Общие сведения о металлах и сплавах
Наука о промышленных способах получения металлов из руды называется металлургией. Наука о структуре, свойствах и технологии изготовления металлов –металловедение.
Металлы на сегодня являются главным конструкционным материалом, во-первых, благодаря высоким эксплуатационным и технологическим свойствам, во-вторых, металлические изделия и конструкции легко соединяются друг с другом с помощью болтов, заклепок и сварки.
В технике обычно применяют не чистые металлы, а сплавы. Сплавы - это системы, состоящие из нескольких металлов или металлов и неметаллов. Все металлы и сплавы условно принято подразделять на черные (железные) и цветные (нежелезные). Наиболее широко применяют черные металлы (железоуглеродистые сплавы), которые в зависимости от содержания углерода подразделяются на две группы – чугуны (содержание углерода более 2,14 %, как правило – от 2,5 до 4,5 %) и стали (содержание углерода менее 2,14 %, как правило, редко превышает 1,5 %). Кроме углерода, черные металлы могут содержать в небольших количествах кремний, марганец, фосфор, серу и другие химические элементы.
Стали выпускают углеродистые и легированные. В зависимости от содержания углерода углеродистые делятся на низко- (до 0,25 % углерода), средне- (0,25...0,6 %) и высокоуглеродистые (>0,6 %). С увеличением содержания углерода уменьшается пластичность и повышается твердость стали; прочность ее также возрастает, но при содержании углерода более 1 % вновь снижается. Углеродистые стали по назначению подразделяют на стали общего назначения и инструментальные.
Легированные стали помимо компонентов, входящих в углеродистые стали, содержат легирующие элементы, каждый из которых оказывает свое влияние на сталь. Марганец (Г) повышает прочность, износостойкость стали и сопротивление ударным нагрузкам без снижения ее пластичности. Кремний (С) повышает упругие свойства. Никель (Н) и хром (Х) улучшают механические свойства, повышают жаростойкость и коррозионную стойкость. Молибден улучшает механические свойства стали. По назначению легированные стали делят на конструкционные (0,02…0,85 % углерода), инструментальные (0,65…1,4 %) и специальные (легированные).
Для изготовления строительных конструкций и арматуры применяют конструкционные стали, которые обладают хорошей пластичностью и низкой хрупкостью.
К цветным металлам относятся все металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка, титана. В строительстве применяют сплавы меди и олова (бронза) и меди и цинка (латунь) и др.
Металлы и сплавы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из бесчисленного числа кристаллических образований, группирующихся в виде отдельных прочно связанных между собой зерен. Кристаллы имеют кубическую гранецентрированную или объемно-центрированную решетку, образованную металлическими связями. Помимо химического состава, свойства черных металлов зависят и от типа и размера кристаллов.
Поскольку твердое тело металла образовалось из расплава, его пористость равна нулю, то есть средняя плотность совпадает с истинной. Поэтому металлические изделия водо- и воздухонепроницаемы.
Металлы обладают высокой прочностью, пластичностью, высокими электро- и теплопроводностью, ковкостью, свариваемостью, способностью хорошо отражать электромагнитные волны и другими специфическими свойствами. Металлы очень технологичны: из них можно получать изделия самых разнообразных форм и размеров и соединять между собой с помощью сварки, клепки и т.д.
Недостатки – высокая теплопроводность (требуется устройство тепловой изоляции металлоконструкций зданий). Металлические конструкции зданий необходимо специально защищать от действия огня, т.к. они теряют устойчивость и деформируются: алюминий уже при 100
С теряет свою несущую способность, сталь – при 500 С. Большой ущерб экономике наносит коррозия металлов.
Технология изготовления металлов
Основной способ производства черных металлов - получение чугуна и последующая его переработка в сталь.
Сырьем для выплавки чугуна являются железные руды, твердое топливо (кокс) и флюсы.
Руда состоит из минералов, содержащих металл, и пустой породы (песчаники и глина).
В минералах металлы находятся в виде химических соединений (оксидов, силикатов и др.). Промышленной рудой называют горную породу с определенным содержанием металла. Например, для железа он составляет не менее 30-50 %, для меди 3-5 %, для молибдена 0,005-0,02 %. Помимо химического состава, руда для доменного процесса должна иметь определенный размер кусков.
Топливо в доменных печах служит не только источником тепла, но и реагентом, обеспечивающим восстановление железа из руды и образование чугуна (путем науглероживания железа). Главным видом топлива в доменных печах является кокс. Дополнительно применяют природный газ. Кокс получают в коксовых печах сухой перегонкой при температуре 1000 °C (без доступа воздуха) каменного угля коксующихся сортов.
Флюс необходим для удаления остатков пустой породы (состоящей в основном из SiO2 и Al2O3) и золы от сжигания топлива. Эти компоненты, сплавляясь друг с другом, образуют доменный шлак, который представляет собой смесь силикатов и алюминатов кальция и в жидком состоянии удаляется из печи.
