1.5.2 Производство чугуна и стали

Ряд высоких технических свойств металлов — высокая проч-

ность при растяжении и сжатии, сравнительно легкая обработка (рез-

ка, сверловка, ковка) — способствуют широкому применению метал-

лов в строительстве.

Однако наряду с большими преимуществами металлы имеют и

существенные недостатки — они корродируют под действием влаги и

газов и деформируются при высоких температурах.

Металлы, применяемые в строительстве, делятся на две группы:

черные металлы и сплавы цветных металлов.

Основными механическими свойствами металлов и сплавов яв-

ляются: прочность, упругость, пластичность, твердость и ударная

вязкость.

Механические свойства металлов и сплавов определяются путем

проведения специальных механических испытаний на растяжение,

твердость и ударную вязкость.

Результаты испытаний заносятся заводом-поставщиком в специ-

альный документ — сертификат, характеризующий механические

свойства поставляемой партии металла. Из черных металлов в строи-

тельстве наибольшее применение находят сталь и чугун, представ-

ляющие собой сплавы железа с углеродом, кремнием, марганцем,

фосфором, серой и другими химическими элементами. Деление чер-

ных металлов на стали и чугуны производится на основе процентного

содержания в сплаве углерода.

Чугун представляет собой сплав железа с углеродом и постоян-

ными примесями — кремнием, марганцем, серой и фосфором. Харак-

терной особенностью чугуна, отличающей его от стали, является вы-

сокое (превышающее 2%) содержание в нем углерода. Чугун не имеет

прочности стали, хрупок и не куется, но обладает хорошими литей-

ными свойствами. Исходными материалами для производства чугуна

являются железные руды, топливо и флюсы.

Железная руда — горная порода, основная часть которой содер-

жит химическое соединение железа с кислородом. Содержание в руде

железа колеблется от 30% (бедные руды) до 65% (богатые руды).

Флюсы (известняк или доломит) вводятся в доменную печь для

понижения температуры плавления пустой породы и ошлакования

золы топлива. Применяемое в доменном процессе топливо должно

быть по возможности химически чистым и обладать достаточной

крепостью на истирание. Этим требованиям удовлетворяет кокс, по-

лучаемый спеканием в коксовых печах коксующихся сортов углей.

Переработка железной руды производится в специальных шахт-

ных печах, называемых доменными, поэтому процесс получения чу-

гуна из железных руд называется доменным процессом. Железная

руда, кокс и флюс в требуемых количествах подаются в засыпное

устройство в верхней части доменной печи. Снизу в домну поступает

воздух, предварительно нагретый в воздухонагревателях. В результа-

те сложного химического взаимодействия между рудой, флюсом, то-

пливом и кислородом воздуха образуются чугун и шлак. Чугун стека-

ет в нижнюю часть печи, откуда через летку выпускается в ковш.

Шлак имеет меньший, чем чугун, удельный вес, поэтому располага-

ется над чугуном и выпускается через шлаковую летку.

Получающийся в доменной печи чугун делится на литейный,

передельный и специальный. Литейный чугун имеет в изломе серый

цвет и применяется для различных нужд строительства (изготовления

труб, радиаторов, водопроводной и канализационной арматуры, печ-

ных приборов).

Передельный чугун применяется для производства стали.

Специальный чугун содержит повышенное количество кремния,

марганца и других элементов и применяется в виде добавок при про-

изводстве стали.

Сталь отличается от чугуна меньшим содержанием углерода

(до 2%) и постоянных примесей кремния, марганца, серы и фосфора.

По содержанию углерода различают сталь низкоуглеродистую

— менее 0,3% С, углеродистую — от 0,3 до 0,65% С и высокоуглеро-

дистую — от 0,65 до 1,5% С. В строительстве преимущественно при-

меняют низкоуглеродистые и углеродистые стали.

Содержание в сталях и чугунах других веществ: кремния, фос-

фора и серы нормируется и может достигать в сталях до 1 %, а в чу-

гунах до 2 - 5%.

Чтобы повысить механические свойства сталей и чугунов, к ним

добавляют различные легирующие (улучшающие их свойства) веще-

ства — кремний, марганец, хром, никель, молибден, алюминий, медь.

Легированные стали принято делить на низколегированные — с

суммарным содержанием легирующих элементов не более 4%, сред-

нелегированные — от 4 - 5 до 8 - 10% и высоколегированные —

более 10%. В строительстве преимущественно применяют низколеги-

рованные стали. Введение соответствующих легирующих веществ

повышает коррозийную стойкость, прочность, ковкость, упругость.

