Производство и металлургия легких металлов

 

Легкие металлы

В настоящее время такое понятие, как «легкие металлы», отсутствует в номенклатуре ИЮПАК. Таковыми принято называть металлы, имеющие небольшую плотность (как правило до 4,5 г/см 3 ) или вес. Стоит отметить, что в настоящее время существуют такие металлы, которые легко держатся на воде, а некоторые из них имеют вес, в разы меньший пенопласта, но при этом все равно остаются достаточно прочными.

Группа легких металлов, как правило, включает в себя следующие: алюминий, олово, магний, титан, бериллий и литий. Кроме этого, к данной группе металлов часто также добавляют галлий, индий, таллий, висмут и кадмий.

Наиболее важными металлами данной группы с точки зрения технического применения являются алюминий, магний, титан, бериллий. Именно данные металлы служат в качестве основы сплавов. Алюминиевые сплавы являются наиболее значимой и распространенной группой, однако, не смотря на это, для специфического применения также предлагаются и материалы из титана и бериллия.

Свойства легких металлов

Алюминий

Алюминий является металлом, идеально сочетающим в своих характеристиках легкость и прочность. Его первооткрывателем является датский физик Ганс Эрстед, который в 1825 году восстановил хлорид алюминия амальгамой калия при воздействии высоких температур, в результате чего и выделил данный металл.

Имеет характерный серебристо-белый окрас. Плотность металла составляет 2712 кг/м 3 . Плавится при температуре: 658 0 С (для технического алюминий) и 660 0 С (для алюминия высокой чистоты). Удельная теплота плавления алюминия – 390 кДж/кг. Закипает при температуре 2515,8 0 С. Имеет удельную теплоемкость 897Дж/кг*К. Обладает достаточно высокой пластичностью, которая составляет 35% у технического алюминия и 50% у чистого металла.

Первым изделием, для изготовления которого был применен алюминий, стала детская погремушка. Однако, с тех далеких времен, алюминий стал достаточно распространенным материалом. В настоящее время он нашел свое широкое применение во многих сферах человеческой деятельности. Однако, наибольший процент потребления данного металла приходится на упаковочную промышленность, особенно для банок с напитками.

Также следует отметить, что алюминий активно применяется наряду со сталью и в машиностроении. В настоящее время существует огромное множество алюминиевых сплавов, которые отвечают огромному количеству определенных и необходимых требований. Среди данных сплавов можно выделить две основные группы – литейные и деформируемые. Сплавы из каждой группы также можно разделить на те, которые способны дисперсионно твердеть и те, которые не способны. Чтобы материал сделать более прочным применяются:

• наклеп;
• легирование;
• дисперсионное твердение (старение).

Для того, чтобы получить оптимальные характеристики стареющих сплавов, их необходимо подвергнуть измельчению. В связи с этим, для дисперсионного старения деформируемых сплавов используется термообработка. Ее также могут применять с целью повышения прочности.

Среди наиболее важных литейных сплавов стоит выделить Al-Si, которые образуют эвтектическую систему с эвтектической точкой при 11,7% Si и 577 0 С. Сплавы, имеющие в своем составе содержание Si в пределах 11-13% называют близкими к эвтектическим. Кроме этого, они также известны как силуминовое литье. Стоит отметить, что если охлаждение сплава с содержанием Si 13% осуществляется медленно, то первично выделяющийся твердый раствор Si образует крупные, угловатые, игольчатые кристаллы, что, в свою очередь, чревато ярко выраженной хрупкостью подобных сплавов. Одним словом, такая структура является крайне неблагоприятной. Для того, чтобы подобного не происходило, применяют облагораживание металлов – т.е. добавляют в плавку 0,1% Na. При этом происходит очищение кристаллов кремния, а также их округление и, в конечном итоге, образование тонкодиспергированной эвтектики. Благодаря подмешиванию в сплав натрия происходит снижение эвтектической температуры до 564 0 С.

Если же сплав охлаждается за относительно короткий промежуток времени, что происходит в кокильном литье, то происходит действие, подобное облагораживанию металлов – сдвиг эвтектической точки при помощи переохлаждения. В результате происходит образование достаточно чистой эвтектической структуры, что избавляет от необходимости облагораживания металлов путем добавления в них натрия.

