Розділ 13. Метали та металеві труби

Металами називають матеріали, характерними ознаками котрих є висока тепло - й електропровідність, ковкість, блиск та інші. Ці властивості обумовлені наявністю у кристалічній гратці металів електронів з вільним переміщенням.

Метали та їх сплави поділяються на чорні та кольорові. До чорних належать залізо й сплави на його основі – чавун, сталь, феросплави; до кольорових – всі інші метали – мідь, алюміній, цинк, нікель та інші. Найбільше значення для народного господарства мають чорні метали. З них виготовляються труби, численні металеві конструкції для будівництва, значна частина сталі використовується для армування залізобетонних конструкцій.

Для сучасного будівництва важливою є проблема підвищення ефективності використання металів, заміни їх неметалічними матеріалами з високими експлуатаційними властивостями.

13.1. Характеристика металів і способи їх виробництва

Виробництво та види чавуну. Чавун – це залізовуглецевий сплав, який містить понад 2 % вуглецю. Основним способом отримання чавуну є доменний процес. Він складається з трьох стадій: відновлення заліза з оксидів, які містяться в руді, вуглецювання заліза та шлакоутворення. Сировиною для чавуна є залізні руди, паливо, флюси.

Залізні руди перед плавленням підлягають попередній переробці: подрібненню, сортуванню, збагаченню й грануляції. Частіше подрібнену руду збагачують магнітною сепарацією, для видалення піщаних та глинистих частинок її промивають водою. Огрудковування за допомогою дрібних і пилуватих руд здійснюється за допомогою агломерації, тобто спікання на колосникових решітках агломераційних машин або шляхом гранулювання в грануляторах з наступним сушінням та випалом.

Основним паливом для плавлення чавуну є кокс, котрий використовується як джерело тепла та безпосередньо приймає участь у відновленні та вуглецюванні заліза.

Флюси (вапняки, доломіти або піщаники) застосовують для зниження температури плавлення пустої породи та зв’язування її з золою палива у шлак.

Одночасно із відновленням заліза відновлюється кремній, фосфор, марганець та інші хімічні елементи, які присутні у домішках.

Розплавлені при температурі 1380...1420°С, чавун і шлак випускають крізь літники – отвори у печах для плавлення. Чавун розливається у форми, а шлак прямує на переробку. В доменних печах виплавляють переробний чавун для виготовлення сталі та чавун для лиття, котрий використовують для виготовлення різноманітних чавунних виробів, також спеціальні чавуни (феросиліцій, феромарганець), які застосовують у виробництві сталі як розкислювачі або легуючі добавки.

В залежності від стану вуглецю в чавуні його розподіляють на сірий і білий. В сірому чавуні вуглець перебуває переважно у вільному стані, а в білому – у вигляді цементиту. Сірий чавун – найбільш дешевий і розповсюджений сплав для лиття. Його використовують для лиття різних виробів і деталей, санітарно-технічного обладнання, труб, плит для підлог, тюбінгів тунелів тощо. Для виготовлення виробів чавун розплавляють і розливають у піщано-глинисті форми.

Білі чавуни мають підвищену твердість і крихкість, вони в основному використовуються для переробки в сталь і виготовлення ковкого чавуну. При введенні в сірий чавун спеціальних добавок отримують модифікований (високоміцний) чавун з поліпшеними властивостями.

Виробництво та види сталі. Сталі – залізовуглецеві сплави, які містять менше 2% вуглецю. Сталь отримують із переробного чавуну окисленням за допомогою мартенівського, конверторного .та електроплавильного способів. Основним способом виробництва сталі є мартенівський, але розповсюджений також киснево-конверторний спосіб завдяки його техніко-економічним перевагам.

З а мартенівським способом сталь отримують у печах-мартенах, в просторі яких спалюють газ або мазут, а в спеціальних камерах-регенераторах підігрівають повітря та газоподібне паливо, котрі подають потім в мартен. Процес отримання сталі включає: плавлення шихти, під час якого утворюється велика кількість захисного заліза; окислення вуглецю та інших домішок закисним залізом та розкислення – відновлення заліза із закису добавками феросиліцію або алюмінію. У склад шихти входять чавун у злитках і металевий брухт – скрап або чавун, скрап і залізна руда (скрап-рудний процес).

Конверторний спосіб виробництва сталі було запропоновано Бесемером у 1856 р. Суть цього способу полягає в тому, що крізь чавун, налитий у конвертор, продувають повітря. Після закінчення процесу конвертор повертають горизонтально, припиняють дуття, перевіряють склад сталі та виливають її у ківш. Обсяг бесемерівської сталі невеликий. За киснево-конверторним способом дуття здійснюється чистим киснем.

