水电第05章 建筑金属材料

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1、第05章建筑金属材料金属材料是一种或两种以上的金属元素或金属与某些非金属元素组成的合金的总称。金属材料一般分为两大类：黑色金属：是以铁元素为主要成分的铁金属及其合金，钢和铁是铁碳合金。含碳量小于2.11％的铁碳合金称为钢。含碳量大于2.11％的铁碳合金称为生铁。有色金属：是除黑色金属以外的其它金属，如铝、铅、锌、铜、锡等金属及其合金，其中铝合金是一种重要的轻质结构材料。5.1钢的生产与分类钢材的生产可分为三个过程：冶炼铸锭压力加工其生产流程的概况如图所示。5.1.1钢的冶炼主要的铁矿石有赤铁矿(Fe2O3)、磁铁矿

2、(Fe3O4)、菱铁矿(FeCO3)、褐铁矿（Fe2O3•2Fe(OH)3）和黄铁矿(FeS2)。把铁矿石、焦炭、石灰石(助熔剂)按一定比例装入高炉中，在炉内高温条件下，焦炭中的碳与矿石中的氧化铁发生化学反应，将矿石中的铁还原出来，生成的一氧化碳和二氧化碳由炉顶排出，使矿石中的铁和氧分离，此过程称为炼铁。其化学反应式如下：C+FeO→Fe+CO↑高炉结构图将铁在炼钢炉中进一步熔炼，并供给足够的氧气，通过炉内的高温氧化作用，部分碳被氧化成一氧化碳气体而逸出，其它杂质则形成氧化物进入炉渣中除去，这样可得到含碳量合乎要求

3、的产品，即为钢，此过程称为炼钢。炼钢的过程基本上是一个氧化过程。碳被氧化形成CO气体而逸出，硅、锰等形成氧化硅和氧化锰进入渣中除去；磷和硫在石灰的作用下，形成（CaO）4P2O5和CaS，亦进入渣中被排除。在冶炼后期应加入脱氧剂以除去钢液中的氧，这个步骤称为“脱氧”。常用的脱氧剂有硅铁、锰铁和铝锭等。炼钢的主要反应过程:①产生氧化剂：2Fe+O2=2FeO（氧气）②除硅，锰，碳等杂质：Si+2FeO=SiO2+2FeMn+FeO=MnO+FeC+FeO=CO+Fe③造渣：CaO+SiO2=CaSiO3（生石灰）硫、

4、磷杂质与生石灰作用形成炉渣被除去。④脱氧：Si+2FeO=SiO2+2Fe（脱氧剂：硅铁，锰铁）调节合金元素1.转炉炼钢法转炉炼钢根据风口位置分：底吹、顶吹、侧吹三种；根据所鼓风的不同分：空气转炉和氧气转炉；根据炉衬材料的不同分：酸性转炉和碱性转炉。转炉炼钢的主要原料是熔化的高温铁水及部分废钢。转炉炼钢不需要另外使用燃料。空气转炉法只能用来炼制普通碳素钢。但其成本较低。氧气转炉法可炼优质碳素钢和合金钢。转炉的结构图2.平炉炼钢法（也叫马丁法）根据所用耐火材料不同分为碱性平炉和酸性平炉。平炉炼钢法是以固体或液体生铁、

5、铁矿石或废钢作原料。反应所需的热量是由燃烧气体燃料（高炉煤气，发生炉煤气）或液体燃料（重油）所提供。平炉可炼制优质碳素钢和合金钢。但由于设备投资较大，燃料热效率不高，冶炼时间较长，故其成本较高。视频：鞍钢平改转工程3.电炉炼钢法电炉的种类很多，分电弧炉、感应炉、电渣炉三种。电炉钢的质量最好，但成本高，主要用于冶炼优质碳素钢和特殊性能钢。表5－1三种炼钢法列表比较炉名原料氧的来源热的来源产品及优缺点转炉液态生铁空气杂质氧化时放出的热出钢快，不用燃料，设备简单。铁的耗损率较大，管理不便。钢质量较差。氧气出钢快，不用燃料

6、，设备简单。钢质量较高。平炉废铁、废钢及铁矿石空气、氧化铁、铁矿石气体燃料燃烧制合金钢。质量高，管理方便。反应时间较长，消耗燃料，建设费用高。电炉同上氧化铁、铁矿石电能制钨等高级合金钢。反应时间较平炉短，管理方便，电能消耗量大，成本高。5.1.2钢的铸锭冶炼后的钢水注入锭模，浇铸成柱状的钢锭（钢坯），这种工艺称为铸锭。在铸锭冷却过程中，由于钢内某些元素在铁的液相中的溶解度高于固相，使这些元素向凝固较迟的钢锭中心集中，导致化学成分在钢锭截面上分布不均匀，这种现象称为化学偏析，其中尤以硫、磷最为严重。偏析现象对钢的质量

7、有很大影响。根据脱氧程度的不同，浇铸的钢锭可分为：沸腾钢：是脱氧不完全的钢。沸腾钢中碳和有害杂质磷、硫等的偏析严重，再加上钢的致密程度较差，使它的冲击韧性和可焊性较差，特别是低温冲击韧性的降低更为显著。但成本较低。镇静钢：是脱氧完全的钢。是质量较好的钢种，但成本较高。半镇静钢：其脱氧程度和材质介于上述两种钢之间。特殊镇静钢：比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢，质量最好。两钢锭的纵剖面(A)沸腾钢纵剖面图(B)镇静钢纵剖面图5.1.3钢的压力加工压力加工可分为冷加工和热加工。热加工是将钢锭加热到塑性状态，依靠外力来改变

8、形状的加工。常用的热加工方式有碾轧和锻造。1.碾轧：将钢坯加热（900～1250℃）至塑性状态，轧成所需形状的钢材。工程上常用的钢筋、工字钢、角钢及钢板等都是碾轧制成的。2.锻造：将钢材加热至塑性状态，用锤击或静压的方法，使之加工成一定形状的制品。如建筑及机械用的钢零件。钢材经热加工后，其内部气泡由于外力的挤压而焊合，疏松组织密实，从而提高了钢的强度和质量，