CC BY
47
УДК 621.778
СТРАТЕГИЯ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДСТВА АРМАТУРНОЙ ПРОВОЛОКИ КЛАССА 500 В УСЛОВИЯХ ОАО «ММК-МЕТИЗ»
М.В. Зайцева, Э.П. Дрягун
Представлены основные направления развития производства арматуры для ненапрягаемого железобетона класса 500 из низкоуглеродистых марок стали. Проведен анализ эксплуатационных характеристик металлоизделий и изменения механических свойств арматуры после старения. Рассмотрены способы повышения пластических показателей качества арматуры при изменении химического состава стали и при применении современных деформационных способов воздействия типа «stretching»-процесса.
Ключевые слова: арматурная проволока, полное равномерное удлинение, старение, микролегирование, свариваемость, ««stretching»-процесс.
В настоящее время основным классом прочности в массовом сегменте потребления ненапряженного железобетона является класс прочности 500 (минимальное значение предела текучести должно быть не менее 500 Н/мм2). Современные тенденции в развития строительной отрасли заключаются в применении арматуры среднего уровня прочности наряду с высоким уровнем пластичности при гарантированном уровне эксплуатационных свойств. Обращаясь к истории освоения арматурного проката данного класса прочности из низкоуглеродистых марок стали, можно отметить две основные технологические схемы его производства: термомеханическое упрочнение проката в потоке прокатного стана и способ холодной деформации горячекатаного проката на волочильных станах.
Основополагающим нормативным документом для арматуры класса 500 долгое время являлся стандарт Ассоциации «Черметстандарт» СТО АСЧМ 7-93, однако с выходом в 2006 году ГОСТ Р 52544 «Прокат арматурный свариваемый периодического профиля классов А500с и В500С для армирования железобетонных конструкций», производители перешли на производство по требованиям указанного ГОСТа.
Каждая из вышеперечисленных технологических схем была разработана на основе и с учетом ранее применяемых технологий. Так, для производителей горячекатаного проката переход с класса 400 на класс 500 был основан на технологии термомеханического упрочнения (TMT или Q&ST), и явился причиной изменения не только класса, но и марочного сортамента сталей [1]. По ГОСТ 5781 класс 400 изготавливался из качественных легированных стали марок 18Г2С, 20Г2С и 25Г2С, а закалка в потоке сортового стана проводится на низколегированных сталях рядовых марок по ГОСТ 380 (Ст1сп/пс), Ст3сп/пс). Данный факт не влияет на механические свойства арматуры, но существенно изменяет эксплуатационные свойства арматуры.
При этом, для производителей арматурной проволоки марочный состав сталей практически остался неизменным: массовое изготовление проволоки класса Вр-1 по ГОСТ 6727 из рядовых марок стали по ГОСТ 380 было заменено на проволоку класса В500С (ГОСТ 52544) или А500С (СТО АСЧМ 7-93) из тех же низкоуглеродистых марок стали, но с особыми требованиями к заготовке по виду и равномерности микроструктуры, а также химическому составу стали, в связи с большим разбросом свойств исходной горячекатаной заготовки. Выход на более высокий класс прочности обеспечивался применением малых деформаций и использованием качественного формообразующего инструмента, формирующего профиль готовой арматуры. У каждого предприятия существовали и действуют по сегодняшний день свои «тонкости» данной технологии, в основном это связано с уточнением входного диаметра исходной заготовки, внедрением в состав стали химических элементов, отсутствующих в требованиях ГОСТ 380 «Сталь углеродистая обыкновенного качества», или применением каких-либо финишных операций, направленных на улучшение показателей качества.
Для ОАО «ММК-МЕТИЗ» производство арматурной проволоки класса 500 явилось «знаковым» продуктом. С 2006 года было освоено и сертифицировано в различных системах сертификации (ГОСТ Р, Мос-стройсертификация и др.) четыре типоразмера проволоки: 6,0, 8,0, 10,0, 12,0 мм. В общем виде технология изготовления холоднодеформированной арматуры класса 500 по ГОСТ 52544 заключается в использовании однократного волочения в роликовых волоках со степенью деформации не более 20%. Химический состав стали марок Ст1сп и СтЗсп регламентирован внутренними техническими условиями. Качество заготовки обеспечивается нормированием вида микроструктуры.
