РОЗДІЛ 13. Метали та металеві труби

Металами називають матеріали, характерними ознаками котрих є висока тепло - й електропровідність, ковкість, блиск та інші. Ці властивості обумовлені наявністю у кристалічній гратці металів електронів з вільним переміщенням.

Метали та їх сплави поділяються на чорні та кольорові. До чор­них належать залізо й сплави на його основі - чавун, сталь, фероспла­ви; до кольорових - всі інші метали - мідь, алюміній, цинк, нікель та інші. Найбільше значення для народного господарства мають чорні метали. З них виготовляються труби, численні металеві конструкції для будівництва, значна частина сталі використовується для армуван­ня залізобетонних конструкцій.

Для сучасного будівництва важливою є проблема підвищення ефективності використання металів, заміни їх неметалічними матеріа­лами з високими експлуатаційними властивостями.

13.1. Характеристика металів і способи їх виробництва

Виробництво та види чавуну. Чавун -це залізовуглецевий сплав, який містить понад 2 % вуглецю. Основним способом отримання чавуну є доменний процес. Він складається з трьох стадій: відновлення заліза з оксидів, які містяться в руді, вугле- цювання заліза та шлакоутворення. Сировиною для чавуна є залізні руди, паливо, флюси.

Залізні руди перед плавленням підлягають попередній перероб­ці: подрібненню, сортуванню, збагаченню й грануляції. Частіше по­дрібнену руду збагачують магнітною сепарацією, для видалення пі­щаних та глинистих частинок її промивають водою. Огрудковування за допомогою дрібних і пилуватих руд здійснюється за допомогою агломерації, тобто спікання на колосникових решітках агломерацій­них машин або шляхом гранулювання в грануляторах з наступним сушінням та випалом.

Основним паливом для плавлення чавуну є кокс, котрий вико­ристовується як джерело тепла та безпосередньо приймає участь у відновленні та вуглецюванні заліза.

Флюси (вапняки, доломіти або піщаники) застосовують для зниження температури плавлення пустої породи та зв'язування її з золою палива у шлак.

Одночасно із відновленням заліза відновлюється кремній, фос­фор, марганець та інші хімічні елементи, які присутні у домішках.

Розплавлені при температурі 1380...1420°С, чавун і шлак випус­кають крізь літники - отвори у печах для плавлення. Чавун розлива­ється у форми, а шлак прямує на переробку. В доменних печах випла­вляють переробний чавун для виготовлення сталі та чавун для лиття, котрий використовують для виготовлення різноманітних чавунних виробів, також спеціальні чавуни (феросиліцій, феромарганець), які застосовують у виробництві сталі як розкислювачі або легуючі добав­ки.

В залежності від стану вуглецю в чавуні його розподіляють на сірий і білий. В сірому чавуні вуглець перебуває переважно у вільно­му стані, а в білому - у вигляді цементиту. Сірий чавун - найбільш дешевий і розповсюджений сплав для лиття. Його використовують для лиття різних виробів і деталей, санітарно-технічного обладнання, труб, плит для підлог, тюбінгів тунелів тощо. Для виготовлення виро­бів чавун розплавляють і розливають у піщано-глинисті форми.

Білі чавуни мають підвищену твердість і крихкість, вони в осно­вному використовуються для переробки в сталь і виготовлення ковко­го чавуну. При введенні в сірий чавун спеціальних добавок отримують модифікований (високоміцний) чавун з поліпшеними властивостями.

Виробництво та види сталі. Сталі - залізо­вуглецеві сплави, які містять менше 2% вуглецю. Сталь отримують із переробного чавуну окисленням за допомогою мартенівського, конве­рторного.та електроплавильного способів. Основним способом виро­бництва сталі є мартенівський, але розповсюджений також киснево- конверторний спосіб завдяки його техніко-економічним перевагам.

З а мартенівським способом сталь отримують у печах- мартенах, в просторі яких спалюють газ або мазут, а в спеціальних камерах-регенераторах підігрівають повітря та газоподібне паливо, котрі подають потім в мартен. Процес отримання сталі включає: плав- лення шихти, під час якого утворюється велика кількість захисного заліза; окислення вуглецю та інших домішок закисним залізом та роз­кислення - відновлення заліза із закису добавками феросиліцію або алюмінію. У склад шихти входять чавун у злитках і металевий брухт - скрап або чавун, скрап і залізна руда (скрап-рудний процес).

