CC BY
195
УДК 621.771
Наливайко А.В., СтебловА.Б., Тулупов О.Н., Рычков С.С.
ИССЛЕДОВАНИЕ УРОВНЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АРМАТУРЫ КЛАССА А500С С ЦЕЛЬЮ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕХНОЛОГИИ НА ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА
ГУП «Литейно-прокатный завод» в г. Ярцево (Смоленская обл.) ориентирован на производство термически упрочнённого на класс прочности А500С арматурного проката номинальным диаметром 12-32 мм. Прокатка осуществляется на мелкосортном 18-клетьевом стане 280 конструкции ВНИИМЕТМАШ.
В 2009 г. (рис. 1) было прокатано и отгружено потребителям 165967 т строительной арматуры класса АШ(А400) по ГОСТ 5781-82 и класса А500С по СТОАСЧМ 7-93, в том числе номинальным диаметром 12 мм - 3478 т; 14 мм - 24941 т; 16 мм - 99129 т; 18 мм - 92425; 20 мм - 29611 т. Вся продукция прошла сертификацию в системе «Мосстройсертифика-ция». В январе 2010 г. завод освоил производство арматуры № 25 класса А500С по СТО АСЧМ 7-93.
Производство арматуры на заводе осуществляется методом горячей прокатки из низкоуглеродистой стали, по химическому составу аналогичной марке СтЗсп по ГОСТ 380, с последующим упрочнением на класс прочности А500С по СТО АСЧМ 7-93. Исждная квадратная заготовка сечением 125x125 мм длиной от 4000 до 12000 мм собственного производства разливается на 2-х ручьевой МНЛЗ радиального типа. Непрерывно-ли тая заготовка производится в соответствии с требованиями ТУ 0885-01-70067945-2007.
Особенностью производства арматуры является преимущественно горячий посад заготовки (около 80%) в нагревательную печь с шагающим подом. Производительность печи при горячем посаде - до 45 т/ч, при холодном посаде заготовок - 28 т/ч. Температура поверхности заготовки в момент посада в печь 700-850°С. Длительность нагрева заготовки при горячем посаде составляет 70 мин с темпом выдачи заготовок 140 с, при холодном посаде - 120 мине темпом выдачи заготовок 225 с.
После нагрева в печи заготовка со среднемассовой температурой 1050-1100°С прождит окалиноломатель и прокатывается в черновой группе стана. Черновая
12 14 16 18 20
Номер профиля Рис. 1. Производство арматуры класса прочности А500С в 2009 году
группа состоит из шести бесстанинных клетей, причем клети № 1, 3 и 5 снабжены рабочими валками с горизонтальной осью вращения валков, клети № 2, 4 и 6 -с вертикальной осью. Первые две клети имеют начальный диаметр бочки валка 560 мм, остальные клети -450 мм. Материал валков - сталь 150ХНМ. Скорость прокатки в первой клети - 0,1-0,17 м/с. Из клети № 6 раскат выходит со скоростью около 0,8 м/с.
После черновой группы расположены кривошипношатунные ножницы № 1, которые служат для обрезки переднего конца раската перед задачей его в клеть № 7 промежуточной группы или для аварийной порезки раската при аварийной остановке стана. Сечение раската после черновой группы - черновой круг диаметром 53-54 мм в зависимости от прокатываемого профилераз-мера, суммарный коэффициент вытяжки - около 7.
Далее раскат поступает в промежуточную группу в составе шести бесстанинных клетей с горизонтальным расположением валков диаметром 380 мм. После клетей № 7, 9 и 11 производится кантовка раската на 90° с помощью выводной кантующей роликовой арматуры. Из клети № 12 выходит черновой круглый раскат диаметром около 25 мм при прокатке арматурного проката номинальным диаметром от 12 до 20 мм или чистовой арматурный профиль диаметром 25 мм. Суммарный коэффициент вытяжки - 4,7. Скорость выжда раската из клети № 12 - 3,8 м/с. Материал валков чугун СШХН-41.
После промежуточной группы раскат проходит кривошипно-шатунные ножницы № 2 и петлеобразователь и поступает в чистовую группу клетей. Чистовая группа состоит из шести бесстанинных клетей с горизонтальным расположением валков диаметром 280 мм. Материал валков - чугун СПХН-65. Скорость выхода готового проката из чистовой группы в зависимости от диаметра готового проката составляет 6-14 м/с. Максимальный суммарный коэффициент вытяжки при прокатке арматуры номинальным диаметром 12 мм - 4,4. Вся арматура прокатывается в одну нитку. Средняя температура конца прокатки после клети № 18 около 1000°С.