Сталь хорошо обрабатывается давлением, имеет более высокую

механическую прочность и пластичность, чем чугун. Основным

сырьем для получения стали, как уже говорилось, служит передель-

ный чугун и стальной лом. Процесс переработки чугуна в сталь за-

ключается в уменьшении содержания примесей в нем путем их окис-

ления. В настоящее время сталь производится следующими основ-

ными способами: мартеновский, конвертерный и электросталепла-

вильный.

Мартеновский способ производства стали, наиболее распро-

страненный (90%), состоит в получении стали в мартеновской печи

путем переплавки чугуна и лома металлов. При нагревании от газа,

сгорающего в печи, происходит выгорание кремния, марганца и угле-

рода. Процесс продолжается несколько часов, что дает возможность

лаборатории определять химический состав выплавляемой стали в

различные периоды плавки и получать сталь любого качества. Ем-

кость мартеновских печей достигает 500т.

Конвертерный способ производства стали заключается в про-

дувке расплавленного чугуна воздухом под давлением. Процесс про-

дувки длится 16 - 20 мин.

Мартеновская сталь лучше и чище конвертерной. Конвертерная

сталь содержит больше серы и фосфора, насыщена азотом и кислоро-

дом, содержит пузырьки воздуха, ухудшающие ее качество. Конвер-

терная сталь применяется для неответственных клепаных конструкций.

Производство стали в дуговых электрических печах обладает

рядом преимуществ перед конвертерным и мартеновским способами,

так как достигаемая в этих печах высокая температура позволяет вы-

плавлять легированные стали, которые содержат тугоплавкие элемен-

ты,— вольфрам, ванадий и молибден. При электроплавке почти пол-

ностью удаляются из металла сера и фосфор, являющиеся вредными

примесями.

Примеси, входящие в определенных количествах в состав стали,

различным образом влияют на ее качества.

Углерод — основной элемент, влияющий на свойства стали. С

увеличением в стали содержания углерода возрастает ее прочность,

но снижается пластичность и ухудшается свариваемость. Обычное

содержание углерода в строительных сталях, предназначенных для

изготовления стальных конструкций, должно быть не более 0,22%.

Марганец является полезной примесью и имеется во всех сортах ста-

ли. Он ослабляет вредное влияние серы и повышает прочность стали.

Содержание марганца в строительной стали составляет около 0,41 -

0,65%.

Кремний, как и марганец, повышает прочность стали, но ухуд-

шает ее свариваемость. Содержание кремния в строительных сталях

составляет не более 0,3%.

Сера является вредной примесью. Содержание серы в стали,

применяемой для изготовления стальных конструкций, не должно

превышать 0,055%.

Фосфор также является вредной примесью; его содержание не

должно превышать 0,05%.

Металлургическая промышленность выпускает различные по

качеству и назначению стали. Это объясняется тем, что элементы

стальных конструкций воспринимают разнообразные по действию

нагрузки: балки — изгиб, колонны — сжатие, некоторые части ферм

и арматура в железобетоне — растяжение, подкрановые пути — удар,

а изготовление стали, одинаково хорошо воспринимающей все виды

нагрузок, связано с большими затратами.

Сталь, применяемая в строительстве для изготовления стальных

конструкций, должна обладать высокой прочностью, вязкостью и хо-

рошей свариваемостью. Свойства сталей определяют области их

применения.

Углеродистые стали марок Ст. 0, Ст. 1, Ст. 2, Ст. 3, Ст. 4 и Ст. 5

поставляются в соответствии с ГОСТ 380 - 50. Сталь Ст. 3 наиболее

часто применяется в строительстве, имеет предел прочности от 38 до

47 кгс/мм2, предел текучести 24 кгс/мм2 и содержит углерода 0,14 -

0,22%. Она пластична и хорошо сваривается. Сталь Ст. 3 и близкую к

ней по свойствам сталь Ст. 4 применяют для изготовления металли-

ческих конструкций промышленных зданий и сооружений, для изго-

товления ответственных поковок и арматуры железобетона. В более

ответственных конструкциях наряду со сталью марки Ст. 3 применя-

ют сталь марок НЛ1 и НЛ2. Не допускается применение стали Ст. 3

для сварных подкрановых балок в промышленных зданиях с тяжелым

режимом работы. Сталь марки Ст. 0, имеющую низкий предел теку-

чести, малое относительное удлинение и повышенное содержание се-

ры и фосфора, разрешается применять для менее ответственных ме-

таллических конструкций зданий, а также для изготовления армату-

ры. Сталь марки Ст. 2, обладающую высокими пластическими свой-

ствами, применяют для изготовления листовые конструкций газголь-

деров, резервуаров, трубопроводов, несущих конструкций из труб и

арматуры железобетона.