Материал: m33170

скими элементами. В основу деления черных металлов на чугуны и стали положено процентное содержание в сплаве углерода.

Чугун – это сплав железа с углеродом, содержание которого превышает 2%; в обычных чугунах углерода содержится не более 4%.

Сталь – это сплав железа с углеродом, содержание углерода не должно превышать 2%.

В зависимости от количества углерода различают сталь: низкоуглеродистую, с содержанием углерода в ней не более 2,5%; среднеуглеродистую, когда углерода в сплаве содержится от 0,25 до 0,6%; высокоуглеродистую, с содержанием углерода более 0,6%.

При повышении содержания углерода уменьшается пластичность и повышается хрупкость сталей. Для строительных конструкций, подвергающихся динамическим воздействиям в процессе эксплуатации или при монтаже, применяют низкоуглеродистые стали. Содержание других компонентов – кремния, марганца, фосфора, серы – может достигать в сталях более 1%, в чугунах – более 2–4%.

Для повышения технических свойств чугунов и сталей к ним добавляют различные легирующие вещества: марганец, хром, никель, молибден, алюминий, медь. Низколегированные стали содержат менее 2,5% легированных компонентов; среднелегированные – от 2,5 до 10%; высоколегированные стали – свыше 10%. Введением легирующих веществ можно существенно повысить коррозионную стойкость, ковкость, упругость и другие свойства черных металлов.

Цветные металлы в чистом виде применяются крайне редко. Значительно шире, чем другие металлы, используют цинк, свинец, медь и алюминий. Цинк применяется для изготовления листового материала, используемого для устройства кровель, вентиляционных коробов, водосточных труб, подоконных сливов. В основном в строительстве применяют сплавы цветных металлов, отличающиеся легкостью и большой коррозионной стойкостью.

Вследствие высокой стойкости к атмосферным воздействиям алюминиевые изделия в виде листов, труб, проволоки, стержней широко применяются в строительстве. Однако чаще исполь-

226

зуют более твердые и прочные, чем чистый алюминий, алюминиевые сплавы – дюралюмины. Дюралюмины – алюминиевые сплавы, обрабатываемые давлением, наиболее широко применяются в строительстве. Основными добавками являются медь (3,5– 5%), магний (0,4–0,8%), кремний (до 0,8%) и марганец (0,4– 0,8%). При высоких температурах эти добавки растворяются в алюминии, образуя твердый раствор. Дюралюмины являются хорошим конструкционным материалом, в строительстве используются в виде уголков, швелеров, двутавров, труб круглого и прямоугольного сечений, при изготовлении оконных и дверных блоков, стеновых панелей, панелей покрытий, перегородок.

Сплавы на основе меди – бронза и латунь. Латунь – сплав меди и цинка. Бронза – сплав меди и олова. Сплавы на основе меди применяют в санитарной технике для изготовления запорной арматуры, кранов, вентилей.

Схема производства чугуна и стали представлена на рис.

48.

Производство чугуна является первичным процессом получения металла из природного сырья – железных руд. Чугун выплавляют в доменных печах: сырьевыми материалами служат железные руды, флюсы и кокс.

Железные руды представлены магнитным железняком (Fe3O4), красным железняком (Fe2O3), бурым железняком (2Fe2 O3 × 3Н2 О) и шпатовым железняком (FeCO3).

Флюсы (известняк и песчаник) применяют в металлургии для понижения температуры плавления пустой породы, содержащейся в руде, и для перевода ее и золы топлива в шлак.

Кокс является продуктом переработки каменного угля без доступа воздуха. В доменном процессе кокс выполняет две функции: топлива и восстановителя железа.

Восстановление железа из руды производят в доменной печи. В эту печь отдельными порциями загружают сверху руду, кокс и флюсы, а снизу подается горячий воздух, обогащенный кислородом. Образующаяся при горении кокса окись углерода восстанавливает окислы железа до чистого железа:

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2

2Fe3O4 + 2CO = 6Fe O + 2CO2

227

Рис. 48. Схема металлургического процесса

В нижней части печи восстановленное железо частично вступает во взаимодействие с углеродом, образуя карбид железа, который увеличивает содержание углерода в железоуглероди-

228

стом сплаве до 3–4%. Образовавшийся чугун при температуре около 1300 °С плавится и стекает в горн печи.