Далее готовый прокат проходит через 12-секционную установку термоупрочнения проката общей длиной 25 мс расходом воды до 150 м3 /ч при давлении 1,6 МПа и поступает на барабанные делительные ножницы № 3, где осуществляется порезка проката на мерные длины 60-74 м. Температура профилей после установки термоупрочнения составляет 520-650°С для арматурных профилей номинальным диаметром 12-32 мм.
После охлаждения на реечном холодильнике раскат режется на мерные заказные длины на ножницах жлодной резки и поступает научасток пакетирования и упаковки готовой продукции.
Контроль механических свойств проката производится в лаборатории механических испытаний. Лаборатория оснащена необходимым современным испытательным оборудованием, в том числе разрывной машиной фирмы «2шск» с усилием разрыва 1200 кН.
Следует отметить, что в соответствии с действую -щей нормативной документацией для контроля механических свойств и проведения аттестации для отгрузки проката потребителям достаточно 2-3 пробы от плавки (партии). В период пуска и освоения технологии для набора данных и проведения сертификации продукции от каждой плавки отбиралось по 3 пробы для проведения механических испытаний, а на некоторых плавках и до 6-8 проб. Пробы отбирались случайным образом от раскатов прокатанных заготовок в начале, середине и в конце плавки. Учитывая, что масса заготовок одной плавки составляет 30-33 т и порезка непрерывно-литых заготовок на МНЛЗ осуществляется на длины, кратные мерным длинам готового проката заданного диаметра, каждая плавка состоит из 20-25 заготовок. После порезки на мерные длины (в основном 11700 мм) готовый прокат формируется в пакеты по 4,5 т. Всего в плавке получается 7-8 пакетов.
Отбор проб на механические испытания производится обычно от раскатов 1-3 заготовок - пакет № 1, затем от 12 или 15 заготовок - пакет № 4 и от 20 или 25 заготовок - пакет № 7. Проба длиной 1800 мм для проведения всего комплекса механических испытаний обычно отбирается от раската, соответствующего середине заготовки.
Проведённый статистический анализ данных о химическом составе каждой плавки и механических свойств освоенных профилей по сдаточным испытаниям за 2009 год подтвердил приемлемый уровень и стабильность свойств выпускаемой продукции. Всего в выборке генеральной совокупности данных было проанализировано 4074 данных партий по каждому показателю химического состава и механическихсвойств.
Распределение всех случайных величин в генеральной выборке соответствует нормальному закону. Средние значения основных химических элементов в стали, определяющие во многом уровень механическихсвойств арматуры класса прочности А500С, составляют: С = 0,181%; 81 = 0,198%; Мп = 0,607%; Сэкв = 0,337%, где СЭкв - углеродный эквивалент - характеристика стали, определяющая по массовой доли углерода и других элементов её склонность к структурным превращениям при нагреве и охлаждении изделия в зоне термического влияния [1]. Иными словами, Сэкв характеризует способность стали к свариваемости.
Углеродный эквивалент по каждой плавке определялся в соответствии СТО АСЧМ 7-93 по формуле Международного института сварки (МИС):
^ Мп Сг + Мо + У №+Си С_ = С +------+---------------+---------. (1)
5
15
Для свариваемого арматурного проката класса А500С углеродный эквивалент, рассчитанный по химическому составу ковшевой пробы, должен быть не более 0,50%, а по пробе с готового проката - не более
0,52%. Для класса прочности А600С - не более 0,65 и 0,67% соответственно. Следует заметить, что углеродный эквивалент также удобно использовать в качестве критерия оценки влияния комплекса химических элементов на прочностные и пластические свойства готового проката [2]. Например, в легированных сталях, в том числе для штампов горячего и холодного деформирования, углеродный эквивалент часто используется как комплексный критерий для прогноза прочностных характеристик стали перед и после термообработки готовых изделий.
В работах [1, 3] приведены различные формулы для расчёта Сэкв как для горячекатаной, так и термомеханически упрочнённой арматуры. В стандартах СНГ, международных, европейских стандартах чаще всего используется формула (1), но также применяют и другие формулы.
