автореферат диссертации по металлургии, 05.16.05, диссертация на тему:Ресурсосберегающая технология производства арматурных канатов для предварительно напряженных железобетонных конструкций

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ВИТАЯ АРМАТУРА И ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА.

1.1. Арматурные канаты. Конструкции, область применения, требования

1.2. Производство арматурных канатов. Основная технологическая схема производства и оборудование.

1.3. Критерии оценки эксплуатационных свойств арматурных канатов

1.4. Постановка задач исследования.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АН АЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ ПРОИЗВОДСТВА АРМАТУРНЫХ КАНАТОВ

2.1. Механические свойства и структура проволоки диаметром 2,05 мм, в процессе волочения.

2.2. Исследование напряженного состояния при волочении проволоки для арматурных канатов.

2.3. Напряженное состояние в калибрующем пояске и его влияние на напряжение волочения.

2.4. Анализ влияния технологических факторов на распределение действующих и остаточных напряжений в проволоке при волочении.

2.5. Преформация проволок при их свивке в канат.

2.5.1. Методика определения напряжений при изгибе проволок в префор-мирующем устройстве.

2.5.2. Определение влияния параметров преформирующего устройства на радиальные и продольные напряжения в проволоке повива.

Выводы по главе 2.

3. МЕТОДИКА И АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОВОЛОК В ПРОЦЕССЕ ФОРМИРОВАНИЯ АРМАТУРНОГО КАНАТА.

3.1. Формулировка задачи экспериментально-аналитического исследования свивочных напряжений в проволоках повива в процессе формирования каната.

3.2. Анализ свивочных напряжений в проволоках повива.

3.3. Формирование напряженного состояния в проволоках арматурного каната при рихтовании.

Выводы по главе 3.

4. РАЗРАБОТКА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА АРМАТУРНЫХ КАНАТОВ. РАЗРАБОТКА И ОСВОЕНИЕ

ВЫПУСКА НОВЫХ ВИДОВ ВИТОЙ МЕТАЛЛОАРМАТУРЫ.

4.1. Операции предварительной вытяжки канатов

4.1.1. Методика расчета основных параметров и конструктивных элементов механизма вытяжки.

4.2. Разработка и внедрение ресурсосберегающей технологии производства арматурных канатов на ОАО «МКЗ».

4.2.1. Измерение усилия вытяжки.

4.3. Изготовление опытной партии арматурных канатов с предварительной вытяжкой.

4.4. Новые технологические разработки и перспективные конструкции арматурных канатов.

Выводы по главе 4.

В настоящее время при общем изменении объемов и темпов строительства данная отрасль индустрии страны остается одной из основных и постоянных потребителей металлопродукции. Значительную долю в общем объеме потребляемой металлопродукции составляет металлоарматура, которая используется при производстве железобетонных предварительно напряженных конструкций.

Одним из основных вопросов создания рациональной железобетонной конструкции является вопрос ее армирования. Совершенствование процесса армирования идет по пути повышения механической прочности арматуры, что значительно снижает ее расход на изготовление железобетона.

Удельная себестоимость проволочной арматуры в стоимости бетона относительно невелика. Однако необходимость установки большого количества стержней вызывает развитие бетонного сечения, ограничение максимального размера частиц инертных заполнителей и значительное увеличение в целом трудоемкости изготовления конструкций. Поэтому, в настоящее время, армирование конструкций отдельными проволоками (струнобетон) применяется относительно редко.

По технико-экономическим показателям одним их наиболее эффективных видов арматуры предварительно напряженных железобетонных конструкций признана самоанкерующаяся высокопрочная канатная (витая) арматура.

Витую арматуру в конструкциях применяют в виде специальных прядей и канатов. Использование канатов для армирования железобетонных конструкций дает определенные преимущества в сравнении с другими видами проволочной арматуры. Укрупнение арматурных элементов создает благоприятные условия для более широкого применения средств механизации и снижения трудоемкости изготовления железобетонных конструкций.

Арматурные канаты в сравнении с проволочной арматурой имеют относительно развитую поверхность сцепления с бетоном, что в значительной степени повышает суммарное усилие сдвига арматуры относительно бетона. Уменьшение числа арматурных элементов позволяет размещать их в сечении более компактно.

При данном способе в несколько раз повышается разрывное усилие арматурного элемента, упрощается процесс заготовки и натяжения арматуры, то есть повышается технологичность; улучшаются условия бетонирования; при одинаковом диаметре канат является более гибким элементом, имеет больший периметр контакта с бетоном и высокую степень сцепления. В канатах можно использовать наиболее прочную проволоку без снижения прочности арматурного элемента, при этом обеспечивается достаточное сцепление с бетоном. Уменьшение числа арматурных элементов позволяет размещать их в сечении более рационально, с большими зазорами, применять жесткие бетонные смеси с более крупными заполнителями и приводит к снижению трудоемкости и улучшению качества изготовления конструкции.

