Колонный двутавр с толщиной полки до 40 мм
Владельцы патента RU 2758602:
Акционерное общество «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат» (АО «ЕВРАЗ НТМК») (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству горячекатаного проката в виде колонных двутавров с толщиной полки до 40 мм, изготовленных из низколегированной стали и используемых для изготовления сварных металлических конструкций, пригодных к эксплуатации в условиях низких температур. Колонный двутавр изготовлен из стали, содержащей компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,09 - 0,12, марганец 1,55 - 1,70, кремний 0,17 - 0,27, алюминий 0,02 - 0,06, фосфор ≤ 0,015, сера ≤ 0,010, медь ≤ 0,020, азот ≤ 0,008, хром 0,10 - 0,20, никель 0,25 - 0,30, ванадий 0,06 - 0,08, молибден 0,02 - 0,05, железо – остальное. Значение углеродного эквивалента Сэкв составляет не более 0,46%. Изготовленный двутавр обладает требуемыми механическими свойствами и не требует дополнительной термической обработки сварного шва после сварки. 6 табл.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству проката из низколегированной стали повышенной прочности с гарантией свариваемости без дополнительной термической обработки, используемого для изготовления сварных металлических конструкций, пригодных к эксплуатации в условиях низких температур.
Известен колонный двутавр, традиционно изготавливаемый из низколегированной стали 09Г2С по [1] ГОСТ 19281-2014, содержащей компоненты при следующем соотношении, масс.%: углерод ≤ 0,12; марганец 1,30-1,70; кремний 0,50-0,80; фосфор ≤ 0,030; серу ≤ 0,035;хром ≤ 0,30; никель ≤ 0,30; медь ≤ 0,30; железо – остальное.
Недостатком известного решения является то, что прокат, производимый из стали указанного состава имеет гарантию свариваемости, Сэкв не более 0,46%, однако не может обеспечивать механические свойства для класса прочности С390 по [2] ГОСТ 27772-2015 и класса прочности С390Б по [3] ГОСТ Р 57837-2017.
Наиболее близким аналогом (прототипом) к заявляемому изобретению является двутавр из стали 12Г2ФД по [4] ГОСТ 19281-2014, которая содержит углерод, марганец, кремний, алюминий, фосфор, серу, медь, ванадий в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,09-0,15; марганец 1,30-1,70; кремний 0,17-0,37; фосфор ≤ 0,017; сера ≤ 0,030; медь 0,15-0,30; хром ≤ 0,30; никель ≤ 0,30; ванадий 0,02-0,10; азот ≤ 0,008, железо остальное.
Недостатком известного решения является то, что прокат, производимый из стали, указанного состава, при обеспечении механических свойств для класса прочности С390 по ГОСТ 27772-2015 и класса прочности С390Б по ГОСТ Р 57837-2017, не имеет гарантии свариваемости, Сэкв более 0,46%. Сварка данной стали возможна с дополнительной термической обработкой проката перед сваркой, что ведет к усложнению изготовления и удорожанию изготовления сварных конструкций из такой стали.
Перечисленные аналоги содержат обязательный перечень элементов, но не указывают конкретные пределы их содержания и дополнительные легирующие элементы для получения требуемых механических свойств и специальных требований потребителей по свариваемости.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение является повышение механических свойств (предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение, ударную вязкость KCV при температуре минус 40°С) колонного двутавра с толщиной полки до 40 мм, с одновременным получением углеродного эквивалента не более 0,46%, что способствует повышению потребительских свойств проката и улучшению свариваемости, в виду отсутствия дополнительной термической обработки сварного шва.
Указанный технический результат достигается тем, что колонный двутавр с толщиной полки до 40 мм изготовлен из стали, содержащей компоненты в следующем соотношении, масс.%: углерод 0,09-0,12; марганец 1,55-1,70; кремний 0,17-0,27; алюминий 0,02-0,06; фосфор ≤ 0,015; сера ≤ 0,010; медь ≤ 0,020; азот ≤ 0,008; хром 0,10-0,20; никель 0,25-0,30; ванадий 0,06-0,08; молибден 0,02-0,05; железо – остальное.
