Сталь для виробництва катаних шпунтових свай

Изобретение относится к металлургии, в частности к низколегированной стали, применяемой для изготовления катаных шп унтовых свай или других профилей для строительных конструкций, Шпунтовые сваи - это профиль специального назначения с замковым соединением, который применяется при строительстве различных гидротехнических сооружений. Особенно широко шунтовые сваи используются при строительстве речных и морских причалов, стенок, доков и мостов. Сложные условия эксплуатации шпунтовых свай, особенно при создании гидротехнических сооружений морских портов, где они подвергаются постоянному воздействию волновой и ледовой нагрузки, должны воспринимать нагрузки и от тяжеловесных перегрузочных средств, определенные динамические нагрузки при швартовке судов и т. п., а также подвержены коррозии в морской воде, обуславливают относительно высокие требования к комплексу механических свойств стали и ее коррозионной стойкости. Критерием, характеризующим пригодность стали для шпунтовых свай и строительных конструкций, является комплекс механических свойств, а именно предел текучести, пластичности и ударной вязкости. Известна сталь марки Ст. 3, применяемая для производства шп унтовых свай и профилей для изготовления строительных конструкций, содержащая, мас.%: 0,14-0,22 С; 0,40-0,65 Мп, не более 0,30 Si (ГОСТ 380). Недостатком указанной стали при использовании ее для производства шпунтовы х свай является низкий уровень механических свойств, а именно низкий предел текучести, и низкая коррозионная стойкость в морской воде. Известны низколегированные стали, содержащие в качестве основы железо, углерод, марганец, кремний, хром, никель, медь, титан, ванадий, алюминий, бор, цирконий, ниобий и редкоземельные металлы, применяемые для изготовления профилей, которые широко используются в строительных конструкциях [Стали, производимые по ГОСТ 19281 "Сталь низколегированная сортовая и фасонная"; Авт. св. СССР № 1116090, кл. С 22 С 38/28, 1984; Авт. св. СССР № 1122739, кл. С 22 С 38/28, 1984; Авт. св. СССР № 1133310, кл. С 22 С 38/28,1985; Авт. св. СССР № 1148889, кл. С 22 С 38/04, 1985; Авт. св. СССР № 1313888, кл. С 22 С 38/16, 1987; Авт. св. СССР № 1468960, кл. С 22 С 38/16, 1989; Авт. св. СССР № 1544833, кл. С 22 С 38/28, 1990; Авт. св. СССР № 1634724, кл. С 22 С 38/28, 1991; Авт. св. СССР № 1673628, кл. С 22 С 38/14, 1991; Авт. св. СССР № 1689423, кл. С 22 С 38/16,1991; Авт. св. СССР № 1717663, кл. С 22 С 38/28, 1992; Авт. св. СССР № 1739671, кл. С 22 С 38/06, 1992]. Эти стали обладают достаточно высокими прочностными характеристиками в горячекатаном состоянии и относительной коррозионной стойкостью, однако экономически невыгодны из-за высокой стоимости используемой лигатуры. . Современный уровень развития речного и, особенно, морского транспорта, увеличение водоизмещения и осадки судов требует строительства глубоководных причалов, т. е. сооружения шпунтовой стенки высотой более 15-20 м из стали с более высоким уровнем прочностных свойств. Кроме того, из-за создавшегося дефицита легирующи х элементов поставлен вопрос создания новых марок экономнолегированных сталей, которые в сочетании с контролируемой прокаткой (термомеханической обработкой), удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям. Близкой к предлагаемой стали является сталь марки 15ГЮТ, применяемая для изготовления горячекатаных толстых листов с использованием эффекта контролируемой прокатки [Авт. св. СССР № 513108, кл. С 22 С 38/00, 1974], содержащая, мас.%: Данная сталь по комплексу механических свойств удовлетворяет предъявляемым требованиям, однако имеет низкую коррозионную стойкость в морской воде. Близкой к предлагаемой стали является сталь марки 16ХГ, применяемая для изготовления горячекатаных шпунтовы х свай с повышенным уровнем прочностных свойств и повышенной коррозионной стойкостью в морской воде (ТУ 14-2-879-89 "Прокат стальной горячекатаный шпунтовы х свай типа Ларсен"), содержащая, мас: Данная сталь имеет удовлетворительную коррозионную стойкость в морской воде, однако имеет относительно низкий комплекс механических свойств. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования химического состава низкоуглеродистой стали для производства горячекатаных шпунтов свай путем ее экономичного легирования, в результате чего после контролируемой прокатки повышается комплекс механических свойств при удовлетворительной коррозионной стойкости и морской воде. Поставленная задача решается тем, что сталь для производства катаных шпунтовых свай, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, медь, титан, алюминий и железо, согласно изобретению содержит компоненты в следующем, соотношении, мас. %: при этом для обеспечения необходимого уровня прочностных свойств после контролируемой прокатки отношение углеродного эквивалента к суммарному содержанию алюминия и титана должно составлять 1,36.3. В предлагаемой стали железо является основой, углерод, марганец, хром, кремний и медь - основными легирующими элементами; титан - основной микролегирующий элемент и модификатор стали. Алюминии регулирует соотношение между оксидными и нитридными включениями в стали, а также выступает как модификатор стали. Элементы, входящие в состав предлагаемой стали, формируют ее стр уктур у и свойства в процессе кристаллизации и последующи х процессов охлаждения слитка, горячей прокатки и охлаждения готового проката и, находясь в сложной взаимосвязи, обеспечивают высокий уровень механических свойств. При содержании углерода менее 0.09 мас.