Железные конструкционные материалы

 

Металлы имеют большое значение в качестве материалов для изготовления стро­ительных конструкций. Также и все инструменты, и машины, применяемые в строительстве, сделаны преимущественно из металлов. Различают железные и нежелезные конструкционные материалы.

Железные конструкционные материалы получают посредством различных мето­дов изготовления и дальнейшей обработки, с помощью присадок других матери­алов (легирования) и путем тепловой обработки.

При этом получают различные подходящие для цели применения свойства, как, например, для стро­ительства из стальных конструкций, для железобе­тонного строительства или для строительства с при­менением предварительно напряженного железобе­тона. Различают стали и чугуны (рис. «Металлы (обзор)»).

Железо (Fe) встречается в природе в виде руды.

Железные руды — это химические соединения железа с другими элементами, в основном с кислородом; они содержат, кроме того, еще такие составляющие, как, например, кварц, глина, шифер и известь.

В доменных печах железные руды превраща­ют в железо. Домна сверху загружается железны­ми рудами, добавками (в основном известью) и коксом. Путем вдувания горячего воздуха кокс сгорает. При этом образуется окись углерода (СО) и двуокись углерода (СO₂). Окись углерода вытя­гивает из железной руды кислород (редукция). Газы поднимаются кверху и удаляются как ко­лошниковый газ. Железо воспринимает углерод, становится жидким и собирается в виде чугуна в нижней части домны, в металло-приемнике. Добав­ки при плавлении связывают загрязняющие эле­менты железных руд, а также остатки после сжи­гания кокса. Из них образуются доменные шла­ки. Они плавают вследствие своего малого объем­ного веса на поверхности чугуна и вытекают через специальное отверстие — лётку. Чугун отстаивает­ся каждые 3—4 часа и затем идет на дальнейшую переработку. Продуктами доменной печи являют­ся чугун, доменные шлаки и колошниковый газ. В зависимости от вида руды получают серый или белый чугун (рис. «Производство железа и стали«). Серый чугун содержит кремний, имеет серый цвет плоскости разлома, хо­рошо разливается в формы и в литейных цехах пре­вращается в чугунные отливки. Белый чугун со­держит марганец, имеет белую блестящую плос­кость разлома и является исходным материалом для производства стали. Доменный шлак перера­батывается в строительные материалы, например для добавок и производства вяжущих.

 

Чугун

 

В строительстве применяются в качестве литых из­делий продукты из серого литья и ковкого литья (рис. «Изготовление чугунного литья»). Из серого литья (GGL) изготавлива­ются напорные трубы с муфтами (LA = легкое ис­полнение) или с фланцами (трубы FF) для газо- и водоснабжения, крышки люков смотровых колод­цев и стоки ливневой канализации. Для трубопро­водов водоотведения применяют чугунные литые канализационные трубы (GA), которые поставля­ются в виде прямых труб и отформованных эле­ментов колен и соединений (рис. «Изготовление чугунного литья»). У литых канализационных труб, в противоположность до сих пор использовавшимся легким нормальным канализационным трубам (LNA), строительная длина отформованных элементов и муфт короче, и поэтому меньше вес. Ковкое (обжиговое) литье (GT) имеет за счет особой тепловой обработки свойств, аналогичных свойству стали.

Оно вязкое и в некоторой степени гибкое. Из ковкого литья изготавливаются подковы, арматура, замки, клю­чи и фитинги (соединения труб в санитарно-тех­нических установках (см. рис. «Изготовление чугунного литья»).

 

 

 

 

Сталь

 

Для производства стали применятся белый чугун. Чугун из многих выпусков доменных плавок сме­шивается перед дальнейшей переработкой в миксере (см. рис. «Производство железа и стали«). При этом получают более равномерный состав. Чугун имеет содержание углерода от 3 до 4,3%, а также часто нежелательные или слишком большие примеси кремния, марганца, серы и фосфора. При переработке чугуна в сталь содержание углерода понижается до менее чем 1,5%, а нежелательные примеси почти полностью вы­горают. Это происходит с помощью различных методов рафинирования или очи­стки стали от скрапа. Для этого применяют кислородное дутье (или кислородно­-конверторный метод), а также электрический (мартеновский) метод.

