ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ

Основной способ производства черных металлов — получение чу­гуна из руды и последующая его переработка в сталь. Для получения стали используют также металлолом. В последние годы начало разви­ваться непосредственное производство стали из железных руд.

Производство чугуна.Чугун получают в доменных печах высоко­температурной (до 1900° С) обработкой смеси железной руды, твердого топлива (кокса) и флюса. Флюс (обычно известняк СаСО₃) необходим для перевода пустой породы (состоящей в основном из SiO₂ и А1₂О₃), содержащейся в руде, и золы от сжигания топлива в расплавленное состояние. Эти компоненты, сплавляясь друг с другом, образуют доменный шлак, который представляет собой в основном смесь сили­катов и алюминатов кальция.

Доменная печь — очень большое инженерное сооружение. Полез­ный объем печи — 2000...3000 м³, а суточная производительность — 5000...7000 т. В печь (рис. 7.1) сверху через устройство 3 загружают шихту, а снизу через фурмы 7 подают воздух. По мере продвижения шихты вниз ее температура поднимается. Кокс, сгорая в условиях ограниченного доступа кислорода, образует СО, который, взаимодей­ствуя с оксидами железа, восстанавливает их до чистого железа, окисляясь до СО₂. Железо плавится и при этом растворяет в себе углерод (до 5 %), превращаясь в чугун. Расплавленный чугун Истекает в низ печи, а расплав шлака 2, как более легкий, находится сверху чугуна. Чугун и шлак периодически выпускают четэез летки 1 и S в

ковш. На каждую тонну чугуна полу­чается около 0,6 т огненно-жидкого ишака.

| Доменный шлак — ценное сырье для получения строитель­ных материалов: шлакопортланд-цемента, пористого заполнителя для бетонов — шлаковой пемзы, шлаковой ваты, шлакоситаллов и Др.

Чугун главным образом (около 80 %) идет для производства стали, осталь­ная часть чугуна используется для по­лучения литых чугунных изделий.

В зависимости от состава разли­чают белый и серый чугуны. Белый чугун твердый и прочный, содержит большое количество цементита; в се­ром из-за присутствия кремния це­ментит не образуется и углерод вы­деляется в виде графита.

Производство стали.Сталь полу­чают из чугуна и железного металло­лома и специальных добавок, в том числе и легирующих элементов плав­лением в мартеновских печах, кон­верторах или электрических печах. Выплавка стали — сложный процесс, складывающийся из целого ряда хи­мических реакций между сырьевой шихтой, добавками и топочными га-

зами. Выплавленную сталь разливают на слитки или перерабатывают в заготовки методом непрерывной разливки.

Изготовление стальных изделий.Стальные слитки — полуфабрикат, из которого различными методами получают необходимые изделия. В основном применяют обработку стали давлением: металл под дейст­вием приложенной силы деформируется, сохраняя приобретенную форму. При обработке металла давлением практически нет отходов. Для облегчения обработки сталь часто предварительно нагревают. Различают следующие виды обработки металла давлением: прокатка, прессование, волочение, ковка, штамповка. Наиболее распространен­ный метод обработки — прокатка; им обрабатывается более 70 % по­лучаемой стали.

При прокатке стальной слиток пропускают между, вращающимися валками прокатного стана, в результате чего заготовка обжимается, вытягивается и в зависимости от профиля прокатных валков приобре­тает заданную форму (профиль). Прокатывают сталь в холодном со­стоянии. Сортамент стали горячего проката — сталь круглая, квадрат­ная, полосовая, уголковая разнобокая и неравнобокая, швеллеры, двутавровые балки, шпунтовые сваи, трубы, арматурная сталь гладкая и периодического профиля и др.

При волочении заготовка последовательно протягивается через от­верстия (фильеры) размером меньше сечения заготовки, вследствие чего заготовка обжимается и вытягивается. При волочении в стали появляется так называемый наклеп, который повышает ее твердость. Волочение стали обычно производят в холодном состоянии, при этом получают изделия точных профилей с чистой и гладкой поверхностью. Способом волочения изготовляют проволоку, трубы малого диаметра, а также прутки круглого, квадратного и шестиугольного сечения.

Ковка — обработка раскаленной стали повторяющимися ударами молота для придания заготовке заданной формы. Ковкой изготовляют разнообразные стальные детали (болты, анкеры, скобы и т. д.).