Пределы содержания компонентов в заявляемом изобретении, получены опытно-экспериментальным путем.
Заявителем разработан колонный двутавр с толщиной полки до 40 мм из стали, содержащей компоненты в следующем соотношении, масс.%: углерод 0,09-0,12; марганец 1,55-1,70; кремний 0,17-0,27; алюминий 0,02-0,06; фосфор ≤ 0,015; сера ≤ 0,010; медь ≤ 0,020; азот ≤ 0,008; хром 0,10-0,20; никель 0,25-0,30; ванадий 0,06-0,08; молибден 0,02-0,05; железо – остальное, обеспечивающим получение углеродного эквивалента Сэкв не более 0,46% и одновременное обеспечение повышенного значения прочности, что гарантирует свариваемость проката без дополнительной термической обработки.
Углеродный эквивалент рассчитывается по формуле:
Механические свойства, заявляемого колонного двутавра с толщиной полки до 40 мм соответствуют классу С390 по ГОСТ 27772-2015:
- при толщине полки до 10 мм включительно
предел текучести (σТ) - не менее 390 Н/мм2;
временное сопротивление (σв) - не менее 520 Н/мм2;
относительное удлинение (δs) - не менее 20 %;
ударную вязкость KCV при температуре минус 40 °С - более 34 Дж/см2.
- при толщине полки cвыше 10 до 20 мм включительно
предел текучести (σТ) - не менее 380 Н/мм2;
временное сопротивление (σв) - не менее 520 Н/мм2;
относительное удлинение (δs) - не менее 20 %;
ударную вязкость KCV при температуре минус 40 °С - более 34 Дж/см2
- при толщине полки cвыше 20 до 40 мм включительно
предел текучести (σТ) - не менее 370 Н/мм2;
временное сопротивление (σв) - не менее 490 Н/мм2;
относительное удлинение (δs) - не менее 20 %;
ударную вязкость KCV при температуре минус 40 °С - более 34 Дж/см2
Разработанный колонный двутавр с толщиной полки до 40 мм изготовлен из стали, имеющей следующий количественный состав (мас.%) и качественный состав:
• содержание углерода в пределах от 0,09 до 0,12%, при заявляемом соотношении других компонентов низколегированной стали определяет ее прочность. Снижение содержания углерода менее 0,09% приводит к недостижению требуемых прочностных характеристик. Увеличение содержания углерода сверх 0,12% снижает пластичность, ухудшает ударную вязкость и снижает свариваемость.
• содержание марганца в пределах от 1,55 до 1,70%, при заявляемом соотношении других компонентов низколегированной стали, вводится для повышения прочности стали, а также снижения негативного влияния серы (красноломкость). При содержании марганца менее 1,55% требуемые прочностные характеристики недостижимы. Увеличение содержания марганца свыше 1,70% снижает пластичность и ударную вязкость.
• содержание кремния в пределах от 0,17 до 0,27 %, при заявляемом соотношении других компонентов низколегированной стали, необходимо для раскисления стали и для повышения прочности. При содержании кремния менее 0,17%, не происходит требуемого раскисления стали, сталь становится полуспокойной. Увеличение содержания кремния более 0,27% приводит к снижению ударной вязкости и свариваемости.
• содержание алюминия в пределах от 0,02 до 0,06 %, при заявляемом соотношении других компонентов низколегированной стали, является технологической добавкой для раскисления стали. При содержании алюминия менее 0,02% не происходит требуемого раскисления стали. Увеличение содержания алюминия более 0,06% приводит к усложнению разливки и удорожанию стали.
• содержание фосфора меньше или равное 0,015% (≤ 0,015%), при заявляемом соотношении других компонентов низколегированной стали, является вредной примесью в стали, в количестве более 0,015% резко ухудшает пластичность, вязкость, свариваемость стали.