Деформируемые сплавы имеют в своем составе значительно меньшее количество легирующих элементов и примесей, в отличие от литейных сплавов. Деформируемые сплавы, обычно, отвечают более высоким требованиям. В связи с этим, для их выплавки применяется металлургический алюминий. К нестареющим деформированным сплавам относятся AlMg-сплавы. Они отличаются своей высокой твердостью и прочностью по причине легирования. Данные свойства сохраняются даже при отжиге и сварке.

К высокопрочным сплавам нового поколения относятся Al-Li- сплавы.

Титан

Представляет собой легкий тугоплавкий металл с характерным серебристо-белым цветом. Отличается своей высокой устойчивостью к коррозии. Данным свойством он обязан стабильному пассивированному оксидному слою, который образуется за достаточно короткий промежуток времени при слабых средствах окисления.

Для титановых сплавов характерна высокая жаропрочность, которая может достигать 1200 – 1400Н/мм 2 . Именно титановые сплавы занимают ячейку между алюминиевыми сплавами и жаропрочными сталями, поскольку могут применятся до температуры 500 0 С, а также до 1000 0 С при непродолжительном использовании.

Титановый сплав используется для изготовления деталей, которые подвергаются сильной нагрузке, с целью их облегчения. Например, шатуны для высокомощных двигателей изготавливаются именно из титановых сплавов. Это связано с тем, что данный материал обладает идеальным соотношением прочности на разрыв к плотности Rm/p.

Однако, для титановых сплавов характерна достаточно высокая стоимость, что препятствует их широкому применению, в отличие от Al-сплавов.

Титану, как и железу, присуще аллотропное превращение. Титан сохраняет свою гексагональную структуру до температуры 882 0 С.

Среди наиболее важных легирующих элементов, которыми обогащаются технические титановые сплавы, следует назвать ванадий, олово, молибден, цирконий, ниобий, а также хром и алюминий.

Самый легкий металл

Литий

Представляет собой легкий щелочной металл с характерным серебристо-белым окрасом, обладающий высокой мягкостью и пластичностью. Литий тверже натрия, однако по мягкости ему уступает свинец. Поддается обработке путем прессования и прокатки. В условиях комнатной температуры литий обладает кубической объемноцентрированной решеткой. Кристаллическая решетка относится к пространственной группе Р6₃/mmc.

Литий имеет самые высокие температуры плавления и кипения (180,54 0 С и 1340 0 С соответственно) из всех остальных щелочных металлов, а также самую низкую плотность в условиях комнатной температуры (0,533 г/см 3 , что является практически вдвое меньше, чем плотность воды). Благодаря своей низкой плотности литий может держаться не только на поверхности воды, но и плавать на поверхности керосина.

Литий имеет атом достаточно малых размеров, благодаря чему литий наделен особыми свойствами. Например, смешение лития и натрия возможно осуществить только лишь при температуре ниже 380 0 С. А вот с расплавленным калием, рубидием и цезием литий, в отличие от иных пар щелочных металлов, смешивающихся друг с другом в любых соотношениях, вообще невозможно смешать.

Первооткрывателем лития является шведский химик Иоганн Арфведсон, который в 1817 году выделил литий из минерала петалита.

Использование лития в чистом виде не возможно в связи с активным взаимодействием его с окружающей средой. Литий нашел свое широкое применение в медицине, пищевой, текстильной, силикатной промышленностях. Также его используют во время изготовления пиротехники, термоядерного оружия, оптики. Нередко литий может выступать в роли окислителя. Отдельные его сплавы также применяются в электронике и авиакосмической промышленности.

Кроме лития, также имеют свойство держаться на воде калий и натрий, остальные же металлы из группы легких являются тяжелее воды.

Металлургия легких металлов

Производство легких металлов, как и других, начинается с добычи руд или другого вида сырья. Добыча легких цветных металлов относится к цветной металлургии.

Для производства алюминия используется природное сырье – глинозем, который добывается из бокситов. Кроме этого, также для добычи алюминия могут быть использованы нефелины и алуниты. Производство алюминия имеет два основных этапа – производство глинозема и производство металлического алюминия.

