непрерывно-литая балочная заготовка и способ получения балочного профиля

Формула изобретения

1. Непрерывно-литая балочная заготовка, содержащая участок стенки и полочные участки, отходящие от противоположных концов участка стенки, отличающаяся тем, что участок стенки и полочные участки имеют каждый среднюю толщину, не превышающую 75 мм, и однородную кристаллическую зернистую структуру тонкого феррита и перлита по всему поперечному сечению.

2. Заготовка по п.1, отличающаяся тем, что отношение средней толщины участка стенки к полочным участкам составляет от 0,5 1 до 2 1.

3. Заготовка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что участок стенки и каждый из полочных участков имеют среднюю толщину 38 75 мм.

4. Заготовка по п.1, отличающаяся тем, что каждый из полочных участков имеет параллельные боковые стороны.

5. Заготовка по п.4, отличающаяся тем, что полочные участки симметрично расположены под углом 15 90^o к участку стенки каждый.

6. Способ получения балочного профиля, включающий непрерывное литье балочной заготовки, имеющей участок стенки и полочные участки, ее охлаждение вплоть до затвердевания и последующую прокатку до готового профиля, отличающийся тем, что балочную заготовку получают со средней толщиной участка стенки и полочных участков не более 75 мм, с однородной кристаллической зернистой структурой тонкого феррита и перлита по всему поперечному сечению.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что прокатку заготовки ведут с суммарной вытяжкой не более 3.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что прокатку заготовки ведут в том числе вгорячую и с числом проходов не более 15.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что заготовку отливают с отношением средней толщины участка стенки к средней толщине полочных участков от 0,5 1 до 2 1.

10. Способ по любому из пп.6 9, отличающийся тем, что заготовку отливают со средней толщиной участков стенки и полочных участков 38 75 мм.

11. Способ по любому из пп.6 10, отличающийся тем, что заготовку отливают с углом между полочными участками, отходящими от одного конца участка стенки, составляющим 30 180^o.

Описание изобретения к патенту

Изобретения касается профильных констуркционных элементов, в частности балочных заготовок, как они образованы после непрерывного литья, из которых затем изготавливаются путем их обработки отделенные конструкционные балки.

Профильные элементы конструкции, образованные из металла, в частности из углеродистой или низко легированной стали, используются в разных отраслях. Профильные конструкционные элементы разных конфигураций хорошо известны в области формования металла и включают в себя балки. Балки традционно имеют участок стенки с противолежащими полками, выступающими с обоих концов участка стенки перпендикулярной к ней. Балки обычно образуют из отливок стали, таких как стальные болванки, которые затем подвергают горячей обработке известными способами для получения окончательно отделанной по размеру и конфигурации структуры балки. Альтернативно балки могут быть образованы путем операции непрерывного литья, которая образует либо заготовку для последующей горячей обработки для образования балки, либо образуют отливку профильного поперечного сечения, имеющую поперечное сечение, приближенное к конечной конфигурации балки, которая (отливка) затем подвергается серии горячих и затем холодных прокатных операций для получения окончательно отделанного по размеру и конфигурации изделия балки. Непрерывное литье имеет преимущество в том, что можно образовывать серии балочных заготовок из одной или более плавок стали по существу в непрерывной операции. Это позволяет экономить энергию и также улучшает качество производства.

В стальной промышленности термин "балочная заготовка" означает отливку с профильным поперечным сечением, полуобработанное изделие с профильным поперечным сечением, аппроксимированным к конфигурации балки, которое после последующих стадий прокатки преобразуется из этого полуобработанного состояния, как оно было отлито, в отделанное изделие с требуемыми и необходимыми конечными рамерами и специфической конечной конфигурацией. Балочные заготовки используются как предшественники или исходные материалы для производства разнообразных форм конечных элеметов конструкции, включая двутавровые широкополочные балки, двутавровые балки (обычно именуемые как "1 балки"), балки широкополочного профиля, балки с профилем английского стандарта, балки профиля японского промышленного стандарта и рельсовые профили, включая для железных дорог, кранов и портальные рельсы.

Как хорошо известно в области производства стали, операции горячей прокатки оперируют с заготовкой аппроксимированного профиля и уменьшают профиль до образования изделия с конечными размерами и конфигурацией, одновременно изменяя начальную металлургию и кристаллизацию стали до предельного требуемого состояния с требуемым кристаллическим состоянием и формой. Дополнительные операции затем нормально используются для правки элемента с конечными размерами и конфигурацией и разрезания этого элемента на требуемые отрезки.

Литейная форма для непрерывного литья таких балочных заготовок имеет центральный литьевой канал, который ограничен парой параллельных стенок, которая (пара) образует стенку балочной заготовки. С любой стороны от центрального литьевого канала расположены вторые литьевые каналы, каждый из которых расширяется в сторону от центрального литьевого канала. Эти вторые или расширяющиеся литьевые каналы образуют внутренний участок полок или предшественников полок балочной заготовки. Каждый из расширяющихся литьевых каналов впадает в обычно прямоугольный конечный литьевой канал, образующий наружный участок полок или предшественников полок балочной заготовки.

