СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ АРМАТУРНЫХ ПРУТКОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК C21D8/06 C21D8/08 C21D1/02 

Изобретение относится к металлургии, а именно к термической обработке проката, и может быть использовано для термического упрочнения арматурных прутков из углеродистой стали.

Согласно стандарту СТО АСЧМ 7-93, арматурные прутки для железобетонных конструкций должны обладать следующим комплексом механических свойств:
σ_т ≥ 500 Н/мм²; δ₅ ≥ 5%; холодный загиб на 180^o - выдерживает.

Известен способ термического упрочнения стального проката, преимущественно арматурных прутков, включающий аустенитизацию и охлаждение потоком воды в закрытой камере при избыточном статическом давлении 5-10 ати, согласно которому прокат охлаждают со скоростью 680-880^oC/с до достижения средней температуры по сечению 575-630^oC потоком воды, направленным относительно поверхности проката со скоростью 9-14 м/с [1].

Недостаток известного способа состоит в том, что высокая скорость охлаждения приводит к появлению термических напряжений и трещин, снижению пластических и вязкостных свойств арматурных прутков.

Известен также способ термоупрочнения арматурных стержней, преимущественно диаметром 18 мм и более, включающий аустенитизацию заготовки, двухстадийное охлаждение до достижения средней по сечению температуры 550-625^oC со скоростью охлаждения на второй стадии 400-600^oC/с и окончательное охлаждение на воздухе, по которому на первой стадии охлаждение проводят местное охлаждение обжатых при прокатке участков периметра стержней на их поверхности ниже 500^oC, снижая общую температуру стержней до 750-800^oC, а затем осуществляют общее охлаждение стержней [2].

При таком способе термоупрочнения в арматурных стержнях образуется игольчатая микроструктура, снижаются пластические и вязкостные свойства углеродистой стали. Это ухудшает качество термоупрочненного проката.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому изобретению является способ термического упрочнения стального проката, преимущественно арматурных прутков. Способ включает аустенитизацию заготовки, горячую прокатку и охлаждение с регламентированной скоростью до промежуточной температуры 575-630^oC движущегося арматурного прутка в закрытой охлаждающей камере с прямоточной подачей воды со скоростью 9-14 м/с при избыточном статическом давлении 5-10 ати. При этом регламентированную скорость охлаждения поддерживают равной 100-550^oC/с последовательно в камерах с прямоточной и противоточной подачей воды, и противоточную подачу воды осуществляют со скоростью 10-25 м/с [3].

Устройство для осуществления данного способа содержит установленные последовательно чередующиеся прямоточные и противоточные форсунки с камерами охлаждения [3].

Недостаток известного способа состоит в том, что он не позволяет получить одновременно высокую прочность, пластичность и вязкость арматурных прутков. Это ухудшает их качество. Кроме того, устройство для осуществления способа не позволяет реализовать оптимальный режим термического упрочнения и характеризуется сложностью конструкции, т.к. содержит большое число прямоточных и противоточных форсунок с камерами охлаждения.

Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в улучшении качества арматурных прутков за счет повышения прочностных, пластических и вязкостных свойств. Помимо этого, достигается побочный эффект, который выражается в упрощении конструкции устройства.

Указанная техническая задача решается тем, что в известном способе термического упрочнения арматурных прутков из углеродистой стали, включающем аустенитизацию заготовки, прокатку и охлаждение с регламентированной скоростью до промежуточной температуры движущегося арматурного прутка в закрытой охлаждающей камере с прямоточной подачей воды, согласно предложению, скорость регламентированного охлаждения устанавливают равной 200-300^oC/с, охлаждение ведут до промежуточной температуры 500-600^oC, при которой выдерживают в течение 0,2-0,8 с, после чего охлаждение завершают с произвольной скоростью. Для обеспечения указанного режима термического упрочнения возможно воду в охлаждающую камеру подавать со скоростью, в 1,1-1,2 раза превышающей скорость движения арматурного прутка, и под избыточным давлением 0,5-0,9 кгс/см².

Предложенный режим термического упрочнения может быть реализован с помощью устройства, содержащего прямоточную форсунку с камерой охлаждения, в которой отношение площади щели истечения форсунки к площади выходного сечения камеры составляет 1,05-1,15, а площадь поперечного сечения камеры охлаждения превышает площадь поперечного сечения арматурного прутка в 9-15 раз.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. Охлаждение прокатанного арматурного прутка из углеродистой стали от температуры конца прокатки до 500-600^oC со скоростью 200-300^oC/с исключает образование высоких термических напряжений и трещин, в то же время повышает прочность стали. В процессе изотермической выдержки при 500-600^oC в течение 0,2-0,8 с происходит полное превращение переохлажденного аустенита в равноосный сорбит (бейнит), обладающий равномерными повышенными прочностными, пластическими и вязкостными свойствами. Это повышает качество арматурных прутков.

