Сталь в строительстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Применения

2. Классификация

2.1 Криогенные стали

3. Характеристики стали

4. Производство стали

4.1 Кислородно-конверторный способ получения стали

4.1.1 Бессемеровский способ

4.1.2 Томасовский способ

4.2 Мартеновская печь

4.3 Электротермический способ

5. Свойства стали

5.1 Физические свойства

5.2 Зависимость свойств от состава и структуры

6. Обработка стали

6.1 Виды термообработки

6.2 Химико-термическая обработка сталей

7. Разновидности некоторых сталей

Заключение

Список литературы



Введение

Цель работы: Рассказать об основных свойствах стали и ее применение в строительстве.

Задачи: 1) Сформулировать основное понятие сталь.

2)Рассказать об основных физических и химических свойствах.

3)Рассказать о применении стали в современном строительстве.

Вам когда-нибудь приходилось видеть кусок настоящего железа? Скорее всего, нет: его очень сложно получить и это недешево стоит, а главное, из него не сделаешь почти ничего полезного. С давних пор люди по привычке говорят: «железный гвоздь», «железная дорога», «железное ведро». На самом деле и гвозди, и ведра, и рельсы сделаны не из железа, а из сплавов железа с другими веществами.

Чистое железо -- очень хрупкий и мягкий металл. Если же расплавить железо и к нему добавить немного углерода, то после застывания получится твердая и прочная сталь. Именно из нее сделаны многие окружающие нас вещи, которые мы неправильно называем железными. Сталь -- это затвердевшая смесь железа и углерода (их сплав).



1. Применения

сталь строительство конверторный железо

Сталь -- важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта, строительства и прочих отраслей промышленности.

Стали с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении -- для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок.

Пружины, рессоры машин и упругие элементы приборов характеризуются многообразием форм, размеров, различными условиями работы. Особенность их работы состоит в том, что при больших статических, циклических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная деформация. В связи с этим все пружинные сплавы, кроме механических свойств, характерных для всех конструкционных материалов (прочности, пластичности, вязкости, выносливости), должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям. В условиях кратковременного статического нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном статическом или циклическом нагружении -- релаксационной стойкостью.



2. Классификация

Существует множество способов классификации сталей, таких как по назначению, по химическому составу, по качеству, по структуре.

По назначению стали делятся на множество категорий, таких как конструкционные стали, коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали, инструментальные стали, жаропрочные стали, криогенные стали.

По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные; в том числе по содержанию углерода -- на низкоуглеродистые (до 0,25 % С), среднеуглеродистые (0,3--0,55 % С) и высокоуглеродистые (0,6--2 % С); легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные -- до 4 % легирующих элементов, среднелегированные -- до 11 % легирующих элементов и высоколегированные -- свыше 11 % легирующих элементов.

Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.

По структуре сталь разделяется на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную и перлитную. Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.

2.1 Криогенные стали

Криогенные стали обладают достаточной прочностью при нормальной температуре в сочетании с высоким сопротивлением хрупкому разрушению при низких температурах. К этим сталям нередко предъявляют требования высокой коррозийной стойкости. В качестве криогенных сталей применяют низкоуглеродистые никелевые стали и стали аустенитного класса, несклонные к хладноломкости. Для сварных конструкций, работающих при температуре до -196°С, используют стали с 6-7% Ni (ОН6А) и 8.5-9.5% Ni (ОН9А) , обладающие низким порогом хладноломкости.

Из этих сталей изготовляют цилиндрические или сферические резервуары для хранения и транспортировки сжиженных газов при температуре не ниже -196°С. Сталь 10Х14Г14Н4Т -- s в =620МПа, s 0.2 =280МПа, d=45%, y=60%



3. Характеристики стали

Плотность: 7700--7900 кг/мі,

Удельный вес: 75500--77500 Н/мі (7700--7900 кгс/мі в системе МКГСС),

Удельная теплоемкость при 20 °C: 462 Дж/(кг*°C) (110 кал/(кг*°C)),

Температура плавления: 1450--1520 °C,

Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг (20 ккал/кг, 23 Вт*ч/кг),

Коэффициент теплопроводности при температуре 100 °C[5]

Хромоникельвольфрамовая сталь 15,5 Вт/(м*К)

Хромистая сталь 22,4 Вт/(м*К)

Молибденовая сталь 41,9 Вт/(м*К)

Углеродистая сталь (марка 30) 50,2 Вт/(м*К)

Углеродистая сталь (марка 15) 54,4 Вт/(м*К)

Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около 20 °C:

сталь Ст3 (марка 20) 11{,}9\cdot10^{-6} 1/°C

сталь нержавеющая 11{,}0\cdot10^{-6} 1/°C

Предел прочности стали при растяжении:

сталь для конструкций 373--412 МПа

сталь кремнехромомарганцовистая 1,52 ГПа

сталь машиностроительная (углеродистая) 314--785 МПа

сталь рельсовая 690--785 МПа



4. Производство стали

Суть процесса переработки чугуна на сталь состоит в уменьшении до нужной концентрации содержания углерода и вредных примесей -- фосфора и серы, которые делают сталь хрупкой и ломкой. В зависимости от способа окисления углерода существуют различные способы переработки чугуна на сталь: конверторный, мартеновский и электротермический. К финансовому кризису в 2008 году Украина оставалась одной из немногих стран, где широко использовался мартеновский способ выплавки стали, достаточно энергозатратный и экологически вредный. Сейчас большинство мартеновских печей на Украине выведено из эксплуатации, а те, что остались, вскоре также будут закрыты. Мартеновский способ выплавки стали не выдерживает конкуренции, обострившейся на мировых рынках после 2008 г. Таким образом, сейчас на Украине, как и во всем мире, подавляющее большинство стальной продукции производится конвертерным способом. Украина по состоянию на 2008 г. занимает пятое место в мире по объёмам экспорта стали, 76,46 % стали, производимой на мировом рынке, приходится на десять ведущих стран.

4.1 Кислородно-конверторный способ получения стали

По этому способу окисления избыток углерода и других примесей чугуна окисляют в присутствии кислородом воздуха, который продувают сквозь расплавленный чугун под давлением в специальных печах -- конверторах. Конвертер представляет собой грушевидную стальную печь, футерованную внутри огнеупорным кирпичом. Он может поворачиваться вокруг своей оси. Емкость конвертора 50-60 т. Материалом его футеровки служит либо динас (в состав которого входят главным образом SiO2; имеющий кислотные свойства), или доломитная масса (смесь CaO и MgO), которые получают из доломита MgCO3 * CaCO3. Эта масса имеет основные свойства. В зависимости от материала футеровки печи конверторный способ разделяют на два вида: бессемеровский и томасовский.

4.1.1 Бессемеровский способ

Бессемеровским способом перерабатывают чугуны, содержащие мало фосфора и серы и богатые кремнием (не менее 2 %). При продувке кислорода сначала окисляется кремний с выделением значительного количества тепла. Вследствие этого начальная температура чугуна примерно с 1300° C быстро поднимается до 1500--1600° С. Выгорания 1 % Si обусловливает повышение температуры на 200° C. Около 1500° C начинается интенсивное выгорание углерода. Вместе с ним интенсивно окисляется и железо, особенно к концу выгорания кремния и углерода:

Si + O2 = SiO2

2C + O2 = 2CO ^

2Fe + O2 = 2FeO

Образующийся монооксид железа FeO хорошо растворяется в расплавленном чугуне и частично переходит в сталь, а частично реагирует с SiO2 и в виде силиката железа FeSiO3 переходит в шлак:

FeO + SiO2 = FeSiO3

Фосфор полностью переходит из чугуна в сталь, так P2О5 при избытке SiO2 не может реагировать с основными оксидами, поскольку SiO2 с последними реагирует более энергично. Поэтому фосфористые чугуны перерабатывать в сталь этим способом нельзя.

Все процессы в конверторе идут быстро -- в течение 10--20 минут, так как кислород воздуха, продуваемый через чугун, реагирует с соответствующими веществами сразу по всему объёму металла. При продувке воздухом, обогащенным кислородом, процессы ускоряются. Монооксид углерода CO, образующийся при выгорании углерода, пробулькивает вверх, сгорает там, образуя над горловиной конвертора факел светлого пламени, который по мере выгорания углерода уменьшается, а затем совсем исчезает, что и служит признаком окончания процесса. Получаемая при этом сталь содержит значительные количества растворенного монооксида железа FeO, который сильно снижает качество стали. Поэтому перед разливкой сталь надо обязательно раскислить с помощью различных раскислителей -- ферросилиция, ферроманганца или алюминия:

2FeO + Si = 2Fe + SiO

FeO + Mn = Fe + MnO

3FeO + 2Al = 3Fe + Al2О3

Монооксид марганца MnO как основной оксид реагирует с SiO2 и образует силикат марганца MnSiO3, который переходит в шлак. Оксид алюминия как нерастворимое при этих условиях вещество тоже всплывает наверх и переходит в шлак. Несмотря на простоту и высокую продуктивность, бессемеровский способ теперь не слишком распространен, поскольку он имеет ряд существенных недостатков. Так, чугун для бессемеровского способа должен быть с наименьшим содержанием фосфора и серы, что далеко не всегда возможно. При этом способе происходит очень большое выгорание металла, и выход стали составляет лишь 90 % от массы чугуна, а также расходуется много раскислителей. Серьезным недостатком является невозможность регулирования химического состава стали.

