Определение, краткие исторические сведения. Металлических материалов

Металлических материалов

Тема 8.1 Определение и краткие исторические сведение. Основы производства

Великий русский ученый М.В. Ломоносов определил металлы как тела твердые, ковкие и блестящие. Все металлы и их сплавы – тела кристаллические. Металлами называют химические элементы, характерными признаками которых являются непрозрачность, блеск, хорошая электро- и теплопроводность, пластичность, а для многих металлов также способность свариваться. Чистые химические элементы металлов (например, железо, медь, алюминий и др.) могут образовывать более сложные вещества, в состав которых могут входить несколько элементов-металлов, часто с примесью заметных количеств элементов-неметаллов. Такие вещества называются металлическими сплавами. Простые вещества, образующие сплав, называют компонентами сплава.

Для описания кристаллической структуры металлов пользуются понятием кристаллической решетки. Кристаллическая решетка – это воображаемая пространственная сетка, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл. Частицы вещества (ионы, атомы), из которых построен кристалл, расположены в определенном геометрическом порядке, который периодически повторяется в пространстве. Типы кристаллических решеток у различных металлов различны. Наиболее часто встречаются решетки: объемно-центрированная кубическая (ОЦК) - a-Fe, Cr, W; гранецентрированная кубическая (ГЦК) - g-Fе, Al, Сu; гексагональная плотноупакованная (ГПУ) – Mg, Zn и др. Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла в любом объеме, называют элементарной кристаллической ячейкой. Кристаллическая решетка характеризуется ее параметрами, например длиной ребра куба для ОЦК и ГЦК, которая составляет для металлов 2,8-6 · 10^{-8 см}. Металлы, применяемые для производства строительных материалов, разделяют на две группы: черные и цветные. Черные металлы представляют собой сплав железа с углеродом – чугун или сталь. К цветным металлам относят алюминий, медь, цинк, олово, никель, титан, магний и др. Металлургия меди, олова, свинца была известна уже в ІV в. до н.э., в ІІІ в. до н.э. плавили бронзу, во ІІ в. до н.э. – железо. Древнейшее сооружение из железа – колонна в Дели (Индия) относится к V в. до н.э. Но на протяжении многих сотен лет в строительстве применялись лишь малогабаритные изделия из железа (скобы, штыри, закрепы). В Средние века использовали затяжки для придания необходимой прочности распору каменных сводов, как, например, при строительстве Успенского собора во Владимире (ХІІ в.). К системе железных затяжек подвешены потолки Покровского собора (храм Василия Блаженного, ХVІ в.) в Москве. Тогда же из железа были изготовлены наклонные стропила Архангельского собора, каркасы куполов колокольни Ивана Великого в Москве. В конце ХІІ в. применяли различные изделия из чугуна. Но началом его внедрения в архитектурно-строительную практику считают использование пяти параллельно расположенных чугунных полуциркульных арок пролетом около 31 м при строительстве моста через реку Северн в Англии в ХVІІІ в. Строительные материалы из чугуна начинают все шире применяться в гражданской и промышленной архитектуре ХVІІІ–ХІХ вв. Массовое применение металлических строительных материалов относится к ХІХ в. и связано с развитием металлургии стали. В это время строятся сложные инженерные сооружения с применением стальных материалов – ребристых профилей для восьмигранной усеченной пирамиды с крестовыми связями шпиля Петропавловского собора в Санкт-Петербурге (высота 56,43 м, 1859 г.), профилей конструкции сомкнутого свода из четырех полуарок для купола церкви Екатерининского дворца в Царском Селе (высота 20,33 м, 1865 г.), для покрытий, перекрывающих сравнительно большие пространства в десятки метров, для висячих мостов и др.

Основы производства. Сырье. Основным сырьевым компонентом для получения металлов являются рудные горные породы. Содержание в рудах цветных металлов сравнительно мала. В железных рудах количество металла достигает 70%. Наиболее часто для производства металла используют красный, магнитный бурый и шпатовый железняк. В руде, кроме железа, имеется, так называемая, пустая порода, состоящая из различных природных химических соединений и в данном случае вредных примесей серы и фосфора. Алюминиевые руды, преимущественно бокситы, содержат 50-60% оксида алюминия (глинозема).