При регламентированной скорости подачи охлаждающей воды, которая в 1,1-1,2 раза превышает скорость движения арматурного прутка, и при избыточном давлении воды 0,5-0,9 кгс/см², на поверхности арматурного прутка формируется паровой слой, благодаря которому скорость охлаждения прутка в интервале температур от 1000-1050^oC до 500-600^oC имеет оптимальную величину 200-300^oC/с.

Реализовать предложенный режим термического упрочнения арматурных прутков из углеродистой стали возможно при помощи устройства, содержащего прямоточную форсунку с камерой охлаждения, в которой отношение площади щели истечения форсунки к площади выходного сечения камеры охлаждения равно 1,05-1,15, а отношение площади поперечного сечения камеры охлаждения к площади поперечного сечения арматурного прутка равно 9-15. При выполнении соотношений указанных параметров толщина парового слоя обеспечивает скорость охлаждения в прямоточной камере охлаждения 200-300^oC/с до промежуточной температуры 500-600^oC и последующую выдержку 0,2-0,8 с. В отличие от устройства, описанного в прототипе, термическое упрочнение обеспечивает использование только одной закрытой охлаждающей камеры предложенной конструкции.

Экспериментально установлено, что при скорости регламентированного охлаждения ниже 200^oC/с происходит снижение прочностных характеристик прутков. Увеличение скорости охлаждения сверх 300^oC/с приводит к переупрочнению прутков, особенно их поверхностного слоя. Это приводит к охрупчиванию и снижению вязкостных свойств.

Промежуточная температура 500-600^oC определена из условий необходимости получения сорбита (бейнита), сочетающего высокие прочность, пластичность и вязкость, и исключения образования участков (игольчатого троостита). Снижение температуры менее 500^oC приводит к неравномерности формирования микроструктуры, росту структурных напряжений (напряжений превращения), образованию троостита игольчатой формы, что ухудшает вязкостные свойства. Увеличение температуры выше 600^oC вызывает снижение прочностных свойств, что недопустимо.

При времени выдержки переохлажденного аустенита в интервале 500-600^oC менее 0,2 с не достигается полного протекания процесса фазового превращения, остаточный аустенит ухудшает свойства арматурных прутков. Увеличение времени выдержки более 0,8 с приводит к разупрочнению арматурных прутков вследствие самоотпуска.

Если скорость воды в охлаждающей камере будет превышать скорость движения арматурного прутка менее чем в 1,1 раза, интенсивность охлаждения снизится, качество арматурных прутков ухудшится. Увеличение этого отношения скоростей более 1,2 приводит к срыву паровой прослойки, увеличению скорости охлаждения и охрупчиванию арматурного прутка.

Уменьшение избыточного давления воды менее 0,5 кгс/см² затрудняет транспортирование арматурного прутка, ухудшает условия его охлаждения. Повышение избыточного давления сверх 0,9 кгс/см² не приводит к улучшению качества арматурного прутка, а лишь увеличивает энергозатраты, вследствие чего нецелесообразно.

При отношении площади щели истечения форсунки к площади выходного сечения камеры менее 1,05, паровая прослойка нестабильна или не образуется вовсе, что ухудшает качество проката. Увеличение этого отношения более 1,15 повышает скорость охлаждения и приводит к образованию в углеродистой стали участков с игольчатой микроструктурой, что недопустимо.

Если площадь щели истечения форсунки превышает площадь сечения камеры охлаждения менее чем в 9 раз, в камере охлаждения происходит отрыв паровой прослойки, скорость охлаждения будет выше допустимой. При отношении указанных величин более 15 возрастают габариты устройства и расход охлаждающей воды.

Примеры реализации способа
Заготовку квадратного сечения из углеродистой стали подвергают аустенитизации - нагреву и выдержке при температуре 1250^oC. Затем заготовку прокатывают на стане 250 в системе калибров в арматурный пруток диаметром 18 мм. Температура арматурного прутка на выходе из последней клети стана составляет 1000^oC. Движущийся арматурный пруток задают в закрытую охлаждающую камеру с прямоточной подачей воды, установленную за последней клетью стана. Воду в охлаждающую камеру подают избыточным давлением P = 0,7 кгс/см² при отношении скорости подачи воды к скорости движения арматурного прутка α = 1,15. В процессе перемещения вдоль охлаждающей камеры поверхностный слой арматурного прутка охлаждают от температуры 1000^oC до промежуточной температуры Т_п = 550^oC со скоростью V_о = 250^oC/с. Затем пруток выдерживают при температуре Т_п = 550^oC в течение периода времени τ = 0,5 с, после чего завершают его охлаждение с произвольной скоростью в воде.

