6. Каменное литье

Плавленые каменные изделия (каменное литье) получают пу­тем расплавления предварительно подготовленной шихты из горных пород, а также вторичного сырья (доменных шлаков, шлаков цветной металлургии), разливкой расплава в формы и последующей термиче­ской обработкой, включающей процессы кристаллизации и отжига.

Сырьем для производства каменного литья служат темноокра- шенные магматические породы: диабаз, базальт и светлоокрашенные осадочные породы: доломит, мел и кварцевые пески.

Изделия из каменного литья находят широкое применение для футеровки травильных ванн, отстойников на химических предпри­ятиях, в качестве облицовочных и кислотоупорных плиток, плиток для полов в цехах с агрессивными средами, в дорожном строительстве.

Контрольные вопросы и задания

1. Из каких сырьевых материалов изготовляют стекло? 2. Каки­ми свойствами обладает стекло? 3. Какие разновидности листового стекла применяют в строительстве? 4. Где применяют стеклоблоки и стеклопакеты? 5. Какое стекло и стеклоизделия применяют для от­делки интерьеров? 6. Что представляют собой ситаллы и шлакоси­таллы, где их применяют?

Глава 6. Строительные металлы

1. Металлы и их классификация

Металлы — относительно новый материал, применяемый в строительной технике, по сравнению с древесиной, камнем, керамикой.

Металлами н азывают в еще схв а, об л ад ающие металлическим блеском, высокой прочностью, пластичностью, электро- и теплопро­водностью, ковкостью, свариваемостью. Такие признаки металлов обусловлены их кристаллическим строением и электронными меж­атомными связями.

Кроме чистых металлов в технике чаще применяют металличе­ские сплавы.

Сплавы металлов (или металлические сплавы) — это твердые системы, полученные сплавлением нескольких металлов.

В настоящее время в технике используют более 10 тыс. сплавов.

Свойства сплавов обычно резко отличаются от свойств чистых металлов и их можно регулировать.

Металлы и сплавы будем называть единым термином «металлы».

Из имеющих практическую ценность для современной техники металлов в земной коре в значительных количествах содержатся: алюминий— 8,8%, железо— 4,65, магний— 2,1, титан— 6,3%. Со­тыми и тысячными долями процента определяются природные запа­сы меди, марганца, хрома, цинка, свинца, никеля и других ценных металлов.

Металл — один из самых распространенных материалов во всех отраслях промышленности, в том числе и в строительстве. Производ­ство металлов в значительной степени определят уровень техниче­ского прогресса в любой стране. Применение их в строительстве разнообразно. Из металла строят каркасы, мосты, фермы, балки перекрытий, резервуары, изготовляют трубы, арматуру для железобе­тона, водопроводную, отопительную и вентиляционную арматуру, кровельную сталь, металлочерепицу и профнастил, различные ме­таллические изделия, заклепки, болты, гвозди и др.

Широкому использованию металлов в строительстве способствует ряд ценных технических свойств: высокая прочность, пластичность, технологичность —способность обработки давлением, резанием-,- сва- риваниемТТВместе с тем металлы имеют существенные недостатки: при действии различных газов и влаги сильно коррозируют, действие высоких температур вызывает значительные деформации.

В настоящее время широко используются алюминиевые сплавы, отличающиеся богатой пластикой, малой плотностью, сравнительно высо­кой прочностью, коррозионной стойкостью и другими ценными свойствами.

Современная техника позволяет окрашивать металлы в любой цвет, придавать различную фактуру* что позволяет использовать ме­таллические изделия как в городских ансамблях, мемориалах, внешней отделке зданий, так и в интерьерах (чеканки, светильники, бра, подвес­ные потолки, скульптурные панно, дверная и оконная арматура и т.д.).

Выплавка металла была известна человечеству еще за четыре- пять тысячелетий до нашей эры. В этот период чаще всего выплавля­ли медь, как наиболее легкоплавкий материал. В Азии из руды получали железо за 2000 лет до н.э., позже в Древнем Вавилоне и Египте железо применяли при постройке пирамид. В Индии, Греции, Риме знали способы литья сложных изделий из бронзы, способы зо­лочения, серебрения.

