Эксплуатационные свойства сталей в больших сечениях для уникальных строительных конструкций тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат наук Егорова, Анна Андреевна

• Егорова, Анна Андреевна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Егорова, Анна Андреевна

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Крупные сооружения в строительстве и развитие металлургической промышленности

1.2. Фасонный прокат повышенной и высокой прочности для уникальных сооружений

1.3. Оценка инженерных свойств проката больших толщин для строительных конструкций

1.4. Рассмотрим методы оценки свойств проката в направлении толщины (X - свойства)

1.5. Крупные поковки в строительных конструкциях

1.6. Выводы к главе

1.7. Цели и задачи

Глава 2. Материалы и методики исследований эксплуатационных

свойств широкополочных двутавровых профилей

2.1. Материалы исследования

2.1.1. Особенности производства исследуемого проката

2.1.3. Исследование микроструктуры

2.2. Методики испытаний

2.2.1. Испытания на растяжение

2.2.2. Дюрометрические испытания

2.2.3. Испытания на ударный изгиб

2.2.4. Определение температуры нулевой пластичности на крупных образцах

2.2.5. Метрологическое обеспечение экспериментальных исследований

Глава 3. Эксплуатационные свойства двутавровых профилей

3.1. Прочность и пластичность при статических нагрузках

3.1.1. Испытание на растяжение агрегатных образцов

3.1.2. Испытание на растяжение локальных образцов

3.1.3 Дюрометрические исследования

3.2. Испытания на ударный изгиб

3.2.1. Результаты испытаний

3.2.2. Обсуждение результатов

3.3. Микроструктурный анализ

3.3.1. Результаты анализа

3.3.2. Обсуждение результатов

3.4. Оценка свойств по толщине проката ^-свойства)

3.4.1. Результаты испытаний

3.4.2. Обсуждение результатов испытания

3.5. Хладостойкость сварных соединений и склонность к трещинам 79 при сварке

3.5.1. Результаты испытаний

3.5.2. Обсуждение результатов

3.6. Оценка склонности проката к холодным трещинам

Выводы к главе

Глава 4. Анализ аварийных разрушений крупных деталей применяемых

в строительстве поковок из конструкционных сталей 4.1. Анализ разрушений элементов конструкций работающих на

растяжение с изгибом

4.1.1. Разрушение стоек

4.1.1.1. Исследование материала

4.1.1.2. Результаты исследований

4.1.1.3. Обсуждение результатов

4.1.2. Анализ эксплуатационного разрушения крупной стальной

оси - детали подвески покрытия ответственного инженерного

сооружения

4.1.2.1. Методики и результаты исследований механических свойств 99 по сечению оси

4.1.2.2. Химический и макро- и микроструктурный анализ 103 металла оси

4.1.2.3. Исследование природы разрушения оси

4.1.2.4. Обсуждение результатов исследований

Выводы к главе

Глава 5 Разработка требований к осям большого диаметра для 121 уникальных строительных объектов и применение осей, соответствующих этим требованиям в сооружении 5.1. Разработка технических требований и рекомендаций по 121 изготовлению новых осей для конструкции подвески

5.2. Материалы для новых поковок

5.3. Методика испытаний

5.4. Результаты испытаний

5.5. Обсуждение результатов

Выводы к главе

Основные результаты и выводы

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эксплуатационные свойства сталей в больших сечениях для уникальных строительных конструкций»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В последние 15 лет в России возводятся крупные уникальные строительные объекты: стальные конструкции стадионов, большепролетные покрытия общественных и высотных зданий и т.п. Стальные конструкции для таких сооружений изготавливаются из проката повышенной и высокой прочности больших толщин от 30 до 230 мм. В таких конструкциях как элементы также применяются крупные поковки высокой прочности диаметром свыше 0,5 м.

В настоящее время в России более 85% стальных конструкций изготавливаются из проката толщиной не более 20 мм и в них используются поковки небольшого размера из сталей обычной прочности.

Работа стальных элементов с большими сечениями в конструкциях существенно отличается от работы элементов с относительно небольшими толщинами до 20 мм за счет существенного влияния масштабного фактора. Вместе с тем в действующих нормах на проектирование строительных металлических конструкций, в первую очередь в СП 16.13330.2011 «Актуализированная редакция главы СНиП П-23-81*», не предусмотрены специальные требования для оценки влияния больших сечений на работоспособность стальных конструкций. Например, не учитывается влияние неоднородности свойств по сечению, склонность к хрупкому разрушеншо материалов оценивается на небольших образцах сечением 10x10 мм и т.п. В действующих нормах не регламентируется фасонный прокат сечений с толщиной полок более 40 мм, в то время как в современных сооружениях такой прокат применяется в толщинах вплоть до 125 мм. СП 16.13330.2011 не включает в себя поковок, тем более диаметром более 500 мм, хотя их использование эффективно и перспективно в современных строительных конструкциях.

Для обеспечения надежной работы элементов больших толщин в уникальных стальных конструкциях необходимо рассмотреть особенности их работы в сооружениях, научно обосновать требования к эксплуатационным свойствам

сталей и разработать основы нормативной базы для составления специальных технических условий при применении новых видов проката и поковок в новых уникальных строительных конструкциях.

Актуальность темы диссертации обосновывается необходимостью обеспечения эксплуатационной надежности уникальных стальных конструкций из новых сталей высокой прочности в больших сечениях и разработки предложений по требованиям к сталям для строительных конструкций большого сечения и внесения их в нормативную документацию. Цель и задачи работы.

Исследование работоспособности элементов больших толщин, из новых материалов высокой прочности в уникальных стальных конструкциях и разработка требований к материалам, обеспечивающим эксплуатационную надежность деталей больших сечений. В связи с этим в работе решались следующие задачи:

1) Анализ аварий элементов стальных конструкций большого сечения.

2) Выбор методик испытаний элементов стальных конструкций больших толщин и определение их эффективности при оценки эксплуатационных свойств.

3) Проведение исследований эксплуатационных свойств элементов конструкций больших сечений из новых материалов и выявление определяющих их факторов.

4) Разработка требований к материалам для элементов больших толщин.

5) Подготовка материалов для внесения в нормативные документы по оценке эксплуатационной надежности элементов стальных конструкций большого сечения.

