Szczegółowe wyjaśnienie procesu produkcji metalu
Produkcja materiałów metalowych obejmuje wiele etapów, od wydobycia rudy do produktu końcowego. Przebieg procesu dla różnych metali (takich jak żelazo, aluminium, miedź i stal nierdzewna) jest inny, ale ogniwa rdzenia są podobne. Poniżej przedstawiono przemysłowy proces produkcji typowych metali:
1. Górnictwo i przeróbka rud
(1) Wydobycie rudy
- Ruda żelaza (hematyt Fe₂O₃, magnetyt Fe₃O₄)
- Boksyt (Al₂O₃)
- Ruda miedzi (chalkopiryt CuFeS₂)
Metoda: kopalnie odkrywkowe lub kopalnie podziemne.
(2) Opróżnianie rudy
- Kruszenie i mielenie: kruszenie rudy na drobne cząstki.
- Flotacja/separacja magnetyczna: oddzielanie minerałów metali od zanieczyszczeń (np. przy użyciu separatora magnetycznego do ekstrakcji koncentratu żelaza).
- Koncentrat: otrzymywanie minerałów o wysokiej czystości (takich jak koncentrat żelaza zawierający ponad 60% żelaza).
2. Wytapianie (ekstrakcja metalu)
(1) Pirometalurgia (redukcja wysokiej temperatury)
Obowiązujące metale: żelazo, miedź, ołów, cynk itp.
- Produkcja żelaza w wielkim piecu:
- Surowce: ruda żelaza + koks (reduktor) + wapień (topnik).
- Reakcja: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ (temperatura 1500°C).
- Produkt: surówka (zawierająca 2-4% węgla, wymagająca dalszej produkcji stali).
- Produkcja stali w konwertorze/elektrycznym piecu łukowym:
- Odwęglanie: przedmuch tlenu w celu zmniejszenia zawartości węgla w surówce (np. przy produkcji stali konwertorowej przez 15-20 minut).
- Stopowanie: dodawanie chromu, niklu itp. w celu wytworzenia stali nierdzewnej.
(2) Hydrometalurgia (rozpuszczanie chemiczne)
Obowiązujące metale: aluminium, złoto, uran itp.
- Proces Bayera dla aluminium:
1. Boksyt + NaOH → rozpuścić Al₂O₃.
2. Elektrolizować tlenek glinu (Al₂O₃) w celu uzyskania czystego aluminium (proces Halla-Héroulta).
(3) Rafinacja elektrolityczna
Stosowane metale: miedź (czystość 99,99%), cynk, nikiel.
- Jako anodę stosuje się rudę miedzi, jako katodę stosuje się czystą blachę miedzianą, a roztwór siarczanu miedzi poddaje się elektrolizie.
3. Odlewanie i formowanie
(1) Odlewanie
- Odlew piaskowy: niski koszt, odpowiedni do skomplikowanych kształtów (takich jak cylinder silnika).
- Odlewanie ciągłe: bezpośrednia produkcja kęsów stalowych i płyt aluminiowych (zwiększona wydajność).
(2) Praca na gorąco
- Walcowanie na gorąco: nagrzewanie powyżej temperatury rekrystalizacji i walcowanie (np. blach stalowych i rur miedzianych).
- Kucie: formowanie ciśnieniowe (takie jak wały korbowe i części lotnicze).
(3) Obróbka na zimno
- Walcowanie/ciągnienie na zimno: Przetwarzanie w temperaturze pokojowej w celu zwiększenia wytrzymałości (np. blachy ze stali nierdzewnej, drut miedziany).
- Tłoczenie/cięcie: Wykonywanie końcowych części (takich jak karoserie samochodów).
4. Obróbka cieplna
technologia
cel
Podaj przykład
hartować
Zmiękcz metal i złagodź stres
Wyżarzony drut miedziany w celu poprawy ciągliwości
Hartowanie + odpuszczanie
Popraw twardość i wytrzymałość
Narzędzie ze stali narzędziowej
Leczenie roztworem
Jednolite dodatki stopowe (np. stal nierdzewna)
Stal nierdzewna 304 podgrzewana do 1100°C
5. Obróbka powierzchniowa
- Zapobieganie rdzy: cynkowanie elektrolityczne (stal ocynkowana), anodowanie (aluminium).
- Estetyka: polerowanie (lustrzana stal nierdzewna), natryskiwanie (kolorowa płyta aluminiowa).
