Металлы и металлические изделия

МЕТАЛЛЫ И МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ИЗДЕЛИЯ

6.1 Общие сведения о металлах и сплавах

Металлы – кристаллические вещества, характеризующиеся высокими электро- и теплопроводностью, ковкостью, способностью хорошо отражать электромагнитные волны и другими специфическими свойствами. Свойства металлов обусловлены их строением.

В технике обычно применяют не чистые металлы,

а сплавы.

Сплавы – это системы, состоящие из нескольких металлов или металлов и неметаллов. В строительстве применяют сплавы железа с углеродом (сталь, чугун), меди и олова (бронза) и меди и цинка (латунь) и др.

Применяемые в строительстве металлы делят на две группы: черные и цветные. К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе (чугун и сталь). Сталь – сплав железа с углеродом (до 2,14 %) и другими элементами. По химическому составу различают, стали углеродистые и легированные, а по назначению – конструкционные, инструментальные и специальные. Чугун – сплав железа с углеродом (более 2,14 %), некоторым количеством марганца (до 2 %), кремния (до 5 %), а иногда и других элементов. В зависимости от строения и состава чугун бывает белый, серый и ковкий.

Таблица 6.1. Физико-механические свойства металлов и их сплавов.

К цветным металлам относятся все металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка, титана. 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.

Высокая теплопроводность металлов требует устройства тепловой изоляции металлоконструкций зданий. Металлические конструкции зданий необходимо специально защищать от действия огня, т.к. они теряют устойчивость и деформируются. Большой ущерб экономике наносит коррозия металлов. Металлы широко применяют в других отраслях промышленности, поэтому их использование в строительстве должно быть обосновано экономически.

6.2 Строение и свойства железоуглеродистых сплавов

Металлы, как и другие вещества, могут существовать в различных кристаллических формах. Полиморфные превращения в металлах происходят при изменении температуры. Так, при температуре свыше 723°С железо переходит из α-модификации в γ-модификацию, при этом изменяются физико-механические свойства металла. При резком охлаждении металла высокотемпературные модификации могут переходить в низкотемпературные. На этом, например, основана термообработка металлов (закалка, отпуск, нормализация).

Химическое соединение железа с углеродом, Fe3C – карбид железа, в котором содержится 6,67 % углерода, называют цементитом. Цементит хрупок и имеет высокую твердость. Чем больше цементита в сплаве, тем он более твердый и хрупкий.

В сталях и чугунах феррит, аустенит и цементит существуют в виде механических смесей. Иными словами, сталь и чугун – поликристаллические материалы, свойства которых зависят как от химического состава (количества железа, углерода и других примесей), так и от структуры (типа и размера кристаллов). Например, при нагревании до температуры выше 723оС твердая и прочная углеродистая сталь, состоящая из смеси феррита и цементита, становится мягкой и прочность ее падает, так как смесь феррита и цементита переходит в аустенит – раствор углерода в γ-железе. На этом основана горячая обработка (прокат, ковка) углеродистых сталей. Этим же объясняется резкое падение прочности стальных конструкций при нагреве во время пожара.

6.3 Технология изготовления чугуна и стали

Основной способ производства черных металлов – получение чугуна и последующая его переработка в сталь. Для получения стали, используют металлолом и железную руду. 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 пустой породы (состоящей в основном из SiO2 и Al2O3), содержащейся в руде и золы от сжигания топлива в расплавленное состояние. Эти компоненты, сплавляясь друг с другом, образуют доменный шлак, который представляет собой смесь силикатов и алюминатов кальция.

Доменная печь – сооружение с полезным объемом печи – 2000 .3000м3, суточной производительностью – 5000…7000 т. В печь (рис. 7.1) через устройство 3 загружают шихту, а снизу через фурмы 7 подают воздух. По мере продвижения шихты вниз ее температура поднимается. Горение топлива происходит в верхней части горна вблизи фурм по реакции:

С + О2 = СО2 +q

СО2 + С = 2СО - q

Восстановление железа начинается в самых верхних горизонтах печи при 200…400оС и заканчивается при 1000…1100оС по реакциям:

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2↑

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2

FeO + CO = Fe + CO2

Сразу же после восстановления железа образуются карбид железа (цементит).

2Fe + 2CO = Fe3C + CO2

При температуре выше 900оС происходит быстрое науглероживание железа. При 1147оС начинается образование жидкого чугуна расплавление пустой породы и флюсов с образованием шлаков, более легких чем чугун. Расплавленный чугун 9 стекает вниз 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.

Чугун поступает к разливочным машинам для отливки в «чушки» для переработки в сталь, а шлаки из печи направляют на грануляцию или в отвал.

В доменных печах выплавляют передельные и литейные, а также специальные чугуны, называемые ферросплавами. Передельные чугуны применяют для получения стали, литейные – для различных отливок. Специальные (сплавы железа с марганцем – ферромарганец, с кремнием – ферросилиций и др.) применяют при получении стали как раскислители или легирующие добавки.

Сталь – железоуглеродистый сплав с содержанием углерода до 2,14%. Сталь производят из передельного чугуна.

При переработке чугуна в сталь окислением, в сплаве уменьшают содержание углерода и марганца, кремния, фосфора, серы, которые выгорают или переходят в шлак. Сталь получают в конвертерах, мартенах и электропечах.

Конвертерный способ. Сталь получают путем продувки воздуха через чугун. Различают кислый и оснóвный способы получения стали.

Кислый бессемеровский заключается в том, что в конвертер, находящийся в наклонном положении заливают чугун, переводят его в вертикальное положение и начинают продувать воздухом. При этом протекают реакции окисления. Вначале кислород реагирует с железом:

 Скачать реферат