Металлические материалы и изделия

Применяемые в строительстве металлы делят на 2 группы: черные и цветные. К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе – сталь и чугун. Сталь – сплав железа с углеродом (до 2%) и другими элементами. По химическому составу различают стали углеродистые и легированные, а по назначению – конструкционные, инструментальные и специальные. Чугун – сплав железа с углеродом (>2%), марганцем(до 1,5%), кремнием (до 4,5%) и другими элементами. В зависимости от строения и состава чугун бывает белый, серый и ковкий.

К цветным металлам относятся все металлы и на их основе сплавы алюминия, меди, цинка, титана.

Металлы обладают высокой прочностью, примерно одинаковой на изгиб, растяжение и сжатие. Плотность стали – 7850 кг/м³, в 3 раза выше плотности бетона, но металлические конструкции при такой же несущей способности легче и компактнее бетонных. Модуль упругости в 10 раз выше, чем у бетонных и каменных материалов. Металлы очень технологичны:

-изделия из них можно получать различными индустриальными методами (прокатом, волочением, штамповкой и т.п.);

-металлические изделия и конструкции легко соединяются друг с другом (посредством болтов, заклепок и сваркой).

Но с точки зрения строительства, металлы имеют и существенные недостатки: высокая теплопроводность, требующая устройства тепловой изоляции, защищать от огня, так как при нагревании прочность металла снижается, металлоконструкции теряют устойчивость и деформируются, защищать металлические конструкции от коррозии.

Технология получения чугуна

Получение чугуна в доменной печи заключается в восстановлении железа из оксидов железной руды, в качестве которой используется магнитный железняк, красный железняк, бурый железняк. Чтобы отделить примеси, содержащиеся в руде и коксе, их нужно расплавить, но температура у них намного выше, чем у чугуна. Её понижают, вводя флюсы (плавни), чаще всего – известняк. Загружаемая сверху в доменную печь шихта, содержащая железную руду, кокс и флюсы, постепенно перемещается вниз и попадает в зоны всё более высокого нагрева. В нижней части домны(горне) температура возрастает до 1600⁰С. Сюда стекаются жидкие чугун и шлак. Более лёгкий шлак скапливается над чугуном. Периодически шлак и чугун выпускают и направляют для дальнейшей переработки. Вдуваемый в доменную печь воздух, нагретый до 700-800⁰С, обеспечивает горение кокса с образованием окиси углерода(СО). При температуре около 1000⁰С восстановленное железо превращается в чугун. Пустая порода и флюсы переходят в шлак. Азот воздуха, СО и СО₂ образуют доменный газ, удаляемый из домны через колошник по газопроводам. В материалах шихты имеются вещества, дающие чугуну полезные(марганец, кремний) и вредные (сера, фосфор) примеси. Сера может быть удалена из чугуна при сильноосно́вном шлаке и высокой температуре процесса. Фосфор удалить из чугуна не возможно.

Чугунные изделия используются в санитарно -техническом оборудовании: отопительные радиаторы, ванны, мойки, вентили. Чугунные трубы применяют для стояков сантехнических кабин, канализационных сетей, для отвода промышленных вод. Чугунные литые изделия изготавливают методом литья, под давлением и центробежным. Из серого чугуна путем отливки получают элементы строительных конструкций, работающих на сжатие (колоны, опорные подушки, арки, своды, тюбинги (элемент сборной крепи) метрополитена, плиты для полов промышленных зданий). Его используют для литья печных элементов, архитектурно -художественных элементов.

Стальные изделия

В строительстве используют стальные металлические конструкции гражданских и промышленных зданий, опоры линий электропередач, резервуары и трубопроводы, арматуру железобетона. Качественные углеродистые стали используются в машиностроении. Наиболее часто в строительстве применяют низколегированные стали. Содержание углерода в таких сталях не должно превышать 0,2%, так как с возрастанием углерода понижается пластичность и коррозионная стойкость стали, ухудшается её свариваемость [легирующие добавки: марганец увеличивают прочность, твердость, кремний и хром - повышают прочность и жаростойкость, медь – стойкость стали к атмосферной коррозии; никель – улучшает вязкость без снижения прочности].

Технология получения стали

Получение стали заключается в удалении из чугуна углерода путём его окисления (выгорания). Попутно выгорают и примеси: кремний, марганец, фосфор. Переработка чугуна в сталь происходит при более высокой температуре, т.к. сталь более тугоплавка, чем чугун. Повышение температуры достигается за счёт теплоты, выделяющейся при выгорании примесей. Сталь получают в конверторах, мартеновских печах и электропечах, агрегатах непрерывного действия. Вдуваемый в расплавленный чугун кислород окисляет углерод и примеси, в конце процесса, когда содержание углерода и примесей понижается, может начаться окисление железа. Оксиды железа переходят в шлак и частично растворяются в стали, делая её хрупкой. Для разрушения растворимой закиси железа в расплав вводят раскислители – специальные сплавы марганца, кремния и алюминия с железом(ферросплавы). Входящие в раскислитель Mn, Si, и Al отнимают кислород от оксидов железа, образуя нелетучие продукты, переходящие в шлак.В конце плавки сталь кипит – из неё выделяются растворённые кислород, азот и водород. Введённые раскислители связывают кислород в оксиды, переходящие в шлак, и кипение уменьшается. Раскисление кремнием переводит кипящую сталь в полуспокойную, а совместно с кремнием и алюминием – в спокойную. Кипящая сталь является хрупкой, пористой и химически неоднородной.

