К 60-летию ПНИИчермета им. И.П.Бардина
УДК 669.14.01 8.29:624.01
МОСТОВЫЕ СТАЛИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПРИРОДНОЛЕГИРОВАННЫХ РУД ХАЛИЛОВСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
©И.Ф. Пемов, Ю.Д. Морозов, ЦНИИчермет им. И.П. Бардина, A.M. Степашин, Г.Н. Мулько, ООО "Уральская Сталь" (ОХМК), A.C. Платонов, ОАО ЦНИИС, С.А. Аксютин, ОАО "Мостостройиндустрия"
Развитие мостостроения связано непосредственно с улучшением качества стального проката и повышением эффективности производства как на металлургических комбинатах, так и на предприятиях транспортного строительства. При этом важнейшим показателем качества является надежность мостовых конструкций и мостовых сооружений в целом в соответствии с ГОСТ 27751 "Надежность строительных конструкций и оснований".
Ранее для изготовления металлоконструкций мостов длительное время применяли низколегированные феррито-перлитные стали 15ХСНД и 10ХСНД, разработанные в середине прошлого века с учетом требований по изготовлению и эксплуатации металлических мостовых конструкций и возможностей отраслевых науки и производства.
Основной нормативный документ, регламентирующий требования к металлопрокату для металлических мостовых конструкций - ГОСТ 6713 "Прокат низколегированный конструкционный для мостостроения. Технические условия" - предусматривал нормирование прочностных, пластических, вязкостных характеристик, а также условия и результаты ряда технологических испытаний металлопроката. Комплекс нормируемых свойств гарантировал достаточно надежную работу металла во всех элементах мостовых конструкций. Тем не менее, практика отечественного мостостроения уже в 1990-х годах выдвинула ряд дополнительных требований к качеству металлопроката, используемого для изготовления пролетных строений металлических мостов, в том числе:
• гарантированное обеспечение сопротивления хрупкому разрушению металла при отрицательных температурах (по результатам испытаний на ударную вязкость образцов с острым надрезом - КС\/);
• гарантированное обеспечение сплошности толстолистового проката не ниже 1, 2 классов ГОСТ 22727 (по результатам ультразвукового контроля);
• нормирование прочностных и пластических свойств толстолистового проката в направлении его толщины (/-свойства);
• нормирование максимального значения углеродного эквивалента.
Результаты совместных научно-исследовательских работ показали, что нового уровня качества проката
можно достичь при снижении концентрации вредных примесей (серы и фосфора), водорода, повышения чистоты по неметаллическим включениям всех типов [1], а также путем управления процессом выделения дисперсных частиц карбонитридов для максимального измельчения конечной структуры проката [2, 3].
В начале 1990-х годов в России производство проката из стали 10ХСНД и 15ХСНД для мостостроения стало нерентабельным и объемы его существенно сократились. Это негативно сказалось на мостостроении. Результаты анализа экономической эффективности производства на ведущих металлургических комбинатах проката из стали 10ХСНД и 15ХСНД показали, что его высокая себестоимость и низкая рентабельность выпуска связана в первую очередь с высоким содержанием в стали этих марок дорогостоящих никеля и хрома.
Высокий спрос на высококачественные мостовые стали при приемлемой цене обусловил разработку сталей нового поколения и технологий их производства, базирующихся на современных методах легирования. Первым среди российских металлургических комбинатов за решение проблемы взялся Орско-Халилов-ский металлургический комбинат (ООО "Уральская Сталь"). Анализ возможных вариантов решения возникшей проблемы показал необходимость комплексного подхода, предусматривающего:
• применение технологий, обеспечивающих высокую металлургическую чистоту стали по вредным примесям, неметаллическим включениям и газам;
• снижение верхнего предела содержания углерода, хрома, никеля при одновременном микролегировании сильными карбо- и нитридообразующими элементами;
• применение менее затратных технологий легирования.
При разработке сталей нового поколения для мостостроения было принято решение об использовании микролегирования ванадием или ниобием, позволяющем одновременно повысить как прочностные свойства по механизму дисперсионного твердения, так и пластичность и вязкость за счет измельчения конечной феррито-перлитной структуры. Возможность повышения прочностных характеристик позволила уменьшить содержание углерода, хрома и никеля, упрочняющих
сталь по "твердорастворному" механизму. При этом следует учитывать, что минимальные содержания никеля, хрома наряду с медью должны обеспечить достаточную стойкость к атмосферной коррозии, а вместе с углеродом и марганцем - необходимую степень устойчивости переохлажденного аустенита при термической обработке (нормализации или закалке с высоким отпуском) листового проката из разрабатываемых сталей.
Такой подход к разработке состава стали удачно вписывался в разработанную на комбинате комплексную технологию переработки природнолегированных руд Халиловского месторождения с экономически эффективным переводом легирующих (хрома и никеля) из руды в чугун и затем в сталь. Такая технология позволяла обеспечивать минимально необходимое содержание никеля и хрома в разрабатываемых сталях только за счет природного легирования [4].
Реализация принятой схемы легирования позволяла:
• существенно снизить себестоимость стали и проката, повысить экономическую эффективность производства металлопроката и тем самым обеспечить потребности российского мостостроения в толстолистовом прокате;
• путем комплексной обработки жидкой стали в пе-
чи и на установке ковш-печь заметно снизить содержание вредных примесей - серы и фосфора, обеспечить заданный химический состав в узких пределах;
• уменьшить загрязненность стали неметаллическими включениями и примесями цветных металлов;
• получить металл с более дисперсной феррито-пер-литной структурой при меньшем количестве перлита;
• улучшить пластичность, вязкость, хладостойкость, свариваемость, сплошность, повысить сопротивление ламилярным разрушениям толстолистового проката.
Для реализации выработанного решения были разработаны ТУ 14-1-5120-92, а разработанные природ-нолегированные стали обозначили марками 15ХСНДА и 10ХСНДА. По сравнению со сталями по ГОСТ 6713 и некоторыми зарубежными аналогами стали нового поколения характеризуются наиболее экономной системой легирования, а также жесткими нормами по содержанию вредных примесей (табл. 1). Максимальное значение углеродного эквивалента в разработанных композициях составляет 0,45% (0,52-0,55% у сталей по ГОСТ 6713 и 0,49-0,55% для зарубежных сталей-аналогов). Кроме этого, к прокату из природнолегиро-ванной стали при одинаковых требованиях по прочностным характеристикам требование по сопротивлению
Таблица 1. Максимальное содержание элементов в сталях для мостостроения в соответствии с нормативно-техниче-ской документацией, % (масс.)
Сталь С Мп Si S Р Сг Ni Cu Mo V Nb Углеродный эквивалент, %
15ХСНД
(ГОСТ 6713) 0,18 0,70 0,70 0,035 0,035 0,90 0,60 0,40 - - - -
10ХСНД
(ГОСТ 6713) 0,12 0,80 1,10 0,035 0,035 0,90 0,80 0,60 - - - -
15ХСНДА
(ТУ 14-5120-92) 0,15 0,90 0,70 0,010 0,015 0,60 0,50 0,40 - - 0,06 <0,45
10ХСЦДА
(ТУ 14-5120-92) 0,10 0,95 1,10 0,010 0,015 0,60 0,50 0,60 - - 0,06 <0,45
С (ASTM 588) 0,15 1,35 0,40 0,035 0,040 0,50 0,50 0,50 - 0,10 - -
К (ASTM 588) 0,17 1,20 0,50 0,035 0,040 0,70 0,50 0,50 0,10 - 0,06 -
50W тип В
(ASTM А709) 0,20 1,35 0,50 0,040 0,050 0,70 0,50 0,40 - 0,10 - <0,49
60А (CSAG.40.21)
0,20 1,35 0,40 0,040 0,030 0,70 0,90 0,60 V+ Nb < 0,10 <0,55
Таблица 2. Механические и технологические свойства проката для мостостроения в соответствии с нормативно-технической документацией
Сталь От. Н/мм2 Н/мм2 а, % Ударная вязкость, Дж/см2, не менее Класс УЗК (ГОСТ 22727) Доля волокна в изломе, не менее / длина расслоения, не более, %/мм Z. Н/мм2
KCU KCV
15ХСНЦ
(ГОСТ 6713) 345 490 21 29 (при -60 'С и -70 "С) - 3 50/15 - -
10ХСНД
(ГОСТ 6713) 390 530 19 29 (при -60 'С и -70 °С) - 3 50/15 - -
15ХСНДА
(ТУ 14-5120-92) 345 490 21 69 (при -60'С и -70 'С) 29 (при -20 'С и -40 *С) 0,1,2 80/0 270 35
10ХСНДА
(ТУ 14-5120-92) 390 530 19 69 (при -60 'С и -70 °С) 29 (при -20 "С и -40 "С) 0,1,2 80/0 290 35
С (ASTM 588) 345 485 18 - 27 (при -0 'С и -20 °С) 2,3 - - -
К (ASTM 588) 345 485 18 - 27 (при -0 "С и -20 'С) 2,3 - - -
50W тип В
(ASTM А709) 345 485 19 - 27 (при +21 °С, +4 'С, -12 °С 2,3 - - 15
60ACSA (G.40.21) 400 570 18 - 27 (при -0 "С и -20 'С) 2,3 - - 15
ШЯШШШЯВЖ
Таблица 3. Свойства нормализованного проката для мостостроения, произведенного по различным стандартам**
Сталь Ст, МПа а„, МПа 5,% кси-60, Дж/см2 КСТ"40, Дж/см2 Класс УЗК (ГОСТ 22727) Доля волокна в изломе / длина расслоения, %/мм <*вг> МПа ЧЬ*
15ХСЦД 350-445 490-595 19-25 29-155 5-40 3 50/15-70/5 50-160 5-10
ГОСТ 6713 390 530 23 65 25* 95* 8*
10ХСНД 390-555 535-645 19-26 33-105 10-55 3 50/1-80/0 65-190 5-11
ГОСТ 6713 455 550 23 85 29* 120* 7*
15ХСНДА 350-490 495-600 21-37 171-375 100-325 0, 1 100/0 430-540 35-65
ТУ 5120 410 540 28 261 185 единичн. 95/0 490 50
10ХСНДА 395-540 530-650 22-34 138-365 125-305 0,1 100/0 480-585 38-70
ТУ 5120 465 560 27 250 215 единичн. 95/0 520 54
* Для проката по ГОСТ 6713 указанные характеристики не нормируются, их определяли факультативно. ** В числителе - минимальное и максимальное значение, в знаменателе - среднее значение.
хрупкому разрушению (доли волокнистой составляющей в изломах) более жесткое (табл. 2). Введено также обязательное испытание на ударный изгиб на образцах с острым надрезом при -20 °С и 40 °С. Отсутствие внутренних несплошностей гарантирует тщательный ультразвуковой контроль классов 0, 1 или 2 ГОСТ 22727. Гарантии от возникновения ламилярных трещин в листах, а также при монтаже и эксплуатации мостовых конструкций обеспечивают разработанные нормы (ов7 > 0,75ов; Ч^ > 35%), контроль комплекса свойств проката в /-направлении,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.