Эффективность модернизации  структуры  поверхностного  слоя  сортового проката методом прерванной закалки

 

Клаубаев Е. магистрант, Ауельбекова А.,Канаев А.Т. д.т.н., профессор

 

     Долговечность и надежность используемых в промышленности конструкционных материалов, эффективность узлов машин и механизмов в значительной степени определяются поверхностными свойствами используемых материалов.

     Поверхностные слои широко используемых конструкционных материалов, применяемых в различных сферах производства, постепенно разрушаются при эксплуатации под действием естественной и агрессивной среды, а также технологической нагрузки. Разрушение поверхностного слоя происходит вследствие ударно-абразивного износа, контактного трения, коррозионных воздействий и других технологических факторов.

     Проблема износа и коррозии приводит к значительному перерасходу металлических конструкционных материалов, используемых в промышленном производстве. Разработка технологий износостойкости и химической стойкости поверхности материалов, подвергающейся воздействию агрессивной среды и механической нагрузки, позволит более эффективно использовать конструкционные материалы в производственном производстве. Особыми защитными свойствами по отношению к действию различных агрессивных сред обладают слои нитридов, карбидов, карбонитридов и др., создаваемые на поверхности металлов и сплавов[1].

     Поэтому значительную научно-практическую значимость имеют исследования специфичности процессов изнашивания и разрушения поверхностного слоя, которая существенно отличается от объемного разрушения по следующим признакам. При объемном нагружении процессы пластической деформации по самой ее дислокационной природе локализуется в определенной части объема материала, где и происходит накопление дефектов структуры, концентрация напряжений и зарождение очага разрушения. При поверхностном же нагруженнии процессы пластической деформации и разрушения поверхностных слоев, сохраняя свою дислокационную природу, отличаются в первую очередь, сложным распределением напряжений по всей зоне контакта. По всему поверхностному слою, в любой его точке равновероятно участие всех находящихся в зоне контакта слоев металла в пластической деформации и разрушения.

     Другой особенностью процессов изнашивания и разрушения поверхностного слоя является то, что при изнашивании происходит непрерывное наложение циклов пластического деформирования и разрушения, когда вслед за уносом продуктов износа наступает следующей цикл. Такой динамический характер процесса предусматривает и динамический характер структурных изменений в поверхностном слое. Эти резкие изменения тонкого строения и структуры поверхностного слоя с внешней средой и образованием при этом продуктов износа приводят к высокой концентрации напряжений при сложной схеме их взаимодействия в  поверхностном слое металла. В результате воздействия этих факторов тонкое строение и структура поверхностного слоя могут оказаться в процессе изнашивания совершенно иными, чем исходная структура и строение металла в объеме [2].

     Арматурные профили, используемые в железобетонных конструкциях, являются основным элементом, воспринимающим, растягивающие нагрузки, обеспечивая тем самым прочность и надежность конструкции. Важным фактором, обеспечивающим совместную работу арматуры с бетоном, является их сцепление, увеличение которого достигается использованием арматурных профилей периодического профиля.

В таблице 1 приведены среднеарифметические значения и среднеквадратические отклонения механических свойств арматурных профилей после деформационно-термического упрочнения с прокатного нагрева [  ].

Таблица 1 - Статистические показатели механических свойств арматурных профилей

Номер

профиля

Среднее значение показателя, X

Среднеквадратическое отклонение,So

σт, МПа

σв, МПа

δ5 ,%

σт ,МПа

σв ,МПа

δ5, %

10

482/440

662/590

22,6/ 15,0

45,8/88,0

43,4/ 88,0

3,4 /-

12

471/440

641/590

21,2/15,0

43,5/88,0

41,2/88,0

3,5/-

14

470/440

650/590

22,1/15

46,3/88,0

44,5/88,0

4,7/-

 

В числителе - результаты деформационно-термического упрочнения из стали марки Ст.5сп. В знаменателе – требуемые показатели по ГОСТ 10884


Из данных таблицы следует, что статистические показатели арматурных профилей опытных партий соответствуют требованиям по ГОСТ 10884 Сталь арматурная термомеханически и термически упрочненная периодического профиля. Технические условия.

а                                                                         б

       

Рисунок 2 - Макроструктура (Х5) арматурных стержней периодического профиля диаметром 25 мм и з углеродистой стали Ст.5сп [  ]

     Видно, что
 упрочненная    арматура имеет внешнее поверхностное  кольцо (толщиной ~3-4 мм), представляющее собой закаленную структуру

     В строительной индустрии железобетон является основным конструкционным материалом, при этом ежегодное потребление арматурных профилей достигает миллионов тонн, а удельный расход металла на 1м3 железобетона составляет в среднем 70кг. Следует подчеркнуть, что используемый в железобетонных конструкциях вес металл (вся арматура) расходуется необратимо, т.е. не возвращается в виде металлолома на металлургические заводы, а остается в бетоне. Поэтому снижение металлоемкости железобетонных конструкций за счет повышения их прочностных характеристик является  важной  научно-технической задачей.

     Особенно эффективно применение высокопрочных арматурных профилей в изделиях, конструкциях и сооружениях на предварительно напряженных железобетонах, получающих все более широкое применение. Так, по оценкам известных экономистов, применение термоупрочненной  арматуры с  прочностью 600 -1300 МПа   за счет повышения расчетных сопротивлений позволяет снизить расход металла на 20-45 % , что дает существенный экономический эффект [3].

      Как известно, промышленное производство термоупрочненных арматурных профилей с отдельного нагрева с применением электрических нагревательных устройств или печного способа нагрева связано с большими капитальными и эксплуатационными затратами, высоким расходом энергетических (топливных) ресурсов. В отличие от этого технологического процесса термическое упрочнение  с использованием тепла прокатного нагрева по сравнению с упрочнением  изделий с отдельного нагрева имеет ряд технических и экономических преимуществ.

     Технические преимущества заключаются в возможности использования для термического упрочнения изделий остаточного тепла под прокатку, в меньшей длительности процесса термического или термомеханического упрочнения, в получении более чистой от окалины поверхности проката и в возможности  высокотемпературной термомеханической обработки, значительно повышающей механические свойства стали.

     Экономические преимущества  включают отсутствие дополнительных затрат электроэнергии или топлива, резкое снижение потребности в рабочей силе, отсутствия нагревательных печей и другого оборудования, сокращения внутрицеховых и внутризаводских транспортных операций. По данным [4]  термическая обработка арматурных профилей с прокатного нагрева по сравнению с электротермической обработкой снижает капитальные вложения в  4-5 раз, эксплуатационные затраты  на одну тонну – в 12 раз, приведенные затраты в  10-11 раз.

      К недостаткам термической обработки с прокатного нагрева следует отнести включение в технологический процесс  прокатки дополнительных операций, большой износ транспортирующих  рольгангов и деталей реечных холодильников при движении по ним  охлажденного проката.

     Эффективным способом повышения прочностных свойств стали является сочетание оптимального легирования с упрочняющей термической обработкой проката. Это позволяет в 2-3 раза повысить прочностные характеристики при одновременном  сохранении пластичности и росте хладостойкости.

     Специфика расчета эффективности производства и использования термически и термомеханически упрочненного проката состоит в том, что экономический эффект  выявляется, главным образом, в сфере потребления, и поэтому действительная экономическая эффективность может быть определена лишь посредством сопоставления всех затрат живого и овеществленного труда на производство термического упрочнения проката на металлургическом заводе и затрат в отраслях, потребляющих металл на изготовление и выпуск машин, механизмов, различных металлических конструкций, железобетона и т.д.

     Таким образом, критерием экономической эффективности термического упрочнения проката является экономия суммарных затрат, требующихся удовлетворения определенных потребностей экономики страны [5].

     Как отмечалось выше, организация производства термически  упрочненного проката увеличивает эксплуатационные  расходы на энергетические затраты, заработную плату, амортизацию, текущий ремонт и др. В то же время использование  в отраслях экономики  упрочненного проката обуславливает снижение эксплуатационных и капитальных затрат в отраслях, потребляющих этот упрочненный прокат.

     Общим принципом, положенным в основу методики определения экономии металла, является условие равно прочности термически  упрочненного и неупрочненного проката. В соответствии с этим принципом экономия металла определяется сравнением удельных расходов упрочненного и неупрочненного проката, имеющего одинаковое назначение.

     В каждом конкретном случае принцип соблюдения условия равно прочности должен осуществляться по-разному: в одних случаях путем сопоставления расхода металла на равные  по потребительной ценности изделия, производимые с применением упрочненного и неупрочненного проката (арматурных профилей), в других случаях – на единицу длины проката, если речь идет о фасонных профилях (.уголки, швеллера) или на единицу полезной площади проката, если речь идет о листовом прокате.

    На величину экономии металла оказывает влияние изменение отхода и брака металла при производстве и термическом  упрочнении проката. Так, при производстве арматурных и угловых профилей не наблюдается увеличение коэффициента расхода металла, так как термическое упрочнение производится сразу после чистовой клети прокатного стана.

