Explication détaillée du procédé de fabrication des métaux
La production de matériaux métalliques implique plusieurs étapes de l'extraction du minerai au produit final.,Voici le processus de production industrielle des métaux typiques:
1- Mines et condensation de minerai
(1) L'extraction du minerai
- minerai de fer (hématite Fe2O3, magnétit Fe3O4)
- Bauxite (Al2O3)
- Minerai de cuivre (calcopyrite CuFeS2)
Méthode: exploitation minière à ciel ouvert ou sous terre.
(2) Débardeur de minerai
- broyage et broyage: broyage du minerai en particules fines
- Flotation/séparation magnétique: séparation des minéraux métalliques des impuretés (par exemple en utilisant un séparateur magnétique pour extraire le concentré de fer).
- Concentré: obtention de minéraux de haute pureté (comme le concentré de fer contenant plus de 60% de fer).
2. Fusion (extraction des métaux)
(1) Pyrométallurgie (réduction à haute température)
Métaux applicables: fer, cuivre, plomb, zinc, etc.
- Fabrication de fer à haut fourneau:
- matières premières: minerai de fer + coke (agent réducteur) + calcaire (flux).
- Réaction: Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 (température 1500°C).
- Produit: fer brut (contenant 2 à 4% de carbone, nécessitant une production ultérieure de l'acier).
- transformateur/fourneau à arc électrique
- Décarburation: soufflage de l'oxygène pour réduire la teneur en carbone dans le fer brut (par exemple, transformation de l'acier pendant 15 à 20 minutes).
- L'alliage: ajout de chrome, de nickel, etc. pour produire de l'acier inoxydable.
(2) Hydrometallurgie (dissolution chimique)
Métaux applicables: aluminium, or, uranium, etc.
- procédé Bayer pour l'aluminium:
1. Bauxite + NaOH → dissoudre Al2O3.
2Électrolysez l'oxyde d'aluminium (Al2O3) pour obtenir de l'aluminium pur (processus Hall-Héroult).
(3) Raffinage électrolytique
Métaux applicables: cuivre (pureté 99,99%), zinc, nickel.
- Le minerai de cuivre est utilisé comme anode, la feuille de cuivre pur est utilisée comme cathode et la solution de sulfate de cuivre est électrolysée.
3. Coulée et moulage
(1) Le casting
- La coulée au sable: peu coûteuse, adaptée à des formes complexes (tels que le cylindre du moteur).
- La coulée continue: production directe de billets d'acier et de plaques d'aluminium (amélioration de l'efficacité).
(2) Travail à chaud
- laminage à chaud: chauffage au-dessus de la température de recristallisation et laminage (par exemple, plaques d'acier et tubes de cuivre).
- Forgeage: moulage sous pression (par exemple, arbres à manivelle et pièces d'aviation).
(3) Travail à froid
- laminage à froid: traitement à température ambiante pour augmenter la résistance (par exemple, tôles d'acier inoxydable, fil de cuivre).
- Estampage/coupe: fabrication de pièces finales (comme les coques de voitures).
4Traitement thermique
La technologie
le but
Donnez un exemple.
anneau
Démolissez le métal et soulagez le stress
Fil de cuivre recuit pour améliorer la ductilité
Éteindre + tempérer
Améliorer la dureté et la ténacité
Outil en acier
Traitement par solution
Éléments d'alliage uniformes (par exemple, en acier inoxydable)
Acier inoxydable 304 chauffé à 1100°C
5Traitement de surface
- Prévention de la rouille: électro-galvanisation (acier galvanisé), anodisation (aluminium).
- L'esthétique: polissage (acier inoxydable miroir), pulvérisation (plaque d'aluminium couleur).
- revêtement fonctionnel: revêtement PVD (outils résistants à l'usure).
6. Inspection de la qualité
- Analyse de composition: spectromètre pour détecter la teneur en éléments.
- Tests mécaniques: test de traction, test de dureté.
- Tests non destructifs: inspection par rayons X, détection des fissures par ultrasons.
Explication détaillée du processus de production des alliages
Les alliages sont des matériaux constitués de deux ou plusieurs métaux (ou de métaux et non-métaux) par fusion, frittage ou autres procédés, et présentant de meilleures propriétés que les métaux purs, telles qu'une résistance plus élevée,résistance à la corrosion ou fonctions spécialesVoici un procédé typique de production d'alliages:
1Préparation de matières premières
- Principaux substrats métalliques: comme le fer (Fe), l'aluminium (Al), le cuivre (Cu), le nickel (Ni), etc.
- Éléments d'alliage:
- Des performances améliorées: chrome (Cr), molybdène (Mo), manganèse (Mn), silicium (Si), etc.
- Amélioration de la capacité de traitement: carbone (C), soufre (S), phosphore (P) (le contenu doit être strictement contrôlé).
- Matériaux auxiliaires: flux (comme le CaO du calcaire), désoxydant (comme l'aluminium Al), gaz protecteur (comme l'argon Ar).
2. procédé de fusion
(1) Calcul des ingrédients
Selon la composition de l'alliage cible (comme l'acier inoxydable 304 nécessite 18%Cr+8%Ni), peser avec précision les matières premières.
(2) Méthode de fusion
Mode de fusion
Scénario d'application
spécificité
Un four à arc électrique (EAF)
Acier inoxydable, alliage spécial
Température élevée (1600°C+), contrôle précis de la composition
fourneau à induction
Alliages à haute pureté de petits lots (comme les alliages à base de nickel)
Aucune pollution, composition uniforme
Convertisseur (AOD/VOD)
Raffinage par décarbonisation de l'acier inoxydable
Diminution de la teneur en carbone et réduction des pertes de chrome
Les étapes clés:
- Fusion: chauffage du métal à l'état liquide (par exemple environ 1500-1600°C pour les alliages à base de fer).