Научная новизна работы.

1) Научно обоснованы требования к сталям для обеспечения высоких эксплуатационных свойств в элементах металлических конструкций высокой прочности и большого сечения, применяемых в уникальных

строительных объектах: двутавровых балок с параллельными гранями полок с толщиной до 125 мм включительно с Run = 450 Н/мм2 и цилиндрических осей из поковок диаметром свыше 500 мм с Run = 700Н/мм2.

2) Показано, что современный фасонный прокат высокой прочности с ат > 450 Н/мм2 с толщиной полок до 125 мм и с высокой эксплуатационной надежностью имеет неоднородность строения по сечению, обусловленную формированием слоистой структуры при термомеханической обработке. Такая неоднородность улучшает работоспособность профиля в конструкциях за счет формирования в поверхностных более прочных слоях остаточных напряжений сжатия на G0CT = 0,2ат, повышающих сопротивление профилей хрупким разрушениям, переменным нагрузкам и коррозионным воздействиям.

3) С учетом современных технологических возможностей для элементов строительных конструкций из крупных поковок с ат = 685 Н/мм2 предложен комплекс требований к материалам, отличных от стандартных, и исключающих разрушения, связанные с недостаточной пластичностью и хладостойкостью: 85 = 12%; \|/ = 50%; KCV"40 = 27Дж/см2 при условии отбора проб для образцов на расстоянии 2/3 радиуса от поверхности и пониженное содержание вредных примесей (S и Р < 0,010% каждого; Н< 0,0002%).

4) Разработана методика оценки эксплуатационных свойств элементов стальных конструкций больших сечений, заключающаяся в сочетании испытаний стандартных малогабаритных образцов, вырезанных из различных зон конструкций на растяжение и ударный изгиб в интервале различных температур и крупных интегральных образцов.

Практическое значение работы состоит в том, что её результаты использованы: при применении проката больших сечений класса прочности С440 при возведении несущего каркаса высотных зданий; при разработке марки стали

Histar 460 Russia с KCV"40 > 34 Дж/см2 для применения ее в конструкциях с большим сечением, которые эксплуатируются в климатических условиях РФ; при разработке нормативной документации в части назначения этих сталей в конструкции.

Разработана нормативная документация на оси диаметром более 500 мм из поковок с ат = 700 Н/мм2 с высокой эксплуатационной надежностью для применения в большепролетных уникальных зданиях.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты исследования крупных двутавровых профилей с толщиной полки до 125 мм с ат > 450 Н/мм2, при котором установлена их высокая эксплуатационная надежность, обеспечиваемая формированием слоистой по сечению микроструктуры и неоднородностью механических свойств.

2. Условия получения в неоднородных по прочности больших сечениях высокой и достаточной для строительных конструкций северного исполнения ударной вязкости KCV"40 = 34 Дж/см2.

3. Результаты анализа аварийного разрушения элемента конструкции -крупной оси диаметром 528 мм из термически упрочненной среднеуглеродистой стали с Go,2 = 700 Н/мм2, произошедшего из-за сильной неоднородности свойств по сечению, не учитываемой методикой стандартных приемо-сдаточных испытаний.

4. Разработанные с учетом современных технологических возможностей заводов новые требования по механическим свойствам, месту отбора проб и химическому составу к элементам стальных конструкций из поковок диаметром более 500 мм из поковок с оо,2> 700 Н/мм2.

5. Результаты исследований эксплуатационных свойств поковок cgo,2 > 700 Н/мм2, изготовленных в промышленных условиях в соответствии с разработанными новыми требованиями.

Внедрение результатов.

Результаты работы использованы при изготовлении стальных несущих каркасов высотных зданий «Москва Сити» из широкополочных двутавров с параллельными гранями полок с от = 450 Н/мм2 и толщиной полки до 125 мм. Оси диаметром 528 мм из поковок высокой прочности нового поколения производства завода «Уралмаш», отличающиеся высокими эксплуатационными свойствами, установлены в подвесных конструкциях покрытия уникального здания «Крытый Конькобежный центр» в Крылатском, г. Москва.

Достоверность результатов исследования обеспечена проведением комплексных экспериментов по определению эксплуатационных свойств сталей с применением современных методов исследования, механических испытаний и статистической обработкой полученных результатов и их соответствие с экспериментальными данными других исследований.

Личный вклад автора. Основные положения и результаты диссертационной работы основываются на исследованиях, выполненных лично, или с непосредственным участием автора. В работах, выполненных в соавторстве, личный вклад автора состоит в постановке цели и задач исследования, непосредственном участии в получении экспериментальных данных, анализе и обобщении полученных результатов. Опробование и постановка в конструкции новых видов проката и элементов из поковок осуществлялись при непосредственном участии автора.

ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 1.1. Крупные сооружения в строительстве и развитие металлургической

промышленности

По крупным инженерным сооружениям судят о технических достижениях эпохи их возведения, в этом смысле такие сооружения являются памятниками своему времени. В последние 150 лет в таких сооружениях эффективно используется стальной прокат, например башня Шухова [1].

Развитие подобных сооружений в нашей стране авторы монографии [2] разбивают на три периода: первый длился вплоть до 40-х годов 20 века; второй начался после окончания Великой Отечественной войны и продолжался до 90-х годов 20 века; с начала 90-х годов начался третий период.

Первый этап хорошо иллюстрируется началом строительства здания Дворца Советов [3]. Полная высота сооружения с учетом статуи В.И. Ленина, венчавшей здание согласно проекта, должна была составить 415 м. Для создания такого уникального сооружения необходимо было разработать принципиально новый материал, поэтому для несущих стальных конструкций каркаса здания специально разработали сталь ДС (Дворец Советов) под руководством известного металлурга A.A. Байкова [4]. Эта сталь - первая отечественная низколегированная строительная сталь. Сталь системы легирования Mn-Si-Cr-Cu толщиной до 30 мм характеризовалась повышенной прочностью (ат> 360 Н/мм2), повышенной коррозионной стойкостью за счет Cr и Си и предназначалась для клепанных соединений, предусмотренных проектом Дворца Советов. Частично собранный каркас Дворца Советов был демонтирован в первые месяцы Великой Отечественной войны, а сталь была использована при сооружении Москворецких мостов, а также конструкций станции метро «Павелецкая».

