CC BY
148
УДК 691.71.018.29
ДА. Молева, М.Ю. Белозор
ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ СТАЛЕЙ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ МОСТОВ
Для изготовления основных несущих элементов конструкций мостов применяют стали марок 15ХСНД, 10ХСНД, 16Г2АФ, 06Г2Б. Выполнен сравнительный анализ механических и химических характеристик сталей 15ХСНД, 10ХСНД, 16Г2АФ, 06Г2Б. Представлены результаты исследования влияния легирующих элементов на механические и технологические свойства рассматриваемых сталей. Обосновано применение вышеперечисленных сталей.
Сталь, элементы конструкций мостов, механические характеристики, пластичность, ударная вязкость, прочность, испытание.
Steel grades 15XCHfl, 10XCH^, 16r2A®, 06r2E are used for manufacturing the basic bearing elements of bridge structures. The comparative analysis of mechanical and chemical properties of steels is made. The result concerning the research of influence of alloys on the mechanical and technological properties of steel is presented in the article. Application of the above mentioned steel is based in the paper.
Steel, construction elements of bridges, mechanical characteristics, plasticity, impact strength, resistibility, testing.
Особые условия работы мостовых конструкций, подверженных вибрационным нагрузкам, требуют применения стали малочувствительной к концентрации напряжений, не склонной к старению после наклепа и имеющей достаточно низкую температуру перехода в хрупкое состояние. При выборе стали для сварных мостов к этим условиям добавляется требование хорошей свариваемости и достаточной вязкости металла около сварного шва. Для изготовления основных несущих элементов конструкций мостов (главные балки, плиты, элементы ферм, продольные и поперечные балки проезжей части, диафрагмы), а также элементы конструкций пилонов применяют стали 15ХСНД, 10ХСНД, 16Г2АФ, 06Г2Б [3].
Основными требованиями, предъявляемыми к несущим элементам конструкций мостов, являются: механические свойства на осевое растяжение, ударная вязкость при комнатной и отрицательной (до -600) температурах, твердость основного металла и металла шва, загиб сварных швов [2].
В лаборатории Череповецкого завода металлоконструкций проведены исследования механических и химических характеристик сталей 15ХСНД, 10ХСНД, 16Г2АФ, 06Г2Б.
Испытания на растяжение (ГОСТ 1497-84). На испытательной машине марки УММ-50 с растягивающим усилием 50 т испытанию подвергались плоские образцы. Испытание проводилось для определения механических характеристик металла и сварного шва (поперек шва). При испытании сварного шва разрыв должен происходить не в месте сварки, что свидетельствует о качестве соединения. На испытательной машине марки УММ-5 испытанию
подвергались цилиндрические образцы (гагаринские). Испытание проводится для определения механических характеристик металла и сварного шва (вдоль шва) [4].
Испытание на ударную вязкость (ГОСТ 945478). Под ударной вязкостью следует понимать работу удара, отнесенную к начальной площади поперечного сечения образца в месте концентратора.
^ ’
где К - работа, затраченная на ударный излом образца (фиксируется на шкале копра); ^ - площадь поперечного сечения образца в надрезе.
Ударная вязкость определялась на приборе - маятниковый копер (ГОСТ 10707-82) [4].
Испытание на твердость (Г0СТ-9012-59). Твердость определялась на приборе для измерения твердости, марка - ТШ-2. Прибор имеет шарик диаметром 5 мм, нагрузка - 750 кг. При определении твердости сварных швов производят отпечатки в зоне сварного шва и в околошовной зоне. На практике пользуются таблицей, в которой указаны значения твердости в зависимости от диаметра отпечатка. Диаметр отпечатка определяли с помощью микроскопа [4].
Испытание на изгиб сварных швов (ГОСТ-699666). Испытание на загиб сварных швов определяет качество сварного шва. Испытание проводят до появления первых трещин. Угол загиба характеризует качество сварки. Чем больше угол, тем сварка более качественная. Испытание на изгиб сварных швов проведен на универсальной испытательной машине марки УММ-50.
В табл. 1 представлены основные механические характеристики исследуемых сталей.
Таблица 1
Механические характеристики сталей
Марка стали Класс проч- ности Толщина металла От , МПа Ов , МПа s, % КС, Дж/см2 -40 °С
^СНД 390 30 400 555 30 30
^СНД 390 30 390 510 19 39
16Г2АФ 440 32 440 590 19 39
06Г2Б 440 8...50 440 - 22 43
Основными характеристиками для расчета строительных металлоконструкций являются: предел текучести, относительное удлинение и ударная вязкость. В связи с этим, данные характеристики были выбраны в качестве основных критериев сравнения рассматриваемых марок сталей.
