Высокопрочный свариваемый арматурный профиль


 


Владельцы патента RU 2478727:

Открытое акционерное общество "Северсталь" (ОАО "Северсталь") (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству из стальных непрерывнолитых заготовок высокопрочных свариваемых арматурных профилей, используемых в качестве рабочей арматуры железобетонных конструкций при строительстве атомных электростанций в сейсмически активных районах. Профиль получен из стали, содержащей компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,03-0,50, марганец 0,95-2,25, кремний 0,15-0,70, ванадий не более 0,08, ниобий не более 0,08, железо и неизбежные примеси - остальное, и имеющей микроструктуру, состоящую из мартенсита отпуска, нижнего и верхнего бейнита, значение δ5≥12%, отношение σвт≥1,08, а суммарное содержание ванадия и ниобия составляет не менее 0,035%. Сталь может дополнительно содержать не более 0,08 мас.% молибдена и не более 0,08 мас.% титана, а в качестве примесей содержит серу не более 0,025, фосфор не более 0,025, хром не более 0,3, никель не более 0,3, медь не более 0,45. Диаметр арматурного профиля (d) связан со значением углеродного эквивалента (Сэ) следующим соотношением: 0,36≤Сэ≤0,60 при 10≤d≤18 мм, 0,40≤Сэ≤0,60 при 20≤d≤28 мм, 0,45≤Сэ≤0,60 при 32≤d≤40 мм, 0,48≤Сэ≤0,60 при 42≤d≤70 мм. Получаемые профили обладают высокой пластичностью и стойкостью к высоким знакопеременным нагрузкам, а также высокими служебными свойствами. 3 з.п. ф-лы, 2 табл, 1 пр.

 

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к производству стальных высокопрочных свариваемых арматурных профилей из непрерывнолитых заготовок.

Известен сортовой круглый горячекатаный прокат со специальной отделкой поверхности, изготовленный из среднеуглеродистой стали, содержащей следующие соотношения компонентов, мас.%:

углерод 0,37-0,50
марганец 0,50-0,80
кремний 0,17-0,37
хром 0,15-0,25
сера 0,020-0,040
ванадий 0,005-0,02
алюминий 0,03-0,05
кальций 0,001-0,010
азот 0,005-0,015
кислород 0,001-0,015
мышьяк 0,0001-0,03
олово 0,0001-0,02
свинец 0,0001-0,01
цинк 0,0001-0,005
железо и неизбежные примеси остальное

при соотношении: As+Sn+Pb+5×Zn≤0,07; O2/Ca=1÷4,5; Ca/S≥0,065, примеси: никель не более 0,30%, медь не более 0,30%, молибден не более 0,10%, фосфор не более 0,030% [Патент РФ 2328535, МПК C21D 8/06, С22С 38/60, 10.07.2008 г.].

Известные сортовые профили имеют низкие прочностные и вязкостные свойства. Это снижает их качество и выход годного.

Известен высокопрочный свариваемый арматурный профиль, изготовленный из низколегированной стали, имеющей следующий химический состав, мас.%:

углерод 0,04-0,17
марганец 1,30-1,95
кремний 0,15-0,35
ниобий не более 0,08
титан не более 0,07
ванадий не более 0,08
железо и неизбежные примеси остальное

[Патент РФ 2381283, МПК C21D8/08, С22С 38/04, 10.02.2010 г.].

Известные высокопрочные арматурные профили имеют низкие качество и выход годного вследствие недостаточных пластических, вязкостных свойств и свариваемости.

Наиболее близкой по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является высокопрочная сталь, используемая, в том числе, и для изготовления арматурных профилей и имеющая следующий химический состав, мас.%:

углерод 0,005-0,3
марганец 0,3-2,5
кремний до 1,5

по меньшей мере, один элемент из группы:

ниобий до 0,1
ванадий до 0,15
титан до 0,3
цирконий до 0,3

при этом сталь имеет углеродный эквивалент Сэ≤0,40, а ее структура состоит из феррита и мартенсита [Патент US 4406713, МПК C21D 8/00, 27.09.1983].

Недостатком известной стали является то, что она не обладает стойкостью к разупрочнению при высоких температурах (пожаростойкость) и возможностью эксплуатации при низких температурах.

Технический результат изобретения - повышение механических и эксплуатационных свойств, качества и выхода годных арматурных профилей.

Технический результат достигается тем, что высокопрочный свариваемый арматурный профиль из низколегированной стали получен из стали, содержащей компоненты при следующем соотношении, мас.%:

углерод 0,03-0,50
марганец 0,95-2,25
кремний 0,15-0,70
ванадий не более 0,08
ниобий не более 0,08
железо и неизбежные примеси остальное

при этом сталь имеет микроструктуру, состоящую из мартенсита отпуска, нижнего и верхнего бейнита, значение δ5≥12%, отношение σвт≥1,08, суммарное содержание ванадия и ниобия составляет [V]+[Nb]≥0,035%, а ее углеродный эквивалент связан с диаметром арматурного профиля соотношением

0,36≤Сэ≤0,60 при 10≤d≤18 мм,

0,40≤Сэ≤0,60 при 20≤d≤28 мм,

0,45≤Сэ≤0,60 при 32≤d≤40 мм,

0,48≤Сэ≤0,60 при 42≤d≤70 мм,

где δ5 - относительное удлинение, %, σв - временное сопротивление разрыву, МПа, σт - предел текучести МПа, Сэ - углеродный эквивалент, %.

В качестве неизбежных примесей сталь содержит, мас.%: сера не более 0,025, фосфор не более 0,025; хром не более 0,3, никель не более 0,3, медь не более 0,45. Сталь дополнительно содержит, мас.%: молибден не более 0,08, титан не более 0,08.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Приведенные сочетания химических элементов, в совокупности с технологией производства, позволяют получить в готовом арматурном профиле структуру, состоящую из мартенсита отпуска, нижнего и верхнего бейнита, оптимальные содержание и морфологию неметаллических включений, однородную макроструктуру и благоприятное сочетание характеристик прочности, упругости и пластичности.

Углерод вводится в состав данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности. Верхняя граница содержания углерода 0,50% обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня свариваемости и вязкости данной стали, а нижняя 0,03% - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец используется, с одной стороны, как упрочнитель твердого раствора, а с другой стороны, как элемент, повышающий устойчивость переохлажденного аустенита стали. При этом верхний уровень содержания марганца 2,25% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний предел марганца 0,95% - необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности данной стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию 0,15% обусловлен технологией раскисления стали и необходимостью обеспечить заданный уровень пластичности стали. Содержание кремния выше 0,70% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.

Ванадий и ниобий являются элементами, оказывающими положительное влияние на свойства арматурных профилей. При содержании ванадия и ниобия не более 0,08% (каждого) они способствуют измельчению зерна микроструктуры, повышают прочность и пластичность стали, но ведут к удорожанию производства высокопрочных арматурных профилей. В то же время, увеличение концентрации ванадия и ниобия более 0,08% (каждого) удорожает себестоимость производства высокопрочных арматурных профилей, ухудшает их свариваемость. Это приводит к снижению выхода годного.

Экспериментально установлено, что для получения требуемых механических свойств необходимо, чтобы суммарное содержания ванадия и ниобия удовлетворяло условию [V]+[Nb]≥0,035%.

В качестве неизбежных примесей сталь может содержать серу, фосфор, хром, никель, медь в заявленных количествах.

Сера и фосфор являются вредными примесями, снижающими пластические и вязкостные свойства. При концентрации серы и фосфора не более 0,025% (каждого) их вредное воздействие проявляется слабо и не приводит к заметному снижению механических свойств стали.

Наличие хрома положительно сказывается на прочности стали и расширяет возможности использования металлического лома при выплавке, что способствует снижению себестоимости производства высокопрочных арматурных профилей. Однако содержание хрома более 0,3% негативно сказывается на свариваемости сталей.

Содержание никеля не более 0,3% позволяет обеспечить в готовом арматурном профиле высокие значения временного сопротивления предела текучести и относительного удлинения при хорошей свариваемости.

Медь способствует повышению прочностных свойств арматурных профилей. Но если содержание этого элемента для данной композиции превышает 0,45%, то возможно так называемое «выпотевание» меди на поверхности проката при нагреве передельной заготовки, что приведет к ухудшению качества поверхности и снижению коррозионно-стойкости готового проката.

Сталь может также дополнительно содержать молибден и титан в заявленных количества.

