CC BY
63
В период охлаждения на воздухе В1 > 1, следовательно, по сечению образца существует градиент температуры.
Охлаждение образцов на воздухе представлено на рис. 3. Термопара установлена в центре образца.
300 900
1500 2100 2700 3300
Рис. 3. Изменение температуры образца при охлаждении на воздухе
При этих условиях данные, представленные на рис. 3, можно аппроксимировать зависимостью
0xyz ~ х p
х exp
FQ.
-exp
2 - F0у
exp
Fq.
где Fox, Foy, Foz - числа Фурье с характерными раз-
мерами
направлении осей x, y,
Fox, FOy
у
Foz - определяются по формуле: Fo = а ■ т/52, здесь а - коэффициент температуропроводности; т - вре-
мя; 5 - характерный размер в направлении осей х, у, г; 0 - безразмерная температура, определяется по
формуле 0 = — = -——
u U -L
здесь и, и0 - избыточная
температура; t - температура материала в текущий момент времени; ^ - начальная температура материала; иж - температура окружающей среды.
Получены экспериментальные зависимости температуры от времени прогрева в период запаривания силикатного кирпича в автоклаве и охлаждения его на воздухе. Установлено, что периоды запаривания и охлаждения силикатного кирпича осуществляют при значительном градиенте температуры по сечению заготовки. Результаты экспериментального исследования аппроксимированы зависимостью в функции от чисел Фурье с характерными размерами в направлении координатных осей.
Литература
1. Аметистов, Е.В. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: справ. / Е.В. Аметистов, В.А. Григорьев и др.; под общ. ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина. -М., 1982.
2. Кузнецов, Л.В. Декоративный силикатный кирпич с добавкой шлама кислородно-конвертерного производства / Л.В. Кузнецов, Т.Н. Меньшакова // Строительные материалы. - 2007. - № 10. - С. 18-19.
3. Теплотехнический справочник: в 2 т. / под общ. ред. В.Н. Юренева, П.Д. Лебедева. - 2-е изд., перераб. -М., 1976. - Т. 2.
4. Уонг, Х. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров: справ. / Х. Уонг. - М., 1979.
5. Шестаков, Н.И. Тепловые процессы в заготовке при изготовлении силикатного кирпича с добавками шлама / Н.И. Шестаков, Е.Л. Никонова, Т.Н. Меньшакова // Вестник Воронежского гос. техн. ун-та. - 2010. - Т. 6. - № 5. -С. 118-120.
2
2
4
4
p
p
2
2
p
p
УДК 621.778.04-426.3
М.В. Чукин, А.Г. Корчунов, В.Н. Лебедев, Г.Ш. Рубин, М.А. Полякова
ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА И РЕЗУЛЬТАТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОПРОЧНОЙ СТАБИЛИЗИРОВАННОЙ АРМАТУРЫ ДЛЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ШПАЛ*
В статье рассматриваются вопросы повышения результативности технологического процесса производства высокопрочной арматуры. Показана эффективность использования маршрута волочения с убывающими обжатиями для получения качественной продукции.
Высокопрочная арматура, результативность, показатели качества, волочение, механические свойства.
The article considers some factors of increasing the effectiveness of the technological process of high tensile reinforcement manufacture. The effectiveness of using the route of drawing with decreasing reduction for getting high quality production is shown.
High-strength reinforcement, effectiveness, quality index, drawing, mechanical properties.
Предстоящее расширение сети железных дорог в России и модернизация металлургических предприятий, удовлетворяющих потребности ОАО «Российские железные дороги» в современных материалах, предопределяет существенное повышение спроса на стальную арматуру, используемую при производстве железобетонных шпал, необходимых для строительства высокоскоростных и тяжело нагруженных магистралей. В настоящее время технологии производства железобетонных шпал и оборудование ориентированы на существенное сокращение металлоемкости конструкций, снижение трудоемкости и энергетических затрат за счет перехода к схемам укрупненного армирования (при армировании шпалы высокопрочной арматурой диаметром 10,0 мм используется 4 стержня, а в традиционной технологии - 44 проволоки диаметром 3,0 мм) и ужесточения требований к показателям качества арматуры [2].
