Физико-механические свойства металлов и их сплавов

ОСНОВЫТЕХНОЛОГИИ ЧУГУНА И СТАЛИ

Металлы обладают высокой прочностью, причем прочность на изгиб и растяжение у них практически такая же, как и на сжатие (у каменных материалов прочность на изгиб и растяжение в 10...15 раз ниже прочности на сжатие). Так, прочность стали более чем в 10 раз превышает прочность бетона на сжатие и в 100...200 раз прочность на изгиб и растяжение; поэтому, несмотря на то, что плотность стали-(7850 кг/м³) в 3 раза выше плотности бетона (2500 кг/м), металлические конструкции при той же несущей способности значительно легче и компактнее бетонных. Этому способствует также высокий модуль упругости стали (в 10 раз выше, чем у бетона и других каменных материалов). Еще более эффективны конструкции из легких сплавов (табл. выше).

Металлы очень технологичны: во-первых, изделия из них можно получать различными индустриальными методами (прокатом, воло­чением, штамповкой и т. п.), во-вторых, металлические изделия и конструкции легко соединяются друг с другом с помощью болтов, заклепок и сварки.

Однако с точки зрения строителя металлы имеют и недостатки. Высокая теплопроводность металлов требует устройства тепловой изоляции металлоконструкций зданий. Хотя металлы негорючи, но металлические конструкции зданий необходимо специально защи­щать от действия огня. Это объясняется тем, что при нагревании прочность металлов резко снижается и металлоконструкции теряют устойчивость и деформируются. Большой ущерб экономике нано­сит коррозия металлов (см. п. 7.10). Металлы широко применяют в других отраслях промышленности, поэтому их использование в строительстве должно быть обосновано экономически.

Основной способ производства черных металлов — получение чугуна из руды и последующая его переработка в сталь. Для получе­ния стали используют также металлолом. В последние годы начало развиваться непосредственное получение стали из железных руд.

Производство чугуна. Чугун получают в доменных печах высоко­температурной (до 1900 °С) обработкой смеси железной руды, твер­дого топлива (кокса) и флюса. Флюс (обычно известняк СаСО₃) не­обходим для перевода в расплавленное состояние пустой породы (состоящей в основном из SiO₂ и А1₂О₃), содержащейся в руде, и зо­лы от сжигания топлива. Эти компоненты, сплавляясь друг с дру­гом, образуют доменный шлак, который представляет собой в ос­новном смесь силикатов и алюминатов кальция.

Рис. Схема доменной печи:

1 — летка для выпуска жидкого чугуна; 2— расплавленный шлак; 3 — загрузочное устройство; 4— газоотводная труба; 5—капли расплавленного чугуна; 6— капли шлакового расплава; 7 — фурма для подачи воздуха; 8— летка для выпуска расплавленного шлака; 9 — жидкий чугун

Доменная печь — очень большое инженерное сооружение. По­лезный объем печи — 2000...3000 м³, а суточная производитель­ность — 5000...7000 т. В печь (см. рис.) сверху через устройство 3 за­гружают шихту, а снизу через фурмы 7 подают воздух. По мере про­движения шихты вниз ее температура поднимается. Кокс, сгорая в условиях ограниченного доступа кислорода, образует СО, который, взаимодействуя с оксидами железа, восстанавливает их до чистого железа, окисляясь до СО₂. Железо плавится и при этом растворяет в себе углерод (до 5 %), превращаясь в чугун. Расплавленный чугун 9 стекает в низ печи, а расплав шлака 2, как более легкий, находится сверху чугуна. Чугун и шлак периодически выпускают через летки 1 и 8 в ковш. На каждую тонну чугуна получается около 0,6 т огнен­но-жидкого шлака.

Доменный шлак — ценное сырье для получения строитель­ных материалов: шлакопортландцемента, пористого заполни­теля для бетонов — шлаковой пемзы, шлаковой ваты, шлакоситаллов и др.

Чугун главным образом (около 80 %) идет для производства ста­ли, остальная часть чугуна используется для получения литых чу­гунных изделий.

В зависимости от состава различают белый и серый чугуны. Бе­лый чугун твердый и прочный, содержит большое количество це­ментита; в сером из-за присутствия кремния цементит не образует­ся и углерод выделяется в виде графита.

