Explicação pormenorizada do processo de produção de metais
A produção de materiais metálicos envolve várias etapas desde a extração do minério até o produto final.,O seguinte é o processo de produção industrial de metais típicos:
1. Mineração e dressing de minério
(1) Mineração de minério
- Minério de ferro (hematita Fe2O3, magnetita Fe3O4)
- Bauxita (Al2O3)
- Minério de cobre (calcopirita CuFeS2)
Método: mineração a céu aberto ou subterrânea.
(2) Confecção de minério
- Trituração e moagem: trituração do minério em partículas finas.
- Flotação/separação magnética: separação dos minerais metálicos das impurezas (por exemplo, utilizando um separador magnético para extrair concentrado de ferro).
- Concentrado: obtenção de minerais de elevada pureza (como o concentrado de ferro com mais de 60% de ferro).
2Fusão (extracção de metais)
(1) Pirometalurgia (redução a altas temperaturas)
Metais aplicáveis: ferro, cobre, chumbo, zinco, etc.
- Fabricação de ferro por altoforno:
- Matérias-primas: minério de ferro + coque (redutor) + calcário (fluxo).
- Reacção: Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 (temperatura 1500°C).
- Produto: ferro bruto (conteúdo de carbono de 2 a 4% que requer uma produção siderúrgica ulterior).
- Fabricação de aço a partir de fornos de arco eléctrico:
- Descarbonização: sopro de oxigénio para reduzir o teor de carbono no ferro bruto (por exemplo, na siderurgia de conversores durante 15 a 20 minutos).
- Ligação: adição de cromo, níquel, etc., para produzir aço inoxidável.
(2) Hidrometallurgia (dissolução química)
Metais aplicáveis: alumínio, ouro, urânio, etc.
- Processo Bayer para alumínio:
1. Bauxita + NaOH → dissolver Al2O3.
2Eletrolise o óxido de alumínio (Al2O3) para obter alumínio puro (processo de Hall-Héroult).
(3) Refinamento eletrolítico
Metais aplicáveis: cobre (pureza 99,99%), zinco, níquel.
- O minério de cobre é utilizado como ânodo, a chapa de cobre puro é usada como cátodo e a solução de sulfato de cobre é eletrolítica.
3- Fusão e moldagem
(1) Casting
- fundição em areia: baixo custo, adequado para formas complexas (como cilindro de motor).
- Fusão contínua: produção directa de billetes de aço e placas de alumínio (melhoria da eficiência).
(2) Trabalho a quente
- laminagem a quente: aquecimento acima da temperatura de recristalização e laminagem (como chapas de aço e tubos de cobre).
- Forja: moldagem sob pressão (por exemplo, eixos de válvulas e peças de aviação).
(3) Trabalho a frio
- Laminação a frio: processamento à temperatura ambiente para aumentar a resistência (por exemplo, chapas de aço inoxidável, fios de cobre).
- Estampagem/corte: Fabricação de peças finais (como cartuchos de automóveis).
4Tratamento térmico
Tecnologia
Objetivo
Dê um exemplo.
Anilha
Suavizar o metal e aliviar o estresse
Fios de cobre anelados para melhorar a ductilidade
Aquecimento + temperação
Melhorar a dureza e a resistência
Ferramentas de aço
Tratamento por solução
Elementos de ligação uniformes (por exemplo, aço inoxidável)
304 de aço inoxidável aquecido a 1100 °C
5Tratamento de superfície
- Prevenção da ferrugem: electrogalvanização (aço galvanizado), anodização (alumínio).
- Estética: polir (aço inoxidável espelho), pulverizar (placa de alumínio de cor).
- Revestimento funcional: Revestimento PVD (ferramentas resistentes ao desgaste).
6. Inspecção da qualidade
- Análise de composição: espectrômetro para detectar o teor de elementos.
- Ensaios mecânicos: ensaio de tração, ensaio de dureza.
- Testes não destrutivos: inspecção por raios X, detecção de rachaduras por ultra-som.
Explicação pormenorizada do processo de produção da liga
As ligas são materiais fabricados a partir de dois ou mais metais (ou de metais e não metais) por fusão, sinterização ou outros processos, e têm melhores propriedades do que os metais puros, tais como maior resistência,resistência à corrosão ou funções especiaisO seguinte é um processo típico de produção de ligas:
1Preparação de matérias-primas
- Principais substratos metálicos: ferro (Fe), alumínio (Al), cobre (Cu), níquel (Ni), etc.
- Elementos de liga:
- Performance melhorada: cromo (Cr), molibdênio (Mo), manganês (Mn), silício (Si), etc.
- Melhoria da capacidade de processamento: carbono (C), enxofre (S), fósforo (P) (continuação deve ser rigorosamente controlada).
- Materiais auxiliares: fluxo (como o calcário CaO), desoxidante (como o alumínio Al), gás protetor (como o argônio Ar).
2Processo de fusão
(1) Cálculo dos ingredientes
De acordo com a composição da liga-alvo (por exemplo, o aço inoxidável 304 requer 18%Cr+8%Ni), pesar com precisão as matérias-primas.
(2) Método de fusão
Modo de fusão
Scenário de aplicação
peculiaridade
Forno de arco elétrico (EAF)
Aço inoxidável, liga especial
Alta temperatura (1600°C+), controlo preciso da composição
Fornos de indução
Ligações de alta pureza de pequenos lotes (como as ligas à base de níquel)
Sem poluição, composição uniforme
Conversor (AOD/VOD)
Refinagem por descarbonização de aço inoxidável
Reduzir o teor de carbono e reduzir a perda de cromo
Passos-chave:
- Fusão: aquecimento do metal até ao estado líquido (por exemplo, cerca de 1500-1600°C para ligas à base de ferro).
