Стальной рейд «французского аспиранта»

Принципиально новые методы повышения прочности стали предлагают молодые украинские ученые.

Технологии, разрабатываемые сотрудниками Национальной металлургической академии Украины (НМетАУ, г. Днепропетровск), призваны прийти на смену морально устаревшим и затратным методам. Международное признание исследований ученых новой генерации, возможно, ускорит процесс их внедрения.

Вначале было «термо»

Защита квалификационной работы «Изучение структуры и особенностей арматурного проката для бетона после применения деформации кручения» аспирантом кафедры термической обработки металла ым состоялась в сентябре в Центральной технической школе Лиона. О чрезвычайной актуальности этой темы для металлургической и строительной отраслей нашей страны рассказали украинский соруководитель молодого ученого, старший научный сотрудник кафедры ТОМ кандидат технических наук Александр Ивченко и коллега Константина ассистент Максим Амбражей. Сам диссертант тем временем ожидает получения диплома во Франции.

— После поступления в аспирантуру Константин нашел соруководителя в Центральной технической школе Лиона и выиграл конкурс научных работ, организованный французским посольством, — говорит Максим Амбражей. — Это дало ему возможность получить финансирование для зарубежных поездок и счастливый шанс поработать на самом современном исследовательском оборудовании. Нашей стороне все это обошлось абсолютно бесплатно.

— Впрочем, началась работа над данной темой еще в 2005 году на комбинате «Криворожсталь», ныне «АрселорМиттал Кривой Рог», — продолжает Александр Ивченко. — И это не случайно, ведь еще в 1967-м там была запущена первая установка термического упрочнения проката. Пионером в этой области стал руководитель отдела термоупрочнения Института черной металлургии союзного подчинения академик Кирилл Федорович Стародубов, одновременно заведовавший нашей кафедрой.

Но в те времена советские ученые не стремились защищать свою интеллектуальную собственность. Главным считалось достичь определенного результата и поскорее его опубликовать…
По словам А. Ивченко, сегодня доказать, что мы были первыми в промышленной технологии термоупрочнения арматуры, уже практически невозможно — существуют зарубежные патенты. Есть и «срок давности», по истечении которого разработка может применяться без ссылки на авторство. По законодательству СССР этот срок составлял 20 лет.

— А сегодня, — говорит Александр Ивченко, — руководство «АрселорМитталла», пожалуй, уже и не знает, кому обязано используемыми технологиями. Более того, на предприятии практически прекратили сотрудничество с украинскими учеными, упразднив финансирование на совместные разработки. Можно сказать, что им интересен наш металл, но не наша наука. Такой подход лишил нас какой-либо производственной базы.

Держи моток в холоде

Однако наука не стоит на месте, и специалисты кафедры несколько изменили направление исследований, поставив на первый план изучение возможности повышения прочности стали так называемым методом холодной деформации.

— Арматурные стержни для армирования железобетонных изделий, на поверхности которых нанесен периодический профиль для лучшего сцепления с бетоном, воспринимают основное усилие на растяжение, — объясняет Александр Ивченко. — Чем выше их прочность, тем меньше металла требуется для строительства. До 90-х годов в железобетонных конструкциях применялась сталь класса 400 МПа по пределу текучести. Тогда на один кубический метр ЖБК расходовалось до 70 кг металла. С внедрением термообработки и легирования удалось достичь прочности класса 500 МПа, что для разных конструкций дает экономию металла в пределах 10—15%.

Однако, по словам ученого, добавка легирующих элементов — дело достаточно затратное. Имеет свои минусы и термообработка. По ряду причин вместо стержневой арматуры выгоднее выпускать стержни, смотанные в моток, весом от 0,5 до 2 тонн в зависимости от возможностей прокатного стана. Одна проблема: его невозможно охладить до той температуры, когда будут достигнуты нужные прочностные свойства. Уже при 550°С сформировать моток практически невозможно. С другой стороны, если прекратить охлаждение при более высокой температуре, внутренние и внешние слои в мотке будут остывать неравномерно, что также препятствует получению изделия класса 500 МПа. Выходит, что изготовить изделие в мотках с нужными прочностными свойствами на металлургическом переделе не представляется возможным.

Поэтому исследования сотрудников кафедры термической обработки металла (несмотря на ее название) направлены сейчас на то, чтобы путем дополнительной деформации при комнатной температуре из смотанной в моток арматуры класса 300—400 МПа получить изделие класса 500 МПа. Например, на гладкую заготовку в процессе перемотки с помощью специальных деформирующих роликов наносится периодический профиль. Другими словами, из мотка катанки получают вторичный моток периодического арматурного стержня с нужными прочностными свойствами. Второй способ — наложение холодной пластической деформации на сталь класса 300—400 МПа с готовым периодическим профилем путем ее изгиба, продольного скручивания или растяжения. Эти операции также позволяют увеличить прочностные свойства. Именно такую возможность и изучает Константин Табалаев.

— Дальнейшая судьба самой диссертационной работы вызывает определенные вопросы, — замечает Ивченко. — Теперь наш, как мы его называем, «французский аспирант» должен легализовать ее в Украине посредством не совсем понятной процедуры нострификации.

— Тем не менее, — говорит Максим Амбражей, — можно сказать, что с чисто металлургической точки зрения задача получения арматурного проката с заданными прочностными свойствами нашими совместными усилиями уже решена. Необходимость поставлять металл на внешний рынок «подтянула» уровень отечественного металлургического производства до европейского. Парадокс, однако, состоит в том, что наши строительные нормы при этом «затормозились» на уровне 1986 года. А ведь арматуру недостаточно произвести. Ее нужно еще и грамотно применить. Так, за рубежом уже существуют технологические линии по изготовлению из мотков готовых арматурных каркасов практически любого уровня сложности. Это значительно экономит сам металл и сокращает необходимость проведения на стройплощадках сварочных работ.

У нас же строительные работы ведутся порой дедовскими методами. Кое-где можно даже увидеть, как рослые ребята-арматурщики «крутят профиль» вручную. А ведь так работали еще до 1953 года, когда применялись в основном гладкие стержни, сварки практически не было, а арматура соединялась методом изгиба. Затраты металла в таком случае вдвое-трое больше необходимого, а недостатки технологии зачастую налагают ограничения на возведение конкретных архитектурных форм. Остается лишь надеяться, что скорейшая разработка новых стандартов в данной области положит конец такому «строительному вандализму».

Металл «с женским лицом»

Интересно, что буквально вслед за Константином Табалаевым «зарубежную диссертацию» защитила также аспирантка днепропетровской Национальной металлургической академии Анна Семыкина. В рамках программы двойного научного руководства, которую финансирует Swedish Institute, в 2009 году она получила грант и выполняла в Королевском технологическом институте (Стокгольм) диссертационную работу, посвященную разработке нового метода рециклизации полезных элементов сталеплавильных шлаков. Со шведской стороны руководство осуществлял профессор Ситараман, с украинской — проректор по внешнеэкономическим связям НМетАУ Владимир Шатоха.

— Большая часть экспериментов выполнялась за пределами Швеции – в Университете Карнеги Мелон (США) и в Украине, — рассказывает В. Шатоха. — При этом исследовались шлаки как отечественных, так и шведских заводов. За два года Анна выполнила огромный объем работ, результаты которых не только опубликованы в ведущих мировых журналах, представлены на конференциях в Чили, Франции и Швеции, но и запатентованы в Украине и Швеции. А в октябре состоялась успешная защита диссертации на соискание степени PhD (за рубежом — доктор философии, аналог нашего кандидата наук). Пожалуй, эта защита попадет в анналы истории как пример внедрения гендерной политики шведского университета: наш диссертант, оппонент (профессор из Норвегии), все трое членов экзаменационного комитета (двое из Швеции и одна из Исландии) и председатель — женщины. В ближайшее время Анна возвращается в Украину, где в соответствии с требованиями ВАК представит свою работу нашей научной общественности.