Как видно из табл. 1, наибольшей прочностью обладают стали 16Г2АФ и 06Г2Б. При расчете и проектировании металлических конструкций наряду с прочностными характеристиками большое значение имеют пластичность и вязкость используемого металла.
На рис. 1 изображено распределение относительного удлинения по возрастанию.
На рис. 2 изображено распределение ударной вязкости по возрастанию.
На рис. 3 отображен химический состав иссле-
дуемых сталей.
Как видно из гистограмм, наибольшей пластич-
ностью обладают стали 15ХСНД и 06Г2Б, наибольшей ударной вязкостью обладают стали 06Г2Б и 16Г2АФ, 10ХСНД.
Из диаграммы видно, что сталь марки 06Г2Б содержит в 2 раза меньше углерода, чем остальные, что обуславливает высокие значения пластичности и ударной вязкости. Стали 06Г2Б и 16Г2АФ отличаются высоким содержанием марганца по сравнению с остальными сталями, что влияет на рост прочностных характеристик [1].
Для долговечности несущих элементов конструкций мостов большое значение имеет коррозионная стойкость стали. Введение в сталь небольшого количества (доли процента) хрома, никеля и меди повышает их коррозионную стойкость. Из гистограммы видно, что сталь марки 10ХСНД содержит наибольшее значение этих элементов по сравнению с остальными сталями.
Рис. 1. Распределение относительного удлинения по возрастанию
Марки стали
Рис. 2. Распределение ударной вязкости по возрастанию
ПМп ЕСГ амі
Рис. 3. Химический состав сталей, %
В табл. 2 представлено содержание серы в сталях.
Таблица 2
Содержание серы в сталях
Марка стали Содержание серы, %
15ХСНД 0,03
10ХСНД 0,03
16Г2АФ 0,02
06Г2Б 0,01
Сера является вредной примесью. Сера и ее соединения при комнатных и пониженных температурах способствует снижению ударной вязкости стали. Также сера снижает пластичность - 5, у %. Сернистые включения ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость. Из табл. 2 видно, что наименьшие значения серы содержится в стали 06Г2Б.
На основании проведенного анализа можно сделать следующие выводы:
1. Экономно легированная сталь повышенной прочности и хладостойкости 06Г2Б для металлоконструкций (в том числе мостовых) выгодно отличается от сталей, обычно применяемых в отечественных металлоконструкциях. Неоспоримым преимуществом стали 06Г2Б является низкое содержание примесей. За счет этого снижается склонность к образованию горячих трещин при сварке, повышается коррозионная стойкость и хладостойкость.
Сталь 06Г2Б является новой, и ее производство освоено лишь на двух предприятиях: ОАО «Металлургический комбинат «Азовсталь» и ОАО «Металлургический комбинат им. Ильича». Металл применялся для строительства некоторых ответственных сооружений, в том числе при строительстве моста через вход в Гавань в г. Киеве [3].
В связи с тем, что сталь является новой, оценить ее работоспособность в реальных условиях пока сложно. Данный продукт является дорогостоящим, так как в своем составе содержит ценные легирую-
щие элементы, такие как: ниобий, молибден, ванадий.
Таким образом, несмотря на высокие механические характеристики, сталь 06Г2Б не получила широкого распространения в силу дороговизны и недоступности.
Сталь марки 16Г2АФ. Результаты анализа свидетельствуют о большом запасе пластичности стали 16Г2АФ и об ее способности сопротивляться разрушению при больших сосредоточенных пластических деформациях. Однако имеются сведения, что для сварных конструкций, изготовленных из стали 16Г2АФ, был отмечен ряд нарушений нормальной эксплуатации вследствие их низкой сопротивляемости хрупким разрушениям [2, с. 17]. В связи с этим сталь марки 16Г2АФ не получила распространения для строительства несущих элементов конструкций мостов, и ее рекомендуется применять для металлоконструкций каркасов промышленных зданий (фермы, колонны и т. п.)
2. Стали марок 10ХСНД и 15ХСНД (ОАО «Северсталь») имеют предел текучести меньше, чем остальные рассматриваемые стали, но они имеют высокие характеристики пластичности и вязкости, что весьма важно при работе в условиях действия динамических и знакопеременных нагрузок. Сталь 10ХСНД имеет высокие характеристики ударной вязкости, что позволяет ей сопротивляться хрупкому разрушению. Поэтому конструкции из этой стали могут работать при температуре до -700. Таким образом, сталь 10ХСНД является наиболее перспективной для строительства несущих элементов конструкций мостов, к которым предъявляются требования повышенной прочности, коррозионной стойкости, малочувствительности к концентраторам напряжений, требование низкой температуры перехода в хрупкое состояние. Кроме того, данная сталь имеет меньшую стоимость по сравнению с ранее перечисленными, что является положительным моментом при обосновании выбора материала для изготовле-
ния металлических конструкций. Конструкции из стали 10ХСНД могут эксплуатироваться при температурах от -70 до +4500.