Варианты реализации способа и показатели их эффективности представлены в таблице 1.

Из табл. 1 следует, что при реализации предложенного способа (варианты 2-4) достигается улучшение качества арматурных прутков за счет повышения комплекса механических свойств. В случаях запредельных значений заявленных параметров (варианты 1 и 5) качество арматурных прутков снижается. Также более низкое качество прутков получается при реализации способа-прототипа (вариант 6).

Предложенный способ может быть реализован с помощью устройства для термического упрочнения арматурных прутков. На фиг. 1 изображено устройство в разрезе, вид спереди, а также даны его поперечные сечения, фиг. 2, 3, 4.

Устройство состоит из корпуса 1, внутри которого коаксиально закреплена входная воронка 2. В корпусе 1 также закреплен патрубок 3 для подачи охлаждающей воды. Входная воронка 2 образует с внутренней поверхностью корпуса 1 кольцеобразную щель истечения 4 охлаждающей воды, представляющую собой прямоточную форсунку. Площадь поперечного сечения щели истечения 4 (сечение А-А) равна F_и.

На корпусе 1 закреплена камера охлаждения, которую образуют соединенные последовательно патрубки 5, 6 и 7. Площадь поперечного сечения патрубка 6 (сечение Б-Б) составляет F_о, а выходного отверстия патрубка 7 (сечение В-В) составляет F_с.

Значение F_о определяется из соотношения: F_о/F_п = 9-15,
где F_п - площадь поперечного сечения упрочняемого арматурного прутка.

Значения F_и и F_с, в свою очередь, связаны соотношением: F_и/F_с = 1,05-1,15.

Приведенные выше соотношения определены экспериментальным путем. Их выполнение позволяет осуществлять термическое упрочнение арматурных прутков по оптимальному режиму и исключить необходимость использования дополнительных средств для охлаждения.

Если F_о/F_п < 9, то в процессе охлаждения арматурного прутка на его поверхности не образуется паровая прослойка, что приводит к увеличению скорости охлаждения выше допустимой. При F_о/F_п > 15 увеличиваются габариты и металлоемкость устройства, ухудшаются условия транспортирования охлаждаемого проката.

В случаях, когда F_и/F_с < 1,05, устройство не обеспечивает требуемую скорость охлаждения арматурных прутков, равную 200-300^oC/с. При F_и/F_с > 1,15, из-за чрезмерно высокой скорости охлаждения в арматурных прутках из углеродистой стали формируется микроструктура с участками игольчатой формы. Это снижает качество арматурных прутков.

Устройство работает следующим образом
Для термического упрочнения арматурных прутков из углеродистой стали, имеющих площадь поперечного сечения F_п = 254 мм², выбирают устройство, у которого площадь поперечного сечения камеры охлаждения в 12 раз больше и составляет F_о = 3084 мм², т.е. F_о/F_п = 3048 мм²/254 мм² = 12.

Посредством корпуса 1 устройство закрепляют за последней клетью стана по оси прокатки. В патрубок 3 подают под давлением охлаждающую воду, которая проходит через щель истечения 4 (форсунку), имеющую площадь поперечного сечения F_и = 1837 мм². Поток воды заполняет камеру охлаждения, образованную патрубками 5, 6 и 7, и вытесняется наружу через выходное отверстие патрубка 7 с площадью поперечного сечения F_с = 1670 мм². При этом F_и/F_с = 1837 мм²/1670 мм² = 1,10.

Арматурный пруток с площадью поперечного сечения F_п = 254 мм², выходящий из последней клети прокатного стана с температурой 1000^oC, попадает во входную воронку 2, которая направляет его в камеру охлаждения, образованную патрубками 5, 6 и 7, где протекает поток охлаждающей воды. По камере охлаждения арматурный пруток продвигается в том же направлении, что и поток воды, к выходному отверстию. Благодаря тому, что F_о/F_п = 12 и F_и/F_с = 1,10, у поверхности арматурного прутка формируется стабильный паровой слой, который снижает теплопередачу от разогретого металла к охлаждающей воде. За счет этого скорость охлаждения арматурного прутка от температуры 1000^oC до промежуточной температуры 550^oC имеет оптимальное значение, равное 250^oC/с. Через промежуток времени 0,5 с после выхода арматурного прутка из выходного отверстия патрубка 7, когда в металле завершатся мартенситные превращения, пруток попадает в воду и охлаждается произвольно. Микроструктура арматурного прутка не содержит троостита игольчатой формы, что улучшает его качество. В табл. 2 приведены варианты выполнения устройства и дана оценка их эффективности.