О первых шагах литья с профильным поперечным сечением, специально связанных с балочными заготовками, было впервые сообщено в 1961 г (Гуглин Н.Н. Проворный А. К. Засетский Г.Ф. и Гуляев Б.Б. Сталь, 1961), включая в лабораторном масштабе простое 125^о ширины угольное сечение с двумя коленами неравной толщины (30 и 40 мм соответственно). Отливка охватывала примерно площадь 127 см². Эти эксперименты лабораторного масштаба не говорили первоначально о жизненности концепции для использования в процессах непрерывного литья.

Некоторые другие лабораторные работы позже проводились Британской исследовательской ассоциацией железа и стали ("BISRA") в ее шеффилдских лабораториях (Х.С.Марр, Б.Витт, Б.В.Х.Марсден и Р.И.Маршалл. Журнал института железа и стали, декабрь, 1966) в отношении производства отливки с фасонным поперечным сечением, включая балочные заготовки. В английском патенте N 1049698 (1965) описываются симметричные и асимметричные формы, включая аппроксимированные конфигурации, которые вообще могли бы быть описаны как тип грубо железнодорожного рельса в поперечном сечении, типа песочных часов в поперечном сечении и типа двутавровой балки в поперечном сечении. Отливки типа двутавровой балки в поперечном сечении в среднем имели площади 670 см² и размеры 464х254х76 (длина стенки х высота полки х толщина стенки, мм).

В течение дальнейшей поисковой работы ВISRA совместно с фирмой Алгома стил корпорейшн Лтд (Соул-Сант-Мари, Онтарио, Канада) изучались возможности литых балочных заготовок для последующего прокатывания в широкополосные универсальные двутавровые балки, используя способы, описанные в английском патенте N 1049698. Две промышленные литейные установки для непрерывного литья таких балочных заготовок были установлены на фирме Алгома в 1968 г. Сечения балочных заготовок, отлитых на этой установке, в среднем имели площадь 845-1435 см² с размерами разных комбинаций, включая 451х305х102, 559х267х102, 775х356х102, 673х260х102, 1164х356х102, большинство имели поперечное сечение, близкое к типу двутавровой балки.

Несколько устройств непреывного литья с фасонным поперечным сечением для производства балочных заготовок было установлено после 1968 г, которые производили один или больше из трех указанных типов заготовок с поперечным сечением. Они включали в себя несколько японских установок, включая установки на фирме Кавасаки стил корпорейшн, четыре литейные установки для непрерывных заготовок блюмов или балок, установленных на фирме Мицушима, Окайява, Япония (сечения балочных заготовок имели в среднем 1155 см² с размерами 460х400х120х560х287х120), Токио Стил Мануфекчуринг Ко. Лтд. одна установка для непрерывных заготовок на фирме Коши Уоркс, Шикоку, Япония (сечения балочных заготовок в среднем 820 см² с размерами 445х280х110), одна установка для непрерывных заготовок на фирме Химеджи Уоркс Ямато Когио КК, Химеджи, Япония (сечения балочных заготовок были в среднем 1100 см² с размерами 460х370х140) и четыре установки для непрерывных заготовок для производства балочных заготовок на фирме Ниппон Кохан КК Фукуяма, Фукуяма, Япония (сечеия балочных заготовок в среднем 1145-1165 см², с размерами 480х400х120) так же, как ряд европейских и русских установок, включая те, которые на фирме Маннесман АГ, Хуттенверке, Хукинген-Дуисбург, Западная Германия (сечения балочных заготовок в среднем 460 см² с размами 350х210х80), Научно-исследовательские разработки, описанные в публикации Мартынова О.В. Мазуна А.И. Фролова И. Б. Горлова С. М. и Нечаева П.С. Сталь в СССР, 11 (1975), Тула (сечения балочных заготовок в среднем 550 см² с размерами 245х310х130, длина стенки короче, чем высота полки), Украинский научно-исследовательский институт металлов: Сладкощчеев В.Т. Гордиенко М.С. Гричук Н.Ф. Потанин Р.В. и Куценко Л.Д. Сталь N 7 (1976) (сечения балочных заготовок в среднем 520 см² с размерами 415х284х50) и Бритиш Стил Корпорейшн, отделение общих сталей, Стокна-Тренте, Великобритания (сечения балочных заготовок в среднем 790 см² с размерами 286х355х178 мм (11 1/2" x 14" x 7"), длина стенки была короче, чем высота полки).

Другие комментарии, касающиеся отливок с фасонным поперечным сечением и устройств непрерывного литья отливок с фасонным поперечным сечением для производства наряду с другими формами поперечного сечения, балочные заготовки появились в разных статьях и публикациях, включая Г.С.Люценти "Инженер железа и стали" (июль, 1969), И.Яги, Х.Фастерт и Х.Токунага, 1975 AISE Ежегодная конференция (Кливленд, Огайо), Ю.Юшияма "Протоколы ISIJ 15" (1975), Т. Саито, М.Кодама и К.Комода, "Международные железо и сталь", 48 (октябрь, 1975) и В.Пуппе и Х.Шенк "Сталь и железо" 95, 25 (декабрь 4, 1975).