Бессемеровская сталь содержит обычно менее 0,2 % углерода и используется как техническое железо для производства проволоки, болтов, кровельного железа и т. п.



4.1.2 Томасовский способ

Томасовским способом перерабатывают чугун с большим содержанием фосфора (до 2 % и более). Основное отличие этого способа от бессемеровского заключается в том, что футеровку конвертера делают из оксидов магния и кальция. Кроме того, к чугуну добавляют ещё до 15 % CaO. Вследствие этого шлакообразующие вещества содержат значительный избыток оксидов с основными свойствами.

В этих условиях фосфатный ангидрид P2O5, который возникает при сгорании фосфора, взаимодействует с избытком CaO с образованием фосфата кальция, переходит в шлак:

4P + 5O2 = 2P2О5 P2О5 + 3CaO = Ca3(РО4)2

Реакция горения фосфора является одним из главных источников тепла при этом способе. При сгорании 1 % фосфора температура конвертора поднимается на 150 ° C. Сера выделяется в шлак в виде нерастворимого в расплавленной стали сульфида кальция CaS, который образуется в результате взаимодействия растворимого FeS с CaO по реакции:

FeS + CaO = FeO + CaS

Все последние процессы происходят так же, как и при бессемеровском способе. Недостатки Томасовского способа такие же, как и бессемеровского. Томасовская сталь также малоуглеродная и используется как техническое железо для производства проволоки, кровельного железа и т. п. В СССР Томасовский способ применяли для переработки фосфористого чугуна с керченского бурого железняка. Получаемый при этом шлак содержит до 20 % P2O5. Его размалывают и применяют как фосфорное удобрение на кислых почвах.



4.2 Мартеновская печь

Мартеновский способ отличается от конверторного тем, что выжигание избытка углерода в чугуне происходит не только за счет кислорода воздуха, но и кислорода оксидов железа, которые добавляются в виде железной руды и ржавого железного лома.

Мартеновская печь состоит из плавильной ванны, перекрытой сводом из огнеупорного кирпича, и особых камер регенераторов для предварительного подогрева воздуха и горючего газа. Регенераторы заполнены насадкой из огнеупорного кирпича. Когда первые два регенератора нагреваются печными газами, горючий газ и воздух вдуваются в печь через раскаленные третий и четвёртый регенераторы. Через некоторое время, когда первые два регенератора нагреваются, поток газов направляют в противоположном направлении и т. д. Плавильные ванны мощных мартеновских печей имеют длину до 16 м, ширину до 6 м и высоту более 1 м. Вместимость таких ванн достигает 500 т стали. В плавильную ванну загружают железный лом и железную руду. К шихте добавляют также известняк как флюс. Температура печи поддерживается при 1600--1650° C и выше. Выгорания углерода и примесей чугуна в первый период плавки происходит главным образом за счет избытка кислорода в горючей смеси с теми же реакциями, что и в конверторе, а когда над расплавленным чугуном образуется слой шлака -- за счет оксидов железа

4Fe2О3 + 6Si = 8Fe + 6SiO2

2Fe2О3 + 6Mn = 4Fe + 6MnO

Fe2О3 + 3C = 2Fe + 3CO ^

5Fe2О3 + 2P = 10FeO + P2О5

FeO + С = Fe + CO ^



Вследствие взаимодействия основных и кислотных оксидов образуются силикаты и фосфаты, которые переходят в шлак. Сера тоже переходит в шлак в виде сульфида кальция:

MnO + SiO2 = MnSiO3

3CaO + P2О5 = Ca3(РО4)2

FeS + CaO = FeO + CaS

Мартеновские печи, как и конверторы, работают периодически. После разливки стали печь снова загружают шихтой и т. д. Процесс переработки чугуна в сталь в мартенах происходит относительно медленно в течение 6-7 часов. В отличие от конвертора, в мартенах можно легко регулировать химический состав стали, добавляя к чугуну железный лом и руду в той или иной пропорции. Перед окончанием плавки нагрева печи прекращают, сливают шлак, а затем добавляют раскислители. В мартенах можно получать и легированную сталь. Для этого в конце плавки добавляют к стали соответствующие металлы или сплавы.