% сталь не имеет достаточной прочности, а при содержании его более 0,18 мас.% происходит снижение пластичности и вязкости стали и ухудшается свариваемость. Нижний предел содержания марганца (0,70 мас. %) обусловлен требуемым уровнем прочностных свойств. При содержании его .более 1,6 мас.% снижается пластичность, увеличивается ликвация и неравномерность структуры и свойств стали, ухудшается свариваемость. Кроме того, наличие марганца в стали в указанных пределах необходимо для подавления процесса выделения карбидов и карбонитридов при повышенной температуре. Кремний увеличивает прочность стали за счет упрочнения ферритной матрицы. При содержании менее 0.05 мас.% влияние кремния незначительно, а при содержании его более 0,60 мас.% увеличивается хр упкость и снижается ударная вязкость стали. Кремний необходим также и для стабилизации механических свойств, также он задерживает разупрочнение стали при повышенных температурах. Хром повышает устойчивость стали против коррозии и увеличивает прочность феррита. При содержании его менее 0,30 мас.% коррозионная стойкость и прочность стали существенно не повышаются, а при содержании более 0,80 мас.% происходит охр упчивание стали за счет выделения карбидов хрома и снижение вязкостных характеристик стали. Медь повышает коррозионную стойкость стали. Нижний предел ее содержания (0,005 мас.%) обусловлен обеспечением минимума коррозионной стойкости, а верхний предел (0,60 мас.%) - возможным охрупчиванием стали за счет выделения меди в свободном состоянии и снижением технологичности стали при горячей прокатке. Титан является модифицирующим элементом: с азотом он образует нитриды, а с углеродом карбонитриды,которые,будучи мелкодисперсными и равномерно распределенными в стали, способствуют одиопроменному повышению ее прочности и удар ной вязкости за счет дисперсионного твердения и измельчения зерна Присутствие титана в стали, связывающего азот и расплавленном металле, повышает технологичность стали при сварке, так как предотвращает выделение из стали газообразного азота и появления пузырей в сварном шве. Кроме того, связывая азот в устойчивые нитриды при более высокой температуре, чем алюминий, титан снижает трещиночувствительность стали при сварке. Содержание титана менее 0,08 мас.% не обеспечивает образования нитридов, повышения трещиночувствительности и технологичности при сварке, а болееО,15 мае % приводит к появлению крупных нитридов и сульфидов, располагающихся большими скоплениями и снижающих пластичность и вязкость стали, а также технологичность ее при горячей прокатке и сварке. Алюминий необходим как раскислитель для получения стали, чистой от кислородных включений, кроме того, при взаимодействии с азотом образует дисперсные нитриды, которые приводят к увеличению ударной вязкости стали за счет измельчения зерна. Содержание алюминия менее 0,02 мае % недостаточно для полного удаления из стали оксидов и образования мелкодисперсных нитридов алюминия. Содержание его более 0,08 мас.% приводит к образованию крупны нитридных включений, снижающих пластичность и вязкость стали. Одновременное присутствие в стали титана и алюминия в указанных пределах способствует упрочнению феррита стали при пластической деформации в интервале температур от 950 до 800°С (контролируемая прокатка) и существенному повышению уровня механических свойств стали. Однако присутствие в стали титана и алюминия выше указанных пределов приводит к образованию пленочных· нитридных выделений, которые, являясь препятствием для пластической деформации, способствуют накоплению упругой энергии и зарождению микротрещин критического размера, которые, в свою очередь, становятся инициаторами хр упкого разрушения. Кроме того, результаты экспериментального опробования производства шпунтовых свай из предложенной стали показывают, что отношение углеродного эквивалента, определенного по формуле к суммарному содержанию титана и алюминия в стали составляет от 1,3 до 6,3. Пример. Низколегированную сталь известного состава (16ХГ) выплавляли в сталеплавильном агрегате и после доводки металла по содержанию вредных примесей и температуре его сливали в ковш. Ферросплавы для раскисления и легирования присаживали в ковш по расчету. Слитки предложенной стали получали путем дополнительной присадки определенного количества мелкоизмельченных Mn-, Si-, Cr и Ті содержащих ферросплавов и металлического АІ в один из слитков при разливке стали 16ХГ текущего производства. В таблице приведены составы предложенной стали и основные ее свойства в сравнении с известной.