Конверторний спосіб виробництва сталі було запропо­новано Бесемером у 1856 р. Суть цього способу полягає в тому, що крізь чавун, налитий у конвертор, продувають повітря. Після закін­чення процесу конвертор повертають горизонтально, припиняють дуття, перевіряють склад сталі та виливають її у ківш. Обсяг бесеме- рівської сталі невеликий. За киснево-конверторним способом дуття здійснюється чистим киснем.

Найбільш досконалим є електроплавильний спосіб виготовлення сталі. У електричних печах виплавляють якісні сталі високої чистоти та розкислення. Основним вихідним матеріалом для електроплавки сталі є сталевий брухт.

Розплавлену сталь, виготовлену у металургійних печах, розли­вають в металеві форми-виливниці для отримання злитків або в зем­ляні форми для отримання фасонного литва.

Сталеві вироби отримують різними методами: литтям, обробкою тиском та різанням, із застосуванням зварювання та паяння. Самим масовим способом отримання готових сталевих виробів і на­півфабрикатів є прокатування - різновид обробки металів тиском. Прокатування грунтується на здатності сталі до пластичної деформа­ції, тобто зміни форми без руйнування та зміни маси при деформуван­ні між обертовими валками прокатного стану.

Металургійна промисловість випускає чотири основних групи прокатних виробів: сортову та листову сталь, труби та спеціальні види прокату. До сортового прокату (рис. 13.1) належать профілі загально­го та спеціального призначення (кругла, квадратна, листова, кутова сталь, швелери, двотаври, рейки та інші), також кругла арматурна сталь, яка використовується для виробництва залізобетону, сталь для шпунтових паль різних профілів та інші види сталі.

За хімічним складом розрізняють вуглецеву та леговану сталь. Вуглецева сталь містить від 0,02 до 2 % вуглецю, також домішки мар­ганцю (0,3...0,9 %), кремнію (0,15... 0,35 %), сірки та фосфору (до 0,07 %). Для будівельних конструкцій застосовують звичайно конс­трукційну вуглецеву сталь, яка містить біля 0,7 % вуглецю. При збі­льшенні кількості вуглецю від 0,65 до 1,35 %, вмісту марганцю до 0,4 % отримують інструментальну сталь тощо.

 

Рис 13.1. Сортамент сталі

1 - кругла; 2 - квадратна; 3 - смужкова; 4 - періодичного профілю; 5 - рифлена; 6 - хвиляста; 7 - кутникова рівнобока; 8 - кутникова нерівнобока; 9 - швелер; 10 - двотавр; 11 - двотавр зварний; 12 - рейка кранова; 13 - рейка залізнична; 14 - шпун­това паля.

Леговані сталі отримують шляхом введення елементів групи ні­келю (N1, Со, Си, Мп, 8і) та групи хрому (Сг, Ті, W, 2г, V, А1, Мо). Ле­говані сталі в залежності від призначення поділяються на конструк­ційні, інструментальні та сталі із особливими властивостями (нержа­віючі, жароміцні, зносостійкі та інші). У будівництві в основному за­стосовують низьколеговані сталі з такими легуючими елементами як марганець (до 1,75 %) та кремній (до 0,7 %).

Кольорові метали та сплави. В будівництві ши­роко застосовують алюмінієві сплави як конструкційний матеріал для виготовлення корозійностійких, декоративних несучих конструкцій, стінових панелей, покрівлі, облицювання, заповнення віконних блоків, підвісної стелі, також труб і різноманітних деталей.

Алюміній отримують із глинозему - продукту переробки бокси­тів, нефелінів, алунітів. В чистому вигляді він використовується для виготовлення фарб, як газоутворювач, у вигляді фольги. Чистий алю­міній має невисоку міцність, високу пластичність. Як конструкційний матеріал алюміній використовують у вигляді різних сплавів. Позитив­ними властивостями алюмінієвих сплавів є низька середня густина, висока міцність і корозійна стійкість, а негативними - низький модуль пружності, високий коефіцієнт лінійного термічного розширення та інші. Застосування сплавів дозволяє знизити масу стін і покрівлі в 10.80 разів, скоротити трудомісткість монтажу та його строки у 2...3 рази, збільшити обіговість збірно-розбірних споруд у 3...5 разів.

Сплави із алюмінію поділяються на дві групи: здатні до дефор­мування та для лиття, із сплавів першої групи отримують прокатні, ковані та штамповані профілі. Основним видом сплаву цієї групи є дюралюміній - сплав алюмінію із міддю (2,2...4,8 %), магнієм (6,4.2,4 %) і марганцем (0,4.0,8 %). Дюралюміній має порівняно невисоку твердість (за Брінелсм НВ = 42...45), високу міцність (360.490 МПа), границю текучості - 190...340 МПа.

Крім алюмінієвих сплавів у будівництві застосовують мідні сплави - латуні та бронзи. В латунях основним легуючим елемен­том є цинк (до 4,5 %), а в бронзах - олово, алюміній, кремній та інші. Латуні та бронзи мають високу міцність (300...600 МПа) і твердість (НВ = 200.250), корозійну стійкість, сприятливі антифрикційні властивості.

Цинк та цинкові сплави застосовують як покриття, що захища­ють сталь від корозії. Висока міцність в сполученні із корозійною стійкістю є характерною для титанових сплавів. Для антикорозійних покриттів спеціальних труб, особливих видів гідроізоляції, наприклад для обробки швів між тюбінгами в тунелях, застосовують свинець.

13.2. Властивості металів

Властивості металів і сплавів визначаються їх будовою та скла­дом. Для металів є характерними особливості кристалічних тіл: анізо­тропія та здатність існувати у декількох кристалічних формах, які відрізняються розташуванням атомів у елементарній комірці ґратки - алотропія. Особливості кристалічної будови металів обумовлюють їх високу тепло- та електропровідність, характерний металічний блиск.

Сплави можуть бути у вигляді твердих розчинів, хімічних сполук компонентів або механічних сумішей їх кристалів. Структура сплаву за певною температурою та співвідношенням компонентів визнача­ється шляхом аналізу діаграм стану.

Вплив складу і структури металів на їх фізико - механічні властивості. До найбільш важли­вих фізико-механічних властивостей металів і сплавів належать сере­дня густина, теплове розширення, міцність, пружність, пластичність, твердість, ударна в'язкість. На властивості залізовуглецевих сплавів - чавуну та сталі - найбільш суттєво впливає вміст вуглецю. У білих чавунах і сталях вуглець існує у вигляді хімічної сполуки Бе С - цеме­нтиту, підвищена кількість якого надає сплавам крихкість і твердість, знищує їх пластичність, ударну в'язкість і дійсну густину. Максима­льну міцність сталь набуває за вмістом вуглецю біля 1%, далі міцність знижується у зв'язку із структурними змінами.

До шкідливих домішок залізовуглецевих сплавів належить сір­ка, яка погіршує литтєві властивості чавуну і підвищує крихкість ча­вунів і сталей. Фосфор поліпшує литтєві властивості чавунів, однак для сталей він є шкідливою домішкою, тому що надає металу холод­ноламкість - крихкість у холодному стані. Вміст фосфору у чавунах допускається від 0,1 до 1 %, а в сталях не повинен перевищувати 0,05 %. На якість металів негативно впливають гази - кисень, азот, водень.

Термічна обробка сталі та чавуну. З метою поліпшення структури та отримання заданих механічних властивостей готові металеві деталі піддають термічній обробці. Основними видами термічної обробки с відпалювання, загартовування, відпускання та нормалізація.

Відпалювання здійснюють з метою зняття внутрішніх напружень в металі, подрібнення його зерен, зниження твердості та поліпшення обробності. Під час відпалювання після досягнення пев­ної температури деталі витримуються деякий час в печі та повільно охолоджуються. Прискорений різновид відпалювання має назву нор­малізація.

Загартовування полягає у нагріванні металевих виробів до певної температури, ізотермічному витримуванні та швидкому охолодженні. В залежності від режиму загартовування та виду охоло­джуючого середовища утворюються різні структури та відповідно змінюються механічні властивості металів. Загартовані вироби з ме­тою зняття внутрішніх напружень, стабілізації структури, зниження твердості та збільшення в' язкості піддають відпусканню. Ця операція полягає в нагріванні загартованої сталі до температури 650 °С, ізотер­мічному витримуванні та повільному охолодженні.

