Термоупрочнение арматурной стали

Арматурная сталь выпускается в виде прутков диаметром от 6 до 80 мм длиной 6—12 м. По ГОСТ 5781—75 и 10884—71 арматурную сталь разделяют на семь классов: А — поставка в горячекатаном состоянии без термообработки, А_т— то же в термообработанном состоянии, А-1 — круглая гладкая сталь, остальные марки А-П— А-VII соответствуют арматуре в виде периодического профиля. Для ненапрягаемых конструкций применяются углеродистые и низколегированные арматурные стали, из которых производится арматура класса А-1, А-П, А-1 II и А_т-Ш. Классы А-IV, А-У, А_Т-1У, А_т-У, А_т-У1 и А_Т-УП предназначены для напрягаемых конструкций и изготовляются из сталей марок 20ГС, 25ГС, 35ГС, 08Г2С и др. Основная концепция при изготовлении арматурной стали заключается в том, чтобы за счет экономного легирования и термообработки увеличить прочность стали в два-три раза по сравнению со сталью класса А. В табл. 13.3 приведены основные требования к арматурной стали, выпускаемой в виде стержней.

Следует заметить, что часть арматурной стали термически обрабатывается не в прокатном цехе, а у потребителя, т. е. на заводах железобетонных изделий. В этом случае прутки термически обрабатываются на установке электротермического упрочнения (ЭТУ), состоящей из нагревательного, закалочного и отпускного устройства. Электротермическое упрочнение позволяет, например, арматуру класса А-П из стали Ст5 перевести в класс А_Т-1У, а из прутков из стали 35ГС класса А-Ш получить арматурную сталь классов А_т-У и А_т-У1. Нагрев прутков осуществляется электроконтактным способом для Ст5 до температур 920—950 °С, для стали 35ГС — до 880—920 °С. После закалки в воду прутки подвергаются отпуску при температурах соответственно 350—400 °С (Ст5) и 360-450 °С (35ГС).

Таблица 13.3

Механические свойства арматурных стержней (не менее)

Существует несколько разновидностей процессов термоупрочнения арматурной стали с отдельного нагрева. Практически все они отличаются только способами нагрева металла под закалку. Имеются установки печного, индукционного и других видов нагрева. Но всем установкам отдельного нагрева присущи общие недостатки, связанные с низкой производительностью, высокой стоимостью операций, высокими энергетическими и трудовыми затратами. По экономическим показателям термоупрочнение с отдельного нагрева не идет ни в какое сравнение с термоупрочнением с прокатного нагрева.

Основная доля высокопрочной арматурной стали (ст_в >900 МПа), используемой в предварительно напряженных железобетонных конструкциях, производится по одной из двух технологий. По первой технологии осуществляют термическое упрочнение металла с прокатного нагрева с применением прерывистого охлаждения с самоотпуском, по второй — проводят горячую прокатку низколегированного металла с повышенным содержанием хрома и марганца с последующей его термообработкой в виде режимного охлаждения.

Впервые термическое упрочнение арматурной стали с прокатного нагрева было осуществлено на среднесортном стане 350-2 Макеевского металлургического комбината. На непрерывных станах, особенно мелкосортных, оно получило широкое распространение благодаря простоте и компактности охлаждающего устройства. Каждая линия двухниточного мелкосортного стана 250 (см. рис. 13.3) оборудована камерой предварительного охлаждения проката, в которую подается водовоздушная смесь под давлением до 22 МН/м². За ней установлены 14 секций труб с чередующимся прямо- и противоточным движением водовоздушной смеси. За счет высокой скорости охлаждения по всему сечению арматуры обеспечивается устойчивая структура мартенсита. При охлаждении сталей Ст5 и 35ГС от температуры конца прокатки 1040-1080 °С до температуры закалки 250—400 °С только на малых диаметрах (до 14 мм) мартенсит занимает все сечение проката. Прутки такого диаметра по данной технологии имеют класс А_Т-1У—А_т-У1. На более крупных прутках в средних слоях может быть структура бейнита, сорбита или даже перлита с избыточным ферритом. Для прутков диаметром 18—20 мм, чтобы достигнуть того же класса, прокат после последней клети стана охлаждается сначала в камере предварительного охлаждения до 800—850 °С, а затем в секции водовоздушного охлаждения. Для более крупных диаметров (20—22 мм) трудности связаны не только с недостаточной прокаливаемостью сердцевины, но и с неравномерностью механических свойств подлине. Для повышения свойств арматуры в таких сечениях необходимо применять микролегирование стали элементами V, Т1 и В при интенсификации процесса охлаждения металла. Сталь 09Г2С с добавкой 0,005 % В в прутках диаме тром 20—22 мм обеспечивает требования класса А_т-У1.

Обычно применяемые для термоупрочнения стали марок 08Г2С, 09Г2С,17ГС, 17Г1С, а также ранее упомянутые марки имеют тот недостаток, что при сварке в месте сварного шва теряют свою прочность на 15—17 %. Для особо ответственных конструкций разработаны новые марки стали, неразуп- рочняюшиеся при сварке, такие как 10ХГС2 (класс А_Т-1У), 20ХГС2, 23Х2Г2Т (класс А_т-У) и др.

Важным резервом упрочнения арматурной стали с прокатного нагрева является использование эффекта ВТМО. Как отмечалось, деформация аустенита при низких температурах с последующей упрочняющей термической обработкой обеспечивает наивысшие прочностные свойства стали при высокой ее пластичности. На высокоскоростном прокатном стане трудности те же, что и на проволочных станах: необходимо обеспечить достаточно низкую температуру и высокую степень деформации в чистовых клетях, охлаждение проката по заданному режиму в чистовых клетях и его интенсивное охлаждение после прокатки. На современных станах оборудования для осуществления таких режимов нет. В России оно находится в стадии разработки. На новых зарубежных мелкосортных и проволочных станах такие возможности уже предусмотрены.