книги из ГПНТБ / Слободяник И.Я. Строительные материалы и изделия учебник

одного и того же металла, кристаллизующегося в различных температурных условиях, кристаллическая решетка может быть различной — кубической, объемно-центрированной, кубической гранецентрированной и др.

Некоторые металлы при нагревании в твердом состоянии спо­ собны изменять свою кристаллическую решетку и ее параметры. Это изменение называют аллотропическим. Наибольшее практиче­ ское значение имеет температурная аллотропия железа. Так, до 910° С железо имеет кубическую объемно-центрированную решет­ ку и называется a-Fe (альфа-железо), от910 до 1400° С — кубичес­ кую гранецентрированную решетку и называется j -Fe (гамма-же­ лезо), от 1400 до 1539° С, т. е. до точки плавления — кубическую объемно-центрированную решетку и носит название ô-Fe (дельта­ железо).

Свойства металлов, применяемых в строительстве, определя­ ются в основном механическими и технологическими характери­ стиками.

Для строительства представляют наибольший интерес сплавы металлов, особенно железа с углеродом и другими элементами (марганцем, никелем, хромом, титаном, кремнием и др.). Такие сплавы составляют группу черных металлов и носят название чугун

исталь. Большое значение в строительстве имеет также алюминий

иего сплавы.

Механические свойства металлов характеризуются пределом прочности при растяжении, пределом текучести, относительным удлинением, твердостью, ударной вязкостью; технологические свой­ ства — жидкотекучестью, свариваемостью, ковкостью, электропро­ водностью, магнитностью и др.

Предел прочности при растяжении —напряжение в момент раз­ рушения образца, испытываемого на разрыв.

Предел текучести — минимальное напряжение, при котором образец деформируется без увеличения нагрузки.

Относительное удлинение — отношение приращения длины об­ разца после деформации растяжения к его первоначальной длине.

Максимальное напряжение, при котором сохраняется прямая пропорциональность между удлинением образца и приложенной нагрузкой, называют пределом пропорциональности.

Напряжение, соответствующее появлению первых признаков пластической деформации, остающейся после нагрузки образца, называют пределом упругости.

Металлы испытывают на растяжение с помощью разрывных машин, оборудованных приспособлением для записи кривой зави­ симости между нагрузкой и удлинением образца. Такая кривая называется диаграммой растяжения.

У одних металлов на диаграмме растяжения фиксируется площадка текучести, указывающая на способность металла под­ вергаться пластическим деформациям при постоянном напряжении, у других такая площадка отсутствует, что указывает «а непрерыв­ ный рост деформации с возрастанием нагрузки.

Рис. 27. Микроструктура железоуглеродистых сталей:

а — феррита; б — перлита; в — феррнта-перлнта.

перлит, содержащий 0,8% углерода,— эвтектоид, являющийся механической смесью мелких кристаллитов феррита и цементита; перлит — наиболее прочная структурносоставляющая сталей;

аустенит— представляет собой твердый раствор углерода в гамма-железе, немагнитен, обладает большой вязкостью, химиче­ ской стойкостью;

ледебурит, содержащий 4,3% углерода,— эвтектика, образую­ щаяся в результате первичной кристаллизации сплава и состоящая из механической смеси кристаллов первичного аустенита и цементита. Ледебурит при температуре ниже 723° С состоит из цементита и перлита.

На рис. 27 приведены микроструктура некоторых железоуглеро­ дистых сплавов.

§ 28. Сведения по технологии производства чугуна

Исходным сырьем для получения чугуна являются железные руды, металлический лом и флюсы.

Железная руда — порода, содержащая различные количества железа в виде химических соединений с кислородом, серой и дру­ гими веществами.

Чаще всего чугун получают из магнитного железняка РезСЛ, со­ держащего до 72% железа, и красного железняка 2Fe20 3-3H20, содержащего до 70% железа в виде Fe20 3.

Кроме того, чугун получают также из руд, содержащих, помимо железа, легирующие примеси — хром, никель, титан, марганец и др.

К руде в процессе плавки для понижения температуры плавле­ ния пустой породы с целью отделения ее от металла прибавляют флюсы или плавни.

Флюсы бывают основными и кислыми. В качестве флюсующих материалов, образующих сплав с кремнеземом и глиноземом, слу­ жат породы, содержащие СаС03 и MgC03. Если пустой породой в руде является известняк, флюсом служат кремнеземистые поро­

Загружают домну шихтой (рудой, флюсом, топливом) чередую­ щимися слоями — колошами. В настоящее время шихта доменных печей на три четверти состоит из агломерата, а на некоторых заво­ дах в домны загружают офлюсованный агломерат. Применение офлюсованного агломерата вместо обычного — важное средство увеличения производительности домен и снижения удельного рас­ хода кокса. В процессе работы шихта внутри печи опускается вниз, а домну сверху наполняют новыми порциями шихты. Горячие газы из горна движутся по шахте вверх, нагревают сырье и удаляют из него влагу. Руда, опускаясь вниз, восстанавливается окисью угле­ рода и твердым углеродом до закиси железа FeO, а в дальнейшем — в железо. Железо, насыщаясь углеродом, переходит в карбид же­ леза, который, растворяясь в железе, понижает температуру сплава.

Одновременно с восстановлением железа восстанавливаются кремний, фосфор, марганец и другие примеси, которые частично

входят в состав чугуна. Шлак, благодаря тому, что он легче чугуна (плотность чугуна 7,8 • ІО3 кг/м3, шлаков от 2,3 • ІО3 до 3 • ІО3 кг/м3), образует слой над чугуном, предохраняющий его от окисления и охлаждения, так как он нагрет до более высокой температуры, чем металл.

