Материалы и изделия из каменного литья.

 

Сырье – магматические горные породы, обладающие пониженной вязкостью в расплавах, чаще базальты и диабазы. Полученные изделия из такого сырья имеют темный цвет. Для получения светлого каменного литья используют шихту, состоящую из 45 % кварцевого песка, 34 % доломита, 21 % мела или мрамора 3 % плавикового шпата для снижения температуры плавления.

Плавку горных пород или специально приготовленной шихты осуществляют в вагранках, в ванных или электрических печах.

Формуют изделия в керамических и металлических формах или используют формовочную землю.

Для получения мелкокристаллической структуры изделий их подвергают медленному охлаждению, не вынимая из форм, в печах отжига при тщательной тепловой изоляции без подвода тепла.

Свойства изделий из каменного литья: однородная мелкокристаллическая структура, высокая прочность, твердость, высокие морозо- и кислотостойкость, износоустойчивость.

Применение: трубопроводы, лотки для сыпучих материалов, футеровка шаровых мельниц.

 

 

Контрольные вопросы.

 

1. Что называется стеклом?

2. Сырье для производства стекла?

3. Основные стеклообразующие оксиды?

4. Основные свойства стекла?

5. Принципиальная схема получения стекла?

6. Какие существуют способы выработки листового стекла?

7. Виды листового стекла, применяемые в строительстве?

8. Какие материалы и изделия из стекла относятся к стеклокристаллическим?

9. Какие изделия можно получать на основе шлаковых расплавов?

10. Какие виды теплоизоляционных изделий получают на основе стекла?

 

ТЕМА 5.

МЕТАЛЛЫ.

 

Промышленный потенциал любой державы в значительной мере определяется объемом производства металлов. Исключительно важное значение металлов в современной технике и строительстве объясняется их ценными свойствами: высокой прочностью, пластичностью, высокой тепло- и электропроводностью, хорошими ли-

тейными свойствами, способностью работать при низких и высоких температурах, свариваемостью. Однако большинство из них имеют высокую плотность и сильно корродируют под действием различных газов и влаги.

 

Классификация металлов.

 

ЧЕРНЫЕ МЕТАЛЛЫ - это сплавы железа с углеродом. К ним относятся: сталь, содержащая углерода до 2 %, и чугун, содержащий углерода от 2% до 6,67%.

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ:

- легкие (Al, Mg, Be);

- тяжелые (Cu, Ni, Zn, Cr, Pb, Sn);

- редкие (Ti, W, Mo, Zr);

- благородные (Au, Pt, Ag);

 

Строение металлов.

 

Все металлы имеют кристаллическое строение. Наиболее распространенные кристаллические решетки металлов: объемно-центрированный и гранецентрированный куб,гексогональная.

 Физико-механические свойства чистых металлов определяются природой атомов, образующих их кристаллическую решетку, и структурой самого металла.

На микро- и макроструктуру металлов существенное влияние оказывают условия их затвердевания и дальнейшего охлаждения.При охлаждении расплава металла до температуры несколько ниже температуры плавления в жидкости возникают отдельные высокодисперсные кристаллические образования, так называемые

центры кристаллизации или зародыши. При дальнейшем охлаждении происходит рост кристаллов путем отложения новых кристаллических групп вокруг возникших зародышей.

В условиях несвободной кристаллизации кристаллы получаются неправильной формы и называются кристаллитами или зернами. Чем мельче зерна, тем прочнее и пластичнее металл. Величина зерна зависит от числа зародышей и от линейной скорости кристаллизации: чем больше число зародышей и меньше линейная скорость кристаллизации, тем мельче кристаллы.

Оба эти параметра зависят от скорости охлаждения и степени переохлаждения расплава чистого металла. Чем выше скорость охлаждения, тем глубже и степень переохлаждения, что вызывает возрастание числа зародышей и, как следствие, образование более мелких кристаллов.

Температура перехода металла из жидкого состояния в твердое называется первичной температурой кристаллизации t Температура перехода в твердом состоянии из одной кристаллической модификации в другую (явление аллотропии) называется вторичной температурой кристаллизации или критической t.

 

        Рис. 5.1. Кривая охлаждения расплава.

 

На кривых охлаждения (рис. 5.1) эти температуры отмечены горизонтальными участками, так как процесс кристаллизации идет с выделением тепла, поэтому в момент аллотропных превращений и первичной кристаллизации понижение температуры в системе не происходит.

 

Свойства металлов.

 

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА: цвет, плотность, температура плавления, электро- и теплопроводность, коэффициент температурного расширения.

Цвет большинство металлов имеют серебристо-белый, серебристо-серый с характерным металлическим блеском.

Плотность большинства тяжелых металлов превышает 7000кг/м, а плотность легких составляет не более 3000кг/м.

   Температура плавления металлов строго определенная, однако меняется при добавке к нему других металлов. Большинство сплавов на основе железа имеют температуру плавления ниже, чем составляющие его компоненты.

. Все металлы хорошо проводят тепло и электричество.

При нагревании металлы увеличиваются в размерах, что характеризуется коэффициентами объемного и линейного расширения.

Это необходимо учитывать при их эксплуатации.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА: прочность, твердость, ударная вязкость, ползучесть.

ПРОЧНОСТЬ - способность металла сопротивляться возникающим внутренним напряжениям под действием внешних сил, вызывающих растяжение, сжатие, изгиб, кручение.

Для большинства металлов универсальным испытанием на прочность является растяжение, но для серого чугуна - на сжатие и изгиб.

При испытании металлов на растяжение различают предел упругости, предел текучести, предел прочности. Основным расчетным показателем для металлических конструкций является предел текучести.

 

 

Рис. 5.2. Диаграмма растяжения металлов.

 

σ_р = N_р /F_о - предел пропорциональности, то наибольшее напряжение, при котором деформация растет пропорционально нагрузке.

σ_s = N_s /F_s - предел текучести, то наименьшее напряжение,

при котором деформация растет без заметного увеличения нагруз-

ки.

σ_в = N_в /F_о - предел прочности, то напряжение, которое соот-

ветствует максимальной нагрузке, предшествующей разрушению об-

разца.

σ_к = N_к /F_о - истинный предел прочности, то напряжение, при

котором произошло разрушение образца при концентрации напряже-

ния в одной точке.

F_о - первоначальное сечение образца,мм².

σ - напряжение,кгс/мм² (Н/м²), 1кгс/мм² = 10 МПа.

l_о - длина образца первоначальная, мм.

l_r - длина образца после разрушения, мм.

∆ - абсолютное удлинение образца, равное ∆ = l_к – l_о, мм.

Е - относительное удлинение образца, равное Е = ∆ /l_о.

Испытание на изгиб проводится для листового металла толщиной не более 30 мм на прессе для определения его способности принимать заданный по размерам и форме изгиб. При этом на поверхности изгибаемого образца не должны появляться трещины, надрывы, расслоение или излом.

Испытанием на удар определяют хрупкость металла или его способность работать в условиях динамических нагрузок. Чем пластичнее металл, тем лучше он переносит ударные нагрузки. Испытание на удар производят на специальных маятниковых копрах, применяя стандартные образцы с надрезом. Удельная ударная вязкость

                           а_у = А_р /F,                 (5.1.)

 

где А - работа, затраченная на разрушение образца, Дж/м²;

F - площадь поперечного сечения образца в месте надреза,м².

УСТАЛОСТЬ определяется у металлов, работающих в условиях повторно-переменных растягивающих, изгибающих, крутящих, ударных и других нагрузок.

ПОЛЗУЧЕСТЬ металлов - это процесс увеличения деформации во времени при постоянном напряжении. Он начинается сразу после возникновения мгновенной деформации. Под действием длительно приложенной нагрузки может развиться значительная деформация металлической конструкции, а иногда и ее разрушение. Таким образом, ползучесть лимитирует длительность эксплуатации конструкций, работающих под постоянной нагрузкой, особенно в условиях повышенных температур.

ТВЕРДОСТЬ металла определяется противодействием вдавливанию в его поверхность твердого стального шарика (метод Бринелля, НВ), алмазного конуса (метод Роквелла, HR), алмазной призмы (метод Виккерса, HV). Чем выше твердость, тем меньше будет величина отпечатка на поверхности металла.

Числа твердости (НВ, НR, HV) вычисляются по эмпирическим формулам, которые приводятся в справочной литературе.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА - это пластичность, определяющая ковку, прокатку, волочение; резанье и сварка, определяющие способность металла подвергаться сварке и резанью; способность подвергаться термической и химико-термической обработке с целью улучшения механических свойств металлических изделий.

 

ЧУГУНЫ.

 

Производство чугуна - первичный процесс получения черных металлов из природного сырья. Сырье для производства чугуна: железные руды, флюсы и кокс. Наиболее часто используемые железные руды:

    магнитный железняк (Fе₃О₄),

    красный железняк (Fе₂О₃),

    бурый железняк (2Fе₂О₃*3Н₂О),

    шпатовый железняк (FеСО₃),

которые содержат 30...70 % железа, пустую породу из различных природных химических соединений (SiO₂, Al₂O₃ и др.), и вредные

примеси (сера, фосфор).

Флюсы - известняк СаСО₃ или доломит СаСО₃*МgСО₃, если в пустой породе содержится большое количество кислотных оксидов, кварц, кварцит, песчаник, если в пустой породе имеется повышенное содержание основных оксидов. Флюсы вводятся для понижения температуры плавления пустой породы, для ошлаковывания золы топлива и удаления вредных примесей.

Кокс в доменном процессе выполняет роль топлива и восстановителя железа. При его горении выделяется большое количество тепла

С + О₂ = СО₂ + 402 192 Дж.

При последующем продвижении в домне снизу вверх СО встречается с кусками раскаленного кокса и восстанавливается его углеродом по реакции

С + СО₂ = 2СО - 157 920 Дж.

 

Максимальная температура доменного процесса составляет 1900 С.

Восстановление железа в домне идет по схеме

 

Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe

 

с образованием губчатого железа. В поры губчатого железа проникает углерод, и железо науглероживается (до 3,5...4 %) по реакции

3Fе + 2СО = Fе₃С + СО₂.

 

Далее науглероженный металл расплавляется и стекает в горн доменной печи, при этом происходит его дальнейшее насыщение углеродом за счет соприкосновения с раскаленным коксом.

При доменной плавке восстанавливаются также и другие элементы, находящиеся в руде, по следующим реакциям:

 

SiO₂ + 2C = Si + 2CO;

MnO + C  = Mn + CO;

Р₂О₅ + 5С = 2Р + 5СО.

 

Эти элементы, а также часть серы в виде FеS, переходят в чугун.

Продукты доменного производства: чугун, накапливающийся в нижней части горна, огненно-жидкие шлаки, как более легкие, собирающиеся поверх чугуна, и доменный газ, выходящий из верхней части домны.

ДОМЕННЫЙ ГАЗ - топливо длянужд металлургической промышленности.

ДОМЕННЫЕ ШЛАКИ - ценное сырье в промышленности стройматериалов; их используют для производства шлаковой ваты, шлаковой пемзы, шлакопортландцемента, заполнителей для легких бетонов, шлакоситаллов и т.п.

ЧУГУН - литейный, передельный и ферросплавы.

Передельный чугун составляет 80...90 % всей выплавки, цвет его белый, так как весь углерод связан с железом в Fе С, идет на переделку в сталь. Из белого чугуна, кроме того, получают ковкий чугун путем длительного отжига при высоких температурах, что вызывает частичный распад карбида железа. Ковкий

чугун более прочен и пластичен, легче обрабатывается.

Литейный чугун серый (СЧ) за счет свободного углерода, который в виде графитовых пластин перерезает металлическую основу чугуна; применяется для конструкций, работающих на сжатие, для санитарно-технических и архитектурно-художественных изделий, плит для пола и др.

