Швеллеры: технологии изготовления и виды

Слово «Schweller» пришло к нам из немецкого и переводится как «канал» или «канава» (потому что действительно в своем поперечном сечении напоминает профиль лотка для открытой транспортировки сточных вод). Но подобные воды с химической точки зрения весьма агрессивны, поэтому теперь в гидротехнике лотки изготавливают не из металла/сплавов, а из бетона. 

Однако технические термины многозначны, и в современной практике не первым вариантом перевода на русский язык понятия «швеллер» является «порог», «подоконник». Что уже гораздо ближе к виду металлопроката П-образного сечения с углами наклона полок 90°. Швеллер — это вид фасонного металлопроката П-образного сечения, который широко применяется в строительстве и машиностроении для усиления конструкций, создания каркасов и опор.

ЗАО «ТФД «Брок Инвест Сервис и К» в своих каталогах уделяет большое внимание типоразмерам швеллеров. Не как компонентов гидротехнических устройств, а как важному виду фасонного металлопроката.

Преимущества стальных швеллерных балок

Назначение и свойства основных элементов конструкции

Секции стальных швеллеров (часто называемые C- или U-образными швеллерными балками) имеют плоскую вертикальную стенку и две горизонтальные полки. Такая форма обеспечивает высокое соотношение прочности и веса. Они идеально подходят для конструкций, постоянно эксплуатируемых в условиях нагрузок изгиба, особенно при обрамлении стен строительных сооружений или рам транспортных средств. 

Как делают швеллеры

Формы и варианты изготовления включают: 

• Стандартные горячекатаные швеллеры, которые выпускаются с полками, имеющими небольшую конусность;
• Холодногнутые и сварные швеллеры, производящиеся из горяче- или холоднокатаных листов, рулонов или широких полос/лент (их полки обладают постоянной толщиной); 
• Составные швеллеры специального применения с выступами; такие изделия имеют небольшие внутренние складки на торцах для предотвращения скручивания и коробления. 

Открытая (незамкнутая по периметру) конструкция поперечного сечения швеллера, а также наличие радиусов перехода от стенки к полкам позволяет балке выдерживать большие вертикальные нагрузки, проявлять достаточную гибкость и хорошо сопротивляться однонаправленному сдвигу, который происходит в направлении главной оси. 

Вместе с тем в противоположном направлении прочность швеллера заметно ниже, допускаемые напряжения меньше, а перемещения более заметны. Это обстоятельство учитывают при проектировании соответствующих металлоконструкций.

Наличие больших плоских поверхностей существенно облегчает монтаж сложных составных изделий. Швеллеры легко соединять, используя болты или шпильки, либо применяя сварку. В последнем случае преимущество получают профили, изготовленные из низкоуглеродистых марок сталей, характеризующихся улучшенной свариваемостью. 

Швеллерная сталь: понимание ее свойств, использования и важности

Для обеспечения необходимых эксплуатационных показателей обычно используют конструкционные, углеродистые или низколегированные марки сталей по ГОСТ 380-2005 или ГОСТ 27772-2021, содержащие небольшое количество хрома, никеля и других легирующих элементов. Они повышают качество продукта - прочность, пластичность, ударную вязкость и другие физико-механические параметры.

Кроме структурной целостности, непременным условием работоспособности стальных швеллеров считается их длительная прочность в режиме циклического нагружения. При соответствующей обработке, такой как цинкование, швеллерная сталь может противостоять коррозии и ржавчине, что делает ее пригодной для длительного применения на открытом воздухе.

Обычное использование швеллерной стали:

• В пространственных конструкциях, при строительстве каркасов, опор и фундаментов;
• В системах автомобильных и железнодорожных мостов, виадуков, многоуровневых транспортных развязок, обеспечивая структурную целостность и хорошую несущую способность;
• Автомобильная промышленность использует швеллерную сталь при производстве шасси транспортных средств, поскольку она обеспечивает как прочность, так и гибкость;
• Промышленное оборудование, требующее прочной рамы, часто использует в своей конструкции швеллер;
• Железнодорожные пути и поддерживающая их инфраструктура часто предусматривают швеллерную сталь из-за ее долговечности и прочности;
• В сельском хозяйстве швеллер используется не только в машинах и оборудовании, но и при строительстве различных объектов и складских помещений.

