Применение железа: от арматуры фундамента до магнитопривода

Железо как материал стало известно с 3–4 тыс. до н. э. Поначалу в поле зрения человека попало метеоритное железо, так что в те времена оно ценилось выше золота. Затем хетты освоили разработку осадочных месторождений, а римляне научились плавить чугун.

С тех пор область использования металла только расширялась. И поэтому сегодня мы поговорим о применении железа и его соединений в жизни человека: в быту, народном хозяйстве, промышленности и об использовании металла в иных сферах.

Области применения железа и его сплавов

Итак, давайте узнаем, почему железо получило наибольшее применение в металлургии.

Под железом зачастую подразумевают вовсе не вещество как таковое, а низкоуглеродистую электротехническую сталь – так называется сплав металла по ГОСТ. Действительно чистое железо получить непросто, и используется оно исключительно для производства магнитных материалов.

Железо является ферромагнетиком, то есть, намагничивается в присутствии магнитного поля. Однако это его свойство сильно зависит от примесей и структуры металла. Магнитные свойства абсолютного чистого железа в 100–200 раз превышают аналогичные показатели технической стали. То же самое можно сказать о величине зерна: чем крупнее зерно, тем лучше магнитные свойства вещества. Имеет значение и механическая обработка, хотя ее влияние и не столь впечатляющее. Только такое железо применяют для получения всех магнитных материалов для электротехники и магнитоприводов.

Про способы применения сплавов железа расскажет видеоролик ниже:

Соединения

Все металлы, используемые в производстве, делят на цветные и черные. Черные – это сплавы железа, в частности, сталь и чугун, остальные – медные, никелевые, серебряные, относятся к цветным. Соответственно, производство, занимающееся выплавкой чугуна и стали, называется черной металлургией, а всех остальных – цветной. На долю черной металлургии приходится 95% всех металлургических процессов. Разделяются черные сплавы таким образом:

• сталь – сплав железа с углеродом и другими ингредиентами, чья массовая доля не превышает 2,14%. Углерод придает стали пластичность и твердость. В состав могут входить также марганец, фосфор, сера и так далее;
• чугун – сплав с углеродом, где допускается большее содержание элемента – до 4,3%. Причем чугуны отличаются по своим свойствам в зависимости от того, в каком виде сплав содержит углерод: если вещество вступило в реакцию с железом, получают белый чугун, если включено в виде графита – серый;
• феррит – железо с минимальной примесью углерода и других элементов – 0,04%. Собственно, это и есть химически чистое железо;
• перлит – не сплав, а механическая смесь карбида железа и феррита. Свойства его заметно отличаются от свойств металла;
• аустенит – раствор углерода в железе с долей первого до 0,8%. Аустенит отличается пластичностью, магнитными свойствами не обладает.

Про методы применения железа в виде стали читайте ниже.

Стали

Конечно, наибольшее применение находят сталь и чугун, а их использование зависит от доли углерода в составе. По этому признаку различают углеродистые и легированные стали. В первом случае примеси носят постоянный характер, то есть, попадают в сплав из-за особенностей процесса выплавки. В легированные добавки вводят специально для придания материалу особых свойств. В качестве легирующих элементов применяют ванадий, титан, хром, никель и так далее.

Углеродистые стали разделяются на 3 группы:

• малоуглеродистые – доля элемента менее 0,25%, наиболее ковкие и пластичные;
• среднеуглеродистые – с долей углерода до 0,6%;
• высокоуглеродистые – содержание элемента превышает 0,6%.

Легированные стали тоже составляют собой 3 группы:

• низколегированные – массовая доля всех компонентов составляет 2,5%:
• среднелегированные – здесь суммарное содержание может достигать 10%;
• высоколегированные – доля легирующих элементов превышает 10%.

Легированные стали обычно являются материалом для инструментов и машинных узлов, так как введение дополнительных ингредиентов повышает прочность сплава, придает ему жаростойкость или коррозионную стойкость. Углеродистые, в основном, применяют для каркасных сооружений, изготовления водопровода и так далее.

Все стали можно разделить по назначению:

• строительные – в основном это высоко- или среднеуглеродистые стали. Сплавы применяются для всех строительных работ: от сооружения металлических каркасов до изготовления предметов быта и кровельного листа;
• конструкционные – низкоуглеродистые стали с долей элемента до 0,75%. Это материал для всех отраслей машиностроения – от велосипедов до морских судов;
• инструментальная – низкоуглеродистая, но отличается от конструкционной еще и очень низким содержанием марганца – не более 0,4%. Это основа измерительного, штампованного, режущего инструмента;
• специальные стали – разделяются на 2 подвида: с особыми физическими качествами – электротехническая сталь с заданными магнитными свойствами, и с особыми химическими – жаропрочная, нержавеющая и так далее.

Применение легированных сталей определяется их качествами.

• Так, нержавеющая сталь используется в строительстве и машиностроении, где требуется более высокая, чем обычно стойкость к коррозии.
• Жаропрочные сплавы «работают» в условиях высоких температур – турбины, магистрали отопления. Жаростойкие – не окисляются при высоких температурах, что важно для многих рабочих узлов в теплотехнике.

