НацIональна металургIйна академIя України

ШЕРЕМЕТ Володимир Олександрович

УДК 669.14.018.291.3:621.785.5.016.2

НАУКОВI ОСНОВИ ТЕХНОЛОГIЇ ТЕРМОЗМIЦНЕННЯ

ПОЗДОВЖНЬО РОЗДIЛЕНОЇ АРМАТУРИ

Спеціальність 05.16.01 – ”Металознавство та термічна

обробка металів”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2003

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України (м.Дніпропетровськ).

Науковий керівник | доктор технічних наук, професор,

академік НАН України

Національна металургійна академія України,

завідувач кафедри металознавства

Офіційні опоненти: |

доктор технічних наук, професор

БОЛЬШАКОВ Володимир Іванович,

Придніпровська державна академія

будівництва і архітектури,

завідувач кафедри матеріалознавства і обробки

матеріалів, ректор академії

кандидат технічних наук, доцент

ПРИЛЕПСЬКИЙ Юрій Валентинович,

Макіївський інженерно-будівельний інститут,

декан механічного факультету

Провідна установа | Інститут металофізики ім. Г.В.Курдюмова

НАН України, м.Київ

Захист відбудеться 16.12.2003 року о 12-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.02 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м.Дніпропетровськ, пр.Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м.Дніпропетровськ, пр.Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий 14.11.2003 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Должанський А.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Арматурна сталь, що застосовується для армування залізобетону, повинна мати певний комплекс механічних властивостей і відповідати спеціальним вимогам із зварюва-ності, корозійної стійкості і т.д. Залишаючись одним з масових видів прокату, без якого немож-ливе будівництво, арматура має принципову особливість: повернути її до металофонду країни практично не можна. Сполучення жорстких вимог до експлуатаційних властивостей металу з його фактичною втратою при використанні в залізобетонних конструкціях як арматури визначає необ-хідність безперервного вдосконалення способів її виробництва з метою зниження собівартості за одночасного підвищення якості металу, зокрема для експортних вимог.

Відомо, що одним із найбільш ефективних способів одержання високоміцної арматури є тер-момеханічна обробка (ТМО), яка суттєво підвищує міцність та холодостійкість сталі при задо-вільній її зварюваності та корозійній стійкості. Основна маса арматури, що застосовується в будів-ництві, припадає на ненапружувану зварювану арматуру класів А400С і А500С (A-III, Ат-IIIС) із різних сталей. У вітчизняній практиці була здійснена спроба виробництва термомеханічно зміцне-ної арматури з вуглецевих сталей типу Ст5пс класу А400 (Ат-IIIС). Але як за вмістом вуглецю (до 0,4 %), так і за зварюваністю така арматура не відповідала вимогам міжнародних стандартів. Реалізація в промислових масштабах в умовах Криворізького державного гірничо-металургійного комбінату (КДГМК) ”Криворіжсталь” процесу прокатки з розділенням розкату, який забезпечує суттєве зниження витрат і підвищення продуктивності прокатних станів, поставила вимоги щодо створення нових арматурних сталей, технологій термозміцнення та охолодних систем для забез-печення металу арматури рівня властивостей за вимогами міжнародних стандартів. При цьому на момент початку роботи були відсутніми дані про вплив цього способу прокатки на корозійну стійкість і зварюваність термомеханічно зміцнених напівспокійних арма-турних сталей. Крім того, для виробництва арматури класів міцності А400С і А500С великих діаметрів за потрібне було підвищити прогартовуваність сталей, що доцільно досягати за рахунок мікролегування карбідо-утворюючими елементами, з яких найбільш ефективним є бор. Невизначеність сумісного впливу вказаних факторів на комплекс властивостей термозміцненої поздовжньо розділеної в потоці про-катки арматури не дозволяла реалізувати відповідне виробництво в умовах КДГМК “Криворіж-сталь”. Отже вирішення цих задач і визначає актуальність роботи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є частиною досліджень, які виконувались КДГМК ”Криворіжсталь”, Національною металургійною академією України (НМетАУ) та Iнститутом чорної металургії НАНУ (№ ДР 0102U005067;
№ ДР 0102U005068 та інші). Здобувач був виконавцем основних змістовних частин вказаних робіт.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка наукових основ і параметрів про-мислової технології термомеханічного зміцнення арматурної сталі класів А400С і А500С, охолод-ного устаткування для її реалізації та впровадження їх в умовах КДГМК “Криворіжсталь” для виробництва арматури за методом прокатки з розділенням.

Для досягнення цієї мети в роботі розвязувались наступні задачі:

1) дослідження процесів структуроутворення при термомеханічній обробці арматурних мало-вуглецевих низьколегованих сталей з побудовою термокінетичних діаграм (ТКД) розпаду дефор-мованого аустеніту з урахуванням їх впливу на споживчі властивості арматури;

2) визначення температурного поля металу арматури різних діаметрів під час прискореного охолодження прокату та використання одержаних даних для визначення конструктивно-техно-логічних параметрів охолодного обладнання;

3) розробка, промислова апробація та впровадження вдосконаленої технології термомеха-нічної обробки арматури з напівспокійних сталей та охолодного обладнання для здійснення про-цесу зміцнення до рівня А400С і А500С парних розкатів арматури після розділення;

4) дослідження зварюваності та корозійної стійкості поздовжньо розділеного прокату, а та-кож впливу хімічного складу напівспокійної арматурної сталі на рівень експлуатаційних влас-тивостей арматури класів А400С і А500С.