По сравнению с другими стальными профилями, такими как двутавровые балки, уголки и трубы, швеллер предлагает уникальное сочетание прочности и гибкости. Хотя двутавровые балки могут обеспечить более прямую вертикальную опору, U-образная форма швеллера делает его идеальным для тех случаев, когда требуется баланс между весом, структурной целостностью и надежностью, при одновременном обеспечении гибкости конструкции.

Нормативные документы на стальные швеллеры отечественного производства

ГОСТы на швеллеры, производимые горячей прокаткой:

• ГОСТ 8240-97 — основной стандарт, распространяющийся на весь сортамент продукции (используется для выбора размеров сечения и весовых характеристик профиля); 
• ГОСТ 535-2005 – устанавливает общие технические условия на сортовой и фасонный прокат из углеродистой стали обыкновенного качества; 

• ГОСТ 19281-2014 — указывает нормативы механической прочности горячекатаных стальных швеллеров.

ГОСТы на швеллеры, получаемые на профилегибочных станках холодным деформированием листовой или полосовой стали:

• ГОСТ 8278-83 — определяет технические требования на изготовление равнополочных швеллеров;
• ГОСТ 8281-80 — устанавливает технические требования по получению неравнополочных швеллеров;
• ГОСТ 11474-76 включает общие технические условия к гнутым швеллерным профилям. 

Нормативная база на сварные швеллеры должна отвечать требованиям ГОСТ 23118-2012, с учетом конкретных условий заказчика. 

Изготовление стальных швеллеров горячей прокаткой

Стальной швеллер — это изделие, имеющее С-образную форму с вертикальной стенкой и параллельно расположенными полками. Эти профили изготавливаются с использованием процесса горячей прокатки, при котором сталь нагревается до высокой температуры (более 1100°C) и проходит через формовочные валки прокатного стана для получения определенных размеров.

Валки сжимают нагретую сталь в форме буквы «C» или «U», после чего заготовку охлаждают. Это создает прочную, гибкую балку, идеально подходящую для тяжелых конструкций.

Этапы техпроцесса включают:

1. Выбор вида сырья (используется стальной слиток или блюмс).

2. Нагрев металла в пламенной нагревательной печи. Нагрев продолжается до тех пор, пока сталь не нагреется до температуры выше температуры рекристаллизации. Это момент, когда внутренняя структура металла становится максимально пластичной.

3. Очистка стали (удаление окалины). Когда горячий металл соприкасается с воздухом, на внешней стороне образуется чешуйчатая корка, называемая прокатной окалиной. Рабочие распыляют над горячей сталью воду под высоким давлением - это гарантирует, что готовый стальной швеллер будет иметь гладкую поверхность.

4. Формовка стали в черновых клетях прокатного стана. В процессе деформирования заготовка удлиняется и постепенно приобретает нужную конфигурацию поперечного сечения. 

5. Прокатка в чистовых клетях прокатного стана. Чистовые валки имеют специальную форму, напоминающую букву «С». В ходе прокатки валки загибают края заготовки вверх, образуя верхнюю и нижнюю часть швеллера.

6. Охлаждение и резка. Полуфабрикат движется по длинной металлической направляющей, в процессе чего остывает до комнатной температуры. Затем с помощью массивных пил швеллер обрезается до мерной длины, например, 6 или 12 метров.

Далее продукция проходит контроль качества и транспортируется на склад, откуда отгружается потребителям.

Изготовление гнутых швеллеров холодным профилированием

Производство гнутых швеллеров методом холодного ротационного обжатия (профилирования), позволяет создавать прочные и легкие детали с гладкими поверхностями и точными размерами. В ходе этого процесса исходный рулонный или листовой прокат последовательно сгибается при комнатной температуре с использованием пар вращающихся роликов. Поскольку деформирование происходит с холодным металлом, происходит его упрочнение, достигающее 20%. 

Вот как поэтапно работает производственный процесс: 

1. Подготовка материала: толстые рулоны горячекатаной стали проходят через кислотную ванну, где подвергаются травлению. Травление удаляет ржавчину и прокатную окалину, обеспечивая чистую поверхность. 

2. Выравнивание: плоская сталь проходит через выравнивающие ролики. Они устраняют возможное коробление металла, которое может негативно сказаться  на качестве гнутого швеллера.

3. Профилирование. Заготовка подается в профилегибочную машину (или – реже – листогибочный пресс). Оборудование имеет пары фигурных металлических роликов. Когда сталь проходит через каждый набор роликов, она последовательно изгибается соответственно заданной форме сечения швеллера. 

4. Резка и отделка: дисковыми ножами или пилой непрерывная заготовка режется на швеллерные профили конечной длины. 

5. Пробивка отверстий (если требуется) или нанесение защитного цинкового покрытия, чтобы предотвратить появление ржавчины. 

Швеллеры холодной штамповки отлично подходят для строительства крыш, стен и деталей автомобилей, поскольку они легкие и экономичные.

Производство сварных швеллеров

Сварные стальные швеллеры обычно производятся комбинацией процессов штамповки и сварки, с использованием профилирования, при котором плоские металлические листы сгибаются и затем свариваются. Этот процесс экономически очень эффективен, поскольку создает легкие, прочные опоры для зданий, прицепов и техники.

Производственный процесс включает: 

• Продольную резку рулонов на ленты определенной ширины. Эта ширина точно соответствует периметру готового швеллера. 
• Холодную формовку, при которой плоская стальная полоса/лента медленно подается через ряд роликов или штампов листогибочного пресса. Ролики постепенно сгибают металл при комнатной температуре, образуя плоскую заднюю часть (стенку) и две обращенные вверх стороны (полки). 
• Сварку. Для более тяжелых условий эксплуатации или швеллеров с «закрытым швом» края сплавляются вместе с использованием тепла. Распространенные методы сварки включают лазерную или высокочастотную сварку с применением ЧПУ.
• Зачистку и охлаждение: избыток расплавленного металла (так называемый «сварной нагар») соскабливается лезвием, чтобы обеспечить гладкую и однородную поверхность. Затем металл охлаждается. 
• Резку и отделку. Швеллер отрезается до желаемой длины (например, от 6 до 12 метров) с помощью летучей пилы. Наконец, его покрывают защитной смазкой или оцинковывают.

Почему стоит выбирать сварные швеллеры? 

• Точность: они обеспечивают гораздо более жесткие допуски на размеры, чем толстая горячекатаная сталь; 
• Стоимость: это доступный способ изготовления большого количества одинаковых, легких нестандартных форм; 
• Кастомизация: вы можете легко сваривать или крепить болтами швеллеры вместе прямо на рабочей площадке, чтобы сформировать более крупные и сложные балки.

Заключение: сводная таблица по выбору типа и способа производства швеллеров

Тип стального швеллера	Форма профиля	Ключевые характеристики и особенности	Распространённые применения
Горячекатаный, гнутый	С параллельными внутренними полками	Эффективное соотношение прочности к весу. Легко сверлить или сваривать	Прогоны крыши, стойки стен, потолочные балки и основания оборудования
Горячекатаный	С наклоненными (коническими) закругленными внутренними полками	Отлично подходит для стандартных проектов, где точность не критична	Опорные элементы, конструкции платформ и опоры дверных/оконных рам
Гнутый	С параллельными внутренними полками	Проще прикручивать болты и выравнивать. Для чистой структурной детализации и изготовления	Модульные системы, промышленные стойки, рамы тяжёлой техники и шасси транспортных средств
Сварной	С прорезными губами	Готов для прямого крепления к бетону; для высокоточной регулировки	Опоры труб, монтаж воздуховодов и крепления фасада/кирпича на бетоне
То же	С завернутыми кромками	Позволяет легко крепить болты в любом месте по рельсу.	Монтажные рельсы для солнечных панелей, электрические кабели и стойки для дата-центров

Специалисты ЗАО «ТФД «Брок Инвест Сервис и К» помогут подобрать швеллер нужного типоразмера, проконсультируют по вопросам комплектации заказа и организуют доставку по всей России.