- Légation: ajout d'éléments d'alliage (par exemple chrome, nickel) et remuage pour assurer un mélange uniforme.
- Le raffinage:
- Désoxydation: ajout d'aluminium/silicium pour éliminer les impuretés d'oxygène.
- Désulfuration/phosphore: élimination des éléments nocifs par réaction de flux (par exemple CaO).
3. Coulée ou coulée continue
- Coulée de moules: l'alliage liquide est versé dans un moule et refroidi pour former (convient pour les petits lots de pièces complexes).
- coulée continue: coulée directe en plaques, billets carrés ou billets ronds (adaptés à la production à grande échelle, comme les bobines en acier inoxydable).
4Il fait chaud.
- laminage à chaud: chauffage au-dessus de la température de recristallisation (par exemple 1100-1250°C pour l'acier inoxydable) et laminage en plaques, barres, etc.
- Forge: moulage sous pression (p. ex. forgures en alliage d'aviation).
5. Travail à froid (facultatif)
- laminage à froid: traitement à température ambiante pour augmenter la résistance (par exemple, tôles d'acier inoxydable, fils en alliage de cuivre).
- Rechauffage: élimine le durcissement du travail et restaure la ténacité (par exemple, température de rechauffage de l'acier inoxydable 304 1010-1120°C).
6Traitement de surface
- Le décapage: éliminer les écailles d'oxyde (mélange HNO3+HF pour l'acier inoxydable).
- Polissage/plaquage: tels que l'électro-galvanisation (acier galvanisé), le revêtement PVD (acier inoxydable coloré).
7. Inspection de la qualité
- Analyse de composition: le spectromètre détecte la teneur en éléments.
- Essai des propriétés mécaniques: dureté, résistance à la traction, essai d'impact.
- Tests non destructifs: détection de défauts par rayons X, détection par ultrasons de défauts internes.
La différence entre les métaux et les alliages
1. Métal (métal pur)
- Définition: Matériau constitué d'un seul élément métallique (par exemple, fer pur, cuivre pur, aluminium pur).
- Caractéristiques:
- Bonne conductivité électrique/thermique, mais faibles propriétés mécaniques (doux, faciles à déformer).
- Propriétés chimiques actives (comme le fer pur facile à rouiller).
- Utilisation typique: fil (cuivre), feuille d'aluminium (aluminium) et autres scènes nécessitant une pureté élevée.
2Alliages
- Définition: matériau formé par la fusion de deux ou plusieurs métaux (ou métal et non métal).
- Caractéristiques:
- Optimise les propriétés (résistance, résistance à la corrosion, etc.) en ajustant la composition.
- contrôle des coûts (comme le remplacement d'une partie du nickel par du manganèse pour réduire le coût de l'acier inoxydable).
- Des exemples typiques:
- acier inoxydable (fer + chrome + nickel),
- cuivre (cuivre + zinc),
- alliage d'aluminium (aluminium + magnésium/silicone).
Pourquoi choisir des produits en acier inoxydable?
L'acier inoxydable (comme le 304, 316) est un représentant classique des alliages à base de fer, et ses principaux avantages sont les suivants:
1Résistance à la corrosion
- Le rôle du chrome: lorsque la teneur en chrome est supérieure à 10,5%, un film de passivation dense d'oxyde de chrome (Cr2O3) se forme à la surface pour isoler l'oxygène de l'eau.
- Une comparaison:
- Acier au carbone ordinaire: facile à rouiller, nécessite une galvanisation/peinture supplémentaire.
Aluminium: Bien que résistant à la corrosion atmosphérique, mais pas à l'acide et à l'alcali.
2. Haute résistance et durabilité
- Durcissement du travail: la résistance peut être considérablement améliorée après laminage à froid (par exemple, la résistance à la traction de 304 a augmenté de 50% après laminage à froid).
- Performance à haute température: l'acier inoxydable austénitique (comme le 310S) reste stable à 800 °C.
3. hygiène et esthétique
- Aucun revêtement: aucun revêtement ou peinture n'est nécessaire pour éviter la contamination du revêtement (applications de qualité alimentaire telles que les équipements de cuisine, les instruments chirurgicaux).
- diversité des surfaces: polies (miroir), brossées (mat), plaquées (PVD), etc.
4. écologique et recyclable
- 100% recyclable: les déchets d'acier inoxydable peuvent être directement refondus sans atténuation des performances.
- Longue durée de vie: la durée de vie de l'acier inoxydable utilisé dans la construction (comme le mur rideau 316L) peut atteindre plus de 50 ans, réduisant ainsi le gaspillage de ressources.
5- Économie (perspéction à long terme)
- coût initial: l'acier inoxydable est 2 à 3 fois plus élevé que l'acier au carbone, mais il est sans entretien (aucun traitement antirouille n'est nécessaire).
- Cas:Réservoir de stockage chimique: l'acier au carbone doit être remplacé régulièrement, l'investissement ponctuel en acier inoxydable est plus rentable.
Quand ne pas choisir l'acier inoxydable?
1- Des contraintes budgétaires extrêmes: l'acier au carbone + revêtement antirouille peuvent être utilisés pour des projets à court terme.
2- la demande de poids ultra léger: allumage en alliage d'aluminium ou en alliage de titane plus léger (comme l'aérospatiale).
3Environnement à température extrêmement élevée: les alliages à base de nickel (comme l'Inconel) sont plus résistants à la chaleur.