Литература
1. Гладштейн, Л.И. Высокопрочная строительная сталь / Л.И. Гладштейн, Д.А. Литвиненко. - М., 1972.
2. Иванайский, Е.А. Повышение хладостойкости сварных соединений мостовых конструкций из сталей
10ХСНДА и 15ХСНДА, микролегированных ниобием и ванадием, и разработка технологических основ выполнения монтажных швов / Е.А. Иванайский. - Барнаул, 1999.
3. Ковтуненко, В.А. Выбор стали для ответственных сварных строительных конструкций / В.А. Ковтуненко, А.М. Герасименко, А.А. Гоцуляк // Автоматическая сварка. - 2006. - № 11. - С. 33 - 36.
4. Материаловедение и технология металлов / под. ред. Г.П. Фетисова. - М., 2007.
УДК 621.746. 27
Д.В. Поселюжный, С.В. Лукин
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В ЗОНЕ ВТОРИЧНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ СЛЯБОВОЙ КРИВОЛИНЕЙНОЙ МАШИНЫ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК
В статье описаны методика проведения и результаты расчетно-экспериментальных исследований теплообмена в зоне вторичного охлаждения слябовой криволинейной машины непрерывного литья заготовок, основанные на измерении температуры и расхода паровоздушной смеси, удаляемой из бункера машины непрерывного литья заготовок, расходов и температуры охлаждающей воды, подаваемой на форсунки и ролики машины.
Машина непрерывного литья заготовок, вторичное охлаждение, паровоздушная смесь.
The paper presents the procedure and results of the calculating and experimental study of heat transfer in the secondary cooling zone of the slab curved continuous casting machine based on the measurement of the temperature and the flow rate of steam-and-air mixture removed from the bunker of the continuous casting machine, expenditures and temperatures of cooling water supplied to the nozzles and rolls of the machine.
Continuous casting machine, secondary cooling, steam-and-air mixture.
Интенсивность охлаждения сляба в зоне вторичного охлаждения (ЗВО) машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) в значительной степени влияет на эффективность работы самой МНЛЗ, а именно: на ее производительность, качество готового металла и срок службы оборудования МНЛЗ. В криволинейных слябовых МНЛЗ охлаждение сляба в ЗВО происходит за счет разбрызгивания водяными и водовоздушными форсунками охлаждающей воды на поверхность сляба, а также за счет контакта сляба с роликами, охлаждаемыми изнутри водой.
При разработке режимов охлаждения сляба на основе математического моделирования процесса затвердевания сляба часто используют зависимость коэффициента теплоотдачи на поверхности сляба от удельного расхода воды, подаваемой на поверхность сляба, в простейшем случае имеющую вид:
а = а0 + ц-^ (1)
где а - средний коэффициент теплоотдачи на поверхности сляба, отнесенный к разности температур поверхности сляба и охлаждающей воды; аз и т -эмпирические коэффициенты; g - удельный расход воды, отнесенный к единице площади поверхности сляба.
Недостаток выражения (1) состоит в том, что коэффициенты Оо и т не являются постоянными, а зависят от множества факторов: от типа форсунок и их
расположения относительно сляба, от геометрических размеров роликов, от температуры поверхности сляба, от толщины оболочки сляба (от которой зависит взаимодействие с роликами).
Вместо (1) более целесообразно использовать другую зависимость. В работах [2], [3] предложена зависимость для средней плотности теплового потока, отводимого от сляба тепла в зонах вторичного охлаждения следующего вида:
Ч = к • g + ?род,
где ч - средняя плотность теплового потока на поверхности сляба, кВт/м2; чрол - плотность теплового потока, отводимого роликами, кВт/м2; g - удельный расход воды, кг/(м2- с); к - коэффициент, определяемый выражением:
к = ^п0 (г + св (^нас — ^вод )) +
+ 0 — *п0 ) св ({сл — 'вод ) , (2)
где хп0 - доля воды, подаваемой из форсунок и превратившейся в пар; г = 2257 - теплота испарения воды при атмосферном давлении, кДж/кг; св = 4,19 -теплоемкость воды, кДж/(кг-К); /нас = 100°С - температура насыщения воды при атмосферном давлении; /вод - температура воды, подаваемой на форсунки;
