I MATERIALI NELLA PRODUZIONE INDUSTRIALE

Materie:Tesina
Categoria:Tecnologia

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Testo

I MATERIALI NELLA PRODUZIONE INDUSTRIALE (1)
I materiali da costruzione si dividono in :
- metallici
- non metallici
Le caratteristiche dei metalli sono:
- la struttura cristallina
- la buona resistenza meccanica
- la tenacità ( resistenza, compattezza )
- la lavorabilità
- la buona conduttività termica ed elettrica
- la reattività con l’ossigeno
Una lega metallica si ottiene con la fusione di un metallo con uno o più elementi chimici . I materiali metallici si dividono in :
- materiali metallici ferrosi : sono il ferro e le sue leghe ( acciai e ghise )
- materiali metallici non ferrosi : alluminio, zinco, rame ecc… e relative leghe
IL FERRO E LE SUE LEGHE
Il ferro, l’acciaio e la ghisa sono prodotti siderurgici, diversi per aspetto e proprietà, ma simili per la composizione chimica.
Il ferro è presente in natura in varie forme: ossidi, idrossidi, carbonati ecc…, e mescolati a rocce sterili (argilla, quarzo, ardesia ecc…) formano i minerali ferrosi.
I minerali ferrosi estratti dal sottosuolo vengono frantumati, lavati, e se sotto forma di polveri, compattati in mattonelle.
Acciaio e ghisa sono leghe di ferro e carbonio , dove nel ferro c’è lo 0,005 % di carbonio, nell’acciaio da 0,005 a 2,6 % di carbonio, e nella ghisa tra il 2,6 e il 6% di carbonio.
Le impurezze dei materiali ferrosi sono: zolfo, zinco, silicio ecc…
I minerali ferrosi fusi in un altoforno con carbone coke e materiali fondenti, danno origine alla ghisa di prima fusione, che sarà poi la base per ottenere con ulteriori lavorazioni, i vari tipi di ghise e acciai.
IL CICLO SIDERURGICO INTEGRALE
Ciclo siderurgico integrale è il processo di fabbricazione che, partendo dalle materie prime ( minerali ferrosi, fondenti e carboni) , consente attraverso molte lavorazioni di ottenere come prodotti finiti gli acciai (sotto forma di lamiere, barre tondi) e come prodotto intermedio la ghisa di prima fusione.
Il processo siderurgico si compone di varie fasi:
-preparazione e trattamento delle materie prime
- produzione della ghisa nell’altoforno
- conversione della ghisa in acciaio
- colata dell’acciaio
- laminazione a caldo o a freddo
La ghisa prodotta nell’altoforno può essere destinata oltre all’acciaieria, alla fonderia, dove viene colata in apposite forme (PANI).
L’ALTOFORNO
E’ un impianto dove si fondono i minerali di ferro per produrre la ghisa.
L’altoforno ha la forma di un tino che può superare gli 80 m. ed è di forma cilindrica o troncoconica. E’ rivestito internamente con materiale refrattario ed è formato da:
- in cima la bocca di caricamento, dotata di un sistema di chiusura per impedire la
fuoriuscita di gas.
- lo skipper (montacarichi inclinato) che trasporta i materiali per la carica
- il tino conico, che è la parte più grande
- il ventre, di forma cilindrica
- la sacca, a forma di cono rovesciato
- il crogiolo, una camera cilindrica con ugelli per la ventilazione forzata, il foro di estrazione
delle scorie e il foro di colata del metallo fuso. Intorno al crogiolo ci sono le tubature di
trasporto dell’aria calda che proviene da due cowper (scambiatori di calore). I cowper
funzionano alternativamente, immagazzinano calore bruciando i gas dell’altoforno.
Nell’altoforno, vengono introdotti:
- minerali di ferro ( trattati e compattati in mattonelle ) (2)
- coke metallurgico ( dalla sua combustione si otterrà il calore per fondere i minerali di ferro)
- fondente ( consente la fusione e l’eliminazione delle impurità dei minerali )
- l’aria calda , che contiene ossigeno per la combustione del coke.