Жидкий чугун выпускают в ковши, откуда его выливают в фор­ мы или миксеры (сборники-смесители, где сплав сохраняется неко­ торое время в жидком состоянии).

Полученные в печах чугуны разделяют на литейные и пере­ дельные. Литейные чугуны применяют для производства чугунных отливок, передельные — для производства стали.

Помимо обычных чугунов, в доменных печах выплавляют также ферросплавы. К доменным ферросплавам относят: ферросилиций, ферромарганец и др.

Для отливки изделий чугун плавят в вагранках, пламенных и электрических печах. Вагранка представляет собой печь шахтного типа, футерованную огнеупорным кирпичом. Она состоит из колош­ ника для -загрузки шихты, шахты, формы для дутья, горна, копильника (в некоторых типах печей). В вагранку подают чушко­ вый чугун, а также частично чугунный и стальной лом. Топливом служит кокс, который слоями загружают в вагранку. Чтобы часть серы не перешла в чугун, в шихту добавляют известняк, связываю­ щий серу в CaS.

Расплавленный при температуре 1380—1420° С жидкий чугун выпускают через летку в футерованные огнеупором литейные ков­ ши для разливки чугуна по формам, изготовляемым из формовоч­ ного песка со связками.

В последние годы применяют прогрессивные способы литья чу­ гуна: под давлением, центробежным способом в оболочковые фор­ мы. Залитый в форму чугун находится в ней до момента полного перехода в твердое состояние, вначале расширяясь, а впоследствии давая усадку около 1 %.

Отливку под давлением производят на специальных установках, состоящих из котла с расплавленным металлом, разъемных форм, механизма давления и раскрытия форм.

Центробежный способ литья основан на принципе действия центробежных сил на металл, залитый во вращающуюся форму. Таким способом можно отливать различные изделия — трубы, коль­ ца, втулки, сплошные и биметаллические.

Отечественными учеными и практиками разработан способ бес­ слитковой прокатки тонкого чугунного листа. Чугун, расплавлен­ ный в вагранках, прокатывают в ленту между валками с после­ дующим отжигом в течение 2—3 ч при температуре 980—1050° С. При этих условиях чугунный лист приобретает некоторую пластич­ ность, позволяющую пробивать в нем отверстия, разрезать ножни­ цами, загибать и др.

§29. Характеристика и марки чугуна

Взависимости от структуры чугуны подразделяют на белые и серые.

Наименование чугунов «белый» и «серый» происходит от цвета излома, характеризующегося наличием цементита или графита.

Белый чугун хрупок и очень тверд. Применяется в основном для получения ковкого чугуна и переделки в сталь.

Механические свойства серого чугуна зависят от количества и модификации графита. Пластическими свойствами серый чугун практически не обладает, но значительно менее хрупок, чем белый. Прочность серого чугуна при работе на сжатие в 3—4 раза выше, чем на растяжение. Серый чугун применяют для изготовления эле­ ментов, работающих главным образом на сжатие (колонн, опорных подушек, канализационных труб, тюбингов и др.).

Разновидностью серого чугуна является модифицированный чу­ гун (с повышенными механическими свойствами), получаемый до­ бавкой к белому жидкому чугуну специальных модификаторов. Модифицированный чугун применяют для отливки ответственных

изделий.

Ковкий чугун отличается от серого повышенной пластичностью, вязкостью, способностью легко обрабатываться. Ковкий чугун по­ лучают путем длительного нагрева (до 100 ч) белого чугуна при высоких температурах (980—760° С) в нейтральной или окислитель­ ной среде (в песке или руде). Такой процесс называется томле­ нием.

Отличительные свойства ковкого чугуна — повышенная пластич­ ность, повышенное сопротивление износу и повторным нагрузкам.

Наиболее качественным модифицированным чугуном является высокопрочный чугун (ВЧ), который получают из жидкого чугуна путем модификации его магнием. После такой обработки чугун выливают в формы и получают отливки с высокими механическими показателями.

Область применения чугунных изделий в строительстве в на­ стоящее время ограничивается в связи с заменой чугунных изделий более эффективными и экономичными изделиями из других мате­ риалов (из стали, пластмасс, стеклопластика, ситалла, стекла, керамики).

В практике современного строительства из чугуна изготовляют сантехническое оборудование (отопительные радиаторы, ванны, мойки, сифоны, вентили и др.).

Большое распространение получили чугунные трубы различного назначения. В агрессивной среде чугунные трубы более долго­ вечны. В связи с этим их применяют для стояков сантехнических

ничности покрывают силикатными эмалями различной окраски.

В настоящее время производят также двухслойные металлошла­

ковые трубы, предназначенные для работы в условиях пневмо- и гидротранспортирования абразивных материалов. Труба представ­ ляет собой цилиндр с наружным металлическим и внутренним шла­ ковым слоями. Трубы изготовляют центробежным способом путем поочередной заливки чугуна и шлака во вращающийся вокруг горизонтальной оси кокиль.

ствующих шихтовых материалов при различных способах ведения плавки, окисляя и удаляя примеси чугуна: Si, P, S и др.

Исходными материалами для выплавки стали, кроме передель­ ного чугуна, являются: стальной лом, ферросплавы, железная руда и флюсы. Получают сталь в конвертерах, мартенах, электропечах.

Конвертерный способ получения стали заключается в том, что через расплавленный чугун, находящийся в конвертере, продувается воздух, обогащенный кислородом. Так как в процессе окисления стали получается металл, насыщенный закисью железа, то для улучшения его свойств в расплавленную сталь вводят раскислите­ ли Si, Mn, Al и др.