В Европейском патентной заявке Хартманна N 0297258 (переуступлена фирме SMS Шлееманн-Симаг АГ) описывается литейная форма для непрерывного литья предварительных профилей для прокатки балок (балочные заготовки непрерывного литья), которые используются в комбинации с погруженной литейной трубой в участок стенки формы. Литейная форма независимо регулируется относительно высоты стенки, толщины стенки и толщины полки, обеспечивая возможность изменения всех трех размеров для получения заготовки балки, состоящей из стенки и двух полок. Литейная форма Хартманна также выполнена по конфигурации с расчетом содержать в зоне стенки расширенную дугообразную или выпученную зону впуска металла для возможности легкого введения расплава через литейную погружную трубу, погруженную ниже поверхности ванны, и для получения хорошего распределения литого металла в концевых зонах заготовки. Но взаимосвязи между толщиной стенки и шириной участков предшественников полок, отливаемых с помощью этой литейной формы, Хартманном не описано, и также не описано и не упоминается максимальная толщина стенки и/или полки или предшественника полки в поистине бесконечном числе изделий, для производства которых может быть использована эта литейная форма.

В ДЕ-АС 2218408, упомянутой Хартманном, описывается литейная форма, в которую подается расплавленная сталь в участок стенки литейной формы из промежуточного контейнера через погруженную литейную погружную трубу. Эта литейная форма может регулироваться для изменения толщины полок, но не для изменения ни высоты стенки, ни толщины стенки.

Другие специальные конфигурации литейных форм были описаны в аспекте, как необходимо управлять проблемами напряжения и растрескивания, которые встречаются в известных балочных заготовках. В патенте США " N 4565236, выданном 21 января 1986 г на имя Масуи, описывается как избежать трещин, которые образуются в местах угловых швов балочных заготовок между участками стенки и предшественника полки, путем использования полости литейной формы, имеющей конусность в своей стенной части в направлении литья и возможность изменения кривизны I/R изогнутых шонных частей полости литейной формы в направлении литья. Изменение кривизны производится в соответствии с величиной свободной усадки отвержденной оболочки непрерывной заготовки балочной заготовки. Масуи и др. показали, что их изобретение в частности имеет значение для литья балочных заготвоок большого размера или имеющих высоту стенки свыше 775 мм и требуется механизм для производства балочных заготовок высотой внутренней стенки больше 500 мм.

Непрерывное литье балочных заготвоок с фасонным поперечным сечением имеет коммерческое преимущество благодаря возможности производства серии балочных заготовок из одной или более плавок стали, подаваемых в течение такой длительности производства, которую выбирает производитель, без потребности в первой отлитой болванке, нагревании ее и последующей необходимой обработке этой квадратной болванки. В результате этого достигается экономия с точки зрения производства отливки, которая ближе к конечной требуемой конфигурации, чем достигается при другой заготовке в результате литья.

Также известно производство балочных заготовок путем непрерывной разливки металла в расплавленной форме в изложницу непрерывного литья, имеющую то, что может быть описано как фасонное поперчное сечение типа "собачьей кости", как разновидность поперечного сечения типа песочных часов. Конкретный пример из известной практики балочных заготовок с профилем типа "собачьей кости" путем непрерывного литья описан в патенте США на имя Лоренто N 4805685, выданном 21 февраля 1989 г. Балочные заготовки с профилем типа "собачьей кости" изготавливаются на промышленных установках с толщиной стенки не менее 4 дюймов и участками полок или предшественников полок значительно большего размера и толщины.

Все указанные способы имеют тот недостаток, что расширенные концевые участки балочной заготовки, участки предшественников полок по причине их увеличенной площади поперечного сечения относительно участка стенки балочной заготовки вместе с толстым участком стенки требуют экстенсивной горячей прокатки для получения конечной балки с требуемой структурой полок. Это значительно повышает сложность и общие затраты на производство балки, в частности энергетические затраты. Дополнительно высокой стоимости мощные горячие прокатные станы или клетки стана необходимы для достижения требуемых уменьшений расширенных концевых участков балочной заготовки, а также холодный прокатный стан или оборудование клети стана для отделочных операций (правка и разрезание на отрезки), которые требуют капиталовложения. Разные балочные заготовки, образованные непрерывным литьем, должны также подвергаться этим значительным уровням горячей обработки не для достижения конечных требуемых размеров балки, а для достижения необходимой металлургической структуры и свойств (включая кристаллизацию) металла, которые должны присутствовать в отделанном элементе конструкции.

В отношении лабораторных работ BISRA, например, установлено, что обжатие (уменьшение) в горячем состоянии по крайней мере 6:1 было необходимо для преобразования структуры балочной заготовки, как она была образована после литья, чтобы достигнуть конечного размера изделия и необходимых металлургических свойств. Для серии размеров отделанных двутавровых балок фактическое уменьшение было значительно выше, составляя в среднем примерно от 8:1 до 10,5:1 (см.табл.1).