На практике наиболее широкое применение нашла конструкция пряди 1x7 (1+6) по ГОСТ 13840-68. Это объясняется в основном тем, что по сравнению с двух- и трехпроволочными прядями они имеют большую несущую способность, а по сравнению с двух- и трехпрядными канатами они более удобны при производстве работ.

Эти преимущества обусловлены предъявлением дополнительных требований по сравнению с обычными канатами той же конструкции, связанных с условиями работы предварительно напряженного железобетонного изделия. К таким требованиям относятся:

- конструктивная форма арматурного каната должна обеспечивать совместную работу с бетоном на всех стадиях работы железобетонного элемента;

- канат должен быть нераскручивающимся, прямолинейным, обладать высокими релаксационными свойствами;

- канат должен обладать высоким временным сопротивлением, условным пределом упругости и текучести.

Канаты, обладающие этими свойствами, в общем случае можно охарактеризовать как стабилизированные.

Для производства арматурных прядей и канатов требуется специализированное и дорогостоящее оборудование, требующее значительных экономических и материальных издержек от предприятий, осваивающих производство витой арматуры.

Арматурные канаты в стабилизированном исполнении для ОАО «Магнитогорский калибровочный завод» являются новым видом продукции, освоение которой позволяет расширить сортамент и войти в новый сегмент рынка сбыта.

Но использование традиционных технологических схем изготовления ме-таллоарматуры с приобретением дорогостоящего технологического оборудования и выделение значительных производственных площадей в настоящий момент для предприятия не целесообразно.

В связи с чем, вопрос совершенствования технологии производства арматурных канатов с целью снижения затрат на освоение, с использованием действующего и существующего на заводе оборудования, является актуальным.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Выполнен анализ процесса волочения и получена уточненная модель распределения напряжений в проволоке. Их величина определена из решения равновесия сил упругого состояния среды с линейным распределением касательных напряжений по сечению калибрующего пояска.

2. По результатам, полученным при проведении полного факторного эксперимента, выведены регрессионные уравнения, устанавливающие влияние параметров преформирующего и рихтующего устройства на напряженное состояние в проволоке и проволок арматурного каната.

Определены и зафиксированы в технологической документации рациональные параметры настройки преформирующего и рихтующего устройства при производстве арматурного каната.

3. Экспериментально-аналитически установлено изменение интенсивности радиальных напряжений в зоне сжатия и формирование немонотонного распределения продольных напряжений размеры которой соизмеримы с размерами упругого ядра в проволоке, при воздействии на нее преформирующего устройства.

4. Разработана и представлена в виде технологической документации ресурсосберегающая технология производства арматурных канатов.

В условиях действующего производства ОАО «Магнитогорский калибровочный завод» освоено изготовление стабилизированных арматурных канатов по ГОСТ 13840 для предварительно напряженных железобетонных конструкций.

Годовой объем производства составляет - 370,0 тн арматурных канатов.

Экономическая эффективность от внедрения ресурсосберегающей технологии равна - 18,0 млн. рублей.

5. Разработана новая конструкция арматурного каната 3x5 (0+5) с трубчатым сердечником для предварительно напряженных железобетонных конструкций, техническая документация на производство ТУ. 14-176-118-2002, изготовлена и направлена в специализированную лабораторию ОАО «Бетфор» (г. Екатеринбург) опытная партия.

На разработанные конструкции арматурных канатов получены свидетельства Российской Федерации на полезные модели за № 17 933 и № 23 894.

В заключение можно сделать следующие выводы:

- арматурные канаты в стабилизированном исполнении имеют улучшенные показатели в сравнении с канатами, изготовленными с низкотемпературным отпуском без нагружения и для потребителя являются предпочтительными;

- для производства арматурных стабилизированных канатов требуется дорогостоящее технологическое оборудование и оснастка;

- с экономической точки зрения свивку арматурного каната, низкотемпературный отпуск и вытяжку необходимо производить в одну технологическую операцию. [37]

Исходя из вышесказанного, на ОАО «МКЗ» принято решение о разработке ресурсосберегающей технологии и освоении производства арматурных канатов по ГОСТ 13840-68 для армирования предварительно напряженных конструкций.