Углеродистые и легированные стали

Углеродистые стали в зависимости от содержания вредных примесей (серы и фосфора) подразделяются на следующие группы.

1. Сталь углеродистая обыкновенного качества(ГОСТ 380-94) предназначена для изготовления проката, труб, ленты, проволоки и других изделий. Содержание в ней углерода от 0,06 до 0,49%. В зависимости от содержания углерода, марганца и кремния сталь подразделяется на следующие марки: Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6. В конце обозначения указывают способ раскисления: «кп»-кипящая, «пс»- полуспокойная, «сп»- спокойная, например: Ст3кп. Чем выше марка стали, тем больше в ней содержится углерода. Содержание вредных примесей не должно превышать: серы – 0,05%; фосфора – 0,04%. В марке Ст0 допускается серы до 0,06% и фосфора до 0,07%.

2. Углеродистые стали повышенного качества(ГОСТ 1050-88) выплавляются в электропечах, конвертерах, мартеновских печах. К ним предъявляются более жёсткие требования по содержанию вредных примесей(S≤0,04%, P≤0,035%). Эти стали маркируют двузначными цифрами 05, 10, 15, 20, 25, 30 – 55,60, указывающими среднее содержание углерода (в сотых долях процента).

3. Высококачественные углеродистые и легированные стали (S≤0,025%, P≤0,025%) в конце марки обозначаются буквой А, например: У10А. Буква У означает углеродистую сталь, а цифра – содержание углерода в сотых долях процента. Легированные стали получают добавлением специальных присадок (легирующих элементов) с целью улучшения механических и физико-химических (электропроводность, жаростойкость, коррозионная стойкость) свойств. По содержанию легирующих элементов различают стали низколегированные (до 2,5%), среднелегированные (2,5-10%) и высоколегированные(>10%). В качестве легирующих элементов применяют хром (до 2%), никель (1-4%), марганец (до 2%), кремний (0,6-1,2%). Часто сталь легируют не одним, а несколькими элементами, например: Cr и Ni(хромоникелевая сталь), Cr и Mn (хромомарганцевая сталь), Cr, Ni, Mo, V(хромоникельмолибденованадиевая сталь). В обозначении марок конструкционных сталей первые две цифры обозначают содержание углерода (в сотых долях процента). Затем следуют буквы, обозначающие легирующие элементы (Х- хром, Н- никель, В- вольфрам, М- молибден, Ф- ванадий, Т- титан, Ю- алюминий, Д- медь, Г- марганец, С-кремний, К- кобальт, Ц- цирконий, Р- бор, А- азот,Б- ниобий). Цифра после буквы означает среднее содержание данного элемента(в целых процентах). Отсутствие цифры означает, что содержание данного элемента около 1% или менее, например: сталь 18ХГТ содержит около 18%С и не более, чем по 1% Cr, Mn и Ti; сталь 38ХН3МФА содержит в среднем 0,38-0,40%С, около 3% Ni и не более, чем по 1%Cr, Mo, V. Буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная.

Углеродистая сталь имеет следующие значения: плотность – 7850кг/м³, предел прочности при растяжении – 300-700МПа, модуль упругости – 2,1^.10⁵МПа. С увеличением содержания углерода возрастает твёрдость стали, а её пластичность и ударная вязкость снижаются. Прочность с повышением содержания углерода сначала растёт до максимального значения (углерода в стали-0,8-1,0%), а затем снижается. С увеличением содержания углерода ухудшается свариваемость, способность стали деформироваться в горячем и холодном состояниях. Марганец и кремний повышают прочность стали, сера снижает пластичность и вязкость стали, фосфор (до 1,2%) увеличивает прочность, но снижает пластичность.

Стальной прокат и стальные конструкции

Строительные конструкции – это крупноразмерные элементы зданий и сооружений, изготовленные из стального проката, соединяемого сваркой, заклепками и болтами. Стальные конструкции используют в качестве несущих конструкций для высотных жилых зданий, промышленных предприятий, для строительства мостов, телебашен и т.п. Рационально применять стальные конструкции для перекрытия больших пролетов в зданиях, для каркасов высотных зданий и промышленных цехов с тяжелым крановым хозяйством. Стальные конструкции обычно выполняют из прокатных элементов различных профилей (выпускаются по определенному перечню-сортаменту), трубчатых и гнутых профилей, полосовой и листовой стали. Чаще всего применяют прокатные и гнутые профили: уголки равно и неравно полочные, швеллеры, двутавровые балки, квадратные и прямоугольные трубы.

