Разработка рациональных режимов формирования заданного уровня качества высокопрочной арматуры для железобетонных шпал и реализа­ция результатов работы в промышленности

Оглавление

Toggle

Цикл статей:
Глава 1 – Повышение качества и конкурентоспособности высокопрочной арматуры диаметром 10,0 мм для железобетонных шпал на основе разработки рациональных режимов холодной деформации и термической обработки

Глава 2 – Моделирование напряженного состояния при волочении заготовки н^ размер под профилирование

Глава 3 – Разработка модели управления геометрическими показателями качества арматуры при профилировании

Глава 4 – Исследование формирования качества арматуры периодического профиля термическим упрочнением с отдельного нагрева

Глава 5 – Разработка рациональных режимов формирования заданного уровня качества высокопрочной арматуры для железобетонных шпал и реализа­ция результатов работы в промышленности

Выполненные исследования позволили разработать технологическую схему формирования качества высокопрочной арматуры периодического профиля диаметром 10,0 мм из кремнистых марок стали для армирования железобетонных шпал, состоящую из двух технологических блоков [84] (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Технологическая схема производства

На промышленных площадках метизных заводов целесообразно ис­пользование предлагаемых технологических блоков в единой технологиче­ской цепочке. Реализация режимов получения заготовки под профилирова­ние и операция нанесения периодического профиля исполняются на стан­дартном волочильном оборудовании и не требуют дополнительных матери­альных затрат. Финишное термическое упрочнение профилированной арма­туры осуществляется закалкой с последующим отпуском с использованием тепла печного или скоростных методов нагрева. Выбор методов термообра­ботки определяется материально-технической базой конкретного предпри­ятия. Такая организация технологического процесса обеспечит гибкость и

мобильность при смене сортамента, многовариантность схем получения го­товой продукции при выпуске малотоннажных партий.

На металлургических заводах при выполнении многотоннажных зака­зов возможно отдельное использование блока термического упрочнения при окончательном формировании механических свойств арматуры. В данном случае необходимо организовать производство на прокатном переделе пе­риодического профиля арматуры с соответствующими геометрическими по­казателями качества.

На базе выполненных исследований с учетом характера взаимодейст­вия между технологическими блоками разработана методика управления ка­чеством высокопрочной арматуры железобетонных шпал диаметром 10,0 мм и определены рациональные режимы обработки, обеспечивающие формиро­вание заданного уровня качества и повышение конкурентоспособности гото­вой продукции.

Методика управления качеством высокопрочной арматуры периодического профиля для железобетонных шпал

Исходной информацией на входе в методику служат показатели каче­ства горячекатаного подката (рис. 5.2). Показатели качества исходного под­ката из стали 40С2 должны соответствовать ТУ 14-101-481-2002, стали 55С2 -ГОСТ 14959. К исходной заготовке необходимо предъявлять жесткие требо­вания по металлографической чистоте стали по непластичным и неметалли­ческим включениям по содержанию газов и вредных примесей. Известно, что в результате повышения загрязненности стали по содержанию газов, а также Б, Р, Аэ, 8_В увеличивается склонность к образованию внутренних дефектов при волочении. Наиболее вредные примеси – азот, водород, кислород [30].

На втором шаге методики по инженерной формуле определяется раз­мер круглой заготовки под профилирование из учета получения необходи­мых параметров сцепления с бетоном и минимальной массы погонного метра арматуры. Затем на базе разработанного в главе 2 программного обеспечения производится анализ напряженного состояния при волочении на размер под профилирование, определяются степень деформации, отвечающая условиям финишной обработки, параметры волочильного инструмента и диаметр ис­ходного подката. В случае высокой исходной твердости горячекатаного под­ката в качестве дополнительного управляющего воздействия на металл мо­жет служить предварительная «смягчающая» термообработка-отжиг. Подго­товка поверхности исходного подката для волочения на размер под профили­рование осуществляется по рекомендациям, широко описанным в специаль­ной литературе [80,81]. Для устранения травильной хрупкости рекомендуется применять ингибиторы, в качестве которых служат многие органические ве­щества с содержанием азота уменьшающие разъедающее действие кислоты.

