3.2. Основи технологій отримання чавуну та сталі

Виробництво чорних металів з залізної руди – складний технологічний процес, який умовно поділяється на дві стадії:

• виробництво чавуну;

• переробка чавуну в сталь.

Чавун виплавляють в доменних печах (шахта з вогнетривкої цегли) з:

• з попередньо збагаченої залізної руди (гірська порода з вмістом хімічних з’єднань заліза з киснем );

• палива;

• флюсу (вапняки, доломіти, піщаники, які використовують для зниження температури плавлення ).

Сталь виробляють шляхом зменшення домішок (вуглецю, кремнію, марганцю, сірки, фосфору).

Способи виробництва сталі:

• конвертерний;

• мартенівський;

• електроплавильний (в електропечах).

Види термічної обробки:

• загартування – нагрівання сталі до 800–900⁰С і швидке охолодження її у воді або в маслі ( підвищує міцність і твердість сталі);

• відпуск загартованої сталі – повільний прогрів до 200–350⁰С з охолодженням на повітрі ( підвищує в’язкість)

• відпал – прогрів і повільне охолодження в печі (знімає внутрішні напруження).

3.3. Властивості і маркування металевих сплавів

3.3.1. Властивості і маркування чавунів

В залежності від складу домішків і швидкості охолодження отримують два види чавуну:

• білий – має високу твердість та крихкість і практично не обробляються ні різанням ні тиском. Через це даний чавун майже не використовують в будівництві, його переробляють на сталь та сірі чавуни.

• Сірий – незважаючи на низькі механічні властивості має ряд позитивних якостей (висока корозійна стійкість, гарні антифрикційні та ливарні властивості,), що обумовлює його достатньо широке використання в будівництві.

Вироби з чавуну:

• санітарно-технічні вироби (радіатори для опалення, мийки, труби, вентилі);

• будівельні конструкції, які працюють на стиск (колони, арки, тюбінги для метрополітену;

• пічні прибори;

• архітектурно–художні вироби.

Маркують чавуни літерами за якими вказують дві групи цифр. Першою позначено межу міцності на розтяг, другою – відносне видовження у процентах. Наприклад, СЧ 350 – 10 – сірий чавун з межею міцності на розтяг 350 МПа та відносним видовженням 10 %.

3.3.2. Властивості і маркування сталей

Сталі для будівельних конструкцій поділяють на види і маркують умовними позначками, в яких відображають склад і призначення сталі, механічні і хімічні властивості, способи виготовлення і використання. Надійність і довговічність металевих конструкцій основному залежить від властивостей матеріалу (фізичних, механічних, хімічних,).

Класифікація сталей:

1) За хімічним складом:

а) вуглецеві ( Fe + C і домішки P, S, Mn, Si );

б) леговані (Fe + C + легуючі домішки).

2) За вмістом вуглецю вуглецеві сталі поділяють:

а) низьковуглецеві (м’які, до 0.3% С );

б) середньовуглецеві (середньої твердості, 0,3 – 0,6 % С);

в) високовуглецеві (тверді, більше 0, 6 % С).

3) За якістю вуглецеві сталі поділяють залежно від вмісту шкідливих домішок сірки та фосфору):

а) звичайної якості (S ≤ 0,05%, Р ≤ 0,04%,);

б) якісні (S ≤ 0,04%, Р ≤ 0,035...0,04%,);

в) високоякісні (S ≤ 0,02%, Р ≤ 0,03%,).

Вуглецеві сталі повністю розкислені після виплавлення, називають спокійними (СП), розкислені частково – напівспокійними (НС) і киплячими (КП). Спокійні сталі твердіють без помітного виділення газів. Порівняно з напівспокійними та киплячими сталями їм притаманні кращі міцнісні властивості, але водночас менший вихід металу при прокатуванні й вища вартість.

Сталі звичайної якості найбільш дешеві, їх широко використовують в будівництві. Маркування таких сталей починається з літер Ст. (сталь), а далі цифри від 0 до 6. ці цифри позначають умовний номер сталі, залежно від хімічного складу і механічних властивостей. Чим більша цифра, тим більше у складі сталі вуглецю і тим вища міцність. Для позначення ступеня розкислення сталі після цифри ставлять індекси: кп – кипляча; сп – спокійна; нс – напівспокійна. Сталі звичайної якості також поділяють на три групи: група А – з нормованим складом; Б – нормованими властивостями; В – з нормованими механічними властивостями та хімічним складом. Сталь кожної групи в залежності від нормованих показників поділяють на категорії. Група А – має три категорії, група Б – дві, група В – шість. Наприклад ВСт3нс2 означає, що сталь марки Ст3, напівспокійна, групи В, другої категорії.