Для производства титана используются титановые руды. На территории России они находятся на 19 месторождениях, семь из которых являются россыпными.

Руды легких металлов, особенно алюминия, в отличие от тяжелых, по содержанию полезного компонента сходны с железной рудой и являются транспортабельными. В связи с этим вполне рациональным является их перевозка на дальние расстояния.

Производство из легкого металла

Легкие металлоконструкции (ЛМК) – сооружения из тонколистового профилированного металла и синтетического утеплителя. Возведение зданий из металлических каркасов в последнее время приобретает все большую популярность. Современные разработки технологий в данной области, благодаря которым строения из ЛМК стали более надежными, позволяют оставаться им вне всякой конкуренции. Такие быстровозводимые здания и сооружения успешно решают жилищные и производственные проблемы.

Особенности изготовления ЛМК

При производстве легких металлоконструкций используется профилированный тонколистовой металл. Его применение уменьшает финансовые расходы за счет снижения объема материала, и дает возможность транспортировать конструкции на место их непосредственной установки. Это намного выгоднее по сравнению с возведением классических капитальных строений.

Контроль за качеством продукции осуществляется на всех этапах и обеспечивает долговечность и надежность изделий. В производственном процессе применяется:

• сварочное и листогибочное оборудование;
• устройства плазменной резки;
• гильотины, вальцы;
• станки, выпускающие термо- и стоечные профили, направляющие;
• погрузочно-разгрузочные установки.

Изготовление металлоконструкций состоит из нескольких этапов. Сначала на станках, оснащенных ЧПУ, раскраивается листовой металл, профильные трубы. Затем с максимальной точностью изготавливается металлический каркас согласно чертежам. После того как элементы ЛМК готовы, их сваривают автоматическим либо полуавтоматическим способом. При этом используются основные источники энергии – газовое пламя или электрическая дуга.

Важнейшим этапом при изготовлении является окрашивание. Сюда входит подготовка, грунтовка, покраска, сушка изделий. Красить металлические конструкции необходимо не только для презентабельного вида, но и в целях защиты их от коррозии и повышения огнестойкости. Окрашивание происходит либо пневматическим, либо безвоздушным методом.

Обшивка каркаса осуществляется стеновыми и кровельными материалами, но в основном используются сэндвич-панели.

Удобная тара сохраняет детали во время хранения и обеспечивает простоту перевозки. Стандартная упаковка для металлоконструкций – пакетирование, при котором отдельные элементы связывают между собой, защищая от влияния атмосферных осадков и механического воздействия.

Сферы применения

Легкие металлические конструкции широко применяются во многих проектах по причине минимально затраченного времени на их возведение, а также с экономической точки зрения. Особенно они востребованы при строительстве:

• сельскохозяйственных объектов;
• складских сооружений;
• торгово-промышленных зданий;
• помещений офисного типа;
• развлекательных комплексов;
• спортивных стадионов, арен;
• автосервисов, автосалонов;
• холодильного оборудования, цехов;
• ангаров для стоянки самолетов, военной техники;
• медицинских пунктов и лабораторий.

На изготовление и последующий монтаж ЛМК уходит от одного месяца до четырех.

Преимущества легких металлоконструкций

Основным преимуществом возведения сооружений из легких металлоконструкций является низкая стоимость, помимо этого, существуют и другие плюсы.

• Простота монтажа. Конструкция поставляется к месту строительства в разобранном виде. Элементы каркаса собираются с помощью болтов, сварочное оборудование при этом не используется.
• Долговечность и прочность. Изделия сохраняют свои эксплуатационные свойства длительное время.
• Высокая пожароустойчивость.
• Небольшая масса готового сооружения позволяет снизить нагрузку на фундамент.
• Быстрый демонтаж. Здание легко разбирается и транспортируется автомобильным или железнодорожным транспортом.
• Возможность использования конструкций в суровых климатических условиях, так как каркас изделия утепляется различными теплоизоляционными материалами.
• Качество. Металлоизделия выпускаются на специализированных предприятиях, где обязательно проверяются на соответствие строительным стандартам.