FUNZIONAMENTO :
l’aria riscaldata a 600/850 °c ,viene immessa nell’altoforno tramite gli ugelli. La combustione del coke nella zona di fusione (crogiolo, sacca) sviluppa il calore ( 1800 °C ) per fondere i minerali e formare le scorie. Per evitare l’eccessivo riscaldamento, le pareti esterne sono refrigerate con un impianto a circolazione d’acqua. Dalla zona di fusione salgono i gas contenenti ossido di carbonio, idrogeno e azoto che reagiscono con il coke e formano ferro solido. Il ferro si lega poi con il carbonio formando la ghisa, che si fonde, si deposita nel crogiolo per poi essere spillata ogni 2/3 ore.
Il fondente con le impurità e le ceneri origina le scorie ( o loppe, che sono più leggere della ghisa) che verranno incanalate all’aperto e raffreddate con getti d’acqua.
La ghisa liquida viene colata in contenitori (siluri) rivestiti con materiale refrattario, montati su rotaie.
La ghisa liquida può essere:
- colata in pani, se destinata alla fonderia
- versata in siviere (recipienti cilindrici) e destinata all’acciaieria per essere trasformata in
acciaio.
I prodotti dell’altoforno sono:
- le ghise gregge o di prima fusione
- le scorie-
- i gas dell’altoforno
Le ghise gregge vengono utilizzate sia per produrre pezzi per le industrie tenaci e lavorabili , sia per ottenere degli acciai.
Le scorie, saranno utilizzate per produrre cemento, calce, blocchi per pavimentazioni stradali, isolanti termici o acustici.
Il gas dell’altoforno, verrà depurato dalle polveri con lavaggio e filtrazione, e potrà essere utilizzato come combustibile per i crowper o per il funzionamento di motori a gas.
LA PRODUZIONE DELL’ACCIAIO
L’acciaio, si ottiene dalla ghisa greggia attraverso processi di affinazione effettuati in appositi forni o convertitori. I nomi dei vari procedimenti derivano dal tipo di forno utilizzato:
- convertitore a ossigeno
- forno elettrico
FORNI ELETTRICI AD ARCO
Nei forni ad arco, il riscaldamento del metallo avviene per mezzo dell’arco voltaico che scocca tra due o più elettrodi di grafite, oppure tra gli elettrodi e il bagno di fusione. L’arco elettrico raggiunge temperature fino a 3000 °C.
Gli elettrodi ( conduttore di corrente) possono essere in numero variabile a seconda delle dimensioni del forno e dell’alimentazione elettrica ( monofase = 220 volt, trifase = 380 volt ).
La carica è formata da rottami di acciaio e ghisa, fondenti, ed eventuali elementi di correzione.
I forni elettrici ad arco, possono essere utilizzati per la raffinazione di acciai ottenuti con altri procedimenti, e per la produzione di acciai speciali (inossidabili, per utensili) di alta qualità e purezza.
All’uscita dai forni o dai convertitori, l’acciaio liquido viene versato in una siviera, dove sul fondo è posto un foro di colata con apertura regolabile tramite un tampone di chiusura.
Il trasporto delle siviere da un settore all’altro dell’acciaieria, viene effettuato con un carroponte.
L’acciaio fuso può essere destinato:
- alla colata in lingottiera
- alla colata sottovuoto
- alla colata continua
COLATA IN LINGOTTIERA:
le lingottiere sono recipienti senza fondo, fatte in ghisa di grande spessore a forma di cono, per una più facile separazione dei lingotti.
COLATA SOTTOVUOTO: (3)
E’ utilizzata per gli acciai di qualità. Consente di eliminare i gas disciolti nel bagno e di evitare l’assorbimento dei gas atmosferici, così migliora la purezza dell’acciaio.
COLATA CONTINUA:
si cola l’acciaio fuso in una paniera distributrice , poi in una lingottiera senza fondo in rame, che viene raffreddata con un sistema a circolazione d’acqua e si completa la solidificazione. Ormai allo stato solido, l’acciaio viene tagliato con la tecnica dell’ossitaglio, posto su un carrello mobile. Infine viene rovesciato e inviato al laminatoio. La colata continua offre vantaggi economici e produttivi, perché consente di semplificare e velocizzare la produzione dei semilavorati. Dopo la colata, l’acciaio viene inviato alle lavorazioni plastiche a caldo o a freddo (laminazione) per produrre barre, lamiere, nastri e altri semilavorati.
PRODUZIONE GHISA DI SECONDA FUSIONE
Per ottenere diversi tipi di ghise industriali, la ghisa greggia viene sottoposta a processi di rifusione che hanno lo scopo di cambiarne la composizione chimica e le proprietà tecnologiche.
I processi di rifusione possono avvenire in forni elettrici ( ad arco o ad induzione) o nel cubilotto.
I forni a combustibile sono a riverbero (riflettono calore), e un bruciatore a nafta o a gas fornisce il calore per la fusione del metallo, che viene sfiorato dai gas caldi , dalle pareti e dalla volta in refrattario che riflettono calore verso il bagno fuso. Un dispositivo idraulico consente la rotazione del forno, così sono possibili il carico e la colata, e si ottengono ghise speciali.
CUBILOTTO:
il calore necessario alla fusione della ghisa è prodotto dalla combustione del carbone coke.
Il cubilotto è formato da un recipiente cilindrico in lamiera rivestito internamente da materiale refrattario. Il caricamento avviene dall’alto attraverso una porta. In basso si trovano gli ugelli per l’aria, il crogiolo, il foro di colata delle scorie e quello per la colata della ghisa. Alcuni cubilotti hanno l’avancrogiolo, un recipiente dove la ghisa liquida viene versata prima di essere colata nelle siviere. Nell’avancrogiolo è possibile aggiungere elementi correttivi per ottenere la composizione chimica desiderata, o sostanze depuranti per migliorare le proprietà meccaniche.
Il coke brucia a diretto contatto con la carica metallica, che è formata da ghisa in pani, rottami di ghisa e acciaio ed eventuali correttivi. Viene introdotta anche una certa quantità di fondenti calcarei per favorire la formazione delle scorie.
Si accende con legna secca e coke metallurgico. La combustione è favorita dall’immissione di aria attraverso gli ugelli. Le cariche sono immesse a strati alternati. Quando nel crogiolo vi è abbastanza ghisa liquefatta, si eliminano le scorie e si spilla la ghisa dal foro di colata. Estratta la quantità necessaria, il foro viene richiuso con un tappo di argilla. Terminata la fusione, il cubilotto deve essere svuotato e bisogna riparare il rivestimento interno.
Il cubilotto offre un buon rendimento termico, ma è adatto solo per produzioni continue di ghise grigie, infatti per produrre ghise speciali si utilizzano i forni elettrici o a riverbero.
CARATTERISTICHE DEL FERRO, DELL’ACCIAIO, DELLA GHISA
PROPRIETA’ DEL FERRO:
il ferro è duttile (malleabile), facilmente lavorabile sia per esportazione di truciolo sia per deformazione plastica, però la sua resistenza meccanica è molto bassa e ne limita l’utilizzo.
E’ poco resistente al calore e alla corrosione, si combina con l’ossigeno col quale forma l’ossido di ferro (ruggine) e ha scarse proprietà di fusibilità e col abilità.
PROPRIETA’ DEGLI ACCIAI:
le proprietà degli acciai sono variabili e dipendono da:
- percentuale di carbonio
- processo di produzione
- trattamenti termici e struttura cristallina
- presenza e percentuali di altri elementi di lega
L’acciaio ha un’alta resistenza a trazione e compressione, discreta col abilità, ottima lavorabilità e saldabilità. Gli acciai formati da ferro e carbonio si dicono acciai non legati, quelli che contengono altri elementi di lega si dicono acciai legati.