Балки двутавровые изготавливают 23 типовых размеров: от N 10 до N 60 (N указывает высоту балки в см) длиной от 4 до 13 метров.

Швеллеры – 22 типоразмеров – от N 5 до N 40 и длиной – 4 – 13 м.

Прокатная угловая равнополочная сталь выпускается 84 типоразмеров с шириной полок 20 – 250 мм и толщиной 3 – 30 мм.

Гнутые профили – металлические изделия, имеющие более тонкие стенки, меньшую массу и расход металла, чем стальной прокат при той же несущей способности, то есть их применение более рационально.

Колонны бывают сплошными, состоящими из одного или нескольких профилей; решетчатыми, состоящих из 2-х или 4-х ветвей, соединенных между собой решеткой. Верхняя часть колонны называется оголовком, нижняя – башмаком.

Фермы – плоские решетчатые конструкции, перекрывающие весь пролёт здания (длина ферм 18, 24, 30, 36 м и более). Их обычно выполняют из угловой стали с креплением сборочных единиц листовой стали.

Стальные прокатные и гнутые профили используют как самостоятельно, так и для получения составных металлических конструкций большой несущей способности – колонн, балок, ферм. Стальные конструкции изготавливают так же из листовой и широкополосной стали толщиной 6 – 20 мм.

Стальной профилированный настил из листовой стали толщиной 0,8 – 1 мм выпускают для устройства перекрытий в промышленных зданиях. Ширина листов настила – 680 и 782 мм; длина – 6,9 и 12м; высота гофра – 60 и 72 мм.

Стальные конструкции при монтаже соединяют друг с другом болтами или сваркой.

По назначению стальные конструкции подразделяют на колонны, прогоны и фермы.

Цветные металлы и их сплавы

В основном используют сплавы цветных металлов, которые характеризуются малой плотностью, высокой пластичностью и коррозийной стойкостью, хорошими декоративными качествами.

Алюминий– в строительстве в чистом виде применяется для отливки деталей, изготовления фольги, порошка для краски и в качестве газообразователя в производстве ячеистых бетонов.

Среди алюминиевых сплавов в строительстве чаще всего используют Al – Mn, Al – Mg, Al – Cu (дюралевые: 5,5 – Cu; Mg – 0,8%; Si – 0,8%; Mn – 0,8%). Из алюминиевых сплавов изготавливают различные виды проката – уголки, швеллеры, двутавры, плоские и волнистые листы, трубы и т.д. Используются при возведении конструкций конструкций большепролетных сооружений, конструкций химических предприятий с агрессивными средами, в сборно-разборных легких конструкциях, для устройства витрин и оконных переплетов (3-хслойные панели), кровельных панелей, подвесных потолков, ограждений балконов.

Элементы конструкций из алюминиевых сплавов соединяют заклепками, болтами, сваркой и склеиванием.

Медь – в чистом виде не используется, но в различных сплавах является основным компонентом.

Латунь – сплав меди с цинком, в строительстве используется в виде листов, прутьев, проволоки, труб и изделий для архитектурной отделки интерьеров.

Бронза – сплав меди с оловом, алюминием, марганцем, никелем. Используется в санитарно- технической арматуре, фурнитуре.

Цинк – применяется для оцинкования стальных изделий (кровельная сталь, болты и т.д.).

Свинец – в строительстве при изготовлении специальных труб, коррозионно- стойких покрытий, особых видов гидроизоляции (свинцом зачеканивают швы между тюбингами в туннелях метрополитена).

Защита от коррозии

Коррозия бывает химической и электрохимической.

Химическая – при действии на металл сухих газов и жидкостей органического происхождения, которые не являются электролитами. Например: при окислении металла при высокой температуре возникает окалина.

Электрохимическая коррозия – результат воздействия электролитов (растворов кислот, щелочей и солей) на металл. В зависимости от характера окружающей среды, электрохимическая коррозия может быть атмосферной, подводной, почвенной, вызванной блуждающими токами. Степень разрушения стали зависит от вида и концентрации электролита. Защита металла от коррозии осуществляется нанесением лакокрасочных, неметаллических и металлических пленок, а также введением в состав металла легирующих элементов.

Лакокрасочные покрытия: нитроэмали, нефтяные, синтетические лаки, краски на основе масел.

Неметаллическое покрытие – эмалирование, покрытие стеклом, цементно-казеиновым составом, листовым пластиком и плитками, напылением пластмасс. Металлические покрытия – наносят на металл гальваническим, химическим и другими способами (оцинкование). Металлизация – нанесение сжатым воздухом тонкого слоя расплавленного металла.

Легирование – введение в металл легированных добавок, повышающих коррозионную стойкость.

Дата добавления: 2014-01-06