Способ проката двутаврового профиля сечения из низколегированной стали



Способ проката двутаврового профиля сечения из низколегированной стали

 

B21B1 - Способы и устройства для прокатки листового или профильного металла (B21B 17/00-B21B 23/00 имеют преимущество; прокатка с учетом состава материалов, подлежащих прокатке B21B 3/00; прокатка материалов неограниченной длины B21B 5/00; клети прокатных станов B21B 13/00; непрерывное литье в литейные формы с подвижными стенками B22D 11/06); линии прокатных станов; установка прокатных станов, например размещение клетей станов; сочетание последовательного или секционного расположения ручьев в прокатных станах

Владельцы патента RU 2486972:

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ "ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АРХИТЕКТУРЫ И СТРОИТЕЛЬСТВА" (RU)

Изобретение предназначено для снижения материалоемкости двутаврового прокатного профиля. Двутавровый профиль выполнен из низколегированной стали и имеет полки с параллельными гранями и стенку, где рациональное распределение стали по сечению балки обеспечивается за счет того, что гибкость его стенки, равная отношению высоты стенки к ее толщине, не превышает предельную величину гибкости λст пред, обеспечивающую устойчивость стенки без промежуточных ребер жесткости, и составляет 65, а толщина, высота стенки, ее предельная гибкость регламентируются математическими зависимостями, при этом площадь сечения профиля распределена в пропорции: 50% - стенка профиля, 25% - каждая из полок, кроме того, отношение ширины полки к ее толщине не превышает предельное отношение, обеспечивающее местную устойчивость полки, что обеспечивает повышенную прочность, то есть происходит увеличение момента сопротивления Wx см3 и жесткости. 1 ил., 2 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к совершенствованию горячекатаных двутавровых профилей и к металлическим конструкциям промышленных и гражданских зданий с балочными перекрытиями и каркасами, а также к мостовым конструкциям из таких профилей.

Известен двутавровый прокатный профиль Гост 26020-83 [1]. Сортамент горячекатаных двутавров с параллельными гранями полок. Примем этот профиль за аналог. В аналоге пропорции сечения не зависят от того, из какой стали прокатывается двутавровый профиль: малоуглеродистой или низколегированной.

Недостаток аналога в том, что гибкость стенки профиля ( λ с т = h с т t с т , где hст - высота стенки; tст - толщина стенки) переменная и колеблется для разных номеров двутавров. Кроме того, материалоемкость стенки отличается от оптимальной материалоемкости 50%, например

Двутавр I Гибкость стенки λст Материалоемкость стенки К Wx, см3 Jx, см4
I 100 Б1 59,25 0,52 9011 446000
I 100 Б2 55,76 0,49 10350 516400
I 100 Б3 52,67 0,519 11680 597700
I 100 Б4 48,6 0,562 12940 655400

I 100Б4-h=101,3 см, tп=3,25 см, tст=1,95 см, hст=94,8 см, λ с т = 9 4 , 8 1 , 9 5 = 4 8 , 6

Известен двутавровый прокатный профиль для прокатных балок (из малоуглеродистой стали), предложенный К.К.Неждановым и разработанный с аспирантами [2, RU №2383401]. Примем этот профиль за прототип.

В прототипе разработан сортамент новых прокатных профилей из малоуглеродистой стали С255 (В Ст3 Сп5, Гост 27772-88).

Однако двутавровые прокатные профили из низколегированной стали должны иметь другие параметры. Сортамент двутавровых профилей из низколегированной стали не разработан.

В настоящее время прокатные профили из малоуглеродистой и низколегированной стали имеют одинаковое очертание поперечного сечения, что ошибочно, так как гибкости стенки для профилей из легированных сталей имеют значение меньше, чем предельная гибкость стенки, а именно λст. пред=65.

По действующим нормам [2, с.27] устойчивость стенок балок не требуется проверять, если условная гибкость стенок λ с т ¯ = h с т t с т R у E < 2 , 5 , где значение 2,5 - при наличии местных напряжений в профиле.

Для низколегированных сталей, например 12Г2Сгр1, ТУ 14-1-43 23-88, 09Г2С, 14Г2, 15ХСНД по Гост 19282-73* [2, с.64], с расчетным сопротивлением Rу=300 МПа при толщине t=20…40 мм и модулем упругости Е=206000 МПа приведенная гибкость λ с т ¯ = λ с т 3 0 0 2 0 6 0 0 0 < 2 , 5 , отсюда предельная гибкость, когда не требуется постановка промежуточных ребер жесткости, равна λст пред=2,5×26,204=65,51.

С некоторым запасом назначим предельную гибкость стенки двутаврового прокатного профиля равной λст пред=65.

Оптимальное распределение материала по сечению балки

Значительное снижение материалоемкости двутаврового прокатного профиля может быть достигнуто оптимальным распределением металла по сечению балок. Поставим задачу прокатать балку наибольшей прочности, то есть с максимальным моментом сопротивления max Wx из заготовки площадью поперечного сечения А см2.

Очевидно, что уменьшение толщины стенки tст приводит к увеличению высоты балки h и увеличению момента сопротивления Wx. Материал сечения должен быть оптимально распределен между стенкой и поясами балки. Введем коэффициент K, определяющий материалоемкость стенки.

Тогда A с т = K A                                     (1)

Введем постоянный коэффициент гибкости стенки:

λ с т = h t с т = h t с т t с т 2 = K A t с т 2 = c o n s t       (2)

Отсюда

t с т = A λ с т K 0,5                      (3)

Тогда расстояние между центрами тяжести поясов hцц будет зависеть только от коэффициента материалоемкости стенки К:

h ц ц = t с т λ с т = A λ с т K 0,5        (4)

Площадь поперечного сечения двух поясов

2 A п = A A с т = A ( 1 K )                (5)

Пренебрегая собственными моментами инерции поясов балки, запишем главным момент инерции (см. фиг.1)

J x = 2 A п ( h ц ц 2 ) 2 + A с т h ц ц 2 12              (6)

Поделив (6) на 0,5·hцц, найдем момент сопротивления Wx на высоте центров тяжести поясов:

W x = h 2 ( 2 A п + A с т 3 ) = 1 2 A A λ с т K 0,5 ( 1 2 3 K )            (7)

Итак, момент сопротивления зависит только от материалоемкости K стенки. Определим экстремум Wx, взяв производную по K.

d W X d K = 1 2 A A λ с т [ 1 2 K 0,5 ( 1 2 3 K ) 2 3 K 0,5 ] = 0               (8)

Отсюда K=0,5.

Следовательно, при K=0,5 материалоемкость стенки составляет 50% от материалоемкости всего сечения балки.

Тогда оптимальная высота сечения равна

h о п т = 0,5 A t с т                        (9)

Этой высоте соответствует наибольший момент сопротивления, равный

W x 2 = A 3 λ с т 18 ,                        (11)

и соответствующая гибкость стенки

λ с т = 0,5 A t с т 2 .                            (12)

Подставив (12) в (11), получим Wx в зависимости от А и tст

W X = A 2 6 t с т

и соответствующую минимальную площадь сечения балки

A = 6 W X t с т ,                      (13)

или в зависимости от гибкости стенки

A = 18 W X 2 λ с т 3                    (14)

Из (11) и (12) получим

t с т = 1,5 W X λ с т 2 3 ,                            (15)

легко убедиться, что радиус ядра сечения r в этом случае будет равен

r=h/3.

Проанализируем материалоемкость и гибкость стенки аналога. Например, для двутавров с высотой сечения 100 см по Гост 26020-83.

Таблица 1
Размеры в см, площади в см2
h b tст tп hст A Aст λст К
100 Б1 99 32 1,6 2,1 94,8 293,82 151,68 59,25 0,52
100 Б2 99,8 32 1,7 2,5 94,8 328,9 161,16 55,76 0,49
100 Б3 100,6 32 1,8 2,9 94,8 364 170,64 52,67 0,519
100 Б4 101,3 32 1,95 3,25 94,8 400,6 184,86 48,62 0,562

Анализ показывает, что материалоемкость стенки отличается от оптимальной Л=0,5, а гибкость стенки для низколегированной стали меньше предельной величины λст пред=65.

Таким образом, имеются резервы для снижения материалоемкости профиля.

Технологическая задача изобретения - максимальное снижение материалоемкости двутаврового прокатного профиля, при его прокате, путем оптимального распределения материала между поясами и стенкой профиля, обеспечивающего достижение моментом сопротивления сечения профиля относительно главной оси Х своего максимального значения.

Технологическая задача по реализации способа распределения стали по сечению двутаврового профиля, содержащего полки с параллельными гранями и соединяющую их стенку, решена следующим образом.

Отличие в том, что при прокате на прокатном стане двутаврового профиля гибкость стенки балки назначают предельной для данной низколегированной марки стали, обеспечивающей устойчивость стенки без ребер жесткости. Блюм разогревают до температуры 600…650°C и обжимают его в клети валками на прокатном стане с четырех сторон, деформируют сечение в двутавровый профиль, содержащий полки с параллельными гранями и стенку, монолитно соединяющую полки, с образованием двутавра, при прокате из низколегированной стали (например, 12Г2Сгр1, ТУ14-1-4323-88, расчетным сопротивлением Rу=300 МПа и толщине проката 20…40 мм)

Площадь сечения профиля при прокате распределяют по сечению в следующей пропорции: 50% - на стенку профиля и по 25% на каждый из поясов.

Толщину стенки профиля определяют из уравнения

t с т = 0 , 5 А λ с т

где А - площадь поперечного сечения профиля;

λст - предельная гибкость стенки профиля, обеспечивающая устойчивость ее без постановки ребер жесткости.

Высоту стенки находят из формулы hстст·tст, где ширину полки и толщину ее назначают такой, чтобы отношение ширины полки к ее толщине не превышало предельное отношение, обеспечивающее местную устойчивость плоского пояса.

Главный момент инерции профиля определяют по формуле

J x = b h 3 ( b t с т ) h с т 3 12

где b - ширина полки профиля;

h - высота поперечного сечения профиля.

Момент сопротивления вычисляют по формуле W x = 2 J x h

На фиг.1 показано поперечное сечение двутаврового прокатного профиля. Полки имеют ширину b. Толщина полки tп. Высота сечения профиля равна h. Стенка имеет высоту hст. Толщина стенки равна tст.

Площадь сечения каждой из полок равна Ап=b·tп.

Площадь сечения стенки равна Аст=hст·tст.

Площадь всего сечения равна А=2Апст.

Пример конкретной реализации

Повысим прочность двутавра I100Б4 по ГОСТ 26020-83 [1]. Основные размеры профиля и его характеристики приведены в табл.1.

Вычисления производим в следующей последовательности.

1. По формуле 12 находим необходимую толщину стенки нового двутаврового профиля при заданной его площади сечения А=400,6 см2 и предельной гибкости стенки λ с т . п р е д = 6 5 t с т = 0 , 5 А λ с т п р е д

2. Находим площадь сечения стенки Аст=0,5А.

3. Затем высоту стенки h с т = А с т t с т , округляем ее.

4. Фактическую площадь сечения стенки Аст ф=hст·tст.

5. Находим площадь сечения полки Ап=0,25·А.

6. Определяем толщину полки t п = А п b п , при заданной ширине полки bп, и округляем ее.

7. Затем фактическую площадь сечения полки Апф=bп·tп.

8. Определяем высоту сечения балки h=hст+2tп.

9. Фактическую площадь сечения А=2Апфст.

10. Определяем главный момент инерции J x = b h 3 ( b t с т ) h с т 3 12

11. Момент сопротивления сечения W x = 2 J x h

Например, по сортаменту для двутавра I100Б4 площадь сечения А=400,6 см2. Назначаем гибкость стенки λст пред=65.

1. Находим необходимую толщину стенки нового двутаврового профиля при заданной его площади сечения и гибкости стенки

λ с т = 0,5 А t с т 2 t с т = 0,5 А λ с т  пред = 0,5 400,6 65 = 1,7554. Принимаем tст=1,76 см.

2. Находим площадь сечения стенки Аст=0,5А=200,3 см2.

3. Затем высоту стенки h с т = А с т t с т = 200,3 1,76 = 113,807 200,3  см 2 .

4. Фактическую площадь сечения стенки Астф=hст·tст=113,8·1,76=200,288 см2.

5. Находим площадь сечения полки Ап=0,25·А=0,25·400,6=100,15 см2.

Оставляем ширину полки bп=32, тогда

6. t п = 100,15 32 = 3,1297 3,13  см .

7. Затем фактическую площадь сечения полки Апф=bп·tп=32·3,13=100,16 см2.

8. Определяют высоту сечения балки

9. h=hст+2tп=113,8+2·3,13=120,06 см.

10. Фактическая площадь сечения А=2Апфст=2·100,16+113,8·1,76=400,608 см2.

11. Определяют главный момент инерции J x = b h 3 ( b t с т ) h с т 3 12 = 32 120,06 3 ( 32 1,76 ) 113,8 3 12 = 901040  см 4  (137 ,5%)

12. Было Jx=655400 см4 (100%).

13. Момент сопротивления W x = 2 J x h = 15009,8  см 3   ( 116% )

14. Было Wx=12940 см3 (100%).

Список литературы

1. Двутавры стальные горячекатаные с параллельными гранями полок. Сортамент. Гост 26020-83. Переиздание. Октябрь 1998, 9 с.

2. СНиП 11-23-81. Стальные конструкции, Госстрой СССР, Москва, 1999, 96 с.

3. Васильченко В.Т. и др. Справочник конструктора металлических конструкций, Киев, «Будiвельник», 1980, 288 с.

4. Писаренко Г.С. и др. Справочник по сопротивлению материалов, Киев, «Наукова думка», 1975, 704 с.

5. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Эйдлин A.M. Двутавровый прокатный профиль. Патент России №2383401, B21B 1/08 (2006.01). Заявка №2007 136405/02. Публикация заявки 10.04.2009. Опубликовано 10.03.2010. Бюл. №7.

Способ прокатки профиля двутаврового сечения из низколегированной стали с расчетным сопротивлением Rу=300, включающий разогрев блюма толщиной 20-40 мм до температуры 600-650°C и обжим его в клети валками на прокатном стане с четырех сторон, деформирование в двутавровый профиль, имеющий полки с параллельными гранями в виде плоских поясов и стенку, монолитно соединяющую их, отличающийся тем, что стенку профиля прокатывают с предельной гибкостью, равной отношению высоты стенки к ее толщине, не превышающей предельную величину гибкости λст пред, составляющей 65 и обеспечивающей устойчивость стенки без промежуточных ребер жесткости, профиль трансформируют при горячей прокатке путем обжима его валками и принудительного распределения площади по сечению в пропорции 50% на стенку профиля и по 25% на каждый из плоских поясов, при этом толщину стенки профиля tст определяют из уравнения
t с т = 0,5 A / λ с т  пред ,
где A - площадь поперечного сечения профиля;
λст пред - предельная гибкость стенки профиля, обеспечивающая ее устойчивость без промежуточных ребер жесткости;
причем высоту стенки hст определяют из уравнения
hстст пред·tст,
где полку прокатывают такой, чтобы отношение ширины полки к ее толщине не превышало предельное отношение, обеспечивающее местную устойчивость плоского пояса, а главный момент инерции профиля Jx определяют по формуле
J x = [ b h 3 ( b t с т ) h с т 3 ] / 12 ,
где b - ширина полки двутаврового профиля;
h - высота поперечного сечения двутаврового профиля,
а максимальный момент сопротивления определяют по формуле:
Wx=2Jx/h.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при прокате полосовых асимметричных профилей с клиновидными утолщениями в виде периодических выступов типа периодической лемешной полосы 142Д, преимущественно для изготовления долотообразных лемехов сельскохозяйственного назначения.

Изобретение относится к области сортовой прокатки и может быть реализовано при производстве железнодорожных рельсов на непрерывно-реверсивных рельсобалочных станах.

Изобретение относится к металлургии, а именно к сортопрокатному производству, и может быть использовано при горячей, теплой и холодной прокатке шестигранных коротких прутков из черных и цветных металлов, а также различных сплавов преимущественно малотоннажных партий на одноклетьевых станах дуо.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при калибровке и последующей прокатке железнодорожных рельсов или других аналогичных профилей с применением опорных конусов.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к прокатному производству, и может быть использовано при прокатке железнодорожных рельсов. .

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при прокате рельсового профиля из нержавеющей марки стали аустенитного класса, коррозионностойкой к внешним воздействиям, для соединения концов рельсов с крестовиной стрелочного перевода по обоим окончаниям [1].

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к прокатному производству, и может быть использовано при прокатке железнодорожных рельсов. .

Изобретение относится к сортовой прокатке и может быть реализовано при прокатке двутавровых профилей преимущественно на непрерывных станах, снабженных универсальными четырехвалковыми клетями.

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при прокатке профилей с продольными пазами типа брусьев для футеровки шаровых мельниц, характеризующихся наличием подошвы, головки и продольных пазов, симметричных относительно одной оси.

Изобретение относится к обработке металлов давлением, конкретно к технологии сортовой винтовой прокатки круглого профиля из стали обычного качества и легированной, труднодеформируемых сталей и сплавов, цветных металлов при использовании преимущественно в качестве исходной непрерывнолитой заготовки.

Изобретение относится к изготовлению ленты из алюминия или алюминиевого сплава. .

Изобретение относится к области трубопрокатного производства и касается усовершенствования агрегатов для производства бесшовных труб с раскатным станом продольной прокатки, содержащим две последовательно установленные клети.
Изобретение относится к изготовлению тонколистовой холоднокатаной трубной стали, используемой для трубок амортизаторов автомобилей. .

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при горячей прокатке рифленых полос на непрерывных широкополосных станах. .

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано для получения холоднокатаной нагартованной полосы из листовой стали с покрытием или без него, для последующей обработки путем гибки или формовки, в частности кровельной металлочерепицы.

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано для получения холоднокатаной нагартованной полосы из листовой стали с покрытием или без него, для последующей обработки путем гибки или формовки, в частности кровельной металлочерепицы.

Изобретение относится к черной металлургии. .

Изобретение относится к титановому материалу для горячей прокатки, который обеспечивает снижение содержания дефектов, возникающих на его поверхности (в случае плоского материала или рулона полосового материала - на поверхности листа, на боковых поверхностях и на кромках) вследствие горячей прокатки, и к способу его получения
Наверх