Например, по ГОСТ 5781:
С =€+^ + 11. экв 6 10
(2)
По ГОСТ 10884 для свариваемой стали Ат500С и по ДСТУ 3760-98 для стали, легированной кремнием:
С.„ =С+Мп + 81 пр. С„ > 0,4%. (3)
О /
ТУ 14-15-266-91 для арматурного проката из сталей 10, 15, 20 по ГОСТ 1050 регламентирует Сэкв< 0,65, определяемый по формуле
„ ^81 Мп+Сг №+Си
Сэкв = С + — +----------+---------. (4)
24 6 10
Стандартом США А 706/706М-92Ь для свариваемой арматуры из стали марки 60 из низколегированной стали используется формула
_ _ Мп Си N1 Сг
С = С +---------+ — + — + — +
экв 6 40 20 10
Мо V + —+ — при Сэкв < 0,55%. 50 10
(5)
В Японии для арматуры класса 8Б 50 по ЛЮ 3112 применяется формула:
С =С +
Мп
6
При
С < 0,65%.
(6)
Анализ вышеприведённых формул показал, что для арматуры класса прочности А500С при имеющемся распределении химических элементов в производимой на заводе стали, химический состав которой близок к химическому составу марки СтЗсп по ГОСТ 380, для оценки свариваемости и уровня механических свойств в качестве расчетного критерия лучше использовать ф-лу (1).
Для определения уровня механических свойств готовой арматуры был выполнен статистический анализ результатов испытаний арматуры номинальным диамет-
ром 14, 16 и 20 мм класса прочности А500С на выборке объемом 4032. Ниже приведены статистические оценочные параметры механических свойств и плавочного химического состава по объединённому массиву для всего сортамента (табп. 1 и 2).
Статистический анализ механических свойств (ст -физический предел текучести н/мм2; - временное
сопротивление Н/мм2; 55 - относительное удлинение после разрыва, %; 5п - относительное удлинение при максимальной нагрузке, %) и химического состава по отдельным выборкам для каждого из арматурных профилей не выявил статистически значимой разницы показателей качества. Уровень свойств практически одинаков на всех профилях и не зависит от диаметра готовой арматуры.
Одновременно были исследованы статистические распределения отношений химических элементов в виде [Мп]:[8], [Мп]:[81], [С]:10+[8], которые во многом определяют качество поверхности готового проката.
Природа дефектов на поверхности готового проката в виде раскатанных плён и трещин на низкоуглеродистых сталях описана в работах [4, 5]. В основном они связаны с технологией и степенью раскислен-ности стали, температурой и скоростью разливки, атакже с соблюдением интервалов изменения химических элементов в стали по известным соотношениям. В работе [4] данные соотношения были изучены с позиций образования твердых и легкоплавких включений при раскислении стали и вторичном окислении в процессе разливки. Особый интерес вызывают ис-следования сульфидных включений в непрерыв-но-литой заготовке от температурно-скоростного режима разливки. Наименьшая глубина раскатанно-го дефекта наблюдается на исследуемой стали при [Мп]:[81] > 3,0-3,5 и ([С]:10+[8]) < 0,03. Отношение [Мп]:[8] при этом должно быть не менее 25-30. Важным фактором возникновения разливочных дефектов на заготовке является жидкотекучесть стали при разливке. Жидкотекучесть и разливаемость стали зависит главным образом от концентрации кислорода в металле, технологии раскисления стали марганцем и кремнием, содержания кремния, алюминия и использования силикокальция.
Результаты статистических исследований данных плавок за 2009 год показывают, что вышерекомендуе-мые соотношения [Мп]:[8] > 25-30, [Мп]:[81] > 3,5 и ([С]:10+[8]) < 0,03 обеспечены соответственно только в 27,4; 10,5 и 11,2% случаев. Это может способствовать снижению качества поверхности арматуры и, возможно, нарушению сплошности металла арматурного проката при испытании на изгиб и/или изгиб с разгибом.
Далее был выполнен регрессионный анализ и получены адекватные регрессионные уравнения для расчета меха -нических свойств в зависимости от статистически значимых факторов. Уравнения ли-
нейного вида имеют достаточно высокие коэффициенты множественной корреляции. Ошибка уравнения регрессии о0Ш (это остаточное среднеквадратическое отклонение функции отклика) по каждому показателю небольшая (относительная ошибка уравнения регрессии для от - 2,8% от среднего значения; ов - 2,4% и для 55 - 6,5%), что позволяет выполнять статистиче-ский прогноз показателей качества - механических свойств готового проката по плавочному химическому составу ещё до прокатки и в зависимости от содержания значимых химических элементов дать рекомендацию по температурным режимам прокатки и водяного охлаждения при производстве определённо -го диаметра арматуры.
