Құрылыс конструкцияларына арналған металл қорытпаларын өндіру әдістері
Қазіргі құрылыс әлемінде берік, берік және тиімді материалдарға деген қажеттілік артып келеді. Бұл қажеттіліктің негізгі жауаптарының бірі - қорытпалар - әдетте таза металдарға қарағанда жақсы механикалық қасиеттерге және қоршаған ортаға төзімділікке қол жеткізу үшін екі немесе одан да көп элементтерді араластыру арқылы жасалған металдар. Құрылыс конструкцияларында қорытпалар болат қаңқаларда, қосылыстарда, пластиналарда, бағандарда, арқалықтарда, кабельдерде және тіпті бекіткіштерде қолданылады. Бұл мақалада құрамды таңдаудан бастап қалыптау процестеріне және сапаны сынауға дейінгі құрылыс конструкцияларын қолдануға қатысты қорытпа өндірісінің әдістері талқыланады.
1. Құрылыстағы металл қорытпаларының негізгі принциптері
Темір немесе алюминий сияқты таза металдардың шектеулері бар: олар тым жұмсақ болуы, оңай тот басуы немесе белгілі бір температурада тұрақсыз болуы мүмкін. Қорытпалармен өндірушілер материалдың қасиеттерін басқара алады, мысалы:
– Созылу беріктігі және беріктік шегі (жүк көтеру үшін маңызды).
– Оңай сынбайтындай етіп, икемді.
– Тозуға төзімділік үшін беріктік.
– Ылғалды, жағалаудағы немесе өнеркәсіптік орталардағы коррозияға төзімділік.
– Далада оңай жинауға арналған дәнекерлеу және өндіріс мүмкіндіктері.
Құрылыс конструкцияларында ең көп таралған қорытпалар:
– Арқалықтар мен бағандарға арналған көміртекті және төмен легирленген болат.
– Коррозиялы орталарға немесе сәулеттік жобаларға арналған тот баспайтын болат.
– Қасбеттерге, жеңіл жақтауларға және кейбір құрылымдық емес элементтерге арналған алюминий қорытпалары.
2. Қорытпа құрамының дизайны
Қорытпа өндірісінің әдістері әрқашан композицияны жобалаудан басталады. Металлург инженерлері қандай элементтерді қосу керектігін өнімділік пен шығын мақсаттарына негіздеп анықтайды. Элемент рөлдерінің мысалдары:
– Болаттағы көміртек (C) беріктік пен қаттылықты арттырады, бірақ артық мөлшері пісіруге жарамдылығын төмендетуі мүмкін.
– Марганец (Mn) беріктікті арттыруға көмектеседі және күкіртті байланыстырады, осылайша сынғыштықты азайтады.
– Хром (Cr) коррозияға және тотығуға төзімділікті арттырады.
– Никель (Ni), әсіресе төмен температурада, беріктікті арттырады.
– Молибден (Mo) сырғымаға және белгілі бір коррозияға төзімділікті арттырады.
– Кремний (Si) тотықсыздану процесіне көмектеседі және беріктікті арттыра алады.
Алюминий қорытпаларында Mg, Si, Zn, Cu сияқты элементтер беріктікті немесе коррозияға төзімділікті арттыру үшін таңдалады, сонымен бірге экструзия мен дәнекерлеудің қарапайымдылығын ескереді.
3. Балқыту және тазарту әдістері
Өнеркәсіптік көлемдегі қорытпа өндірісі әдетте пеште балқыту процесі арқылы жүзеге асырылады, содан кейін қоспаларды кетіру үшін тазарту жүргізіледі.
а) Домна пеші және негізгі оттегі пеші (БОП)
Жаппай құрылыс болаттары үшін классикалық тәсіл мыналарды қамтиды:
1. Домна пеші (домна пеші) темір кенінен балқытылған темір (ыстық металл) өндіреді.
2. BOF (негізгі оттегі пеші) көміртегі мөлшерін азайту және қоспаларды кетіру үшін оттегін үрлеу арқылы балқытылған шойынды болатқа айналдырады.
Бұл бағыт құрылымдық болат профильдері сияқты ірі өндірістерге жарамды.
b) Электр доғасы пеші (EAF)
EAF-тар қалдықтарды қайта өңдеу және болаттың әртүрлі маркаларын өндіру үшін кеңінен қолданылады. Олардың артықшылықтары:
– Композицияны басқарудың икемділігі артады.
– Белгілі бір легирленген болаттарды өндіруге жарамды.