В 2016 году по инициативе АО «НИЦ «Строительство» и ФГУП «ЦНИИЧермет им.И.П.Бардина» началась разработка единого межгосударственного стандарта с целью объединения всех действующих на территории России стандартов на арматурный прокат и повышения требований к арматуре класса 500 до уровня европейской нормативной документации.
Основным отличием нового стандарта от используемых, и его новаторской идеей, стало широкое введение показателей отвечающих за эксплуатационные характеристики арматуры. Обычный набор сдаточных характеристик металлоизделий содержит нормируемые уровни прочности, пластичности и геометрические параметры. Для арматуры в первую очередь определяют качество эксплуатационные характеристики, представленные в табл. 1, в силу специфики её использования связанной с безопасностью людей и сооружений, с учетом совместной «работы» металла с бетоном.
Отдельной строкой в новом ГОСТ 34028 «Прокат арматурный для железобетонных конструкций. Технические условия» предусмотрено испытание на эксплуатационную выносливость арматуры, т. е. испытание механических свойств арматуры после старения стали — специальной
операции нагрева образцов арматуры до 100°С, последующей выдержке при установившейся температуре в течение 60 минут, и охлаждении на воздухе при температуре 20°С. Данное термическое воздействие на металл имитирует длительную эксплуатацию арматуры, и, согласно литературным данным, после проведения процедуры старения увеличиваются твердость и прочность металла, но при этом снижаются вязкость и пластичность, однако эти значения должны сохраняться на протяжении всего срока работы арматуры в железобетонной конструкции [3].
Таблица 1
Эксплуатационные характеристики арматуры и возможные способы их испытаний
Эксплуатационный показатель качества Вид испытания
Трещиностойкость при электродуговой и контактно-точечной сварке крестовых соединений без ограничения по климатическим зонам, включая зоны Крайнего Севера Металлографический анализ зоны сварного шва с целью выявления дефектов соединения
Стойкость к разупрочнению зоны термического влияния при контактно-стыковой и ванной сварке из-за сварочного перегрева Контролируемая свариваемость, характеризующаяся не только ограничением содержания углерода в стали, но и определяемая механическими испытаниями на разрыв сварочного шва и наплавленного металла
Стойкость против коррозионного растрескивания в кислых агрессивных средах и в условиях водородной деполяризации Оценка длительной прочности способом длительных испытаний на растяжение в агрессивной среде (тиоцианат и проч.)
Огнестойкость и огнесохранность при пожарах и температурных воздействиях до 650°С Определение потери механических свойств, определяемых при осевом растяжении и сжатии, после огневого воздействия, уровень целостности конструкции
Хладостойкость против разрушений на ударный изгиб до (-60°С) Оценка локальной хрупкости, определяемая ударной вязкостью или уровнем равномерного относительного полного удлинения
Циклическая стойкость против воздействия знакопеременных нагрузок Оценка динамической прочности при растяжении при многократно повторяющихся нагрузках
На ОАО «ММК-МЕТИЗ» были проведены серии опытов по сравнению механических свойств арматуры, испытанной сразу после изготовления и после старения. Результаты испытания механических свойств арматуры представлены в табл. 2.
Анализ результатов подтверждает повышение прочностных свойств, и некоторое снижение пластических, однако основная проблема механических свойств после старения состоит в значительном снижении отношения временного сопротивления разрыву к пределу текучести оВ/о02 (менее 1,05 — минимально возможного уровня отношения по ГОСТ 34028). Это свидетельствует об отсутствии площадки текучести на диаграмме растяжения стали и, соответственно, об очень малом уровне де-формативности холоднодеформированной арматуры. Характер поведения арматуры при растяжении отражается нормативной диаграммой ее состояния (деформирования). Диаграмма является реальным индикатором энергии её сопротивления разрушению при растяжении [4].
234
Таблица 2
Механические свойства холоднодеформированной арматуры класса 500 изготовленной из Ст1сп и СтЗсп сразу после изготовления (1)
и после старения (2)
Диаметр, мм Марка стали Состояние проката Временное сопротивление, об, Н/мм2 Условный предел текучести, о0,2, Н/мм2 Полное равномерное удлинение Agt, % Ов/о02
Требования ГОСТ 34028 Не менее 600 Не менее 500 Не менее 2,2 Не менее 1,05
6,0 1сп 1 604...641 519...588 2,5...3,3 1,08... 1,16
2 658...685 632...677 4,1...6,6 1,01...1,04
3сп 1 609...621 588...602 2,5...2,9 1,04... 1,05
2 630...665 600...635 2,6...3,3 1,05... 1,06
8,0 1сп 1 600...682 501...596 2,9...4,0 1,20... 1,34
2 662...702 610...636 2,9...4,7 1,10...1,11
3сп 1 600...625 529...575 3,1...4,7 1,07. ..1,12
2 659...724 593...679 2,6...3,6 1,05 ...1,13
10,0 1сп 1 600...610 500...523 3,0...4,0 1,17...1,21
2 633...666 550...645 2,5...3,7 1,15...1,55
10,0 3сп 1 611...622 559...586 2,5...5,3 1,06... 1,09
2 673...690 640...655 2,5...2,8 1,03...1,11
12,0 1сп 1 600...695 501...577 2,5...4,0 1,20... 1,23
2 609...716 531...612 2,7...3,1 1,15...1,26
3сп 1 642...680 559...617 3,7...4,5 1,10...1,15
2 661...716 589...684 2,7...3,9 1,05.1,24
Значительное увеличение показателей качества в новом нормативном документе не может быть одномоментно реализовано простым набором технологических решений, и требует серьезных интеллектуальных и экономических мероприятий со стороны производителя арматурного проката. После анализа современных европейских технологий изготовления арматуры, и образцов арматурной стали предприятий-конкурентов в отрасли, были определены следующие основные технологические мероприятия по улучшению свойств арматурного проката:
применение катанки с жестким ограничением по предельным допускам на диаметр из стали с селективным химическим составом, включая различные варианты микролегирования;
использование качественного формообразующего инструмента, исключающего появление на поверхности проката концентраторов напряжений, трещин, нарушения сплошности разного рода;
применение знакопеременной/растягивающей деформации в размере не более 5... 8% на этапе финишной обработки проката. Возможно освоение технологии «stretching - bending with rebending» SBR (растяжения в устройствах со знакопеременным изгибом с малой степенью деформации) или «cold stretching».
Кроме этого известно, что некоторые производители в качестве финишной обработки проводят низкотемпературную обработку проката (без механического воздействия), по аналогии с технологией стабилизации высокопрочного арматурного проката [4]. Но данная технология слишком затратна по энергетическим и материальным ресурсам, и не может быть распространена на производство арматуры из низкоуглеродистых марок стали.
Применение микролегирования в рядовых низкоуглеродистых сталях способно решить две задачи, особенно волнующие на данный момент производителя холоднодеформированной арматуры. Во-первых, обеспечение эксплуатационных (хладостойкость, коррозионная стойкость и др.) и сварочных свойств, связанное с введением в действие ГОСТ 34028, может быть реализовано только изменениями химического состава стали. Во-вторых, повышение механических характеристик арматуры, а именно высокой пластичности, наряду с сохранением требуемого уровня прочности после старения стали, без изменения действующей технологической схемы, также основывается на изменении химического состава стали.
Возможным вариантом микролегирования стали является введение в её состав таких элементов, как бор, марганец, ванадий и хром. В табл. 3 представлено влияние данных элементов на качественные и эксплуатационные характеристики арматуры.
Таблица 3
Основные варианты микролегирования низкоуглеродистых
_арматурных сталей _
Наименование химического элемента Влияние на свойства Уровень содержания, %
В Роль бора в «пластифицирующем» влиянии на сталь широко рассмотрена в работах по технологии горячей прокатки катанки [5, 6], причем содержание бора в стали должно коррелироваться с содержанием азота / Бор увеличивает деформативные способности стали при холодной деформации и сохраняет пластические свойства в металле после деформации. В/Ы=0,8+/-0,15 (по данным ПАО «ММК» достаточный уровень соотношения находится в пределах 0,5...0,9).
Мп Марганец используется в качестве раскислителя стали при выплавке, уменьшая вредное влияние серы и кислорода, в процессе образования оксида (ТеО) и сульфида железа (ТеБ), при этом способствует увеличению однородности микроструктуры стали, повышает прочностные свойства, не снижая при этом вязкие характеристики, значительно улучшает деформируемость [7]. Содержание марганца может быть ограничено по аналогии с применяемыми для производства арматуры сталями по ГОСТ 5781 (09Г2С и прочие): 1,1-1,3%.