В Западной Европе и Древней Руси чугун первоначально счи­тали отходом процесса производства железа (об этом говорит его на­звание «чушка»). В конце XIII—XIV в. чугун начали выплавлять как металл для отливки различных изделий и лишь с середины XVIII в. стали широко применять в строительных конструкциях. Чугунная колонна прочно господствовала на протяжении следующего столетия. Промышленное производство относится ко второй половине XIX в. В 1855 г. Г. Бессемер, а в 1864 г. П. Мартен предложили способы по­лучения стали из чугуна. Бурное развитие машинного производства, прогресс техники, освоение железа и стали как новых строительных материалов, новые методы конструирования и расчета — способство­вали развитию металлического строительства: осваиваются каркас­ные системы высотных домов, появляются большие пролеты новых типов общественных зданий, универсальных магазинов, крытых рынков, библиотек, аэропортов, вокзалов и т.п.

Научные основы процессов выплавки и обработки металлов бы­ли изложены М.В. Ломоносовым (1763). Основоположником совре­менной металлургии и металловедения считают Д.К. Чернова (1868). Большой вклад в металловедение внесли П.П. Аносов, М.А. Павлов, А.А. Байков, Е.О. Патон, И.П. Бардин и др.

Металлы, применяемые в строительстве, разделяют на две ос­новные группы: черные и цветные.

Черные металлы.--^.ахо сплав железа с углеродом. Кроме того, черные металлы могут содержать в небольшом количестве марганец, серу, кремний, фосфор и другие химические элементы. Для улучше­ния СВОЙСТВ ЧерНЫХ МетаЛЛОВ К НИМ добавляют легирующие алймента _(улучша1Щцие)-^-м«дь_г хром_г нике ль ..и д р.

В зависимости от содержания в черных металлах углерода их подразделяют на чугун и сталь; на их долю приходится около 95% ме­таллопродукции мирового производства.

Чугун — железоуглеродистый сплав, в котором углерода более 2% (2...4,3%), содержащий постоянные примеси кремния, марганца, фосфора и серы. По назначению чугуны подразделяют на литейные, передельные и специальные (ферросплавы).

^1и]1пецньш чугун является конструкционным материалом, из него изготовляют отливки различных строительных деталей.

Передельный чугун— промежуточный продукт, используемый для переработки в стальГ

Специальна чугуны с более высокими механическими свойст­вами применяют для изготовления чугунного литья специального назначения.

В зависимости от содержания примесей и формы, в которой уг­лерод находится в чугуне, различают белый (передельный) и серый (литейный) чутуны. Эти названия соответствуют цвету чугуна.

В белом чугуне углерод химически связан с жедезом (карбид же­леза — цементит FesC). Белый чугун имеет высокую твердость, весьма

хрупкий.

В сером чугуне углерод находится в свободном состоянии в виде графита (мелкий и хрупкий компонент). Серый чугун в расплавленном состоянии хорошо «течет», заполняет формы, дает малую усадку при затвердевании, легко поддается механической обработке.

Разновидность серого чугуна — модифицированный. Его полу­чают путем введения в жидкий сплав серого чугуна модификаторов. Этот чугун обладает высокими механическими свойствами.

При длительном отжиге белого чугуна получают ковкий чугун. В отличие от серых ковкие чугуны более прочные и пластичные, лег­че обрабатываются.

Маркировка чугунов. Серый и модифицированный чугуны мар­кируют буквами СЧ, например СЧ 120-280. Первая цифра марки по­казывает, предел прочности при растяжении (МПа), вторая — предел прочности при изгибе (МПа).

Сталь — железоуглеродистый сплав, в котором углерода менее 2%. От хрупкого чугуна сталь отличается пластичностью и упругостью.

По способу производства стали подразделяют на конверторные, мартеновские и электростали, по химическому составу их делят на углеродистые й легированные.^-"

Углеродистые стали содержат примеси серы и фосфора и мар­ганца (0,25...0,9%). Марганец повышает прочность стали, не изменяя ее пластичности. Кремний (0,35%) не оказывает существенного влия­ния на свойства стали. Фосфор и сера являются вредными примеся­ми; фосфор делает сталь хрупкой (хладноломкой), его содержание не

должно превышать 0,05%; сера (не более 0,07%) вызывает краснолом­кость, снижает прочность и коррозионную стойкость.

В зависимости от содержания углерода стали делят на малоуг­леродистые (до 0,25%), среднеуглеродистые (0,25...0,6%) й^ысокоуг­леродистые (более 0,6%).

Углеродистые стали бывают обыкновенного качества, качест­венные конструкционные (для ответственных строительных конст­рукций) и инструментальные (для изготовления деталей машин). ,

Сталь обыкновенного качества, в зависимости от ее свойств, де­лят на три группы А, Б и В. Углеродистую сталь, полученную раз­личными способами, разделяют на спокойную (СП), полуспокойную (ПС) и кипящую (КП).

Легированнъье стали— стали, в состав которых входят леги­рующие элементыГхром, никель, вольфрам, титан, медь. Легирующие элементы значительно улучшают свойства сталей: повышается меха­ническая прочность, закаливаемость, коррозионная стойкость.

Марганец увеличивает прочность, твердость и сопротивление стали износу; кремний и хром повышают прочность и жаростойкость; медь — стойкость к атмосферной коррозии; никель — вязкость без снижения прочности.

По суммарному содержанию добавок стали разделяют на низ­колегированные (до 2,5%), среднелегированные (2,5... 10%) и высоко­легированные (более 10%). В строительстве чаще используют низко­легированные стали.

Маркировка сталей. Стали для строительных конструкций маркируют условными обозначениями. Марку углеродистой стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 7. Качественные конструкционные стали маркируют двузначными цифрами, указывающими на содержание углерода в сотых долях процента (сталь 15— углерода 0,15%; сталь 40 — углерода 0,40%). Например, СтЗкп — сталь обыкновенного качества группы А, марка 3, кипящая; Ст5пс — сталь обыкновенного качества группы А, марка 5, полустойкая. . ,

В обозначение низколегированных сталей входят буквы и циф­ры. Буквы указывают наличие в стали легирующих добавок, циф­ры — их среднее содержание в процентах. Предшествующие буквам цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента.

Каждый легирующий элемент: обозначается определенной бук­вой: кремний— С; марганец— Г; xpojvi— X; никель-— Н; вольф­рам — В; кобальт — К; медь — Д. Если после легирующего элемента нет цифры,' то это означает, что содержание легирующего элемента не превышает 1,0%.

Например, сталь кремнемарганцевая 25Г2С содержит углерода

1. 25%, марганца 2%, кремния до 1%; сталь хромокремнемарганцевая 14 ХГС содержит углерода 0,14%, хрома, марганца и кремния до 1%. При маркировке высококачественной легированной стали (с низким содержанием серы и фосфора) в конце ставится буква А, особо высо­кокачественной — буква Ш.

Например, 30 ХМА — молибден-хромовая сталь высокого каче­ства содержит 0,3% углерода, до 1% хрома и молибдена.

В табл. 6.1 приведены механические свойства углеродистой стали.

• Таблица 6.1

Производство чугуна. Чугун выплавляют в доменных печах, представляющих собой вертикаль­ные шахтные печи (рис. 6.1). Сна­ружи они покрыты металлическим кожухом, а изнутри стенки футеро­ваны огнеупорным кирпичом. Ис­ходными материалами для произ­водства являются железные руды, флюсы и топливо.

Ж елезные руды. Обычно для производства чугуна используют магнитный железняк, красный же­лезняк и бурый железняк.

Рис. 6.1. Схема доменной Магнитный железняк состоит из

печи: 1 шахта; 2 колошник; минералов магнетита Fe«0₄ и со-

3. — загрузочное устройство;

4. — металлический кожух; держит до 70% Fe; 0,02...2,5% S;

5. — футеровка; 6 — шахта; 0,2...0,07% Р. Эта руда плотная, вос-

7. — заплечики; 8 — горн; станавливается труднее других же-

8. — летка для выпуска шлака; лезных руд.

9. чугун; 11 летка для Красный железняк состоит из ми-

выпуска чугуна; 12 - труба _{ла гематита Fe 0}, и содержит

для подачи воздуха (фурма) °

до 65% Fe, немного серы и фосфора.

Бурый железняк Fe₂0₃-nH₂0 (содержит до 60% Fe) распро­странен в земной коре, но содержит меньше железа, чем магнитный и красный железняки, и применяется реже.