– Жоба қажеттіліктеріне сапаны бейімдеу оңайырақ.
c) Екінші реттік өңдеу (екінші реттік металлургия)
Болаттың ғимарат құрылымының стандарттарына сәйкес келуі үшін келесідей қосымша өңдеу жүргізіледі:
– Кеуектіліктің алдын алу үшін деоксидация (еріген оттегіні азайту).
– Беріктікті арттыру үшін күкіртті азайту (күкіртті қалпына келтіру).
– Сутегінің жарылуын және ішкі ақаулардың алдын алу үшін вакуумдық газсыздандыру (сутегі сияқты газдарды кетіру).
– Материалдың біркелкі қасиеттерін қамтамасыз ету үшін легирлеуші элементтерді дәл қосу.
Екінші реттік тазарту кезеңі әсіресе жоғары беріктіктегі болаттар немесе далалық жағдайда дәнекерленетін болаттар үшін маңызды.
4. Құю әдістері және бастапқы қалыптастыру
Құрамы қолайлы болғаннан кейін, балқытылған металл жартылай өңделген пішінге келтіріледі.
а) Үздіксіз құю
Бүгінгі таңда үздіксіз құю әдісі басым болып табылады. Балқытылған болат тақталарға, гүлдерге немесе дайындамаларға үздіксіз құйылады, содан кейін ұзындығына қарай кесіледі. Оның артықшылықтары:
– Жоғары тиімділік.
– Біркелкі микроқұрылым.
– Дәстүрлі құйма құюмен салыстырғанда ақауларды азайтады.
b) Құйма құю (сирек кездеседі)
Белгілі бір мамандандырылған қолданбалар үшін қолданылады, бірақ легирлеуші элементтердің бөлінуіне бейім және қосымша өңдеуді қажет етеді.
5. Термомеханикалық қалыптау: илемдеу, соғу және экструзия
I-тәрізді арқалықтар, H-тәрізді арқалықтар, C-тәрізді арналар, пластиналар немесе арматуралық шыбықтар сияқты құрылымдық пішіндер қалыптау процесін қажет етеді.
а) Ыстықтай илемдеу
Плита немесе гүл қыздырылады, содан кейін келесідей оралады:
– Қосылымдарға және негізгі тақталарға арналған тақтайшалар.
– Арқалықтар мен бағандарға арналған құрылымдық профильдер (H, I, U, L).
– Бекіту элементтеріне арналған шыбықтар мен сым шыбықтар.
Ыстықтай илемдеу дән құрылымын жетілдіруге және механикалық қасиеттерін жақсартуға көмектеседі.
b) Басқарылатын илемдеу / TMCP (термомеханикалық басқарылатын өңдеу)
Бұл жоғары беріктіктегі, төмен легирленген болаттар үшін маңызды әдіс. Прокат кезінде температура мен тотықсыздануды бақылау арқылы өндірушілер мыналарға қол жеткізеді:
– Ұсақ дәндер (дәнді тазарту).
– Көміртегі мөлшерін тым көп арттырмай жоғары беріктік.
– Дәнекерлеу қабілеті жақсартылған, көпірлер мен биік ғимараттар құрылысына жарамды.
c) Соғу
Арнайы фланецтер, якорьлер немесе ауыр жүктемеге төзімді қосылыс компоненттері сияқты жоғары беріктікке ие компоненттер үшін қолданылады. Соғу металл түйіршіктерінің бағытын жақсартады және ішкі кеуектерді азайтады.
d) Экструзия (тек алюминий)
Қасбеттер мен жеңіл жақтауларға арналған алюминий профильдері экструзия арқылы жасалады: дайындамалар қыздырылады, содан кейін күрделі, жеңіл профильдер алу үшін қалып арқылы итеріледі.
6. Қасиеттерді реттеу үшін термиялық өңдеу (жылулық өңдеу)
Термиялық өңдеу микроқұрылымды өзгертуге бағытталған, осылайша соңғы қасиеттер жобалау талаптарына сәйкес келеді.
Құрылыс болатында:
– Қалыпқа келтіру құрылымдық біркелкілік пен беріктікті жақсартады.
– Сөндіру және шынықтыру (Q&T) жоғары беріктік береді, көбінесе жоғары беріктік қажет ететін белгілі бір компоненттерде қолданылады.
– Кернеуді жеңілдету дәнекерлеу немесе қалыптау кезінде пайда болатын қалдық кернеулерді азайтады.