С использованием полученных моделей формоизменения рассчитыва­ется режим профилирования арматуры. Далее осуществляется расчет режи­мов финишной обработки арматуры на основе математических моделей из­менения механических свойств арматуры периодического профиля при тер­мическом упрочнении. Для стали 40С2 в качестве закалочной среды целесо­образно использовать воду, для стали 55С2, как более склонной к трещино- образованию можно рекомендовать закалочную среду на основе водораство­римых полимеров [82].

Необходимыми элементами методики являются ограничения, которые обеспечивают выполнение требований по стабильности формирования тре­буемого качества арматуры. В технологическом блоке «холодная пластиче­ская деформация» режимы обработки определяются с учетом следующих ограничений: возникновение при волочении на размер под профилирование неблагоприятной зоны напряженного состояния с преобладанием в очаге де­формации напряжений растяжения, повышенная овальность профиля, невы­полнение высоты анкерующего выступа. В технологическом блоке «терми­ческая обработка» в роли ограничений выступает несоответствие получен­ных механических свойств готовой продукции заданному уровню качества.

Для обеспечения соответствия между заданным и достигнутым по ре­зультатам контроля уровнем показателей качества готовой продукции мето­дика предусматривает корректирующие воздействия на свойства исходной заготовки, режимы волочения, профилирования и термообработки. Резуль­татом служат стабильные режимы холодной деформации на этапе получения периодического профиля и финишной термической обработки, обеспечи­вающие формирование заданных значений показателей качества и повыше­ние конкурентоспособности высокопрочной арматуры диаметром 10,0 мм для железобетонных шпал.

Результаты опытно-промышленной апробации и оценка уровня качества готовой продукции

Разработанные режимы реализованы на ОАО “МКЗ”, в условиях кото­рого были выпущены опытно-промышленные партии высокопрочной арма­туры по ТУ-14-125-704-96 диаметром 10,0 мм из сталей 40С2 и 55 С2 (При­ложение 1). Исходный горячекатаный подкат диаметром 13,0 мм подвергали рекристаллизационному отжигу по технологической инструкции ТИ-102-86- 192-05. Подготовку поверхности металла к волочению осуществляли в соот­ветствии с технологическими инструкциями, действующими на предприятии. Волочение подката на размер под профилирование вели в монолитных воло­ках на однократном стане 1/750 с использованием сухой смазки. Параметры волочильного инструмента по ГОСТ 9453, полуугол канала волоки 6°. Про­филирование вели по маршруту 11,2-10,0 мм на промышленных скоростях в клети-волоке со смещенными парами валков, установленной в линию воло­чильного стана ИЗТМ 10-28. Диаметр валков клети -170 мм. Калибровки вал­ков на рис. 5.3. Геометрические параметры периодического профиля контролировали микрометром типа МК 0 – 25 по ГОСТ 6507, а высоту выступа микрометром по ГОСТ 6727 СТП 2-41 – 88 со специальной пяткой. Линейную плотность
определяли взвешиванием одного метра профиля на весах марки ВНЦ – 2 по ГОСТ 29329.

а

б

Рис. 5.3. Схема калибровки валков профилирующей клети а- первая пара валков; б- вторая пара валков

Высота анкерующего выступа составляла 0,56±0,03. Масса погонного метра арматуры -0,616±0,004 кг. Овальность профилированной арматуры не превышала величины 0,2 мм.

Полученные арматурные прутки по геометрическим показателям и массе погонного метра полностью отвечали требованиям технических усло­вий. На процесс получения холодной пластической деформацией периоди­ческого профиля арматуры по ТУ-14-125-704-^96 разработана технологиче­ская карта ТК 176-МТ.ПР-112-2006 (Приложение 2).