1.3. Критерии оценки эксплуатационных свойств арматурных канатов

Изменение технологии и варьирование технологическими параметрами на каждом из этих этапов позволяет существенно менять свойства конечного продукта - арматурного каната. [38] Анализ литературных источников и производственных данных позволил выделить основные параметры, влияющие на качество каната:

1. Шаг свивки, t -п,

2. Разрывное усилие, Рразр. -п2

3. Усилие текучести, Ро,2 -П3

4. Относительное удлинение, А -Ü4

5. Условный предел текучести, сто,2 -п5

6. Релаксация напряжений, Reí -Пб

7. Нераскручиваемость, N -п7

8. Прямолинейность, Пр. -п8

Методом экспертных оценок были выявлены и оценены основные парамет- ры, влияющие на свойства и качество арматурных канатов [38]. Оценку проводили по форме, представленной в таблице. Напротив каждого параметра проставляли его значимость:

1 - значимый фактор, оказывает существенное влияние на параметр; 0 - незначимый фактор, не оказывает влияние на параметр; 0,5 - оказывает влияние, но нерешающее, незначительное.

1. Букштейн М.А. Производство и использование стальных канатов. М.: Металлургия, 1973. - 360 с.

2. Глушко М.Ф. Стальные подъемные канаты. Киев: Техника, 1966. - 328 с.

3. Боголюбский В.И., Голубев И.М., Амитин И.И. Проволочные канаты. -М.: Металлургиздат, 1950. С. 128-148.

4. Королев В.Д. Канатное производство. М.: Металлургия, 1980. - 256 с.

5. Букштейн М.А., Беленький Я.Г. Канатчик-метизник: Справочник. М.: Металлургиздат, 1963. - 98 с.

6. Краснов Ф.Ф. Арматурные канаты и их применение в ж/б. М.: Издательство литературы по строительству, 1967. - 124 с.

7. Квицаридзе О.И., Габуния К.Г. // Бетон и железобетон. 1969. № 10. -С. 22-23.

8. Семенов А.И. Железобетонные конструкции с прядевой арматурой. М.: Стройиздат, 1968. - 173 с.

9. Михайлов К.В., Городницкий Ф.М. Проволочная арматура. Информация института «Черметинформация». 1969. № 9. С. 13-15.

10. Ю.Поздеев A.A., Няшин Ю.И., Трусов П.В. Остаточные напряжения. Теория и приложения. М.: Наука, 1982. - 111 с.

11. П.Михайлов К.В. Проволочная арматура для предварительно напряженного железобетона. М.: Стройиздат, 1964. - 189 с.

12. Мольнар В.Г., Владимиров Ю.В. Технологические основы производства стальных канатов. М.: Металлургия, 1975. - 200 с.

13. Прогрессивные решения в метизной промышленности: Сб. под ред. Кри-вощапова В.В. Магнитогорск: ПМП «Мини Тип», 1996. - 49 с.

14. Н.Семенов А.И., Зацаринный В.П. // Сталь. 1965. № 1. С. 90-92.

15. Букштейн М.А. Производство стальных и комбинированных канатов. -М.: Металлургиздат, 1954. 347 с.

16. Адамчук C.B., Манин В.П., Шубин И.Г. и др. Производство арматурных канатов: Сборник научных трудов. Под ред. Гуна Г.С. Магнитогорск: МГТУ, 2001.- 153 с.

17. Иванова B.C. Прочность металлов. М.: Издательство АН СССР, 1956. -25 с.

18. Семенов А.И. Прочностные свойства и релаксация напряжений стабилизированных арматурных канатов. // Сталь. 1973. № 9. С. 856-859.

19. Стариков А.К., Адамчук C.B., Манин В.П. Совершенствование процесса изготовления металлоарматуры. Сборник научных трудов. Под ред. Гуна Г.С. Магнитогорск: МГТУ, 1999. - 105 с.

20. Горловский М.Б. Оборудование проволочных и канатных цехов. М.: Металлургия, 1964. - 212 с.

21. Тимощенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука, 1979. » 560 с.

22. Физическое металловедение. Т. 3. Пер. с англ. -М.: «Мир», 1968. 484 с.

23. Полухин П.И., Горелик С.С., Воронцов В.К. Физические основы пластической деформации. М.: Металлургия, 1982. - 584 с.

24. Зубов В .Я., Красильников J1.A., Красавина Т.Н. Осевые напряжения в стальной проволоке и их релаксация при отпуске. // Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1965. № 2. » С. 125-130.

25. Матвеев С.И. Релаксация и ползучесть металлов. М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1952.-200 с.

26. Смирнов,В.С. Теория обработки металлов давлением. М.: Металлургия, 1973.-496 с.

27. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машиностроение. 1971. - 424 с.