Об’єкт дослідження: процеси структуроутворення у змінних умовах охолодження нових маловуглецевих низьколегованих напівспокійних сталей та параметри технології термомеха-нічного зміцнення арматури класів міцності А400С і А500С, яка виробляється прокаткою з роз-діленням розкату.

Предмет дослідження: закономірності впливу хімічного складу та параметрів охолодження на процеси структуроутворення в сталях Ст3пс, Ст3ТРпс та в Ст3сп з бором при охолодженні деформованого аустеніту на вигляд ТКД, а також на рівень експлуатаційних властивостей ар-матури.

Методи дослідження. При проведенні досліджень застосовувались сучасні методи та мето-дики: хімічний, диференціально-термічний, металографічний аналізи, електронно-мікроскопічні дослідження тонкої структури на просвіт, кількісний аналіз структур, математичне моделювання процесу теплообміну, математична статистика для обробки хімічного складу та вивчення його впливу на механічні властивості арматури, механічні випробування арматури та зварних з’єднань з неї, корозійні випробування арматури в різних середовищах і випробування на стійкість до корозійного розтріскування.

Наукова новизна одержаних результатів.

Одержали подальший розвиток наукові основи технології термомеханічного зміцнення арматури з напівспокійних сталей в частині уточнення взаємозв’язку тривалості приско-реного охолодження парних розкатів з кількістю структурних складових. Розробка відріз-няється врахуванням одночасної присутності суміжних розкатів в одному охолодному пристрої та взаємного впливу тривалості охолодження металу та ступеня розпаду аустеніту на кількість структурних складових. Це дає можливість керувати кількісним складом структурних складових металу арматури та інтенсивністю охолодження парних розкатів шляхом зміни довжини камери охолодного пристрою.

Вперше побудовані термокінетичні діаграми напівспокійних сталей, що використо-вуються на КДГМК “Криворіжсталь” для виробництва термозміцненої арматури класів міцності А400С і А500С та встановлені закономірності структуроутворення в цих сталях з вмістом вуглецю 0,20 % та 0,34 % (максимально зафіксованим для сталі Ст3пс при технології її виробництва, що існує) при прокатці з розділенням. Розробка відрізняється врахуванням впливу лікваційних явищ по перерізу заготовки з нових арматурних сталей на процеси струк-туроутворення при термозміцненні. Це дозволяє на відміну від традиційних технологій врахо-вувати особливості процесу структуроутворення в металі з підвищеним (у порівнянні з марочним) вмістом вуглецю та здійснювати коректування параметрів технології виробництва термозміцненої арматури, що забезпечує підвищення стабільності механічних властивостей прокату.

Вперше побудована термокінетична діаграма сталі Ст3сп з бором для поздовжньо розділеної арматури класів міцності А400С і А500С. Показано, що мікролегування сталі Ст3сп бором (0,005 %) значно підвищує стійкість переохолодженого аустеніту. Розробка відрізняється об’єктом дослідження – використанням Ст3сп з бором для виготовлення арматури великих діаметрів. Це дозволяє досягати рівня властивостей, що вимагається, в металі арматури без значної зміни швидкості охолодження.

Вперше за методикою Iнституту металофізики (IМФ) ім.Г.В.Курдюмова НАНУ виконані дослідження впливу структурних особливостей на рівень опору мікросколенню та дефектостійкість поздовжньо розділеного металу арматури при прокатці після термоме-ханічного зміцнення на класи А400С і А500С. Встановлено, що високий рівень властивостей досліджуваного арматурного металу повязаний з утворенням цементитних виділень округлої форми по межах структурних елементів та особливостями структуроутворення по перерізу металу арматури. Розробка відрізняється об’єктом дослідження.

Одержали подальший розвиток дослідження впливу розроблених режимів термомеха-нічного зміцнення парних розкатів на структуру та властивості прокату, які визначають особливості деформації металу арматури класів А400С і А500С зі сталі Ст3пс під час експлуатації (зокрема, наявність полички плинності на діаграмі розтягу та знижений у порівнянні з гарячекатаним станом коефіцієнт деформаційного зміцнення). Це дозволяє гарантувати забез-печення нормованих характеристик арматури. Розробка відрізняється об’єктом дослідження – напівспокійними арматурними сталями, прокатаними з розділенням розкату.

Вперше вивчено вплив концентраторів напружень, характерних для арматурного прокату (геометрія профілю, наявні поверхневі дефекти) на втомну міцність термомеханічно обробленої арматури класів міцності А400С і А500С, виготовленої з нових сталей. Це дало можливість використовувати арматуру вказаних класів міцності в різних металоконструкціях. Розробка відрізняється об’єктом дослідження – напівспокійними сталями Ст3пс і Ст3ТРпс, прока-таними в розділенням розкату.

Вперше для арматурного прокату зі сталі Ст3ТРпс одержані кореляційні залежності хімічного складу промислових плавок (понад 400 плавок за 2001 р.) з механічними власти-востями термозміцненого металу. Розробка відрізняється об’єктом дослідження. Це дає можливість цілеспрямовано коректувати хімічний склад металу для одержання в арматурі заданого діаметру нормованого рівня міцності.