Высокопрочная арматура для армирования железобетонных шпал должна отвечать следующим требованиям: обеспечивать совместно с бетоном надежную работу шпалы на весь период ее эксплуатации; иметь все необходимые эксплуатационные и технологические свойства, позволяющие применять современные индустриальные методы изготовления изделия: возможность механизации и автоматизации арматурных работ при изготовлении шпалы; обладать необходимым уровнем механических свойств, наиболее полно используемых при работе шпалы; обеспечивать надежность шпалы при кратковременных и длительных нагрузках, воздействии агрессивных сред и переменных температур. На высокопрочную стабилизированную арматуру периодического профиля диаметром 9,6 мм разработаны и действуют ТУ 0930-011-01115863-2008, в которых определены точность исполнения геометрических размеров профиля, механические и специальные свойства готовой продукции (рис. 1).
При производстве арматурных изделий высокого качества стремительными темпами в мире развиваются технологии, основанные на деформационном упрочнении в сочетании с финишной механотерми-ческой обработкой-отпуском при температуре 370420 °С под натяжением, разработанной фирмой "SOMERSET WIRE" (Великобритания). В зарубежной практике продукцию, полученную таким способом, называют релаксационно-стойкой, а в отечественной - стабилизированной (проволока, канаты и др.), а метод ее получения - стабилизацией [6].
ОАО «Магнитогорский метизно-калибровочный завод «ММК-МЕТИЗ» является единственным в России предприятием, производящим высокопрочную арматуру диаметром 9,6 мм. Отличительной особенностью принятого технологического процесса производства от традиционных схем получения высокопрочной проволоки является использование в качестве исходной заготовки подката диаметром 15,0 мм из легированной стали марки 80ХФЮ с повышенным содержанием углерода [3]. Сталь марки 80ХФЮ ранее не применялась для изготовления армирующих изделий и была освоена на ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» специально
для производства арматуры для железобетонных шпал нового поколения.
Номинальный диаметр d, мм Глубина вмятин a, мм Ширина вмятин b, мм Шаг вмятин t, мм Необжимаемые участки с, мм Угол наклона вмятин а, град Угол наклона стенки вмятин j, град
9,6 +°,21 -0,15 0,19 ± 0,03 3,5 ± 0,5 5,5 ± 0,5 Не более 2,0 45 ± 5 45 ± 5
П р и м е ч а н и е . Овальность профиля не должна превышать предельных отклонений по номинальному диаметру
Рис. 1. Общий вид высокопрочной арматуры для железобетонных шпал
Отсутствие отечественного опыта деформационной обработки в холодном состоянии подката диаметром более 10,0 мм из высокопрочных сталей и ограниченные возможности прямого использования и адаптации зарубежных разработок не позволили решать задачи выпуска данной продукции на основе использования традиционных подходов к определению технологических режимов, применяемых на заводе при изготовлении других видов армирующих материалов. Поэтому для разработки эффективного технологического процесса производства высокопрочной арматуры, обеспечивающего высокое качество готовой продукции, были использованы элементы системного анализа.
Качество исхода операции и алгоритм, обеспечивающий получение результатов, оцениваются по показателям качества операции, к которым относятся результативность, ресурсоемкость и оперативность [5]. Результативность Э операции обусловливается получаемым целевым эффектом, ради которого функционирует система. В ГОСТ Р ИСО 9000-2001 результативность определяется как степень выполнения запланированной деятельности и достижения запланированных результатов. Согласно данному определению, под результативностью технологического процесса следует понимать степень соответствия показателей качества выпускаемой продукции требованиям нормативно-технической документации. При этом максимально возможная результативность процесса составляет 100 %, что соответствует
полному обеспечению заданного уровня качества продукции.
Ресурсоемкость Я характеризуется ресурсами всех видов (людскими, материально-техническими, энергетическими, информационными, финансовыми и т.п.), используемыми для получения целевого эффекта. Оперативность О определяется расходом времени, необходимого для достижения цели операции.
В совокупности результативность, ресурсоем-кость и оперативность порождают комплексное свойство (эффективность процесса Уэф) - степень его приспособленности к достижению цели. Это свойство, присущее только операциям, проявляется при функционировании системы и зависит как от свойств самой системы, так и от внешней среды.
В соответствии с основными принципами управления качеством 1Б09000:2008, общий подход к достижению сформулированной цели можно представить в виде функциональной блок-схемы (рис. 2).