В начале пятидесятых годов в Москве впервые возведены семь высотных зданий: гостиницы «Ленинград» и «Украина», жилые дома на Котельнической набережной и на пл. Восстания, административные здания у Красных Ворот и

на Смоленской пл., Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова (высота главного корпуса МГУ 24 м). При строительстве этих зданий многие инженерные задачи были решены по-новому: несущие каркасы выполнены в железобетоне с жесткой арматурой и с применением толстолистовой стали толщиной 30 мм и более. В главном корпусе МГУ были применены стальные колонны крестового сечения, в здании на Смоленской площади и гостинице «Украина» - обетонированные колонны сечения в виде сварного двутавра. Сталь, которая применялась в вышеперечисленных зданиях по химическому составу соответствует современной кондиционной стали СтЗсп5. Возможность применения такого проката регламентировалась строительными нормами, действующими в описанное время (НиТУ 121-55), согласно которым расчетное сопротивление проката принималось Ку=2100 кгс/см2 [5]. На практике наблюдался несколько пониженный уровень прочностных характеристик, обусловленный недостаточным уровнем обжатий на тогдашних маломощных прокатных станах. Позднее, в СНиП П-23-62 [6] было указано, что для толщины до 30-40 мм следует принимать 1*^=2100 кгс/см2, для толщины свыше 40 мм - 11у=1700 кгс/см2.

В начале 60-х годов на пересечении Ленинградского проспекта и Волоколамского шоссе (г. Москва) было возведено здание института «Гидропроект». При изготовлении колонн этого здания была применена толстолистовая сталь системы легирования Сг-БьМ-Си марки 10ХСНД производства Кузнецкого МК больших сечений: 230x115 мм, 200x50 мм, 150x50 мм. По химическому составу примененная сталь соответствовала современной марке 10ХСНД.

Проведенные контрольные испытания показали, что прокат может иметь нормативное сопротивление Луп = 320 Н/мм2 и Яу = 290 Н/мм2. Такая относительная низкая для данной стали прочность (для современной стали 10ХСНД Куп = 390 Н/мм2) также связана с тем, что данная горячекатанная сталь прокатывалась на маломощных станах, при недостаточных обжатиях и имела слишком крупное зерно [2].

Приведенные примеры показали, что эффективность применения металлических конструкций в крупных зданиях и сооружениях напрямую связана с уровнем развития производства качественного проката в металлической промышленности.

Когда, в 1965 г., был выпущен стандарт на низколегированные стали ГОСТ 5058-65 [7], согласно которому в прокате больших толщин (30...80 мм) из относительно недорогой кремнисто-марганцовистой стали 10Г2С1 [8] гарантировались свойства на уровне повышенной прочности, эту сталь начали широко использовать в колоннах, состоящих из полос толщиной не менее 40 мм, с сечениями, близкими к квадратным. Такие колонны с листами толщиной 40-60 мм были применены при возведении ряда крупных зданий в Москве: самого высокого административного здания в городе (на время возведения) высотой 100 м (начало Сиреневого бульвара [2]), здесь колонны имели сечение 600x600 мм, состоящие из 10 полос толщиной по 60 мм; здания Статистического управления на ул. Благуше, Олимпийских сооружений (1980г.), Мемориала на Поклонной горе.

Это решение применяется и в настоящее время при возведении зданий повышенной этажности.

Дальнейшее развитие проблемы было связано с тем, что крупные инженерные сооружения, в ряде случаев, практически невозможно выполнить из сталей обычной и повышенной прочности с ат = 240...350 Н/мм2. Выход был найден в результате разработки в середине 60-х годов в нашей стране и за рубежом новой группы сталей для металлических конструкций сот = 400.. .750 Н/мм2 [9-15], классифицированной как стали высокой прочности для металлических конструкций. Такой прокат толщиной до 50 мм включительно с От — 400...500 Н/мм2 можно было изготовить из марганцовистых сталей, микролегированных ванадием (стали 15Г2СФ, 14Г2АФ, 16Г2АФ, 15Г2АФДпси т.п.). [16-19].

Сталь 15Г2СФ была рекомендована к применению в колоннах зданий гостиничного комплекса «Измайлово», из стали 15Г2АФДпс был сооружен

сварной мост им. Патона через р. Днепр в г. Киев [2]. Наиболее широко были внедрены, так называемые, стали с нитридным упрочнением 14Г2АФ и 16Г2АФ, из которых был изготовлен целый ряд крупных строительных конструкций в первую очередь в промышленном строительстве [20].

Сталь 16Г2АФ с от = 450 Н/мм2 была применена в больших толщинах в каркасах и опорных рамах уникальных скипового и клетьевого копров Анненского рудника Джезказганского ГОК [2].

В Киеве было построено 20-этажное здание гостиницы «Киев», в которой колонны нижних этажей были выполнены из листов толщиной 40 мм из стали 16Г2АФ с ст = 410 Н/мм2.

В г. Сиэтле (США) в каркасе известного высотного здания фирмы IBM колонны первых девяти этажей выполнены из стали от = 600 Н/мм2 [29].

Описываемые стали высокой прочности при всех технико-экономических преимуществах имели недостаточно хорошую свариваемость в больших толщинах, из-за того, что металлургия в 1970 - 80х годах не могла обеспечить требуемую высокую чистоту металла по вредным примесям, газам и неметаллическим включениям. К началу 90-х годов эти стали морально устарели.

На комбинате ООО «Урал Сталь» были созданы и освоены стали нового поколения с ст = 345...700 Н/мм2 в первую очередь широко примененная в строительстве сталь 10ХСНДА с высокой чистотой по вредным примесям, микролегированная ниобием и ванадием [21]. Эта сталь была использована для изготовления несущих конструкций Большой Спортивной Арены (БСА) стадиона в Лужниках г. Москва [14]. В несущих конструкциях покрытия массой более 13000 т применен листовой прокат толщиной 16, 20, 25, но главным образом 30 и 40 мм, для изготовления которого использовали 320 плавок, проведенных в 100-тонных электропечах. Листы поставляли в термически улучшенном состоянии, поскольку такой прокат обладает более высокой прочностью и, особенно, сопротивлением хрупким разрушениям, чем нормализованный [22].

