9. Металлы и сплавы. Стекло и расплавы

9.1. Металлы и сплавы. Технология их получения

Основными металлами, применяемыми в строительстве, являются черные металлы – сталь и чугун. Из цветных металлов больше других применяют алюминий и его сплавы.

Чугун и сталь представляют собой сплав железа с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором, серой и другими химическими 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 используют более твердые и прочные, чем чистый алюминий, алюминиевые сплавы – дюралюмины. Дюралюмины – алюминиевые сплавы, обрабатываемые давлением, наиболее широко применяемы 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.

Производство чугуна и стали представлено на рис. 45.

Рис. 45. Схема металлургического процесса.

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 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.

В нижней части печи восстановленное железо частично вступает во взаимодействие с углеродом, образуя карбид железа, который увеличивает содержание углерода в железоуглеродистом сплаве до 3 – 4%. Образовавшийся чугун при температуре около 1300 °С плавится и стекает в горн печи.

В результате 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.

В зависимости от назначения и свойств чугуны подразделяют на следующие виды: литейные, применяемые для чугунных отливок – опорных подушек колонн, санитарно-технических изделий, 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 автором предложено использовать для возведения оснований дорожных одежд (Авт. свидетельство № 712477).

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.

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 вид добавок и их количество (от 1,5 до 20%), получают алюминиевые сплавы с требуемыми физико-химическими, 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 применяют для горячей и холодной прокатки в виде плит, листов, полос, лент для горячего прессования профилей, трубных заготовок, прутков с последующим их холодным волочением. К таким сплавам относят: альтмаг – сплав алюминия с магнием (2,8%); авиаль – сплав алюминия с медью (до 2,6%), магнием (0,8%), кремнием (1,2%) и марганцем (до 0,8%); дюралюминий – сплав алюминия с медью (до 5,5%), магнием (до 0,8), кремнием (до 0,8%) и марганцем (до 0,8%).