Флюсы (плавни) снижают температуру плавления пустой поро­ды и переводят ее в шлак.

Железные руды содержат кислую пустую породу, поэтому для образования шлака добавляют основной флюс: известняк (СаСОд)

или доломит (CaCOg-MgCOg). ¹ ш! Э ИВМ ш л

Топливо не только служит источником тепла, необходимым для плавки, но и принимает участие в восстановительных процессах и науглероживании железа. Основным топливом для доменной печи' является кокс — продукт сухой перегонки (сжигание без доступа возду­ха), коксующихся каменных углей при температуре 1000 °С...1100 °С. Это куски размером 25...60 мм, обладающие высокой твердостью и прочностью.

В доменной печи различают следующие части: колошник, шах­ту, заплечики и горн. Сырьевые материалы (железную руду, флюсы и

топливо) загружают слоями в загрузочное устройство — колошник. Для поддержания горения топлива в нижнюю часть печи — горн че­рез фурмы подается под давлением 0,150...0,300 МПа нагретый воз­дух до 1100... 1300 °С, обогащенный кислородом и углесодержащими добавками (природный газ, мазут). Шихта, опускаясь вниз, нагрева­ется и претерпевает в различных температурных зонах физические и химические изменения. Газы, образованные при сжигании топлива, проходят вверх через шихту.

Сырьевые материалы подаются в печь непрерывно, также не­прерывно происходят в ней процессы, а чугун и шлак выпускаются периодически. В доменной печи материалы находятся в течение

4. .6 ч. При выплавке чугуна происходят следующие физико­химические процессы: горение топлива, восстановление железа из ок­сидов, науглероживание железа и образование чугуна и шлака.

Горение топлива происходит за счет кислорода воздуха в верх­ней части горна, по реакции С + 0₂ = С0₂. Углекислый газ, поднима­ясь вверх, взаимодействует с коксом и образует оксид углерода: С0₂ + С = 2СО. Оксид углерода является хорошим восстановителем.

Он энергично соединяется с кислородом, входящим в состав железной руды, и другими соединениями руды.

Восстановление железа из оксидов — главный процесс в плав­ке чугуна. Восстановление железа происходит по схеме: Fe₂0₃ -»

—> Fe₃0₄ —> FeO —» Fe . Химически этот процесс выражается следую­щим образом:

3Fe₂0₃+С = 2Fe₃0₄ + СО; Fe₃0₄ + С = 3FeO + СО; FeO + C = Fe + CO.

Железо восстанавливается в доменной печи полностью;

99. .99.8% железа переходит в чугун и только 0,2... 1,0% — в шлак. После восстановления железо находится в твердом состоянии.

Науглероживание железа происходит при температуре выше 900 °С. В поры восстановленного железа проникает углерод и образуется карбид железа (цементит) по реакции 3Fe + 2СО = Fe₃C + С0₂.

При температуре выше ИЗО °С науглероженное железо пла­вится, образуется жидкий чугун, который стекает в горн. Плавленые пустые породы и флюсы образуют шлак, который также стекает в горн и как более легкий материал всплывает на поверхность чугуна, защищая его от окисления. В чугун переходят небольшие количества различных элементов, восстановленных на разных уровнях печи. Температура чугуна в печи 1400...1450 °С.

Шлак выпускают через (шлаковую) летку, расположенную вы­ше уровня отверстия для выпуска чугуна.

Затем через нижнюю летку выпускают чугун. Расплавленный чугун подают к разливочным машинам для отливки в «чушки» или в специальных ковшах доставляют в сталеплавильные цехи для пере­работки в сталь.

Самая большая современная доменная печь (объем 5000 м³) выплавляет 12 ООО т чугуна и выдает около 4000 т шлака и 27 000 т колошникового газа в сутки.

Отходами металлургического производства являются шлак и колошниковый газ.

Шлак, быстро охлажденный после расплавления, имеет стекло­видное строение; медленно охлажденный — кристаллическое.

Значительная часть доменных шлаков (до 75%) используется в качестве сырья для производства различных строительны^ материа­лов —шлаковой пемзы (термозита), шлаковаты, шлакопортландце- мента, шлакоситаллов, гранулированного шлака, используемого в качестве заполнителя для легких бетонов.

Колошциковый газ применяется для нужд металлургического производства.

