Оценка и управление технологическими процессами производства бунтовой арматурной стали Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

f \ ОЦЕНКА И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ

ПРОЦЕССАМИ ПРОИЗВОДСТВА БУНТОВОЙ АРМАТУРНОЙ

СТАЛИ

V___J

Аннотация. В статье рассмотрены вопросы оценки и выбора эффективных технологических схем изготовления бунтовой арматурной стали. Также приеден комплекс требований к арматуре, соответствующей современным мировым требованиям. Представлены различные варианты технологических схем изготовления бунтовой арматурной стали и дан их анализ с точки зрения возможности получения арматуры, соответствующей категориям пластичности «В» и «С» по Eurocode 2. Дана методика, позволяющая оценить эффективность различных технологий по показателям качества готовой продукции и характеристикам способа ОМД, лежащего в основе оцениваемых технологий.

Ключевые слова: арматурная сталь, выбор технологии, прочность пластичность, конкурентоспособность.

УДК 621.778.08

Харитонов В.А., Мелихова Н.В., Петров И.М.

Конкуренция на строительном рынке порождает необходимость снижения себестоимости и сокращения сроков строительства, для чего нужны эффективные строительные материалы, обеспечивающие надежность и долговечность сооружений. Особое место среди строительных материалов занимает арматурная сталь периодического профиля, которая является основным несущим элементом железобетонных конструкций, воспринимающим растягивающие напряжения. При этом арматурная сталь должна удовлетворять требованиям строителей как по сортаменту, так и по эксплуатационным характеристикам [1]. Именно арматурная сталь по своим физико-механическим и эксплуатационным признакам может оказать существенное позитивное влияние на основные признаки эффективности железобетона, а именно: металлоемкость, индустриаль-ность, долговечность и сейсмостойкость (безопасность).

Повышение эффективности отечественного строительства, надежности и безопасности эксплуатации строительных сооружений, снижение себестоимости железобетона, а также необходимость сближения эксплуатационных показателей отечественной арматурной стали с европейским уровнем предполагает производство и применение такой арматуры диаметром

до 18 мм в комплексе следующих категорий [2-5]:

1. Класс прочности 400, 500 и 600 Н/мм с возможностью его повышения при минимальных затратах.

2. Категории пластичности в соответствии с Eurocode 2 «Л», «В» и «С».

3. Способы упрочнения арматурной стали должны минимизировать применение операций термической обработки, в особенности для сейсмически стойкой арматуры категории пластичности «С». Предпочтительные способы: легирование, контролируемое охлаждение и отпуск, упрочнение в холодном состоянии горячекатаного проката с готовым периодическим профилем (малая степень деформации) и горячекатаного проката гладкого с нанесением периодического профиля (высокая степень деформации).

4. Поставка преимущественно в бухтах рядной смотки дифференцированной массы от 2 до 5 тонн, с очищенной от окалины поверхностью (для сварного механизированного производства).

5. В интервале диаметров от 4 до 10 мм номинальный размер должен производиться через 0,5 мм, в интервале размеров от 10 до 16(18) мм - через 1 мм в гарантированном минусовом поле допуска, предусматриваемом действующими нормативами.

6. Форма и параметры периодическо-

го профиля должны обеспечивать высокие показатели сцепления, формироваться предпочтительно при горячей прокатке и полностью обеспечивать эффективную механизированную высокопроизводительную переработку.

7. Технологическая свариваемость арматурной стали должна обеспечиваться не только низким содержанием углерода, но и содержанием необходимых для этого легирующих элементов, состав и доля которых могут определяться еще и способом упрочнения арматуры.

8. Арматурная сталь должна быть коррозионностойкой как минимум в сред-неагрессивных средах и морозоустойчивой до -50°С.

На сегодняшний день в Российской Федерации не производится арматура, соответствующая категориям пластичности «В» и «С». Это связано с отсутствием промышленных технологий, позволяющих получить требуемые свойства. Анализ современного состояния производства арматурной стали в России представлен в работе [6].

Принципиально можно выделить несколько различных вариантов технологических процессов изготовления бунтовой арматурной стали, в основе которых лежит либо горячая прокатка, либо ее сочетание с последующей холодной деформацией. В целом горячая деформация позволяет получить высокие пластические свойства и экономичное профилирование. В свою очередь, холодная деформация позволяет получить высокую прочность арматурной стали и использовать бухты рядной смотки.

В зависимости от используемой технологии применяются различные виды заготовок (например, по виду профиля -круглая заготовка или с нанесённым периодическим профилем, также заготовка может быть легированной, термоупроч-нённой и т.д.). При этом, управление качеством арматурной стали заключается в выборе определённой заготовки, определении необходимого уровня ее свойств и последовательности технологических операций, обеспечивающих требуемый уровень всех

показателей качества готовой продукции [6]. Далее приведена классификация принципиальных технологических схем изготовления бунтовой арматурной стали:

1. Так, например, можно выделить технологический процесс, основанный на горячей прокатке. В данном случае свойства арматурной стали формируются за счёт использования легированной заготовки (что увеличивает затраты) или термообработки (что создаёт неблагоприятное напряженно-деформированное состояние).

2. Арматура может быть изготовлена по следующей схеме: горячая прокатка заготовки круглого сечения (катанки) ^ холодная пластическая деформация (ХПД)^ профилирование ^ знакопеременная деформация ^ смотка готовой продукции. В данном случае можно выбрать различные варианты ХПД - волочение в монолитной волоке, волочение в роликовой волоке или холодная сортовая прокатка. Также можно использовать тёплую обработку металлов давлением. Данный технологический процесс можно реализовать также с использованием термоупрочнённой заготовки в том случае если нужно получить повышенную прочность или уменьшить количество операций ОМД при сохранении уровня прочности.

3. Другая принципиальная схема имеет вид: горячая прокатка заготовки круглого сечения и термомеханическое упрочнение заготовки ^ профилирование ^ знакопеременная деформация ^ смотка готовой продукции. При этом уменьшается доля операций ХПД, поскольку механические свойства формируются при производстве заготовки.

4. Также арматурную сталь можно получить комбинированием горячей прокатки со способом «Stretching»: горячая прокатка с нанесением периодического профиля ^ растяжение, совмещённое с изгибом ^ смотка готовой продукции. Данный способ позволяет получить профиль и пластические свойства арматурной стали, используя горячую прокатку, а непосредственно способ «Stretching» повышает прочностные свойства. Процесс го-

рячей прокатки в данном случае проще по сравнению с производством арматурной стали только с использованием горячей прокатки, т.к. не требуется легирование стали или её термоупрочнение. При этом, холодная деформация, используемая в способе «Stretching», менее энергозатратная, чем волочение.

Целью статьи является выбор эффективной технологии изготовления низкоуглеродистой бунтовой арматурной стали.

В работе [4] показаны различные возможные варианты технологий изготовления арматурной стали, в зависимости от требуемых пластических свойств арматурной стали и дан их качественный анализ.

Категория «А» (Agt > 2,5%) - холодная обработка горячекатаного гладкого проката с нанесением периодического профиля в потоке производства со степенью деформации более 20% (высокая степень деформации) с поставкой в бухтах или мерными стержнями.

Категория «В» (Agt > 5,0%) - горячая прокатка с последующим контролируемым охлаждением и отпуском в потоке прокатного стана, с поставкой в бухтах или мерными стержнями непосредственно со стана:

- горячая прокатка с последующим контролируемым охлаждением и отпуском в потоке прокатного стана, с поставкой в бухтах, и окончательная поставка мерными стержнями после выпрямления в холодном состоянии из бухтового проката;

- холодная обработка горячекатаного проката периодического профиля в потоке производства со степенью деформации менее 5% (малая степень деформации) с поставкой в бухтах или мерными стержнями.

Категория «С» (Agt > 7,5%) - горячая прокатка легированной стали без контролируемого охлаждения в потоке прокатного стана, с поставкой в бухтах и мерными стержнями:

- горячая прокатка легированной стали без контролируемого охлаждения в потоке прокатного стана, с поставкой в бухтах, и окончательная поставка мерными стержнями после выпрямления в холодном

состоянии из бухтового проката;

- холодная обработка горячекатаного бухтового проката периодического профиля, произведенного без контролируемого охлаждения в потоке прокатного стана со степенью деформации менее 5% (малая степень деформации), с окончательной поставкой в бухтах или мерными стержнями.

Такая оценка возможных способов производств для получения проката в каждой категории пластичности не является полностью однозначной [4].

Использование различных способов ОМД позволяет управлять как уровнем качества готовой арматурной стали, так и уровнем затрат на её производство.

Технологии упрочнения арматурного проката играют важную роль для обеспечения озвученного комплекса требований для получения класса прочности 500Н/мм2 и выше.

Влияние холодного упрочнения на комплекс свойств «прочность - пластичность» для углеродистых сталей неоднозначно. И зависит оно, прежде всего, от величины деформации и содержания углерода. В Европе применение холодной деформации для производства арматурного проката класса прочности 500 Н/мм делят на два варианта: применение большой и малой деформации. В России используется, в основном, упрочнение с большой степенью деформации.