Установка фирмы Алгома стил корпорейшн требовала эквивалентного уровня необходимой дальнейшей горячей обработки с уменьшением в диапазоне примерно от 6:1 до 17,5:1 (см.табл.2).

Аналогичным образом установка Кавасаки Мацушима требовала уменьшения горячей обработкой примерно от 9,5:1 до 18:1, чтобы достигнуть конечных двутавровых балок требуемого размера и необходимой металлургии (см.табл.3).

Хотя известные способы непрерывного литья объектов описывают разнообразие размеров балочных заготовок и их конфигураций, в них нет описания или упоминания в рассматриваемой области техники о международной или признанной взаимосвязи между любыми параметрами балочной заготовки, как она образована после непрерывного литья. В частности, отсутствует какое-либо упоминание или описание ограничения в отношении средней толщины участка стенки заготовки, средней толщины участков предшественников полок заготовок или любого ограничения, или соотношения между средней толщиной участков предшественников полок и средней толщиной стенки, или любой комбинации ограничений в отношении средней толщины стенки заготовки и средней толщины участков предшественников полок заготовки, или включающие соотношение между средней толщиной участков предшественников полок и средней толщиной стенки.

Балочные заготовки непрерывного литья известные из предшествующего уровня техники все имели участок стенки толщиной по крайней мере четыре дюйма безотносительно к тому, была ли общая форма заготовки рельсового типа в поперечном сечении, типа песочных часов в поперечном сечении или балочного типа в поперечном сечении. Эти заготовки имели также очень толстые участки предшественников полок. Массивность результирующей заготовки была в некоторой степени основной причиной для значительного дорогостоящего уменьшения горячей прокатной в поперечном сечении и модификации формы, которые предписывались предшествующим уровнем техники. Заготовка также представляла металлургию, как она образована после непрерывного литья, которая была неприемлема без существенной дальнейшей горячей обработки, которая в большинстве случаев могла выполняться до досчтижения требуемых конечных размеров элемента конструкции. Предохранение требуемых металлургических свойств в дальнейших операциях горячей прокатки для завершения обработки элемента, оказалось трудным в большинстве случаев, и невозможным во многих случаях.

Существующие балочные заготовки непрерывного литья и способы литья балочных заготовок были также ограничены известными операциями, необходимыми для осуществления операции литья.

Использование погруженной литейной трубки считалось необходимым, когда промышленные скорости непрерывной разливки и промышленное качество заготовок требовали отливок слябов тонкого сечения.

В силу пространственной связи в литейной формы непрерывного литья и высоких скоростей литья, необходимых и требуемых в промышленных операциях, были трудности в достижении постоянной управляемой скорости отверждения, когда производились тонкие сечения в операциях литья тонких слябов. Это часто приводило к продольным трещинам при литье определенных марок стали, которые представляли серьезные проблемы качества и целостности. Для устранения этого было предложено использование специально составленного литейного порошка (см. Х.Дж.Эренберг и др. Управление тонкими слябами на фирме Меннессманпрорен-Берке АГ, МРТ Интернейшнл, 12, 3/89, с. 52.

Известные способы затем предписывали использование и погруженного сливного носка для слива в секцию литейной формы и литейного порошка, в частности, когда требовалось тонкое сечение. Любая попытка использовать концепцию литья тонких слябов в связи с литьем балочных заготовок будет обязательно включать использование погружаемого носка для слива и литейного порошка.

Во всех известных балочных заготовках непрерывного литья толщина стенки по существу превышала три люйма, обычно превышая четыре дюйма. Участки "заушин" (или участки предшественников полок) этих заготовок были массивными по отношению к толщине стенки. Во время охлаждения и отверждения металла в течение непрерывного литья этих балочных заготовок известным в способом градиенты температур образуются в жидком металле. Эти градиенты содействуют образованию колонной структуры. Балочные заготовки в результате часто характеризовались микроструктурой, имеющей плоскости (поверхности) пониженной прочности по всему поперечному сечению, приводя к низким металлургическим свойствам, в частности пластичности и ударной вязкости.

Количество горячей обработки при использовании обычных прокатных способов с применением известного оборудования типа клети стана является также очень существенным, в среднем свыше 15 проходов, с доведением при необходимости до 32 проходов. Капитальные затраты на требуемое прокатное оборудование очень значительные, и необходимое время и расходуемая энергия для реализации большого числа проходов будет нелогичными. Достижение и сохранение требуемой металлургии через стадию прокатки усложняются. Ненужное и неуправляемое пере- или недоудлинение участка стенки заготовки часто испытываются и трудно точно предсказать это. Разрыв участков предшественников полок/полок балки является постоянной и значительной проблемой в результате продольного изгиба участка стенки. Ограничения в отношении точек слива и способов значительные: открытый слив должен осуществляться в зоне литейной формы, соответствующей примерно центру одной из массивных "заушин" известных структур заготовок.