4.3 Электротермический способ

Электротермический способ имеет перед мартеновским и особенно конверторным целый ряд преимуществ. Этот способ позволяет получать сталь очень высокого качества и точно регулировать её химический состав. Доступ воздуха в электропечь незначительный, поэтому значительно меньше образуется монооксида железа FeO, загрязняющего сталь и снижающего её свойства. Температура в электропечи -- не ниже 2000° C. Это позволяет проводить плавку стали на сильно основных шлаках (которые трудно плавятся), при которых полнее удаляется фосфор и сера. Кроме того, благодаря очень высокой температуре в электропечах можно легировать сталь тугоплавкими металлами -- молибденом и вольфрамом. Но в электропечах расходуется очень много электроэнергии -- до 800 кВт / ч на 1 т стали. Поэтому этот способ применяют только для получения высококачественной спецстали.

Электропечи бывают разной емкости -- от 0,5 до 180 т. Футеровку печи делают обычно основной (с CaO и MgO). Состав шихты может быть разный. Иногда она состоит на 90 % из железного лома и на 10 % из чугуна, иногда в ней преобладает чугун с добавками в определенной пропорции железной руды и железного лома. К шихте добавляют также известняк или известь как флюс. Химические процессы при выплавке стали в электропечах те же, что и в мартенах.



5. Свойства стали

5.1 Физические свойства

плотность с ? 7,86 г / см3; коэффициент линейного теплового расширения б = 11 … 13 * 10?6 K?1;

коэффициент теплопроводности k = 58 Вт / (м * K);

модуль Юнга E = 210 ГПа;

модуль сдвига G = 80 ГПа;

коэффициент Пуассона н = 0,28 … 0,30;

удельное сопротивление (20 ° C , 0,37-0,42 % углерода) = 1,71 * 10?7 Ом * м

5.2 Зависимость свойств от состава и структуры

Свойства сталей зависят от их состава и структуры, которые формируются присутствием и процентным содержанием следующих составляющих.

Углерод -- элемент, с увеличением содержания которого в стали увеличивается её твердость и прочность, при этом уменьшается пластичность.

Кремний и марганец в пределах (0,5 … 0,7 %) существенного влияния на свойства стали не оказывают.

Сера является вредной примесью, образует с железом химическое соединение FeS (сернистое железо). Сернистое железо в сталях образует с железом эвтектику с температурой плавления 1258 К, которая обусловливает ломкость материала при обработке давлением с подогревом. Указанная эвтектика при термической обработке расплавляется, в результате чего между зернами теряется связь с образованием трещин. Кроме этого, сера уменьшает пластичность и прочность стали, износостойкость и коррозионную стойкость.

Фосфор также является вредной примесью, т.к. придает стали хладноломкость (хрупкость при пониженных температурах). Это объясняется тем, что фосфор вызывает сильную внутрикристаллическую ликвацию.

Феррит -- железо с объемноцентрированной кристаллической решеткой и сплавы на его основе является фазой мягкой и пластичной.

Цементит -- карбид железа, химическое соединение с формулой Fe3C, наоборот, предоставляет стали твердость и хрупкость.

Перлит -- эвтектоидная смесь двух фаз -- феррита и цементита, содержит 1/8 цементита и поэтому имеет повышенную прочность и твердость по сравнению с ферритом. Поэтому доэвтектоидные стали гораздо более пластичны, чем заэвтектоидные.

Стали содержат до 2,14 % углерода. Фундаментом науки о стали как сплава железа с углеродом является диаграмма состояния сплавов железо-углерод -- графическое отображение фазового состояния сплавов железа с углеродом в зависимости от их химического состава и температуры. Для улучшения механических и других характеристик сталей применяют легирование. Главная цель легирования подавляющего большинства сталей -- повышение прочности за счет растворения легирующих элементов в феррите и аустените, образования карбидов и увеличения прокаливаемости. Кроме того, легирующие элементы могут повышать устойчивость против коррозии, термостойкость, жаропрочность и др. Такие элементы, как хром, марганец, молибден, вольфрам, ванадий, титан образуют карбиды, а никель, кремний, медь, алюминий карбидов не образуют. Кроме того, легирующие элементы уменьшают критическую скорость охлаждения при закалке, что необходимо учитывать при назначении режимов закалки (температуры нагрева и среды для охлаждения). При значительном количестве легирующих элементов может существенно измениться структура, что приводит к образованию новых структурных классов по сравнению с углеродистыми сталями.