Наличие в составе стали не более 0,08% молибдена обеспечивает получение прочностных характеристик. Однако превышение приведенных значений не сопровождается дальнейшим повышением качества арматурных профилей, а лишь увеличивает расходы на легирование, что представляется нецелесообразным.

Титан используют в качестве раскислителя, обеспечивающего образование карбонитридов при температурах выше температуры ликвидус. При содержании титана более 0,08% размер карбонитридов резко возрастает, что приводит к одновременному падению пластичности и ударной вязкости стали.

Структура стали, состоящая из мартенсита отпуска, нижнего и верхнего бейнита, в совокупности с микролегированием стали ниобием, способствует тому, что сталь не разупрочняется при высоких температурах (до 700-750°С) и, таким образом, является пожаростойкой.

При величине относительного удлинения δ5 менее 12% разрушение материала происходит достаточно хрупко, без образования шейки, в связи с чем снижается надежность конструкций.

При соотношении временного сопротивления разрыву к пределу текучести σвт менее 1,08 конструкция имеет недостаточный запас прочности после достижения арматурного профиля пластических деформаций.

Для предложенного химического состава при величине углеродного эквивалента Сэ более 0,60% возможно значительное ухудшение пластических свойств и, соответственно, снижение сопротивления готового проката ударным нагрузкам.

Углеродный эквивалент рассчитывается исходя из формулы

где С - массовая доля углерода, %;

Mn - массовая доля марганца, %;

Cr - массовая доля хрома, %;

V - массовая доля ванадия, %;

Мо - массовая доля молибдена, %;

Сu - массовая доля меди, %;

Ni - массовая доля никеля, %.

Экспериментально установлено, что для сохранения необходимого уровня прочностных свойств арматурного профиля в месте сварного соединения углеродный эквивалент должен соответствовать условиям

0,36≤Сэ≤О,60 при 10≤d≤18 мм;

0,40≤Сэ≤О,60 при 20≤d≤28 мм;

0,45≤Сэ≤О,60 при 32≤d≤40 мм;

0,48≤Сэ≤0,60 при 42≤d≤70 мм,

где d - номинальный диаметр арматурного профиля, мм.

Примеры реализации предлагаемого технического решения.

Выплавку низколегированных сталей различного химического состава производили в электродутовой печи. Для раскисления и легирования сталей в расплав вводили ферросилиций, ферромарганец, ферротитан, феррованадий, ниобий. Химический состав выплавленных сталей с различным содержанием легирующих элементов и примесей приведен в таблице 1.

Непрерывнолитые заготовки из низколегированной стали нагревали в методической печи сортопрокатного стана 350 до температуры аустенитизации Та=1200°С и осуществляли многопроходную горячую прокатку арматурных профилей различных диаметров. Последний проход осуществляли при температуре Ткп=1000°С в круглом калибре с винтовыми канавками для формирования периодического арматурного профиля.

Прокатанный арматурный профиль пропускали через трубчатые холодильники, в которых осуществляли его ускоренное охлаждение водой (закалку) от температуры Ткп=1000°С до температуры Тз=490-560°С.

Окончательное охлаждение закаленного арматурного профиля от Tз=490-560°C до температуры окружающей среды проводили на воздухе. В процессе охлаждения на воздухе происходил самоотпуск закаленной стали. Микроструктура термоупрочненного арматурного профиля по всему поперечному сечению состояла из мартенсита отпуска, нижнего и верхнего бейнита. Для такой микроструктуры характерно сочетание высокой прочности, пластичности, ударной вязкости. Благодаря этому достигается повышение качества и выхода годных высокопрочных свариваемых арматурных профилей.

В таблице 2 представлены контролируемые параметры высокопрочных свариваемых арматурных профилей и их эффективность.

Данные, представленные в таблице 2, свидетельствуют о том, что при реализации предложенного технического решения (составы №6, 8) достигается наиболее высокое качество высокопрочных свариваемых арматурных профилей при одновременном повышении выхода годного. В случаях запредельных значений заявленных параметров (составы №1,5, 7), а также прототипа (вариант №14) качество высокопрочных профилей снижается. Также для составов №5, 7 становится неудовлетворительной свариваемость из-за высокого содержания в них углерода.

Исследования показали, что разупрочнение арматурных профилей, произведенных по составу №9, происходит при температуре ниже, чем в случае реализации предложенного технического решения.

Таким образом, предложенный высокопрочный свариваемый арматурный профиль обладает высокой пластичностью и стойкостью к высоким знакопеременным нагрузкам в зоне упругопластической работы материала, что позволяет рекомендовать его для использования в качестве рабочей арматуры железобетонных конструкций при строительстве атомных электростанций в сейсмически активных районах (до 9-балльных нагрузок).

Предлагаемый высокопрочный сварной арматурный профиль также характеризуется высокими служебными свойствами (свариваемость, способность к гнутью, повышенную пожарную безопасность, и т.д.), что позволяет использовать его со сварными соединениями в составе арматурных каркасов, сеток, закладных деталей и отдельных стержней при расчетной температуре до -55°С также без ограничений по характеру действия нагрузки (статической, динамической и многократно повторяющейся) и без сварки в качестве расчетной и конструктивной арматуры при любой расчетной температуре (до -75°С) без ограничений по характеру действия нагрузки (статической, динамической и многократно повторяющейся).

Кроме того, предлагаемый высокопрочный свариваемый арматурный профиль является свариваемым всеми видами сварки, применяемыми для арматурных профилей других менее прочных классов А500С и А400.

Использование предложенного технического решения позволит повысить рентабельность производства высокопрочных свариваемых арматурных профилей на 10-15% за счет снижения себестоимости. При этом на 19-45% уменьшается металлоемкость конструкций за счет применения предлагаемого арматурного профиля, обладающего более высокой прочностью, при замене им арматурного профиля классов А500С и А400.

Таблица 1
Состав низколегированных сталей
№ состава Содержание химических элементов, мас.%
С Mn Si V Nb S P Cr Mi Сu Мо Ti Fe+примеси
1 0,03 0,90 0,30 0,02 0,05 0,012 0,025 0,05 0,08, 0,05 - 0,02 остальное
2 0,08 1,55 0,22 0,05 0,04 0,011 0,015 0,03 0,04 0,04 - 0,02 -:-
3 0,17 1,15 0,34 0,015 0,015 0,025 0,020 0,09 0,08 0,25 - -^ -:-
4 0,25 1,35 0,22 - - 0,035 0,040 0,07 0,08 0,25 - - -:-
5 0,62 0,68 0,21 - - 0,025 0,024 0,08 0,10 0,28 - - -:-
6 0,19 1,15 0,40 0,018 0,020 0,015 0,022 0,08 0,11 0,26 0,01 - -:-
7 0,54 0,58 0,19 - - 0,022 0,021 0,08 0,07 0,10 - - -:-
8 0,24 1,22 0,38 0,02 0,019 0,021 0,019 0,11 0,08 0,25 - - -:-
9 0,15 1,20 0,24 0,012 0,010 0,015 0,023 0,10 0,09 0,24 ~ "
(прототип)
Таблица 2
Контролируемые параметры высокопрочных свариваемых арматурных профилей и их эффективность
№ варианта № состава Диаметр профиля, мм С3, M+[Nb], % Показатели качества Выход годного Q,%
δ5, % σв, МПа σт, МПа σвт Свариваемость при температуре -55°С
1 2 18 0,36 0,09 19 820 770 1,07 Уд. 99,5
2 2 40 0,36 0,09 22 730 650 1,12 Уд. 99,7
3 5 16 0,77 0 8 1010 920 1,10 Неуд. 0
4 1 12 0,20 0,07 24 690 660 1,045 Уд. 99,5
5 4 36 0,51 0 18 750 660 1,14 Уд. 99,3
6 3 32 0,40 0,03 19 760 670 1,13 Уд. 99,4
7 6 16 0,43 0,038 18 840 700 1,20 Уд. 99,6
8 6 28 0,43 0,038 18 770 670 1,15 Уд. 99,8
9 6 40 0,43 0,038 17 740 650 1,14 Уд. 99,7
10 7 18 0,66 0 10 995 900 1,09 Неуд. 0
11 8 22 0,49 0,039 17 810 710 1,14 Уд. 99,7
12 8 28 0,49 0,039 16 800 690 1,16 уд- 99,8
13 8 36 0,49 0,039 16 780 670 1,16 уд. 99,6
14 9 28 0,39 0,022 19 750 625 1,20 Уд. 97,3
прототип

1. Высокопрочный свариваемый арматурный профиль из низколегированной стали, характеризующийся тем, что он получен из стали, содержащей компоненты при следующем соотношении, мас.%:

углерод 0,03-0,50
марганец 0,95-2,25
кремний 0,15-0,70
ванадий не более 0,08
ниобий не более 0,08
железо и
неизбежные примеси остальное

при этом сталь имеет микроструктуру, состоящую из мартенсита отпуска, нижнего и верхнего бейнита, значение δ5≥12%, отношение σвт≥1,08, суммарное содержание ванадия и ниобия составляет [V]+[Nb]≥0,035%, а ее углеродный эквивалент связан с диаметром арматурного профиля соотношением:
0,36≤Сэ≤0,60 при 10≤d≤18 мм,
0,40≤Сэ≤0,60 при 20≤d≤28 мм,
0,45≤Сэ≤0,60 при 32≤d≤40 мм,
0,48≤Сэ≤0,60 при 42≤d≤70 мм,
где δ5 - относительное удлинение, %,
σв - временное сопротивление разрыву, МПа,
σт - предел текучести МПа,
Сэ - углеродный эквивалент, %.

2. Профиль по п.1, отличающийся тем, что он получен из стали, в качестве неизбежных примесей содержащей, мас.%: сера не более 0,025, фосфор не более 0,025, хром не более 0,3, никель не более 0,3, медь не более 0,45.

3. Профиль по п.1, отличающийся тем, что он получен из стали, дополнительно содержащей не более 0,08 мас.% молибдена.

4. Профиль по п.1, отличающийся тем, что он получен из стали, дополнительно содержащей не более 0,08 мас.% титана.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии, в частности стальному листу для производства магистральной трубы и способу изготовления стального листа. .

Изобретение относится к области металлургии, а именно к рельсам из высокопрочной перлитной стали, используемым для обычных и тяжелогрузных железнодорожных путей. .

Изобретение относится к сплавам на основе железа, которые могут быть использованы в качестве материала для режущих и обрабатывающих инструментов. .
Изобретение относится к области металлургии, в частности для изготовления холодно- или горячекатаной ленты из двухфазной стали повышенной прочности с высокой характеристикой деформируемости, используемой при производстве автомобилей облегченной конструкции.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству сварочных материалов, используемых в атомной энергетике для полуавтоматической сварки в смеси защитных газов металлоконструкций из хладостойкой низколегированной стали для транспортно-упаковочных комплектов металлобетонных контейнеров (ТУК МБК), предназначенных для многоразовой транспортировки и длительного хранения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) атомных энергетических установок, а также может использоваться в различных отраслях машиностроения для изготовления сварных конструкций и изделий, эксплуатирующихся при температурах до минус 60°С.
Сталь // 2422550
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к составам стали, используемой в автомобильной промышленности. .
Сталь // 2416667
Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к составам стали, используемой в автомобильной промышленности. .
Сталь // 2416666
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам сталей, используемых для изготовления отливок сложных конфигураций. .
Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению листа нетекстурированной электротехнической стали, применяемого в качестве материала железных сердечников для высокооборотных моторов.

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству стальной высокопрочной арматуры. .

Изобретение относится к строительным железобетонным конструкциям и их армированию. .

Изобретение относится к области упрочнения, в частности, арматурных стержней, используемых для изготовления железобетонных элементов в виде панелей, блоков, тротуарной плитки, фибробетона.
Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к изготовлению стержневой арматуры большого диаметра среднего класса прочности из низколегированной стали с использованием тепла прокатного нагрева в потоке непрерывных среднесортных станов.

Изобретение относится к металлургии стали и может быть использовано при производстве подката для получения холоднодеформированного арматурного периодического профиля.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству горячекатаной гладкой круглой катанки из низкоуглеродистой стали на непрерывных проволочных станах.
Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к изготовлению стальных высокопрочных протяженных изделий, используемых при изготовлении сейсмостойких железобетонных конструкций.

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к сталеплавильному, прокатному и метизному переделу, и может быть использовано при производстве арматурного проката периодического профиля класса В500С диаметром от 4,0 до 12,0 мм.
Изобретение относится к области металлургии, конкретно к прокатному производству, и предназначено для получения на сортовых станах стальных свариваемых арматурных профилей из непрерывнолитых заготовок.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве подката из высокоуглеродистой стали для изготовления холоднодеформированного арматурного периодического профиля
Наверх