Металлопрокат с резкой
Резка металлопроката с применением термических методов Автогенная резка выжиганием, резка лазером и плазменная резка – это три основных группы предназначенных для производства металлопроката с резкой посредством термических методов. Данные методы позволяют разрезать практически все виды стали. Выбор одного из способов термической резки происходит в зависимости от толщины стали и качества резки.
Резка металлопроката с применением механических методов
Механические методы производства металлопроката с резкой осуществляются абразивными кругами, правильно-отрезными автоматами и гильотинными ножницами. Абразивная резка обеспечивает высококачественный срез без наплыва и смятия кромки с точностью до 2 мм.
Правильно-отрезные автоматы для приготовления металлопроката с резкой на равные длины, позволяют разрезать сталь любой длины. Гильотинные ножницы предназначены для качественной рубки стали толщиной до 12 мм. Резка в данном случае производится посредством кривошипных листовых ножниц. Для осуществления качественного производства металлопроката в СПб и для выбора подходящего метода резки, необходимо знать прочность стали, приготовленной для резки.
Основываясь на прочности, сталь делится на три группы:
- Обычной прочности ( Ơ у < 29 кН/см2)
- Повышенной прочности (29 кН/см2 < Ơ у < 40 кН/см2)
- Высокой прочности (Ơ у > >40кН/см2)
При помощи легирования и термической обработки достигается более высокая прочность стали.
Сталь обычной прочности (Ơ у < 29 кН/см2).
К данной группе относятся низкоуглеродистые стали различного раскисления (С235…..С285), которые поставляются в горячекатаном состоянии. Данный вид стали очень пластичен, не смотря на относительно малую прочность: длина площади текучести составляет 2.5 процента, а то и больше, а соотношения ау/аи 0.6 ….. 0.7. Отличная свариваемость обеспечивается благодаря низкому содержанию кремния и углерода (не более 0.22 процента). Стойкость к коррозий – на среднем уровне, именно поэтому эту сталь лучше всего покрывать лакокрасочными средствами. Однако сталь обычной прочности имеет довольно низкую цену и отличные технологические свойства, что способствует к ее широкому применению для возведения металлических конструкций. Металлопрокат с резкой из стали обычной прочности не вызывает каких-либо дополнительных проблем. Самым большим недостатком низкоуглеродистых сталей пожалуй является склонность к хрупкому разрушению при относительно низких температурах (особенно для кипящей стали С235), именно поэтому их эксплуатация ограничена на территориях с низкими температурами.
Сталь повышенной прочности (29 кН/см2 < Ơ у < 40 кН/см2)
Сталь повышенной прочности (С345……С390) в основном получают при термоупрочнении низкоуглеродистой стали (С345Т), или же путем введения легирующих добавок, обычно кремния и марганца, реже хрома и никеля, при выплавке стали. При всем этом протяженность текучести стали снижается до 1 – 1.5 процентов, а пластичность не снижается вообще.
Стали повышенной прочности (в особенности с высоким содержанием кремния) намного хуже свариваются и для предотвращения появления горячих трещин требуют использование специальных технологических мероприятий.
Этот вид стали очень близок низкоуглеродистым по стойкости к коррозии. Более высокой стойкостью к коррозии обладает сталь с повышенным содержанием меди (С345Д, С390Д, С375Д).
Значительно повысить сопротивление к хрупкому разрушению этой стали позволяет мелкозернистая структура низколегированных сталей.
Этот вид стали можно эксплуатировать в северных районах, где температура падает вплоть до -40 градусов и ниже, благодаря высокому значению ударной вязкости. Металлопрокат с резкой из стали повышенной прочности приводит к значительной экономии металла. Применение стали более повышенной прочности сэкономит вплоть до 25 процентов металла за счет более высоких прочностных свойств.
Сталь высокой прочности (Ơ у > 40 кН/см2)
Путем легирования и термической обработки получают прокат из стали повышенной прочности (С440……С590). Для легирования используют способствующие образованию мелкозернистой структуры нитридообразующие элементы.
Стали высокой прочности при отсутствии площадки текучести (при Ơ у > 50 кН/см2), теряют пластичность до 14 процентов и ниже. А также отношение ау/аи увеличивается до 0.8 … 0.9, что не позволяет учитывать пластические деформации при расчете конструкции.
Подбор термообработки и химического состава позволяет значительно поднять сопротивление к хрупкому разрушению, а также обеспечить высокую ударную вязкость при низких температурах (до -70 градусов). Однако возникают определенные трудности при изготовлении конструкции. Низкая пластичность и высокая прочность требуют мощного оборудования для резки металлопроката, сверления, правки и других операций.
