Металлы в строительстве, металлические конструкции

Министерство  образования и науки РФ

Казанский государственный  архитектурно – строительный университет

Кафедра строительных материалов

РЕФЕРАТ

МЕТАЛЛЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ, МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ

Выполнил: студент  гр № 11-404

Хайруллина  Г.

Проверил: к.т.н. доцент

Халиуллин М.И.

Казань, 2011 г.

Оглавление

Введение

Металлы – наиболее распространенные и широко используемые материалы в производстве и в  быту человека. Особенно велико значение металлов в наше время, когда большое их количество используют в машиностроительной промышленности, на транспорте, в промышленном, жилищном и дорожном строительстве, а также в других отраслях народного хозяйства.

В технологии металлов изучаются свойства металлов, а также практика и теория их получения и обработки. Составными частями технологии металлов являются: металлургия, металлография, термическая обработка металлов, химико-термическая обработка, литейное производство, обработка металлов давлением, сварочное производство, обработка металлов резанием и электрическая обработка металлов.

В процессе развития перечисленных отраслей производства, в результате накопившихся опыта, знаний и их обобщения, а также развития смежных наук (физики, химии и др.), каждая из этих отраслей явилась предметом специальной науки под тем же названием.

Так, например, металлургия — наука, изучающая  способы получения металлов и сплавов. Термическая обработка — наука об изменении механических и физических свойств вследствие нагревания и охлаждения сплавов и т. д.

Самостоятельной наукой является металлография, изучающая  структуру (строение) металлов и зависимость  их свойств от структуры.

В своем реферате я хочу раскрыть темы, как история  развития металлов и металлических конструкций, классификацию, используемые сырьевые материалы при их изготовлении, технологические процессы, свойства продукции, ТЭП при производстве.

1. Историческая справка

История развития металлических конструкций в России

 Понятие  "металлические конструкции"  включает в себя их конструктивную  форму, технологию изготовления  и способы монтажа. Уровень  развития металлических конструкций  определяется, с одной стороны,  потребностями в них народного  хозяйства, а с другой —  возможностями технической базы: развитием металлургии, металлообработки, строительной науки и техники. Исходя из этих положений история развития металлических конструкций может быть разделена на пять периодов.

Первый  период (с XII до начала XVII в.) характеризуется применением металла в уникальных по тому времени сооружениях (дворцах, церквах и т.п.) в виде затяжек и скреп для каменной кладки. Затяжки выковывали из кричного железа и скрепляли через проушины на штырях. Одной из первых конструкций такого типа являются затяжки Успенского собора во Владимире. По зрелости конструктивного решения выделяется металлическая конструкция, поддерживающая каменный потолок и пол чердака над коридором между притворами Покровского собора — храма Василия Блаженного. Это первая известная нам конструкция, состоящая из стержней, работающих на растяжение, изгиб и сжатие. Затяжки, поддерживающие пол и потолок в этой конструкции, укреплены для облегчения работы на изгиб подкосами.

 Поражает, что  уже в те времена конструктор  знал, что для затяжек, работающих на изгиб, надо применять полосу, поставленную на ребро, а подкосы, работающие на сжатие, лучше делать квадратного сечения.

Второй  период (с начала XVII до конца XVIII в.) связан с применением наклонных металлических стропил и пространственных купольных конструкций ("корзинок") глав церквей. Стержни конструкций выполнены из кованых брусков и соединены на замках и скрепах горновой сваркой. Конструкции такого типа сохранились до наших дней. Примерами служат перекрытия пролетом 18 м над трапезной Троице-Сергиевой лавры в Сергиевом посаде, перекрытие старого здания Большого Кремлевского дворца в Москве, каркас купола колокольни Ивана Великого, каркас купола Казанского собора в Петербурге пролетом 15 м и др.

Третий  период (с начала XVIII до середины XIX в.) связан с освоением процесса литья чугунных стержней и деталей. Строятся чугунные мосты и конструкции перекрытий гражданских и промышленных зданий. Соединения чугунных элементов осуществляются на замках или болтах. Первой чугунной конструкцией в России считается перекрытие крыльца Невьянской башни на Урале. В 1784 г. в Петербурге был построен первый чугунный мост. Совершенства чугунные конструкции в России достигли в середине XIX столетия. Уникальной чугунной конструкцией 40-х годов XIX в. является купол Исаакиевского собора, собранный из отдельных косяков в виде сплошной оболочки.

Чугунная арка пролетом 30 м применена в перекрытии Александрийского театра в Петербурге. В 50-е годы XIX в. в Петербурге был  построен Николаевский мост с восемью арочными пролетами от 33 до 47 м, являющийся самым крупным чугунным мостом мира. В этот же период наслонные стропила постепенно трансформируются в смешанные железочугунные треугольные фермы.

 Сначала  в фермах не было раскосов, они появились в конце рассматриваемого периода. Сжатые стержни ферм часто выполняли из чугуна, а растянутые — из железа. В узлах элементы соединялись через проушины на болтах. Отсутствие в этот период прокатного и профильного металла ограничивало конструктивную форму железных стержней прямоугольным или круглым сечением. Однако преимущества фасонного профиля уже были оценены, и стержни уголкового или швеллерного сечения изготовляли гнутьем или ковкой нагретых полос.

Четвертый период (с 30-х годов XIX в. до 20-х годов XX в.) связан с быстрым техническим прогрессом во всех областях техники того времени и, в частности, в металлургии и металлообработке. В начале XIX в. кричный процесс получения железа был заменен более совершенным — пудлингованием, а в конце 80-х годов — выплавкой железа из чугуна в мартеновских и конвертерных печах.

 Наряду с  уральской базой была создана  в России южная база металлургической  промышленности. В 30-х годах XIX в. появились заклепочные соединения, чему способствовало изобретение  дыропробивного пресса; в 40-х годах был освоен процесс получения профильного металла и прокатного листа. В течение ста последующих лет все стальные конструкции изготовлялись клепаными.

Сталь почти полностью  вытеснила из строительных конструкций  чугун, будучи материалом более совершенным по своим свойствам (в особенности при работе на растяжение) и лучше поддающимся контролю и механической обработке.

 В России до конца  XIX в. промышленные и гражданские  здания строились в основном  с кирпичными стенами и небольшими  пролетами, для перекрытия которых использовались треугольные металлические фермы. Конструктивная форма этих ферм постепенно совершенствовалась: решетка получила завершение с появлением раскосов; узловые соединения вместо болтовых на проушинах стали выполнять заклепочными с помощью фасонок.

 В конце прошлого  столетия применялись решетчатые  каркасы рамно-арочной конструкции  для перекрытия зданий значительных  пролетов. Примерами являются покрытия  Сенного рынка в Петербурге  пролетом 25 м, Варшавского рынка  пролетом 16 м, покрытие Гатчинского вокзала и др.

Пятый период (послереволюционный) начинается с 20-х годов, с первой пятилетки, когда государство приступило к осуществлению широкой программы индустриализации страны. К концу 40-х годов клепаные конструкции были почти полностью заменены сварными, более легкими, технологичными и экономичными. Развитие металлургии уже в 30-е годы позволило применять в металлических конструкциях вместо обычной малоуглеродистой стали более прочную низколегированную сталь (сталь кремнистую для железнодорожного моста через р. Ципу в Закавказье и сталь ДС для Дворца Советов и москворецких мостов).

 В начале 30-х годов  стала оформляться советская  школа проектирования металлических  конструкций. В связи с развитием  металлургии и машиностроения  строилось много промышленных зданий с металлическим каркасом.

 Стальные каркасы промышленных  зданий оказались ведущей конструктивной  формой металлических конструкций,  определяющей общее направление  их развития. Советская школа  постепенно отходила от европейских  схем компоновки поперечных рам каркаса, для которых характерны стремление приблизить конструктивную схему к расчетным предпосылкам и введение большого числа шарниров, что усложняло монтаж и изготовление конструкций. Такие схемы не отвечали требованиям эксплуатации в отношении поперечной жесткости зданий в связи с увеличением размеров пролетов, высоты и, главное, грузоподъемности и интенсивности движения мостовых кранов.

 Требованиям эксплуатации  и высоких темпов строительства  в большей степени отвечали  сложившиеся к тому времени схемы конструирования поперечных рам с жестким сопряжением колонн с фундаментами и ригелями. Советские проектировщики взяли за основу эти схемы и улучшили их путем аналитического определения оптимальных геометрических соотношений элементов, схемы решеток и т.п.

 В годы Великой Отечественной  войны 1941—1945 гг. несмотря на временную  потерю южной металлургической  базы и большой расход металла  на нужды войны в промышленном  строительстве и мостостроении  на Урале и в Сибири широко  использовались металлические конструкции, лучше других отвечавшие основной задаче военного времени — скоростному строительству.

 В 50—70-е годы строительство  металлических конструкций развивалось  с соблюдением основных принципов  советской школы проектирования, установленных еще в довоенный период: экономия стали, упрощение изготовления, ускорение монтажа. Для этих лет характерно широкое применение стали в промышленных сооружениях больших размеров с тяжелыми технологическими нагрузками. Построены такие уникальные промышленные здания, как сборочный цех пролетом 120 м с кранами грузоподъемностью 30 т, подвешенными к стропильным фермам на отметке 57 м, и двухпролетное здание с кранами грузоподъемностью 1200 и 600 т.[1]

2. Классификация

Классификация металлов может быть основана на различных признаках: по объему и частоте использования, физико-химическим свойствам и др.

По объему и частоте  использования металлов в технике их  можно разделить на металлы технические и редкие. Технические  металлы — это наиболее часто применяемые; к ним относятся железо Fe, медь Си, алюминий А1, магний Mg, никель Ni, титан Ti, свинец РЬ, цинк Zn, олово Sn. Все остальные металлы — редкие (ртуть Hg,  натрий Na, серебро Ag, золото Аи, платина Pt, кобальт Со, хром Сг, молибден Мо, тантал Та, вольфрам W и др.).

Железо в чистом виде используется чрезвычайно редко. Обычно используют железоуглеродистые (Fe-C) сплавы — стали и чугуны, которые образуют группу черных металлов. Все остальные  представляют группу цветных металлов. На долю черных металлов  приходится ~85 % всех производимых металлов, а на долю цветных -15 %.

По физико-химическим свойствам металлы можно разделить на шесть основных групп.

Магнитные — Fe, Co, Ni обладают ферромагнитными свойствами. Сплавы на основе Fe (стали и чугуны) являются главными  конструкционными материалами; сплавы на основе Fe, Co и Ni  являются основными магнитными материалами (ферромагнетиками).

Тугоплавкие — металлы, у которых температура плавления выше, чем у Fe (1539 °С); это W (3380 °С), Та (2970 °С), Мо (2620 °С), Сг (1900 °С), Pt (1770 °С), Ti (1670 °С) и др. Применяют их как самостоятельно, так и в виде добавок в стали, работающие, в частности, при высокой температуре.

Легкоплавкие — имеют 7^ ниже 500 °С; к ним относятся: Zn (419 °С), РЬ (327 °С), кадмий Cd (321 °С), таллий Т1 (303 °С),  висмут Bi (271 °С), олово Sn (232 °С), индий In (156 °С), Na (98 °С), Hg (—39 °С) и др. Назначение их самое различное:  антикоррозионные покрытия, антифрикционные сплавы, проводниковые  материалы.

Из тугоплавких и легкоплавких металлов перечислены наиболее распространенные, хотя известны и такие тугоплавкие металлы, как, например, рений Re (3180 °С), осмий Os (3000 °С), ниобий Nb (2470 °С), а из легкоплавких — литий Li (180 °С), калий К (68 °С), рубидий Rb (39 °С), цезий Cs (28 °С).

Легкие металлы имеют  плотность не более 2,75 Мг/м3; к ним относится А1, плотность — 2,7, Cs — 1,90, бериллий Be — 1,84, Mg —1,74, Rb — 1,53; Na — 0,97, Li — 0,53 Мг/м3 и др. Эти металлы 337 применяют для производства сплавов, используемых в конструкциях с ограничениями в массе.

Благородные — в электротехнике применяют Аи, Ag, Pt, палладий Pd, а также металлы платиновой группы: иридий 1г, родий Rh, осмий Os, рутений Ru. Эти металлы и сплавы на их основе обладают высокой химической стойкостью, в том числе и при повышенных температурах. Их используют в производстве ответственных контактов, выводов интегральных микросхем и других полупроводниковых приборов, термометров сопротивления и термопар, нагревательных элементов, работающих в особых условиях.

Редкоземельные — лантаноиды; их применяют как присадки в различных сплавах. Сплавы (RM) металлов группы железа (М) с   редкоземельными элементами (R) являются весьма перспективными магнитотвердыми материалами.

Классифицируются  металлы и по другим признакам, например в электротехнике по значению электропроводности: хорошо и плохо проводящие электрический ток; к первым относится большинство металлов, они хорошо проводят электрический ток и пластичные. Ко вторым — элементы V группы периодической системы Д.И.  Менделеева — это висмут Bi, сурьма Sb, мышьяк As, они плохо проводят ток и хрупкие, их иногда называют полуметаллами.[2]

3. Сырьевые материалы

4. Основные технологические процессы и оборудование

Рис. 4.1 Технологическая схема производства стали

Качество стали - характеристика многомерная, хорошо описываемая матрицей свойств, составов и т.д. Металл может оказаться  непригодным даже когда не выполнено  хотя бы одно из условий работоспособности. А выполнимость почти каждой из норм сегодня зависит не от одного агрегата или режима, а от всей технологической цепочки. Поэтому не только уровень, но и полный перечень обязательных материаловедческих и технологических норм для продукции - предмет обстоятельного анализа перед разработкой любых металлических изделий.

В этой связи  современная технология производства высококачественной стали должна обеспечивать строгое соответствие технологических  параметров заданным значениям. Для  достижения этого в технологических указаниях должны быть оговорены каждый из этапов сталеплавильного передела: от подбора шихты, до сдачи слитка. Ниже кратко рассмотрена общепринятая сегодня концепция технологии производства стали для ответственных изделий машиностроения. Технология должна быть основана на постоянном экспрессном контроле технологических параметров и направлена на получение заданного стандартного состояния металла перед разливкой, определяемого требованиями к свойствам готовой металлопродукции. Технологическая цепочка при этом должна обязательно включать следующие этапы:

-подготовка шихтовых материалов с целью обеспечения заданного содержания цветных и других неудаляемых примесей в конечном металле и снижения расхода электроэнергии (за счет подбора размеров компонентов шихты).

-получение полупродукта с заданным содержанием примесных и легирующих элементов, заданным содержанием углерода, активностью кислорода и, конечно, с заданной температурой;

-отсечку печного шлака при выпуске или на специальном стенде с целью предотвращения ресульфурации, рефосфорации и вторичного окисления;

-наведение нового высокоосновного шлака;

-максимально раннее после выпуска глубокое  (аО  < 10 ppm) раскисление металла;

-вакуумирование, причем если требуется глубокая десульфурация ([S] < 0,002 %) более предпочтительно ковшевое вакуумирование, где имеет место наиболее интенсивное и полное перемешивание металла со шлаком;

-если требуется достаточно продолжительная внепечная обработка необходимо устройство для нагрева металла;

-обработку металла кальцийсодержащими материалами с помощью трайб-технологии;

-разливку металла из стандартного состояния (описываемого такими параметрами, как температура, окисленность и содержание водорода и азота) с обязательной защитой от вторичного окисления.

Детальные корректировки технологии определяются индивидуальными условиями предприятия. В любом случае, разработка комплексной технологии производства высококачественных марок стали для конкретного предприятия предполагает:

-проведение комплексного технико-экономического анализа проекта;

-выполнение проектно-конструкторских работ;

-обоснование и разработка оптимальных технологических решений и маршрутов;

-поставка необходимого набора оборудования;

- освоение оборудования, технологии и обеспечение ее устойчивой длительной эксплуатации (гарантийное и послегарантийное обслуживание);

-мировой уровень качества и конкурентоспособность выпускаемой продукции.

Ниже рассмотрены  четыре основных этапа металлургического  передела: подготовка шихты, выплавка, внепечная обработка и разливка. Рассмотренная схема относится к машиностроительным заводом, на которых плавление осуществляют в дуговых печах, а сталь разливаю в слитки.