Производство стали. Сталь получают из чугуна и железного ме­таллолома и специальных добавок, в том числе и легирующих элементов, плавлением в мартеновских печах, конверторах или электрических печах. Выплавка стали — (сложный процесс, складывающий­ся из целого ряда химических реак­ций между сырьевой шихтой, добавками и топочными газами. Выплавленную сталь разливают на слитки или перерабатывают в заго­товки методом непрерывной раз­ливки.

Изготовление стальных изделий. Стальные слитки — полуфабрикат, изкоторого различными методами получают необходимые изделия. В основном применяют обработку стали давлением: металл под дей­ствием приложенной силы деформируется, сохраняя приобретен­ную форму. При обработке металла давлением практически нет от­ходов. Для облегчения обработки сталь часто предварительно нагре­вают. Различают следующие виды обработки металла давлением: прокатка, прессование, волочение, ковка, штамповка. Наиболее (распространенный метод обработки — прокатка; им обрабатывается более 70 % получаемой стали).

При прокатке стальной слиток пропускают между вращающи­мися валками прокатного стана, в результате чего заготовка обжи­мается, вытягивается и в зависимости от. профиля прокатных валков приобретает заданную форму (профиль). Прокатывают сталь в основном в горячем состоянии. Сортамент стали горячего проката— сталь круглая, квадратная, полосовая, уголковая равнобокая и неравнобокая, швеллеры, двутавровые балки, шпунтовые сваи, трубы, арматурная сталь гладкая и периодического профиля и др. При волочении заготовка последовательно протягивается через отверстия (фильеры) размером меньше сечения заготовки, вследствие чего заготовка обжимается и вытягивается. При волочении в стали появляется так называемый наклеп, который повышает ее твердость. Волочение стали обычно производят в холодном состоя­нии, при этом получают изделия точных профилей с чистой и глад­кой поверхностью. Способом волочения изготовляют проволоку, трубы малого диаметра, а также прутки круглого, квадратного и ше­стиугольного сечения.

Ковка — обработка раскаленной стали повторяющимися удара­ми молота для придания заготовке заданной формы. Ковкой из­готовляют разнообразные стальные детали (болты, анкеры, скобы и т. д.).

Штамповка — разновидность ковки, при которой сталь, растя­гиваясь под ударами молота, заполняет форму штампа. Штамповка может быть горячей и холодной. Этим способом можно получать изделия очень точных размеров.

Прессование представляет собой процесс выдавливания находя­щейся в контейнере стали через выходное отверстие (очко) матри­цы. Исходным материалом для прессования служит литье или про­катные заготовки. Этим способом можно получать профили раз­личного сечения, в том числе прутки, трубы небольшого диаметра и разнообразные фасонные профили.

Холодное профилирование — процесс деформирования листовой или круглой стали на прокатных станах. Из листовой стали получа­ют гнутые профили с различной конфигурацией в поперечнике, а из круглых стержней на станках холодного профилирования путем сплющивания — упрочненную холодносплющенную арматуру.

Свойства сталей

Плотность стали — 7850 кг/м³, что приблизительно в 3 раза вы­ше плотности каменных материалов (например, обычный тяжелый бетон имеет плотность — 2400 ±50 кг/м).

Прочностные и деформативные свойства стали обычно опреде­ляются испытанием стали на растяжение. Сталь, как и другие металлы, ведет се­бя как упруго-пластичный материал. Модуль упругости стали составляет 2,1 • 10⁵ МПа.

Теплопроводность стали, как и всех металлов, очень высока и со­ставляет около 70 Вт/(м • К), т. е. в 50...70 раз выше, чем у бетона.

Коэффициент линейного термического расширения стали составля­ет 10 • 10^-6 К^-1, т. е. практически равен КЛТР бетона.

Температура плавления стали зависит от ее состава и для обыч­ных углеродистых сталей находится в пределах 1500... 1300°С (чугун с содержанием углерода 4,3 % плавится при 1150 °С).

Температуроустойчивость Небольшая потеря прочности наблюдается уже при нагреве выше 200 "С; после достижения температуры 500...600°С обычные стали становятся мягкими и резко теряют прочность. Поэтому стальные конструкции не огнестойки и их не­обходимо защищать от действия огня, например, оштукатуривани­ем цементными растворами.

Ответить на контрольные вопросы:

1.Из какого сырья получают чугун?

2. Как работает доменная печь?

3. Куда используется чугун?

4. Из чего получают сталь?

5. Из чего получают стальные изделия и какими методами?