З метою поверхневого зміцнення сталі здійснюють хіміко- термічну обробку, наприклад цементацію (вуглецювання), азотування.

Маркування металів. Металеві матеріали маркіру­ються за наступними показниками: способом виробництва, хімічним складом, механічними властивостями. Так, переробний чавун поділя­ють на класи в залежності від виробництва сталі із нього: мартенівсь­кий (М), бесемерівський (Б) тощо. В свою чергу чавун кожної марки поділяють на класи в залежності від вмісту фосфору, на групи - від вмісту марганцю, на категорії - від вмісту сірки. Аналогічно поділя­ються литтєві чавуни (Лч). Для сірих чавунів (Сч) марку встановлю­ють в залежності від границі міцності при розтягненні та згинанні, також від твердості та пластичності. Значення перших двох показни­ків наводяться в позначенні марок, наприклад Сч 12-28, Сч 15-32, Сч 18-36 і так далі.

Сталі маркірують за групами: А - сталь, яка постачається за ме­ханічними властивостями, Б - за хімічним складом, В - за механічни­ми властивостями та хімічним складом (позначають тільки групи Б і В).

Сталі звичайної якості позначаються буквами Ст і цифрами від 0 до 6. Ступінь розкислення сталі позначають буквами "сп", "пс" і "кп" (спокійна, напівспокійна та кипляча). Основними механічними влас­тивостями, що нормуються для вуглецевої сталі, є границя текучості, границя міцності при розтягненні та відносне видовження.

Для несучих будівельних конструкцій застосовують звичайно сталі Ст3 та Ст4, із високопластичних сталей Ст1 і Ст2 виготовляють заклепки, резервуари, трубопроводи тощо, а сталі Ст5, Ст6 застосову­ють для виготовлення деталей підвищеної міцності та твердості.

Якісні вуглецеві стаді поділяють на дві групи: І - з нормальним (до 0,8 %) вмістом марганцю та II - з підвищеним; марки позначають цифрами, що вказують середній вміст вуглецю (соті частки процен­тів), наприклад, сталь 10 кп (0,1 % С, кипляча).

Для позначення марок легованих сталей наводять вміст вугле­цю, вид та вміст легуючого елемента. Наприклад, сталь 12ХН3 міс­тить 0,12 % С, 1 % Сг і 3 % №.

13.3. Корозія металів

Корозія металів - це поступове руйнування їх внаслі­док хімічної та електрохімічної взаємодії із зовнішнім середовищем. Хімічна корозія металів спостерігається в сухих газах і неелектролітах (окислення при високих температурах).

Більш за все метали руйнуються внаслідок електрохімічної ко­розії, тобто через дію електролітів - водних розчинів кислот, солей і лугів. Цей вид корозії спостерігається в атмосферних умовах, при дії морської, річкової, ґрунтової та інших вод.

Основними способами захисту металів і сплавів від корозії є: легування металів і виготовлення хімічно стійких сплавів; створення на поверхні виробів оксидних плівок; нанесення захисних металічних та неметалічних покрить.

Основним легуючим елементом, який надає сталі корозійну стійкість, є хром, який утворює щільну плівку оксиду. Різко покра­щують корозійну стійкість сталі добавки нікелю та міді.

Найбільш розповсюдженим металічним покриттям сталі є цинк. Електродний потенціал цинку є більш від'ємним, ніж заліза, цинк є анодом, при пошкодженні покриття розчиняється та захищає основ­ний матеріал від руйнування. На такому принципі ґрунтується протек­торний захист (рис. 13.2, а) крупних споруд, трубопроводів, резервуа­рів, морських кораблів. До конструкції, яка підлягає захисту, приєд­нують платівки із металу або сплаву (протектор) із більш від'ємним потенціалом.

Поряд із анодними застосовують катодні покриття (рис. 13.2, б) із металів з менш від'ємним електродним потенціалом, ніж у основно­го металу. Для катодного покриття сталі застосовують мідь, олово, нікель та інші. При порушенні катодних покрить їх захисна дія пропа­дає. Катодний захист поряд з протекторним широко застосовують проти корозії морських гідротехнічних споруд, магістральних трубо­проводів тощо. В таких випадках конструкція приєднується до від'ємного полюсу джерела постійного струму, сталь виконує функ­цію катода. Анодом є звичайно малоцінний металевий брухт.