Различные структурные изменения происходят при сварке термообработанных сталей, вследствие быстрого охлаждения и неравномерного нагрева в зонах сварного соединения. На одних участках металл имеет пониженную прочность и высокую пластичность, а также подвергается высокому отпуску, в других участках образуются закаточные структуры, которые обладают повышенной прочностью и хрупкостью. Применение высокопрочной стали позволяет сэкономить до 30 процентов металла по сравнению с низкоуглеродистой сталью.
Углеродистая и легированная сталь
Сталь делится на углеродистую и легированную, основываясь на химический состав. Углеродистые стали обыкновенного качества состоят из железа и углерода, с небольшой добавкой алюминия, или кремния, а также добавляют марганец. Прочие добавки (медь, хром и т. д.) специально не вводятся и могут попасть в сталь из руды. При насыщении стали углеродом, для повышения ее прочности, снижается пластичность и значительно ухудшается свариваемость стали. Именно поэтому при применении стали в возведении металлических конструкций используется только низкоуглеродистая сталь (углерода не больше 0.22%).
В состав легированных сталей помимо железа и углерода входят специальные добавки, улучшающие их качество. Поскольку большинство добавок в той или иной степени ухудшают свариваемость стати, а также удорожают ее, в строительстве в основном применяют низколегированные стали с суммарным содержанием легирующих добавок не более 5%.
Основными легирующими добавками являются кремний (С), медь (Д), хром (X), никель (Н), ванадий (Ф), молибден (М), марганец (Г), алюминий (Ю), азот (А). Состав легирующих добавок указывают в наименовании стали: первые две цифры в марке стали соответствуют содержанию углерода в нескольких сотых долях процента, далее перечисляют добавки и их содержание с небольшим округлением до целых процентов, цифру 1 при этом обычно не проставляют. Например: 09Г2С, 14Г2АФ.
Кремний раскисляет сталь, т.е. связывает избыточный кислород и повышает ее прочность, но снижает пластичность, ухудшает при повышенном содержании свариваемость и коррозионную стойкость. Повышенное содержание марганца довольно хорошо компенсирует вредное влияние кремния.
Марганец является хорошим раскислителем, повышает прочность и при соединении с серой, снижает ее вредное воздействие. При добавлении меди повышается прочность и значительно увеличивается стойкость стали к коррозии. Однако слишком большое количество меди (более 0.7%) приводит к старению стали, что значительно повышает ее хрупкость. Хром и никель повышают прочность стали без снижения пластичности и улучшают ее коррозионную стойкость. При добавлении Алюминия в сталь - повышается вязкость, нейтрализуется вредное влияние фосфора, а также сталь начинает раскисляться. Ванадий и молибден увеличивают прочность почти без снижения пластичности, предотвращают разупрочнение термообработанной стали при сварке.
Содержание азота в стали должно составлять не более 0.009%, иначе сталь станет более хрупкой и начнется более быстрый процесс ее старения. Для получения мелкозернистой структуры и улучшения механических свойств, в сталь добавляют ванадий, титан, алюминий, и другие элементы в химически связанном состоянии, которые в свою очередь образуют нитриды и становятся легирующими элементами.
Вредные примеси - к ним в первую очередь относится фосфор, который, растворяясь в феррите, повышает хрупкость стали, особенно при пониженных температурах (хладоломкость). Однако при наличии алюминия фосфор может служить легирующим элементом, повышающим коррозионную стойкость стали. На этом основано получение атмосферостойких сталей. Сталь становится красноломкой (проявляет трещины при температуре от 800 до 1000 градусов) при избыточном количестве серы. Это особенно опасно для сварных конструкций. Однако вредное влияние серы значительно снижается при более большом содержании марганца. Количество фосфора и серы в стали не должно превышать 0.05%.
Насыщение газами оказывает очень вредное влияние на механические свойства стали, газы в свою очередь могут попасть в сталь при расплавленном состоянии. Действие кислорода на сталь очень схоже с воздействием серы, однако имеет более сильную степень, а также снижает качество стали несвязный азот. Водород в свою очередь при удержании в самом незначительном количестве равном 0.0007% концетрируется около включений в межкристаллических областях, затем вызывает высокие напряжения в микрообъемах, что в свою очередь оказывает пагубное влияние на пластические свойства. Именно по данным причинам необходимо беречь сталь, в раскаленном состоянии, от воздействия атмосферы.
Сталь подразделяют на термообработанную и горячекатаную (термически улучшенную и нормализированную) в зависимости от вида ее поставки. Довольно редка сталь обладает оптимальным комплексом в горячекатаном состоянии. При нормализации, существенного повышения прочности не наблюдается, однако замечается повышается однородность, измельчение структуры и увеличение вязкости стали. Для достижения более высокой прочности, производят термическое улучшение (высокотемпературный отпуск и закалка в воде). Если проводить закалку прямо с прокатного нагрева, тогда можно значительно снизить количество затрат на термическую обработку.
