Эксплуатационные свойства высокопрочных замкнутых профилей для металлических конструкций

Использование эффективных тонкостенных круглых электросварных труб сортамента ГОСТ 10704 возможно при изготовлении их на трубных станах 73-219 и 159-529 мм. Эффективность использования труб может быть значительно увеличена повышением их прочностных характеристик. Высокие механические свойства можно получать термическим упрочнением труб из низколегированной стали или нормализацией.

Учитывая большую потребность строительной промышленности в высокопрочных сварных трубах, технологию термической обработки профилей разрабатывали с учетом ее применения в условиях массового поточного производства металлургических заводов.

Нормализованные трубы. Современные трубосварочные станы рассматриваемого сортамента снабжены нагревательными проходными печами, служащими для снятия напряжений в сваренных профилях. Эти же печи могут быть использованы для нагрева профилей под необходимую термическую обработку. Таким образом, нормализация трубных профилей может производиться без какой-либо перестройки стана.

В качестве материала для нормализованных профилей высокой прочности используют мелкозернистую сталь, упрочненную дисперсными карбонитридами ванадия (сталь типа 14Г2АФ и др.), а также стали бейнитного класса.

В ЦНИИСК были исследованы тонкостенные трубы, изготовленные из сталей обеих рассматриваемых групп.

Из мелкозернистой феррито-перлитной стали типа 14Г2АФ изготавливали трубы диам. 219 и 168 мм и с толщиной стенки 5 мм. Трубы сваривали токами радиочастоты (450 гц) на трубоэлектросварочном агрегате 73-219. Для получения требуемых механических свойств стали класса С500 все сваренные трубы из стали 14Г2АФ были подвергнуты нормализации при 960-980° С. Нагрев труб производят в проходной секционной печи с последующим охлаждением на воздухе.

Результаты механических испытаний труб на растяжение показали, что, несмотря на разброс значений механических свойств, который объясняется в основном некоторой разницей температур по длине трубы, нормализация обеспечивает получение σ_т = 480-530 Н/мм² и временного сопротивления на разрыв σ_в = 600—670 Н/мм² при удовлетворительной пластичности.

Сварные соединения и основной металл нормализованных труб характеризуется мелкозернистой феррито-перлитной микроструктурой.

В процессе формовки, сварки и резки труб высокой прочности на данном стане трудностей не возникало, как и при изготовлении труб из обычной стали. Изготовленные трубы полностью удовлетворяли требованиям стандартов и имели хороший внешний вид.

Формовка труб из бейнитных сталей обеих марок вызывала трудности из-за высокого временного сопротивления на разрыв горячекатаного рулонного листа. Поэтому перед формовкой труб рулоны из бейнитных сталей подвергали предварительному отжигу при температуре 750° С с выдержкой в течение 5 ч и охлаждением под колпаком. В остальном трубы из бейнитных сталей изготовляли по той же технологической схеме, что и из обычной малоуглеродистой стали.

Приведенные результаты показывают, что на современных трубных заводах можно изготовлять нормализованные трубные профили с 500-600 Н/мм².

Термически упрочненные трубы. Перспективным методом получения трубных профилей высокой прочности является термическое упрочнение труб, изготовленных из низколегированной стали. Исследовали термически упрочненные трубы сортамента 168 х 5 и 219 х 5 мм из сталей марок 14Г2, 14Г2Ф, а также 57 х 2, 76 х 3, 102 х 3 мм из стали типа 16ГС.

С уменьшением толщины проката из низколегированных сталей возрастает его способность упрочняться при закалке. Чем меньше толщина проката, тем быстрее охлаждается нагретый металл в водной среде, и тем большей стойкостью против отпуска обладают микроструктуры, образовавшиеся непосредственно после охлаждения. В частности, после закалки и высокого отпуска тол стол и сто вой прокат из стали 14Г2 толщиной 20 мм приобретает механические свойства класса С390, а прокат из этой же стали толщиной 5 мм — класса С590. Однако при существующем оборудовании для закалки труб не удается использовать относительно большую способность к упрочнению тонкостенных профилей. Как показали эксперименты в промышленных условиях, трубы из стали 14Г2 приобретают свойства класса С590 после закалки и высокого отпуска при охлаждении нагретых под закалку профилей в баке с водой. Такая технология закалки вряд ли осуществима в условиях массового поточного производства.

В качестве примера изготовления термически упрочненных труб для строительных конструкций в условиях, близких К поточному производству, приведем изготовление опытно-промышленных партий профилей размерами 168 х 5 и 219 X 5 мм из стали 14Г2.

Трубы изготовляли высокочастотной сваркой на стане 73-219. Нагрев труб под закалку (1000-1050° С) и отпуск производили в секционных печах. Для охлаждения при закалке применяли спрейер, охватывающий внешний контур трубы. Охлаждение, видимо, было недостаточно интенсивным, и профили из стали 14Г2 приобретали σ_т > 500 Н/мм² лишь при средних температурах отпуска (500-550° С), т.е. при том же режиме термического упрочнения, что и для толстолистового проката из стали 14Г2. Такие профили могут разупрочняться под действием термического цикла сварки и иметь ряд других недостатков при работе в конструкциях. Во избежание деформаций при термическом упрочнении трубы подвергали калибровке и правке.

Изготовленные трубы имели хороший товарный вид и соответствовали допускам на овальность и кривизну. Видимо, для полного использования возможностей упрочнения тонкостенных трубных профилей в условиях массового поточного производства придется ввести ряд усовершенствований в технологию закалки: дополнительно ввести спрейер, подающий воду на внутренний контур трубы, использовать охлаждение турбулентными потоками воды и т.д.

Из всего сказанного следует, что в настоящее время в промышленных условиях можно изготовлять тонкостенные электросварные трубы высокой прочности для строительных конструкций. Требуемые механические свойства достигаются как нормализацией, так и термическим упрочнением. Промышленные партии нормализованных труб могут изготовляться на современных трубных заводах без дополнительной модернизации оборудования.

Однако при массовом производстве труб высокой прочности для строительных конструкций закалка с последующим отпуском — более перспективный метод упрочнения, особенно при условии создания машин, совмещающих отпуск с правкой и калибровкой труб, а также при дальнейшем совершенствовании средств охлаждения труб, нагретых под закалку.