Еще одно разделение сплавов – по качеству. Этот параметр определяет содержание фосфора и серы – вредных примесей, которые уменьшают прочность сплава. Различают 4 вида:

• сталь обыкновенного качества включает до 0,06% серы и 0,07% фосфора. Это обычные строительные материалы, применяемые при изготовлении труб, швеллеров, уголков, профилей и другого металлопроката;
• качественная – допускает долю серы до 0,035% и такую же долю фосфора. Также применяется в производстве металлопроката, корпусов, деталей машин и некоторых марок инструментальной стали;
• высококачественная – доля серы и фосфора не превышает 0,025%, соответственно. К этой категории относят инструментальные и конструкционные стали, применяемые в условиях высокой нагрузки;
• особовысококачественная – содержание серы менее 0,015%, фосфора – менее 0,025%. Этот материал отличается максимальной стойкостью к износу. Некоторые марки выделяются в особую категорию и маркируются соответствующим образом, например, шарикоподшипниковая сталь, или быстрорежущая – незаменимый элемент качественного режущего инструмента.

О применении чугуна и стали расскажет видео ниже:

Чугун

Применение чугуна не намного меньше, поскольку его механические качества вполне сопоставимы со многими марками стали. В соответствии с категорией чугуна различается и применение:

• серый чугун – углерод в железе находится в виде графитовых пластинок. Отличается хорошими литьевыми свойствами и малой усадкой. Но наиболее примечательное его качество – стойкость к переменным нагрузкам. Серый чугун используют при изготовлении прокатных станков, станин, подшипников, маховиков, поршневых колец, деталей тракторных и автомобильных двигателей, корпусов и так далее;
• белый чугун – углерод связан с железом. Почти целиком используется для получения стали;
• высокопрочный чугун – углерод находится в виде включений шаровидной формы. Такая форма обеспечивает высокую стойкость к нагрузке на растяжение и изгиб. Из чугуна изготавливают детали турбин, коленчатые валы тракторов и автомобилей, шестерни, изложницы и так далее.

Чугун также можно легировать и получать сплав с самыми разными свойствами.

• Износостойкий чугун применяется для изготовления насосных деталей, тормозов, дисков сцепления.
• Жаростойкий применяется при сооружении доменных, мартеновских, термических печей.
• Жаропрочный используется при сооружении газовых печей, при изготовлении компрессорного оборудования, дизельных двигателей.

Далее рассмотрено практическое применение железа на основе его физических свойств в строительной сфере.

Использование в строительстве

Сталь и чугун уникальным образом сочетают прочность, эксплуатационную долговечность и доступную стоимость. Поэтому заменить его каким-либо другим конструкционным материалом не представляется возможным. В строительстве продукция металлопроката является базовой наряду с бетоном и кирпичом.

Капитальное строительство

Металлу можно придать любую форму: от самой простой – прут, до причудливой сложной – кованое железо. В строительстве находят применение для всех вариантов.

Кроме того, что сталь сама по себе отличается прочностью, тем более после специальной обработки, в этой области активно применяется и еще одна особенность. Дело в том, что профильные изделия из металла ничем не уступают по прочности цельной детали таких же размеров и формы. А это значительно уменьшает материалоемкость строительных элементов, уменьшает их стоимость, снижает вес и так далее. В строительстве такое сочетание исключительно важно.

Применяемый металлопрокат разделяют на 3 основные группы.

• Фасонный – швеллеры, двутавры, угловой и обычный профиль, а также перфорированный. Сюда же относят и специальный профиль, применяемый, например, в шахтных выработках. Фасонный металлопрокат применяют при возведении всех типов каркасов для любого сооружения – от зданий до мостов и плотин. Его же используют при необходимости усилить конструкцию.
• Сортовой – арматура, балки, трубы, круги и прочее. Эти элементы используются едва ли не чаще, чем фасонный и очень многообразны:
  • арматура – стальные прутья разного диаметра, гладкие и с ребрами. Арматура предназначена для повышения прочности здания, причем показателем является не только стойкость к стационарной нагрузке, но и повышение прочности при нагрузке на растяжение и изгиб. Арматуру используют при возведении фундамента, перекрытий, железобетонных плит, усиления стен, а также при упрочнении кирпичной кладки и других конструктивных узлов – лестниц, например;
  • трубы – причем используются и круглые, и профильные. Предпочтительнее трубы прямоугольного квадратного сечения, поскольку их сварка и крепление более проста, чем в случае круглых, а стойкость к нагрузкам такая же;
  • балка – вариант цельнолитого изделия, когда требуется прочность при самых высоких нагрузках.

• Листовой прокат – листы горячего и холодного проката с покрытием и без. Это кровельные листы, профнастил, металлочерепица и так далее. Профнастил применяют не только для устройства кровли, но и при сооружении разнообразных ограждений, поскольку материал соединяет относительную легкость с высокой прочностью и стойкостью к перепадам температур.