Оптимальным по всем физико-механическим параметрам и экономическим затратам нанесение периодического профиля является только при горячей прокатке (получение полностью равновесной микроструктуры металла при хороших параметрах сцепления). Формирование бухты рядной смотки, отсутствие окалины и возможность изготовления промежуточных размеров при производстве холодно-деформированного проката уже давно и успешно могут обеспечиваться альтернативными технологиями значительно дешевле и с меньшими потерями для механических свойств готового проката [2].

Количественно оценить эффективность технологий предлагается по сле-

дующей зависимости [7]:

I = + а2 Е

где I - индекс, характеризующий уровень технологии; Q - показатель прогрессивности и качества продукции; Е - показатель прогрессивности технологических процессов; с, а2 - коэффициенты весомости указанных показателей.

Причём, (Хх+С2 = 1.

Сами индексы можно рассчитать по следующим зависимостям:

е = Ре& + Ре£г + - + Рвпап Е = Р*Ек + Ре 2 Е2 + ■ ■ ■ + ЕЕМт>

где е, е, ■.., е - частные показатели прогрессивности и качества продукции; Е, Е, ■ — 5 Ет - частные показатели прогрессивности применяемых технологических процессов; в^ - коэффициенты весомости, соответствующие частным показателям.

Данная методика позволяет ещё на предпроектной стадии оценить и выбирать наиболее рациональный способ производства, исходя из необходимого уровня свойств арматурной стали.

Далее представлен пример оценки уровня технологии по данной методике.

Для анализа были выбраны варианты технологий, в соответствии с приведённой выше классификацией.

1. Горячая прокатка. С использованием данной технологии производится арматура, например, по ГОСТ 5781-82.

2. Комбинирование горячей прокатки и ХПД (в качестве примера ХПД в данном случае рассматривается волочение). С использованием данной технологии производится арматура, например, по ГОСТ 6727-80 или ТУ 14-170-217-94.

3. Профилирование горячекатаной термоупрочненной заготовки. С использованием данной технологии производится арматура, например, по ГОСТ Р 52544-

2006, СТО АСЧМ 7-93 или ТУ 14-1-52542006.

4. Комбинирование горячей прокатки и способа «Stretching». С использованием данной технологии производится арматура, например, по EN 10080:2005.

В качестве эталонных показателей для продукции были выбраны следующие:

1. Предел текучести - 500 МПа.

2. Полное относительное удлинение при максимальном напряжении - 7,5%.

3. Критерий анкеровки - 0,045.

4. Использование рядной намотки при формировании бунта.

В табл. 1 приведены значения показателей качества из стандартов.

Таблица 1 Значения частных показателей качества

от Agt fR Ряд. намотка

Способ 1 500 - - 1

Способ 2 500 2,5 0,045 1

Способ 3 390 - - 0

Способ 4 600 7,5 0,040 1

« -» - показатель не регламентируется в стандарте.

В табл. 2 представлены значения показателей качества в кодированном виде.

Таблица 2 Кодированные значения частных показателей качества

от Agt fR Ряд. намотка

Способ 1 0,83 0,00 0,00 1,00

Способ 2 0,83 0,04 1,00 1,00

Способ 3 0,65 0,00 0,00 0,00

Способ 4 1,00 1,00 0,89 1,00

В табл. 3 приведены коэффициенты весомости для данных показателей качества.

Таблица 3 Значения коэффициентов весомости

Показатель качества от Agt fR Ряд. намотка

Весомость 0,25 0,40 0,20 0,15

Итоговое значение показателя Q для каждой из рассматриваемых технологий представлено в табл. 4.

Таблица 4 Итоговое значение показателя Q

Технология б Технология б

Способ 1 0,36 Способ 3 0,16

Способ 2 0,69 Способ 4 0,98

Для оценки прогрессивности технологических процессов были выбраны следующие показатели: способ профилирования, сложность инструмента, количество операций. Значение показателей представлено в табл. 5.

Таблица 5 Значения частных показателей прогрессивности технологических процессов

Способ профилирования Сложность инструмента Количество операций

Способ 1 0,5 1,0 0,60

Способ 2 0,5 0,4 0,75

Способ 3 1,0 1,0 1,00

Способ 4 1,0 0,8 1,00

Всем представленным показателям были присвоены значения коэффициентов весомости 0,33. В табл. 6 приведены итоговые значения показателя Е.

Таблица 6 Итоговое значение показателя Е

Технология Е Технология Е

Способ 1 0,70 Способ 3 1,00

Способ 2 0,55 Способ 4 0,93

Для нахождения показателя I значения коэффициентов весомости а были приняты равными 0,5. Итоговое значение представлено в табл. 7.