Підтверджені стосовно до термозміцненої арматури зі сталей Ст3пс і Ст3ТРпс класу А500С раніше одержані дані для термозміцненої арматури з інших сталей про їх задовільну зварюваність та незначний рівень знеміцнення металу в різних видах зварних з’єднань. Відміна полягає в об’єкті дослідження – поздовжньо розділеній арматурі з напівспокійних сталей. Результати досліджень дають можливість використовувати арматуру, термозміцнену за розроб-леною технологією, без обмежень у зварних металоконструкціях.

Одержали подальший розвиток дослідження корозійних властивостей термозміцненої на рівень А500С арматури зі сталі Ст3ТРпс. Це дозволило рекомендувати арматуру, прокатану с розділенням розкату, для використання в залізобетонних конструкціях без обмежень. Розробка відрізняється об’єктом дослідження.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена в умовах КДГМК ”Криворіж-сталь” концепція виробництва конкурентоспроможної арматури та впроваджені заходи з раціо-нальних умов термомеханічного зміцнення парних розкатів арматури класів А400С, А500С (патенти України 33907А, 41038А, 47860А) з розробкою охолодного пристрою (патенти України 33900А, 33901А, 33907А), що дозволило освоїти промисловий процес виробництва зміцненого прокату зі сталей Ст3пс і Ст3ТРпс без реконструкції систем водопостачання прокатних цехів (акт від 27.11.02).

Визначені конструктивно-технологічні параметри нового охолодного пристрою для термо-зміцнення парних розкатів арматури з автоматично змінною довжиною камери охолодження, які забезпечують одержання рівня міцності арматури А400С і А500С при підвищенні стабільності властивостей термозміцненого прокату (акт від 27.11.02).

Встановлені в роботі кореляційні залежності хімічного складу промислових плавок сталі Ст3ТРпс ( 12; 14; 16 мм) з механічними властивостями прокатаної з неї термозміцненої арматури дають можливість цілеспрямовано коректувати хімічний склад металу для одержання в арматурі заданого діаметру нормованого рівня міцності.

Результати досліджень зварюваності та корозійної стійкості термозміцненої арматури зі сталей Ст3пс і Ст3ТРпс класу міцності А500С показали відповідність рівня цих властивостей вимогам ДСТУ 3760-98, що дозволило рекомендувати вказану арматуру до промислового виробництва та використання в металевих конструкціях (ДСТУ 3760-98).

Результати роботи використано при розробці державного стандарту України ДСТУ 3760-98 ”Прокат арматурный для железобетонных конструкций”.

Фактичний річний економічний ефект від впровадження нової технології термічного зміцнення арматури з напівспокійних сталей, що забезпечує підвищення конкурентоспроможності вітчизняної арматури класів А400С і А500С, тільки в 2002 році склав 23.483.539,76 грн. (частка автора – 650.000 грн.) (довідка від 27.01.03).

Особистий внесок здобувача. Основні наукові результаті дисертаційної роботи одержані здобувачем самостійно в ході досліджень, експериментальних та про-мислових випробувань, а та-кож при виконанні науково-дослідних робіт. Публікації відображають результати досліджень, які були виконані при особистій участі автора. Особистий внесок у спільних публікаціях: [1, 9, 10] – аналіз стану питання, виявлення найбільш ефективних технічних рішень на всіх стадіях виго-товлення металопрокату з метою забезпечення потрібного комплексу властивостей в металі арма-тури, наукове обґрунтування граничних концентрацій легуючих елементів в нових напівспокійних сталях, прокатаних з поздовжнім розділенням; [14] – дослідження та встановлення закономір-ностей в процесах структуроутворення в арматурних сталях Ст3пс, Ст3ТРпс і Ст3Рсп при термічному зміцненні та побудова ТКД розпаду переохолодженого деформованого аустеніту; [6] – дослідження структурного стану металу поздовжньо розділеної термозміцненої арматури класів А400С і А500С зі сталей Ст3пс, Ст3ТРпс, встановлення причин підвищення холодостійкості, опору крихкому руйнуванню та втомній міцності; [5, 15] – розрахунок теплових полів у метало-прокаті циліндричної форми в процесі термозміцнення; [2, 3, 13] – розробка та впровадження у виробництво охолодного пристрою зі змінюваною довжиною камери охолодження для термічного зміцнення поздовжньо розділеної арматури класів А400С і А500С; [4, 7, 8, 11, 12] – розробка концепції виробництва поздовжньо розділеної арматури класів А400С і А500С та технології виготовлення прокату з автоматичним регулюванням кількості структурних складових; [16] – дослідження зварюваності і корозійної стійкості арматури з напівспокійних сталей класу А500С, виробленої за методом прокатки з розділенням розкату та за традиційною технологією.

В дисертації відсутні ідеї та матеріали, які належать співавторам сумісних публікацій.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи докладались і обговорювались на II та IV Міжнародних конгресах прокатників (1991, 2001), науково-технічних конференціях і семінарах: ”Строительство, материаловедение, машиностроение (Стародубовские чтения – 2002, 2003)”; Об’єднаному науковому семінарі кафедр металознавства та термічної обробки металів НМетАУ (2003).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в одній монографії та в восьми статтях (5 з них – у фахових журналах). Новизна розробок захищена 7 патентами України на винахід.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, 8 розділів, висновків, списку вико-ристаних джерел і додатків. Матеріали роботи викладено на 253 сторінках тексту, з яких 35 сто-рінок займають 31 рис. та 24 табл., 19 сторінок – список використаних джерел з 214 найме-нувань, 54 сторінки – додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМIСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовані актуальність проблеми підвищення рівня конкурентоспроможності вітчизняного металопрокату та доцільність виконання обраної теми, сформульовані мета та задачі дослідження, новизна та практична цінність результатів роботи.