Рассматривая проблему совершенствования технологического процесса, необходимо, прежде всего, определить критерий «улучшения». Этот критерий должен адекватно отражать цели совершенствования и иметь количественное выражение. Последнее свойство обеспечивает сравнимость различных процессов. В ходе проведенных исследований установлено, что использование принципа исследования ка-
чества технологического процесса, основанного на выявлении функций процесса в целом и отдельных его операций в частности, является достаточно эффективным для различных видов метизной продукции.
Одной из основных технологических операций при производстве арматуры, в значительной степени определяющей ее качественные характеристики, является операция волочения. Как известно, пониженная пластичность проволоки больших диаметров при волочении зависит как от дефектности исходной катанки, так и от повышенной неравномерности напряженно-деформированного состояния по сечению материала при волочении [7], [9]. Следствием неоднородного напряженно-деформированного состояния является более низкий уровень релаксационной стойкости и циклической прочности арматуры, получаемой и на операциях стабилизации.
С увеличением диаметра проволоки условия деформации при волочении, а следовательно, и формирование свойств готовой продукции определяются строением очага деформации, обусловленным параметрами деформирующего инструмента и применяемыми деформационно-скоростными режимами обработки [1], [8].
Методы управления качеством
Технические
Технологические
Экономические
V
Организационные
Параметры управления процессами и параметры состояния заготовки в технологии производства арматуры
V
Групповые показатели качества высокопрочной арматуры
Чг
Механические свойства
Геометрические показатели
Специальные свойства
Социальные
Модель управления качеством высокопрочной арматуры на основе оценки результативности процесса
Инновационные
Параметры управления технологическим процессом и параметры состояния высокопрочной арматуры, обеспечивающие максимальное значение результативности процессов
Рис. 2. Функциональная блок-схема решения задачи, обеспечивающей повышение результативности технологического процесса производства арматуры
При многократном волочении подката больших диаметров определяющую роль в обеспечении высокого качества проволоки также вносит маршрут деформационной обработки. Однако все эти выводы и рекомендации носят качественный характер, касаются процессов многократного волочения высокоуглеродистой проволоки из патентированной или сорби-тизированной катанки диаметром 5,5-10,0 мм и требуют дополнительной адаптации при проектировании режимов деформации с учетом специфики обработки подката диаметром 15,0 мм из новой марки стали 80ХФЮ.
Резервом повышения эффективности проектирования режимов деформационной обработки подката больших диаметров является изучение напряженно-деформированного состояния материала в процессе волочения. По результатам моделирования в DEFORM 2D выполнена оценка степени равномерности напряженного состояния материала арматуры по действующим на заводе маршрутам волочения, спроектированным по принципу постоянных обжатий, с выпуклым распределением обжатий и убывающими по маршруту волочения единичными обжатиями. Установлено, что более равномерное напряженное состояние стали марки 80ХФЮ в процессе обработки исходного подката диаметром 15,0 мм на диаметр 9,8 мм, обеспечивает маршрут волочения, построенный по принципу убывающих единичных обжатий.
Разработанный в результате исследований маршрут волочения в опытном порядке был апробирован в условиях ОАО «ММК-МЕТИЗ». Исходный ускоренно-охлажденный прокат стали марки 80ХФЮ диаметром 15,0 мм производства ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (плавка № 450568) по химическому составу, механическим свойствам, микроструктуре, предельным отклонениям и качеству поверхности полностью соответствовал требованиям ТС 14-101-621. Подготовку поверхности исходного подката к холодной пластической обработке выполнили в соответствии с действующими на заводе технологическими инструкциями. Волочение подката на размер под профилирование осуществляли на прямоточном стане RI 120/8 по разработанному в ходе исследований маршруту деформационной обработки:
15,00-
23,1 %
->13,15-
19,1 %
11,83-
18,2 %
->10,70-
16,1 %
->9,8
Скорость волочения на последнем переходе составляла 1,0 м/с. Волочение вели с применением смазок ТЕСКОЬИВИЕ зарубежного производства.
По сравнению с ранее действующими режимами, внедрение усовершенствованных режимов деформационной обработки высокопрочной арматуры позволило снизить интервалы разброса показателей качества готовой продукции по временному сопротивле-
нию разрыву в 1,35 раза, по относительному удлинению - в 1,6 раза, по относительному сужению - в 1,9 раза (см. таблицу).