• содержание серы меньше или равное 0,010% (≤ 0,010), при заявляемом соотношении других компонентов низколегированной стали, является вредной примесью в стали, в количестве более 0,010% резко ухудшает прочностные свойства и свариваемость стали.
• содержание меди меньше или равное 0,020% (≤ 0,020), при заявляемом соотношении других компонентов низколегированной стали, является сопутствующим элементом, при ее количестве выше 0,020% положительного влияния на сталь не оказывает, но увеличивает своей массовой долей углеродный эквивалент.
• содержание азота меньше или равное 0,008% (≤ 0,008), при заявляемом соотношении других компонентов низколегированной стали, является карбонитридообразующим элементом, упрочняющим сталь. Однако повышение концентрации азота сверх 0,008% приводит к снижению ударной вязкости и свариваемости.
• содержание хрома в пределах от 0,10 до 0,20%, никеля в пределах от 0,25 до 0,30%, ванадия в пределах от 0,06 до 0,08% и молибдена в пределах от 0,02 до 0,05% при заявляемом соотношении других компонентов низколегированной стали, являются легирующими элементами, способствующими повышению прочностных характеристик. В предлагаемом изобретении выбрано наилучшее соотношение их массовых долей для максимального повышения прочности без потери свариваемости.
При содержании хрома ниже 0,10% прочность снижается. При превышении его предела в 0,20% снижается свариваемость стали, происходит недопустимое увеличение углеродного эквивалента Сэкв выше 0,46%.
• содержание никеля в пределах от 0,25 до 0,30% способствует повышению ударной вязкости, однако при содержании менее 0,25%, его влияние незначительно, а превышение предела в 0,30% приводит к недопустимому увеличению углеродного эквивалента Сэкв выше 0,46%.
• содержание ванадия в пределах от 0,06 до 0.08% повышает прочностные характеристики стали, способствует измельчению зерна. При содержании ниже 0,06% необходимого повышения прочности не происходит, при содержании выше 0,08% происходит увеличение углеродного эквивалента Сэкв выше 0,46%.
• содержание молибдена в пределах от 0,02 до 0,05% необходимо для повышения прочности и улучшения свариваемости. Его содержание ниже 0,02% не дает требуемого положительного эффекта, а превышение 0,05% ведет к недопустимому увеличению углеродного эквивалента Сэкв выше 0,46%.
Заявляемый технический результат достигается при использовании количественного и качественного состава компонентов, и не зависит от последовательности (очередности) их добавления в расплав, а также от того добавляются они в чистом или в виде лигатуры.
Технология производства проката включает: выплавку стали кислородно-конверторным способом, внепечную обработку, непрерывную разливку, охлаждение, нагрев до температуры 1250°С и последующую прокатку на универсально-балочном стане с температурой окончания прокатки в интервале 800-1050°С.
Данная технология производства заявляемого колонного двутавра, изготовленного из стали, с химическим составом, обеспечивающим указанное оптимальное соотношение между элементами и получение углеродного эквивалента Сэкв не более 0,46%, позволяет получить повышенные прочностные характеристики проката с одновременным обеспечением гарантии свариваемости без дополнительной термической обработки сварного шва у потребителя.
В Таблице 1 указан состав стали, из которой изготовлен предложенный колонный двутавр и состав стали марок по ГОСТ 19281-2014.
Результаты механических испытаний колонного двутавра с толщиной полки 35,5 мм, изготовленного из стали, содержащей компоненты в предложенном соотношении, приведены в таблице 2 и таблице 3.
Фактические механические свойства проката соответствуют требованиям стандартов на прокат.
В таблицах 4, 5, 6 приведены результаты испытаний сварных швов из проб двутавра 40К5 из стали классом прочности С390.
Сварка проб осуществлялась механизированным способом в среде защитных газов, тремя марками проволоки (Св-08Г2С, Св-08ГСМТ, Св-08ГСНТ).