При реконструкции старого Гостиного двора внутреннее пространство здания было перекрыто светопрозрачной оболочкой, имеющей в плане форму неправильной вытянутой трапеции. Несущими конструкциями оболочки служит система арочно-вантовых ферм пролетом 60-85 м. При изготовлении этих крупных ферм в соответствии с проектом было решено применить сталь 10ХСНДА в прокате толщиной 28-40 мм [23].

Это крупное инженерное сооружение (масса стальных конструкций около 1000 т) было отнесено к уникальным. Конструкция предназначена для эксплуатации в течение многих десятилетий на открытом воздухе при стечении большого количества людей. К прокату, который должен был обеспечить надежную работу конструкций при длительной эксплуатации, были предъявлены более жесткие требования, чем к наиболее ответственным конструкциям группы 1, регламентированные СНиП И-23-81*. Здесь, прежде всего имеется ввиду недопущение хрупких разрушений различной природы при изготовлении проката и конструкций, а также при эксплуатации последних.

К прокату толщиной 28-40 мм были предъявлены следующие основные требования: нормативный предел текучести Луп = 390Н/мм2, временное сопротивление ав < 680Н/мм2. С ужесточением норм были улучшены однородность свойств проката и обрабатываемость металла. К прокату были предъявлены жесткие требования по ударной вязкости.

Также необычный для практики строительства прокат больших толщин -60-80 мм (сталь марки 09Г2С) и 50 мм (сталь марки 10ХСНДА) использовался при возведении стального каркаса здания «Альфа Арбат Центр» (ул. Арбат, Москва). Использование проката таких толщин диктовалось следующими соображениями. Вследствие наличия подземных коммуникаций и сооружений (метро) в районе возведения здания в основании каркаса были расположены балки (15 шт.) высотой ~ 2 м из 09Г2С, пояса имели толщину 80 мм и ширину до 2,5 м, стенки 60 мм. В каркасе применялись тяжело нагруженные безраскосные фермы Веренделя, на них опирались междуэтажные перекрытия со второго по девятый этажи; расстояние пролета между фермами 30 м. При

изготовлении ферм необходимо было применить сталь толщиной 50 мм со свой свойствами С390, в качестве материала была выбрана сталь 10ХСНДА [2].

В последние годы с применением стали 10ХСНДА толщиной до 50 мм выполнены такие уникальные сооружения в г. Москве, как надтрибунное покрытие стадиона «Локомотив» [24], конструкции Крытого конькобежного центра в Крылатском [25], Ледового дворца на Ходынском поле, конструкции Олимпийских стадионов в г. Сочи.

В современных мощных тяжело нагруженных конструкциях и сооружениях приходится применять прокат большей толщины до 450 мм. Из такого проката изготавливаются каркасы высотных зданий, несущих балок большепролетных мостов, стационарных морских буровых установок, толстостенные резервуары высокого давления, конструкции крупных гражданских и общественных зданий и т.п. Изготовление подобных объектов технически невозможно без применения проката больших толщин, особенно из стали повышенной и высокой прочности.

За рубежом металл больших толщин применяется достаточно давно. В качестве примеров можно указать, что в Японии для нефтеперерабатывающей аппаратуры потребовался стальной прокат толщиной до 170 мм [26]. Сосуды высокого давления из низколегированных сталей толщиной 127-140 мм изготовлены для ТЭЦ в Англии [27]; в Северном море опоры рабочей платформы буровых установок выполнялись из стального проката толщиной до 75 мм [28]. Классическим примером использования рассматриваемых сталей являются колонны средних и особенно нижних этажей зданий с числом этажей более 20-30.

В последнее время в каркасах высотных зданий начали применяться широкополочные двутавровые балки с параллельными гранями с толщиной полки до 125 мм сот = 345 Н/мм2 и 450 Н/мм2 [30]. Трудности производства проката в таких больших сечениях состоят в том, что инженерные свойства могут быть недостаточными в климатических условиях России и их следует улучшить.

И так в представленных материалах показано, что:

- в народном хозяйстве имеется потребность в крупных зданиях и сооружениях, при изготовлении которых требуется прокат больших толщин;

- возможность возведения требуемых зданий, надежных в эксплуатации, во многом зависит от способности металлургической промышленности выпускать прокат с инженерными свойствами, соответствующими требованиям проектировщиков;

- прогресс в строительстве уникальных сооружений (повышение этажности, увеличение пролетов, рост требований по надежности) в настоящее время связан с применением проката больших толщин (30...230 мм и даже выше) со свойствами, не уступающими свойствам проката обычных толщин не выше 20 мм.

Условия применения такого проката будут обсуждены в настоящей диссертации.

1.2. Фасонный прокат повышенной и высокой прочности для уникальных сооружений

Технические требования к сталям для строительных металлических конструкций разнообразны и часто противоречивы. Для обозначения всего комплекса таких свойств употребляются равнозначные термины: инженерные, потребительские, рабочие или служебные свойства [31].

В целом требования высоких инженерных свойств можно свести к четырем группам:

1) обеспечение высоких эксплуатационных свойств;

2) требования, обеспечивающие высокую технологичность;

3) требования по экономической эффективности;

4) сортаментные требования.

Достаточно эффективным материал конструкции будет лишь при одновременном обеспечении всех перечисленных групп.

Под эксплуатационными свойствами понимаем сопротивление стали при её работе в элементах конструкций различным по характеру нагрузкам, возникающим в процессе изготовления и эксплуатации сооружений -статическим, переменным, динамическим, в том числе в условиях эксплуатационных воздействий - температурных, естественных, агрессивных сред и т.д.

Под технологичностью проката на стадии изготовления металлических конструкций, понимаем, прежде всего, хорошую свариваемость, а также хорошую обрабатываемость при применении методов холодной деформации, в том числе высокопроизводительными способами. Технологические требования налагают серьезные ограничения на химический состав и методы производства проката повышенной и высокой прочности.

Требования экономической эффективности связаны как с рациональным легированием стали, так и возможностью производства проката с требуемыми свойствами по современным схемам в потоке станов.

Наконец, сортаментные требования подразумевают возможность получения проката требуемого сортамента с высокими эксплуатационными и технологическими свойствами с достаточной экономической эффективностью.

В 1.1. было показано, что в высотных и других уникальных зданиях эффективно применение двутавровых балок с параллельными гранями с большой толщиной полок. Применение подобных профилей обеспечивает большие технологические преимущества (существенно сокращаются объемы сварки), а также повышение эксплуатационных характеристик, поскольку отсутствуют сварные соединения. Однако имеются существенные проблемы экономической эффективности подобного решения, поскольку получение достаточно высокой прочности в профилях большой толщины в условиях массового производства встречало серьезные технические трудности.

Перспективным методом получения профилей повышенной и высокой прочности, отвечающих описанным выше требованиям, явилось упрочнение

проката в потоке прокатных станов с последующим охлаждением турбулентными потоками воды.

Работы по реализации процессов термического упрочнения фасонных профилей (уголков, швеллеров, балок) проводились в совместных работах ИЧМ (г. Днепропетровск) и ЦНИИСК в течение ряда лет [33, 34].

Решение было найдено при применении схемы упрочнения в потоке стана с использованием тепла прокатного нагрева методом «прерывистой закалки». При этом, в описываемом случае, применяется кратковременное, но интенсивное охлаждение водой с высоким коэффициентом теплоотдачи, что обеспечивает быстрое снижение температуры поверхностных слоев профиля. В поверхностных слоях образуются твердые игольчатые, закалочные структуры-мартенсит и нижний бейнит. Последующий нагрев закаленных участков теплом, аккумулированным в центральных зонах профилей, приводит к их высокотемпературному отпуску, необходимому для улучшения комплекса механических свойств. Такую схему упрочнения можно классифицировать как термомеханическую прокатку [34], поскольку здесь соединяются как элементы горячей прокатки, так и термической обработки (закалки + самоотпуск с использованием тепла прокатного нагрева).

Технология упрочнения фасонных профилей в потоке стана при быстром охлаждении поверхности проката впервые была освоена на непрерывных среднесортных прокатных станах. [35]

На стане 450 ОАО «ЗСМК» упрочнению подвергались угловые профили с полкой толщиной 5-12 мм, швеллеры № 10-16, двутавровые балки №14-16 из рядовых малоуглеродистых сталей.

Охлаждение проката по периметру в специальном устройстве [36] осуществляется турбулентным потоком воды, поступающей через нагнетающую форсунку.

Температура конца прокатки профилей на стане составляет 1000-1100 °С при скорости движения профилей за последней клетью стана, равной 8-15 м/с. Скорость охлаждения поверхности турбулентными токами воды составляет ~

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Егорова, Анна Андреевна, 2013 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Металлические конструкции: учебник для студентов высших учебных заведений / Ю.И. Кудишин, Е.И. Беленя, B.C. Игнатьева и др. / под ред. Ю.И. Кудишина - 11-е изд. - М: Издательский центр «Академия», 2008 - 688 с.

2. Одесский П.Д., Кулик Д.В. Сталь нового поколения в уникальных сооружениях-М.: Интермет Инжиринг, 2005 - 176с.

3. Насонов В.Н. Стальной каркас дворца советов / Стальные каркасы многоэтажных зданий / Сб. статей под ред. В.А. Балдина - М., Л.: Госиздат строительной литературы, 1939 г. - с. 79-99.

4. Кураев В.В., Чернашкин В.Г. Сталь Дворца Советов. - М.: ОНТИ, 1939 - 96с.

5. НиТУ 121-55. Нормы и технические условия проектирования стальных конструкций - М: Госиздат лит. по стр-ву и арх-ре, 1955 - 17с.

6. СНиП II - В.З - 62* Стальные конструкции. Нормы проектирования. - М.: Изд. литературы по стр-ву, 1969 - 62с.

7. ГОСТ 5058 - 65 «Сталь низколегированная конструкционная. Марки и общие технические требования» - М.: Изд. стандартов, 1965 - 10с.

8. Соколовский П.И. Малоуглеродистые и низколегированные стали - М.: Металлургия, 1966 - 216с.

9. Облегченные несущие металлические конструкции / под ред. А.Г. Соколова -М.: Госиздат лит. по стр-ву, арх-ре и стройматериалам, 1963 - 281с.

10. Балдин В.А., Беляев Б.И., Соколовский П.И. и др. Стали повышенной и высокой прочности для строительных конструкций // Промышленное строительство - 1964. №1. с.10-15.

11. Металлические конструкции / Сб. статей под ред. В.А. Балдина — М.: Изд. лит. по стр-ву, 1968 - 189 с.

12. Гладштейн Л.И., Литвиненко Д.А. Высокопрочные строительные стали - М.: Металлургия, 1972-240с.

13. Жербин М.М. Высокопрочные строительные стали - Киев: Будевельник, 1974-160 с.

14. Касаткин Б.С., Мусияченко В.Ф. Низколегированные стали высокой прочности для сварных конструкций - Киев; Техника, 1970 - 88с.

15. Тылкин М.А., Большаков В.И, Одесский П.Д. Структура и свойства строительной стали - М.: Металлургия, 1983 - 287 с.

16. Гольдштейн М.И., Гринь A.B., Блюм Э.Э., Панфилова JI.M. Упрочнение конструкционных сталей нитридами -М.: Металлургия, 1970 - 220 с.

17. Мельников Н.П., Гладштейн Л.И. Стали с нитридным упрочнением для строительных металлических конструкций // Вестник АН СССР, 1978 №6, с. 80-99.

18. Шнееров Я.А., Вихлевщук В.А. Полуспокойная сталь. - М.: Металлургия, 1973-367 с.

19. Полу спокойные стали для строительных металлических конструкций / под ред. В.А. Балдина-М., Стройиздат, 1976- 195 с.

20. Гладштейн Л.И., Гусев Б.В. Лучшее в строительной науке и технике. - М.: Знание, 1980-72 с.

21. Шабалов И.П., Шафигин З.К., Муратов А.Н. Ресурсосберегающие технологии производства толстолистового проката с повышенными потребительскими свойствамию - М.: Металлургиздат, 2007 - 352 с.

22. Покрытие Большой спортивной арены стадиона «Лужники» г. Москва (проектирование, научные исследования и строительство) - М.: Фортэ, 1998 - 144с.

23. Одесский П.Д., Ведяков И.И., Гуркалов П.И. Применение сталей высокой прочности при реконструкции Гостинного двора // Монтажные и спец. работы в стр-ве. 1999, №5. С. 13-18.

