5. Общие сведения о металлах и сплавах

5.1. Черные металлы

Металлами называют вещества, характерными признаками которых при обычных условиях являются высокая прочность, пластичность, тепло- и электропроводность, особый блеск, называемый металлическим.

Металлы разделяют на две основных группы: черные и цветные. Черные металлы – это железоуглеродистые сплавы с примесями кремния, фосфора, магния, марганца и др. Железо – один из наиболее распространенных в природе элементов. В земной коре его содержится около 5%.

В зависимости от содержания в черных металлах углерода они подразделяются на стали (содержание углерода менее 2,14%) и чугуны (содержание углерода более 2,14%). На их долю приходится около 95% производимых в мире металлов.

Производство чугуна и стали представлено на рис. 10.

Производство чугуна является первичным процессом получения металла из природного сырья – железных руд. Чугун выплавляют в доменных печах: сырьевыми материалами служат железные руды, флюсы и кокс.

Железные руды представлены магнитным железняком (Fe₃O₄), красным железняком (Fe₂O₃), бурым железняком и шпатовым железняком (FeCO₃).

Флюсы (известняк и песчаник) применяют в металлургии для понижения температуры плавления пустой породы, содержащейся в руде, и для перевода ее и золы топлива в шлак.

Кокс является продуктом переработки каменного угля без доступа воздуха. В доменном процессе кокс выполняет две функции: топлива и восстановителя железа.

Железная руда

Флюсы

В конвертерах

Изготовление конструкций и деталей

Рис. 10. Производство чугуна и стали

Восстановление железа из руды производят в доменной печи. В эту печь отдельными порциями загружают сверху руду, кокс и флюсы, а снизу подается горячий воздух, обогащенный кислородом. Образующаяся при горении кокса окись углерода восстанавливает окислы железа до чистого железа:

В нижней части печи восстановленное железо частично вступает во взаимодействие с углеродом, образуя карбид железа, который увеличивает содержание углерода в железоуглеродистом сплаве до 3-4%. Образовавшийся чугун при температуре около 1300 °С плавится и стекает в горн печи.

В результате доменного процесса получают чугун, шлак и доменный газ. Доменный шлак используют для изготовления вяжущих веществ, теплоизоляционных материалов, в дорожном и промышленном строительстве в качестве щебня.

В зависимости от назначения и свойств чугуны подразделяют на следующие виды: литейные (серые), применяемые для чугунных отливок – опорных подушек колонн, санитарно-технических изделий, труб; передельные (белые), применяемые для производства стали; специальные (ферросплавы), которые добавляют для повышения качества стали при ее производстве.

Производство стали осуществляют тремя способами: конвертерным, мартеновским и электроплавильным.

Конвертерный способ производства стали заключается в продувке воздухом расплавленного чугуна. Кислород воздуха, вступая во взаимодействие с примесями, окисляет их и переводит в шлак. Чугун, используемый для конвертерного производства, должен содержать не менее 1-1,5% кремния и 0,6-1% марганца, что обеспечивает температурный режим, необходимый для поддержания металла в жидком состоянии. Конвертерный способ обладает высокой производительностью, но сталь содержит большое количество пузырьков воздуха, снижающих качество стали, и поэтому ее нельзя применять для изготовления мостовых конструкций, ферм, рельсов.

Мартеновский способ отличается от конвертерного выплавкой стали на поду мартеновской печи. Сырьем при мартеновском способе служат чугун и стальной лом. В качестве топлива используют газ. Возможность использования стального лома является большим преимуществом мартеновского способа перед конвертерным. Этим способом получают высококачественные стали требуемого состава и свойств, используемые для изготовления ответственных строительных конструкций – ферм, мостов, балок, рельсов.

Специальные легированные стали получают в дуговых и индукционных печах. Для плавки цветных металлов и их сплавов, а также для нагревания металлов при их термической обработке или при обработке давлением применяют печи сопротивления. Наиболее распространенными при электроплавильном способе получения стали являются дуговые печи, плавление металлов в которых происходит от тепла электрической дуги. Процесс получения стали в электропечах аналогичен мартеновскому способу, отличаясь от него тем, что в электропечь не подводят топливо и воздух для его сжигания.

В зависимости от количества углерода различают сталь: низкоуглеродистую, с содержанием углерода в ней не более 0,25%; среднеуглеродистую, когда углерода в сплаве содержится от 0,25 до 0,6%; высокоуглеродистую, с содержанием углерода более 0,6% (рис. 11).

При повышении содержания углерода уменьшается пластичность и повышается хрупкость сталей. Для строительных конструкций, подвергающихся динамическим воздействиям в процессе эксплуатации или при монтаже, применяют низкоуглеродистые стали. Содержание других компонентов – кремния, марганца, фосфора, серы – может достигать в сталях более 1%, в чугунах – более 2-4%.

Для повышения технических свойств чугунов и сталей к ним добавляют различные легирующие вещества: марганец, хром, никель, молибден, алюминий, медь. Низколегированные стали содержат менее 2,5% легированных компонентов; среднелегированные – от 2,5 до 10%; высоколегированные стали – свыше 10%. Введением легирующих веществ можно существенно повысить коррозионную стойкость, ковкость, упругость и другие свойства черных металлов.