Gli acciai si suddividono in 2 gruppi:
- acciai destinati in base alle caratteristiche meccaniche e al loro impiego
- acciai destinati in base alla composizione chimica
In commercio si trovano sotto forma di semilavorati laminati a caldo (barre, lamiere) e sono impiegati per opere di carpenteria metallica, tondini per cemento armato.
ACCIAI DI BONIFICA: (4)
destinati al trattamento termico, hanno ottima tenacità e resistenza a fatica. Possono essere sia legati che non. Sono impiegati per costruire bielle, alberi di trasmissione, bulloni ecc…
ACCIAI DA CEMENTAZIONE:
sono a basso tenore di carbonio, si impiegano per costruire parti meccaniche soggette a usura ( perni, spinotti, ingranaggi ecc…)
ACCIAI DA NITRURAZIONE:
contengono alluminio e sono simili agli acciai di cementazione, ma con tenore di carbonio e durezza superiori.
ACCIAI INOSSIDABILI:
la sua caratteristica è l’inossidabilità. Impiegati per contenitori per l’industria chimica, tessile, farmaceutica, ferri chirurgici, pentolame ecc…
ACCIAI RESISTENTI AL CALORE:
sono acciai legati, in grado di sopportare alte temperature. Sono impiegati per tubi, valvole, bulloni ecc…
ACCIAI PER CUSCINETTI: alta durezza, tenacità, resistenza al’usura, impiegati per cuscinetti di rotolamento.
ACCIAI PER MOLLE:
contengono silicio, hanno alta elasticità. Impiegati per costruire molle elicoidali ( A elica) e a balestra ( con più lamine sovrapposte), pinze elastiche ecc…
ACCIAI PER UTENSILI: destinati alla costruzione di utensili e stampi per lavorazioni a freddo e a caldo. Hanno durezza, resistenza all’usura, indeformabilità, tenacia, resistenza a caldo. Contengono vari elementi di lega . cromo, nichel, cobalto ecc…
PROPRIETA’ DELLA GHISA:
elevata durezza, resistenza all’usura e alla corrosione, ottima fusibilità e colabilità, resistenza e compressione. Tutte le ghise hanno bassissima elasticità e sono molto fragili.
in base alla composizione chimica le ghise si dividono in:
- ghise bianche
- ghise grigie
- ghise malleabili
GHISE BIANCHE :
in queste ghise il carbonio è allo stato combinato ( cementite, carburo di ferro). Sono molto dure e poco lavorabili. Impiegate per costruire rulli per frantoio, cilindri per laminatoi.
GHISE GRIGIE:
la grafite presente nelle ghise grigie presenta due diverse composizioni: lamellare o sferoidale.
Le ghise grigie si suddividono in:
- ghise grigie per getti o a grafite lamellare, hanno buona lavorabilità, resistenza all’usura,bassa resistenza a trazione. Trovano impiego nella costruzione di tubi, stufe, caldaie ecc
Sono destinate in base al carico unitario di rottura a trazione ( N/mm*)
- ghise sferoidali, hanno ottima lavorabilità e col abilità. Sono impiegate per getti soggetti a urti e usura ( pistoni e cilindri idraulici, pompe, compressori ecc…)
Sono destinate in base al carico unitario di rottura a trazione e al valore di allungamento percentuale.
- ghise speciali, ottenute con accorgimenti durante la fusione. Impiegata per usi automobilistici. Si destinano in base al valore di durezza Brinnel.
GHISE MALLEABILI:
sono rese malleabili da un trattamento termico, il carbonio si presenta in forma di “fiocchi”.
Si distinguono ghise malleabili bianche, nere, perlitiche. Hanno discreta plasticità a freddo, ottima resistenza meccanica, resistenza a fatica, lavorabilità e fragilità. Trovano impiego nella produzione di valvole, raccordi, tamburi per freno.
La destinazione prevede i simboli W per la bianca, B per la nera e P per la perlitica, seguiti dai valori di resistenza a trazione e allungamento percentuale.
MATERIALI METALLICI NON FERROSI
I materiali non ferrosi si distinguono in metalli leggeri e pesanti. I metalli leggeri sono l’alluminio, il magnesio e le loro leghe; quelli pesanti sono tutti i metalli che hanno una massa volumica superiore a 3 Kg/dm°.