24. Строительство стадиона «Локомотив» // Монтажные и спец. работы в стр-ве. 2002, №6.

25. Строительство Крытого Конькобежного центра в Крылатском (Москва) -2005, №3.

26. Murao К. Prod, and Techn. 1960, v.15, №7 p. 14-18.

27. Barr W. Yron an steel, 1959, v.32, №6, p. 219-223.

28. Garlang Y.G., Kirkwood P.R., Still J. K. Weld and Metal Fabr. 1975, 43, №7, p. 528-532.

29. Perry С. Arnold. Metal Progress. - 1965. v.88, №2, p. 82-90.

30. Травуш В.И., Одесский П.Д., Конин Д.В. Прокат больших толщин для высотных зданий и большепролетных сооружений // Academia. Архитектура и строительство. -2009. №1. С. 81-87.

31. Кулик Д.В., Одесский П.Д., Шабалов И.П. Требования к прокату для металлических конструкций - М.: ООО «4-ТЕ Арт» - 2003 - 56с.

32. Стародубов К.Ф., Соколовский П.И., Сергеев A.M. // Механические свойства строительных сталей, термически упрочненных после нагрева при прокате профилей // Промышленное строительство — 1970. №7 - 13-17с.

33. Узлов И.Г., Савинов В.Я., Поляков С.Н. Термическая обработка проката -Киев: Техника, 1980- 160с.

34. Шабалов И.П. Термомеханическое и термическое упрочнение стали для металлических конструкций - М.: Металлургиздат, 2004 — 64с.

35. Одесский П.Д., Ведяков И.И. - М.: Интермет Инжиринг, 1999 - 224с.

36. Бабич В.И., Черненко В.Т. Термическое и термомеханическое упрочнение сортового проката //Бюллетень «Черная металлургия», 1987, №5, 34-43 с.

37. Одесский П.Д., Черненко В.Т. Фасонный прокат высокой прочности с конструктивной анизотропией // Металловедение и термическая обработка металлов - 1992. №8. 13-17с.

38. Одесский П.Д., Красовская Г.М., Зборовский JI.A. Обеспечение высокого сопростивления хрупкому разрушению стержней арматуры нового поколения А500С со структурой естественного композита // Материаловедение. 1999. №11. 49-55с.

39. Микляев П.Г. Анизотропия // Энциклопедия неорганических материалов: Т1. Киев: Главная редакция УСЭ. 1977. С.78-81.

40. Кугушин A.A., Черненко В.Т., Бабич В.И. и др. Повышение прочности и хладостойкости угловых профилей путем термического упрочнения с прокатного нагрева // Сталь. 1986. №9. С. 72-77.

41. Айзатулов P.C., Черненко В.Т., Мадатян С.А. и др. Освоение массового производства экономичной арматурной стали повышенной надежности класса А400С для железобетона // Сталь. 1998, №6, с.53-58.

42. Мадатян С.А. Арматура железобетонных конструкций. - М.: Воентехмет. 2000-256с.

43. Одесский П.Д., Зборовский Л.А., Абашева Л.П. О теоретических основах повышения прочности арматурной стали нового поколения // Бетон и железобетон. 1997. №1. С.5-8.

44. Одесский П.Д., Конин Д.В., Кулик Д.В. Инженерные свойства проката для уникальных строительных конструкций // Черная металлургия. Бюллетень научно - технической и экономической информации. 2008 - вып. 9 (1305) - с. 41-48.

45. Одесский П.Д., Кулик Д.В. Стали с высоким сопротивлением экстремальным воздействиям. - М.: Интермет Инжиринг, 2008 - 239с.

46. Arcelor Mittal. Sections and Merchaut Bars. Sales Programme. Pierre - Fraucois Grosjeam, 2005.- p.233.

47. Хайстеркамп Ф., Хулка К., Матросов Ю.И. и др. Ниобийсодержащие низколегированные стали. - М.: Интермет Инжиринг, 1999 - 94 с.

48. Матросов Ю.И., Литвиненко Д.А., Голованенко С.А. Сталь для магистральных газопроводов - М.: Металлургия, 1989 - 288с.

49. Раузин Л.С., Шур Е.А. Конструктивная прочность стали - М.: Машиностроение, 1975 - 58с.

50. Одесской П.Д., Ведяков И.И, Ударная вязкость сталей для металлических конструкций. - М.: Интермет Инжиринг, 2003 - 232с.

51. Ishikawa N., Endo, S. JgiD u.a. Duetile Fracture Behavior of Girth Welden Joints And Strain Based Design for High Streng the Linepipes // Proc. Of the Fourth Jut. Pipeline Technology Conférence. Vol. J. Ostende, Belgiam, 2004.

52. Denys R. Lefevre A. Material Test requirements For Strain - Based Pipeline Design // CBMM Conférence, Araxa, Jan 2006. То be published by TMS.

53. BS 7910: 2000. Guide on Methods for Assessing the Acceptabilité of Flaws in Metallic structures, British Standards Institution.

54. Одесский П.Д., Форхайм К., Кулик Д.В. Оценка инженерных свойств проката больших толщин для строительных конструкций // Сталь. 2009. №83 сЗ 6977.

55. Металлические конструкции. В Зт. Т.З (справочник проектировщика) - М.: Изд-во ФСВ, 1999-528 с.

56. Махутов Н.А. Деформационные критерии разрушения и расчета элементов конструкций на прочность - М.: Машиностроение, 1987 - 272с.

57. Даффи В.Р. Макклур М., Айбер Дж, Мэкси У.А. Практические примеры расчета на сопротивление хрупкому разрушению трубопроводов под давлением // Разрушение/пер. с англ. В 7-и Т. - Т.5. Расчет конструкций на хрупкую прочность. - М.: Машиностроение, 1977 - с. 146-209.

58. Ударные испытания металлов / пер. с англ. - М.: Мир, 1973 - 316 с.

59. Одесский П.Д., Соловьев Д.В., Форхайм К. Оценка сопротивления проката для металлических конструкций распространению трещин // Деформация и разрушение металлов. 2005. №9. С. 11-19.