от = 484,7 + 193С + 124,181 + 54,9Мп + +132Сг + 574,5(С/10 + 8); (7)
Я = 0,67; о0Д = 17,8; ов = 519,6 + 470,2С+ 101,781 +
(8)
+47, 4Мп + 102,6Сг + 418,7(С/10 + 8);
Я = 0,69; о0Д = 16,2;
58 = 25,6 + 1,67С - 32,95Р -
8 (9)
-5,24Мп - 0,39У;
Я = 0,72; Оод = 1,4;
58 = 0,7 + 15,1С+ 4,0581 +5,0Мп -8 (10)
-10,9Сг + 1,1№ - 42Мо;
Я = 0,65; о0Д = 1,33.
Таблица 1
Статистические характеристики уровня механических свойств арматуры номинальным диаметром 14, 16 и 20 мм класса прочности А500С производства ГУП ЛПЗ, г. Ярцево
Параметр ат, Н/мм2 ав, Н/мм2 65, % бп, % ав/стт
Mин 521 598 14 2,6 1,05
Maкc 697 766 24 7,1 1,16
X 621 683 19 4,6 1,1
S, % 19,135 18,53 1,44 0,551 0,0121
V 0,031 0,027 0,077 0,119 0,01
R = Макс - Мин 176 168 10,5 4,5 0,09
Таблица 2
Статистические характеристики плавочного химического состава стали
Параметр Содержание химического элемента в стали, %
С Si Мп Р S Сг І\ІІ Си Мо V Сэкв
Мин 0,12 0,09 0,46 0,004 0,001 0,05 0,08 0,17 0,006 0,001 0,28
Макс 0,24 0,29 1,09 0,043 0,044 0,38 0,5 0,56 0,062 0,009 0,42
X 0,179 0,197 0,6 0,015 0,021 0,125 0,13 0,272 0,014 0,002 0,33
S 0,013 0,021 0,041 0,005 0,006 0,034 0,028 0,039 0,004 0,001 0,016
V 0,073 0,107 0,068 0,337 0,304 0,273 0,214 0,142 0,321 0,258 0,05
R = Макс - Мин 0,12 0,2 0,63 0,039 0,042 0,33 0,42 0,39 0,056 0,008 0,135
Коэффициенты множественной корреляции Я > 0,4 при доверительной вероятности Р > 0,95 удовлетворяют требованиям ОСТ 14-1-34-90 «Отраслевая система управления качеством в чёрной металлургии. Статистический контроль качества металлопродукции по корреляционной связи между параметрами». Проверка уравнений по Г и 1-критериям также подтверждает достоверность статистической связи между механическими свойствами и химическим составом стали. Однако следует заметить, что для более точного прогноза механических свойств следует продолжить статистические исследования на более значительном объёме информации и добиться значений Я > 0,85 по каждому показателю качества. В частности, расчётные коэффициенты эластичности, оценивающие вклад-степень влияния факторов уравнения регрессии на расчётный показатель качества в %, показывают, что в данных уравнениях регрессии суммарное влияние выбранных факторов составляет не более 42-47°%.
Очевиден факт, что достоверность уравнений регрессий будет значительно выше при введении новых, статистически значимых параметров технологии, например температуры конца прокатки, диаметра проката. Одновременно следует обратить внимание на довольно большие 8 - среднеквадратичные отклонения по механическим свойствам и всем химическим элементам. Отсюда следует сделать вывод, что необждимо откорректировать режимы внепечной обработки стали по достижению высокой однородности металла по химическому составу, использовать унифицированную марку стали для всех стандартов (ГОСТ Р 52544, СТОАСЧМ 7-93, ГОСТ 10884), уточнить температурно-скоростной режим прокатки и термоупрочнения по профилям с исследованием микроструктуры по сечению проката.
В процессе работы стана в январе 2010 г. также были проведены исследования по изучению внутри-плавочной неоднородности свойств проката. Для этой цели на арматуре № 25 кроме проб от середины заготовки отбиралась проба на последнем раскате той же заготовки. Всего были отобраны пробы от 22 плавок. Данные механических свойств для арматуры № 25 класса А500С приведены в табл. 3.
Из табл. 3 видно, что статистически значимой разницы между механическими свойствами от проб в
середине и в конце заготовки не наблюдается. Проверка дисперсий по Г -критерию это подтверждает.