     Облегчение массы термоупрочненного проката требует меньшего количества стали на его производство и соответственно чугуна, руды, коксующихся углей, что приводит к снижению общих капитальных вложений в результате применения термически упрочненного проката. Достигается также снижение транспортных расходов вследствие перевозки меньшего количества металла  для удовлетворения заявок потребителей и облегчения массы конструкций  и машин, изготовленных из  проката с высокими механическими свойствами.

Эффективность термического  упрочнения проката заключается еще и в том, что в ряде случаев упрочненной углеродистой сталью можно заменить и тем самым уменьшить капитальные вложения в развитие добычи дефицитного сырья, строительство ферросплавных заводов и электростанций. Однако следует отметить, что наличие одинаковых механических свойств (σт, σв, δ5) не является необходимым и достаточным основанием для использования в железобетонных конструкциях упрочненной углеродистой стали взамен легированной стали, так как определяемые по ГОСТ 5781 прочностные, пластические и вязкие  характеристики не отражают ни условий работы, ни характера разрушения при эксплуатации, ни напряженного состояния конкретного сортового профиля. Поэтому по механическим свойствам, определяемым по ГОСТ 5781, невозможно установить, какая из этих сталей лучше в реальных условиях эксплуатации. Отсюда возникает задача сравнительного исследования конструктивной прочности этих сталей, характеризующей работоспособность  изделий (деталей, конструкций, сооружений и т.д.) в реальных условиях эксплуатации. Тем более, сегодня к понятию «прочности» предъявляются несколько иные требования, смысл которых сводится к обязательности сочетания высокой прочности  с достаточным запасом пластичности и вязкости. Поэтому возникает острая необходимость в сравнительном исследований механических и иных свойств упрочненной углеродистой и горячекатаной легированной стали, используя термин "конструктивная прочность", под которой понимается некоторый набор механических характеристик, наиболее полно отражающий реальные условия службы различных изделий (не только конструкций).

      Важным звеном в выборе технологического процесса термического упрочнения проката явилось изучение возможности замены печного отпуска, требующего больших капитальных вложений, на самоотпуск, не влекущий за собой дополнительных энергозатрат. Исследования в этом направлении позволили предложить технологический процесс упрочняющей термической обработки сортового проката по схеме прерванной закалки с последующим  самоотпуском, который  является наиболее экономичным вариантом термической обработки.

      Охлаждающее устройство, использованное в работах этого направления, легко вписывается в  действующий технологический процесс производства сортовой металлопродукции, оно предназначено для интенсивного охлаждения движущегося проката с температуры 1000–1050 0С до 450–500 0С, что позволит улучшить условия труда на участках реечного холодильника и адъюстажа прокатного стана за счет резкого уменьшения тепловыделения от горячего проката. Это немаловажно для  существенного улучшения условий труда и приведет (наряду с экономическим)  к значительному социальному эффекту.

      Охлаждающей средой при деформационно-термической обработке металлопродукции является техническая вода, которая используется с цехового оборотного водоснабжения и водоотведения с фильтрацией от взвешенных частиц (размер взвешенных частиц в воде должен быть не более 1,0–1,5 мм). Поэтому производство деформационно-термически упрочненного проката на действующих или строящихся прокатных станах не влияет на экологическую ситуацию на данном участке, что также имеет немаловажное значение.        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

 

1.Канаев А.Т., Рамазанова Ж.М. Модернизация структуры поверхностного слоя металлических материалов.  Астана: Изд-во «Мастер-ПО», 2013. - 232 с.

2. Материаловедение // Под редакцией Б.Н. Арзамасова.- М.: Машиностроение, 1986.- с.383.

3. Гольдштейн М.И., Емельянов А.А., Пышминцев И.Ю. Упрочнение малоуглеродистых сталей, Сталь, 1996, №66, с. 53-58.

4.  Кугушин А.А., Узлов И.Г., Калмыков В.В. и др. Высокопрочная арматурная сталь. – М.: Металлургия, 1986. – 272 с.

5. Экономическая эффективность термического упрочнения проката и труб. Бень Т.Г., Ильина Р.В., Кольцова А.П., Будаева В.Г. .- М.: Металлургия, 1985.- 120 с.

6. ГОСТ 10884-91  Сталь стержневая арматурная термомеханически  и термически упрочненная периодического профиля, Технические условия.

7. ГОСТ 5781- 2002  Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций. Технические условия