Кейбір алюминий қорытпаларында:
– Ерітіндіні термиялық өңдеу және ескіру (мысалы, 6xxx немесе 7xxx сериялары) тұндыру арқылы беріктікті арттырады.
Термиялық өңдеуді таңдағанда жарықшақтарға төзімділікті, дәнекерлеуді және ұзақ мерзімді өнімділікті ескеру қажет.
7. Ғимарат орталарының коррозияға төзімділігін арттыру әдістері
Ғимарат құрылымдары жиі жаңбырға, ылғалдылыққа, тұзға (жағалау аймағы) немесе өнеркәсіптік ластаушы заттарға ұшырайды. Сондықтан, дұрыс қорытпаны таңдаумен қатар, қорғаныс әдістері қолданылады:
– Құрылымдық болатты тот баспайтын ету үшін мырыштау (мырышпен қаптау) өте кең таралған.
– Атмосфералық ауа райына төзімді болат (яғни, қорғаныш патинасын түзетін кейбір қорытпалар) белгілі бір атмосфералық жағдайларға жарамды.
– Жоғары коррозияға төзімділікті және аз күтімді қажет ететін аймақтарға арналған тот баспайтын болат.
– Қосымша қорғаныс ретінде жабын жүйелері (эпоксидті, полиуретанды және т.б.).
Коррозияға төзімділік тек эстетика мәселесі ғана емес, сонымен қатар қауіпсіздік мәселесі болып табылады, себебі коррозия тиімді көлденең қиманы азайтып, құрылымдық бұзылуды тудыруы мүмкін.
8. Сапаны бақылау және материалдарды сынау
Құрылыс конструкцияларына арналған металл қорытпалары белгілі бір техникалық стандарттарға (мысалы, құрамы, беріктігі және төзімділік стандарттары) сәйкес келуі керек. Сапа процедураларына әдетте мыналар кіреді:
– Ағысу беріктігін, созылу беріктігін және созылуды анықтауға арналған созылу сынағы.
– Әсіресе төмен температурада жұмыс істейтін болаттардағы беріктікке баға беру үшін соққы сынағы (Шарпи).
– Механикалық қасиеттердің көрсеткіші ретіндегі қаттылық сынағы.
– Қорытпа құрамының дұрыстығына көз жеткізу үшін химиялық талдау.
– Ішкі/беткі ақауларды анықтау үшін ультрадыбыстық тексеру, рентгенография, магниттік бөлшектерді тексеру немесе бояғыштың енуін тексеру сияқты NDT (бұзбайтын тексеру).
– Профильдердің өндіріс талаптарына сәйкестігіне көз жеткізу үшін өлшемдер мен төзімділік тексеріледі.
Жақсы сапаны бақылау материалдың қауіпсіз пайдаланылуын, дәнекерлеудің оңай болуын және партиядан партияға дейін тұрақты өнімділікті қамтамасыз етеді.
9. Дамудың қиындықтары мен бағыттары
Құрылыс қорытпасы өнеркәсібі дамуды жалғастыруда. Негізгі қиындықтарға мыналар жатады:
– Беріктік пен дәнекерлеу арасындағы тепе-теңдік (жоғары беріктік дұрыс жобаланбаған жағдайда дәнекерлеу жарылуына сезімталдықты арттырады).
– Кейбір легирлеу элементтері қымбат болғандықтан, шығындардың тиімділігі.
– Қайта өңдеуді арттыру, энергия тиімділігін арттыру және шығарындыларды азайту арқылы тұрақтылық.
Әзірлеу бағыттарына жеңіл, бірақ берік HSLA (жоғары беріктіктегі төмен қорытпалы) болатты пайдалану, дәлірек TMCP қолдану және көміртегі ізін азайту үшін металл сынықтарына негізделген EAF процестерін жетілдіру кіреді.
Қорытынды
Құрылыс конструкцияларына арналған металл қорытпаларын жасау бірқатар өзара байланысты процестерді қамтиды: құрамды жобалаудан бастап, балқыту және тазарту, құю, термомеханикалық қалыптау, термиялық өңдеуден бастап, коррозиядан қорғау және сапаны бақылауға дейін. Дұрыс жобаланған және өңделген қорытпалар ондаған жылдар бойы жүктемелер мен қоршаған орта жағдайларына төтеп бере алатын берік, берік және қауіпсіз материалдарды шығарады. Металлургиялық технологияның дамуымен және ғимараттардың талаптарының күрделене түсуімен металл қорытпаларын жасауды түсіну болашақ құрылыстың сапасы мен тұрақтылығының маңызды негізі болып табылады.
