Металлы относятся к числу наиболее распространенных материалов, которые человек использует для обеспечения своих жизненных потребностей. Металл - один из самых распространенных материалов во всех отраслях промышленности, в строительстве и сельском хозяйстве. Производство металла в значительной степени определяет уровень технического прогресса в любой стране. Разностороннее применение находят металлы в строительстве. Из металла строят каркасы, мосты, фермы и балки перекрытий, резервуары, изготовляют трубы, арматуру для железобетона, водопроводную, отопительную и вентиляционную арматуру, кровельную сталь, различные металлические изделия.
ЧУГУН. Чугун получают путем восстановления железа из руды. Он представляет собой сплав железа с углеродом, кремнеземом, марганцем, серой и фосфором. Особенностью чугуна является высокое содержание в нем углерода (более 2,0%). Производство чугуна осуществляется в шахтных доменных печах. Исходными материалами для его получения служат железные руды, флюсы и топливо. Железные руды для выплавки чугуна должны содержать железо в таком количестве и такого качества, чтобы обеспечить экономическую целесообразность их использования. Различают следующие виды железных руд: магнитный железняк Fе3О4, красный железняк (гематит) Fе2О3 и бурый железняк 2Fе2О3•ЗН2О. Содержание железа в этих рудах колеблется от 30 до 60%.
Назначение флюсов при доменном процессе — понизить температуру плавления пустой породы и тем самым способствовать ее ошлакованию. Обычно пустая порода содержит избыток кремнезема, и для образования шлака добавляют как основной флюс известняк (СаСО3) или доломит (СаСО3, МgСО3). Флюс способствует также удалению золы и серы, являющейся вредной примесью.
Топливо не только служит источником тепла, необходимым для плавки, но и принимает участие в химических реакциях, происходящих в доменной печи. Топливо подразделяют на жидкое, газообразное и твердое. Основным топливом для доменной плавки является кокс. Кокс получают в коксовых печах путем сухой перегонки коксующихся углей без доступа воздуха при температуре 1000 — 1100° . Древесный уголь, обладающий малой механической прочностью, в условиях высоких доменных печей как топливо не применяют.
Сырые материалы — железную руду, топливо и флюсы — загружают отдельными слоями в верхнюю часть печи. Эти материалы, опускаясь вниз и соприкасаясь с газами, в различных температурных зонах претерпевают физические и химические изменения. В результате этих процессов расплавленный чугун, стекая каплями вниз, собирается в горне, откуда его выпускают через летку. Шлак, сплавляющийся из пустой породы, имеет меньший удельный вес, поэтому он собирается на поверхности чугуна и выпускается через специальную летку. При выплавке чугуна происходят следующие процессы: разложение плавильных материалов, восстановление железа и других элементов и науглероживание железа.
При разложении плавильных материалов испаряется влага, происходит разложение гидратов окислов горючего с выделением летучих веществ и разложение углекислых солей СаСО3.
Восстановление железа и других элементов из окислов — главный процесс в плавке чугуна. Химически он выражается следующими уравнениями:
ЗFе2О3 + СО = 2Fе3О4 + СО2
Fе3О4 + СО = ЗFеО + СО2
После восстановления железа образуется его карбид (цементит) по реакции Науглероживание железа происходит при температуре выше 900°. После плавления при температуре выше 1130° образуется жидкий чугун; плавленые пустые породы и флюсы образуют шлак.
Чугун выпускают из доменных печей по 4—6 раз в сутки. Все выплавляемые чугуны разделяют на две группы: предельные (80—90%), применяемые для производства стали, и литейные чугуны — для литья чугунных деталей и изделий. В зависимости от состояния углерода различают несколько видов предельного чугуна: белые, серые, ковкие и высокопрочные.
Серый чугун содержит углерода в связанном состоянии не более 0,5%; поскольку остальной углерод находится в виде графита, цвет чугуна серый. Графит образуется в результате термической обработки:
Fе3С=ЗFе + С
Маркируют серый чугун следующим образом. В марке Сч 12—28 первые две цифры обозначают предел прочности при растяжении, последующие две цифры — предел прочности при изгибе. Из серого чугуна отливают элементы конструкций, хорошо работающие на сжатие (колонны, опорные подушки, тюбинги, трубы и др.).