Модифицированный серый чугун (МСЧ) имеет более высокие механические свойства за счет шаровидной раздробленной формы графита; применяется для отливок ответственных деталей.

 

Механические свойства чугунов.

 

Вид чугуна Предел прочности      Предел прочности

               на растяжение. ПМа на сжатие, МПа

 

    СЧ       120...280        280...480

    МСЧ      280...480        380... 600

 

Ферросплавы - специальные чугуны,в которых содержание углерода может достигать 5 % и более. Кроме того они содержат повышенное количество кремния и марганца:

          ферросилиций - Si - 9...13 %,

          ферромарганец - Mn - 10...25 % или 70...75 %.

Применяют их для раскисления и легирования стали.

 

 

С Т А Л Ь.

 

Сталь получают из передельного чугуна, содержащего до 4 % углерода, 1% марганца, до 1,3 % кремния, десятые доли процента серы и фосфора.

Сущность процесса сталеварения заключается в окислении излишнего содержания углерода и примесей, содержащихся в чугуне, кислородом воздуха и кислородом руды. Этому процессу способствует образующаяся в начале плавки закись железа

 

        2Fe + O₂ = 2FeO  и далее

FeO + C = CO + Fe.

 

Так как излишнее содержание закиси железа вызывает хрупкость стали, производят раскисление жидкого металла путем ввода ферросплавов по следующей схеме

 

FeO + Mn → MnO + Fe;

2FeO + Si → SiO₂ + Fe;

3FeO + 2Al → Al₂O₃ + 3Fe.

 

Образовавшиеся оксиды удаляются вместе со шлаком.

В зависимости от степени раскисления различают спокойную, полуспокойную и кипящую сталь. Спокойная сталь (сп),в которой нет закиси железа, наиболее качественная и дорогая. Кипящая сталь (кп), в которой процесс раскисления прошел не до конца, и в ней имеются пузырьки газа СО, при разливке в изложницы " кипит". Она дешевле спокойной стали, но качество ее ниже,

хотя она сваривается и удовлетворительно обрабатывается, но при температуре -10 С она становится хрупкой. Полуспокойная сталь (пс) по своим свойствам занимает промежуточное положение между двумя первыми.

Современные способы производства стали: конверторный, мартеновский и электроплавильный.

При конверторном Бессемеровском способе жидкий чугун заливают в конвертор и продувают горячим воздухом, при этом выгорают и удаляются со шлаком С, Мn, Si, а S и Р остаются в стали. При Томасовском конверторном процессе перед заливкой чугуна в конвертор подают свежеобожженную известь. При этом образующиеся основные шлаки удерживают вредные примеси (S и Р).

Процесс конверторной варки стали очень экономичен, так как не требует дополнительного подвода тепла (необходимая для нагрева стали теплота выделяется в результате химических реакций окисления углерода и примесей чугуна),а время варки составляет 20...30 мин, однако невозможно получить сталь точного

химического состава.

Кислородно-конверторный способ производства стали - наиболее перспективный. В нем дополнительно используется продувка кислородом, что позволяет довести качество конверторных сталей до уровня сталей, выплавляемых в мартенах и электропечах.

При мартеновском способе варки стали различают:

скрап-процесс, при котором сырьем служит смесь чушкового чугуна и скрапа (стального лома);

рудный процесс, при котором используют в качестве шихты смесь жидкого чугуна, железной руды и отходов металлургической промышленности;

скрапно-рудный процесс, при котором шихта состоит из руды, жидкого чугуна и скрапа в равных соотношениях.

Варка в мартеновских печах продолжается 4...8 часов при использовании топлива с систематическим отбором проб стали на химический анализ. Мартеновские стали получают точного химического состава, качество их выше конверторных.

Наиболее совершенным способом производства стали является электроплавильный способ. В электрических печах получают высококачественные и легированные стали. Однако производство это достаточно дорогое.