Введение к работе
Актуальность темы
Прочностные свойства стали, из которых изготавливаются каркасы зданий и сооружений, существенно зависят от температуры Строительными нормами предусматривается защита открытых частей металлических конструкций различными огнезащитными материалами на случай внезапного пожара с тем, чтобы предотвратить их нагрев до температуры, после которой начинается интенсивное разупрочнение стали Однако применение этого дорогостоящего огнезащитного материала приводит не только к увеличению себестоимости строительства, но и увеличивает сроки сооружения здания Кроме того, этот защитный материал наносится методом разбрызгивания, что является крайне вредным для рабочего персонала, и загрязняет окружающую среду
Ведущие фирмы мира, занимающиеся производством стали для строительных конструкций, занялись разработкой стали, способной сохранять свои прочностные свойства при высоких температурах на непродолжительное время Эти изыскания завершились образованием нового подкласса сталей — пожаростойкая (огнестойкая) сталь для строительных конструкций
Критерием оценки огнестойкости стали в строительных кодексах Австралии, Европы и Северной Америки является температура, при которой часть конструкции теряет половину своей прочности от прочности, определенной при комнатной температуре, а это происходит обычно приблизительно около 500—550 С для сталей большинства марок Японские нормы более жестки в том смысле, что они требуют сохранения при повышенной температуре (порядка 600 С и выше) 2/3 прочности от прочности при комнатной температуре Применение огнестойкого проката позволяет уменьшить толщину огнезащитного слоя конструкций наполовину, а в ряде случаев и больше, по сравнению с обычными конструкционными сталями
Принято считать, что огнестойкой может быть сталь, которая сохраняет при кратковременном нагреве при температурах огневого воздействия (600— 700 С) 0,6—0,7 своей прочности от прочности при комнатной температуре
Сложность разработки таких сталей состоит в том, что подобные стали должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к традиционным строительным сталям в отношении прочностных и пластических свойств, ударной вязкости, свойств в ^-направлении, свариваемости и т д Показателем огнестойкости таких сталей может служить их способность сохранять определенное значение предела текучести при заданной температуре в пределах определенного времени выдержки («1 ч)
В настоящее время создание и применение огнестойких конструкционных сталей в промышленном и гражданском строительстве является одной из важнейших задач строительной индустрии В связи с этим весьма актуально произвести оценку огнестойкости основных типов низколегированных сталей, которые могут быть применены для изготовления строительных металлоконструкций, разработать технологические принципы создания огнестойких сталей и опробовать эти принципы на примере конкретных составов низколегированных сталей, в том числе в условиях промышленного производства
Целью диссертационной работы является разработка на основе анализа механизмов упрочнения стали технологических режимов производства проката и химического состава огнестойкой строительной стали с допустимой температурой эксплуатации 600—700 С
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
разработать и опробовать составы и режимы прокатки огнестойких сталей разных систем легирования, обеспечивающих получение дисперсных, устойчивых к нагреву, структур,
оценить огнестойкость основных марок промышленных конструкционных сталей и сформулировать металловедческие и технологические принципы создания огнестойких до температур 600—700 С сталей,
— обосновать базовую систему легирования и на основе исследо
ваний структуры и комплекса механических свойств при комнатной и
повышенной температурах ряда опытных лабораторных сталей разра
ботать состав и технологию выплавки, внепечной обработки и контро
лируемой прокатки огнестойкой стали,
разработать нормативно-техническую документацию на производство и изготовить опытно-промышленную партию проката из огнестойкой стали в условиях металлургического комбината ОАО «УралСталь»,
провести комплексную оценку структуры, механических свойств и огнестойкости опытного металла,
провести натурные испытания проката из огнестойкой стали
Научная новизна:
— разработаны технологические режимы прокатки огнестойкой ста
ли, включающие в себя на стадии предварительной деформации полу
чение однородного мелкозернистого рекристаллизованного аустенита,
а при окончательной деформации в области точки Агъ нерекристалли-
зующегося аустенита с высокой плотностью дислокаций, последующее
ускоренное охлаждение, оставляющее большую часть введенных карбо-нитридообразующих элементов в твердом растворе и получение сдвиговой микроструктуры,
разработана технологическая концепция создания огнестойких сталей, основанная на получении структурного состояния, включающего в себя стабильную к нагреву дислокационную структуру, дисперсионное упрочнение и устойчивый к распаду твердый раствор,
установлено, что скорость охлаждения выше 12—15 С/сек повышает термическую стабильность структуры огнестойкой стали без существенного возрастания предела текучести при комнатной температуре,
предложена система легирования огнестойкой до 700 С стали 0,07C-0,7Mn-Cr-Mo-Nb-V,
— впервые установлена возможность получения огнестойкой до
800 С стали, микролегированной бором с получением полностью сдви
говой бейнитной структуры,
— разработана сквозная технология производства проката примени
тельно к условиям металлургического комбината «УралСталь»
Практическая ценность и реализация работы в промышленности:
впервые сформулированы требования к химическому составу и технологии производства проката из огнестойких строительных сталей классов прочности С255, С345 и С375 Разработаны технические условия ТУ 14-1-5399—2000 «Прокат листовой с повышенной огнестойкостью для стальных строительных конструкций»,
для условий комбината «УралСталь» разработана сквозная технология производства проката из огнестойких сталей (выплавка в электродуговых печах, разливка в слитки, прокатка на блюминге и реверсивном стане 2800 с термомеханической и термической обработкой),
впервые в России изготовлены промышленные партии проката из огнестойких сталей 06БФ и 06МБФ толщиной 8—40 мм и проведено исследование служебных свойств,
— проведены натурные испытания балок из огнестойкой стали
06МБФ, показано, что у разработанной стали по сравнению с традици
онной огнестойкость повышена в 2 раза,
использование разработанных огнестойких сталей позволяет повысить надежность и безопасность строительных конструкций в экстремальных условиях пожара, а также частично отказаться от дорогостоящих и экологически вредных защитных покрытий,
впервые в России введены требования в нормативно-техническую документацию к строительной огнестойкой стали по испытаниям на ударную вязкость на образцах с острым надрезом при —60 С
— ожидаемый экономический эффект в строительстве составит не менее 2,5 тыс руб на 1 т металлических конструкций
Основные научные положения, выносимые на зашиту.
-
Технологические принципы получения структурного состояния проката с повышенным сопротивлением пластической деформации при температурах 600—700 С стабильная к возрастанию температуры дислокационная структура, дисперсионное упрочнение, в том числе при нагреве, устойчивый к распаду при нагреве твердый раствор
-
Закономерности влияния параметров термомеханической прокатки и режимов охлаждения на термическую устойчивость проката из огнестойкой стали
-
Разработанная сквозная технология промышленного производства проката из огнестойкой стали
4 Закономерности формирования структуры и механических
свойств низколегированных сталей в зависимости от состава и режимов
термодеформационной обработки
5 Предложенная базовая система легирования 0,07С—0,7Мп—Сг—
Мо—V—Nb и химический состав огнестойкой строительной стали
Апробация работы.
Материалы диссертации доложены на IX Международном конгрессе сталеплавильщиков (г Старый Оскол, 17—19 октября 2006 г), конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получение» («Неделя металлов в Москве», 13—17 ноября 2006 г), Международной научно-технической конференции «Современные материалы и технологии в металлургии и машиностроении» (г Киев, 17—21 сентября 2007 г)
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ, в том числе 1 монография
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка литературы из 125 наименований Работа изложена на 204 страницах машинописного текста, содержит 66 рисунков и 50 таблиц
