Способ изготовления сейсмостойкого арматурного стержня

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к изготовлению стальных высокопрочных протяженных изделий, используемых при изготовлении сейсмостойких железобетонных конструкций. Сталь, содержащую 0,16-0,32 мас.% углерода, выплавляют из шихты, состоящей, преимущественно, из металлизованных окатышей. Жидкую сталь последовательно легируют марганцем в количестве 0,80-1,60 мас.%, алюминием в количестве 0,015-0,060 мас.% и титаном, вводимым после предварительной присадки ферросплавов, по расчету до остаточного содержания не менее 0,03 мас.% Вводят в расплав бор в количестве 0,001-0,008 мас.%. Выполняют горячую прокатку заготовок для изготовления стержней. Осуществляют технологически управляемое ускоренное охлаждение стержней из межкритического интервала температур с формированием однородной двухфазной ферритомартенситной структуры, представляющей собой мягкую ферритную матрицу с включениями твердой мартенситной составляющей. Обеспечивается снижение чувствительности стержней к концентраторам напряжений при больших деформациях и повышается пластичность материала. 5 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области черной металлургии. Более конкретной областью использования изобретения является способ изготовления высокопрочных протяженных изделий, предназначенных для использования в составе сейсмостойких железобетонных конструкций.

Известно, что при экстремальных воздействиях на железобетонную конструкцию, например при сейсмических событиях, арматурный стержень испытывает динамические нагрузки высокой интенсивности, подвергаясь скоростному пластическому деформированию, полному остаточному изгибу или хрупкому разрыву. Таким образом, железобетонные конструкции, используемые в строительстве, при сейсмических нагрузках разрушаются и деформируются, также как и сами здания, что увеличивает число пострадавших. Для предотвращения разрушения зданий и сооружений, воздвигаемых в сейсмоопасных районах, и минимизации числа пострадавших, строительные работы в сейсмоопасных районах должны вестись с использованием материалов, отвечающих заранее установленным критериям, в соответствии с которыми должна быть обеспечена общая пластическая деформация с изгибом без излома стержня даже при сложной траектории. В наибольшей степени подобным требованиям будут отвечать изделия из высоколегированных хромоникелевых сталей, со структурой стабильного аустенита, обеспечивающего высокие значения относительного общего и равномерного удлинения, однако по экономическим причинам на практике использование сейсмостойкого арматурного стержня из высоколегированной стали не имеет распространения.

Наиболее эффективно известная проблема решается с применением низколегированной арматурной стали методом раздельного управления двумя главными прочностными характеристиками стали: пределом ее текучести и временным сопротивлением разрыву, в наибольшей мере таким требованиям отвечают двухфазные стали, например, низколегированная борсодержащая сталь, которая может обладать мелкодисперсной сфероидизированной структурой металла по всему сечению проката.

В качестве ближайшего аналога предложенного технического решения выбрана заявка KR 20010029380, в которой описан способ изготовления стальной заготовки - листа, свойства которого обеспечивают сопротивляемость нагрузкам, возникающим при землетрясениях: низкий относительный предел текучести за счет отжига стали и повторной термической обработки. Сталь, используемая для изготовления стального листа, содержит 0,05-0,15 мас.% углерода, и один или более элементов мас.%: 0,10-0,50 медь, 0,10-1,70 никель, 0,10-0,50 хром, 0,10-0,50 молибден, 0,0-0,05 титан, 0,01-0,10 ниобий, 0,01-0,10 ванадий, 0,0005-0,0040 бор, 0,0010-0,0060 кальций; остальное железо и не влияющие примеси. При осуществлении известного способа выполняется первичная закалка и термическая обработка при температуре в интервале формирования структуры аустенита при скорости охлаждения >10°С/с с повторным нагревом после первичного нагрева, с таким расчетом, чтобы получить смешанную структуру стального листа, состоящую из трех основных составляющих: мартенсита, бейнита и феррита.

То есть в источнике информации описан способ изготовления стального листа, который может быть использован при строительстве сейсмостойких конструкций, при этом не указано на возможность использования подобного способа для изготовления протяженных изделий, например арматурных стержней, необходимых для изготовления сейсмостойких строительных железобетонных конструкций.

Сейсмостойкий арматурный стержень не сможет быть изготовлен с использованием известного из KR 20010029380 способа т.к.:

недостаточное содержание углерода и отсутствие в составе стали марганца не обеспечит требуемой прочности и прокаливаемости арматурной стали, то есть сталь будет иметь низкое значение предела текучести и недопустимо большой перепад нормируемых значений твердости металла в пределах поперечного сечения арматурного стержня;

отсутствие содержания в составе стали алюминия вызовет преждевременное связывание бора в нитриды, что уменьшит долю необходимого свободного бора, находящегося в твердом растворе и являющегося важным элементом в части закаливаемости и прокаливаемости стали;

сложное по составу легирование стали делает ее использование экономически не оправданным из-за высокой цены легирующих элементов;

термическое воздействие на сейсмостойкую сталь, требующее после горячей прокатки отдельного трехкратного нагрева больших объемов стали, приводит к неоправданным затратам энергии.

Сам стальной лист, даже в сейсмостойком исполнении, не пригоден для армирования бетона и изготовления железобетонных строительных конструкций, и больше подходит для производства стальных листов, используемых в автомобильной промышленности и судостроении.