Ковкий чугун получают длительным отжигом белого чугуна. В отличие от серых, ковкие чугуны являются более прочными и пластичными - они легче обрабатываются. В марке ковкого чугуна Кч 37-12 первые две цифры означают предел прочности при растяжении, а две последующие — относительное удлинение. Буквы Кч означают ковкий чугун.
Высокопрочный (модифицированный) серый чугун получают путем введения в жидкий сплав серого чугуна модификаторов (ферросилиция совместно с алюминием). Прочность модифицированных чугунов повышается благодаря получению сорбитной структуры с равномерным расположением мелких графитных включений.
СТАЛЬ. Строительные стали по способу выплавки разделяют на мартеновские и конверторные. По качеству и назначению стали выпускают углеродистые обыкновенного качества, углеродистые, горячекатаные, углеродистые качественные конструкционные, инструментальные и др.
По способу обработки строительные стали могут быть горячего проката, холодной вытяжки и комбинированной обработки (гнутые).
В зависимости от содержания углерода стали делятся на три группы: малоуглеродистые стали (содержание до 0,25% С), среднеуглеродистые стали (0,25—0,6% С) и высокоуглеродистые стали (более 0,6% С). С увеличением содержания углерода увеличивается твердость и прочность стали, но ухудшаются ее пластические свойства. В зависимости от назначения и механических свойств сталь углеродистую обыкновенного качества подразделяют на три группы: группа А — сталь, поставляемая по механическим свойствам; группа Б — поставляемая по химическому составу, группа В — подразделяемая по химическому составу и механическим свойствам. Для строительных целей используют в основном стали группы А.
В зависимости от химического состава конструкционную сталь делят на две группы: первая — с содержанием марганца менее 0,8% и вторая — с повышенным содержанием его. Свойства конструкционной стали описаны в ГОСТ 1050-60, причем марки указывают по содержанию углерода в сотых долях процента (например, 20 кп означает 0,2% углерода, кипящая сталь (кп). Сталь может поставляться в термически обработанном состоянии.
По механическим свойствам разные марки конструкционной стали характеризуются пределом текучести 20—100 кГ/мм2, пределом прочности при растяжении 33—115 кГ/мм2 и относительным удлинением 35—70%.
В строительстве сталь широко применяют для армирования железобетонных конструкций в виде стержней, проволоки, сборных сеток-каркасов. Такая сталь может быть горячекатаной или холоднотянутой. По форме сталь чаще всего бывает круглая, а для улучшения сцепления - периодического профиля. В последние годы для повышения механических свойств сталь обрабатывают наклепом и термическим упрочнением.
ПРОИЗВОДСТВО. Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода (до 2%), а также других примесей (марганец, кремний, фосфор, сера). Сталь обладает высокой пластичностью и вязкостью. Ее выплавляют в конвекторах, мартеновских и электрических печах. Передел чугуна в сталь заключается в удалении из него излишнего количества углерода и других примесей в пределах требований, предъявляемых к марке стали.
Конверторный процесс получения стали заключается в том, что через жидкий чугун, залитый в грушеобразный конвертор, подают дутьем воздух (при 2-2,5 ат) или технически чистый кислород под давлением 4-9 ат. При этом происходит окисление примесей и превращение чугуна в сталь.
Конвертор представляет собой стальной кожух, выложенный огнеупорным материалом. Емкость конвертора — 25 т и более. Новейшие конверторы имеют емкость до 130 т. Все реакции окисления в конверторе, за исключением реакции окисления углерода, протекают со значительным выделением тепла. При этом температура залитого в конвертор чугуна повышается с 1200 до 1650 градусов (температура готовой стали).
Наиболее распространен теперь способ получения стали выплавкой ее в мартеновских печах.
Этот способ позволяет использовать для плавки металлический лом (скрап), дает возможность получать сталь высокого качества из чугуна различного состава. Мартеновская печь представляет собой камеру, нижняя часть которой образует ванну для плавления; стенки камеры выложены из огнеупорного кирпича. В одной из боковых стенок (передней) имеются завалочные окна для загрузки материалов, а в другой (задней) - отверстие для выпуска готовой стали. Верхняя часть камеры перекрыта сводом из огнеупорного кирпича. В торцовых стенках проходят наклонные каналы, через которые в рабочую часть печи из регенераторов подается газ и воздух.