Нержавеющие стали для листового проката применяют редко, поскольку стоимость сплава выше.

Отделочные работы

Основой их часто выступают металлические изделия – и трубы, и профиль, и листовое железо.

• Трубы необычных форм активно применяют в современных интерьерах. Из них сооружают спальные блоки, перекрытия и перегородки в комнате, ограждения как лестничные, так и уличные, используют даже в производстве мебели. Здесь трубы, конечно, подбирают с красивым покрытием – никель, хром, хотя встречаются и окрашенные изделия.
• Профиль – ниши и декоративные выступы, колонны и потолки, отделка стен и каминов и прочее и прочее. Все, что обшивается и облицовывается гипсокартоном, пленкой, плиткой, вагонкой, панелями – абсолютно все имеет каркас из металлического профиля. В изготовлении мебели – шкафов-купе, например, также применяется специализированный профиль. Стальной по сравнению с алюминиевым отличается куда большей прочностью и долговечностью.
• Металл может выступать не только каркасом, но отделочным материалом. Реечные, кассетные, панельные потолки исключительно разнообразны, интересны и долговечны. И рейки, и панели могут изготавливаться из алюминия, но если требуется долговечное и прочное решение – например, для отделки потолка железнодорожного вокзала, где требуется стойкость к вибрациям, используется, конечно же, сталь.
• Двери – к отделочным работам уже не относятся, а выступают, скорее, элементом системы защиты. Входные двери из стали достаточной толщины являются самым популярным и надежным способом предупредить взлом жилища. То же самое можно сказать о гаражных воротах, например, или воротах во двор.
• Лестничные конструкции – металлические лестницы очень разнообразны: от приставной или складной мансардной, до капитального сооружения на 2 этаж. Такой вариант прочен и надежен, при этом может быть очень красив. Современные модульные лестницы комбинируются со стеклом, прозрачным пластиком или даже деревом, а каменную лестницу могут украсить кованые перила.

Коммуникации

Несмотря на то что стальной трубопровод активно вытесняет пластиковые и металлопластиковые, до полной сдачи позиций еще чрезвычайно далеко. Причина проста: с прочностью и стойкостью стали мало что сравнится.

• Водопровод и канализация – если для обслуживания частного дома или квартиры можно подключать пластиковые изделия, то о магистрали и даже трубопроводе, обслуживающем многоквартирный дом этого сказать нельзя. Допускаются только железные трубы, причем соответствующие твердо установленным стандартам.
• Газопровод – вариантов нет, используется только сталь.
• Системы отопления – в здании система может включать пластиковые трубы. Городские и районные магистрали, не говоря уже о трубопроводе, непосредственно обслуживающем котельную, могут быть только железными. Начальная температура нагретой воды намного выше той, которую может выдержать пластиковые водоводы, не говоря уж о давлении.
• Батареи и радиаторы, как правило, тоже используются железные или чугунные – у чугуна выше теплоемкость и стойкость к гидроударам. Какими бы современными вариантами отопители не заменялись, сталь в конструкции все равно наличествует. Электрические радиаторы – конвекторные, масляные, всегда изготавливаются из стали, поскольку последняя, обладая высокой теплопроводностью, моментально отдает тепло воздуху.
• Кабели – проводку в доме чаще всего прячут в пластиковые короба. Однако силовые кабели с большим сечением защищаются металлическими трубами.
• Дымоходы – стальные трубы являются вариантом самым простым, доступным и легким. Для их изготовления применяют специальную жаростойкую сталь, причем устойчивую к коррозии.

Оборудование и предметы быта

Любая техника, устанавливаемая в доме, производится из стали.

• Отопительные котлы – на каком бы топливе аппараты не работали, корпуса их всегда изготавливаются из стали. В твердотопливных печах есть чугунные детали.
• Кухонное оборудование – плиты, духовки, микроволновки, пароварки и так далее имеют стальные корпуса и детали. На кухне сталь является и востребованным отделочным материалом: рабочие столешницы, например, отделка фартука. Сталь – материал очень декоративный и лишь кажется простым.
• Стиральные машины, сушилки и посудомойки также не обходятся без железа.
• Сантехника из стали применяется редко – из-за высокой теплопроводности, а вот чугунные ванны и умывальники устанавливают до сих пор. Материал лучше хранит тепло и очень долговечен.
• Посуда и столовые приборы, подставки и вазы, держатели и фурнитура, электрооборудование и мелкие аксессуары – места, где железо не используется, на пальцах можно пересчитать.
• Кованое железо – декоративные предметы такого рода являются настоящим произведением искусства, особенно когда речь идет о горячей ковке, при которой каждое изделие, каждая деталь изготавливается вручную и только один раз. Кованые решетки, перила, камины, ограждения украшают дворцы и современные павильоны, и, конечно, жилые квартиры.

Железо – главный конструкционный материал. В строительстве сталь и чугун являются базовыми материалами наряду со строительным камнем. Применение и разнообразие сплавов не поддается описанию.

Еще больше полезной информации по вопросу применения железа содержится в этом видео: