Спонсоры

Производство чугуна и стали.

Строительные и отделочные материалы и изделия - Материалы на основе полимеров и металлов

   Ряд высоких технических свойств металлов — высокая прочность при растяжении и сжатии, сравнительно легкая обработка (резка, сверловка, ковка) — способствуют широкому применению металлов в строительстве.

   Однако наряду с большими преимуществами металлы имеют и существенные недостатки — они корродируют под действием влаги и газов и деформируются при высоких температурах.

   Металлы, применяемые в строительстве, делятся на две группы: черные металлы и сплавы цветных металлов.

   Основными механическими свойствами металлов и сплавов являются: прочность, упругость, пластичность, твердость и ударная вязкость.

   Механические свойства металлов и сплавов определяются путем проведения специальных механических испытаний на растяжение, твердость и ударную вязкость.

   Результаты испытаний заносятся заводом-поставщиком в специальный документ — сертификат, характеризующий механические свойства поставляемой партии металла. Из черных металлов в строительстве наибольшее применение находят сталь и чугун, представляющие собой сплавы железа с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором, серой и другими химическими элементами. Деление черных металлов на стали и чугуны производится на основе процентного содержания в сплаве углерода.

   Чугун представляет собой сплав железа с углеродом и постоянными примесями — кремнием, марганцем, серой и фосфором. Характерной особенностью чугуна, отличающей его от стали, является высокое (превышающее 2%) содержание в нем углерода. Чугун не имеет прочности стали, хрупок и не куется, но обладает хорошими литейными свойствами. Исходными материалами для производства чугуна являются железные руды, топливо и флюсы.

   Железная руда — горная порода, основная часть которой содержит химическое соединение железа с кислородом. Содержание в руде железа колеблется от 30% (бедные руды) до 65% (богатые руды).

   Флюсы (известняк или доломит) вводятся в доменную печь для понижения температуры плавления пустой породы и ошлакования золы топлива. Применяемое в доменном процессе топливо должно быть по возможности химически чистым и обладать достаточной крепостью на истирание. Этим требованиям удовлетворяет кокс, получаемый спеканием в коксовых печах коксующихся сортов углей.

   Переработка железной руды производится в специальных шахтных печах, называемых доменными, поэтому процесс получения чугуна из железных руд называется доменным процессом. Железная руда, кокс и флюс в требуемых количествах подаются в засыпное устройство в верхней части доменной печи. Снизу в домну поступает воздух, предварительно нагретый в воздухонагревателях. В результате сложного химического взаимодействия между рудой, флюсом, топливом и кислородом воздуха образуются чугун и шлак. Чугун стекает в нижнюю часть печи, откуда через летку выпускается в ковш. Шлак имеет меньший, чем чугун, удельный вес, поэтому располагается над чугуном и выпускается через шлаковую летку.

   Получающийся в доменной печи чугун делится на литейный, передельный и специальный. Литейный чугун имеет в изломе серый цвет и применяется для различных нужд строительства (изготовления труб, радиаторов, водопроводной и канализационной арматуры, печных приборов).

   Передельный чугун применяется для производства стали.

   Специальный чугун содержит повышенное количество кремния, марганца и других элементов и применяется в виде добавок при производстве стали.

   Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода (до 2%) и постоянных примесей кремния, марганца, серы и фосфора.

   По содержанию углерода различают сталь низкоуглеродистую — менее 0,3% С, углеродистую — от 0,3 до 0,65% С и высокоуглеродистую — от 0,65 до 1,5% С. В строительстве преимущественно применяют низкоуглеродистые и углеродистые стали.

   Содержание в сталях и чугунах других веществ: кремния, фосфора и серы нормируется и может достигать в сталях до 1 %, а в чугунах до 2—5%.

   Чтобы повысить механические свойства сталей и чугунов, к ним добавляют различные легирующие (улучшающие их свойства) вещества — кремний, марганец, хром, никель, молибден, алюминий, медь.

   Легированные стали принято делить на низколегированные — с суммарным содержанием легирующих элементов не более 4%, среднелегированные — от 4—5 до 8—10% и высоколегированные — более 10%. В строительстве преимущественно применяют низколегированные стали. Введение соответствующих легирующих веществ повышает коррозийную стойкость, прочность, ковкость, упругость.

   Сталь хорошо обрабатывается давлением, имеет более высокую механическую прочность и пластичность, чем чугун. Основным сырьем для получения стали, как уже говорилось, служит передельный чугун и стальной лом. Процесс переработки чугуна в сталь заключается в уменьшении содержания примесей в нем путем их окисления. В настоящее время сталь производится следующими основными способами: мартеновский, конвертерный и электросталеплавильный.

   Мартеновский способ производства стали, наиболее распространенный (90%), состоит в получении стали в мартеновской печи путем переплавки чугуна и лома металлов. При нагревании от газа, сгорающего в печи, происходит выгорание кремния, марганца и углерода. Процесс продолжается несколько часов, что дает возможность лаборатории определять химический состав выплавляемой стали в различные периоды плавки и получать сталь любого качества. Емкость мартеновских печей достигает 500т.

   Конвертерный способ производства стали заключается в продувке расплавленного чугуна воздухом под давлением. Процесс продувки длится 16—20 мин.

   Мартеновская сталь лучщё и чище конвертерной. Конвертерная сталь содержит больше серы и фосфора, насыщена азотом и кислородом, содержит пузырьки воздуха, ухудшающие ее качество. Конвертерная сталь применяется для неответственных клепаных конструкций.

   Производство стали в дуговых электрических печах обладает рядом преимуществ перед конвертерным и мартеновским способами, так как достигаемая в этих печах высокая температура позволяет выплавлять легированные стали, которые содержат тугоплавкие элементы,— вольфрам, ванадий и молибден. При электроплавке почти полностью удаляются из металла сера и фосфор, являющиеся вредными примесями.

   Примеси, входящие в определенных количествах в состав стали, различным образом влияют на ее качества.

   Углерод — основной элемент, влияющий на свойства стали. С увеличением в стали содержания углерода возрастает ее прочность, но снижается пластичность и ухудшается свариваемость. Обычное содержание углерода в строительных сталях, предназначенных для изготовления стальных конструкций, должно быть не более 0,22%. Марганец является полезной примесью и имеется во всех сортах стали. Он ослабляет вредное влияние серы и повышает прочность стали. Содержание марганца в строительной стали составляет около 0,41—0,65%.

   Кремний, как и марганец, повышает прочность стали, но ухудшает ее свариваемость. Содержание кремния в строительных сталях составляет не более 0,3%.

   Сера является вредной примесью. Содержание серы в стали, применяемой для изготовления стальных конструкций, не должно превышать 0,055%.

   Фосфор также является вредной примесью; его содержание не должно превышать 0,05%.

   Металлургическая промышленность выпускает различные по качеству и назначению стали. Это объясняется тем, что элементы стальных конструкций воспринимают разнообразные по действию нагрузки: балки — изгиб, колонны — сжатие, некоторые части ферм и арматура в железобетоне — растяжение, подкрановые пути — удар, а изготовление стали, одинаково хорошо воспринимающей все виды нагрузок, связано с большими затратами.
Сталь, применяемая в строительстве для изготовления стальных конструкций, должна обладать высокой прочностью, вязкостью и хорошей свариваемостью. Свойства   сталей определяют области их применения.

   Углеродистые стали марок Ст. 0, Ст. 1, Ст. 2, Ст. 3, Ст. 4 и Ст. 5 поставляются в соответствии с ГОСТ 380—50. Сталь Ст. 3 наиболее часто применяется в строительстве, имеет предел прочности от 38 до 47 кгс/мм2, предел текучести 24 кгс/мм2 и содержит углерода 0,14—0,22%. Она пластична и хорошо сваривается. Сталь Ст. 3 и близкую к ней по свойствам сталь Ст. 4 применяют для изготовления металлических конструкций промышленных зданий и сооружений, для изготовления ответственных поковок и арматуры железобетона. В более ответственных конструкциях наряду со сталью марки Ст. 3 применяют сталь марок НЛ1 и НЛ2. Не допускается применение стали Ст. 3 для сварных подкрановых балок в промышленных зданиях с тяжелым режимом работы. Сталь марки Ст. 0, имеющую низкий предел текучести, малое относительное удлинение и повышенное содержание серы и фосфора, разрешается применять для менее ответственных металлических конструкций зданий, а также для изготовления арматуры. Сталь марки Ст. 2, обладающую высокими пластическими свойствами, применяют для изготовления листовые конструкций газгольдеров, резервуаров, трубопроводов, несущих конструкций из труб и арматуры железобетона.