Основы технологии. Основные технологические операции при производстве металлических материалов: обработка сырья, дозировка, плавка и формование. При необходимости изменения эстетических характеристик лицевой поверхности применяют механические и химические способы ее отделки, лаки, краски, наносят тонкие металлические или полимерные пленки (см. описание свойств металлических материалов). Обработка сырья предполагает дробление, промывку и обогащение железных руд. В процессе плавки получают металлы, после формования – металлические материалы. При производстве чугуна, кроме железной руды, используют агломерат, получаемый спеканием руды с известняком, и флюсы – известняк или доломит. Эти компоненты повышают эффективность процесса производства в доменных печах – огромных вертикальных шахтах высотой до 30 м и объемом до 5000 м³. В качестве топлива используют кокс. Руду, агломерат, кокс и флюсы загружают в домну перемежающимися слоями, которые постепенно передвигаются вниз под влиянием собственной массы. Горение кокса поддерживается воздухом, предварительно подогретым до 600-900^оС в воздухонагревателях. Образующийся при горении оксид углерода восстанавливает чистое железо; одновременно восстанавливаются, содержащиеся в руде, марганец, сера, фосфор и кремний. Частично взаимодействуя с оксидом углерода, восстановленное железо образует карбид железа; в результате процесса науглероживания железа содержание углерода в чугуне повышается до 3-4%. Образовавшийся чугун плавится и стекает в горн (нижнюю часть) печи. Выплавляют параллельные чугуну (80-90% выплавки), применяемые для производства стали, и литейные серые чугуны – для производства строительных изделий.

Основные способы производства стали – кислородно-конвертерный, мартеновский и электроплавильный. Конвертерную сталь получают в стальных футерованных сосудах (конвертерах) емкостью 100-350 т и мощностью до 4,5 млн. т стали в год, продувая жидкий чугун кислородом с углекислым газом или водяным паром. Одна из причин широкого распространения этого способа получения стали – высокая производительность. Процесс плавки длится не более 30 мин. В мартеновских печах сталь выплавляют из передельного чугуна и стального лома (скрапа). Топливом является предварительно подогретая воздушно-газовая смесь. Окисленные нежелательные примеси, содержащиеся в чугуне, переводятся в шлак; плавка стали в мартеновских печах емкостью 500-800 т, мощностью до 1 млн. т металла в год длится 4-8 часов. В электрических печах (дуговых, индукционных, электронно-лучевых) выплавляют, в основном, высококачественные специальные стали. Агрегаты объемом до 400 т перерабатывают твердую шихту, стальной лом, а также жидкие стали из мартеновских печей для конвертеров. В России в электропечах выплавляется около 80% металла повышенной прочности. Применение электроплавильного способа ограничено в связи со сравнительно большим расходом электроэнергии.

Основы технологии получения наиболее широко используемого в строительстве цветного металла – алюминия связаны с выделением оксида алюминия из алюминиевых руд щелочным, кислотным, электротермическим или комбинированным способом, получением первичного металла (чистого алюминия) электролизом оксида алюминия в специальных электролизных ваннах и очисткой металла от вредных примесей (рафинированием). Методом электролитического осаждения получают и рафинируют и другие цветные металлы: осаждением из расплава (аналогично алюминию) получают магний, а из водных растворов – медь, цинк, никель.

Металлы для материалов, как правило, представляют собой сплавы – железа с углеродом (чугун, сталь), алюминиевые, медные (бронза – с оловом, латунь – с цинком), магниевые, титановые и др. В процессе литья из расплавленного металла (чугун, сталь, сплавы меди, алюминия и др.) получают отливки, соответствующие по форме и размерам литейным формам. Способом проката (обжатия металла между вращающимися валками) изготовляют значительную часть строительных материалов из стали, листы и проволоку из цветных металлов.

Штамповкой и прессованием получают рельефные облицовочные материалы, элементы оборудования. Способом формования под давлением (экструдирования) изготовляют профильные материалы и трубы из цветных металлов. При этом металл выдавливается под давлением из замкнутого контейнера через отверстие матрицы, форма и размеры которого определяют сечение формуемого профиля. Термической, химико-термической и другой специальной обработкой достигается направленное изменение структуры и механических свойств металла – твердости, прочности, ударной вязкости, сопротивления износу и др. Такое улучшение необходимых свойств обеспечивается путем нагрева и последующего охлаждения металла в строго заданном режиме. Например, термообработка стали уменьшает ее структурную неоднородность, снижает возникшие при обработке литьем или давлением напряжения, повышает прочность, улучшает ее обрабатываемость.

Литература: [1], с. 140-141; [4], с. 24-26, 96-107.

Дата добавления: 2014-12-08