Сталь, в зависимости от раскисления, может быть кипящей, спокойной или полуспокойной
В следствии выделения большого объема газов, при разливке, не расксиленная сталь начинает кипеть: данный вид стали называется – кипящей, именно она больше других видов засорена газами и считается мене однородной.
Под видом неравномерного распределения химических элементов, по всей длине слитка изменяются механические свойства стали. Наиболее рыхлой при этом получается головная часть слитка (вследствие наибольшего насыщения газами и усадки), и именно в головной части происходит самая большая ликвация углерода и вредных примесей. Именно по этому отрезается дефектная часть слитка, которая составляют около 5% всей массы слитка. Имея неплохие показатели по временному сопротивлению и текучести, кипящие стали проявляют худшее сопротивление к старению и хрупкому разрушению.
Для повышения качества низкоуглеродистой стали, она раскисляется добавками кремния размером от 0.12 до 0.3%, или же добавками из алюминия до 0.1%. При соединении с растворенным кислородом, алюминий (или кремний) уменьшают его вредное влияние. Вдобавок, раскислители, при соединении с кислородом образуют различные алюминаты и силикаты в большом количестве, что способствует образованию мелкозернистой структуры стали (благодаря увеличению числа очагов кристаллизации), а в дальнейшем способствует повышению механических свойств и качества. Раскисленные стали называют спокойными, потому как они не кипят при разливке в изложницы. Спокойная сталь лучше других сваривается, а также лучше проявляет сопротивление динамическим воздействиям и более однородна. Данный вид стали применяют при возведении ответственных конструкции (благодаря ее стойкости к хрупкому разрушению), которые подвергаются сильным динамическим и статическим воздействиям.
Стоимость спокойной стали на 12 процентов выше кипящих, что ограничивает ее применение и заставляет нас переходить (когда это становится возможным по техническим соображениям) на продолжение строительства с использованием полуспокойной стали.
По качеству, полуспокойная сталь является промежуточной между спокойной и кипящей. Данный вид стали раскисляют более меньшим количеством кремния, от 0.05 до 0.15% ( в редких случаях алюминием). У полуспокойной стали отрезается меньший кусок от головной части, которая равна примерно 8% массы всего слитка. Полуспокойные стали по стоимости занимают также промежуточное положение. Низколегированную сталь в основном поставляют в спокойной модификации, в редких случаях в полуспокойной.
Нормирование сталей
Основным стандартом, регламентирующим характеристики сталей для строительных металлических конструкций, является ГОСТ 27772 - 88. Согласно ГОСТу, фасонный прокат изготовляют из сталей С235, С245, С255, С275, С285, С345, С345к, С375, для листового и универсального проката и гнутых профилей используются также стали С390, С390К, С440 и С590К. Стали С345, С375, С390 и С440 могут поставляться с повышенным содержанием меди (для улучшения коррозионной стойкости) при этом к обозначению стали добавляют букву Д.
>Буква С в наименовании означает сталь строительную, цифра показывает значение предела текучести в МПа, буква К - вариант химического состава.
Прокат поставляют как в горячекатаном, так и в термообработанном состоянии. Выбор варианта химического состава и вида термообработки определяется заводом. Главное - обеспечение требуемых свойств. Так, листовой, прокат стали С345 может изготовляться из стали с химическим составом С245 с термическим улучшением. В этом случае к обозначению стали добавляют букву Т, например С345Т.
В зависимости от температуры эксплуатации конструкций и степени опасности хрупкого разрушения испытания на ударную вязкость для сталей С345 и С375 проводятся при разных температурах, поэтому они поставляются четырех категорий, а к обозначению стали добавляют номер категории, например С345-1, С375-2.
Прокат поставляют партиями. Партия состоит из проката одного размера, одной плавки-ковша и одного режима термообработки. При проверке качества металла от партии отбирают случайным образом по две пробы. Из каждой пробы изготовляют по одному образцу для испытаний на растяжение и изгиб и по два образца для определения ударной вязкости при каждой температуре. Если результаты испытаний не соответствуют требованиям ГОСТа, то проводят повторные испытания на удвоенном числе образцов. Если и повторные испытания показали неудовлетворительные результаты, то партию бракуют.
По углеродному эквиваленту, в процентах, проводится оценка свариваемости стали. Где Mn, Cr, Cu, C, P, V и Si – это массовое значение в процентах марганца, хрома, меди, углерода, фосфора, ванадия и кремния.
Сварка стали не вызывает особых затруднений при Сэ < 0.4%, однако при 0.55%>Сэ>0.4% сварка вполне возможна, но требуется применения особых мер по предотвращению возникновения трещин. Опасность появления трещин резко возрастает при Сэ>0.55%.