Далее задача достижения требуемого уровня качества арматуры реша­лась с применением методов термического упрочнения профилированных прутков путем закалки с последующим отпуском. Закалку образцов осущест­
вили на установке УТВЧ, оснащенной двумя индукционными нагревателями и охлаждающим устройством с тангенциальной подачей воды. Скорость про­хождения металла через индукционную установку составляла 1,5 м/мин. Час­тота тока -4000Гц. Напряжение 600 В. Давление воды составляло 3 атм. Тем- пературно-временные параметры отпуска определили с использованием мо­делей, описывающих формирование механических свойств арматуры перио­дического профиля из сталей 40С2 и 50С2А. Измерение температуры метал­ла при термообработке производили оптическим пирометром. В процессе об­работки температура металла после первого индуктора составляла 740±20° С, перед охлаждающим устройством для стали 40С2 температура имела зна­чение 940-950 ⁰ С, для стали 55С2 – 920-930 ⁰ С. Структура закаленных об­разцов-мартенсит 3-5 балла. Твердость НЯС 56-60.

Печной отпуск профилированных прутков вели на роликовой проход­ной печи в течение 30 минут при температуре 360±15° С для стали 40С2 и 390±15° С для стали 50С2А. Индукционный отпуск выполнили на установке УТВЧ, отключив один индуктор, при скорости движения металла 1,5 м/мин и пониженным давлением воды по следующим режимам: для стали 40С2- тем­пература прутков на выходе из индуктора 500±10° продолжительность от­пуска- 40 сек.; для стали 50С2А – 540 ±10° С и 40 сек. В процессе производ­ства отбирались образцы для испытаний эксплуатационных свойств армату­ры. Механические испытания проводились согласно ГОСТ 12004 – 81 в сер­тифицированной ЦЗЛ ОАО “МКЗ” (ОАО ММК-МЕТИЗ») на разрывных ма­шинах типа ТО – 20. Обработку полученных данных проводили методами ма­тематической статистики. Механические свойства полученной арматуры при­ведены в табл. 5.1.

Из анализа результатов опытно-промышленной апробации было уста­новлено, что расхождение между предсказываемыми математическими мо­делями и фактически полученными механическими свойствами арматуры не превышает 12%. Опытно-промышленная проверка показала, что разрабо­танные режимы холодной пластической деформации и термообработки обес­печивают получение конкурентоспособной продукции с заданным комплек­сом показателей качества по ТУ-14-125-704-96.

Таблица 5.1 Механические свойства термоупрочненной арматуры

Важным аспектом апробации технических разработок явилось обосно­вание принципиальной возможности синхронного выполнения процессов за­калки и отпуска по ускоренным режимам в поточных технологиях термиче­ского упрочнения арматурной стали.

Результаты работы были использованы при составлении программы технического развития ОАО “ММКЗ” до 2010 г. по организации выпуска но­вых высоколиквидных видов продукции, разработке технического задания и проведении тендера по закупке оборудования для производства высокопроч­ной арматуры для железобетонных шпал.

Компоновка технологической линии финишной термообработки арматуры периодического профиля

Для организации промышленного производства высокопрочной арма­туры диаметром 10,0 мм для железобетонных шпал с использованием техно­логического блока термического упрочнения предлагается следующий состав оборудования специализированной поточной линии (рис. 5.4) :1 -устройство размотки профилированной арматуры; 2- правильно-отрезной станок; 3- приемный стеллаж; 4-проводящие ролики; 5-группа индукционных нагрева­телей под закалку; 6-устройство охлаждения водой; 7-индукционный нагре­ватель для отпуска; 8-ролико-правильное устройство; 9-контрольно- упаковочный стеллаж.

Исходной заготовкой для работы линии служит профилированная в хо­лодном состоянии арматура с периодическим профилем из кремнистых ста­лей марок 40С2 и 55С2.