Все контролируемые параметры соответствовали требованиям стандартов на металлоконструкции.
Из таблиц 2, 3, 4, 5, 6 видно, что заявленный колонный двутавр характеризуется высокими прочностными характеристиками, с одновременным обеспечением гарантии свариваемости у потребителя.
Таким образом, сущность заявленного технического решения заключается в том, что колонный двутавр с толщиной полки до 40 мм изготовленный из стали с химическим составом, в котором известные компоненты подобраны в оптимальном соотношении, обеспечивает требования потребителей к сочетанию необходимых технических характеристик проката и хорошей свариваемости без дополнительной термической обработки сварного шва, что соответствует критерию «новизна».
Анализ патентов и научно-технической информации выявил отсутствие признаков, сходных с признаками, которые присуще в предлагаемом техническом решении, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень».
Использование заявленного колонного двутавра для изготовления металлических конструкций у потребителя позволяет обеспечить:
1) повышение прочностных характеристик конструкций;
2) свариваемость, без дополнительной термической обработки сварного шва.
Это приводит к расширению сортамента производимой продукции и увеличению объемов сбыта двутавров.
Опытная проработка и использование предлагаемого технического решения на АО «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат» подтверждает соответствие критерию «промышленная применимость изобретения».
Источники информации
[1] ГОСТ 19281-2014
[2] ГОСТ 27772-2015
[3] ГОСТ Р 57837-2017
[4] ГОСТ 19281-2014
Таблица 1
| Компоненты сталь | Содержание компонентов стали, масс.% | ||||
| Заявляемое изобретение | Сталь марки 09Г2С по ГОСТ 19281-2014 | Сталь марки 12Г2ФД ГОСТ 19281-2014 | |||
| Примеры | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| углерод | 0,097 | 0,114 | 0,12 | ≤ 0,12 | 0,09-0,15 |
| марганец | 1,58 | 1,68 | 1,59 | 1,30-1,70 | 1,30-1,70 |
| кремний | 0,22 | 0,23 | 0,23 | 0,50-0,80 | 0,17-0,37 |
| алюминий | 0,038 | 0,041 | 0,034 | 0,02-0,06 | - |
| фосфор | 0,0089 | 0,0096 | 0,0100 | ≤ 0,030 | ≤ 0,030 |
| сера | 0,0031 | 0,0027 | 0,0029 | ≤ 0,035 | ≤ 0,035 |
| медь | 0,010 | 0,010 | 0,009 | ≤ 0,30 | 0,15-0,30 |
| азот | 0,0049 | 0,0065 | 0,0049 | ≤ 0,010 | ≤ 0,010 |
| хром | 0,119 | 0,13 | 0,126 | ≤ 0,30 | ≤ 0,30 |
| никель | 0,29 | 0,29 | 0,29 | ≤ 0,30 | ≤ 0,30 |
| ванадий | 0,064 | 0,07 | 0,0069 | ≤ 0,12 | 0,02-0,10 |
| молибден | 0,041 | 0,044 | 0,044 | - | - |
| железо | остальное | остальное | остальное | остальное | остальное |
Таблица 2
| Свойства стали | Свойства стали по примерам (на растяжение) | ||||
| Прокат из заявляемой стали | Требования по ГОСТ 27772-2015 | Требования по ГОСТ Р 57837-2017 | |||
| Примеры | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| Предел текучести, Н/мм2 |