Результаты промышленного выпуска арматуры диаметром 9,6 мм из стали марки 80ХФЮ по разработанным режимам
Результаты статистической обработки Показатели качества
Временное сопротивление разрыву Ов, МПа Условный предел текучести 002, МПа Относительное удлинение 5, %
Среднее значение 1660 1510 5,60
Минимальное значение 1630 1490 5,20
Максимальное значение 1690 1540 6,00
Выборочная дисперсия 140,76 162,31 0,18
Стандартное отклонение 11,86 12,74 0,42
Коэффициент вариации 0,007 0,009 0,075
По результатам опытно-промышленной апробации было принято решение о внесении изменений в ТК ММК-МЕТИЗ - К.ПР-114-2008 и внедрении на ОАО «ММК-МЕТИЗ» разработанного режима деформационной обработки в массовое производство высокопрочной стабилизированной арматуры диаметром 9,6 мм по ТУ 0930-011-01115863-2008.
На рис. 3 представлен характер изменения показателей качества высокопрочной арматуры по технологическим переделам (средние значения по результатам обработки статистической информации за 2009-2010 гг.). Данные получены при переработке сортового проката диаметром 15,0 мм из стали марки 80ХФЮ со следующим комплексом показателей качества в состоянии поставки (средние значения): временное сопротивление разрыву ов = 1205 МПа, условный предел текучести о0 2 = 890 МПа, относительное удлинение 5 = 9 %, относительное сужение у = 31 %.
После внесения изменений в технологию производства были проведены сертификационные испытания качества высокопрочной арматуры во ВНИИЖТ (г. Москва). По заключению ВНИИЖТ, высокопрочная арматура диаметром 9,6 мм по всем показателям качества полностью соответствовала требованиям нормативно-технической документации и была рекомендована к использованию при армировании железобетонных шпал нового поколения для скоростных и тяжело нагруженных железных дорог.
Эксплуатационные испытания готовых шпал, армированных арматурой производства ОАО «ММК-МЕТИЗ», показали полное соответствие требованиям ОСТ 32.152-2000 и ТУ 5864-047-11337151 «Шпа-
лы железобетонные предварительно напряженные типа Ш 1-4Х10 для железных дорог колеи 1520 мм Российской Федерации». Результаты работы позволили наращивать заводу объемы производства высокопрочной стабилизированной арматуры диаметром 9,6 мм с заданным уровнем качества для армирования современных железобетонных шпал [4].
гичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения (договор 13.G25.31.0061), АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2013 годы)» (проект 2.1.2/9277), а также ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт П983).
□ - временное сопротивление разрыву П - условный предел текучести
Рис. 3. Динамика изменения показателей качества арматуры по операциям технологического процесса
Литература
1. Дзугутов, М.Я. Пластичность, ее прогнозирование и использование при ОМД / М.Я. Дзугутов. - М., 1984.
2. Звездов, А.И. 21 век - век бетона и железобетона / А.И. Звездов // Бетон и железобетон. - 2001. - № 1. - С. 46.
3. Лебедев, В.Н. Опыт освоения производства высокопрочной стабилизированной арматуры для железобетонных шпал нового поколения / В.Н. Лебедев // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. - 2010. - № 2. - С. 74-76.
4. Лебедев, В.Н. Развитие технологических процессов производства высокопрочной арматуры для железобетонных шпал современных магистралей / В.Н. Лебедев, Г.С. Гун, А.Г. Корчунов и др. // Тр. 8 Конгр. прокатчиков. -Магнитогорск. - 2010. - С. 324-331.
5. Лебедев, В.Н. Об особенностях построения системы менеджмента качества в ОАО «ММК-МЕТИЗ» / В.Н. Лебедев, А.Д. Носов, Е.П. Носков и др. // Производство конкурентоспособных метизов: сб. науч. тр. / под ред. А.Д. Носова. - Магнитогорск, 2006. - Вып. 1. - С. 4-7.
6. Михайлов, К.В. Задачи отечественной строительной науки в области арматуры и предварительно напряженных железобетонных конструкций / К.В. Михайлов // Бетон и железобетон. - 2004. - № 2. - С. 3-5.
7. Перлин, И.Л. Теория волочения / И.Л. Перлин. - М., 1971.
8. Пресняков, А.А. Очаг деформации при обработке металлов давлением / А.А. Пресняков. - Алма-Ата, 1988.
9. Семавина, А.Н. О природе масштабного эффекта в холоднотянутой стальной проволоке / А.Н. Семавина, В.Г. Гаврилюк, С.А. Терских // Физико-химическая механика материалов. - 1979. - № 2. - С. 24-28.
*Работа проведена в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехноло-