У першому розділі наведено результати аналізу виробничого досвіду та літературних джерел відносно використання при виробництві арматури найбільш ефективних технічних рішень, спря-мованих на підвищення якості металу, починаючи від рідкого стану й до фінішної ТМО арматури. Виконано аналіз хімічних складів арматурних сталей, використовуваних у світовій практиці для виробництва ненапруженої арматури класів міцності А400С і А500С, а також вимог до рівня експлуатаційних властивостей арматури. Показано, що міжнародні стандарти на зварювану арматуру таких класів міцності обмежують вміст у металі вуглецю (до 0,24 %) та значення вуглецевого еквівалента ( 0,50-0,52). З вітчизняних арматурних сталей вимогам ДСТУ 3760-98 та міжнародних стандартів відповідають лише сталі типу Ст3ТРпс та Ст3пс. Аналіз даних показав стійку тенденцію до широкого використання модифікування та комплексного мікролегування маловуглецевих сталей V, Nb, Ti, B та іншими елементами з метою підвищення комплексу механічних властивостей, при збереженні або поліпшенні спеціальних (зварюваності, корозійної стійкості і т.д.). Показано ефективність використання малокрем’янистих маловуглецевих сталей як арматурних при виробництві термомеханічно зміцненої арматури класів А400С і А500С. Виконано аналіз технологій прокатки, термічного зміцнення арматури та охолодних пристроїв, який показав доцільність удосконалення існуючих розробок на вітчизняних заводах і необхідність створення та впровадження нових ефективних технічних рішень.

У другому розділі викладено наукові основи процесу термомеханічного зміцнення арма-турних сталей з аналізом причин широкого використання у промислово розвинутих країнах різновидів ВТМО – контрольованої прокатки та процесів типу SHT, ТМCR та ін., в яких частіше використовують термічні методи діяння на структурний стан металу прокату. Розглянуто особли-вості процесів структуроутворення при прокатці в сталях, мікролегованих сильними карбідо-утворюючими елементами та бором, їх вплив на стійкість переохолодженого аустеніту та вигляд ТКД. Виконано аналіз впливу концентрації основних легуючих елементів арматурних сталей на службові властивості металу. Обґрунтовано використання для арматури малокрем’янистих мало-вуглецевих сталей й наведено приклади їх практичного використання в умовах КДГМК ”Кри-воріжсталь” (патенти України 8334, 8339, 41684А).

У третьому розділі наведено відомості про сталі, використовувані як обєкти дослідження, та методики, застосовані при виконанні робіт. Для оцінки вкладу коливань хімічного складу металу по перерізу заготовки та готової арматури на стабільність властивостей термомеханічно зміцненої арматури були відібрані 12 заготовок з декількох промислових плавок сталі Ст3пс, прокатаної із зливків масою 12,5 т на заготовку 80?80 мм. Заготовки відбирали з різних горизонтів зливка. За методами макроструктурного та спектрального аналізів у поперечному перерізі заготовок визна-чали хімічну неоднорідність металу й здійснювали його відбір для дослідження. Для вивчення процесів структуроутворення в деформованому аустеніті та побудови ТКД з заготовок було відібрано метал з вмістом вуглецю 0,20 та 0,34 % (0,07 % Si; 0,68-0,69 % Mn; 0,024-0,028 % S; 0,010-0,015 % P). З метою визначення впливу мікролегування бором маловуглецевої арматурної сталі на процеси структуроутворення було проведено лабораторні плавки й досліджено сталь Ст3сп (0,24 % C; 0,3 % Si; 0,61 % Mn; 0,005 % B), для якої побудована ТКД. Розпад аустеніту при безперервному охолодженні з різними швидкостями вивчали після гарячої пластичної деформації, яка відповідає температурно-деформаційним умовам прокатки арматури в останніх клітях стана, що найбільш реально відображає кінетику розпаду аустеніту в промислових умовах. Для визна-чення параметрів температурного поля арматури при гартуванні, які є основним джерелом інформації про процеси внутрішнього теплообміну при термообробці й дозволяють одержувати необхідні для дослідження і наступних розрахунків характеристики (перепади температури по перерізу, середньомасову температуру металу, швидкість охолодження металу в різних точках перерізу і т.д.), було використано математичне моделювання процесу перерваного охолодження металу.

Для визначення механічних властивостей металу арматуру після різних обробок піддавали випробуванням на розтягання (ГОСТ 12004), на згин у холодному стані (ГОСТ 14019), на згин з розгином (СТО АСЧМ 7-93). Ударну вязкість (KCU, KCV при +20…–80 оС) визначали за ГОСТ 9454. Випробуванням на втому за ДСТУ 3760 з частотою пульсації до 15 Гц при базі випробувань від 2•106 до 5•106 циклів піддавали арматуру 12 мм класу А400С. Твердість по перерізу арматури визначали приладом ПМТ при навантаженні 20 г з кроком 0,18-0,20 мм. Для дослідження конструктивної міцності прокату арматуру 12 мм після термозміцненя на клас А500С переточували на прутки (25 та 50 % від вихідного) діаметром 8,5 та 6 мм (на підставі структурного аналізу перерізів арматури) і випробували на розтягання з визначенням інтегральних властивостей кожного структурного шару стрижня. Визначення опору металу крихкому руйну-ванню проводили за методикою IМФ НАНУ з вимірюванням коефіцієнта в’язкості КВ та напру-ження мікросколення Rmc за методом екстраполяції з подальшим аналізом впливу структурних факторів (розмірів елементів структури) на крихку міцність.