60. Боулгер Ф.У. Оценка вязкости разрушения стали. // Разрушение / пер. с англ. в 7 - ми в т, т.6. Разрушение металлов. - М.: Металлургия, 1976 - с. 183-245.

61. Витцель А.И., Эдсмит Н.Р. Влияние температуры на разрушение // Разрушение/ пер. с англ. в 7 - ми т. Т.4. Исследование разрушения для инженерных расчетов - М.: Машиностроение, 1977 - с. 68-104.

62. Нотт Дж.Ф. Основы механики разрушения - М.: Металлургия, 1978 - 356с.

63. Kinzel A. Dietility steels for welden structures // Transactions of the ASM. 1948.№40. p.36-79/

64. Pellini W.S. Andances in Fracture Toughness Characterization Procédures for and in Quantitative Interprétation to Fracture - Safe Design for structures steels // Bull. 130, Welding Research Couneil, May. 1968.

65. Одесский П.Д., Кулик Д.В., Форхайм К. О нормативной оценке нижней критической температуры вязко - хрупкого перехода толстолистовых сталей

для конструкций ответственного назначения // Деформация и разрушение металлов. 2006. №12. С. 26-32.

66. Хеллан К. Введение в механику разрушения. - М.: Мир, 1988 - 364 с.

67. Москвичев В.В., Махутов H.A., Черняев А.П. и др. Трещиностойкость и механические свойства конструкционных материалов и технологических систем - Новосибирск: Наука. 2002 - 334с.

68. Злочевский А.Б. Экспериментальные методы в строительной механике - М.: Стройиздат, 1983. 192 с.

69. ГОСТ 25.506.-85. Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний материалов. Определение характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. - М.: Изд. Стандартов, 1985-62 с.

70. Мак - Ивили А. Дж. Анализ аварийных разрешений. - М.: Техносфера, 2012 -416с.

71. Маркочев В.И., Морозов Е.М. О критериях достоверности экспериментального определения вязкости разрушения // Физ.-хим. механика материалов - 1976. №2. С. 21-23.

72. В.А. Волков, A.M. Орестов. Экспериментальная оценка применимости методических указаний для определения характеристик трещиностойкости низкопрочных сталей // Унификация методов испытаний металлов на трещиностойкость. Вып. 2 -М.: Стандарты, 1982 - с. 10-31.

73. Гладштейн Л.И., Одесский П.Д., Ведяков И.И. Слоистое разрушение сталей и сварных соединений - М.: Интермет Инжиринг, 2009 - 256с.

74. Одесский П.Д., Ведяков И.И., Форхайм К. Об оценке температуры нулевой пластичности проката для металлоконструкций ответственного назначения. // Деформация и разрушение материалов - 2006. №6. С. 2-11.

75. Явойский В.И., Рубенчик Ю.И., Окенко А.П. Неметаллические включения и свойства стали. -М.: Металлургия, 1980. 176 с.

76. Кобрин М.М., Соколовский П.И. Особенности разрушения стали при циклических нагрузках в связи с анизотропией ее строения // Циклическая прочность металлов - М.: Изд. АН СССР. 1962. с. 94-109.

77. Голиков И.Н. Дендритная ликвидация в стали. - М.: Металлургиздат, 1958 — 319с.

78. Одесский П.Д. Анизотропия механических свойств высокопрочной стали для металлических конструкций. // Металловедение и термическая обработка металлов. 1969. №5. С. 26-31.

79. Балдин В.А., Одесский П.Д., Ратов В.А. Свойства листового проката из строительных сталей по толщине листов. // Промышленное строительство. 1975. №1. С. 33-36.

80. Шнееров Я.А., Андреев Б.К., Вихлевщук В.А. Основные направления внепечной обработки стали массового назначения // Сталь. 1981. №3. с. 3336.

81. Махутов H.A., Москвичев В.В., Козлов А.Г., Синяговская М.С. Механические свойства и методы оценки трещиностойкости металлов в направлении толщины листа // Заводская лаборатория. 1987. Т.53, №1. с.64-72.

82. Гурьева Е.С., Одесский П.Д. Установление расчетных сопротивлений стального проката больших толщин с учетом анизотропии // Совершенствование и развитие норм проектирования стальных строительных конструкций / Сб. науч. трудов. - М.: Изд. ЦНИИСК, 1981. С.31-42.

83. Farrar J.C., Dolby R.e., Baker R.G. Lamellar tearing in welded structural steels // Weld. I. - 1969. Vol.48. №7 - p. 274-282.

84. Lombardini I. Approach of lamellar tearing mechanism // Criteria for preventing serviu failure in welded structures: 32d Jut Symp. Jap. Weld. Soc. - Tokyo, 1978 -p. 397-402.

85. Одесский П.Д., Гурьева Е.С. Влияние пластической деформации на анизотропию механических свойств стальных листов большой толщины для

строительных конструкций// Строительная механика и расчет сооружений. 1991. №1. с.70-77.

86. Dorn L., Laichoe kming. Prüfverfahren zum Beurteilen der Lamellenrißempfindichkeit von Stahlblechen // Schweiß und Schneid. 1978. Bd. 30.H.4. s.127-132.

87. Пирусский M.B., Макарова H.B., Одесский П.Д. и др. К выпуску стандарта на растяжение толстолистового проката в направлении толщины// Заводская лаборатория. 1993. №8. с.53-56.

88. Гладштейн Л.И.. Одесский П.Д.. Пирусский М.В. О пластичности листовой стали в направлении толщины // Сталь. 1995. №10. с.57-62.

89. Аснис А.Е., Иващенко Г.А. Повышение прочности сварных конструкций. -Киев,: Наукова думка, 1978 - 217 с.

90. Балдин В.А., Кобрин М.М., Соколовский П.И. Анизотропия механических свойств толстолистовой малоуглеродистой стали // Промышленное строительство. 1966. №4. с. 35-38.

91. Доронин В.М. Термическая обработка поковок // Металловедение и термическая обработка стали и чугуна в 3-х т. под ред. А.Г. Рахштедта, Л.М. Капуткиной, С.Д. Прокошкина, A.B. Супова / Т.З. Термическая и термомеханическая обработка стали и чугуна - М.: Интермет Инжиринг, 2007 - с.713-726.

92. Развитие идей академика В.Д. Садовского / Сб. трудов. - Екатеринбург, ИФМ УроРАН, 2008 - 408с.

