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

 

Металл	Символ	Температура плавления, °С	Важнейшее сырье и  способ  получения  металла
Алюминий	Al	660,1	Бокситы (Al2O3 с примесями). Электролиз при 950°С расплава, содержащего боксит и криолит Na3[AlF6] (искусственный или природный)
Бериллий	Be	1287	Берилл(Be3Al2)Si6O18, фенакит Be2SiO4 и др. переводят в BeCl2 или BeF2. Далее – электролиз BeCl2 в расплаве (с добавкой NaCl), либо восстановление BeF2 магнием при 925-1325 °С
Вольфрам	W	3416	Шеелит CaWO4. После извлечения кислотным или щелочным способом полученный порошок WO3 восстанавливают водородом, прессуют и спекают (порошковая металлургия)
Железо	Fe	1535	Гематит Fe2O3, магнетит (FeIIFe2III)O4, сидерит FeCO3, лимонит Fe2O3 . nH2O. В доменных печах при 1200-1400°С идет восстановление железа углеродом (кокс), выплавляется чугун (содержит 2-5% С). Передел чугуна в сталь (содержание С не более 2%) идет в конвертере или мартеновской печи при 1700 °С; ведется продувка воздуха либо кислорода (для удаления излишнего количество углерода)
Магний	Mg	650	Карналлит KMgCl3 . 6H2O, магнезит MgCO3 и др. Электролиз расплава MgCl2 при 750-780 °С
Медь	Cu	1083	Халькозин Cu2S, халькопирит (FeIIICuI)S2. Обжиг сырья, конвертирование до черновой меди (окисление воздухом сульфидов меди в расплаве), растворение в серной кислоте и электролиз раствора CuSO4
Натрий	Na	97,86	Галит NaCl. Электролиз расплава NaCl (с добавками CaCl2 и др. солей), электролиз расплава NaOH
Олово	Sn	231,9	Касситерит SnO2 и вторичное сырье. Восстановительная плавка с углем и добавками, образующими шлак, в электропечах. Очистка электролизом или зонной плавкой
Свинец	Pb	327,4	Галенит PbS. Окислительный  обжиг до PbO, восстановление углеродом (кокс) до сырого свинца (“веркблей”). Очистка сырого свинца электролизом
Титан	Ti	1671	Ильменит FeTiO3, рутил TiO2 и др. Хлорирование сырья, восстановление TiCl4 магнием
Хром	Cr	1890	Хромит (Cr2IIIFeII)O4. Алюмотермия (восстановление алюминием) при 500-600 °С. Дальнейшая очистка хрома - электролизом
Цинк	Zn	419,5	Сфалерит ZnS. Обжиг  сырья, восстановление углеродом, очистка  чернового цинка электролизом раствора ZnSO4