При проведенні випробувань на зварюваність арматури ( 10; 14 мм) використовували сталі Ст3ТРпс і Ст3пс, прокатані з розділенням розкату на рівень міцності А500С. Термозміцнену арматуру випробовували у вихідному стані та після виготовлення зварних зразків наступних видів: стикових з’єднань ручним дуговим зварюванням внапусток; контактно-стикових; хресто-подібних контактно-точковим зварюванням; хрестоподібних ручним дуговим зварюванням з прихватками; таврових під флюсом. Конструкції зразків і методики випробувань відповідали ГОСТ 10922.

Дослідження порівняльної корозійної стійкості арматури ( 10; 12; 14 мм) класу міцності А500С зі сталі Ст3ТРпс, виготовленої прокаткою з розділенням розкату та без нього, проводили на металі, відібраному з голови, середини та дна зливку. Корозійну стійкість в умовах атмосферної корозії оцінювали за методом прискорених випробувань (ГОСТ 9.012-73) після витримки зразків у камері (гідростат Г4) під дією на метал корозійного середовища, яке утворювалось за рахунок підтримання підвищеної температури та відносної вологості повітря з періодичною конденсацією во-логи на поверхні металу. Випробування проводили цілодобово за декілька циклів (по 24 год.): перша частина циклу (7 год.) – при температурі +40 оС та відносній вологості повітря 95 %; у другій частині циклу (17 год.) створювались умови конденсації вологи на зразках шляхом їх охолодження на 5-10 оС. Методика імітації випробувань поведінки арматури в морському середовищі передбачала витримку зразків протягом 75 діб у середовищі, яке створювалось водним розчином 3 % NaCl при +25 оС, з їх оглядом через 3, 7, 20, 30, 40, 50, 60 та 75 діб. Оцінку впливу технології прокатки на корозійну поведінку арматури в бетоні проводили за методом визначення струму корозії в середовищі, яке імітувало бетон (насичений Ca(OH)2), при поляризації хлор-срібного електрода (допоміжний – платиновий). Струм корозії визначали при поляризації робочо-го електрода на 300 мВ у катодну та анодну області від стаціонарного потенціалу. Корозійні ураження арматури в бетоні досліджували за методом кількісної оцінки доважки маси металу. Випробовували також схильність арматури до корозійного розтріскування під напруженням.

У четвертому розділі виконано структурні дослідження та порівняльний аналіз ТКД розпаду аустеніту Ст3пс і Ст3сп з бором, який показує, що коливання хімічного складу сталі Ст3пс у межах марочного (по перерізу заготовки) спричиняють суттєві зміни у кінетиці розпаду аустеніту, а також в мікроструктурі та твердості зразків. Введення бору в досліджувану сталь, яка за складом відповідає Ст3сп, викликає збільшення стійкості аустеніту в області утворення надлишкового фериту, що забезпечує одержання бейніто-мартенситної структури, та збільшує вміст бейніту в структурі сталі; підвищується температурний інтервал утворення бейніту. Продукти проміжного перетворення мають зернисту морфологію. Введення бору в сталь Ст3сп з вмістом вуглецю 0,24 % підвищує твердість продуктів перетворення у порівнянні із зразками сталі Ст3пс з максимально зафіксованим вмістом вуглецю 0,34 % та зміщує області розпаду аустеніту на ТКД праворуч.

При проведенні дослідно-промислових експериментів з виробництва арматури 12 мм класів А400С і А500С зі сталі Ст3пс (0,16 % С, Се 0,52) на стані 250-1 середньомасова температура металу (по дві плавки) після установки термомеханічного зміцнення складала 500-540 оС та 550-600 оС. Механічні випробування показали, що при переохолодженні металу до середньомасової температури 550-600 оС арматура мала властивості: т = 485 Н/мм2, в = 583 Н/мм2, 5 = 24,8 %, 10 = 18,5 % (тобто клас А400С), а при середньомасовій температурі металу 500-540 °С – т = 567 Н/мм2; в = 626 Н/мм2; 5 = 21,6 %; 10 = 15,7 % (тобто клас А500С). Термомеханічна обробка арматурних стрижнів діаметром 10 та 14 мм за таким режимом підтвердила правильність вибору середньомасових температур кінця охолодження. Дослідження макроструктури арматури класів А400С і А500С показали, що у перерізі стрижня спостерігаються дві структурні зони, які різко відрізняються за твердістю. Зовнішнє кільце із структурою мартенситу відпуску з твердістю ? 2400 МПа у перерізі арматури класу А400С має ширину 0,6-0,8 мм, а у перерізі арматури класу А500С поверхневий мартенситний шар з твердістю 2600 МПа має ширину 0,8-1,0 мм. Для арматури класу А400С метал, розташований за шаром структури високовідпущеного мартенситу, має (Б+М) структуру. При цьому проміжна структура переважно має характерні ознаки верхнього бейніту з шириною рейок 0,3-1,0 мкм та ланцюжки довгастих частинок цементиту уздовж меж рейок. Щільність дислокацій в рейках складає майже 8·109 см–2. Центральні об’єми металу такої арматури мають (Ф+П) структуру, в якій кількість перліту більша у порівнянні з гарячекатаним станом, і він частково являє собою вироджений перліт. Практично весь ферит, який виділився, має пірясту будову (по відманштетту) і лише незначна його частина – поліедричну будову. Твердість металу центральних шарів арматури перебуває на рівні 1500 МПа. В проміжному (Ф+М) шарі металу арматури класу А500С спостерігалась переважно структура нижнього бейніту з шириною рейок 0,2-0,3 мкм та виділеннями частинок цементиту усередині рейок під кутом до їх поздовжньої осі. Щільність дислокацій у рейках такого бейніту близько 7·1010 см–2. Центральні об’єми металу такої арматури складаються з ділянок проміжної структури, які сусідять з колоніями виродженого перліту та відманштеттового фериту. Твердість металу центральних обємів колива-ється у межах 1700-1900 МПа. Результати робіт показали, що подрібнення зеренної структури, одержання структур голчастого типу з розвиненою субструктурою (за типом полі-гонізованої або комірчастої) та присутність у металі шаруватої, квазікомпозитної структури, що викликає зміну траєкторії розвитку крихкої тріщини, є основними факторами, які спричиняють підвищення границі плинності, циклічної міцності та холодостійкості термозміцненої арматури.