6. Обработка стали

6.1 Виды термообработки

Сталь в исходном состоянии достаточно пластична, её можно обрабатывать путем деформирования: ковать, вальцеваты, штамповать. Характерной особенностью стали является её способность существенно изменять свои механические свойства после термической обработки сущность которой заключается в изменении структуры стали при нагреве, выдержке и охлаждении, согласно специальному режиму. Различают следующие виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалки, отпуск.

Чем богаче сталь на углерод, тем она тверже после термической обработки. Сталь с содержанием углерода до 0,3 % (техническое железо) практически закаливанию не поддается.

6.2 Химико-термическая обработка сталей

Химико-термическая обработка сталей в дополнение к изменениям в структуре стали также приводит к изменению химического состава поверхностного слоя путем добавления различных химических веществ до определенной глубины поверхностного слоя. Эти процедуры требуют использования контролируемых систем нагрева и охлаждения в специальных средах. Среди наиболее распространенных целей, относящихся при использовании этих технологий, является повышение твердости поверхности при высокой вязкости сердцевины, уменьшение сил трения, повышения износостойкости, повышения устойчивости к усталости и улучшения коррозионной стойкости. К этим методам относятся:

Цементация (C) увеличивает твердость поверхности мягкой стали из-за увеличения концентрации углерода в поверхностных слоях.

Азотирование (N), как и цементация, увеличивает поверхностную твердость и износостойкость стали.

Цианирование и нитроцементация (N + C) -- это процесс одновременного насыщения поверхности сталей углеродом и азотом. При цианировании используют расплавы солей, имеющих в своем составе группу NaCN, а при нитроцементации -- смесь аммиака с газами, которые имеют в составе углерод (СО, СН4 и др.). После цианирования и нитроцементации проводят закаливание и низкий отпуск.

Сульфатирование (S) -- насыщение поверхности серой улучшает приработки трущихся поверхностей деталей, уменьшается коэффициент трения.



7. Разновидности некоторых сталей

Марки стали Термообработка Твердость (сердцевина-поверхность)

35 нормализация 163--192 HB

40 улучшение 192--228 HB

45 нормализация 179--207 HB

45 улучшение 235--262 HB

55 закалка и высокий отпуск 212--248 HB

60 закалка и высокий отпуск 217--255 HB

70 закалка и высокий отпуск 229--269 HB

80 закалка и высокий отпуск 269--302 HB

У9 отжиг 192 HB

У9 закалка 50--58 HRC

У10 отжиг 197 HB

У10 закалка 62--63 HRC

40Х улучшение 235--262 HB

40Х улучшение+закалка токами выс. частоты 45-50 HRC; 269--302 HB

40ХН улучшение 235--262 HB

40ХН улучшение+закалка токами выс. частоты 48-53 HRC; 269--302 HB

35ХМ улучшение 235--262 HB

35ХМ улучшение+закалка токами выс. частоты 48-53 HRC; 269--302 HB

35Л нормализация 163--207 HB

40Л нормализация 147 HB

40ГЛ улучшение 235--262 HB

45Л улучшение 207--235 HB



Заключение

Человек с самого раннего возраста привыкает к окружающим его металлическим предметам домашнего обихода. Мы к ним настолько привыкли, что не замечаем и не задумываемся, откуда они берутся.

Современную жизнь нельзя представить без таких металлов и сплавов, как чугун, сталь, алюминий, медь, титан, бронза, золото, серебро и др. Будущее человечества тесно связано с использованием новых сплавов и металлов на металлической основе. Металл - фундамент современной цивилизации, основа основ технического прогресса. И чем выше поднимается человечество по ступеням развития, тем больше его нужда в металлах.



Литература

1) Major steel-producing countries, 2005 and 2006

2) Top steel-producing companies, 2005 and 2006

3) Обрабатываемые материалы. Классификация и маркировка сталей, чугунов и цветных сплавов.

4) Марочник металлов и сплавов более 1600 марок металлов и сплавов.

5) Соответствие марок сплавов по ANSI, ASME, DIN, JIS, ГОСТ и т. д.

6) http://www.km.ru/referats/4122B36E95FD455E8D948456FEC59BEA

7) http://bibliofond.ru/view.aspx?id=8383

8) http://fullref.ru/job_7eefc355a2de73a99fea5612e50ebaca.html

9) Общая химия. Н. В. Коровин. 1998г.

Размещено на Allbest.ru

...