Штамповка — разновидность ковки, при которой сталь, растяги­ваясь под ударами молота, заполняет форму штампа. Штамповка может быть горячей и холодной. Этим способом можно получать изделия очень точных размеров.

Прессование представляет собой процесс выдавливания находящей­ся в контейнере стали через выходное отверстие (очко) матрицы. Исходным материалом для прессования служит литье или прокатные заготовки. Этим способом можно получать профили различного сече­ния, в том числе прутки, трубы небольшого диаметра и разнообразные фасонные профили.

Холодное профилирование — процесс деформирования листовой или круглой стали на прокатных станах. Из листовой стали получают гнутые профили с различной конфигурацией в поперечнике, а из круглых стержней на станках холодного профилирования путем сплющивания — упрочненную холодносплющенную арматуру.

7.4. СВОЙСТВА СТАЛЕЙ

Сталь наряду с бетонами — главнейший конструкционный матери­ал. Широкому использованию в строительстве сталь обязана высоким физико-механическим показателям, технологичности (возможности получения из нее конструкций различными методами) и большими объемами производства. Ниже рассмотрены основные технические характеристики стали и приведены численные значения некоторых характеристик сталей различного состава и строения.

Плотность стали — 7850 кг/м³, что при­близительно в 3 раза выше плотности ка­менных материалов (например, обычный тяжелый бетон имеет плотность — 2400 + ± 50 кг/м³).

Прочностные и деформативные свойст­ва стали обычно определяются испытанием стали на растяжение. При этом строится диаграмма «напряжение — деформация». Сталь, как и другие металлы, ведет- себя как упруго-пластичный материал (рис. 7.2). В начале испытаний деформации у стали про­порциональны напряжениям. Максималь­ное напряжение, при котором сохраняется эта зависимость, называется предел пропор­циональности а_у (при этом напряжении ос­таточные деформации не должны превы­шать 0,05 %).

При дальнейшем повышении напряже­ния начинает проявляться текучесть стали — быстрый рост деформаций при неболь­шом подъеме напряжений. Напряжение, соответствующее началу течения, называют пг>едел текучести ст_.

затем наступает некоторое замедление сопротивление; д_р - предел проч-роста деформаций при подъеме напряже- ^нос™

ний («временное упрочнение»), после чего наступает разрушение об­разца, называется временным сопротивлением а_в, что является факти­ческим пределом прочности стали (Д,).

Относительное удлинение стали е в момент разрыва характеризует ее пластичность. Оно рассчитывается по формуле:

где /₀ — начальная длина расчетной части образца, мм; 1_Х — длина этой части в момент разрыва образца, мм.

Испытание на растяжение является основным при оценке механи­ческих свойств сталей. Модуль упругости стали составляет 2,1 • 10⁵ МПа.

Твердость сталей определяют на твердомерах Бринелля (НВ) или Роквелла (HR) по величине вдавливания индентера (закаленного ша­рика или алмазной пирамидки) в испытуемуто сталь. Твердость вычис­ляют в МПа с указанием метода испытаний. Твердость поверхности стали можно повышать специальной обработкой (например, цемента­цией — насыщением поверхностного слоя стали углеродом или закал­кой токами высокой частоты).

Ударная вязкость — свойство стали противостоять динамическим (ударным) нагрузкам. Ее значение определяют по величине работы, необходимой для разрушения образца на маятниковом копре. Ударная вязкость зависит от состава стали, наличия легирующих элементов и заметно меняется при изменении температуры. Так, у СтЗ удар­ная вязкость при + 20° С составляет 0,5... 1 МДж/м², а при —20° С —

0,3-0,5 МДж/м².

Технологические свойства. Технологические испытания стали пока­зывают ее способность принимать определенные деформации, анало­гичные тем, которые стальное изделие будет иметь при дальнейшей обработке или в условиях эксплуатации. Для строительных сталей чаще всего производят пробу на холодный загиб.

При испытании на загиб (рис. 7.3) определяются не усилия для осуществления деформации, а условия (угол загиба, диаметр оправки), при которых возможно протекание деформации без нарушения сплош­ности образца (т. е. без появления трещин и расслоения). Чем пла­стичнее сталь, тем меньше диаметр оправки при испытаниях (см. табл.

7.2).

Для стальной проволоки подобные испытания проводятся на уста­новке, позволяющей перегибать проволоку на заданный угол. Мерой пластичности служит число перегибов проволоки до разрушения.

Теплотехнические свойства сталей в малой степени зависят от ее

состава.

Теплопроводность стали, как и всех металлов, очень высока и

составляет около 70 Вт/(м К).

Коэффициент линейного термического расширения стали составляет

10"⁵К.

Температура плавления стали зависит от ее состава и для обычных углеродистых сталей находится в пределах 1500..Л300° С (чугун с содержанием углерода 4,3 % плавится при 1150° С).

Температуроустойчивость стали связана с тем, что при нагревании в ней происходят полиморфные превращения, приводящие к сниже­нию прочности. Небольшая потеря прочности наблюдается уже при нагреве выше 200° С; после достижения температуры 500...600° С обыч­ные стали становятся мягкими и резко теряют прочность. Поэтому стальные конструкции не огнестойки и их необходимо защищать от действия огня, например, покрытием цементными растворами.

7.5. УГЛЕРОДИСТЫЕ И ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Металлические конструкции, арматуру для железобетона, трубы, крепежные детали и другие строительные изделия изготовляют, как правило, из конструкционных углеродистых сталей. Конструкционные легированные стали используют только дня особо ответственных ме­таллических конструкций и арматуры для предварительно напряжен­ного бетона. Однако благодаря эффективности объем использования легированных сталей постоянно расширяется.

Углеродистые стали— это сплавы, содержащие железо, углерод, марганец и кремний, а также вредные примеси — серу и фосфор, снижающие механические свойства стали (их содержание не должно превышать 0,05...0,06 %). В зависимости от содержания углерода такие стали делятся на низко- (до 0,25 % углерода), средне- (0,25...0,6 %) и высокоуглеродистые (> 0,6 %). С увеличением содержания углерода уменьшается пластичность и повышается твердость стали; прочность ее также возрастает, но при содержании углерода более 1 % вновь снижается. Повышение прочности и твердости стали объясняется увеличением содержания в стали твердого компонента — цементита.

Углеродистые стали по назначению подразделяют на стали общего назначения и инструментальные.

Углеродистые стали общего назначения подразделяют на три груп­пы: А, Б и В.

Стали группы А изготовляют марок СтО, Ст1 и т. д. до Стб и поставляют потребителю с гарантированными механическими свойст­вами без уточнения химического состава. Чем больше номер стали, тем [больше в ней содержится углерода: в стали СтЗ — 0,14...0,22 %углерода, |в стали Ст5 — 0,28...0,37 %. Механические свойства стали группы А йриведены в табл. 7.2.

г Из стали марок Ст1 и Ст2, характеризующейся высокой пластич­ностью, изготовляют заклепки, трубы, резервуары и т. п.; из сталей ргЗ и Ст5 — горячекатаный листовой и фасонный прокат, из которого выполняют металлические конструкции и большинство видов армату­ры для железобетона. Эти стали хорошо свариваются и обрабатываются.

Стали группы Б (БСтО, БСт1, БСтЗ и т. д.) поставляют с гаранти­рованным химическим составом; стали группы В— с гарантированным

химическим составом и механическими ™*^„*™^^ деленности химического состава стали групп Б и Б можно подвергать термической обработке.

Легированные сталипомимо компонентов, входящих в углероди­стые стали, содержат так называемые легирующие элементы, которые повышают качество стали и придают ей особые свойства. К легирую щим элементам относятся: марганец (условное обозначение — Г). кремний — С, хром — X, никель — Н, молибден — М, медь — Д v другие элементы. Каждый элемент оказывает свое влияние на сталь марганец повышает прочность, износостойкость стали и сопротивление ударным нагрузкам без снижения ее пластичности, кремний повышас упругие свойства, никель и хром улучшают механические свойства повышают жаростойкость и коррозионную стойкость; молибден улуч шает механические свойства стали при нормальной и повышенно!

температурах.

Легированные стали по назначению делят на конструкционные, инструментальные и стали со специальными свойствами (нержавею­щие, жаростойкие и др.). Для строительных целей применяют е основном конструкционные стали.

Конструкционные низколегированные стали содержат не более 0,6 % углерода. Основные легирующие элементы низколегированны? сталей: кремний, марганец, хром, никель. Другие легирующие элемен­ты вводят в небольших количествах, чтобы дополнительно улучшит] свойства стали. Общее содержание легирующих элементов не превы

шает 5 %.

Низколегированные стали обладают наилучшими механическим)

свойствами после термической обработки.

При маркировке легированных сталей первые две цифры показы вают содержание углерода в сотых долях процента, следующие за н№ буквы — условное обозначение легирующих элементов. Если количе