При методе кислородного дутья, или кислородно-конверторном способе по­лучения стали (в Германии его еще называют метод LD — Linz — Donawitz), в гру­шевидной емкости конвертора, вмещающей около 350 т, сверху на расплав чугу­на выдувается из охлаждаемой водой копьевидной форсунки кислород. При этом получаются температуры до 2000 °С, для охлаждения расплава добавляют метал­лолом и железные руды. Так как для рафинирова­ния не используется воздух, то конверторная сталь почти не содержит азота, она ковкая и может сва­риваться (см. рис. «Производство железа и стали«).

При электроплавильном (мартеновском) методе стальной расплав нагревается в печи с помощью элек­трической дуги или индукции. Электрический ме­тод позволяет из-за достигаемой температуры около 3000 °С расплавлять особо чистые стали, называе­мые благородными сталями. Этот метод в основном применятся для изготовления легированных сталей (см. рис. 3.142). Жидкая сталь разливается по фор­мам в виде болванок (блоков). Их затем перерабаты­вают в стальной лист, профили и проволоку.

 

Виды сталей

 

По составу различают нелегированные стали и ле­гированные стали (рис. «Подразделение сталей по составу»), по применению их различают на инструментальную и строительную сталь (рис. «Подразделение сталей по применению»). Стали поставляются в различ­ных торговых формах.

 

 

Нелегированная сталь

 

Она состоит, за исключением загрязняющих примесей, только из чистого железа. При содержании углерода от 0,6 до 1,7% за счет тепловой обработки она может твердеть и упрочнять (закаливаться) и поэтому подходит для режущего инструмента, как, например, для резцов. Если содержание углерода лежит ниже 0,6%, то сталь ограниченно закаливается. Нелегированная сталь используется для производства, например, гвоздей, болтов, гаек и других металлоизделий.

 

Легированная сталь

 

Кроме железа и углерода, легированная сталь содержит металлы, которые улучшают ее свойства. Так, например, с помощью никеля, хрома, ванадия, мо­либдена и вольфрама повышается прочность стали на растяжение и в большин­стве случаев также твердость. Стали с высоким содержанием никеля и хрома (вместе для 26%) являются нержавеющими. Такие стали применяются для пе­рил, резервуаров и трубопроводов. Стали с очень высоким содержанием доба­вок хрома и вольфрама являются температуро-стойкими и особенно подходят для режущих инструментов, например для полотен пил.

 

Инструментальная сталь

 

Инструментальная сталь — это закаливающаяся сталь. Перед закалкой инст­рументальную сталь можно обрабатывать резанием. Различают нелегированные и легированные инструментальные стали.

 

Строительная сталь

 

Строительными сталями называют все незакаливающиеся стали. На строи­тельную сталь, называемую также массовой сталью, приходится свыше 90% про­изводства стали. Строительная сталь применяется для общественных целей, а также для деталей машин. Она изготавливается легированной и нелегированной.

Нелегированная строительная сталь называется обычной строительной ста­лью (основной сталью). Для ее применения основной характеристикой является прочность на растяжение. Так, например, Ст. 37 — это строительная сталь, проч­ность которой на растяжение в зависимости от толщины сечения составляет от 370 до 470 Н/мм2. Прочность стали на растяжение тем больше, чем выше содер­жание углерода. Однако стали с высоким содержанием углерода хуже обрабаты­ваются.

 

Торговые формы строительной стали

 

Сталь перерабатывается в дальнейшие полуфабрикаты нормируемых торговых форм путем прокатки, штамповки или волочения. Чаще всего применяемыми по­луфабрикатами являются прокатные профили, прутковая сталь, трубы, пустот­ные профили, листовая сталь и проволока.

Прокатные профили (профильная сталь) с сечениями в виде уголков, швелле­ров, тавров и двутавров. Эти стальные профили обозначаются соответствующи­ми первыми буквами немецкого названия и в большинстве случаев числом, обо­значающим размер по высоте h (табл. «Торговые формы прокатной стали»).