Подготовка шихты

Основным сырьем для выплавки стали в электродуговых печах, в отличие от конвертеров, является твердая металлошихта, состоящая преимущественно из металлоотходов собственных металлургических производств и поступающего со стороны товарного лома. К регламентируемым показателям качества металлошихты во всем мире относят, прежде всего, такие факторы, как определенность химического состава, насыпная плотность и габаритные размеры отдельных составляющих шихты.

Требования  к химическому составу металлической  части шихты предъявляют, исходя из заданного содержания в готовом  металле не удаляемых в ходе металлургического  передела элементов. Так, если низкое содержание серы и фосфора, а также газов может быть достигнуто за счет оптимизации режима выплавки и рафинирования в открытых плавильных агрегатах и технологии внепечной обработки в ковше, то удаление мышьяка и примесей цветных металлов при выплавке стали в открытых агрегатах практически невозможно, а её рафинирование в процессе вакуумной плавки не позволяет получить качественную сталь в достаточном количестве и значительно увеличивает стоимость готовых изделий. Проблема рафинирования стали от примесей цветных металлов усугубляется тем, что в стальном ломе в процессе его оборота эти примеси постоянно накапливаются. Между тем примеси цветных металлов образуют в процессе кристаллизации легкоплавкие эвтектики по границам дендритов, что ослабляет междендритные границы, как первичные структуры первичного металла, это, в конечном счёте, влияет на поверхностные дефекты. Кроме того, примеси цветных металлов ухудшают обрабатываемость стали давлением в горячем состоянии, ухудшают свариваемость и т.д. По этим причинам к материалам для ответственных изделий предъявляют жесткие требования по содержанию цветных примесей.

Определенные  требования предъявляют и к фракционному составу металлошихты. Наличие такого рода требований обусловлено тем, что  шихта высокой насыпной плотности, имеющая стабильный оптимальный размер кусков, позволяет ограничиться лишь одной подвалкой, исключив тем самым необходимость второй подвалки с соответствующим отключением печи, отводом свода с электродами и т.д. Это, в свою очередь, позволяет существенно форсировать плавку.

Кроме того, от фракционного состава используемой металлошихты зависят технико-экономические  показатели работы плавильного агрегата, в том числе угар металла, определяющий выход жидкого (годного) металла.

Важным фактором, влияющим на угар металлошихты в сталеплавильном процессе, является величина ее активной поверхности, которая определяет степень взаимодействия шихты с кислородом. Активная поверхность зависит в основном от ее толщины (диаметра), которая может быть оценена насыпной массой. В технико-экономических показателях сталеплавильных процессов величина угара лома является важной статьей, определяющей производительность агрегата и себестоимость стали. При использовании на плавку различных видов шихты (прежде всего различных видов лома) угар металла значительно изменяется.

 Выплавка стали

На всех машиностроительных предприятиях в конструкциях электропечей средней и большой емкости  стремятся реализовать современные  технические решения, обеспечивающие эксплуатационные преимущества, направленные на сокращение периода плавки, удельного расхода электроэнергии, уменьшение длительности ремонтов, повышение надежности работы исполнительных механизмов, снижение эксплуатационных расходов, повышение безопасности, удобства эксплуатации и пр. В связи с этим современные электропечи, используемые в том числе на мировых машиностроительных заводах, имеют современные конструкции ванны с разъемным кожухом, донным (эркерным) выпуском металла с гарантированной отсечкой шлака, новые опорно-поворотные системы подъема-поворота свода, улучшенные конструкции водоохлаждаемых элементов, систем теплоконтроля, современные системы регулирования мощности, гидроприводов, водо- и газоснабжения, современные системы вторичного токоподвода в которых используются токоведущие рукава электрододержателей, а расчетная несимметрия фаз токоподвода составляет не превышает 2  %, печные трансформаторы с высокой удельной мощностью  и повышенным для такого типоразмера печей вторичным напряжением, комплекты оборудования средств интенсификации плавки с использованием дополнительных источников тепла и системами вспенивания шлака, а также многое другое.

Внепечная обработка

Сталь для ответственных  изделий производят с обязательной внепечной обработкой, включающей вакуумирование.