- Powłoka funkcjonalna: powłoka PVD (narzędzia odporne na zużycie).
6. Kontrola jakości
- Analiza składu: Spektrometr do wykrywania zawartości pierwiastków.
- Badania mechaniczne: próba rozciągania, próba twardości.
- Badania nieniszczące: kontrola rentgenowska, ultradźwiękowe wykrywanie pęknięć.
Szczegółowe wyjaśnienie procesu produkcji stopu
Stopy to materiały wykonane z dwóch lub więcej metali (lub metali i niemetali) w wyniku stapiania, spiekania lub innych procesów i mają lepsze właściwości niż czyste metale, takie jak większa wytrzymałość, odporność na korozję lub funkcje specjalne. Poniżej przedstawiono typowy proces produkcji stopów:
1. Przygotowanie surowca
- Główne podłoża metalowe: takie jak żelazo (Fe), aluminium (Al), miedź (Cu), nikiel (Ni) itp.
- Elementy stopowe:
- Zwiększona wydajność: chrom (Cr), molibden (Mo), mangan (Mn), krzem (Si) itp.
- Lepsza przetwarzalność: węgiel (C), siarka (S), fosfor (P) (zawartość musi być ściśle kontrolowana).
- Materiały pomocnicze: topnik (np. wapień CaO), odtleniacz (np. aluminium Al), gaz ochronny (np. argon Ar).
2. Proces topienia
(1) Obliczanie składników
Zgodnie z docelowym składem stopu (np. stal nierdzewna 304 wymaga 18% Cr + 8% Ni) dokładnie zważ surowce.
(2) Metoda topienia
Tryb wytapiania
Scenariusz zastosowania
osobliwość
Elektryczny piec łukowy (EAF)
Stal nierdzewna, stop specjalny
Wysoka temperatura (1600°C+), precyzyjna kontrola składu
Piec indukcyjny
Stopy o wysokiej czystości w małych partiach (takie jak stopy na bazie niklu)
Brak zanieczyszczeń, jednolity skład
Konwerter (AOD/VOD)
Rafinacja metodą dekarbonizacji stali nierdzewnej
Niższa zawartość węgla i zmniejszenie utraty chromu
Kluczowe kroki:
- Topienie: Ogrzewanie metalu do stanu ciekłego (np. około 1500-1600°C dla stopów na bazie żelaza).
- Dodawanie stopów: Dodawanie pierwiastków stopowych (np. chromu, niklu) i mieszanie w celu zapewnienia równomiernego wymieszania.
- Rafinacja:
- Odtlenianie: Dodatek aluminium/krzemu w celu usunięcia zanieczyszczeń tlenowych.
- Odsiarczanie/fosfor: Usuwanie szkodliwych pierwiastków poprzez reakcję topnika (np. CaO).
3. Odlewanie lub odlewanie ciągłe
- Odlewanie w formach: Ciekły stop wlewa się do formy i schładza do postaci (odpowiedni dla małych partii skomplikowanych części).
- Odlewanie ciągłe: Bezpośrednie odlewanie w płyty, kęsy kwadratowe lub kęsy okrągłe (odpowiednie do produkcji na dużą skalę, takie jak kręgi ze stali nierdzewnej).
4. Praca na gorąco
- Walcowanie na gorąco: nagrzewanie powyżej temperatury rekrystalizacji (np. 1100-1250°C dla stali nierdzewnej) i walcowanie na płyty, pręty itp.
- Kucie: Formowanie pod ciśnieniem (np. odkuwki ze stopów lotniczych).
5. Obróbka na zimno (opcjonalnie)
- Walcowanie/ciągnienie na zimno: Przetwarzanie w temperaturze pokojowej w celu zwiększenia wytrzymałości (np. blachy ze stali nierdzewnej, druty ze stopów miedzi).
- Wyżarzanie: Wyeliminuj utwardzanie przez zgniot i przywróć wytrzymałość (np. temperatura wyżarzania stali nierdzewnej 304 1010-1120°C).
6. Obróbka powierzchniowa
- Wytrawianie: Usunąć zgorzelinę tlenkową (mieszanina HNO₃+HF dla stali nierdzewnej).
- Polerowanie/platerowanie: np. cynkowanie elektrolityczne (stal ocynkowana), powłoka PVD (kolorowa stal nierdzewna).