Подготовка руды включает дробление, обогащение и окускование.
Основным способом получения чугуна из железной руды является высокотемпературная (до 2000 С) обработка шихты в доменных печах, при которой происходит восстановление железа при реакции с углекислым газом. При 1147 С в доменной печи начинается образование жидкого чугуна и расплавление пустой породы и флюсов с образованием шлаков в результате сплавления извести CaO и пустой пароды SiO2 и Al2O3. Расплавленный чугун стекает вниз печи, а расплав шлака, как более легкий, находится сверху чугуна. Чугун и шлак периодически выпускают через летки в ковш. На каждую тонну чугуна получается от 0,4 до 0,65 т огненножидкого шлака, который называется доменным. Помимо чугуна и шлака, продуктами доменного производства являются колошниковый газ и колошниковая пыль. Чугун поступает к разливочным машинам для отливки в «чушки» для переработки в сталь или изделия, а шлаки из печи направляют на грануляцию или в отвал. В зависимости от состава, производится чугун передельный (белый), литейный (серый) и ферросплав.
Доменные шлаки являются ценным сырьем для производства строительных материалов (портландцемент, шлакопортландцемент, смешанные бесцементные вяжущие, заполнители для бетонов, шлаковая вата, шлакоситаллы и т.д.). В их состав входит до 30 различных химических элементов, главным образом в виде оксидов. Основные оксиды: SiО2, Аl2О3, CaO, MgO. В меньших количествах присутствуют FeO, MnO, P2О5, TiО2, V2O5 и др.
Сталь производят из передельного чугуна и стального лома (скрапа) в конвертерах (40 %), мартенах (40 %) и электропечах (20 %). Сущностью металлургического процесса передела чугуна в сталь является снижение содержания углерода и примесей путем их окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки. Для этого железо сперва окисляют, а затем восстанавливают путем окисления кремния Si, марганца Mn, алюминия, углерода C. В качестве раскислителей применяют ферромарганец, ферросилиций, алюминий и др.
При производстве стали также образуются шлаки, аналогичные доменным, но имеющие свои особенности. Выплавленную сталь разливают на слитки или перерабатывают в заготовки методом непрерывной разливки.
Изготовление металлических изделий
Стальные слитки - полуфабрикат, из которого получают необходимые изделия. В основном применяют обработку стали давлением: металл под действием приложенной силы деформируется, сохраняя приобретенную форму. Для облегчения обработки сталь часто предварительно нагревают. Различают следующие виды обработки металла давлением: прокатка, прессование, волочение, ковка, штамповка.
Строительные металлические изделия и конструкции
Из чугунов в строительстве применяют в основном серый (литьевой) чугун. Из него путем отливки получают элементы строительных конструкций, работающих на сжатие: колонны, опорные подушки, арки, своды, тюбинги метрополитена, плиты для полов промышленных зданий и т.п.; также изготавливают санитарно-технические (отопительные радиаторы, ванны, мойки, вентили, люки колодцев, трубы для стояков санитарно-технических кабин, канализационных сетей, для отвода промышленных вод и т.д.) и архитектурно-художественные изделия. Серый чугун используют для литья труб печных приборов (топочные дверцы, задвижки, колосники).
Строительные металлические изделия можно разделить на строительные конструкции и стальную арматуру для железобетона. Изготовляют их, как правило, из конструкционных углеродистых сталей. Конструкционные легированные стали используют только для особо ответственных металлических конструкций и арматуры для предварительно напряженного железобетона.
Металлические строительные конструкции подразделяются на несущие, ограждающие и совмещающие функции несущих и ограждающих. К несущим конструкциям относятся арки, балки, фермы, колонны, рамы, связи, стойки, трубы, структурные конструкции покрытия, фахверковые ригели, стойки, лестницы и т.д. Несущие конструкции выполняют из прокатных элементов различного профиля (двутавровые балки, швеллеры, уголки равно- и неравнополочные), квадратные и прямоугольные трубы, полосовой и листовой стали.
К ограждающим конструкциям можно отнести одно- и многослойные стеновые панели, каркасы и панели перегородок. В многослойных панелях один или два наружных слоя выполняются из профилированного листового металла – оцинкованной стали или алюминия, а внутренний слой – теплоизоляционный – изготавливается из пенопласта, пенополиуретана и т.д.
Применяются металлические конструкции в основном в промышленном строительстве, для возведения мостов, как декоративные элементы городского благоустройства – ограды, решетки, урны, скамейки, остановки общественного транспорта и т.д.
В строительстве металлы имеют ограниченное применение, так как требуются для других отраслей промышленности (главным образом, машиностроении), дорого стоят, требуют теплоизоляции, защиты от коррозии и от действия высоких температур.
Что бы оставить комментарий войдите
Комментарии (0)