Разматывающее устройство должно обеспечивать возможность работы линии с бунтов или катушки. Правильно отрезной станок служит для нарезки прутков арматуры мерной длины 2650±5 мм.

Далее прутки поступают на приемный стеллаж и с помощью проводя­щих роликов поступают в индукционные нагреватели. Параметры индукци­онных нагревателей должны обеспечивать возможность достижения необхо­димых для проведения закалочных операций температур нагрева металла 920 – 960°С. Рекомендуемые параметры: частота 4 – 8 кГц, напряжение 600 – 800В, сила тока 300-330 А. После нагрева арматурные прутки подвергаются закалке под давлени­ем воды 3-4 атм. Параметры закалочного устройства должны обеспечивать формирование структуры мартенсита в сталях. Рекомендуется закалочное устройство с тангенциальной подачей закалочной среды.

Выводы

1. Предложена результативная технологическая схема производ­ства высокопрочной арматуры диаметром 10,0 мм для армирования же­лезобетонных шпал, состоящая из блоков «холодная пластическая де­формация» и «термическое упрочнение».
2. Разработана методика управления качеством высокопрочной арматуры диаметром 10,0 мм для железобетонных шпал в предлагае­мом сочетании технологических блоков.
3. Проведена опытно-промышленная апробация разработанных технологических режимов получения арматуры периодического профи­ля на этапе холодной пластической деформации и финишного термиче­ского упрочнения по схеме «закалка-отпуск». Выпущены опытно- промышленные партии термоупрочненной арматуры 10,0 мм по ТУ 14­125-704-96 из кремнистых марок стали 40С2 и 55С2. Полученная арма­тура, с учетом реального разброса показателей качества, отвечает тре­бованиям технических условий.
4. Результаты работы использованы при составлении программы технического развития ОАО «ММК-МЕТИЗ» до 2010 г. по организации выпуска новых высоколиквидных видов продукции требуемого уровня качества.

Заключение

1. Предложена результативная схема производства высокопрочной арматуры диаметром 10,0 мм для армирования железобетонных шпал, состоящая из технологических блоков холодной пластической деформации и финишного термического упрочнения закалкой с отпуском.
2. На основе метода линий скольжения разработано программное обеспе-чение, позволяющее проектировать режимы получения заготовки под про-филирование путем оценки и анализа уровня ее напряженного состояния в зависимости от технологических параметров процесса волочения с учетом специфики финишной термообработки.
3. Разработана модель управления геометрическими показателями качества арматуры в процессе холодного профилирования в клети- волоке со смещенными парами валков. На основе модели разработаны калибровки валков и режимы профилирования, обеспечивающие формирование требуемых геометрических показателей качества арматуры.
4. Получены математические модели оценки изменения механических свойств арматуры периодического профиля из кремнистых марок стали 40С2 и 55С2 при термическом упрочнении по схеме «закалка-отпуск». На базе моделей определены режимы финишной обработки, обеспечивающие получение требуемого качества готовой арматуры.
5. Разработаны технологические режимы изготовления арматуры диаметром 10,0 мм для железобетонных шпал, обеспечивающие формирование заданного уровня качества и повышение конкурентоспособности готовой продукции. На процесс получения холодной пластической деформацией периодического профиля арматуры по ТУ-14-125-704-96 разработана технологическая карта ТК 176-МТ.ПР-112-2006.
6. Выпущены опытно-промышленные партии высокопрочной арматуры диаметром 10,0 мм из сталей 40С2 и 55С2. Даны рекомендации по составу оборудования специализированной поточной линии для промышленной peaлизации технологии термического упрочнения высокопрочной арматуры периодического профиля.
7. Разработана методика управления качеством высокопрочной арматуры железобетонных шпал диаметром 10,0 мм в гибком сочетании технологических блоков «холодная пластическая деформация»- «термическое упрочнение».
8. Результаты работы использованы в программе технического развития ОАО «ММК-МЕТИЗ» до 2010 г. по организации выпуска новых конкурен-тоспособных видов продукции с заданным уровнем качества.
9. Полученные в работе теоретические и практические результаты ис-пользуются в учебном процессе ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова» при подготовке инженеров по специальности 200503 – «Стандартизация и сертификация» и 150106 – «Обработка металлов давлением».

Список литературы

1. Ресурсосбережение в метизном производстве: Коллективная моно-графия. Магнитогорск, МГТУ,2001,163С.
2. A.A. Штер, Ю.Н. Попов. Волочение фасонных профилей в волоках со смещенными парами роликов // Труды четвертого конгресса прокатчиков., М.: Черметинформация, 2002.- Т.2.-С 186-187.
3. И.Д. Костогрызов., B.C. Славин. Волочение фасонных профилей вы-сокой точности в клетях-волоках с многовалковым калибром // Производство проката.-№7.- 1999.-С.23-26.
4. Гулько В.И. Войцеховский В.А. Производство профилей и проволоки в роликовых волоках.- Ижевск, 1989, 132С.
5. Лавренчик В.Н. Постановка физического эксперимента и статистиче-ская обработка его результатов.- М.: Энергоатомиздат, 1986, 212С.
6. Чукин В.В., Корчунов А.Г., Челищев В.Н. Отработка технологических режимов производства высокопрочной арматуры для железобетонных шпал// Обработка сплошных и слоистых материалов. Вып. 30: Межвуз. сб. на- уч.тр./Под ред. Г.С. Гуна.- Магнитогорск: МГТУ, 2004.-С. 115-118.
7. Спиридонов A.A.. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов.- М.: Машиностроение, 1981, 184 С.
8. Попов A.A., Попова А.Е. Справочник термиста. Машгиз. ГНТИ. Ма-шиностроительная литература. М.; Свердловск, 1961. 300 С.
9. Кривощапов В.В. Технология производства пружинных клемм. Моно-графия. Магнитогорск:МДП, 1999, 176С.
10. Носов А.Д., Носков Е.П., Вершигора С.М , Рудаков В.П, Корчунов А.Г., Челищев В.Н Исследование вариантов технологических про-цессов производства высокопрочной стержневой арматуры для железобетонных шпал// Вестник МГТУ им.Г.И. Носова,- 2005.-№ 3. – С.80-83.
11. Лахтин Ю.М. Новые стали и сплавы в машиностроении. М.: Машино-строение, 1978, 346С.
12. Белалов Х.Н., Клековкина H.A. и др. Производство стальной проволо-ки. Монография, Магнитогорск, 2005, 543С.
13. Шахпазов Х.С., Недовизий И.Н., Ориничев В.И. и др. Производство метизов. М.: Металлургия, 1972,472С.
14. Хина М.Л. Закалочные среды на основе водорастворимых полимеров. Металловедение и термическая обработка, № 8, 1978,.-С-26-31.
15. Малинкина Е.И. Образование трещин при термической обработке стальных изделий. М.: Машиностроение, 1965, 345С.
16. Корчунов А.Г., Чукин В.В. Челищев В.Н. и др. Оценка формирова¬ния качества высокопрочной стержневой арматуры для железобетонных шпал в технологиях термического и деформационного упрочнения// Производство проката.- №10.- 2006 .-С 19-21.
17. Корчунов А.Г., Чукин В.В.,Челищев В.Н. Анализ возможности полу-чения высокопрочной арматуры диаметром 10,0 мм для железобетонных шпал деформационным упрочнением //Обработка сплошных и слоистых материалов: Межвуз. междунар. сб. науч.тр,- Магнитогорск:МГТУ, 2005.-С.94-98.
18. Контактное трение в процессах обработки металлов давлением / Леванов А.Н., Колмогоров В.Л., Буркин С.П., и др.- М.: Металлургия, 1976, 342С.