2. Обоснование выбора материала для бункера

Выбор марки материала производим согласно рекомендациям

СНиП II -23-81. В СНиПе все конструкции разбиты на 8 групп, в зависимости от назначения и условий эксплуатации. Выбор классов и марок сталей, в пределах каждой группы конструкции, производится исходя из диапазона рабочих температур и технико-экономических показателей.

Одним из основных критериев выбора марки стали является способность материала выдерживать нагрузки, поэтому сталь, прежде всего выбираем исходя из расчета на прочность.

Согласно СHиП II-23-81, все стали, применяемые для строительных конструкций, разделяются по виду проката (лист, фасон, труба) и толщине проката. Меньшим толщинам проката, как правило, соответствуют более высокие значения сопротивлений. Поэтому при выборе профилей проката необходимо стремиться назначать профили с возможно меньшей толщиной элементов сечения.

Руководствуясь рекомендациям СНиПа, принимаем в качестве основного материала сталь Ст.Зсп ГОСТ 380-94. Данная сталь широко применяется при изготовлении конструкций мостов, строительных сооружений, подъемно-транспортных и дорожных машин, оборудования для нефтяной и газовой промышленности. Она обладает низкой стоимостью и сваривается практически любым способом. Диапазон температур использования от -40°С до 425°С, в зависимости от состава, степени раскисления и структурного состояния.

3. Описание стали Ст.Зсп

Сталь СтЗсп по содержанию углерода относится к низкоуглеродистым сталям, по степени раскисления к спокойным сталям. С гарантией поставки по механическим свойствам и химическому составу.

Низкоуглеродистые стали (С=0,09… 0,25%) стали пластичные, хорошо свариваются и широко применяются для строительных конструкций. Маркировка низкоуглеродистых сталей, например СтЗсп, включает в себя следующие обозначения: СтЗ - марка стали, буквенный индекс после марки - способ раскисления стали (сп - спокойные, кп - кипящие, пс -полуспокойные).

Спокойная и полуспокойная стали более качественные, чем кипящие, но немного дороже последних.

Прокат стали СтЗсп нормируется по ГОСТ-380-94, характеристика проката приведена в табл.3.0

Таблица 3.0

Характеристика проката стали СтЗсп

Класс стали	Толщина проката, мм
	Листового	Фасонного, сортового
С38/23	5-30	5-30

В стали помимо постоянных элементов могут находится в небольшом количестве случайные примеси попадающие в сталь из шихтовых материалов (Медь, Мышьяк) или из скрапа (хром, никель), содержание этих элементов не превышает допустимых значений, а также специально вводимые в процессе плавки для раскисления стали или связывания вредных примесей. Содержание этих элементов приведено в табл. 3.1.

Таблица 3.1

Химический состав стали СтЗсп, %

C	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Cu	As
			Не более
0.14-0.22	0.40-0.65	0.12-0.30	0.04	0.05	0.30	0.30	0.30	0.08

ГОСТом допускаются отклонения по химическому составу (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Допускаемые отклонения по химическому составу ВСт3сп5

Элементы	Допускаемые отклонения, %
Углерод	-0,02
Марганец	+0,05
Кремний	+0,03, -0,02
Фосфор	+0,005
Сера	+0,005

В сталях содержатся добавки кремния и марганца, а также вредные примеси — сера и фосфор, содержание которых в стали ограничивают.

Основным источником серы в стали является исходное сырье — чугун. Сера снижает пластичность и вязкость стали, особенно при низких температурах, а также сообщает стали красноломкость при прокатке и ковке. Сера нерастворима в стали. Она образует с железом соединение FeS— сульфид железа, хорошо растворимый в металле. При малом содержании марганца, благодаря высокой ликвации серы в стали, может образоваться легкоплавкая эвтектика Fe – FeS (Т_пл = 988 °С). Эвтектика располагается по границам зерен. При нагреве стальных заготовок до температур горячей деформации, включения эвтектики сообщают стали хрупкость, а при некоторых условиях могут даже плавиться и при деформировании образовывать надрывы и трещины. Поэтому содержание серы в стали должно быть как можно меньше.

