Сталь арматурная термомеханически упрочненная для железобетонных конструкций
Владельцы патента RU 2303646:
Открытое акционерное общество "Чусовской металлургический завод" (RU)
Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке арматурных термомеханически упрочненных сталей для железобетонных конструкций классов прочности от Ат400 до Ат1200. Предложена сталь арматурная термомеханически упрочненная для железобетонных конструкций, содержащая, мас.%: углерод 0,08-0,32, кремний 0,4-2,4, марганец 0,5-2,3, алюминий 0,02-0,07, титан 0,01-0,1, азот 0,006-0,03, ванадий 0,01-0,12, ниобий 0,005-0,02, медь не более 0,3, никель не более 0,3, хром не более 0,30, фосфор не более 0,03, сера не более 0,03, железо - остальное, при этом углеродный эквивалент определен по формуле: Cэкв=C+Si/6+Mn/7+(Ti+V+Nb)/5+(Cu+Ni+Cr)/15 и равен 0,35-0,56 для стали класса Ат400, Ат500, или 0,44-0,70 для класса стали Ат600, Ат800, или не менее 0,67 для класса стали Ат1000, Ат1200. Техническим результатом является разработка стали для изготовления термомеханически упрочненных стержней арматуры диаметром 12-32 мм с хорошей свариваемостью, повышенными механическими свойствами и стойкостью против коррозионного растрескивания. 2 табл.
Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке арматурных термомеханически упрочненных сталей для железобетонных конструкций классов прочности от Ат400 до Ат1200.
Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и достигаемому результату является сталь по ГОСТ 10884-94 (сталь арматурная термомеханически упрочненная для железобетонных конструкций), содержащая, мас.%:
| Углерод | 0,08-0,32 |
| Кремний | 0,6-2,4 |
| Марганец | 0,5-2,3 |
| Медь | не более 0,3 |
| Никель | не более 0,3 |
| Хром | не более 0,3 |
| Фосфор | не более 0,03 |
| Сера | не более 0,03 |
| Железо | остальное |
Эта сталь обладает сравнительно высокими механическими свойствами за счет рационального соотношения содержания входящих в нее элементов.
Однако возрастающие требования к свариваемости при повышении уровня механических свойств ограничивает ее применение.
Задача изобретения - разработка качественной арматурной стали. Техническим результатом является разработка стали для изготовления стержней термоупрочненной арматуры диаметром 12-32 мм с повышенной свариваемостью, повышенными механическими свойствами и стойкостью против коррозионного растрескивания без старения.
Технический результат достигается тем, что известная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, медь, никель, хром, фосфор, серу и железо, дополнительно содержит алюминий, титан, азот, ванадий, ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,08-0,32 |
| Кремний | 0,4-2,4 |
| Марганец | 0,5-2,3 |
| Алюминий | 0,02-0,07 |
| Титан | 0,01-0,1 |
| Азот | 0,006-0,03 |
| Ванадий | 0,01-0,12 |
| Ниобий | 0,005-0,02 |
| Медь | не более 0,3 |
| Никель | не более 0,3 |
| Хром | не более 0,30 |
| Фосфор | не более 0,03 |
| Сера | не более 0,03 |
| Железо | остальное |
При этом углеродный эквивалент определен по формуле:
Сэкв=C+Si/6+Mn/7+(Ti+V+Nb)/5+(Cu+Ni+Cr)/15
и равен для стали класса Ат400, Ат500 - 0,35-0,56; класса Ат600, Ат800 - 0,44-0,70, а для класса Ат1000, Ат1200 - не менее 0,67.
Содержание углерода, кремния, марганца, хрома, никеля и меди в предлагаемой стали совпадает с пределами содержания их в известной стали.
Дополнительный ввод в заявляемую сталь азота, ванадия, титана, ниобия и алюминия в предлагаемых пределах за счет образования нитридов и карбонитридов, формирующих стабильную мелкодисперсную структуру, независимо от технологии горячей механической обработки обеспечивает необходимую свариваемость и повышенные механические свойства металла без старения.
Предложенная формула расчета углеродного эквивалента и порядок его нормирования вынуждают изготовителя точно задавать химический состав стали по нижнему пределу углерода, а кремния по верхнему пределу, что позволяет более точно определить необходимый состав легирующих химических элементов в стали в зависимости от получаемого уровня механических свойств и обеспечения требований по свариваемости, стойкости против коррозионного растрескивания для данного класса прочности арматурной стали.
Содержание в стали азота наиболее эффективно в пределах 0,006-0,03 мас.%. Снижение содержания азота ниже 0,006 мас.% не обеспечивает необходимого уровня свойств. Повышение содержания азота выше 0,03 мас.% приводит к снижению пластичности в результате переупрочнения металла и увеличения склонности его к старению.
Оптимальное содержание ванадия в стали 0,01-0,12. Уменьшение его содержания ниже 0,01 мас.% не влияет на уровень механических свойств заявляемой стали. Содержание ванадия выше 0,12 мас.%, в данном случае, приводит к дальнейшему повышению механических свойств, но и существенно увеличивает себестоимость производства предлагаемой стали, что нецелесообразно.
Содержание титана в стали менее 0,01 мас.% не способствует заметному измельчению зерна и повышению механических свойств, а более 0,1 мас.% не уменьшает склонность к межкристаллитной коррозии.
Содержание ниобия менее 0,005 мас.% не приводит к существенному измельчению зерна, повышению прочности и твердости. А содержание более 0,05 мас.% не приводит к существенному повышению механических свойств заявляемой стали.