Таблица 7 Итоговое значение показателя I

Технология I Технология I

Способ 1 0,53 Способ 3 0,58

Способ 2 0,62 Способ 4 0,95

Как видно из табл. 7, наибольшее значение показателя I имеет способ «Stretching», его использование позволит получить арматурную сталь, соответствующую категориям пластичности «В» и «С» в соответствии с Eurocode 2. Следует заметить, что данная технология совмещает достоинства горячей прокатки (формирование размера, периодического профиля и обеспечивает высокий запас пластичности) и ХПД - растяжения, совмещённого с изгибом (повышение прочности при минимальной потере пластичности за счёт равномерности деформации), а также позволяет использовать рядную намотку. Прочие технологии имеют меньшие значения показателя I из-за более низкого уровня получаемых свойств арматурной стали и невозможности получения высокопластичной арматурной стали. Улучшить данные технологии можно используя другие способы ОМД - волочение в роликовой волоке, холодную и тёплую прокатку.

Данный расчёт показывает сравнительный анализ уровня рассматриваемых технологий. Но также можно провести анализ технологий с точки зрения возможности получения определённых свойств арматурной стали. Это можно сделать, если для расчёта использовать свёртку показателей не по формуле взвешенной средней арифметической, а по формуле взвешенной средней геометрической. При этом оценка обращается в 0, если хотя бы одна из частных оценок равна 0 - таким образом реализуется так называемое свойство «вето», присущее отдельным свойствам.

I = Qa Ea2,

Q = П Q"Ql

i=1 m

E = П EfEi

При использовании данных зависимостей для расчёта показателя I для возможности получения арматуры категории пластичности «С» в соответствии с Eurocode 2 были получены следующие результаты, представленные в табл. 8. При этом были использованные данные из таблиц 1 -6, с тем лишь отличием, что для способов 1 -3 кодированное значение Agt было принято равным 0.

Таблица 8 Итоговое значение показателя I

Технология I Технология I

Способ 1 0,00 Способ 3 0,00

Способ 2 0,00 Способ 4 0,95

Как видно из таблицы 8, из рассматриваемых способов обеспечить пластичность, соответствующую категории «С» по Eurocode 2 способен только способ, совмещающий горячую прокатку и «Stretch-ing». Следует отметить, что остальные рассматриваемые способы способны устойчиво обеспечить пластические свойства, соответствующие категории «А» по

Eurocode 2, а для достижения пластичности, соответствующей категории «В» необходимо улучшить технологии, используя другие способы ОМД, например, теплую прокатку.

Список литературы

1. Бондаренко В.И. Проблемы производства и применения холоднодеформированной арматуры // Метизы. 2009. №1. С. 10-12.

2. Дорохин П.С., Харитонов В.А. Прогресс в структуре потребления арматурного проката диаметром до 18 мм неизбежен // Стройметалл. 2012. №3. С. 14-23.

3. Михайлов К.В. Задачи отечественной строительной науки в области арматуры и предварительно напряженных железобетонных конструкций // Бетон и железобетон. 2001. №3. С. 2-3.

4. Взгляд в будущее / Снимщиков С.В., Харитонов В.А., Суриков И.Н., Аникеев В.В. // Стройметалл. 2013. №5. С. 7-13.

5. Харитонов В.А., Петров И.М. Оценка и направления повышения конкурентоспособности бунтовой арматурной стали // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2013. №4. С. 65-69.

6. Харитонов В.А., Петров И.М. Современное состояние и направления развития технологических процессов производства бунтовой арматурной стали повышенной пластичности // Производство проката. 2014. №1. С. 28-32.

7. Харитонов В.А., Петров И.М. Методика выбора конкурентоспособных технологических процессов // Моделирование и развитие процессов обработки металлов давлением. - Магнитогорск: Изд. Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И.Носова, 2013. С. 183-190.

i=1

УДК 620.22-419.8-036.6/.8:[658.567.1:628.4-405] Кр емнева А.В., Коляда Л.Г.

ПОЛУЧЕНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЯ ПОЛИМЕРНО-БУМАЖНЫХ КОМПОЗИТОВ ИЗ ОТХОДОВ УПАКОВКИ НА РАССЛАИВАНИЕ И РАСТЯЖЕНИЕ

Аннотация. В работе получены различные поЛимерно-бумажные композиты из отходов упаковки, а также проведен анализ зависимости варьируемых технологических факторов на прочностные свойства композитов. Анализ полученных результатов показал, что с увеличением содержания полимерной фракции масса 1 м2 композита растет; введение в полимерно-бумажную суспензию поливинилацетатного клея (ПВА) приводит к увеличению массы 1 м2 и предела прочности при расслаивании. По данным реализованного полного факторно-