21. Разливка стали сверху:

Разливка происходит при помощи разливочного ковша. Сталь наливается сверху в изложницы, расположенные на поддоне. Каждая изложница заполняется отдельно. Разливка сверху производится в тех случаях, когда надо получить слитки большого веса, а также при выплавке высококачественных сталей.

Сифонная разливка(снизу):

Сталь заливается сверху в сифон, а из него снизу заполняются несколько изложниц на поддоне. В поддонах устраиваются каналы, которые сообщаются с центральным литником и с каждой из изложниц. Сталь заливается в центральный литник, откуда по принципу сообщающихся сосудов поступает в изложницы. Заливка сифонным методом применяется для получения слитков мелкого и среднего развеса.

9 Конверторный способ основан на продувке сжатым воздухом расплавленного чугуна. При продувке кислород воздуха вступает в реакцию с примесями чугуна и окисляет их, в результате чего получается сталь. Для конверторного способа используют жидкий чугун, полученный в доменных печах и выдержанный в специальных металлоприемниках (миксерах).

Достоинствами конверторного способа являются: высокая производительность агрегатов, компактность оборудования и т. д.

К недостаткам этого способа относятся невозможность переработки большого количества стального и железного лома, а также передел чугунов только определенного химического состава.

Марки конверторной стали обозначают начальными буквами Б и Т, что значит бессемеровская и томасовская сталь.

Мартеновский способ вызван к жизни необходимостью перерабатывать стальной лом и отходы производства. Требовалось создать печь, в которой температура была бы настолько высокой, чтобы можно было плавить сталь и железо. Получение высокой температуры в мартеновской печи дало возможность не только использовать промышленные отходы в качестве шихтовых материалов, но и получать стали с весьма разнообразными свойствами. Мартеновская сталь поступает в виде листовой и сортовой, рельсов, отливок, заготовок для ковки и штамповки.

Плавка стали в электропечах дает возможность получать высококачественные стали. Сущность процесса заключается в очищении стали от шлаков и примесей в виде серы и фосфора.

Сера и фосфор в стали являются вредными примесями. Сера снижает литейные свойства, препятствует выходу газов из жидкой стали, вызывает ломкость. Фосфор снижает пластичность и вызывает хладноломкость (хрупкость) стали. Кремний повышает упругость и вязкость стали, марганец повышает износоустойчивость.

По химическому составу стали делят на углеродистые и легированные. Углеродистые стали, кроме углерода, содержат до 0,35% кремния, 0,8% марганца, 0,06% серы, 0,07% фосфора. Легированными называют такие стали, в состав которых специально введены легирующие элементы (хром, никель, вольфрам, ванадий, молибден, кобальт и др.) для сообщения стали требуемых свойств.

По назначению стали делятся на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими свойствами.

По способу выплавки различают сталь обыкновенного качества, качественную и высококачественную.

Углеродистые стали обыкновенного качества содержат до 0,65-0,70% углерода и обозначаются буквами Ст и цифрой, которая является условным номером стали, например: Ст 2, Ст 3 и т. д. Чем больше номер стали, тем больше в ней содержится углерода и тем она прочнее и тверже.

Качественные углеродистые стали обозначают только цифрой, указывающей среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, в стали марки 15 содержится 0,15% углерода, в стали марки 20,-0,20% углерода.

Углеродистые инструментальные стали содержат от 0,65 до 1,35% углерода. Они более прочные, твердые, но менее вязкие.

Углеродистые инструментальные стали делятся на две группы: качественные и высококачественные.

Углеродистые инструментальные качественные стали обозначают буквой У и цифрой, указывающей на среднее содержание углерода в десятых долях процента. Например, в стали марки У8 содержится 0,8% углерода, а стали марки У13-1,3% углерода.

В марке углеродистой инструментальной высококачественной стали ставят букву А, например У9А, У13А.

Легированные стали обозначают буквами и цифрами. Первые две цифры обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента, следующие за ними буквы русского алфавита указывают на легирующие элементы, входящие в состав данной стали.

10 Металлы, применяемые в строительстве, разделяются на две группы:

черные и цветные.

Черные металлы представляют собой сплав железа с углеродом. Кроме того, в них могут содержаться в большем или меньшем количестве и другие химические элементы (кремний, марганец, сера, фосфор). С целью придать черным металлам специфические свойства в их состав вводят улучшающие или легирующие добавки (никель, хром, медь и др.). Черные металлы в зависимости от содержания углерода подразделяют на чугуны и стали.