7. Kontrola jakości
- Analiza składu: Spektrometr wykrywa zawartość pierwiastków.
- Badanie właściwości mechanicznych: twardość, wytrzymałość na rozciąganie, próba udarności.
- Badania nieniszczące: wykrywanie wad rentgenowskich, ultradźwiękowe wykrywanie wad wewnętrznych.
Różnica między metalami i stopami
1. Metal (czysty metal)
- Definicja: Materiał składający się z pojedynczego pierwiastka metalicznego (np. czystego żelaza, czystej miedzi, czystego aluminium).
- Cechy:
- Dobra przewodność elektryczna/cieplna, ale słabe właściwości mechaniczne (miękkie, łatwe do odkształcenia).
- Aktywne właściwości chemiczne (takie jak czyste żelazo łatwe do rdzewienia).
- Typowe zastosowanie: drut (miedź), folia aluminiowa (aluminium) i inne sceny o wysokich wymaganiach czystości.
2. Stop
- Definicja: materiał powstały w wyniku stopienia dwóch lub więcej metali (lub metalu i niemetalu).
- Cechy:
- Optymalizuje właściwości (wytrzymałość, odporność na korozję itp.) poprzez dostosowanie składu.
- Kontrola kosztów (np. zastąpienie części niklu manganem w celu obniżenia kosztów stali nierdzewnej).
- Typowe przykłady:
- Stal nierdzewna (żelazo + chrom + nikiel),
- Mosiądz (miedź + cynk),
- Stop aluminium (aluminium + magnez/krzem).
Dlaczego warto wybrać produkty ze stali nierdzewnej?
Stal nierdzewna (taka jak 304, 316) jest klasycznym przedstawicielem stopów na bazie żelaza, a jej podstawowe zalety są następujące:
1. Odporność na korozję
- Rola chromu: gdy zawartość chromu przekracza 10,5%, na powierzchni tworzy się gęsta warstwa pasywacyjna tlenku chromu (Cr₂O₃), która oddziela tlen z wody.
- Porównanie:
- Zwykła stal węglowa: łatwa do rdzewienia, wymaga dodatkowego cynkowania/malowania.
Aluminium: Chociaż jest odporne na korozję atmosferyczną, ale nie jest odporne na kwasy i zasady.
2. Wysoka wytrzymałość i trwałość
- Utwardzanie przez zgniot: Wytrzymałość można znacznie poprawić po walcowaniu na zimno (np. wytrzymałość na rozciąganie 304 zwiększona o 50% po walcowaniu na zimno).
- Wydajność w wysokich temperaturach: austenityczna stal nierdzewna (taka jak 310S) pozostaje stabilna w temperaturze 800 ° C.
3. Higiena i estetyka
- Bez powlekania: Nie jest wymagane powlekanie ani malowanie, aby uniknąć zanieczyszczenia powłoki (zastosowania do kontaktu z żywnością, takie jak sprzęt kuchenny, narzędzia chirurgiczne).
- Różnorodność powierzchni: polerowana (lustro), szczotkowana (matowa), platerowana (PVD) itp.
4. Przyjazny dla środowiska i nadający się do recyklingu
- W 100% nadające się do recyklingu: Odpady stali nierdzewnej można bezpośrednio przetopić bez pogorszenia wydajności.
- Długa żywotność: żywotność stali nierdzewnej stosowanej w budownictwie (takiej jak ściana osłonowa 316L) może sięgać ponad 50 lat, zmniejszając marnotrawstwo zasobów.
5. Ekonomia (perspektywa długoterminowa)
- Koszt początkowy: stal nierdzewna jest 2 do 3 razy wyższa niż stal węglowa, ale nie wymaga konserwacji (nie jest wymagana żadna obróbka antykorozyjna).
- Obudowa: Zbiornik na chemikalia: stal węglową należy regularnie wymieniać, jednorazowa inwestycja w stal nierdzewną jest bardziej opłacalna.
Kiedy nie wybierać stali nierdzewnej?
1. Ekstremalne ograniczenia budżetowe: stal węglowa + powłoka antykorozyjna może być stosowana w projektach krótkoterminowych.
2. Ultralekki popyt: zapalniczka ze stopu aluminium lub stopu tytanu (np. w przemyśle lotniczym).
3. Środowisko o bardzo wysokiej temperaturze: stopy na bazie niklu (takie jak Inconel) są bardziej odporne na ciepło.