393-392 | 396-392 | 423-419 | ≤370 | ≤375 |
| Временное сопротив-ление, Н/мм2 |
539-534 | 544-535 | 573-572 | ≤490 | ≤520 |
| Относи-тельное удлинение, % | 32-30 | 32-31 | 28-27 | ≤20 | ≤20 |
Таблица 3
| Свойства стали | Свойства стали по примерам (на ударный изгиб) Ударная вязкость, Дж/см2, при температуре, °С |
||||
| Прокат из заявляемой стали | Требования по ГОСТ 27772-2015 | Требования по ГОСТ Р 57837-2017 | |||
| Примеры | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| KCU минус 40 |
371, 362 356, 350 |
267, 255 243, 241 |
356, 350 345, 330 |
≤34 | - |
| KCV минус 40 |
247, 220 200, 185 |
152, 149 144, 138 |
220, 205 201, 197 |
≤34 | ≤34 |
Таблица 5
| Марка сварочной проволоки |
Место отбора образца | Ударная вязкость KCV, Дж/см2, при температуре минус 40°С | |
| СП 53-101-98, СП 70.13330.2012 | |||
| не менее 34 | |||
| ось шва | линия сплавления | ||
| Св-08Г2С | Стенка | 52, 69, 80, 85, 96, 100 | 96, 168, 188, 216, 315, 340 |
| 71, 102, 106, 110, 120, 130 | 55, 205, 210, 230, 277, 368 | ||
| 35, 102, 126, 130, 158, 193 | 246, 258, 261, 290, 302, 342 | ||
| Полка | 38, 45, 52, 97, 120, 143 | 220, 241, 242, 243, 256, 280 | |
| 62, 71, 73, 82, 85, 93 | 221, 238, 257, 267, 280, 281 | ||
| 55, 57, 78, 83, 87, 102 | 170, 247, 255, 270, 291, 300 | ||
| Св-08ГСМТ | Стенка | 85, 124, 140, 146, 170, 206 | 193, 284, 285, 328, 353, 368 |
| 83, 94, 115, 123, 150, 204 | 252, 284, 291, 317, 360, 373 | ||
| 72, 121, 131, 141, 152, 177 | 260, 334, 341, 357,369, 370 | ||
| Полка | 93, 177, 172, 180, 216, 218 | 197, 227, 240, 243, 250, 360 | |
| 70, 72, 75, 80, 96, 133 | 258, 272, 320, 331, 322, 333 | ||
| 57, 75, 77, 108, 110, 137 | 178, 227, 235, 262, 278, 343 | ||
| Св-08ГСНТ | Стенка | 76, 82, 90, 122, 133, 137 | 224, 230, 231, 233, 243, 247 |
| 63, 68, 78, 80, 82, 102 | 220, 253, 255, 261, 264, 281 | ||
| 57, 63, 83, 96, 100, 113 | 206, 243, 253, 355, 344, 323 | ||
| Полка | 55, 76, 81, 87, 91, 97 | 171, 205, 208, 212, 246, 295 | |
| 72, 73, 85, 86, 90, 92 | 175, 191, 202, 206, 200, 222 | ||
| 77, 81, 83, 85, 87, 93 | 178, 190, 197, 206, 233, 247 |
Таблица 6
| Марка сварочной проволоки |
Место отбора образца |
Твердость, HV | ||
| СП 53-101-98, СП 70.13330.2012 | ||||
| не более 320 | ||||
| Фактические значения | ||||
| основной металл | зона термического влияния | шов | ||
| Св-08Г2С | Стенка | 137, 139, 141, 141, 141 |
152, 156, 160, 160, 164, 164,168 |
144, 148, 152, 152, 156, 156, 160, 164 |
| 141, 141, 141, 144, 148 |
141, 144, 148, 152, 156, 160, 164 |
132, 135, 137, 139, 144, 148, 152, 156 | ||
| 141, 141, 141, 144, 148 |
152, 156, 160, 160, 164, 164,168 |
137, 139, 141, 144, 148, 160, 164 | ||
| Полка | 137, 137, 137, 139, 139, 139, 141 |
137, 139, 141, 144, 148, 152, 156 |
137, 139, 141, 144, 144, 148, 148 | |