После расплавления шихты в ванне образуются жидкий металл и шлак, находящийся на поверхности расплавленного металла. Шлак связывает вредные и избыточные примеси, выделяющиеся в виде окислов из металла, и защищает металл от непосредственного воздействия на него пламени и воздуха и предохраняет железо от выгорания. Длительность плавки (зависит от состава шихты, требований к химическому составу стали, емкости печи) колеблется в пределах 6—15 ч. Емкость мартеновских печей составляет 185—220 т; имеются также печи емкостью 400 т.
Для получения высококачественных и специальных сталей чугун плавят в электроплавильных печах. Возможность получения в этих печах более высоких температур, чем в конверторах и мартеновских печах, позволяет получать специальные стали с большим содержанием тугоплавких легирующих элементов (вольфрам).
При этом способе можно применять шихтовые материалы с вредными примесями, так как в этих печах они уничтожаются. Электропечи можно в короткие сроки привести в рабочее состояние. Основными типами печей являются дуговые и индукционные высокой частоты.
В дуговых электропечах металл расплавляется за счет тепла электрической дуги между металлом и угольными (графитовыми) электродами, находящимися внутри печи. Емкость таких печей 30—70 т, имеются электропечи емкостью 200 т. Для сокращения времени плавки на 20—30% и расхода электроэнергии в электропечах применяют кислородное дутье.
Разливка стали. Из конверторов и печей сталь выпускается в разливочные ковши. Для получения фасонных отливок сталь из ковша заливается в формы, а для получения слитков, предназначенных для прокатки или поковок,— в изложницы. В настоящее время в металлургии производится непрерывный розлив стали.
АЛЮМИНИЙ. Алюминий — легкий металл серебристо-белого цвета. Он хорошо поддается прокатке, прессовке, ковке, волочению, штамповке, обладает высокой тепло- и электропроводностью.
Для строительных целей чистый алюминий малопригоден, так как он имеет низкую механическую прочность; в основном его применяют в виде сплавов с другими металлами (магний, марганец, медь, цинк и др.) и кремнием или в виде тонких листов для кровли. При этом получаются высококачественные конструкционные материалы, обладающие высокой механической прочностью (до 70 кГ/мм2) и стойкостью против коррозии.
ПРОИЗВОДСТВО. Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие 32-60% глинозема Al2O3 . К важнейшим алюминиевым рудам относятся также алунит и нефелин. Россия располагает значительными запасами алюминиевых руд. Алюминий получают из оксида алюминия Al2O3 электролитическим методом. Используемый для этого оксид алюминия должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Очищенный Al2O3 получают переработкой природного боксита.
Основное исходное вещество для производства алюминия - оксид алюминия. Он не проводит электрический ток и имеет очень высокую температуру плавления (около 2050 oC), поэтому требуется слишком много энергии.
Необходимо снизить температуру плавления оксида алюминия хотя бы до 1000 oC. Такой способ параллельно нашли француз П. Эру и американец Ч. Холл. Они обнаружили, что глинозем хорошо растворяется в раплавленном криолите - минерале состава AlF3 .3NaF. Этот расплав и подвергают элктролизу при температуре всего около 950 oC на алюминиевых производствах. Запасы криолита в природе незначительны, поэтому был создан синтетический криолит, что существенно удешевило производство алюминия.
Гидролизу подвергают расплавленную смесь криолита Na3 и оксида алюминия. Смесь, содержащая около 10 весовых процентов Al2O3 , плавится при 960 oC и обладает электропроводностью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. Для дополнительного улучшения этих характеристик в состав смеси вводят добавки AlF3, CaF2 и MgF2. Благодаря этому проведение электролиза оказывается возможным при 950 oC .
Эликтролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичем. Его дно (под), собранное из блоков спресованного угля, служит катодом. Аноды (один или несколько) располагаются сверху: это - алюминиевые каркасы, заполненные угольными брикетами. На современных заводах электролизеры устанавливаются сериями; каждая серия состоит из 150 и большего числа электролизеров.
При электролизе на катоде выделяется алюминий , а на аноде - кислород. Алюминий , обладающий большей плотностью , чем исходный расплав, собирается на дне эликтролизера, откуда его периодически выпускают. По мере выделения металла, в расплав добавляют новые порции оксида алюминия. Выделяющийся при электролизе кислород взаимодействует с углеродом анода, который выгорает, образуя CO и CO2.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему