Spiegazione dettagliata del processo di produzione del metallo
La produzione di materiali metallici comporta più fasi dall'estrazione del minerale al prodotto finale.,Il seguente è il processo di produzione industriale di metalli tipici:
1. miniera e confezionamento del minerale
(1) Estrazione di minerali
- minerale di ferro (ematite Fe2O3, magnetite Fe3O4)
- Bauxite (Al2O3)
- minerale di rame (calcopirite CuFeS2)
Metodo: miniere a cielo aperto o sotterranee.
(2) Confezionamento del minerale
- Triturazione e macinatura: frantumazione del minerale in particelle fini.
- separazione magnetica: separazione dei minerali metallici dalle impurità (come ad esempio l'estrazione del concentrato di ferro con un separatore magnetico).
- Concentrato: per ottenere minerali di elevata purezza (come il concentrato di ferro contenente più del 60% di ferro).
2Fusione (estrazione dei metalli)
(1) Pirometallurgia (riduzione ad alta temperatura)
Metalli applicabili: ferro, rame, piombo, zinco, ecc.
- fabbricazione di ferro in altoforno:
- materie prime: minerale di ferro + coke (agente riducente) + calcare (flux).
- Reazione: Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 (temperatura 1500°C).
- Prodotto: ferro greggio (contenente 2-4% di carbonio, che richiede ulteriore siderurgia).
- Acciaierie a forno ad arco elettrico:
- decarborizzazione: soffiamento di ossigeno per ridurre il tenore di carbonio nel ferro greggio (come per la siderurgia dei convertitori per 15-20 minuti).
- Legatura: aggiunta di cromo, nichel, ecc. per produrre acciaio inossidabile.
(2) Idrometallurgia (dissoluzione chimica)
Metalli applicabili: alluminio, oro, uranio, ecc.
- Processo Bayer per l'alluminio:
1. Bauxite + NaOH → sciogliere Al2O3.
2. Elettrolizzare l'ossido di alluminio (Al2O3) per ottenere alluminio puro (processo di Hall-Héroult).
(3) Rafinazione elettrolitica
Metalli applicabili: rame (purezza 99,99%), zinco, nichel.
- Il minerale di rame viene utilizzato come anodo, la lamiera di rame puro come catodo e la soluzione di solfato di rame viene elettrolizzata.
3. Fusione e stampaggio
(1) Casting
- La fusione in sabbia: a basso costo, adatta a forme complesse (come il cilindro del motore).
- Fusione continua: produzione diretta di biglietti di acciaio e di lastre di alluminio (miglioramento dell'efficienza).
(2) Lavorazione a caldo
- laminatura a caldo: riscaldamento al di sopra della temperatura di ricristallizzazione e laminatura (ad esempio piastre di acciaio e tubi di rame).
- Forgia: stampaggio a pressione (ad esempio, alberi motore e parti di aeromobili).
(3) Lavoro a freddo
- Lavorazione a freddo: lavorazione a temperatura ambiente per aumentare la resistenza (ad esempio lamiere di acciaio inossidabile, filo di rame).
- Stampaggio/taglio: produzione di parti finali (come i gusci di auto).
4Trattamento termico
tecnologia
obiettivo
Datemi un esempio.
rinfrescante
Ammorbidire il metallo e alleviare lo stress
Filato di rame annelato per migliorare la duttilità
Acciaio di calore
Migliorare la durezza e la resistenza
Strumenti di acciaio
Trattamento con soluzione
Elementi di legazione uniformi (ad es. acciaio inossidabile)
Acciaio inossidabile 304 riscaldato a 1100°C
5Trattamento superficiale
- Prevenzione della ruggine: elettrogalvanizzazione (acciaio galvanizzato), anodizzazione (alluminio).
- Estetica: lucidatura (acciaio inossidabile specchio), spruzzo (placca di alluminio colorato).
- Rivestimento funzionale: rivestimento PVD (strumenti resistenti all'usura).
6. Ispezione della qualità
- Analisi della composizione: spettrometro per rilevare il contenuto di elementi.
- prove meccaniche: prova di trazione, prova di durezza.
- Test non distruttivi: ispezione a raggi X, rilevamento di crepe ad ultrasuoni.
Spiegazione dettagliata del processo di produzione delle leghe
Le leghe sono materiali costituiti da due o più metalli (o metalli e non metalli) mediante fusione, sinterizzazione o altri processi, e hanno proprietà migliori rispetto ai metalli puri, come una maggiore resistenza,resistenza alla corrosione o funzioni specialiIl seguente è un processo tipico di produzione di leghe:
1Preparazione delle materie prime
- I principali substrati metallici: ferro (Fe), alluminio (Al), rame (Cu), nichel (Ni), ecc.
- Elementi di lega:
- prestazioni migliorate: cromo (Cr), molibdeno (Mo), manganese (Mn), silicio (Si), ecc.
- Miglioramento della trasformabilità: carbonio (C), zolfo (S), fosforo (P) (contenuto deve essere rigorosamente controllato).
- Materiali ausiliari: fluido (come CaO calcareo), deossidante (come Al alluminio), gas protettivo (come Ar argon).
2. Processo di fusione
(1) Calcolo degli ingredienti
In base alla composizione della lega di riferimento (come per l'acciaio inossidabile 304 è necessario il 18%Cr+8%Ni), pesare con precisione le materie prime.
(2) Metodo di fusione
Modalità di fusione
Scenario di applicazione
caratteristica
Forno ad arco elettrico (EAF)
Acciaio inossidabile, lega speciale
Alta temperatura (1600°C+), controllo preciso della composizione
Fornaci a induzione
Leghe di alta purezza di piccole partite (come le leghe a base di nichel)
Nessun inquinamento, composizione uniforme
Convertitore (AOD/VOD)
Rafinazione per decarbonizzazione dell'acciaio inossidabile
Minimizzare il tenore di carbonio e ridurre le perdite di cromo
Passi chiave:
- Fusione: riscaldamento del metallo allo stato liquido (per esempio circa 1500-1600°C per le leghe a base di ferro).
- Legatura: aggiunta di elementi di lega (per esempio cromo, nichel) e agitazione per garantire una miscelazione uniforme.
- Rafinazione:
- Deossidazione: aggiunta di alluminio/silicio per rimuovere le impurità di ossigeno.
- Desolforazione/fosforo: eliminazione degli elementi nocivi mediante reazione di flusso (ad esempio CaO).
3Fusione o fusione continua
- Fusione di stampi: una lega liquida viene versata in uno stampo e raffreddata fino a formarsi (adatta per piccoli lotti di parti complesse).
- Fusione continua: fusione diretta in lastre, billette quadrate o billette rotonde (adatte alla produzione su larga scala, come le bobine in acciaio inossidabile).
4- Lavora caldo.
- laminatura a caldo: riscaldamento al di sopra della temperatura di ricristallizzazione (ad esempio 1100-1250°C per l'acciaio inossidabile) e laminatura in lamiere, barre, ecc.
- Fusione: stampaggio a pressione (per esempio, fusione di leghe per l'aviazione).
5. lavorazione a freddo (facoltativo)
- Lavorazione a freddo: lavorazione a temperatura ambiente per aumentare la resistenza (ad esempio lamiere di acciaio inossidabile, fili di lega di rame).
- ricottura: elimina l'indurimento del lavoro e ripristina la resistenza (come la temperatura di ricottura dell'acciaio inossidabile 304 1010-1120°C).
6Trattamento superficiale
- Decapaggio: rimozione delle scaglie di ossido (miscela HNO3+HF per l'acciaio inossidabile).
- lucidatura/verniciatura: come l'elettrogalvanizzazione (acciaio galvanizzato), il rivestimento PVD (acciaio inossidabile colorato).
7. Ispezione della qualità
- Analisi della composizione: lo spettrometro rileva il contenuto di elementi.
- Prova delle proprietà meccaniche: durezza, resistenza alla trazione, prova di urto.
- prove non distruttive: rilevazione di difetti a raggi X, rilevazione ad ultrasuoni di difetti interni.
La differenza tra metalli e leghe
1Metalli (metalli puri)
- Definizione: materiale costituito da un singolo elemento metallico (per esempio ferro puro, rame puro, alluminio puro).
- Caratteristiche:
- Buona conduttività elettrica/termica, ma scarse proprietà meccaniche (morbida, facile da deformare).
- Proprietà chimiche attive (come il ferro puro facilmente arrugginito).
- Utilizzo tipico: filo (rame), foglio di alluminio (alluminio) e altre scene con elevati requisiti di purezza.
2Leghe
- Definizione: materiale formato dalla fusione di due o più metalli (metalli e non metalli).
- Caratteristiche:
- Ottimizza le proprietà (forza, resistenza alla corrosione, ecc.) regolando la composizione.
- controllo dei costi (come la sostituzione di una parte del nichel con il manganese per ridurre il costo dell'acciaio inossidabile).
- Esempi tipici:
- acciaio inossidabile (ferro + cromo + nichel),
- ottone (rame + zinco),
- Lega di alluminio (alluminio + magnesio/silicio).
Perché scegliere prodotti in acciaio inossidabile?
L'acciaio inossidabile (come 304, 316) è un classico rappresentante delle leghe a base di ferro e i suoi principali vantaggi sono i seguenti:
1. resistenza alla corrosione
- Il ruolo del cromo: quando il contenuto di cromo è superiore al 10,5%, si forma sulla superficie una pellicola di passivazione densa di ossido di cromo (Cr2O3) per isolare l'ossigeno dell'acqua.
- Confronto:
- Acciaio al carbonio ordinario: facile da arrugginire, richiede ulteriore galvanizzazione/verniciatura.
Aluminio: anche se resistente alla corrosione atmosferica, ma non resistente agli acidi e agli alcali.
2. Alta resistenza e durata
- Indurimento del lavoro: la resistenza può essere notevolmente migliorata dopo la laminatura a freddo (ad esempio la resistenza alla trazione del 304 è aumentata del 50% dopo la laminatura a freddo).
- Performance ad alte temperature: l'acciaio inossidabile austenitico (come il 310S) rimane stabile a 800 °C.
3. igiene ed estetica
- Nessun rivestimento: per evitare la contaminazione del rivestimento non è necessario alcun rivestimento o verniciatura (applicazioni alimentari come attrezzature da cucina, strumenti chirurgici).
- varietà di superfici: lucidate (specchio), spazzolate (matte), placcate (PVD), ecc.
4. rispettoso dell'ambiente e riciclabile
- 100% riciclabile: gli scarti di acciaio inossidabile possono essere direttamente riscaldati senza attenuazione delle prestazioni.
- Lunga durata: la durata di vita dell'acciaio inossidabile utilizzato nella costruzione (come il muro a tende 316L) può raggiungere oltre 50 anni, riducendo lo spreco di risorse.
5Economia (perspective a lungo termine)
- costo iniziale: l'acciaio inossidabile è da 2 a 3 volte superiore all'acciaio al carbonio, ma non richiede manutenzione (non è necessario alcun trattamento antirrugine).
- Caso: serbatoio di stoccaggio chimico: l'acciaio al carbonio deve essere sostituito regolarmente, l'investimento una tantum in acciaio inossidabile è più conveniente.
Quando non scegliere l'acciaio inossidabile?
1Condizioni di bilancio estreme: acciaio al carbonio + rivestimento antirrugina possono essere utilizzati per progetti a breve termine.
2- richieste ultraleggere: leghe di alluminio o leghe di titanio più leggere (come l'aerospaziale).
3Ambienti a temperatura ultra elevata: le leghe a base di nichel (come Inconel) sono più resistenti al calore.