При этом решающими  факторами, обеспечивающими эффективность и производительность процессов внепечной обработки, являются высокая эксплуатационная готовность, короткий цикл загрузки, низкие показатели расхода, а также снижение расходов на зарплату. Важным фактором качественного выполнения технологии внепечной обработки является:

-тонко настроенная автоматическая система управления технологическим процессом, обеспечивающая эффективное использование персонала и сокращение производственного цикла;

 -точное определение расчетных параметров для используемых материалов может гарантировать проверяемое соответствие расходным показателям;

- правильный выбор конструкции агрегата ведет к сокращению до минимума стоимости площадей, необходимых для размещения вакуумного насоса, системы подачи легирующих и вакуум-камер

На предприятиях мировых лидерах по производству металла для нужд машиностроения вакуумирование проводят на установках как ковшевого (VD), так и порционного (DH) и циркуляционного (RH) вакуумирования. Наиболее распространены ковшевые вакууматоры, так как именно вакууматоры такого типа позволяют обеспечить интенсивное перемешивание металла со шлаком проведя, тем самым, глубокую десульфурации.

Разливка

На машиностроительных заводах сталь преимущественно  разливают в слитки. При этом как  правило используют сифонную разливку. Высококачественные марки стали могут также разливать в вакууме. [5]

5. Основные свойства продукции

Металлам присущи  высокая пластичность, тепло- и  электропроводность. Они имеют характерный металлический блеск.

Свойствами металлов обладают около 80 элементов  периодической системы Д.И. Менделеева. Для металлов, а также для  металлических сплавов, особенно конструкционных, важное значение имеют механические свойства, основными из которых являются прочность, пластичность, твердость и ударная вязкость.

Под действием  внешней нагрузки в твердом теле возникают  напряжение и деформация. Напряжение σ, кгс/мм² — это нагрузка (сила) Р, отнесенная к первоначальной площади поперечного сечения F_o образца:

σ = P/F_o (5.1)

В СИ Р измеряют в кгс или Н, F_o - в м², σ - в Па. 1 кгс/мм² = 9,80665 МПа.

В зависимости  от способа приложения нагрузки методы  испытания механических свойств  металлов, сплавов и других материалов делятся на статические, динамические и знакопеременные.

Деформация — это изменение формы и размеров твердого тела под действием внешних сил или в результате физических процессов, возникающих в теле при фазовых превращениях, усадке и т. п.

Рис. 5.1. Диаграмма растяжения,

типичная для  ряда металлов.

Рис. 5.2. Схема определения

твердости по Бринеллю .

Деформация может быть упругая (исчезает после снятия нагрузки) и пластическая (сохраняется после снятия нагрузки). При все  возрастающей нагрузке упругая деформация, как правило, переходит в  пластическую, и далее образец разрушается.

Прочность — способность металлов оказывать сопротивление  деформации или разрушению статическим, динамическим или  знакопеременным нагрузкам. Прочность металлов при статических  нагрузках испытывают на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Испытание на разрыв является обязательным. Прочность при динамических нагрузках оценивают удельной ударной вязкостью, а при знакопеременных нагрузках — усталостной прочностью.

Прочность при  испытании на растяжение оценивают  следующими характеристиками (рис.5.1).

• Предел прочности  на разрыв (предел прочности или  временное сопротивление разрыву) σ_в — это напряжение, отвечающее  наибольшей нагрузке Р_в, предшествующей разрушению образца:

σ_в = P_вF_о (5.2)

Эта характеристика является обязательной для металлов.

• Предел пропорциональности σ_пц — это условное напряжение РПЦ, при котором начинается отклонение от пропорциональной  зависимости между деформацией и нагрузкой:

σ_пц = P_пц/F_о (5.3)

При нагрузках  до значения Р_пц растяжение соответствует упругой деформации образца. При нагрузках выше значения Р_пц происходит пластическая деформация, что приводит к остаточному удлинению образца.

• Предел текучести σ_т — это напряжение Р_т, при котором образец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки:

σ_т = P_т/F_о (5.4)

Пластичность — свойство металлов деформироваться без  разрушения под действием внешних сил и сохранять измененную форму после снятия этих сил. Ее характеристиками являются относительное удлинение перед разрывом δ и относительное сужение перед разрывом ψ. Эти характеристики определяют при испытании на растяжение (при определении δ_в), а их численные значения вычисляют по  формулам:

δ =[(I_k-I₀)/I₀]100%, (5.5)

ψ=[(F₀-F_k)]100% (5.6)