- Ligação: adição de elementos de ligação (por exemplo, cromo, níquel) e agitação para assegurar uma mistura uniforme.
- Refinagem:
- Desoxidação: adição de alumínio/silício para remover impurezas de oxigénio.
- Dessulfuração/fosforo: eliminação de elementos nocivos através de reações de fluxo (por exemplo, CaO).
3. fundição ou fundição contínua
- fundição de moldes: a liga líquida é derramada num molde e arrefecida para formar (adequada para pequenos lotes de peças complexas).
- fundição contínua: fundição direta em lajes, bilhetes quadrados ou bilhetes redondos (aptos para a produção em grande escala, tais como bobinas de aço inoxidável).
4Trabalho quente.
- Laminação a quente: aquecimento acima da temperatura de recristalização (por exemplo, 1100-1250°C para o aço inoxidável) e laminação em chapas, barras, etc.
- Forja: moldagem por pressão (por exemplo, forjas de ligas de aviação).
5. Trabalho a frio (facultativo)
- Laminação a frio: processamento à temperatura ambiente para aumentar a resistência (por exemplo, chapas de aço inoxidável, fios de liga de cobre).
- Requeijão: Elimina o endurecimento do trabalho e restabelece a dureza (como a temperatura de aquecimento do aço inoxidável 304 1010-1120°C).
6Tratamento de superfície
- Decantação: remoção da escama de óxido (mistura HNO3+HF para o aço inoxidável).
- Polir/revestimento: tais como electrogalvanização (aço galvanizado), revestimento PVD (aço inoxidável colorido).
7. Inspecção da qualidade
- Análise de composição: o espectrômetro detecta o teor de elementos.
- Ensaio de propriedades mecânicas: dureza, resistência à tração, ensaio de impacto.
- Ensaios não destrutivos: detecção de falhas por raios X, detecção por ultra-som de defeitos internos.
A diferença entre metais e ligas
1. Metal (metal puro)
- Definição: Material constituído por um único elemento metálico (por exemplo, ferro puro, cobre puro, alumínio puro).
- Características:
- Boa condutividade eléctrica/térmica, mas fracas propriedades mecânicas (suave, de fácil deformação).
- Propriedades químicas activas (por exemplo, ferro puro fácil de ferrugem).
- Utilização típica: fio (cobre), folha de alumínio (alumínio) e outras cenas com exigências elevadas de pureza.
2. liga
- Definição: material formado pela fusão de dois ou mais metais (metal e não-metal).
- Características:
- Otimiza as propriedades (força, resistência à corrosão, etc.) ajustando a composição.
- controlo dos custos (por exemplo, substituição de uma parte do níquel por manganês para reduzir o custo do aço inoxidável).
- Exemplos típicos:
- aço inoxidável (ferro + cromo + níquel),
- Latão (cobre + zinco),
- liga de alumínio (alumínio + magnésio/silício).
Por que escolher produtos de aço inoxidável?
O aço inoxidável (como 304, 316) é um representante clássico das ligas à base de ferro, e suas principais vantagens são as seguintes:
1Resistência à corrosão
- O papel do cromo: quando o teor de cromo é superior a 10,5%, forma-se na superfície uma película de passivação densa de óxido de cromo (Cr2O3) para isolar o oxigénio da água.
- Comparação:
- aço carbono comum: fácil de ferrugem, requer galvanização/pintura adicional.
Alumínio: Embora resistente à corrosão atmosférica, mas não resistente a ácidos e álcalis.
2. Alta resistência e durabilidade
- Endurecimento do trabalho: a resistência pode ser significativamente melhorada após a laminação a frio (por exemplo, a resistência à tração do 304 aumentou 50% após a laminação a frio).
- Performance em altas temperaturas: O aço inoxidável austenítico (como o 310S) permanece estável a 800 °C.
3. Higiene e estética
- Sem revestimento: não é necessário revestimento ou pintura para evitar a contaminação do revestimento (aplicações de qualidade alimentar, tais como equipamentos de cozinha, instrumentos cirúrgicos).
- Diversidade de superfícies: polidas (espelho), escovadas (mato), revestidas (PVD), etc.
4Amigável ao ambiente e reciclável
- 100% reciclável: os resíduos de aço inoxidável podem ser directamente reciclados sem atenuar o desempenho.
- longa vida útil: a vida útil do aço inoxidável utilizado na construção (como a parede cortina 316L) pode atingir mais de 50 anos, reduzindo o desperdício de recursos.
5Economia (perspectiva a longo prazo)
- Custo inicial: o aço inoxidável é de 2 a 3 vezes superior ao aço carbono, mas não necessita de manutenção (não é necessário tratamento antirruído).
- Caso:Cisterna de armazenamento de produtos químicos: o aço de carbono precisa de ser substituído regularmente, o aço inoxidável é um investimento único mais rentável.
Quando não escolher o aço inoxidável?
1- Constrações orçamentais extremas: o aço carbono + revestimento antirruído podem ser utilizados para projectos de curto prazo.
2- exigência de ultraleves: liga de alumínio ou liga de titânio mais leve (como a aeroespacial).
3Ambiente de altas temperaturas: as ligas à base de níquel (como o Inconel) são mais resistentes ao calor.