| 137, 139, 141, 141, 144, 148 |
144, 148, 152, 152, 152,156, 156, 156 | 141, 144, 148, 152, 152, 156, 156 | ||
| 141, 141, 141, 144, 148 |
152, 152, 152,156, 156, 156, 160, 164 | 141, 144, 148, 152, 156, 160, 164 | ||
| Св-08ГСМТ | Стенка | 141, 141, 144, 144,148, 148 |
144, 148, 152, 156, 160, 164, 168 | 144, 148, 160, 160, 164, 164, 168 |
| 141, 141, 144, 144, 148, 148 |
144, 148, 152, 156, 160, 164, 168 | 168, 168, 168, 180, 184 |
Продолжение таблицы 6
| Марка сварочной проволоки |
Место отбора образца |
Твердость, HV | ||
| СП 53-101-98, СП 70.13330.2012 | ||||
| не более 320 | ||||
| Фактические значения | ||||
| основной металл | зона термического влияния | шов | ||
| 137, 137, 139, 139, 141, 144, 148 |
144, 144, 148, 148, 152, 156, 160, 164 |
127, 130, 135, 141, 172, 17 |
||
| Полка | 137, 139, 137, 139, 141, 141 |
144, 148, 152, 152, 156, 156, 160 |
137, 139, 144, 144, 148, 148, 152, 156 | |
| 141, 141, 141, 144, 148, |
141, 144, 144, 144, 148, 148, 148 |
141, 141, 144, 152, 156, 148 |
||
| 141, 141, 144, 144, 148, 148 |
144, 148, 152, 156, 160, 164, 168 |
168, 168, 168, 180, 184 |
||
| Св-08ГСНТ | Стенка | 141, 141, 141, 144, 148 |
152, 152, 156, 156, 160, 160, 164, 164 |
172, 176, 180, 184, 188, 188 |
| 137, 139, 141, 144, 144, 148, 148 |
152, 156, 160, 160, 164, 164, 168 |
168, 172, 172, 176, 176, 180, 184 | ||
| 137, 139, 141, 141, 144, 148 |
152, 156, 160, 164, 168, 172, 176 |
160, 164, 172, 176, 180, 184, 188 | ||
| Полка | 132, 135, 137, 137, 139, 139, 141 |
152, 156, 168, 168, 172, 176 |
127, 130, 141, 144, 148, 160, 164 | |
| 141, 141, 141, 144, 148 |
160, 164, 172, 172, 176, 176, 180, 184 |
172, 176, 180, 184, 188, 196, 200 | ||
| 137, 137, 137, 139, 139, 139, 141 | 152, 152, 156, 156, 160, 164, 172, 176 | 132, 135, 144, 148, 180, 184, 196, 200 |
Колонный двутавр с толщиной полки до 40 мм, изготовленный из низколегированной стали, отличающийся тем, что он изготовлен из стали, содержащей компоненты в следующем соотношении, мас.%:
| Углерод | 0,09 - 0,12 |
| Марганец | 1,55 - 1,70 |
| Кремний | 0,17 - 0,27 |
| Алюминий | 0,02 - 0,06 |
| Фосфор | ≤ 0,015 |
| Сера | ≤ 0,010 |
| Медь | ≤ 0,020 |
| Азот | ≤ 0,008 |
| Хром | 0,10 - 0,20 |
| Никель | 0,25 - 0,30 |
| Ванадий | 0,06 - 0,08 |
| Молибден | 0,02 - 0,05 |
| Железо | остальное |
и имеющий значение углеродного эквивалента Сэкв, составляющее не более 0,46%, при этом для толщины полки до 10 мм он имеет предел текучести (σТ) не менее 390 Н/мм2 и временного сопротивления (σв) не менее 520 Н/мм2, для толщины полки свыше 10 мм до 20 мм включительно он имеет предел текучести (σТ) не менее 380 Н/мм2 и временное сопротивление (σв) не менее 520 Н/мм2, а для толщины полки свыше 20 до 40 мм включительно он имеет предел текучести (σТ) не менее 370 Н/мм2 и временное сопротивление (σв) не менее 490 Н/мм2.