Врезультате доменного процесса получают чугун, шлак и доменный газ. Доменный шлак используют для изготовления вяжущих веществ, теплоизоляционных материалов, в дорожном и промышленном строительстве в качестве щебня.

Взависимости от назначения и свойств чугуны подразделяют на следующие виды: литейные, применяемые для чугунных отливок – опорных подушек колонн, санитарно-технических из-

делий, труб; передельные, применяемые для производства стали; специальные, которые добавляют для повышения качества стали при ее производстве.

Производство стали осуществляют тремя способами: конвертерным, мартеновским и электроплавкой.

Конвертерный способ производства стали заключается в продувке воздухом расплавленного чугуна. Кислород воздуха, вступая во взаимодействие с примесями, окисляет их и переводит в шлак. Чугун, используемый для конвертерного производства, должен содержать не менее 1–1,5% кремния и 0,6–1% марганца, что обеспечивает температурный режим, необходимый для поддержания металла в жидком состоянии. Конвертерный способ обладает высокой производительностью, но сталь содержит большое количество пузырьков воздуха, снижающих качество стали, и поэтому ее нельзя применять для изготовления мостовых конструкций, ферм, рельсов.

Получаемый в процессе производства конвертерный шлак Н.С. Ковалевым предложено использовать для возведения оснований дорожных одежд.

Мартеновский способ отличается от конвертерного выплавкой стали на поду мартеновской печи. Сырьем при мартеновском способе служат чугун и стальной лом. В качестве топлива используют газ. Возможность использования стального лома является большим преимуществом мартеновского способа перед конвертерным. Этим способом получают высококачественные стали требуемого состава и свойств, используемые для изготовления ответственных строительных конструкций – ферм, мостов, балок, рельсов.

229

Специальные легированные стали получают в дуговых и индукционных печах. Для плавки цветных металлов и их сплавов, а также для нагревания металлов при их термической обработке или при обработке давлением применяют печи сопротивления. Наиболее распространенными при электроплавке стали являются дуговые печи, плавление металлов в которых происходит от тепла электрической дуги. Процесс получения стали в электропечах аналогичен мартеновскому способу, отличаясь от него тем, что в электропечь не подводят топливо и воздух для его сжигания.

Производство алюминия состоит из трех основных стадий: получение глинозема (Al3O3), получение алюминия из глинозема, рафинирование алюминия.

Химическим и термическим путем из руд алюминия (бокситы, нефелины, алунит) выделяют глинозем (Al2O3), затем из глинозема электролитическим способом в электролизерах извлекают металлический алюминий. Полученный при электролизе алюминий содержит ряд примесей: металлических, неметаллических, газообразных и т.д. Для получения чистого алюминия его подвергают рафинированию путем хлорирования. Метод хлорирования заключается в продувке алюминия при температуре 750– 760 °С хлором в течение 10–12 мин.

Недостатком чистого алюминия (без примесей других металлов) являются низкие твердость и прочность. При добавке к нему магния, меди, кремния, цинка, никеля прочность алюминия повышается. Комбинируя добавки и их количество (от 1,5 до 20%), получают алюминиевые сплавы с требуемыми физикохимическими, механическими и технологическими свойствами. Эти сплавы разделяют на две группы: литейные и обрабатываемые давлением.

Литейные сплавы применяют для производства фасонных отливок. К таким сплавам относят: силумин – сплав алюминия с кремнием (10–14%); сплав алюминия с медью (7-12%); вторичный алюминий – сплав алюминия с четырьмя компонентами: кремнием (3-7%), медью (1–4%), марганцем (0,4–0,8%) и цинком

(0,5–1%).

Обрабатываемые давлением алюминиевые сплавы приме-

няют для горячей и холодной прокатки в виде плит, листов, по-

230