У роботі було проведено оцінку опору металу крихкому руйнуванню з використанням як критерію поглинутої енергії пластичного деформування металу від моменту початку плинності до його повного зруйнування (енергоємність руйнування). У методиці IМФ НАНУ замість інтеграль-ної характеристики в’язкості металу (енергоємності його руйнування з надрізом) для прямої оцінки окрихчуючої дії концентратора використовується фізично інтерпретований коефіцієнт в’язкості КВ. Цей коефіцієнт посередньо та неоднозначно зв’язаний з показником енергоємності КСV, але прямо відображає ступінь захищеності від дії будь-якого концентратора напруження (надрізу, тріщини, шлакових включень і т.д.), що надає можливість використовувати його як характеристику дефектостійкості металопрокату.

Результати дослідження в’язкості та холодостійкості металу арматури Ш 12 мм з Ст3пс класу А400С після термозміцнення з використанням розробок показали, що значення її ударної в’язкості (KCU, KCV) майже в три рази перевищують потрібний рівень в’язкості для гаряче-катаних арматурних сталей підвищеної холодостійкості типу 10ГТ та приблизно у п’ять разів – у порівнянні зі сталлю 25Г2С і складають 125-150 Дж/см2. Це дозволяє рекомендувати термо-зміцнені сталі типу Ст3пс для використання як арматуру підвищеної холодостійкості, що забезпечить виробнику економію легуючих елементів та підвищення надійності залізобетонних конструкцій.

У роботі було проведено також випробування термозміцненої арматури на втомну міцність, нормовану вітчизняними та зарубіжними стандартами. Випробуванням піддавали арматуру Ш 12 мм класу А400С (в = 580 Н/мм2, т = 472 Н/мм2, = 24 %) і А500С (в = 694 Н/мм2, т = 563 Н/мм2, = 23 %). База випробувань складала 2·106 циклів, що відповідає вимогам EN 10080, ДСТУ 3760-98 та СТО АСЧМ 7-93. Зразки арматури обох класів міцності (по 10 шт.) при випробуваннях витримали вимоги вказаних стандартів – не зруйнувались після 2·106 циклів. Для перевірки відповідності вимогам британського стандарту BS 4449 випробування було продовжено до набору 5·106 циклів. Арматура як класу А400С, так і А500С витримала без зруйнування 5·106 циклів.

При виконанні роботи розвязано задачу моделювання з метою оптимізації умов гартівного охолодження в процесі термічного зміцнення арматури. Вона складалася з визначення умов охолодження (при граничних умовах першого роду), необхідних для досягнення центральними обємами металу прутка заданої температури при проходженні прокату через пристрій та в процесі подальшого остигання на холодильнику. Такі умови може забезпечити процес розпаду аустеніту в заданій області ТКД. До алгоритму розрахунків теплообміну сортового прокату було розроблено програму формування низки довжин секцій та низки відстаней між ними при заданій довжині охолодного пристрою та незмінній швидкості посування металу. За значенням швидкості прокату розраховували низку моментів часу, протягом яких змінюється характер охолодження металу в потоці води та при охолодженні на повітрі. В результаті одержали програму розрахунку теплових полів перерваного охолодження в потоці прокатного стана. Моделювали охолодження у пристрої, який має чотири секції загальною довжиною 45 м. Об’єкт – охолоджуваний циліндр діаметром 25 мм, матеріал – сталь, близька за хімічним складом до сталі Ст3сп, початкова температура – 1000 оС, температура охолодного середовища – 40 оС. Середньомасову температуру та перепад температур по перерізу стрижня брали з розрахункових таблиць на шостій секунді після початку охолодження (при усталених граничних умовах першого роду).

В результаті для одержаних вихідних даних розраховано розподіл довжин секцій та відстаней між ними, який забезпечує мінімальний перепад температур по перерізу арматури при температурі кінця охолодження.

Це надає можливість на практиці в короткий термін без суттєвих витрат забезпечити підвищення ефективності гартівних пристроїв та однорідності властивостей металу прокату.