Нет продвижения в раскрытии соотношения между толщиной стенки или полки в отлитой балочной заготовке и легкости достижения требуемых металлургических свойств в балочной заготовке или изделии и нет описания отношения толщины стенки к толщине участков предшественников полок балочной заготовки с управлением максимальной толщиной стенки или полки или без него.

В результате была необходимость в балочной заготовке, полученной непрерывным литьем, и в способе ее производства, которые:

1. Аппроксимируют конечную форму и конфигурацию балки или другой требуемой формы конструкции.

2. Сводят до минимума число проходов горячей прокатки или стадий, которые должны предприниматься для достижения требуемого конечного размера, что будет снижать капитальные затраты, необходимые для производства таких заготовок, и будут заметно снижать эксремальные энергетические затраты, которые свойственны способам предшествующего уровня техники.

3. Обеспечивают требуемые металлургические свойства при минимальном количестве возможных стадий прокатки и предохраняют эти свойства посредством минимальных стадий дополнительных прокаток, необходимых для достижения требуемого конечного размера, числа стадий, необходимых для достижения требуемых металлургических свойств, которое значительно меньше, чем число, требуемое при известных заготовках балок и способах их производства.

4. Не требуют использования средств погруженных носков для слива и использования литейных порошков.

5. Управляют соотношением между толщиной стенки и толщиной предщественников полок для осуществления управления в отношении требуемой обработки и снижения разрыва полок и нежелательного удлинения и/или продольного изгиба участков стенки и результирующей деформацией заготовки, а также обеспечения быстрого отверждения в форме с ее сопутствующими преимуществами металлургических свойств.

Нет балочной заготовки непрерывного литья или способа ее производства, которые обеспечивают указанную комбинацию минимальное число стадий прокатки отделанной формы и требуемой металлургии с ненужным удлинением или продольным изгибом стенки или разрывом полок; способность использовать способы/средства открытого слива и избегать обязательного использования средств погружения для осуществления литья и/или литейного порошка, даже когда требуются стенки тонкого поперечного сечения, и улучшенные металлургические характеристики, которые переносятся на отделанную балку и сохраняются путем управления рядом процессов горячей прокатки, необходимых для достижения конечных размеров и конфигурации изделия.

В соответствии с основной целью изобретения предусматривается создание балочной заготовки, как она образуется после непрерывного литья, которая может затем прокатываться для образования балки посредством сниженных серий операций горячей прокатки, требующих меньшего и менее дорогого прокатного оборудования по сравнению с традиционной практикой, при сопутствующей экономии времени процесса и затрачиваемой энергии при производстве таких отделанных изделий.

Другая цель изобретения состоит в создании балочной заготовки, как она образуется после непрерывного литья, в которой состав и микроструктура управляются для получения окончательно размерной балки, имеющей требуемые металлургические свойства при их производстве, по сравнению с балками, производимыми известными способами.

Согласно изобретению предусматривается балочная заготовка, как она образуется после непрерывного литья, содержащая участок стенки и множество противолежащих предшественников полок, выступающих из противоположных концов участка стенки. Участок стенки имеет среднюю толщину около 3 дюймов, каждый участок предшественника полки имеет среднюю толщину не более 3 дюймов. Дальнейший вариант модификации изобретения обеспечивает заготовку, в которой эти максимальные размеры стенки и полок обеспечиваются, отношение средней толщины участков предшественников полок к средней толщине участка стенки находится примерно между (0,5:1)-(2:1). Это позволяет выгодно снизить пропорциональное отношение уменьшения, необходимое для достижения требуемых механических свойств, обычно примерно до 3:1, одновременно устанавливая требуемые и необходимые металлургические свойства. Путем выбора и сохранения толщины стенки, толщины предшественника полки и предпочтительно пропорционального отношения толщины участков предшественников полок к толщине стенки обеспечивается выгодная микроструктура и балочной заготовки, и окончательной структуры отделанной балки.

Микроструктура, как она есть после непрерывной разливки, а также металлургические свойства значительно близки для достижения конечной формы, которая предпочитает для элементов конструкции при минимальном дальнейшем цикле горячих обработок. Фактически конечная микроструктура может достигаться из балочных заготвоок согласно изобретению по существу при том же количестве стадий горячей прокатки, которые требуются для достижения конечных размеров для данного изделия. Риск неблагоприятного изменения металлургических свойств отсутствует в результате потребности в нескольких дополнительных стадиях горячей прокатки для завершения размерности изделия, что является значительным усовершенствованием согласно изобретению по сравнению с предшествующим уровнем техники.

Участок стенки и участки предшественников полок могут каждый иметь толщину в диапазоне от 1-1/2 до 3 дюймов. Каждый участок предшественника полки балочной заготовки может быть по существу одной и той же толщины. Толщина участка стенки может быть больше, чем толщина каждого из участков предшественника полки, или альтернативно каждый из участков предшественника полки может иметь толщину больше, чем толщина участка стенки.