Чугун – железоуглеродистый сплав с содержанием углерода 2-4,3%. В зависимости от назначения различают чугуны литейные, передельные и специальные. Литейные чугуны применяют для отливки различных строительных деталей. Передельные чугуны используют для произведства стали, а специальные чугуны – в качестве добавок при производстве стали и чугунного литья специального назначения. Наличие в чугуне марганца, кремния, фосфора, а также легирующих добавок – никеля, хрома, магния и др. – придает ему высокие механические свойства и обеспечивает высокие жаростойкость и коррозионную стойкость. Чугуны с добавками никеля, хрома, магния и других элементов называют легированными. Высокопрочные чугуны получают модифицированием жидкого чугуна присадками Si,Са и др.

Сталь – ковкий железоуглеродистый сплав с содержанием углерода до 2%. В зависимости от способа получения стали разделяют на:

мартеновские,

конвертерные

электростали.

По химическому составу в зависимости от входящих в сплав химических элементов стали бывают углеродистые и легированные.

К углеродистым сталям относят сплавы железа с углеродом и примесями марганца, кремния, серы и фосфора. Углеродистую сталь, полученную различными способами, по характеру застывания принято разделять на:

спокойную,

полуспокойную

кипящую.

Легированными называют стали, в состав которых входят легирующие добавки (никель, хром, вольфрам, молибден, медь, алюминий и др).

Кроме того, по суммарному содержанию добавок стали разделяют на низколегированные (с содержанием легирующих добавок до 2,5 %), среднелегированные (с содержанием легирующих добавок от 2,5 до 10 %) и высоколегированные (с содержанием легирующих добавок более 10 %).

По назначению стали могут быть:

конструкционные (применяемые для изготовления различных строительных конструкций и деталей машин ),

специальные (характеризующиеся высокой жаро- и износостойкостью, а также коррозионной стойкостью),

инструментальные.

По качеству стали обычно подразделяют на:

обыкновенные (рядовые),

 

качественные,

высококачественные,

особо высококачественные.

Цветные металлы в чистом виде весьма редко используют в строительстве. Значительно чаще находят применение сплавы цветных металлов, которые по истинной плотности разделяют на легкие и тяжелые.

Легкие сплавы получают на основе алюминия или магния. Наиболее распространенными легкими сплавами являются алюминиево-магниевые и сплавы дюралюминия. Их используют для несущих (фермы и др.) и ограж­дающих (оконные переплеты и др.) конструкций зданий и сооружений.

Тяжелые сплавы получают на основе меди, олова, цинка, свинца. Среди тяжелых сплавов в строительстве применяют бронзу (сплав меди с оловом или сплав меди с алюминием, железом и марганцем) и латунью (сплав меди с цинком). Из этих сплавов изготовляют архитектурные детали и санитарно-техническую арматуру.

11 Физико-механические свойства металлов тесно связаны с особенностями их кристаллического строения. В твердом состоянии атомы всех металлов и металлических сплавов располагаются в строгом порядке, образуя в пространстве правильную кристаллическую решетку. В промышленных металлах наиболее распространены следующие кристаллические решетки: кубическая объемно-центрированная, кубическая гранецентрированная и гексагональная. В элементарной кубической объемно- центрированной решетке находится девять атомов (восемь в вершинах куба и один в центре). Такую решетку имеют: железо при температуре до 910'С и выше 1390'С, хром, вольфрам, ванадий и др. В кубической гранецентрированной решетке 14 атомов (восемь в вершинах куба и по одному в центре каждой грани). Такую решетку имеют железо при температуре 910 – 1390 'С, медь, никель, алюминий и др. В гексагональной решетке, имеющей форму шестигранной призмы, 17 атомов (12 в вершинах, два в центре оснований и три внутри призмы). Данная решетка имеется у магния, цинка и других металлов.

 

 В результате совместной кристаллизации нескольких элементов могут образоваться сплавы следующих типов: механическая смесь, твердый раствор и, химическое соединение. Возможность возникновения того или иного типа сплава определяется характером взаимодействия элементов в процессе кристаллизации.

