способ производства арматурной стали

Формула изобретения

Способ производства низкоуглеродистой и низколегированной арматурной стали с пределом текучести 400 Н/мм² и выше, включающий горячую прокатку арматурной стали гладкого или периодического профиля, ее холодное упрочнение путем одновременного холодного деформирования знакопеременным изгибом и осевым растяжением посредством протяжки тянущим устройством через систему направляющих и изгибающих роликов, отличающийся тем, что для протяжки отбирают заготовки арматурной стали с пределом текучести до протяжки не менее 65% от предела текучести, регламентированного классом прочности стали, которому она соответствует после протяжки, при этом суммарное равномерное удлинение при холодном деформировании от растяжения и знакопеременного изгиба за каждую протяжку ограничивают величиной не более 15%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству арматурной стали повышенной прочности и пластичности из углеродистых низколегированных марок сталей.

В настоящее время главным направлением в железобетонном строительстве является переход на прочные стали классов А400С, А500С и А600С по СТО АСЧМ 7-93 или А500С/В500С по ГОСТ Р 52544-2006 с повышенными гарантированными характеристиками пластичности: полное равномерное удлинение при максимальной нагрузке Agt 2,5% из сталей с низким содержанием углерода (С 0,22%).

От значений механических характеристик арматурной стали во многом зависит безопасность зданий и сооружений и в целом эффективность их строительства и эксплуатации.

Безопасность любого здания при различных видах внешних силовых воздействий определяется возможностью пластического деформирования отдельных наиболее напряженных участков конструктивных элементов железобетона, что позволяет перераспределять усилия в них с сохранением несущей способности.

Здания и его элементы в экстремальных условиях могут сильно деформироваться, но не должны обрушаться вплоть до окончания эвакуации людей и, по возможности, вывоза дорогостоящего оборудования.

Поэтому при современном уровне строительства (повышенная этажность жилых и общественных зданий, усложненные конструктивные решения и технологические возможности) кроме высоких требований к прочностным свойствам современной арматурной стали предъявляются очень жесткие требования к ее пластическим свойствам.

Безопасное пластическое деформирование железобетонных конструкций и зданий в целом зависит во многом от диаграммы деформирования арматурной стали. Чем выше величина относительного равномерного удлинения арматурной стали, тем надежнее и безопаснее для конструкции сопротивление арматуры внешним нагрузкам. В этом случае уменьшение размеров сечения арматуры при растяжении будет сопровождаться ростом напряжений в арматуре (наклепом), что улучшит эксплуатационные характеристики железобетона в таких условиях, исключит лавинообразное (прогрессирующее) его разрушение.

Чтобы обеспечить такие эксплуатационные возможности железобетона в целом, необходимо иметь высокий ресурс относительного равномерного удлинения арматурной стали, величина которого должна гарантированно превышать хотя бы в 1,5-2 раза максимально возможную упругую деформацию бетона, значения которой не могут превышать 2,5%. После разрушения бетона арматурная сталь несет на себе всю прогрессивно возрастающую нагрузку.

Поэтому в Европейских стандартах на арматурную сталь (например, EN 10080 для класса В500В (аналог российского класса А500С) величина относительного удлинения при максимальной нагрузке (Agt) составляет min 5%.

Достижение одновременно высоких прочностных и пластических характеристик арматурной стали является очень сложной технологической задачей.

При горячей прокатке арматурной стали это сочетание достигается легированием, что значительно повышает ее стоимость по сравнению со стоимостью арматурной стали, изготавливаемой из низкоуглеродистых марок сталей с содержанием углерода (С 0,22%).

Существующие способы производства арматурной стали классов А400С, А500С и А600С из низколегированных марок сталей с содержанием углерода не более 0,22% с использованием холодной деформации не гарантируют стабильное получение высоких характеристик пластичности, таких как равномерное удлинение при максимальной нагрузке (Agt 5%).

Известен способ и устройство для холодного упрочнения арматурной стали для железобетона (см. патент Германии DE 4228105, 1994 г., C21D 7/10), включающий упрочнение в холодном состоянии горячекатаной арматурной стали периодического профиля путем одновременной деформации от растяжения и изгиба в паре гибочно-растяжных устройств, повернутых друг относительно друга на 90°. Способ обеспечивает получение высокого предела текучести за счет увеличения предельной степени деформации до 5-10%.