По требованию заказчика мы проводим ультразвуковой контроль, который применяется для проверки металла на сплошность и предупреждения расслоя, в некоторых случаях.
Оценку свариваемости стати проводят по углеродному эквиваленту (%). где С, Mn, Si, Cr, Ni, Си, V и Р - массовая доля углерода, марганца, кремния, хрома, никеля, меди, ванадия и фосфора, %.
Если Сэ < 0,4%, то сварка стали не вызывает затруднений, при 0,4%< Сэ < 0,55% сварка возможна, но требует принятия специальных мер по предотвращению возникновения трещин. При Сэ > 0,55% опасность появления трещин резко возрастает.
Для проверки сплошности металла и предупреждения расслоя в необходимых случаях по требованию заказчика проводят ультразвуковой контроль.
Отличительной особенностью ГОСТ 27772 - 88 является использование для некоторых сталей (С275, С285, С375) статистических методов контроля, что гарантирует обеспеченность нормативных значений предела текучести и временного сопротивления.
Строительные металлические конструкции изготовляют также из сталей, поставляемых по ГОСТ 380 - 88* «Сталь углеродистая обыкновенного качества», ГОСТ 19281 - 89 «Прокат из стали повышенной прочности. Общие технические условия» и другим стандартам.
Принципиальных различий между свойствами стали, имеющими одинаковый химический состав, но поставляемым по разным стандартам, нет. Разница в способах контроля и обозначениях. Так, по ГОСТ 380-88* в обозначении марки стали указываются группа поставки, способ раскисления и категория.
При поставке по группе А завод гарантирует механические свойства, по группе Б - химический состав, по группе В - механические свойства и химический состав.
Степень раскисления обозначается буквами: кп - кипящая; сп -спокойная; пс - полуспокойная.
Для низкоуглеродистых сталей в зависимости от вида испытаний на ударную вязкость установлено 6 категорий: категории 1,2 - испытания на ударную вязкость не проводят, 3 - проводят при t = +20°С, 4 - при -20°С, 5 - при -20°С и после механического старения, 6 - после механического старения.
Все эти факторы указывают в марке стали. Так, например, ВСтЗпсб - это сталь 3, полуспокойная, с гарантией в пределах величин, установленных стандартом для этой стали, механических характеристик, химического состава и ударной вязкости после механического старения. В строительстве в основном используют стали марок ВСтЗкп2, ВСтЗпсб и ВСтЗсп5, а также сталь с повышенным содержанием марганца ВСтЗГпс5.
Стали, поставляемые по разным стандартам, взаимозаменяемы. Так, сталь С235 соответствует стали ВСтЗкп2, сталь С245 - ВСтЗпсб, сталь С255 - ВСтЗсп5. Рекомендации по такой замене, приведены в нормах проектирования.
Химический состав исходного сырья, объем плавильных агрегатов и способ выплавки, температуры при прокате и усилия обжатия, условия готового проката - от всего этого зависят свойства металлопроката. При таком большом количестве многообразных факторов, которые влияют на качество стали, показатели прочности и многих других свойст имеют определенный разброс, и рассматриваются как случайные величины. Статистические гистограммы распределения, которые показывают относительную частоту (долю) того или другого значения характеристики, дают четкое представление об изменчивости характеристик. Гистограммы вполне могут быть аппроксимированы некоторыми из теоретических кривых распределения. Для правильного распределения предела текучести стали, лучшим является нормальный закон распределения плотности.
Указанные в стандартах на поставку металла значения предела текучести имеют обеспеченность не ниже 0,95. По этим значениям производят отбраковку металла на металлургических заводах. При этом значительная часть металла (свыше 95%) имеет прочностные характеристики выше установленных в стандартах.
Для более полного использования прочностных свойств стали и экономии металла можно по результатам испытаний дифференцировать прокат из одной стали на несколько групп прочности. В ГОСТ 27772 - 88 такой подход используют для проката толщиной до 20 мм из сталей С245 и С275, а также С255 и С285, С345 и С375.
Атмосферостойкая сталь
Низколегированная сталь, которая содержит хром, медь и никель в небольшом процентном соотношении, применяется для повышения коррозийной стойкости в эксплуатации различных металлических конструкций.
Сталь с добавкой фосфора (С345к) наиболее эффективна в конструкциях, который подвергаются атмосферным воздействиям. На поверхности такой стали образуется оксидная пленка, которая обладает достаточной прочностью для защиты металла от коррозии. В тоже время свариваемость стали при обилие фосфора значительно ухудшается. Применение стали С345к рекомендовано при толщинах не более 10мм, в других случаях она обладает пониженной хладостойкостью.
Читайте также:
Строительная арматура
Балка двутавровая
Лист стальной