Як неметалічні покриття широко застосовують синтетичні лаки та фарби, емалі, пластмаси тощо.

13.4. Металеві труби

В різних галузях будівництва застосовують сталеві та чавунні труби. Все більш широко застосовують тонкостінні сталеві труби з антикорозійним покриттям. Сталеві труби застосовують: для перехо­дів під залізницями та автомобільними дорогами, крізь водні пере­шкоди та яри; у випадках, коли неможливі застосування труб із інших матеріалів (на дільницях трубопроводів з робочим тиском понад 1,5 МПа); для прокладки у важкодоступних місцях. Чавунні труби можна застосовувати на дільницях трубопроводів з робочим тиском понад 1,2 МПа, у просадочних, набухаючих і заторфованих грунтах, в карстових районах тощо.

 

Рис 13.2. Захист трубопроводу від корозії

а - протекторний; б - катодний; 1 - труба; 2 - засипка; 3 - протектор; 4 - дже­рело струму; 5 - метал.

Для пересування систем дощування при зрошенні невеликих ді­льниць застосовують установки із розбірними трубопроводами із ста­левих та алюмінієвих труб.

Для напірних трубопроводів застосовують сталеві труби безшо­вні - гаряче- та холоднодеформовані, електрозварні із поздовжнім прямим або спіральним швом, також труби з антикорозійним покрит­тям, які виготовляють за спеціальними технічними умовами.

Прямошовні труби виготовляють із зовнішнім діаметром від 0,8 до 20 мм, довжиною від 2 до 12 м. Труби із спіральним швом випус­кають зовнішнім діаметром від 159 до 1420 мм, товщиною стінки від 3,5 до 14 мм. Довжина труб із спіральним швом - від 10 до 18 м.

Труби поділяють на групи в залежності від нормованих показ­ників якості (табл. 13.1).

Труби всіх видів, що працюють під тиском, підлягають гідравлі­чному випробуванню під тиском (Р, МПа), який розраховують за фо­рмулою:

Р = 20 8 Я / Д _Вн;

де 8 - мінімальна (за відрахуванням мінусового допуску) товщина стінки, мм; Я - допустиме напруження, МПа; Д_вн -внутрішній діаметр труби, мм.

Таблиця 13.1 Групи труб в залежності від показників якості Група Нормований показник Хімічний склад Механічні властивості Гідравлічні випробування А — + + Б + — + В + + + Г + + + Д — — +

 

Примітка: 1. Знак "+" означає, що показник нормується, "-" - не нормується.

2. Труби групи А виготовляють електрозварними прямошовними або безшовними гарячедеформованими.

3. Труби групи Г випускаються безшовними гаряче- та холодно- деформованими з нормуванням механічних властивостей і хіміч­ного складу.

З'єднують труби зварюванням. Фланцеві з'єднання використо­вують в основному для з'єднання різної арматури.

У водогосподарському будівництві широко застосовують стале­ві електрозварні труби із внутрішнім цементно-піщаним і зовнішнім бітумним або етинолевим покриттям, призначені для транспортування під тиском до 2 МПа.

Різновидом сталевих труб із антикорозійним покриттям є тонко­стінні сталеві оцинковані труби (рис. 13.3.).

Транспортують труби із антикорозійним покриттям у спеціаль­но обладнаних транспортних засобах, які запобігають згину, точко­вому спиранню та звисанню кінців труб більш 1/5 їх довжини. Для проведення вантажно-розвантажувальних та монтажних робіт необ­хідно застосовувати траверси із торцевими захватами, які не пошко­джують покриття.

Чавунні напірні труби виготовляють відцентровим і напівнепе- рервним литтям із сірого чавуну з однорідною щільною структурою. Труби виготовляють зі стиковими з'єднаннями під зачеканку та на гумових манжетах. Для напірних чавунних труб нормуються показни­ки твердості та міцності металу, також гідравлічний тиск під час ви­пробувань.

 

Moo'-moo

Рис 13.3. Труба стальна з антикорозійним покриттям: 1 — зовнішнє покриття труби; 2 — корпус труби; 3 — цементно-піщаний розчин.