Из табл. 2 следует, что использование предложенных соотношений параметров устройства (варианты 2-4) обеспечивает максимальный выход годных арматурных прутков. В случаях запредельных значений параметров (варианты 1 и 5) эффективность устройства снижается.

Технико-экономические преимущества предложенного изобретения состоят в том, что охлаждение арматурных прутков вначале со скоростью 200-300^oC/с до температуры 500-600^oC, выдержка при этой температуре 0,2-0,8 с и окончательное охлаждение с произвольной скоростью позволяют сформировать мартенситную микроструктуру углеродистой стали и исключить образование игольчатого троостита. В конечном счете это обеспечивает повышение комплекса механических свойств и улучшение качества арматурных прутков.

Оптимальные режимы термоупрочнения могут быть достигнуты в случае, когда воду в охлаждающую камеру подают прямоточно со скоростью, в 1,1-1,2 раза превышающей скорость движения арматурного прутка, и под избыточным давлением 0,5-0,9 кгс/мм². Способ может быть реализован с помощью устройства, в котором отношение площади щели истечения форсунки к площади выходного сечения камеры охлаждения составляет 1,05-1,15, а площадь поперечного сечения камеры охлаждения превышает площадь поперечного сечения арматурного прутка в 9-15 раз.

За базовый объект принят способ-прототип. Использование предложенного способа позволит повысить рентабельность производства арматурных прутков из углеродистой стали на 15-20%.

Литературные источники, использованные при составлении описания изобретения:
1. Aвт. св. CCCP N 635144, MПК C 21 D 1/02, C 21 D 7/14, 1978 г.

2. Авт. св. СССР N 1216220, МПК C 21 D 1/02, 1/78, 1986 г.

3. Авт. св. СССР N 1520112, МПК C 21 D 1/02, 1989 г. - прототип.

Изобретение относится к металлургии, а именно к термической обработке проката, и может быть использовано для термического упрочнения арматурных прутков из углеродистой стали. Технический результат изобретения состоит в улучшении качества арматурных прутков за счет повышения прочностных, пластических и вязкостных свойств. Указанный технический результат достигается тем, что скорость регламентированного охлаждения устанавливают равной 200-300°С/с, охлаждение ведут до промежуточной температуры 500-600°С, при которой выдерживают в течение 0,2-0,8 с, после чего охлаждение завершают с произвольной скоростью. Воду в охлаждающую камеру подают со скоростью, в 1,1-1,2 раза превышающей скорость движения арматурного прутка, и под избыточным давлением 0,5-0,9 кгс/мм². Устройство содержит прямоточную форсунку с камерой охлаждения. Отношение площади щели истечения форсунки к площади выходного сечения камеры охлаждения составляет 1,5-1,15, при этом площадь поперечного сечения камеры охлаждения превышает площадь сечения арматурного прутка в 9-15 раз. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 4 ил., 2 табл.

1. Способ термического упрочнения арматурных прутков из углеродистой стали, включающий аустенитизацию заготовки, прокатку и охлаждение с регламентированной скоростью до промежуточной температуры движущегося арматурного прутка в закрытой охлаждающей камере с прямоточной подачей воды, отличающийся тем, что скорость регламентированного охлаждения устанавливают равной 200 - 300^oC/с, охлаждение ведут до промежуточной температуры 500 - 600^oC, при которой выдерживают в течение 0,2 - 0,8 с, после чего охлаждение завершают с произвольной скоростью. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воду в охлаждающую камеру подают со скоростью, в 1,1 - 1,2 раза превышающей скорость охлаждения арматурного прутка, и под избыточным давлением 0,5 - 0,9 кгс/см². 3. Устройство для термического упрочнения арматурных прутков, содержащее прямоточную форсунку с камерой охлаждения, отличающееся тем, что отношение площади щели истечения форсунки к площади выходного сечения камеры составляет 1,05 - 1,15, при этом площадь поперечного сечения камеры охлаждения превышает площадь поперечного сечения арматурного прутка в 9 - 15 раз.