28. Никифоров Б.А., Харитонов В.А., Киреев Е.М. Производство арматурной проволоки. Свердловск: УПИ, 1982. - 95 с.

29. Киреев Е.М., Никифоров Б.А. Механо-термическая обработка арматурной проволоки в потоке стана. // Сталь. № 8. 1987. С. 64.

30. Колмогоров Г.Л., Широбоков С.Е. Температурные условия и режимы формирования остаточных напряжений при волочении проволоки. // Известия ВУЗа. Черная металлургия. 1995. № 4. С. 49.

31. Сорокин А.Н., Адамчук C.B., Манин В.П. О необходимости учета знакопеременного нагружения в процессе волочения проволоки: Сборник научных трудов. / Под ред. Гуна Г.С. Магнитогорск: МГМА, 1998. - 89 с.

32. Красильников JI.A., Зубов В.Я. Релаксационная стойкость и циклическая прочность холоднотянутой проволоки. М.: Металлургия, 1970. - 186 с.

33. Егоров В.Д. Технология производства арматурных канатов в стабилизированном исполнении. // Сталь. 1983. № 9. -46 с.

34. Сиськов В.И. Статистическое измерение качества продукции. М.: Статистика, 1966. - 163 с.

35. Нестеров П.П. Обтяжка проволочных канатов. Вопросы горной механики. Гостехиздат, 1961. № 12. - 32 с.

36. Коковихин Ю.И. Технология сталепроволочного производства. Киев: Наукова думка, 1995. - 608 с.

37. Рудаков В.П., Адамчук C.B. и др. Совершенствование технологического процесса и расширение сортамента проволочно-канатного производства. Тезисы V Международной конференции. Новокузнецк, 1997. - 78 с.

38. Адамчук C.B., Пудов Е.А., Манин В.П. и др. Освоение производства стабилизированных арматурных канатов: Сборник научных трудов. Под ред. Гуна Г.С. Магнитогорск: МГТУ, 1999. - 179 с.

39. Остаточные напряжения и усталость проволоки. Материалы научно-производственного семинара. Одесса, 1967. - 52 с.

40. Поздей A.B. и др. Технологические остаточные напряжения. М.: Наука, 1971.-207 с.

41. Губкин С.H. Пластическая деформация металлов. Т. III. M.: Металлурггиздат, 196 Г 306 с.

42. Перлин И.Л., Ерманок М.З. Теория волочения. М.: Металлургия, 1971. -448 с.

43. Венников В.А., Венников Г.В. Теория подобия и моделирования. М.; Высшая школа, 1984. - 439 с.

44. Чижиков Ю.М. Теория подобия и моделирование процессов ОМД. М.: Металлургия, 1970. - 296 с.45.3олоторевский B.C. Механические испытания и свойства металлов: Учебное пособие для Вузов. М.: Металлургия, 1974. - 303 с.

45. Грачев C.B., Бараз В.Р., Богатов A.A., Швейкин В.П. Физическое металловедение: Учебник для вузов. Екатеринбург: Изд-во Уральского государственного технического университета - УПИ, 2001. - 534 с.

46. Аркулис Г.Э., Дорогобид В.Г. Теория пластичности: Учебное пособие Вузов. М.: Металлурги я, 1987. - 352 с.

47. Козлов В.Т., Высочин В.Д. К вопросу определения остаточных напряжений после волочения. Стальные канаты. 3. Киев: Техника, 1968. -С. 376-380.

48. Соколов И.А., Уральский В.И. Остаточные напряжения и качество металлоизделий. М,: Металлургия, 1981. - 96 с.

49. Никифоров Б.А., Фогель Л.М., Белалов Х.Н.и др. Вычисление остаточных напряжений в проволоке. Математическое моделирование процессов обработки металлов: Тезисы докладов. Пермь, 1987. - 44 с.

50. А.с. 339777 СССР. Устройство для определения остаточных напряжений. Калугин В.Д., Козлов Л.Г. Опубл. в Б.И. № 17. 1972.

51. Туленков К.И., Гайдученко Б.И., Гельфанд И.М. Остаточные напряжения в стальной канатной проволоке и прибор для их определения. М.: ЦНИИЧМ, 1961.

52. Богатов A.A., Мижирицкий О.И., Смирнов C.B. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением. ML: Металлургия, 1984. - 144 с.

53. Мороз J1.C. Механика и физика деформаций и разрушение материалов. -JL: Машиностроение, 198 . 224 с.

54. Поляков М.Г., Никифоров Б.А., Гун Г.С. Деформация металла в многовалковых калибрах. М.: Металлургия, 1979. - 240 с.

55. Новак Ф.С. Математические методы планирования эксперимента в металловедении. М. : МИС и С, 1971. - 106 с.

56. Мастеров В.А. Практика статистического планирования эксперимента в технологии, М.: Металлургия, 1974. - 160 с.

57. Адамчук C.B., Манин В.П., Шубин И.Г. Определение напряженно-деформированного состояния проволоки при свивке канатов. // Сталь. № 6. 2000.-С. 68.

58. Адам чу к C.B., Пудов Е.А., Манин В.П. и др. Определение напряженно-деформированного состояния проволоки при свивке. Стальные канаты. Сборник научных трудов. Одесса, 2001. - 161 с.

59. Адамчук C.B., Зарецкий JLM.? Манин В.П. и др. Определение момента закручивания методом песчаной аналогии: Сборник научных трудов / Под ред. Салганника В.М. Магнитогорск: МГМА, 1998. - 277 с.

60. Адамчук C.B., Манин В.П., Плоских Д.В., Плоских А.Ф. Влияние конструктивных параметров рихтующего устройства на формирование напряженного состояния в проволоках арматурных канатов: Сборник научных трудов. Магнитогорск: МГМА, 1998. - 101 с.

61. Адамчук C.B., Манин В.П., Шубин И.Г. и др. Влияние параметров рихтующего устройства на изгибные напряжения. Стальные канаты. Сборник научных трудов. Одесса, 2001. - 164 с.

62. Фомин Г.М. Исследование напряженного состояния проволок в канатах, рихтованных с помощью вращающегося рихтователя и влияние степени рихтовки на долговечность стальных канатов. Кандидатская диссертация. Магнитогорск: МГМИ, 1970. - 130 с.

63. Гончаренко Н.К., Ветров А.П. Исследование рационального режима предварительной обтяжки стальных канатов. Стальные канаты. № 1. 1967. -Киев: Техника.

64. Нестеров П.П., Шабанов-Кушниренко Ю.П., Гончаренко Н.К. и др. Обтяжка проволочных канатов. Вопросы горной механики. 1961.

65. Адамчук C.B., Манин В.П., Шубин И.Г. Исследование технологии производства стабилизированных арматурных канатов. Бюллетень «Черная металлургия». № 3-4. 2000. 62 с.

66. Адамчук C.B. и др. Разработка рациональных технологий изготовления арматурных изделий на ОАО «МКЗ»: Сборник научных трудов. Магнитогорск: МГМА, 1998. - 104 с.

67. Максимовский В.А. В кн.: Конструкции промышленных зданий. - Ростов-на-Дону: Ростовский Промстройниипроект, 1971. - С. 209-212.71 .Свид. РФ № 17 933, МПК 7 Е 04 С 5/00 Арматурный канат / Адамчук C.B., Шубин И.Г., Манин В.П. и др. 2001. Б.И. 13.

68. Адамчук C.B., Манин В.П., Шубин И.Г. Трехпрядные канаты с трубчатым сердечником новый вид арматуры для железобетонных конструкций. Сборник научных трудов. Под ред. Гуна Г.С. - Магнитогорск: МГТУ, 2002.-203 с.

69. Свид. РФ № 23 894, МПК 7 Е 04 С 5/00 Арматурный канат / Адамчук C.B., Манин В.П., Зарецкий Л.М. и др. 2002. Б.И. 20.

70. Манин В.П., Зарецкий Л.М., Адамчук C.B. Определение параметров очага деформации при формировании спирального паза в сердечнике арматурного каната. Сборник научных трудов. Под ред. Гуна Г.С. Магнитогорск: МГТУ, 2002.- 199 с.

71. Манин В.П., Зарецкий J1.M., Адамчук C.B. и др. Моделирование напряженно-деформированного состояния элементов двухпроволочного арматурного каната. Труды четвертого конгресса прокатчиков. Т. 2. Магнитогорск, 2001. - 212 с.

72. Манин В.П., Зарецкий Л.М., Адамчук C.B., Шубин И.Г. Моделирование процессов волочения заготовки сердечника двухпроволочного арматурного каната. Сборник научных трудов. Одесса, 1999. - 106 с.

73. Манин В.П., Зарецкий Л.М., Адамчук C.B., Шубин И.Г. Разработка технологической схемы производства высокопрочных арматурных канатов малых диаметров. Стальные канаты. Сборник научных трудов. Одесса, 1999. - 103 с.

74. Емельяненко П.Т., Алыиевский. // Сталь. 1949. № 10. 904 с.

75. Соколовский В.В. Теория пластичности. Издательство АН СССР, Москва-Ленинград, 1946. 306 с.