Си Медь существенно снижает температуру мартенситного превращения и уменьшает вероятность образования деформационного мартенсита при холодной деформации, кроме этого уменьшает степень упрочнения и увеличивает степень обрабатываемости. Не менее важно, что медь улучшает коррозионную стойкость, особенно в присутствии серной кислоты. Анализ химического состава горячекатаных арматурных сталей с содержанием углерода не более 0,22% показал, что при ограничении содержания Б (не более 0,050 %, с целью исключения эффекта «красноломкости») содержание меди может достигать 0,80 %.
Механизм упрочнения стали ванадием и хромом примерно одинаков. Эти элементы относятся к сильным карбидообразующим элементам, обеспечивая дисперсионное твердение, упрочнение стали. Необходимо также помнить, что для ванадия и хрома характерна ликвация в микрообъемах металла, что негативно сказывается на качестве стали. Кроме этого, ввод данных элементов существенно увеличивает стоимость стали, что нежелательно для массового сегмента арматуры класса 500. Поэтому варианты микролегирования ванадием и хромом возможно рассматривать только при отсутствии положительных тенденций в использовании сталей с добавками бора и марганца.
По химическому составу стали, применяемой для производства хо-лоднодеформированной арматуры необходимо отметить ограничение содержания углерода до 0,16.0,18 %, что, во-первых, связано с условием сохранения пластических свойств и снижением интенсивности упрочнения в процессе волочения арматуры, а во-вторых содержание углерода не превышающее 0,24% позволяет при контактной электросварке при производстве сварных сеток и каркасов получать сварное соединение, исключающее появление холодных трещин.
Относительно новым направлением в технологии производства ненапряженной арматуры можно считать технологию SBR или «stretching», основанной на процессе упрочнения горячекатаного проката пластической деформацией (растяжение-сжатие) при условии сохранения пластических свойств. То есть теоретически освоение данной технологии при небольших энерго- и ресурсозатратах ведет к получению арматуры более высокого класса прочности, обладающей большим запасом прочностных свойств, согласно как ГОСТ 34028, так и современным зарубежным стандартам качества (EN, DIN, SFS). В качестве заготовки, согласно многочисленным публикациям от АО НИЦ «Строительство» [8, 9], может применяться прокат периодического профиля:
для класса А500С - прокат класса А400 по ГОСТ 5781-82 из сталей марок (18-25) Г2С, содержание углерода С=0,18...0,24%;
для класса А600С - прокат класса А400 по ГОСТ 5781-82 из стали марки 35ГС (содержание углерода не более 0,28%) или прокат А500 из стали марок Ст3Г(пс) или марки (18-25)Г2С, содержание углерода С=0,18...0,24%.
Горячекатаная арматура в качестве заготовки для последующего упрочнения должна иметь с следующие механические характеристики: предел текучести не менее 390 Н/мм2, предел прочности не менее 580 Н/мм2, относительное удлинение не менее 25%, равномерное удлинение при максимальной нагрузке не менее 14%. В процессе прохождения проката в системе последовательно изгибающих роликов каждый элемент арматурного проката, выделенный в сечении по длине, претерпевает на каждом межроликовом участке неупругие деформации строго последовательно: растяжения, дорастяжения, сжатия, досжатия. При суммарной вытяжке 1,03.1,05 (степень деформации 3.5%) величина увеличения пре-
237
дела прочности может составлять 150...170 Н/мм2, при этом величина равномерного удлинения падает на 3.4% и в абсолютном измерении составляет более 9,0% фактически.
Технологическое оборудование должно обеспечивать универсальный переход с производства холоднодеформированной арматуры стандартным способом, с использованием роликовых клетей, на технологию «stretching». Панель «stretchings-процесса может иметь одно- или двух плоскостную конструкцию для интенсификации процесса знакопеременного деформирования. На рисунке представлена одноплоскостная панель фирмы Shnell (Италия). В ней должны быть предусмотрены устройства управления параметрами: настройки и фиксации заданного уровня натяжения и взаимного расположения роликов на панели с целью контролируемого изменения геометрических параметров и механических свойств.
Одноплоскостная «stretching»-nанель фирмы Shnell (Италия)
К недостатками новой технологии относится возможное изменение геометрических параметров профиля, относительно нормируемых показателей, а также в целом отказ от использования 3-х стороннего профиля Кап, не имеющего аналогов в горячекатаной арматуре, т. к. арматурный прокат по ГОСТ 5781, являющийся заготовкой для «в1те1;сЬ^»-процесса, имеет 2-х сторонний профиль.