Был выполнен анализ отклонений от номинальной массы 1 пм годной арматуры. Было установлено, что в основном арматура катается в плюсовом допуске от номинального диаметра. Фактические отклонения массы одного погонного метра составляют +1,5°% на профиле номинальным диаметром 14 мм, +1,15% - 16 мм и
0,78°% - 20 мм. В среднем по всему сортаменту произведённой в 2009 г. арматуры отклонение от номинала составило +0,0182 кг/м. В пересчёте на годовое производство 2009 г. это составляет 3021 т годного проката. На рис. 2 графически отображено отклонение от номинальной массы 1 пм для наиболее весомого в заводской программе производства арматуры класса прочности А500С диаметром 16 мм. Количество плавок, сданныхв поле минусового допуска, составило всего 13,8% с экономией 0,01 кг на погонный метр, а 86,2% плавок (85450 т) были отгружены с увеличенной массой погонного метра от номинала +0,023 кг.
Выводы
Уровень механических свойств подтверждает достаточную стабильность технологии выплавки стали в условиях ГУП «ЛПЗ». Прочностные и пластические характеристики производимой арматуры соответствуют требованиям сдаточных испытаний класса А 500С по СТОАСЧМ 7-93 и обеспечивают определенную однородность свойств с вероятностной надежностью Р> 95% во внутри- и межпартийных вы -борках.
Необходимо разработать скорректированные технологические решения по повышению однородности распределения химических элементов в плавке и между сериями разливаемых плавок, а также технологические режимы термической обработки арматурного проката в форсуночных секциях интенсивного водяного охлаждения в потоке производства. Это позволит повысить стабильность механических свойств и начать работу по созданию автоматизированной системы управления качеством продукции с переходом на аттестацию проката по корреляционной связи между параметрами (по ОСТ 141-34-90) на основании статистического прогноза свойств с отбором проб для механических испыта-
Таблица 3
Механические свойства по длине арматурного проката
Место отбора Значение СТт, Н/мм2 СТв, Н/мм 2 65, %
Среднее 578,5 685,9 16,1
Середина заготовки Минимум 509 615 12,8
Максимум 632 748 18,4
Макс-мин 123 133 5,6
Среднее 576,4 683,1 16,3
Конец заготовки Минимум 529 632 14,4
Максимум 630 736 18,5
Макс-мин 101 104 4,1
Максимальный разброс по заготовке 123 133 5,7
0,15 0,13 0,11 Ь 0,09 5= 0,07 00 0,05 £ 0,03 0,01 -0,01 -0,03 -0,05-*
*
, ' . г
І % -
нафтол*
.'"■н < -і '''*■? ^
А* .4 < >Г 1В
* 2500
з
Количество измерений Рис. 2. Отклонение массы 1 пм от номинального значения для арматуры класса А500С диаметром 16 мм производства ГУП ЛПЗ, г. Ярцево
Г2000
ний только от каждой 10-й плавки для набора мае -сива данных для проверки точности такого прогноза и корректировки, при необходимости, расчетного уравнения.
Список литературы
1. Дубина О.В. и др. Арматурный прокат для железобетонных конструкций: справочник-каталог. Днепропетровск: НИИМ, 2000. 88 с.
2. Совершенствование методики определения показателей формоизменения металла для управления качеством профи -лей при прокатке в калибрах / КинзинД.И., Левандовский С.А., Наливайко А.В., Завьялов КА. // Вестник МГТУ им Г.И. Носова. 2009. № 4. С. 54-57.
3. Мадагян С.А. Арматура железобетонных конструкций. М.: Воентехлит, 2000. 256 с.
4. Болотников С.А., Кузькина Н.Н., Мурзин И.С. Особенности технологии производства заготовок из низкоуглеродисгой стали на сортовой МНЛЗ // Металлург. 2007. 7. С. 59-62.
5. Чигринов М.Г., Чигринов А.М., Пруцков М.Е. Производство мелких непрерывнолитых заготовок. М.: «СП Ингермег инжи-ниринг», 1998. 127 с.
List of literature
1. Dubina O.V., Hudik U.T. (2000) Rolled rebar for reinforced steel structures (for structures made of reinforced steel): Reference book-catalogue. Dnepropetrovsk: SRIM. 88 p.
2. Kinzin D.I., Levandovskiy SA., Nalivaiko A.V., Zav'yalov K.A. (2009) Perfection of the method of determination metal deformation indexes for shape quality control at the section rolling // MSTU Bulletin No. 4. P. 54-57.
3. Madatyan S.A. (2000) Rebar for reinforced steel. Moscow. Voentechlit. 256 p.
4. Bolotnikov S.A., Kuzkina N.N., Murzin I.S. (2007) Special features of production technology of low-carbon steel billets on continuous casting machine // Metallurg No. 7. P. 59-62.
5. Chigrinov M.G., Chigrinov A.M., Prutskov M.E. (1998) Small section billet production. Moscow: «JV Intermet Engineering». 127 p.