ALLUMINIO ( Al ) E LE LEGHE LEGGERE
ALLUMINIO ( Al ) E LE LEGHE LEGGERE (5)
L’alluminio non si trova in natura allo stato metallico, ma sotto forma di composti che formano l’8% della crosta terrestre. Il minerale più usato per la produzione dell’alluminio è la bauxite, e la produzione avviene in due fasi:
- estrazione dell’alluminio dalla bauxite ( Processo Bayer)
- produzione dell’alluminio con procedimento elettrolitico
PROPRIETA’ DELL’ALLUMINIO:
- leggerezza
-alta conduttività termica ed elettrica
- insensibilità agli agenti atmosferici
- buona fusibilità
Tipi di alluminio e loro impieghi:
l’alluminio ottenuto dall’allumina con il processo elettrolitico ha un grado di purezza tra il 99,0 e il 99,80%. Con ulteriori processi elettrolitici di raffinazione si ottiene l’alluminio iperpuro con grado di purezza di 99,90% ed è usato solo per impieghi particolari,
l’alluminio viene usato nell’industria chimica ed elettrica per la sua conduttività elettrica.
E’ resistente alla corrosione, ha un’elevata conduttività termica e viene utilizzato per costruire pentolame, pellicole, involucri e scatole per alimenti ecc…
Viene destinato con le sigle ALP per fonderie, o P-ALP per lavorazioni plastica, seguite da un numero che indica il titolo o il grado di purezza.
LEGHE LEGGERE
Le leghe leggere hanno bassa massa volumica rispetto all’alluminio puro, ed hanno resistenza meccanica, durezza, plasticità, lavorabilità. L’alluminio può formare leghe con magnesio, silicio, manganese, zinco. Sono spesso presenti in piccole percentuali ferro, nichel, piombo, titanio e stagno. Si definiscono leghe di alluminio o leggere, le leghe che hanno come componente principale l’alluminio e una massa volumica inferiore a 3 Kg/dm*.
Si suddividono in:
-leghe per getti (G)
-leghe per lavorazione plastica (P)
IL RAME ( Cu) E LE SUE LEGHE:
E’ un metallo molto diffuso in natura. Viene ricavato da minerali come la cuprite, calcopirite e calcocite. E’ il miglior conduttore dell’elettricità e del calore. Ha alta resistenza alla corrosione e agli agenti atmosferici, è duttile e malleabile, ma ha scarsa col abilità. Può essere saldato, smaltato e brasato.
Il rame viene usato in tutti i settori dell’industria e si trova in commercio sotto forma di . catodi, pani, lingotti, lastre, fili, tubi, barrette. E’ il componente principale di molte leghe.
LEGHE DI RAME
Si definiscono leghe di rame le leghe che contengono almeno il 50% di rame, e le più importanti sono:
-gli ottoni
- i bronzi
OTTONI:
Sono leghe formate da rame e zinco, che fondono a temperature di 900/1000 °C.
Resistentissime alla corrosione e facilmente lavorabili, vengono impiegati nelle costruzioni navali, maniglie, elementi decorativi, pompe ecc…
L’ottone è in commercio sotto forma di getti, pani, lastre, lamiere, tubi, molle ecc…
BRONZI:
Sono leghe formate da rame e stagno, , ottimamente colabili e resistenti alla corrosione. Fondono a 850/1000 °C e possono essere temprati e ricotti.
I bronzi sono utilizzati per produrre tubi, molle, statue e oggetti d’arte, campane, monete ecc…
Il rame da origine anche ad altre leghe:
- le alpacche, composte da rame, zinco e nichel. Sono impiegate per oggetti d’arte, molle, fili, chiavi ecc…
- i cuprallumini, composti da rame e alluminio, resistenti alla corrosione, usati per serbatoi, tubazioni ecc…
- i bronzi al nichel (cupronichel), formati da rame e nichel, hanno resistenza al calore e alla corrosione marina.

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