В отличие от известного способа изготовления стальной заготовки, предлагаемое изобретение обеспечит производство арматурных стержней, которые могут быть использованы при воздействии экстремальных, преимущественно сейсмических, нагрузок, в том числе действующих за пределом текучести материала, включая условия предельной пластичности, в том числе за счет снижения чувствительности стержня к концентраторам напряжений при больших деформациях.

При осуществлении предлагаемого способа изготовления сейсмостойкого стального арматурного стержня выполняются обычные в металлургии операции: горячая прокатка стали, легированной бором и/или хромом, а также титаном с последующим охлаждением заготовки и формированием структуры стали, включающей феррит и мартенсит.

В отличие от известных технических решений, в предлагаемом способе через выбор плавочного химического состава стали, изменение дисперсности зерна стали и через количественные соотношения фазовых и структурных составляющих варьируют свойства материала и получают в стальном прокате двухфазную структуру, включающую лишь феррит и мартенсит. В готовом изделии твердость ферритной матрицы будет существенно ниже твердости мартенситной структурной составляющей. За счет технологического варьирования соотношением этих двух структурных составляющих будет достигнут эффект двухфазного структурного состояния, допускающий управляемость свойствами сейсмостойкой арматурной стали.

Сталь выплавляется из шихты, состоящей преимущественно из металлизованных окатышей, что существенно ограничивает концентрацию азота в металле и предотвращает формирование нитридов бора в расплаве стали.

Жидкая сталь в ковше, содержащая углерод в количестве 0,16-0,32% (здесь и далее массовое содержание в %), предварительно легируется марганцем в количестве 0,80-1,60%, продувается аргоном и далее легируется алюминием до содержания 0,015-0,060% (раскисление стали алюминием). После присадки ферросплавов и обработки расплава порошками (порошковой проволокой), сталь вакуумируют и обрабатывают силикокальцием. В результате перечисленных операций снижается содержание азота, кислорода и неметаллических включений и обеспечивается высокая пластичность стали. После раскисления стали в расплав вводится титан по расчету до остаточного содержания не менее 0,03% и затем в расплав вводят бор в количестве 0,001-0,008 мас.%. Введение бора в расплав - именно после введения алюминия и титана - позволяет удержать бор в несвязанном состоянии.

Выполняется горячая прокатка заготовок для изготовления арматурных стержней.

После горячей прокатки выполняется управляемое ускоренное охлаждение заготовки (закалка), из межкритического интервала температур, с формированием однородной двухфазной ферритомартенситной структуры, представляющей собой мягкую ферритную матрицу с включениями твердой мартенситной составляющей. При управлении ускоренным охлаждением повышение исходной температуры внутри этого интервала перед закалкой приводит к увеличению количества мартенситной упрочняющей фазы: с 15-20% при закалке с 750°С до 35-40% мартенсита при закалке с 810°С.

Ускоренное охлаждение обеспечивается с помощью линий непрерывного отжига (continuous annealing lines). В конкретных случаях осуществления способа может быть выполнено как охлаждение всей заготовки целиком, так и заранее выбранных участков заготовки. Полученная ферритномартенситная структура обеспечивает раздельное управление пределом текучести и временным сопротивлением разрыву материала сейсмостойкого арматурного стержня, как и снижение чувствительности сейсмостойкого арматурного стержня к концентраторам напряжений.

Таким образом, использование предложенного изобретения позволит создавать строительные конструкции, устойчивые к экстремальным внешним воздействиям.

1. Способ изготовления сейсмостойкого стального арматурного стержня, включающий горячую прокатку легированной бором и титаном заготовки с последующим охлаждением металла заготовки и формированием структуры стали, включающей феррит и мартенсит, отличающийся тем, что сталь, содержащую углерод в количестве 0,16-0,32%, выплавляют из шихты, состоящей преимущественно из металлизованных окатышей, и последовательно легируют марганцем в количестве 0,80-1,60%, алюминием в количестве 0,015-0,060%, титаном, вводимым после предварительной присадки ферросплавов по расчету до остаточного содержания не менее 0,03%, и бором, при содержании бора в количестве 0,001-0,008%, с формированием однородной двухфазной ферритомартенситной структуры.

2. Способ изготовления сейсмостойкого стального арматурного стержня по п.1, отличающийся тем, что после завершения горячей прокатки выполняют технологически управляемое ускоренное охлаждение заготовки из межкритического интервала температур с формированием мягкой ферритной матрицы с включениями твердой мартенситной составляющей.

3. Способ изготовления сейсмостойкого стального арматурного стержня по п.2, отличающийся тем, что производят охлаждение всей заготовки целиком.

4. Способ изготовления сейсмостойкого стального арматурного стержня по п.2, отличающийся тем, что производят охлаждение выбранных участков заготовки.

5. Способ изготовления сейсмостойкого стального арматурного стержня по любому из пп.1-3 или 4, отличающийся тем, что ускоренное охлаждение производят с использованием линий непрерывного отжига.

6. Способ изготовления сейсмостойкого стального арматурного стержня по любому из пп.1-3 или 4, отличающийся тем, что он включает легирование стали хромом.