Для  студентов архитектурных специальностей

Металлические конструкции

Раздел: Быт. Хозяйство. Строительство. Техника

Железо — один из наиболее распространенных в природе элементов. В земной коре его содержится около 5 %. Однако в чистом виде оно не встречается, так как легко соединяется с кислородом, образуя оксиды. Наиболее известные железные руды, из которых получают железо, — магнетит FeeCU (содержащий более 70 % железа), гематит Fe3C>3 (30—50%), лимонит FeO(OH) и др. Наряду с чистым железом в руде содержатся углерод, другие металлы, а также вредные примеси — сера, фосфор, азот и т. п.

Первичный продукт, получаемый из руды, — чугун (сплав железа с углеродом). Чугун производят в доменных печах ( 3) путем плавления при Т=1600°С железной руды с добавлением кокса и известняка; В процессе сжигания кокса происходит восстановление железа, в то же время известняк предназначен для более легкого отделения неметаллических примесей вместе со шлаком. Расплавленный чугун как более тяжелая составная часть собирается на дне печи и затем выпускается наружу в специальные изложницы. Полученный серый чугун крупнозернистой структуры с 4 %-ным содержанием углерода применяется для литья, белый чугун мелкозернистой структуры — для производства стали.

Сталь — сплав железа с углеродом, процентное содержание которого благодаря особой обработке (легированию) уменьшено до количества, не превышающего 1,2 %• В современной металлургии для получения стали из чугуна используются три способа: мартеновский, бессемеровский и томасовский. Основным сырьем, для получения стали служат белый чугун, металлолом и отходы (стальной скрап), а также добавки в виде кремния, марганца, хрома, никеля, меди и др. для получения сортов стали с заранее заданными свойствами.

Наиболее распространенный способ получения строи: тельных сталей — мартеновский ( 4). Этот .способ заключается в том, что на расплавленный чугун, помещенный в специальную печь, обложенную огнеупорами, непрерывным потоком подается воздух с горячим газом, поддерживающим t= =2000 °С. Под воздействием такой температуры из расплавленной массы в течение 4—12 ч (в зависимости от требуемого качества стали) сгорает углерод, процентное содержание которого строго контролируется.

Кислородно-конвертерный способ получения стали, получающий в последнее время все большее распространение в мировой практике, состоит в продувке через расплавленный чугун горячей смеси воздуха с кислородом под давлением (рнс. 5). В результате в расплавленном чугуне сгорают углерод и вредные примеси. В зависимости от состава внутренней огнеупорной обкладки конвертера способ называется бессемеровским  (кислая обкладка) либо томасовским (основная футеровка). Томасовский способ выплавки стали не гарантирует требуемые качества, поэтому данная сталь для строительных конструкций в стране не применяется.

Наиболее качественные многократно легированные стали получают в специальных электрических печах ( 6). Максимальная температура около 2200 °С достигается с помощью электродуги, возникающей между двумя угольными электродами. Достоинство способа в том, что на расплавленный металл не попадают вредные элементы из воздуха и газа, как это имеет место в первых двух способах. Сталь, полученная любым методом, отливается в специальные формы и отправляется в таком виде для дальнейшей обработки по производству проката, литья и других изделий.

Алюминий — самый распространенный на земле металл, он составляет около 8,1 % земной коры. Его получают из бокситов с содержанием глинозема 40—60 %, а также из нефелинов и алунитов с содержанием глинозема 22—32 %. Ввиду высокой температуры плавления глинозема (2040°С) и сравнительно низкой температуры плавления алюминия (657 °С) существует единственный способ получения алюминия е помощью электролиза глинозема. В результате электролиза, т. е. совокупности процессов электрохимического окисления-восстановления, возникающих на поверхности погруженных в электролит электродах при прохождении через них электрического тока, получают чистый алюминий.

Однако из-за невысокой прочности и быстрой окисляемости в технике чистый алюминий не применяется, а используются алюминиевые сплавы, в которых содержание алюминия составляет 90—95%, а остальное — специальные добавки, повышающие прочность и замедляющие окисляемость алюминиевого сплава.