Два участка предшественников полки могут проходить от каждого конца участка стенки балочной заготовки, причем каждый предшественник полки имеет по существу параллельные боковые стороны. Боковые стороны участка стенки также могут быть параллельными. Два участка полки на каждом конце участка стенки могут быть разделены углом между их соответствующими продольными центровыми линиями в диапазоне от 30 до 180^о.

Термин "балочная заготовка" (как он здесь используется) означает непрерывную форму металла, как она отлита, содержащую участки стенки и предшественников полок, которая при подвергании последующим стадиям обработки будет обеспечивать образование окончательно размерной и заданной конфигурации балки.

Термин "балка почти чистой формы" (как здесь используется) означает непрерывную форму металла, как она отлита, содержащую участки стенки и предшественников полок, которая может быть преобразована в конечную размерную отделанную балку путем подвергания ее необходимой горячей обработке, включающей не более 15 стадий горячей прокатки в целом. В частности, этот термин означает такую непрерывную форму металла, в которой стенки и полки каждая имеют толщину в диапазоне от 1-1/2 до 3 дюйбов, каждая полка балочной заготовки имеют по существу одну и ту же толщину; две полки выступают из каждого конца участка стенки балочной заготовки, причем каждая полка имеет по существу параллельные боковые стороны; боковые стороны участка стенки могут также быть параллельными; две полки на каждом конце участка стенки разделены углом в диапазоне от 30 до 180^о.

Термин "как образовано после непрерывного литья" (как здесь используется) означает структуру, возникающую при охлаждении после непрерывного литья при отсутствии последующих операций горячей обработки. Это является структурой балочной заготовки непрерывного литья сразу после охлаждения и отверждения из операции непрерывного литья.

Балочные заготовки согласно изобретению обеспечивают требуемые металлургические свойства в отделанных балках в силу относительно быстрого и однородного отверждения в литейной форме и участка стенки и всех участков предшественников полок. Управляемая максимальная толщина и участка стенки, и участков предшественников полок дает возможность протекать относительно равномерной теплопередаче при стандартных промышленных условиях и скоростях непрерывного литья от всех участков заготовки по существу с одинаковой скоростью, что производит более тонкое зерно в металле. Быстрое отверждение предотвращает нежелательный рост зерна, общая конфигурация балки и размерность предотвращают укрупнение зерна во время обработки на последующих стадиях, что устраняет потери предела текучести и предела прочности и дает возможность сохранить ударную вязкость. Требуемая микроструктура возникает раньше в режиме горячей прокатки, чем при использовании известных балочных заготовок, обычно, когда осуществляется уменьшение около 3:1 (известные заготовки требовали уменьшения не менее чем 6:1 для достижения тех же металлургических свойств).

Также создают балочную заготовку, как она образована после непрерывного литья, содержащую участок стенки и множество противолежащих участков предшественников полок, выступающих из противоположных концов участка стенки, причем участок стенки имеет среднюю толщину около 3 дюймов, и каждый из участков предшественника полки имеет среднюю толщину примерно не больше 3 дюймов, при этом балочная заготовка отливается непрерывно из потока одного расплавленного металла, сливаемого в литейную форму балочной заготовки в местоположении, в литейной формы, в ее участке, который образует стенку этой заготовки смежно с одним из концов участка стенки. Пропорциональное отношение средней толщины участков предшественников полок к средней толщине участка стенки может быть примерно от 0,5:1 до 2:1.

Также создают согласно изобретению балочную заготовку, как она образована после непрерывного литья, содержащую участок стенки и множество противолежащих участков предшественников полок, выступающих из противоположных концов участка стенки, причем участок стенки имеет среднюю толщину не больше примерно 3 дюймов, и каждый из участков предшественников полок имеет среднюю толщину не больше примерно 3 дюймов, при этом балочная заготовка отливается непрерывно из двух отдельных одновременно сливаемых потоков расплавленного металла, и каждый поток открыто сливается в литейную форму в участок этой формы, который образует стенку заготовки, смежно с соответствующим одним из концов участка стенки. Снова пропорциональное отношение средней толщины участков предшественников полок к средней толщине участка стенки может быть примерно от 0,5:1 до 2:1.

Также предусмотрены некоторые усовершенствованные способы согласно изобретению для производства балочных заготовок, как они образуются после непрерывного литья. Во-первых, при способе непрерывного литья балочной заготовки заготовка содержит участок стенки и множество противолежащих участков предшественников полок, выступающих из противоположных концов участка стенки, и усовершенствование включает литье балочной заготовки из одного потока расплавленного металла, открыто сливаемого в литейную форму балочной заготовки в местоположении в литейной форме, в участке литейной формы, который образует стенку заготовки, смежно с одним из коцнов участка стенки, причем участок стенки имеет среднюю толщину не больше 3 дюймов.