93. Кутьин А.Б., Забильский В.В. Структура, свойства и разрушение конструкционных сталей - Екатеринбург: УроРАН, 2006 - 369с.

94. A.M. Нахимов. Строение, свойства и термическая обработка стальных поковок // Металловедение и термическая обработка стали / Справочник. T.II / под ред. М.Л. Берштейна и А.Г. Рахштадта - М.: Госиздат по черной и цветной металлургии, 1962 - с. 874-902.

95. Назаров Ю.П., Жук Ю.Н., Симбиркин В.Н., Егоров М.И. Басманный рынок: анализ конструктивных решений и возможных механизмов разрушения здания // Строительная механика и расчет сооружений - 2007. №2. с.49-55.

96. Малахов Н.В., Орлов В.В., Хлусова Е.И. Ванадий в судостроительных сталях // Проблемы производства и применения сталей с ванадием: Материалы международного научно-тех. семинара (Екатеринбург, 26-27 марта, 2007г.) -Екатеринбург: УроРАН. 2007 - с. 252-256.

97. Клейнер JI.M., Шацов A.JT. Конструкционные высокопрочные низколегированные стали мартенситного класса - Пермь:. Изд. ПГТУ, 2008. 303с.

98. Смоляренко В.Д., Черняковский Б.П., Овчинников С.Г. Инновационная замена конвертерного производства на компактный электросталеплавильный комплекс // Сталь. 2005. №8с. 49-50.

99. Шабалов И.П., Морозов Ю.Д., Эфрон Л.И. Стали для труб и строительных конструкций с повышенными эксплуатационными свойствами. - М.: Мтеллургиздат, 2003 - 520с.

100. Одесский П.Д., Кудайбергенов Н.Б., Барышев В.М. Об оценках сопротивления хрупким разрушениям толстых листов из строительной стали при испытаниях образцов с наплавкой // Заводская лаборатория, 1993, №9 - с. 40...46.

101. Kinzel А.В. Ductility of steels for welded structures // Trans of the ASM.-1948 V40.p. 36-79.

102. Лагенберг P., Сивицки T., Заяц С., Хатчисон Б. Роль ванадия в микролегированных сталях - Екатеринбург, ГНЦ РФ «Уральский институт металлов». 2001-107с.

103. ОТТ - Трубы нефтепроводные большого диаметра. АК «Транснефть», 2009-34с.

104. Коррозионно-активные неметаллические включения в углеродистых и низколегированных сталях / Сб. трудов научно-практического семинара (Череповец, 2005, 15-17 февраля) -М.: Металлургиздат, 2005-184с.

105. Oliver R., Ritter W. Wölerlinien-katalog für Schweissverbindungen aus Baustählen: Einheitliche Answertung von Ergibnissen aus Schwingfestigkeit-svensuchen. Stumpfstoss Düsseldorf; DVS, 1979. Bd. 56 N: 1.575s.

106. Грибанов Л.И., Саррак В.И., Филиппов Г.А. Процессы зарождения трещин при замедленном разрушении стали в условиях насыщения водородом // ФММ. 1985. №5. С.996-1004.

107. Ларионов В.В., Баско Е.М., Горицкий В.М. Прочность шарнирных соединений больших диаметров // Промышленное и гражданское строительство 2010. №5. С. 9-12.

108. Troiano A.R. The role of hudrogen and of her interstitaialin the mechanical behavior of metals // Trans. ASM.-1960.v52.p.54-89.

109. Грибанов Л.И, Сарран В.И., Филлипов Г.А. Процесс заорждения трещины при замедленном разрушении стали в условиях насыщения водородом // ФММ. 1985. №5. С. 996-1004.

110. Тетельмен А. Водородная хрупкость сплавов железа // Разрушение твердых тел: сб. статей М.: Металлургия, 1967-С.463-499.

111. Потак Я.М. Хрупкое разрушение стали и стальных изделий - М.: Оборонгиз. 1955-380с.

112. Панасюк В.В., Андрейков А.Е., Харин B.C. Модель роста трещин в деформированных металлах при воздействии водорода // Физико-химическая механика материалов - 1987, №2. С.3-17.

113. Панасюк В.В., Андрейков А.Е., Харин B.C. Зарождение и рост микротрещин, порождаемых заблокированными скоплением дисловаций // Физико-химическая механика материалов - 1985, №2. С.5-16.

114. Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращение аустенита при охлаждении и отпуск закаленной стали // Металловедение и термическая обработка стали и чугуна: справ. Изд. В. 3-х т. Т2. Строение стали и чугуна. -М. Интермет Инжиринг, 2005 - с. 282...386.

115.Брейент К.Л., Бенерджи С.К. Межзеренное разрушение'спл^^^железа в неагрессивных средах // Охрупчивание конструкционных сталей и сплавов / пер. с англ. -М.: Металлургия. 1988.-с.29-58.

116. Шур Е.А. Термическая обработка рельсов // Металловедение и термическая обработка стали и чугуна: справ, изд. В Зх т. ТЗ. Термическая и термомеханическая обработка стали и чугуна — М.: Интермет Инжиниринг, 2007. - с.825-888.

117. Малахов Н.В., Орлов В.В., Хлусова Е.И. Ванадий в судостроительных сталях // Проблемы производства и применения сталей с ванадием: Мат-лы международ, науч.-техн. Семинара. Екатеринбург: УрО РАН, 2007 - с.252-256.

118. Клейнер Л.М., Шацов A.A. Конструкционные высокопрочные низкоуглеродистые стали мартенситного класса. - Пермь: изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008 - 303с.

119. Энтин Р.И. // Известия АН ССР. Металлы - 1977. №3. С. 114-120.

120. Утевский Л.М., Гликман К.Э., Карк Г.С. Обратимая отпускная хрупкость стали и сплавов железа. - М.: Металлургия, 1987-С.221.

121. Гервасьев М.А. Кинетика обратимой отпускной хрупкости в сталях с различными структурами // Развитие идей академика В.Д. Садовского/ сб.трудов. Екатеринбург, 2008. С.359-384.

122. Гольдштейн М.И., Грачев C.B., Векслер Ю.Г. Специальные стали. - М.: МИСиС, 1999-408с.