Применение ЛМК позволяет создавать сложные архитектурные формы, такие как Эйфелева башня во Франции, хрустальный дворец, королевский зал искусств и наук Альберт-Холл в Великобритании, небоскреб в Тайбэе и др.

Недостатки

Минусов ЛМК довольно мало, но главным из них считают недолговечность сооружений в сравнении со зданиями, возведенными с использованием силикатно-кирпичных материалов и железобетонных панелей. Но вопрос этот до сих пор не определен, так как качество любой постройки из металлоконструкций во многом зависит от выбранных материалов и сборки. Ведь панельное строение имеет срок эксплуатации всего 30 лет, и его также можно считать недолговечным, а вот здания из силикатно-кирпичного материала подвержены просадке, что ведет к образованию трещин в стенах и необходимости в будущем в капитальном ремонте.

Легкие стальные конструкции (ЛСТК и ЛМК)

Строительство и производство быстровозводимых зданий

Легкие стальные конструкции — это новый виток развития в сфере промышленного строительства. Здания из легких стальных тонкостенных конструкций являются крепкими и надежными, строить их на 25-40% выгоднее, чем обычные традиционные сооружения, а конструктивная особенность позволяет воплощать в жизнь сложные и оригинальные проекты.

Легкие стальные конструкции

Есть два вида металлоконструкций:

ЛСТК представляет собой облегченный вариант металлического здания, толщина стального профиля составляет 0,2-0,4 мм, при этом строить из ЛСТК можно складские и промышленные помещения, которые будут сейсмически устойчивыми и прочными.

ЛМК – это металлические здания с используемым металлом толщиной до 4 сантиметров. Это прочные и надежные сооружения, которые строят для разных областей жизнедеятельности человека.

Цены на легкие стальные конструкции сегодня разнятся и зависят от региона постройки. В центральных регионах Российской Федерации строительство стальных зданий обходится дешевле, ввиду высокой концентрации заводов-изготовителей, наличию конкуренции и, соответственно, более выгодным предложениям. Средняя стоимость одной тонны металлоконструкции составляет 50 000 – 79 000 рублей.

Интересной особенностью можно назвать простой ввод объекта в эксплуатацию. Так как ЛСТК и ЛМК конструкции не являются традиционными, то есть капитальными сооружениями из камня и бетона, процесс регистрации и ввода в эксплуатацию происходит в упрощенном режиме, без бумажной волокиты.

Легкие стальные тонкостенные конструкции: технология

ЛСТК более популярно в России, так как технология предполагает простой и быстрый монтаж стального каркаса, который по силам осуществить самостоятельно своими руками.

Технология возникла в 1950 году в Канаде. Доступность строительного материала и низкая стоимость возведения зданий быстро популяризировала тонкостенные конструкции в Японии, Скандинавии и Северной Америке.

Этапы строительства быстровозводимого здания:

Преимущества ЛСТК:

• Низкая стоимость.
• Простота сборки.
• Долговечность и износостойкость.
• Быстрый монтаж.
• Независимость от климатических условий, возможность строить в холодную и мокрую погоду.
• Сейсмическая устойчивость конструкции.
• Хорошие свойства теплосбережения.
• Отсутствие усадки на фундамент.

Из чего строят ЛСТК?

ЛСТК здания строят из профилей, которые производят из высокопрочной оцинкованной стали. Весь производственный цикл автоматизирован, при наличии проектной документации завод металлопроката подготовит каждую деталь будущего здания с необходимыми отверстиями и маркировкой.

Строительство из ЛСТК не является затратным, так как с нулевого этапа можно хорошо сэкономить на устройстве фундамента и в конечном этапе на утеплении. ЛСТК подходит для строительства жилого дома, коттеджа, теплицы, ангаров и многих других сооружений.

Также, рекомендуется обратить внимание, что можно дополнительно сэкономить на проектировании, выбрав не индивидуальное, а одно из типовых решений.

Источник http://mining-prom.ru/cvetmet/metallurgy/legkie-metally/

Источник https://vipmetalstroi.by/novosti/148-legkie-metallokonstrukcii-osobennosti-izgotovleniya

Источник https://lstkclub.ru/legkie-stalnie-konstrukcii/