Материаловедческие и технологические аспекты повышения энергоэффективности

Волк Д.О. Стебунова К.М. Камолов А.С. Гудкова Е.А. МГСУ
Материаловедческие и технологические аспекты повышения энергоэффективности в строительстве и на предприятиях стройиндустрии.

При создании сталей для металлических конструкций, используемых в строительстве и для производства техники необходимо учитывать разнообразные и часто противоречивые друг другу требования. Прежде всего, стали должны иметь высокие механические свойства, особенно важно сохранение этих свойств при экстремальных, т.е. максимальных по абсолютной величине, эксплуатационных воздействий, например, низких климатических и кратковременно высоких температур, агрессивных сред, сейсмических воздействий, и т.п. Рассматриваются, прежде всего, стали с пределом текучести в диапазоне 360...560 МПа обычно применяемые в ответственных конструкциях.

Экспериментально установлено, что стали, отличающиеся высоким сопротивлением экстремальным воздействиям, имеют примерно одинаковый химический состав и структурное состояние. Обычный состав подобных сталей: 0,06% С, 1,0-1,5% Mn, Ni, Cr, Cu около 0,1-0,3% каждого, микролегирование Nb, V, Ti, Al, <0,1% в сумме, S и P < 0,010% в любом случае каждого элемента.
Разумеется, для случаев разной прочности и различных случаев применения возможны существенные вариации. Так, для отечественных строительных конструкций содержание серы допустимо на уровне S<0,010 %, в случае воздействия на элементы конструкции повышенного содержания сернистого водорода содержание серы желательно понизить до S=0,001%.

Конструкционные стали могут обладать фактически одновременно высокой хладостойкостью, огнестойкостью, высоким сопротивлением повышенным температурам, а также коррозионному растрескиванию, переменным нагрузкам, высокой пластичностью, перегрузкам при монтаже и транспортировке. Такие стали эффективно используются при возведении уникальных технических сооружений, высотных зданий, магистральных трубопроводов, платформ для бурения, буровых установок, большепролётных мостовых переходов.

Массовый выпуск этих сталей в настоящее время может быть реализован в металлургической промышленности при освоении новой технологии производства проката по схеме: дуговая электропечь (кислородный конвертер) - установка "ковш-печь" - производство непрерывнолитых слябов - термомеханическая прокатка толстых листов на прокатных станах большой мощности (типа "5000") - термическая обработка листов в потоке стана и на установках ускоренного охлаждения.

Такая технология, во-первых, экономически эффективна, поскольку минимизирует потребление углеводородного топлива, а во-вторых, обеспечивает выполнение требований к химическому составу, структуре и свойствам металлопроката для уникальных конструкций, используемых в строительстве или при производстве строительной техники и механизмов, в том числе, подверженных экстремальным воздействиям

Современные конструкции и сооружения изготавливаются из проката большой толщины - до 230 миллиметров. При упрочнении в потоке стана в сечении формируется неоднородная структура типа естественного композита. При недостаточном контроле свойств в осевой части профилей здесь могут возникать трещины, опасные для несущей способности конструкций.

При производстве уникальных конструкций из проката толщин больших 230 мм, металл сварных соединений часто воспринимает растягивающие нагрузки, нормальные к плоскости листа (в Z-направлении). В этом случае свойства проката (Z-свойства) могут существенно снижаться, и создаётся возможность для специфического неэнергоёмкого разрушения, при котором формируется характерный слоистый излом. Такое разрушение называют слоистым растрескиванием. Для предотвращения таких разрушений в соответствии с ГОСТ 28870-90 испытывается на растяжение образец цилиндрической форм, ось которого нормальна к плоскости листа. На разрушенном образце замеряется относительное сужение, по величине которого уже судят о Z-свойствах, то есть о сопротивлении слоистому разрушению (растрескиванию).

Современная металлургическая промышленность производит толстые листы металлопроката (толщиной вплоть до 230 мм) с гарантированными Z-свойствами (вплоть до 35%), обеспечивающими надёжную работу сварных соединений. Это достигается благодаря гарантированному обеспечению низкого содержания вредных примесей (S<0,005%; P<0,010%), формированию дисперсной структуры, а также достаточно большим деформациям на стадии изготовления листа из заготовки.

Перспектива развития строительной индустрии и машиностроения неразрывно связана с разработкой новых технологий производства конструкционных материалов и, в первую очередь, сталей. Переход на конструкционные стали с новыми техническими характеристиками требует проведения всесторонних исследований, результатом которых должно стать качественное улучшение характеристик, особенно критериев, характеризующих зарождение и распространение трещин в условиях эксплуатации - как статических объектов и сооружений, так и движущихся деталей и элементов конструкции строительных машин и механизмов.

В технических условиях на стали помимо традиционных характеристик прочности, пластичности, ударной вязкости, необходимо заложить требования по коррозионному растрескиванию и показателю накопления остаточных напряжений. Растягивающие остаточные напряжения в наружных слоях резко снижают сопротивление коррозионному растрескиванию проката и конечного изделия в целом. Контроль остаточных напряжений в полуфабрикатах (металлопрокате) и готовых изделиях даёт возможность отбраковывать продукцию с недопустимыми значениями остаточных напряжений, которые могли бы впоследствии привести к преждевременному выходу из строя элементов строительных конструкций, узлов и агрегатов строительного оборудования и машин, или даже к аварийным ситуациям. Такой контроль должен осуществляться как на металлургических предприятиях, так и на заводах по производству строительной техники или металлоконструкций для возводимых объектов.