Производство стали. Исходными материалами для производ­ства стали служит передельный чугун, стальной лом, ферросплавы или железная руда и флюсы.

В настоящее время сталь выплавляют тремя способами: конвер­терным, мартеновским и электроплавильным.

К онвертерный процесс происходит в конвертерах — печах грушевидной формы (рис. 6.2). Снаружи конвертер имеет стальной кожух, а изнутри — огнеупорную футе­ровку и может поворачиваться вокруг¹ горизонтальной оси на цатЪах. Его вместимость до 600 т. ?

Жидкий чугун заливается через горловину на 25% его высоты, когда конвертер на­ходится в горизонтальном по­ложении.

Можно загружать стальной лом и шлакообразующие ма­териалы (плавиковый шпат, известь и др.).

Конвертер поворачивают в вертикальное положение и снизу через фурмы подают кислород. Продувка кислородом продолжается

12. .20 мин. Под действием кислорода избыточный углерод, кремний, марганец и небольшое количество железа окисляются. Образовав­шаяся закись железа FeO реагирует с примесями. Оксиды кремния, марганца, фосфора, а также известь и другие сыпучие материалы пе­реходят в шлак или выгорают, а закись железа при этом восстанав­ливается до чистого железа. Продолжительность плавки в конвертере составляет 30...55 мин.

Этот процесс выплавки стали высокопроизводителен и эконо­мичен. Кислородное дутье улучшает качество стали и приближает его к качеству мартеновской стали.

Конвертерную сталь применяют для изготовления листовой стали, прокатных профилей, проволоки и т.д.

М артеновский способ носит имя француза Пьера~Жартена, который в 1864 г. провел первую плавку стали. В настоящее время этот спо­соб наиболее распространен.

Мартеновская печь (рис. 6.3) представляет собой агрегат, рабочее пространство которого ограничено сверху сводом, а снизу подом (ванна для плавления). Вместимость печи до 1000 т. Внутренние поверхности печи футерованы огнеупорным кирпичом. В передней стенке печи имеются завалочные окна дггя да- грузки материалов, а в задней —

отверстие для выпуска готовой ст^- ли. В верхней части имеются кана­лы, соединяющие рабочую камеру с газовыми и воздушными регенера­торами — Камерами для подогрева воздуха и газа (топлива).

Исходными материалами для выплавки стали являются пере­дельный чугун, металлический лом (скрап) и другие материалы.

Смесь горючего газа и воздуха поступает в регенераторы, подог­ревается до температуры 1000... 1200 °С и поступает в печь. Темпера­тура в рабочей зоне печи достигает 1700 °С. Шихта расплавляется и в ванне образуется жидкий металл и шлак, который всплывает на по­верхность металла, как более легкий материал. Шлак связывает

вредные примеси и защищает сталь от окисления. Углерод при высо­ких температурах выгорает.

Для удаления серы применяют известняк в качестве флюса. Продолжительность плавки составляет 4...8 ч. Во время выплавки стали в ее состав вводят различные добавки — ферросплавы или ле­гирующие элементы; по окончании плавки ее выпускают в ковши, а затем разливают по формам — изложницам.

Мартеновская сталь отличается высокими механическими свой­ствами, ее широко применяют для изготовления ответственных строительных конструкций: ферм, мостов, рельсов, подкрановых ба­лок, высокопрочной арматуры и др.

Электроплавка. Наиболее совершенными сталеплавильными агрегатами являются электрические печи, в которых плавление ме­таллов осуществляется с помощью электрической энергии. В настоящее время существует два вида электропечей: индукционные и дуговые.

При электроплавке можно применять шихтовые материалы с вредными примесями, так как в электропечах они уничтожаются: в плавильном пространстве можно достигнуть более высокой темпера­туры, позволяющей получать специальные легированные стали; мож­но точнее регулировать температуру металла; получать сталь с низ­ким содержанием серы и неметаллических включений. Однако про­изводство стали в электропечах дороже, чем в конвертерах и мартенах, и их применяют главным образом для получения высококачествен­ных и легированных сталей. Длительность плавки стали в дуговых печах вместительностью 5... 100 т составляет 3,5...6 ч.

Для получения фасонных отливок сталь из ковша заливается в формы, а для получения слитков — в изложницы.