Основним видом прокату для будівництва є арматурна сталь (ДСТУ 3760–98) у вигляді стрижнів, гладкого та періодичного профілів, дроту та канатів (рис. 3.2). Розрізняють: стрижневу арматуру – клас А; дріт – клас В; арматурні канати – клас К.

Рис. 3.2. Арматура: а – прутки класу А – II, б – прутки класу А – III, в – дріт періодичного профілю (Вр), г – канат.

З арматури класу А тільки арматуру класу А–I виготовляють круглого перерізу з гладкою поверхнею. Арматура інших класів має періодичний профіль. Арматура класу А періодичного профілю має вигляд круглих стрижнів з двома поздовжніми ребрами та поперечними виступами, що йдуть по трьохзахідній гвинтовій лінії. Використовують також арматуру з профілем «ялинка».

Арматурний дріт випускають діаметром 3…8 мм та поділяють за формою поперечного перерізу на дріт гладкого (В) та періодичного профілю (Вр).

Для несучих металевих конструкцій прокатну сталь поставляють у вигляді стержнів стандартних профілів поперечного перерізу: швелерного, двотаврового, кутникового та ін. Вигляд профілів стандартного прокату показаний на рис. 3.3.

а. б. в. г.

Рис. 3.3. Стандартні профілі сталевого прокату: а – швелерний, б – двотавровий, в, г – кутниковий.

Якісні та високоякісні вуглецеві сталі залежно від призначення поділяють на конструкційні та інструментальні. Конструкційні позначають двозначними цифрами, які вказують на вміст С в сотих долях відсотка. Сталь 15 – (0,15 % ), 20...80 – ( 0,2 ...0,8% ), 85 – ( 0,85 % ).

Інструментальні вуглецеві сталі маркують літерою У і цифрою, що вказує на вміст вуглецю в десятих частках процента: У7, У10, У11, У12.

Маркування легованих сталей передбачає використання наступних позначень: Х – хром, Н – нікель, Г – манган (вуглець), С – силіцій, В – вольфрам, М – молібден, Ф – ванадій, К – кобальт, Т – титан, Ю – алюміній, Д – купрум, Б – ніобій, Р – бор.

Марка легованої сталі означає її наближений хімічний склад: цифри перед літерами – середній вміст вуглецю, збільшений у сто разів; цифри після літер – вміст легуючої домішки в процентах, наприклад, марка 09Г2СД розшифровується так: вуглецю 0,09%, мангану до 2%, силіцію до 1%, купруму до 1%.

Рис. 3.4. Діаграма деформації сталі на розтяг: 1 – зона пружних деформацій, зона текучості, 3 – зона тимчасового опору, 4 – зона утворення локальних пластичних деформацій, 5 – точка руйнації зразка для випробувань.

За призначенням леговані сталі поділяють на конструкційні, інструментальні та сталі з особливими фізико–механічними властивостями (нержавіючі, жаростійкі, кислотостійкі, криогенні).

Основними властивостями металів та їх сплавів будівельних конструкцій для їх довготривалої нормальної роботи в умовах статичного навантаження є механічні властивості. Механічні характеристики визначають міцність та деформативність металів, а це дуже важливо для забезпечення надійної роботи будівельних конструкцій. Поведінка сталі в умовах механічних навантажень визначається за діаграмою, що встановлює залежність між внутрішніми напруженнями та деформацією, що їх викликає. Діаграма отримується шляхом проведення випробувань сталевого зразка на розтяг и вимірювання зусиль і деформацій, що викликаються цими зусиллями. Типовий вигляд такої діаграми поданий на рис. 3.4.

До основних механічних характеристик сталі відноситься модуль пружності Е (МПа), коефіцієнт Пуассона , межа пропорційності _пр (МПа), межа текучості _т (МПа), межа тимчасового опору або межа міцності.

Модуль пружності визначає кут нахилу ділянки пропорційності між зусиллям та деформаціями Е = tg (див рис. 3.4). Для сталей він складає 2,12,5 10⁵ МПа. Коефіцієнт Пуассона визначає співвідношення між величинами поздовжньої та поперечної деформацій. Для сталей він складає близько 0,250,3. Межа пропорційності визначає максимальний рівень напружень, коли ще виконується пропорційна залежність між деформаціями та напруженнями, Межа текучості визначає настання ділянки текучості на діаграмі (див. рис. 3.4), коли деформації зростають при постійному значенні напружень. Межа тимчасового опору визначає максимальний рівень напружень, при якому матеріал ще здатен чинити опір діючим навантаженням.