Недостатком данного способа является отсутствие в нем учета свойств исходной заготовки при назначении режимов деформирования для получения свойств готовой арматурной стали, из-за чего получение высоких значений предела текучести никак не гарантирует стабильного получения высоких значений равномерного относительного удлинения при максимальной нагрузке.

Деформирование в данном случае осуществляется без учета возможности максимального использования высокого ресурса пластичности, заложенного технологическими возможностями горячей прокатки низкоуглеродистых и низколегированных марок сталей.

Известен также «Способ изготовления низкоуглеродистой арматурной проволоки» (см. патент Р.Ф. RU № 2221654, В21В 1/18, 2004 г.), по которому горячекатаную заготовку в холодном состоянии в два прохода деформируют в двухвалковой системе калибров: в первом проходе со степенью деформации 28-32%, а во втором проходе со степенью деформации 30-35%.

Недостатком данного способа является отсутствие в способе учета свойств исходной заготовки при назначении режимов деформирования для получения готовой арматурной стали. Деформирование в данном случае проводится без учета возможности максимального использования ресурса пластичности, заложенного в технологических возможностях горячей прокатки низкоуглеродистых и низколегированных марок сталей. Поэтому данный способ не обеспечивает стабильного получения у готовой арматурной стали высоких значений равномерного относительного удлинения при максимальной нагрузке.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа изготовления арматурной стали методом холодного деформирования из низкоуглеродистых и низколегированных марок сталей, обеспечивающего стабильное равномерное относительное удлинение при максимальной нагрузке, гарантированной величиной не менее 2,5% при одновременном получении всех прочностных свойств арматурной стали, характерных для классов прочности А400С и выше.

Технический результат, получаемый в результате решения поставленной задачи, состоит в том, что благодаря условию предварительного выбора горячекатаной заготовки с пределом текучести не менее 65% от предела текучести, которому должна соответствовать в результате знакопеременной холодной деформации получаемая арматурная сталь, а также благодаря одновременному ограничению при этом величины суммарного равномерного удлинения от растяжения и знакопеременного деформирования за одну протяжку не более 15%, заявляемый способ позволяет стабильно получать из горячекатаной заготовки из низкоуглеродистых сталей (С 0,22%) и низколегированных марок сталей арматурные стали классов прочности А400С, А500С и А600С с повышенными характеристиками пластичности, в том числе с гарантированным полным равномерным удлинением при максимальной нагрузке, равным не менее 2,5%.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе производства арматурной стали с пределом текучести 400 Н/мм² и выше из низкоуглеродистых и низколегированных марок сталей арматурную сталь гладкого или периодического профиля, полученную горячей прокаткой, подвергают холодному упрочнению путем одновременного деформирования знакопеременным изгибом и осевым растяжением за счет протяжки с помощью тянущего устройства через систему направляющих и изгибающих роликов, при этом арматурную сталь до протяжки берут с пределом текучести не менее 65% от предела текучести, регламентированного в классе прочности арматурной стали, которому она должна соответствовать после протяжки, а суммарное равномерное удлинение при холодном деформировании от растяжения и знакопеременного изгиба за каждую протяжку ограничивают величиной не более 15%.

В заявляемом способе отличительными признаками являются предварительный отбор горячекатаной заготовки с пределом текучести не менее 65% от предела текучести, регламентируемого в классе прочности, которому она должна соответствовать после протяжки, и суммарное равномерное удлинение при холодном деформировании от растяжения и знакопеременного изгиба за каждую протяжку, которое ограничивают величиной не более 15%.

Прочностные свойства арматурной стали, получаемой знакопеременным холодным деформированием, в значительной степени зависят от исходных прочностных свойств горячекатаной заготовки и в первую очередь от величины предела текучести, поэтому в заявляемом способе опытным путем для каждого класса прочности была установлена минимальная величина предела текучести, которая должна составлять не менее 65% от предела текучести, определяющего класс прочности готовой арматурной стали. При этом также опытным путем было установлено, что если при исходном пределе текучести не менее 65% ограничить равномерное удлинение при холодном деформировании от растяжения и знакопеременного изгиба за одну протяжку величиной не более 15%, то в результате такой холодной деформации готовая арматурная сталь приобретает дополнительную способность к равномерному удлинению при максимальной нагрузке, которая гарантированно превышает 2,5%.