Содержание алюминия менее 0,02 мас.% ведет к неполному связыванию азота при кристаллизации, а выше 0,07 мас.% приводит к возможности образования строчечных неметаллических включений и повышению себестоимости предлагаемой стали.
Выплавку металла проводили в 250-тонной мартеновской печи. Заказ - арматурная сталь марки Ат800. Предварительное раскисление проводили в печи. Глубокое и экономически эффективное раскисление достигается за счет использования растворенного в металле углерода при одновременном вводе алюминия, находящегося в погружном контейнере, и расчетного количества кускового ферросиликомарганца. Выпуск металла производили спустя 6 мин после ввода погружного раскисляющего контейнера, не допуская повторного вскипания ванны. Корректировка состава стали по кремнию и марганцу, а также легирование азотом, ванадием, титаном и ниобием осуществлялась присадкой в ковш ферросиликомарганца, ферротитана, феррониобия и азотированного феррованадия с азотированным ферромарганцем, вводимых в последнюю очередь. Окончательное раскисление производилось присадкой в ковш чушкового алюминия.
Для попадания в заказ производили расчет углеродного эквивалента по предлагаемой формуле: Сэкв=С+Si/6+Mn/7+(Ti+V+Nb)/5+(Cu+Ni+Cr)/15 с учетом полученного состава стали на выпуске, химического состава используемых ферросплавов, а их ввод в ковш осуществляли с расходом из расчета попадания Сэкв в интервал, рекомендованный для стали Ат800.
В результате получили сталь следующего состава, мас.%: углерод - 0,2, кремний - 1,0, марганец - 1,4, алюминий - 0,03, титан - 0,06, азот - 0,006, ванадий - 0,03, ниобий - 0,005, медь - 0,25, никель - 0,25, хром - 0,20, фосфор - 0,027, сера - 0,023, железо - остальное.
Определяли по формуле Сэкв готового металла. Получили Cэкв=0,632, то есть Сэкв находится в интервале, рекомендованном для стали Ат800.
После разливки металл прокатали на арматуру диаметром 25 мм с применением термомеханической обработки по следующим режимам: обжатие с прокатного нагрева с последующим электронагревом и охлаждением на воздухе.
Аналогичные стали выплавлены для всех указанных в формуле классов прочности арматурной стали от Ат400 до Ат1200.
Затем провели механические испытания, выполненные в соответствии с требованиями ГОСТа (результаты приведены в таблице 1), и сравнили с характеристиками известной стали.
| Таблица 1. Характеристики выплавленной стали класса прочности Ат800 | |||
| № пп | Механические свойства | Сталь по прототипу | Предложенная сталь |
| 1 | Временное сопротивление разрыву, Н/мм2 | 1000 | 1160 |
| 2 | Условный предел текучести, Н/мм2 | 800 | 890 |
| 3 | Относительное удлинение, % | 8 | 7,6 |
| 4 | Испытание на изгиб в холодном состоянии Допр.=5d=125 мм, угол загиба 45°, разгиба-20° | Трещины и разрывы визуально не наблюдались | Трещины и разрывы визуально не наблюдались |
В таблице 2 приведены механические свойства выплавленных по предложению сталей с нормированным углеродным эквивалентом для различных классов прочности.
| Таблица 2 | |||||||
| Класс прочности арматурной стали | Углеродный эквивалент, % | Номинальный диаметр, мм | Механические свойства | Испытание на изгиб в холодном состоянии, градус | |||
| Временное сопротивление разрыву, σв, Н/мм2 | Условный или физический предел текучести σ0,2(σт), Н/мм2 | Относительное удлинение, % | |||||
| σ5 | σр | ||||||
| не менее | |||||||
| Ат400 | 0,351 | 25 | 750 | 640 | 16 | - | 90 |
| Ат500 | 0,560 | 25 | 800 | 750 | 14 | - | 90 |
| Ат600 | 0,443 | 25 | 998 | 760 | 12 | 1,21 | 45 |
| Ат800 | 0,632 | 25 | 1160 | 890 | 7,6 | 1,99 | 45 |
| Ат1000 | 0,670 | 25 | 1310 | 1230 | 6 | 2,0 | 45 |
| Ат1200 | 0,812 | 25 | 1560 | 1300 | 4,8 | 2,0 | 45 |
Из таблиц следует, что предлагаемая сталь в сравнении с известной обладает более высокими механическими свойствами при сохранении достаточно высокого уровня свариваемости для данной марки стали и позволяет использовать ее для производства арматурных стержней класса прочности от Ат400 до Ат1200.
Арматурная сталь термомеханически упрочненная для железобетонных конструкций, содержащая углерод, кремний, марганец, медь, никель, хром, фосфор, серу и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит алюминий, титан, азот, ванадий и ниобий при следующем отношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,08-0,32 |
| Кремний | 0,4-2,4 |
| Марганец | 0,5-2,3 |
| Алюминий | 0,02-0,07 |
| Титан | 0,01-0,1 |
| Азот | 0,006-0,03 |
| Ванадий | 0,01-0,12 |
| Ниобий | 0,005-0,02 |
| Медь | Не более 0,3 |
| Никель | Не более 0,3 |
| Хром | Не более 0,30 |
| Фосфор | Не более 0,03 |
| Сера | Не более 0,03 |
| Железо | Остальное, |
при этом углеродный эквивалент стали, определенный по формуле
Cэкв=C+Si/6+Mn/7+(Ti+V+Nb)/5+(Cu+Ni+Cr)/15
равен 0,35-0,56 для стали класса Ат400, Ат500, или 0,44-0,70 для класса стали Ат600, Ат800, или не менее 0,67 для класса стали Ат1000, Ат1200.