Найбільш досконалим є електроплавильний спосіб виготовлення сталі . У електричних печах виплавляють якісні сталі високої чистоти та розкислення. Основним вихідним матеріалом для електроплавки сталі є сталевий брухт.

Розплавлену сталь, виготовлену у металургійних печах, розливають в металеві форми-виливниці для отримання злитків або в земляні форми для отримання фасонного литва.

Сталеві вироби отримують різними методами: литтям, обробкою тиском та різанням, із застосуванням зварювання та паяння. Самим масовим способом отримання готових сталевих виробів і напівфабрикатів є прокатування – різновид обробки металів тиском. Прокатування грунтується на здатності сталі до пластичної деформації, тобто зміни форми без руйнування та зміни маси при деформуванні між обертовими валками прокатного стану.

Металургійна промисловість випускає чотири основних групи прокатних виробів: сортову та листову сталь, труби та спеціальні види прокату. До сортового прокату (рис. 13.1) належать профілі загального та спеціального призначення (кругла, квадратна, листова, кутова сталь, швелери, двотаври, рейки та інші), також кругла арматурна сталь, яка використовується для виробництва залізобетону, сталь для шпунтових паль різних профілів та інші види сталі.

За хімічним складом розрізняють вуглецеву та леговану сталь. Вуглецева сталь містить від 0,02 до 2 % вуглецю, також домішки марганцю (0,3...0,9 %), кремнію (0,15... 0,35 %), сірки та фосфору (до 0,07 %). Для будівельних конструкцій застосовують звичайно конструкційну вуглецеву сталь, яка містить біля 0,7 % вуглецю. При збільшенні кількості вуглецю від 0,65 до 1,35 %, вмісту марганцю до 0 ,4 % отримують інструментальну сталь тощо.

Леговані сталі отримують шляхом введення елементів групи нікелю (Nі, Со, Сu, Мn, Sі) та групи хрому (Сr, Ті, W, Zr, V, Аl, Мо). Леговані сталі в залежності від призначення поділяються на конструкційні, інструментальні та сталі із особливими властивостями (нержавіючі, жароміцні, зносостійкі та інші). У будівництві в основному застосовують низьколеговані сталі з такими легуючими елементами як марганець (до 1,75 %) та кремній (до 0,7 %).

Кольорові метали та сплави. В будівництві широко застосовують алюмінієві сплави як конструкційний матеріал для виготовлення корозійностійких, декоративних несучих конструкцій, стінових панелей, покрівлі, облицювання, заповнення віконних блоків, підвісної стелі, також труб і різноманітних деталей.

Алюміній отримують із глинозему – продукту переробки бокситів, нефелінів, алунітів. В чистому вигляді він використовується для виготовлення фарб, як газоутворювач, у вигляді фольги. Чистий алюміній має невисоку міцність, високу пластичність. Як конструкційний матеріал алюміній використовують у вигляді різних сплавів. Позитивними властивостями алюмінієвих сплавів є низька середня густина, висока міцність і корозійна стійкість, а негативними – низький модуль пружності, високий коефіцієнт лінійного термічного розширення та інші. Застосування сплавів дозволяє знизити масу стін і покрівлі в 10…80 разів, скоротити трудомісткість монтажу та його строки у 2...3 рази, збільшити обіговість збірно-розбірних споруд у 3...5 разів.

Сплави із алюмінію поділяються на дві групи: здатні до деформування та для лиття, із сплавів першої групи отримують прокатні, ковані та штамповані профілі. Основним видом сплаву цієї групи є дюралюміній – сплав алюмінію із міддю (2,2...4,8 %), магнієм (6,4…2,4 %) і марганцем (0,4…0,8 %). Дюралюміній має порівняно невисоку твердість (за Брінелсм НВ = 42...45), високу міцність (360…490 МПа), границю текучості – 190...340 МПа.

Крім алюмінієвих сплавів у будівництві застосовують мідні сплави – латуні та бронзи. В латунях основним легуючим елементом є цинк (до 4,5 %), а в бронзах – олово, алюміній, кремній та інші. Латуні та бронзи мають високу міцність (300...600 МПа) і твердість (НВ = 200…250), корозійну стійкість, сприятливі антифрикційні властивості.

Цинк та цинкові сплави застосовують як покриття, що захищають сталь від корозії. Висока міцність в сполученні із корозійною стійкістю є характерною для титанових сплавів. Для антикорозійних покриттів спеціальних труб, особливих видів гідроізоляції, наприклад для обробки швів між тюбінгами в тунелях, застосовують свинець.