Во-вторых, при способе непрерывного литья балочной заготовки заготовка содержит участок стенки и множество противолежащих участков предшественников полок, выступающих из противоположных концов участка стенки, и усовершенствование включает литье балочной заготовки из двух раздельных одновременно сливаемых потоков расплавленного металла, причем каждый поток сливается открыто в литейную форму балочной заготовки в местоположении в литейной форме, в участке формы, который образует стенку заготовки, смежно с соответствующим одним из концов участка стенки, причем участок стенки имеет среднюю толщину не больше 3 дюймов.

Участок стенки и полки балочных заготовок, как они образованы после непрерывного литья, согласно изобретению имеют кристаллическую зернистую структуру тонкого феррита и пирлита, по существу свободную от игольчатого феррита и зернистых граничных ферритовых пленок. Кристаллическая зернистая структура тонкого феррита и пирлита, по существу свободная от игольчатого феррита и зернистых граничных ферритовых пленок, предназначена для того, чтобы определить структуру, как она образовалась после непрерывного литья согласно изобретению, она классифицирована в соответствии с кристаллической структурой, показанной на фиг.2.

Эта структура характеризуется наружным быстро охлаждающимся участком в отливке болванки или блюма, согласно предшествующему уровню техники, в противоположность внутреннему участку, который является зернистой структурой, возникающей в известных балочных заготовках (см.фиг.3 и 4). Эти фигуры показывают традиционную, как образованную после непрерывного литья, микроструктуру игольчатого феррита, имеющую очень большой размер зерна, с зернистыми границами про-эвтектоидного феррита, который окружает прежние аустенитовые зерна.

Термин "по существу свободный" означает, что игольчатый феррит и перлит могут присутствовать в балочной заготовке, как она образовалась после непрерывного литья согласно изобретению, в незначительных количествах, не влияющих на ее свойства.

При использовании заготовки как исходной формы для прокатки элемента конструкции двутавровой балки необхоидмо дло 72 проходов через станы горячей прокатки для достижения требуемой металлургии, конечных размеров и конфигурации элемента конструкции. Если используется балочная заготовка непрерывного литья типа "собачьей кости" в качестве исходной формы, необходимо до 32 проходов. Требуемая металлургия обычно будет возникать примерно после 15 проходов через стан горячей прокатки, а остальные проходы необходимы, чтобы довести заготовку до конечных размеров и конфигурации. Однако заготовка типа "собачьей кости" остается уязвимой к трудностям удлинения при прокатке, что ведет к разрыву полок и/или переудлинению, или продольному прогибу стенки. Несколько проходов, необходимых в случае заготовки типа "собачьей кости", также требует тех же значительных капиталовложений и высоких энергетических затрат, которые характеризуют заготовки предшествующего уровня техники и способы их производства.

Однако в предлагаемой балочной заготовке требуемая конечная балка образуется при минимальном количестве проходов; обычно конечная отделанная форма достигается при не более 15 проходах горячей прокатки, минимальная обработка, необходимая для достижения требуемой металлургии, которая консистентна примерно с уменьшением 3:1. Аналогичным образом конфигурация балочной заготовки, согласно изобретению, благодаря ее более близкому приближению по форме к требуемой отделанной балке, чем заготовки предшествующего уровня техники, уменьшает напряжения и растяжения на металле во время прокатки, что уменьшает неровное удлинение полки/стенки, разрыв полок и продольный прогиб стенки.

Снижение числа проходов, необходимых для достижения требуемой конечной формы и металлургии, значительно снижает капитальные затраты, необходимые для реализации предложенного способа. Также значительно экономится энергия и благодаря уменьшению проходов способ заметно сокращается по времени, что увеличивает потенциальный вход/производительность заготовок при дальенйшем производстве до конечного целевого изделия без увеличения количества линий или оборудования непрерывной разливки.

Хотя изобретение оптимально предусматрвает использование способов открытого сливания расплавленного металла, наиболее предпочтительно использовать слой барьера/смазки из масла семян рапса или эквивалента, через который производится разливка; также предполагается, что факультативно могут также использоваться способы погруженной разливки, если предполагается использование литейного порошка, но эти способы не являются обязательными.

На фиг. 1 приведен схематичный вид поперечного сечения балочной заготовки, как она образована после непрерывного литья, согласно изобретению; на фиг. 2 микрофотография с 50-кратным увеличением кристаллической зернистой структуры тонкого феррита и пирлита, по существу свободной от игольчатго феррита и зернистых граничных ферритовых пленок, балочной заготовки, как она образована после непрерывного литья, согласно изобретению; на фиг. 3 микрофотография с 50-кратным увеличением традиционного блюма, как он был образован после непрерывного литья; на фиг. 4 микрофотография с 50-кратным увеличением четырехгранной заготовки (сутунки), как она была образована после непрерывного литья; на фиг. 5 серия гистограмм, сравнивающих величины ударной вязкости Чарпи в традиционной балочной заготовки с теми же величинами в предложенной балочной заготовке при разных указанных температурах; на фиг. 6 серия гистограмм, сравнивающих свойства растяжения традиционной балочной заготовки с предложенной балочной заготовкой.