Механические смеси образуются путем срастания кристаллов между собой при раздельной кристаллизации компонентов. В механической смеси каждый из компонентов сохраняет свои специфические свойства. Структура сплава в этом случае будет состоять из кристаллов веществ А и Б, связь между которыми осуществляется по границам зерен. Значения свойств сплава будут средними между свойствами элементов, которые его образуют.

Твердые растворы образуются в результате проникновения в кристаллическую решетку основного металла атомов другого металла или неметалла. В зависимости от характера размещения атомов различают твердые растворы замещения и внедрения. При образовании твердого раствора замещения атомы одного из компонентов, например Б, частично замещают атомы компонента А в узлах его кристаллической решетки. Твердый раствор внедрения образуется, когда атомы одного из компонентов размещаются в междоузлиях кристаллической решетки другого. Твердые растворы замещения могут образоваться при совместной кристаллизации металлов, а твердые растворы внедрения – при совместной кристаллизации металла с неметаллом. Твердые растворы принято обозначать буквами греческого алфавита.

 

В растворе внедрения атомы растворимого элемента внедряются между атомами металла, искажая его решетку. К таким элементам относятся – углерод, водород, азот, бор и другие, концентрация которых в твердом растворе может составлять 1 – 2 %. В растворе замещения атомы растворимого элемента занимают места атомов растворителя в кристаллической решетке. При этом размеры атомов основного металла и примеси должны отличаться не более чем на 15 %. Например, хорошо замещаются атомы Fе и Сг, Сu и Ni, Тi и V и т. д.

Химические соединения образуются в результате химического взаимодействия компонентов, при этом атомы располагаются в строгом порядке и количественном соотношении. Например, в сплавах железа с углеродом образуется карбид железа, называемый цементитом. В сплавах алюминия с медью образуется интерметаллическое соединение. Строение сплава определяет его свойства, поэтому важно знать, как это строение будет меняться при изменении температуры и состава сплава. Зависимость между строением сплава, его составом и температурой описывается при помощи диаграмм состояния.

Применяемые для отливок чугуны имеют в среднем состав: С – 2 – 4 %, Si – 1,5 – 4 %, Мn – 0,6 – 1,25 %, Р – 0,1 – 1,2 %, S<=0,06 %. Чугуны подразделяют на белые, серые и ковкие. В белом чугуне весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита. Белые чугуны очень твердые и хрупкие, с трудом отливаются и обрабатываются инструментом. В основном эти чугуны идут на переплавку в сталь или используются для получения ковкого чугуна.

При замедленном охлаждении расплавленного чугуна цементит может подвергнуться разложению с образованием феррита и графита. В результате получается серый чугун имеющий благодаря графиту серый излом. В зависимости от степени разложения цементита серый чугун может иметь структуры: перлит – графит; перлит – графит – феррит; феррит – графит. С увеличением содержания феррита и перлита в чугуне уменьшается его твердость и увеличивается пластичность. Образованию тонкодисперсного графита способствуют специальные присадки, из которых наибольшее распространение получил ферросилиций.

Серые чугуны – это литейные чугуны: они обладают хорошими литейными качествами – жидкотекучестью, мягкостью, хорошо обрабатываются, сопротивляются износу. Серые чугуны с высоким содержанием фосфора (0,3 – 1,2 %), жидкотекучи и используются для художественного литья. Установлены следующие марки отливок из серого чугуна: СЧ 00, СЧ 120 – 280, СЧ 150 – 320, СЧ 180 – 360, СЧ 210 – 400, СЧ 240 – 440, СЧ 280 – 480, СЧ 320 – 520, СЧ 360 – 560, СЧ 400 – 600, СЧ 440 – 640. «СЧ» обозначает серый чугун. Первое число показывает предел прочности (в МПа) при испытании на разрыв, а второе – предел прочности при испытании на изгиб. Чугун марки СЧ 00 не испытывается.

Кроме указанных чугунов применяются легированные чугуны, которые наряду с обычными примесями содержат легирующие элементы: хром, никель, титан и др. Эти элементы улучшают твердость, прочность износоустойчивость, сопротивление ржавлению и т. д.

Ковкие чугуны – разновидность серых чугунов, полу- чаемая путем длительного (до 80 ч) выдерживания при высокой температуре. Такая термическая обработка называется томлением. При этом цементит распадается, и выделившийся при его распаде графит образует хлопьявидные включения, равномерно рассеянные в массе феррита. Ковкие чугуны наиболее пластичны из всех видов чугунов. Из серых чугунов изготовляют элементы строительных конструкций; в том числе и таких ответственных, как опорные части железобетонных балок, ферм, башмаки под колонны, тюбинги для тоннелей метрополитена и др.

На долю цветных металлов приходится всего лишь 5 % мирового производства металлов, Это объясняется их небольшим содержанием в земной коре, малым содержанием в рудах, а также сложностью производства.

В строительстве из цветных металлов и сплавов изготовляют легкие конструктивные элементы, теплообменные аппараты, электрооборудование, химически- и огнестойкие конструкций и т. д. Большое количество цветных

металлов и их сплавов используют в строительных машинах, оборудовании и инструментах. Широко применяемые цветные металлы называют техническими. К ним относятся медь, алюминий, магний, титан, никель, свинец, цинк, олово. Остальные цветные металлы относятся к редким. В чистом виде цветные металлы применяют редко, чаще – в виде сплавов. Большое распространение получили медные сплавы: латуни и бронзы.

Латунь – это сплав меди с цинком. Кроме двухкомпонентной латуни в промышленности применяют сплавы, содержащие А1, Рb, Ni, Sn, Мn. Латуни в зависимости от химического состава подразделяются на марки: томпак Л96 и Л90 (88 – 97% Сu), полутомпак Л80 и Л85 (79 – 86 % Сu), латунь Л62, Л68 и Л70 (цифры 62, 68 и 70 показывают содержание меди, %), алюминиевая латунь ЛА77-2, марганцовистая латунь ЛМц58-2, железомарганцовистая ЛЖМц59-1-1 и никелевая латунь Л Н65-5.

Бронза – это сплав меди с оловом, марганцем, алюминием, никелем, кремнием, бериллием и другими элементами. Бронза маркируется буквами Бр, а далее следуют буквы и цифры, показывающие содержание легирующих элементов. Содержание меди определяется по разности между 100 % и общим процентным содержанием остальных элементов. Например, бронза марки БрОЦС 8-4-3 содержит 8 % Sn, 4% Zn, 3 % Рb и 85 Сu. Различают бронзы оловянистую (устойчива против действия атмосферы, морской воды, растворов солей и кислот, алюминиевую (очень прочна, химически стойка, обладает антифрикционными свойствами), кремнистую (хорошо работает в условиях трения и высокой температуры) и бериллиевую (искробезопасна).

Алюминий – один из распространенных металлов в земной коре. Мировое производство алюминия с каждым годом все больше увеличивается. Применение алюминия и его сплавов наиболее эффективно при возведении легких конструкций зданий и сооружений, конструкций, подверженных действию агрессивной коррозионной среды, а также конструкций и изделий, к внешнему виду которых предъявляются повышенные требования – элементы выставочных павильонов, рамы и переплеты высотных зданий и т. п.

Предел прочности чистого алюминия составляет 10 МПа, а некоторых конструкционных алюминиевых сплавов доходит до 62 МПа. Плотность алюминия и его сплавов составляет 2;65 – 2,85, а стали 7,85 г/см', т. е. алюминий легче стали почти в 3 раза. Модуль упругости алюминия небольшой – 0,71 • 10⁵ МПа, т. е. в три раза меньше, чем стали (2,1•10⁵МПа). Это значит, что деформации алюминиевых конструкций при прочих равных условиях будут значительно превышать деформации стальных конструкций. Алюминий и его сплавы имеют более высокий температурный коэффициент линейного расширения (22 10^-6), чем сталь (11,8 10^-6).

На воздухе поверхность алюминия быстро теряет металлический блеск, покрываясь тонкой и прочной защитной пленкой, состоящей из окиси алюминия. Защитная пленка предохраняет металл от дальнейшего окисления, обладает хорошей коррозионной стойкостью во многих средах.

Алюминиевые сплавы при низких температурах сохраняют свои Основные механические свойства (временное сойротивлейие, предел текучести, относительное удлинение). Алюминий и его сплавы при пластической деформации упрочняются за счет наклепа. Многие алюминиевые сплавы подвергаются термообработке для придания им высоких механических свойств. Термическая обработка обычно состоит из закалки и естественного или искусственного старения.

Искусственным старением называется нагрев закаленного алюминиевого сплава до температуры, не превышающей 150'С, с выдержкой при этой температуре в течение нескольких часов

12