно быть выбрано, по меньшей мере, три места расположения участков, поперечное сечение на которых будет увеличено по сравнению с базовым поперечным сечением, причем не менее чем в три раза должно быть увеличено поперечное сечение участков, расположенных по концам протяженного изделия.
Для нагрева участка изделия, поперечное сечение которого должно быть увеличено, используют газопламенный нагрев выбранного участка либо нагрев при прохождении электрического тока, например нагрев под действием тока магнитной индукции. Нагрев металла приводит материал протяженного изделия к состоянию высокой пластичности материала. Затем участки, расположенные на некотором расстоянии от участка нагрева, фиксируются (например, в зажимах машин контактной стыковой сварки) и производится встречное осевое перемещение металла по сторонам нагретого участка. При таком перемещении деформируется нагретый металл, и за счет перемещения и выпучивания нагретого металла формируется участок с увеличенным поперечным сечением. Абсолютное значение местного увеличения сечения протяженного изделия оценивают по сравнению с поперечным сечением изделия металлопроката, предусмотренным действующими нормативными документами, или по сравнению с базовым поперечным сечением изделия металлопроката, указанным в проектной документации. Увеличение в результате осевой деформации сечения изделия металлопроката должно превышать указанные в нормативной документации допуски на исходный базовый диаметр изделия металлопроката. После завершения деформации изделия на его поверхность или на отдельные участки поверхности изделия может быть нанесено защитное покрытие, например цинковое покрытие.
В ходе выполнения операций по деформированию металла в районе нагретых участков поперечное сечение увеличивается в соответствии с выбранным непериодическим законом изменения протяженности характерных участков и их поперечных сечений с сохранением плавности перехода от базового поперечного сечения к участку с увеличенным сечением. При этом каждый из подобных участков будет характеризоваться состоянием материала изделия, характерным для горячедеформированного состояния, но в любом случае состав металла на измененном по сечению участке изделия не будет отличаться по химическому составу от материала всего изделия. Технологически участки выполняют при поверхности изделия гладкого вида, как и при поверхности, имеющей рифление, в том числе характеризующейся периодичностью профиля. По технико-экономическим показателем наиболее выгодно использование металлопроката с гладкой поверхностью. Регулируя режим нагрева и изменяя прилагаемые осевые усилия, можно сформировать требуемую геометрическую форму участка с увеличенным поперечным сечением. Технологическими параметрами способа, влияющими на геометрические показатели участков с увеличенным сечением, являются следующие показатели: максимальная температура металла в зоне нагрева, профиль температурного поля вдоль оси стержня, вызванный распределением источников тепла вдоль стержня, продолжительность выдержки между окончанием нагрева и началом осевого перемещения, скорость нагрева стержня, скорость охлаждения стержня после деформации, усилие и скорость приложения усилия перемещения, приводящего к деформации нагретого металла.
Операции по нагреву и осевой деформации повторяют для каждого из участков изделия, поперечное сечение на котором должно быть увеличено. Количество нагревов участков вдоль оси протяженного изделия может не быть равно количеству деформаций, возможен нагрев нескольких участков с последующей общей осевой деформацией либо с несколькими осевыми деформациями. Очевидно, что протяженное металлическое изделие переменного сечения, например арматурный стержень, изготовленное по описанной технологии, не включает в себя зоны сварки или ковки и не будет иметь сварных швов, литых элементов или участков, различающихся по химическому составу. По завершении технологического процесса выполнения участков, поперечное сечение на которых должно быть увеличено, готовое изделие может быть подвергнуто термической обработке (закалке либо отпуску) с целью придания металлу стержня необходимого структурного состояния. Кроме того, местный высокотемпературный нагрев может быть использован и для нанесения защитного покрытия, например цинкового покрытия, на деформируемые участки.
Готовое протяженное изделие, полученное подобным способом будет представлять собой распределенную систему связанных зон, особенностью которых является их фиксированное положение в строительной конструкции, вызванное развитым анкерующим эффектом. Единая система связанных между собой участков создает комплексный анкерующий эффект для протяженного изделия в целом и обеспечивает «привязку» данного изделия к выбранным и наиболее нагруженным зонам строительной конструкции, например «привязку» и фиксацию арматурного стержня к железобетонной конструкции.
Протяженное изделие переменного поперечного сечения, используемое в роли арматурного стержня, стабильно по положению в составе железобетонной конструкции, поскольку расположенные на арматурном стержне характерные участки стержня, имеющие увеличенное поперечное сечение, фиксированы в объеме бетона. Это обеспечивает отсутствие возможностей для сдвига характерных участков стержня в окружающем бетонированном объеме. На базовой части арматурного стержня при любом состоянии контакта стали с бетоном и при любых нагрузках эти участки стержня, зафиксированные в забетонированном объеме строительной конструкции, обеспечивают сопротивление сдвигу арматурного стержня в целом. Как результат, положение арматурного стержня в строительной конструкции становится определенным и не зависит от качества контакта бетона с материалом арматурного стержня. Наличие плавных переходов от базового поперечного сечения к увеличенному сечению предотвращает концентрацию напряжений на арматурном стержне и разрушение его металла из-за перенапряженного состояния. Отсутствие различия в электрохимических потенциалах металла на базовых участках арматурного стержня и на участках, имеющих увеличенное сечение, снизит вероятность возникновения коррозионных повреждений металла стержня.
Протяженное изделие переменного сечения, изготовленное в соответствии с предлагаемым способом, может использоваться при производстве любых строительных конструкций, выполняемых из железобетона или фибробетона, в качестве арматурного стержня. Кроме того, при малых диаметрах, порядка 1 мм, такой стержень с установленным расположением небольших участков увеличенного диаметра может использоваться в качестве непрерывного фиброэлемента бетонной конструкции.
Таким образом разработана технология изготовления протяженных изделий переменного сечения, которое в свою очередь обеспечит возможность длительной эксплуатации строительной конструкции, а также возводимых из них зданий и сооружений в условиях воздействия коррозионной среды и избыточного механического нагружения. Преимущество предложенного способа изготовления протяженного изделия переменного сечения будет достигнуто для изготовления наиболее ответственных видов строительных элементов и изделий, например стальных арматурных стержней для сейсмостойких конструкций. Также использование предложенного способа позволит перейти при изготовлении строительных конструкций на арматурную сталь гладкого профиля, а также исключит зависимость свойств строительных конструкций от стабильности контакта стальной арматуры с бетоном и за счет исключения с поверхности арматурного стержня концентраторов напряжений: ребер и выступов стержня и снизит себестоимость продукции за счет использования более дешевых валков и более экономичной технологии горячей прокатки гладкого стального проката.