На фиг. 1 схематично показана балочная заготовка 10, как она образована после непрерывного литья, представляющая вариант реализации изобретения. Балочная заготовка 10 имеет участок стенки 12 и противолежащие полки 14, 16, 18, 20, выступающие из противоположных концов ее. Полки, выступающие из каждого противоположного конца участка стенки 12 балочной заготовки, могут быть разделены углом между их соответствующими продольными центровыми линиями примерно между 30 и 180^о. Толщина стенки, толщина предшественников полок, пропорциональное отношение толщины стенки к толщине предшественников полок и угловое разделение предшественников фланцев сохраняются для обеспечения достаточно быстрого охлаждения в течение непрерывного литья балочной заготовки для достижения кристаллической зернистой структуры тонкого феррита и пирлита, по существу свободной от игольчатого феррита и зернистых граничных ферритовых пленок по всей площади поперечного сечения этих полок. В противном случае внутренние стороны или поверхности участка предшественника полки будут охлаждаться менее быстро, чем остальная часть балочной заготовки, что ведет к значительному присутствию кристаллической зернистой структуры, показанной на фиг. 3 и 4.

Как показано на фиг. 1, толщина А участка стенки может быть такой же, как толщина В и С полок 14, 16, 18 и 20. В этом варианте реализации толщина В и С этих полок по существу одинаковая с их сторонами В1, В2 и С1, С2, которые параллельны. При размерах и конфигурации балочной заготовки, как она образована после непрерывного литья, показанной на фиг.1, достаточно быстрое и равномерное охлаждение расплавленного металла во время непрерывной разливки может быть достигнуто для обеспечения образования требуемой кристаллической зернистой структуры тонкого феррита и пирлита, по существу свободной от игольчатого феррита и зернистых граничных ферритовых пленок по всему поперечному сечению балочной заготовки.

Как хорошо известно, в области непрерывного литья балочных заготовок используется со сквозным протоком охлаждаемая водой медная литейная форма для непрерывной разливки с внутренней конфигурацией, соответствующей конфигурации поперечного сечения требуемой конечной балочной заготовки. Из-за усадки расплавленного сплава во время охлаждения обычная практика состоит в выполнении литейной формы для непрерывного литья со стенками ее, постепенно наклоняющимися в направлении литья для компенсации расплавленного сплава по мере того, как он постепенно охлаждается и отвердевает во время прохода через литейную форму. Выходной конец литейной формы соответствует по существу требуемому размеру поперечного сечения и конфигурации конечной балочной заготовки, получаемой из литейной формы.

После окончательного охлаждения и отверждения балочной заготовки, как она образовалась после непрерывного литья (см.фиг.1), кристаллическая зернистая структура ее будет типично такой, как показано на микрофотографии (см.фиг.2). На фиг. 2 видно, что микроструктура является тонкой ферритовой и пирлитовой, по существу свободной от игольчатого феррита и зернистых граничных ферритовых пленок.

Экспериментальные балочные заготовки как они были образованы после непрерывного литья, согласно изобретению были изготовлены из стальных сплавов, приведенных в табл. 4.

Опыт 1 (см.фиг.4) состоял в изготовлении 56 образцов балочных заготовок, опыт 2 состял в изготовлении 72 образцов балочных заготовок, которые все имели аппроксимированную форму (фиг. 1). В опыте 1 толщина полки балочных заготовок, как они образованы после непрерывного литья, 2,5 дюйма, толщина стенки 2 дюйма. Ширина образцов примерно 3,7 дюйма. В опыте 2 толщина полки балочных заготовок, как они образованы после непрерывного литья, 3-1/2 дюйма (в среднем) и толщина стенки 4 дюйма. Образцы нагревали в печи, работающей на сжигании природного газа примерно до 2300^оФ для горячей прокатки, при отделочных температурах горячей прокатки образцов в диапазоне от 1960^оФ для образцов, прокатываемых до соотношений уменьшения от 1,7 до 2,5, до менее 1400^оФ для образцов, имеющих более высокие соотношения уменьшения, например 8,5. Качественный анализ образцов горячей прокатки не показал расщепления или разрыва кромок при хорошем общем внешнем виде образцов. Ширина образца была примерно 4 дюйма после прокатки при длине, пропорциональной уменьшению толщины.

Величины ударной вязкости Чарпи (см.фиг.5) и величины испытания на растяжение (см. фиг. 6) были определены для образцов опыта 1 в соответствии со стандартами А. ТМ-А673 и А.ТМ-370 соответственно и сравнивались с данными ударной вязкости и испытания на растяжение традиционного изделия из составов в опыте 2. Сравнения изображены в виде гистограмм на фиг.5 и 6. Как можно видеть из этих данных, образцы по изобретению показали механические свойства выше или равные традиционному изделию. Эти свойства достигались при пропорциях уменьшения во время горячей прокатки примерно 2 к 1, тогда как образцы, согласно предшествующему уровню техники, требовали пропорций уменьшения 6:1. Путем понижения пропорций уменьшения, необходимых для достижения требуемых механических свойств достигается экономия в затратах на обработку и прокатное оборудование.