У п’ятому розділі описано конструктивно-технологічні параметри охолодного пристрою з регульованою довжиною камери охолодження, наукові основи та пара-метри технології термо-механічного зміцнення парних розкатів арматури на рівень міцності А400С і А500С, яка вико-ристовує пристрій для оперативного контролю кількості магнітної фази у термозміцненому металі. Пристрій автоматично керує інтенсивністю та тривалістю охолодження рухомого прокату за рахунок зміни довжини камери охолодження. Використання розробок при виробництві арматури діаметром до 14 мм зі сталей Ст3пс та Ст3ТРпс в умовах КДГМК ”Криворіжсталь” дозволило зменшити середньоквадратичні відхили нормованих характеристик металопрокату в 1,3-1,5 рази (табл.1) у порівнянні з аналогічними показниками для традиційної технології прокатки та забезпечити металу арматури стабільний рівень властивостей, який вимагають ДСТУ та міжнародні стандарти.

Таблиця 1 – Статистичні показники механічних властивостей

термомеханічно зміцненої арматурної сталі діаметром 12 мм

з марки Ст3пс класу А500С

Характе-ристика | Середні

значення Х | Середньоквадратичний відхил S | Коефіцієнт

варіації X/S

т | 605/590 | (80) 48/32 | (0,08) 0,079/0,054

в | 708/698 | (70) 49,5/37,2 | (0,07) 0,070/0,053

5 | 20,90/21,6— | 2,3/1,9— | 0,11/0,088

Примітка. В дужках вказані значення показників, регламентовані стандартом;

у чисельнику – одержані при реалізації існуючої технології; у знаменнику – за новою технологією.

У шостому розділі наведено дані про результати випробувань термомеханічно зміцненої арматури класу А500С зі сталей Ст3ТРпс і Ст3пс 10 та 14 мм після зварювання за різними способами у відповідності до ГОСТ 14098. Дослідження на зварюваність проводили на металі з вмістом вуглецю у границях 0,17-0,21 %. Абсолютні значення тимчасового опору розриву досліджуваних типів зварних зєднань, виготовлених з термозміцненого металу, відповідають нормативним або перевищують ці показники для вказаних сталей класу А500С. Результати робіт дозволили рекомен-дувати мінімальний вміст вуглецю та марганцю у зварюваній термозміцненій арматурі зі сталей Ст3ТРпс і Ст3пс не меншим за 0,17 % С та 0,70 % Mn, а також мінімальне значення вуглецевого еквівалента – Се 0,27.

У сьомому розділі викладено результати прискорених корозійних випробувань термозміц-неної арматури ( 10; 12; 14 мм) зі сталі Ст3ТРпс на рівень А500С, прокатаної з розділенням розкату та за традиційною технологією. По результатах прискорених випробувань арматури у ка-мері вологи та умовах, що імітують морську корозію, експериментально встановлено незначні від-міни у ступені ураження поверхні випробуваної арматури після прокатки з розділенням (на 5-9 % вищі у порівнянні з традиційно виготовленою арматурою), що пояснюється виходом металу лікваційної зони на поверхню при розділенні розкату. Це сприяє зменшенню густини окалини та підвищенню її неоднорідності. Аналогічні результати одержані при дослідженні пасивації арма-тури у корозійному середовищі, що імітує бетон. Випробування арматури, виготовленої за різними способами, на схильність до корозійного розтріскування під напруженням показали, що при напруженні 450 Н/мм2 зразки не руйнувались протягом 100 годин, а при напруженні 500 Н/мм2 через 78 годин зруйнувався лише зразок з арматури, прокатаної за традиційною технологією.

У восьмому розділі наведено фактичний річний економічний ефект від впровадження нової технології термозміцнення арматури з напівспокійнихих сталей, що забезпечує підвищення конку-рентоспроможності вітчизняної арматури класів міцності А400С і А500С, який тільки в 2002 році склав 23.483.539,76 грн. (частка автора – 650.000 грн.).

ВИСНОВКИ

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової та практичної задач, що виявляється у розробці наукових основ і параметрів промислової технології термічного зміцнення поздовжньо розділеної арматури класів А400С і А500С та охолодного устаткування для її реалізації, впровадження яких в умовах КДГМК “Криворіжсталь” дозволило освоїти промис-ловий випуск конкурентоспроможної арматури з напівспокійних сталей типу Ст3пс, Ст3ТРпс.

1. Аналіз світового виробничого досвіду та літературних джерел щодо найбільш ефективних технічних рішень, спрямованих на підвищення якості металу арматури та продуктивності про-катних станів, показав, що розробки за темою цієї роботи є актуальними.

2. Вперше побудовані ТКД розпаду деформованого аустеніту напівспокійних сталей, що використовуються на КДГМК “Криворіжсталь” для виробництва термозміцненої арматури класів А400С і А500С, з вмістом вуглецю 0,20 % та 0,34 % (максимально зафіксованим для сталі Ст3пс при технології її виробництва, що існує) та встановлені закономірності структуроутворення в цих сталях при прокатці з розділенням. Це дозволяє на відміну від традиційних технологій врахо-вувати особливості процесу структуроутворення в металі з підвищеним (у порівнянні з марочним) вмістом вуглецю та здійснювати коректування параметрів технології виробництва термозміцненої арматури, що забезпечує підвищення стабільності механічних власти-востей прокату.

3. Вперше побудована ТКД сталі Ст3сп з бором для поздовжньо розділеної арматури класів міцності А400С і А500С. Показано, що мікролегування сталі Ст3сп бором (0,005 %) значно підвищує стійкість переохолодженого аустеніту. Це дозволяє на практиці задавати необхідні тем-пературно-часові параметри термічного зміцнення арматури будь-якого діаметру та досягати нор-мованого рівня властивостей без значної зміни швидкості охолодження.

4. Вперше за методикою IМФ ім.Г.В.Курдюмова НАНУ виконані дослідження впливу струк-турних особливостей на рівень опору мікросколенню та дефектостійкість поздовжньо розділеного металу арматури при прокатці після термомеханічного зміцнення на класи А400С і А500С. Встановлено, що високий рівень властивостей досліджуваного арматурного металу повязаний з утворенням цементитних виділень округлої форми по межах структурних елементів та особли-востями структуроутворення по перерізу металу арматури.

5. Вперше для арматурного прокату зі сталі Ст3ТРпс одержані кореляційні залежності хіміч-ного складу промислових плавок з механічними властивостями термозміцненого металу, що дає можливість цілеспрямовано коректувати хімічний склад металу для одержання в арматурі зада-ного діаметру нормованого рівня міцності.

6. Дослідження в’язкості та холодостійкості металу термозміцненої за новою технологією арматури 12 мм зі сталі Ст3пс класу А400С показали, що значення її ударної в’язкості (KCU) складають 125-150 Дж/см2, що майже у три рази перевищує потрібний рівень в’язкості для гарячекатаних арматурних сталей підвищеної холодостійкості типу 10ГТ та приблизно у п’ять разів – для сталі 25Г2С. Це дозволило рекомендувати вказану продукцію як арматуру підвищеної холодостійкості, що забезпечить виробнику економію легуючих елементів, а споживачеві – підвищення надій-ності залізобетонних конструкцій.

7. Одержали подальший розвиток дослідження корозійних властивостей термозміцненої на рівень міцності А500С арматури ( 10; 12; 14 мм) зі сталі Ст3ТРпс. Показано, що корозійна стійкість арматури, прокатаної з розділенням розкату та за традиційною технологією, в умовах ат-мосферної корозії та в морському середовищі відрізняється незначно (на 5-9 % більша у поз-довжньо розділеної арматури). Ця відміна може бути пов’язана з виходом металу лікваційної зони на поверхню при розділенні розкату, із зменшенням густини окалини та з підвищенням її неод-норідності. Порівняльні прискорені випробування корозійної стійкості досліджуваного прокату в бетоні також показали відсутність помітних відмін для арматури, прокатаної за двома методами.

8. Результати досліджень зварюваності термозміцненої арматури зі сталей Ст3ТРпс, Ст3пс класу міцності А500С підтвердили раніше одержані дані для термозміцненої арматури з інших сталей про задовільну їх зварюваність та прийнятний рівень знеміцнювання металу (від 3,5 до 9,0 %) у різних видах зварних з’єднань. Абсолютні значення тимчасового опору зварних зєднань перевищує нормовані показники для арматури класу А500С.

9. Розроблена та впроваджена технологія термомеханічного зміцнення прокату, що вико-ристовує пристрій для оперативного контролю кількості магнітної фази в термозміцненому металі, який керує інтенсивністю та тривалістю охолодження рухомого прокату за рахунок зміни довжини камери охолодження. Це дозволило при виробництві арматури діаметром до 14 мм зі сталей Ст3пс і Ст3ТРпс в умовах КДГМК “Криворіжсталь” зменшити у 1,3-1,5 рази середньоквадратичні відхилення нормованих характеристик металопрокату у порівнянні з аналогічними показниками для традиційної технології прокатки.

10. Розроблені та впроваджені у виробництво конструктивно-технологічні параметри нового охолодного пристрою з автоматично змінюваною довжиною камери охолодження для реалізації технології термомеханічної обробки поздовжньо розділеного арматурного прокату.

11. Результати роботи використані при розробці державного стандарту України ДСТУ 3760-98 “Прокат арматурний для залізобетонних конструкцій”.

12. Фактичний річний економічний ефект від впровадження нової технології термічного зміц-нення арматури з напівспокійних сталей, що забезпечує підвищення конкурентоспроможності вітчизняної арматури класів А400С і А500С, тільки в 2002 році склав 23.483.539,76 грн. (частка ав-тора – 650.000 грн.).

Основний зміст дисертації викладено в публікаціях :

1. Вихлевщук В.А., Нечепоренко В.А., Омесь Ю.Н., Макаров К.Г., Любимов И.М., Кекух А.В., Шеремет В.А. Арматурные стали нового поколения и технологические аспекты их производства // Теория и практика металлургии. – 1999. – № 3. – С.4-13.

2. Шеремет В.А., Костюченко М.И., Смияненко И.Н., Приходько Е.В. Термомеханическое упрочнение арматурной стали, полученной методом прокатки-разде-ления // Металлургическая и горнорудная промышленность.–2002.–№ 6.–С.55-57.

3. Шеремет В.А, Любимов И.М., Смияненко И.Н., Гунькин И.А., Худик В.Т., Журавлев И.И. Ускоренное охлаждение арматурного проката в нескольких камерах // Теория и практика металлургии. – 2001. – № 2. – С.37-40.

4. Узлов И.Г., Сидоренко О.Г., Шеремет В.А., Омесь Н.М., Смияненко И.Н., Белый Н.П. Контроль процесса термомеханического упрочнения арматурного проката при помощи датчика магнитной фазы // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2001. – № 6. – С.61-63.

5. Шеремет В.А., Гунькин И.А., Журавлев И.И. Приведенный коэффициент температу-ропроводности при прерванном охлаждении // Сб. научн.