На данный момент российский железобетон уступает железобетону европейских производителей по признакам энергосбережения, металлоемкости, индустриальности, долговечности и безопасности, но разработка и внедрение новых стандартов качества должна стать стимулирующим моментом в стратегии развития производства арматурной проволоки класса 500 в условиях ОАО «ММК-МЕТИЗ», т. к. в конечном итоге уровень стандартов на продукцию отражает уровень стандартов жизни [10].
238
Список литературы
1. Снимщиков С.В., Харитонов В.А., Саврасов И.П. Реальность и ожидания современного рынка арматуры к выходу нового ГОСТ 340282016 // Бюллютень «Черная металлургия». 2017. № 6. С. 9-16.
2. Звездов А.И., Харитонов В. А., Суриков И.Н. Проблемы и пути развития современного железобетона // Бетон и железобетон. 2015. №4. С. 2-8.
3. Бабич В.К., Гуль Ю.П., Долженков И.Е. Деформационное старение стали. М.: Металлургия, 1972. 320 с.
4. Быкова Е.М. Повышение механических свойств холоднодефор-мированной арматуры // Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет им. П.О.Сухого», Беларусь. [Электронный ресурс] URL: https://elib.gstu.by (дата обращения: 10.02.2020).
5. Сычков А.Б., Парусов Э.В., Моллер А.Б. Технология термической обработки арматурного и фасонного проката. Теория и металлургическая практика // Beau Bassin. Mauritius: Palmarium Academic Publishing, 2017. 261 с.
6. Парусов В.В., Сычков А.Б., Деревянченко И.В., Жигарев М.А. Новое применение бора в металлургии // Вестник МГТУ им. Г.И.Носова. 2005. № 1 (9). С. 15-17.
7. Сычков А.Б., Жигарев М.А., Жукова С.Ю., Перчаткин А.В., Перегудов А.В. Совершенствование технологии производства высококачественной катанки // Литье и металлургия. 2011. № 4 (63). С. 85-92.
8. Стратегия развития металлургического производства арматурного проката классов прочности 500 и 600 Н/мм2 в соответствии с техническими требованиями ГОСТ 34028-2016 на основе использования качественных сталей и совершенствования технологии производства. Предложения АО «НИЦ «Строительство». Москва, 2017.
9. Патент 2608927 РФ. Арматурный прокат для изготовления металлических сеток и каркасов / В. А. Харитонов, А.И. Звездов, С.В. Снимщиков, И.Н. Суриков, И.П. Саврасов, А.В. Харитонов. Опубликовано 26.01.2017. Бюллетень №3.
10. Дорохин П.С., Харитонов В.А. Прогресс в структуре потребления арматурного проката диаметром до 18 мм неизбежен // Стройметалл. 2012. № 3 (28). С. 14-23.
Зайцева Мария Владимировна, канд. техн. наук, главный специалист по исследовательской работе, zaytseva.mvammk-metiz.ru, Россия, Магнитогорск, ОАО «Магнитогорский метизно-калибровочный завод»,
Дрягун Эдуард Павлович, начальник Центральной заводской лаборатории, dry-agun.epammk-metiz.ru, Россия, Магнитогорск, ОАО «Магнитогорский метизно-калибровочный завод»
STRATEGY FOR THE DEVELOPMENT IN MANUFACTURING OF 500B TYPE WIRE FOR REINFORCED CONCRETE IN OJSC MMK-METIZ
M. V. Zaitseva, E.P. Dryagun
Main tendencies in the development of manufacturing of 500 type low carbon steel reinforcement for untensioned concrete are presented. Analysis of metal ware exploitation properties and change of mechanical properties after aging was conducted. Methods for increase of reinforcement ductile properties with steel chemical composition change and application of modern deformational processing methods like "stretching-process " are observed.
Key words: wire for reinforced concrete, total proportional elongation, aging, mi-croalloying, weldability, «stretching»-process.
Zaitseva Maria Vladimirovna, candidate of technical sciences, major specialist for investigation activity, zaytseva.mvammk-metiz.ru, Russia, Magnitogorsk, OJSC «Magnitogorsk hardware and sizing plant «MMK-METIZ»
Dryagun Eduard Pavlovich, head of central factory laboratory, dryagun. epa mmk-metiz.ru, Russia, Magnitogorsk, OJSC «Magnitogorsk hardware and sizing plant «MMK-METIZ»