Заявляемые отличительные признаки в сочетании с известными проявляют новое техническое свойство, заключающееся в получении гарантированных прочностных и высокопластических свойств арматурной стали за счет подбора и контроля режимов деформирования и свойств исходной стали.

Пример выполнения способа

Горячей прокаткой получают катанку или арматурную сталь периодического профиля из низколегированных марок сталей, например из стали 18Г2С или 25Г2С по известным режимам прокатки. Так же могут быть использованы режимы термомеханического упрочнения стали из низкоуглеродистых марок, например Ст3пс,сп или Ст3Гпс,сп.

Затем арматурную сталь, полученную горячим способом прокатки, сматывают в мотки, остужают и перемещают на линии для холодного упрочнения. При этом для изготовления арматурной стали класса А400С отбирается заготовка с пределом текучести не ниже 260 Н/мм², для класса А500С - не ниже 325 Н/мм², а для класса А600С - не ниже 390 Н/мм².

Механическое (холодное) упрочнение металла осуществляют, например, в 2-плоскостном 6-роликовом устройстве. Устройство имеет по 3 ролика в каждой плоскости. Плоскости развернуты друг относительно друга примерно на 90°. В каждой плоскости имеется, по крайней мере, один изгибающий и два направляющих ролика.

Исходная сталь разматывается из бунтов и проходит через 2-плоскостное 6-роликовое устройство, где осуществляется ее знакопеременный изгиб и растяжение. Усилие, необходимое для осуществления этих операций, обеспечивается тянущим барабаном.

Необходимый угол изгиба протягиваемой арматурной стали и, как следствие этого, одновременно возникающее при этом растяжение от усилия протягивания в роликах обеспечивается взаимным расположением изгибающих и направляющих роликов в различных плоскостях устройства. Взаимное расположение роликов выбирается таким образом, чтобы при этом от усилия, необходимого для протягивания металла в роликах, в нем возникли напряжения, превышающие предел текучести. От такой схемы нагружения металл растягивается (удлиняется) равномерно в продольном направлении на определенную относительную величину.

Для контроля за формированием необходимого удлинения необходимо определить показатель относительного равномерного удлинения исходной стали в соответствии с ГОСТ 12004-81.

После определения показателя относительного равномерного удлинения взаимное расположение направляющих и изгибающих роликов в устройстве выбирается таким образом, чтобы относительное удлинение при протягивании арматурной стали в роликах не превышало величины 15%.

Величина относительного равномерного удлинения арматурной стали от знакопеременного изгиба и растяжения при протягивании через роликовое устройство определяет уровень упрочнения и остаточного относительного равномерного удлинения готовой арматурной стали после протягивания.

Ограничение предела текучести исходной стали величиной не менее 0,65 от величины того класса прочности стали, которому она должна соответствовать после протягивания, определяется необходимостью получения упрочнения до величины требуемого класса прочности. При меньших значениях предела текучести исходной стали упрочнение от продольной деформации не обеспечивает необходимого уровня прочностных свойств в арматурной стали после протяжки, в особенности предела текучести, по величине которого определяется класс прочности арматурной стали. Поэтому использовать исходную арматурную сталь с меньшим, чем предложено, уровнем предела текучести нецелесообразно.

Ограничение величины суммарного относительного равномерного удлинения от растяжения и знакопеременного изгиба протягиваемой стали не более 15% определяется необходимостью гарантированного обеспечения уровня пластичности готовой арматурной стали без локализации деформации, т.е. без образования шейки при гарантированном достижении величины относительного равномерного удлинения не менее 2,5%. Это величина является граничной для эффективной и безопасной эксплуатации арматурной стали в железобетонных конструкциях.

Использовать режимы для удлинения выше рекомендуемых нецелесообразно, т.к. это может привести к разрыву металла в процессе протяжки. Тем более, что при завышенных режимах исчерпание пластичности и разрыв металла может произойти и при эксплуатационных нагрузках в бетоне, чего нельзя допускать.

Рациональными при протяжке стали в роликах являются режимы, обеспечивающие относительное равномерное удлинение в интервале от 8% до 12%.