Основной источник фосфора — руды, из которых выплавляется исходный чугун. Фосфор является вредной примесью, способной в количестве до 1,2 % растворяться в феррите. Растворяясь в феррите, фосфор уменьшает его пластичность. Фосфор резко отличается от железа по типу кристаллической решетки, диаметру атомов и их строению. Поэтому фосфор располагается вблизи границ зерен и способствует их охрупчиванию, повышая температурный порог хладноломкости.

Скрытые примеси — кислород, азот, водород — находятся в стали либо в виде твердого раствора в феррите, либо образуют химические соединения (нитриды, оксиды), либо присутствуют в свободном состоянии в порах металла. Кислород и азот мало растворимы в феррите. Они загрязняют углеродистую сталь хрупкими неметаллическими включениями, способствуя снижению вязкости и пластичности стали. Водород находится в твердом растворе и особенно сильно охрупчивает сталь. Повышенное содержание водорода приводит к образованию внутренних трещин — флокенов.

М арганец и кремний вводятся в сталь в процессе выплавки для раскисления. FeO + Мn МnО + Fe, 2FeO+ Si SiO₂ + 2Fe

Марганец. В данной стали содержится до 0,65 % Мn. Марганец, помимо раскисления, в этих количествах полностью растворяется в феррите и упрочняет его, увеличивает прокаливаемость стали, а также уменьшает вредное влияние серы

F eS + Мn MnS + Fe

устраняет красноломкость, так как сульфиды марганца не образуют сетки по границам зерен и имеют температуру плавления около 1620 °С, что выше температуры горячей деформации. Вместе с тем, сульфиды марганца, как и другие неметаллические включения, также снижают вязкость и пластичность, уменьшают усталостную прочность стали.

Кремний. (0,12-0,30%) Является полезной примесью, так как эффективно раскисляет сталь и, полностью растворяясь в феррите, способствует его упрочнению. И способствует связыванию кислорода

2 FeO + Si SiO₂ + 2Fe

Кроме того, в углеродистых сталях присутствуют такие случайные примеси, как Сr, Ni, Си, As наличие которых обусловлено загрязненностью шихты.

Согласно СНиП II -23-81, все стали делятся на 7 классов (табл. 2.3) по гарантируемым значениям временного сопротивления разрыву, предела текучести. В данном проекте используется сталь класса С38/23 т.е. сталь обыкновенного качества. Наряду с требованиями гарантированной прочности, к строительным сталям предъявляются также требования гарантированной сопротивляемости хрупкому разрушению (хладостойкости). Она регламентируется показателями ударной вязкости при отрицательной температуре -20°С после механического старения. Последняя характеристика является также показателем свариваемости, т.к. отражает склонность стали к изменению механических свойств при сварке, на участке соединения, вблизи шва.

Все строительные стали условно делятся на три группы по хладостойкости (табл 3.3)

1 - без гарантированной хладостойкости

2-c гарантированной хладостойкостью для металлоконструкций, эксплуатируемых в обычных температурных условиях (расчетная температура не ниже -40°С)

3 - для металлоконструкций , эксплуатируемых при температурах ниже -40°С (для серверных районов)

Исходя из этого можно сделать вывод, что эта сталь полностью удовлетворяет требованиям, так как район эксплуатации город Тула, где температура не опускается ниже -40 °C.

Таблица 3.3 Классы прочности и группы прочности по хладостойкости.

Сталь получают главным образам из смеси чугуна, выплавляемого в доменных печах, со стальным ломом. Сталь плавят в конверторах, мартеновских и электрических печах. Хорошее качество конверторной стали, обеспечивается продувкой кислородом. Наивысшие сорта сталей получают их переплавом электрошлаковым, вакуумным дуговым, электронно­лучевым, плазменно-дуговым.

Плавка стали без достаточного количества раскислителей сопровождается выделением газов. Такая сталь называется кипящей (буква «кп» в марке стали). Стали, раскисленные добавками кремния и алюминия, остывают в изложницах без интенсивного выделения газов и называются спокойными (буквы «сп» в марке стали). Промежуточные стали — полуспокойные — обозначаются буквами «пс»

Температурная область их применения может охватывать диапазон от -40 до +425°С, в зависимости от состава, степени раскисления и структурного состояния, обеспеченного термообработкой.

Раскисление сталей. Механические и технологические свойства сталей в значительной степени предопределяются их раскисленностью. По степени раскисленности различают три группы сталей: кипящие (кп), полуспокойные (пс) и спокойные (сп) табл 3.4

ТаблицаЗ.4

Характеристика химической неоднородности слитков из углеродистой стали разной степени раскисления.

Кипящие стали - это стали, раскисленные только Мn. В составе кипящих сталей практически отсутствует Si. Его содержание не превышает 0,05%. Для этих сталей характерна повышенная неоднородность распределения S и Р по толщине проката и пониженная стойкость против хрупкого разрушения. Они склонны к старению. Кипящие стали имеют самый низкий уровень качества среди рассматриваемых трех групп сталей. Но вместе с тем они имеют наиболее низкую стоимость, что предопределяет их распространенность в промышленности.

Полуспокойные стали - это стали, раскисленные Мn и Аl. Содержание кремния в них составляет 0,05 - 0,10 %. Эти стали в меньшей степени насыщены газами и более однородны по распределению примесных элементов по толщине проката по сравнению с кипящими. По уровню механических свойств и стоимости полуспокойные стали занимают промежуточное положение между кипящими и спокойными.

Спокойные стали получают посредством их полного раскисления кремнием, марганцем и алюминием. При этом N₂ и О₂ в их составе связаны Al. Для спокойных сталей характерна повышенная дисперсность феррито-перлитной структуры. При переходе от полуспокойных к спокойным сталям отмечается увеличение ударной вязкости и снижение склонности металла к старению. При этом возрастает и стоимость стали, содержание Si в составе спокойных сталей обычно составляет 0,14-0,30 %.

Спокойные стали затвердевают без кипения, что достигается введением в их состав элементов раскислителей. Важной особенностью данной стали является однородность строения. Вредные примеси — сера и фосфор распределяются более равномерно чем в кипящей стали. Вследствие раскисления и одновременного частичного связывания азота спокойные стали менее чувствительны к хрупкому излому, чем кипящие. Присадкой достаточного количества алюминия, который наряду с кислородом связывает также азот, удается значительно снизить их восприимчивость к старению. Образующиеся

при этом мелкодисперсные нитриды приводят одновременно к уменьшению размера зерен и тем самым уменьшают склонность стали к хладноломкости. [13]

Механические свойства предопределяются содержанием углерода в составе стали, степенью ее раскисленности видом и режимами термообработки влияющей на структурное состояние. Показатели механических свойств стали СтЗсп представлены в табл. З.4.1

Таблица З.4.1

Механические свойства стали СтЗсп при растяжении.

σв, МПа	σт, МПа	δ, %
380-490	250	26

Ударная вязкость. Важным показателем сталей, особенно применяемых для конструкций, эксплуатируемых при пониженных температурах, является ударная вязкость. Регламентируемые требования по ударной вязкости приведены в табл. 3.5

Таблица 3.5

Ударная вязкость по ГОСТ380-94 листовой стали СтЗсп

Толщина образца, мм	Ударная вязкость, МДж/мг, не менее
	При температуре +20°С	При температуре –20°С
5-9	0,8	0,4
10-25	0,7	0,3
26-40	0,5	-

С увеличением толщины металла значения σ_в , σ_т и δ несколько снижаются. Пластичность сталей оценивают также испытанием на изгиб до образования первой трещины. Согласно ГОСТ380-94, трещины должны отсутствовать при изгибе до параллельности сторон α=180°.

Ударная вязкость определяется путем ударного изгиба стандартных образцов на копре при комнатных и низких температурах. Ударная вязкость выражается отношением работы разрушения к площади поперечного сечения образца (МДж/м²).

Применение таких видов термообработки, как нормализация и в особенности термическое упрочнение, позволяет повысить в 1,5- 2,5 раза уровень ударной вязкости углеродистых сталей.