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Nella produzione industriale i materiali metallici più usati sono le leghe ferrose, o leghe di ferro-carbonio. Il ferro sottoposto a fusione ha la proprietà di sciogliere nel bagno il carbonio. Le leghe di ferro-carbonio sono dotate di proprietà meccaniche e tecnologiche diverse da quelle del ferro. I minerali che vengono lavorati industrialmente contenenti metalli sono:
Questi minerali oltre al ferro contengono silice, argilla, fosfati, solfati, etc. le leghe ferrose contengono un percentuale di carbonio detta tenore di carbonio, varia a seconda dei materiali indicati e del procedimento usato per avere la lega. I tipi di leghe ferrose sono:
Nello stabilimento siderurgico delle materie prime (minerali di ferro, carbone fossile, calcare) si arriva al prodotto finito, cioè ai laminati piani (lamiere, lamierini, zincati) alle barre (tonde o quadrate) e ai profilati (rotaie o travi). Le fasi principali del ciclo sono:
Il ciclo integrale è continuo, l'altoforno funziona giorno e notte per 7 anni.
treno a caldo per lamiere grosse;
treno a caldo per lastre e lamierini;
treno a caldo per barre e profilati;
treno a freddo per nestri e lamierini.
Gigantesca costruzione di acciaio rivestita all'interno di materiale refrattario e costituisce il fulcro del ciclo siderurgico integrale. Qui in una successione di fasi il minerale di ferro con l'intervento del coke e dei fondenti si trasforma in ghisa. Il periodo di esercizio durante il quale non viene mai spento dura 7 anni. Al termine di questi anni viene ricostruito il materiale refrattario. Ogni giorno vengono consumate 1800 t di coke. Nell'altoforno si generano due correnti, una scendente di gas, l'altra discendente di carica solida; tra esse si svolgono cariche di calore e complesse reazioni chimiche. La corrente verso l'alto si forma per reazione del combustibile con l'aria soffiata all'interno. Questa miscella si raccoglie nell'area superiore, fuoriesce da un camino, viene depurata e utilizzata per il funzionamento dell'impianto. La discesa di carica solida formata da ceneri di coke, impurità di minerali di ferro e materiale fondente si uniscono formando la scoria o loppa. La separazione tra ghisa liquida e scorie avvenuta per differenza di massa volumica fa si che le scorie galleggino sulla ghisa fusa. La loppa viene estrattta da un foro di colata posto nella parte superiore del crogiolo e viene recuperata per farci il cemento d'altoforno. La ghisa liquida viene spillata attraverso un recipiente chiamato siluro. La colata avviene ogni 2 ore e mezza e ogni giorno si estraggono 3500 t di ghisa liquida.
Costruzione metallica formata all'esterno da una corazza d'acciaio e all'interno da mattoni refrattari. Raggiunge un'altezza di circa 80 m e un diametro massimo di 10 m. il raffreddamento avviene tramite un sistema di circolazione ad acqua.
La ghisa è una lega di ferro-carbonio che contiene una percentuale di carbonio tra il 2,06 e il 6,67%. Percentuali superiori al 4,5 si trovano nella ghisa di prima fusione che non ha utilizzi industriali se non quella di essere usata nella conversione per ottenere l'acciaio. La concentrazione del carbonio nella ghisa va sempre tra il 2,6 e il 4,5. la ghisa viene prodotta sia in versione semplice (solo ferro-carbonio) sia in versione legata (ci sono anche leghe di altri metalli). La ghisa dell'industria meccanica viene detta di seconda fusione e viene creata dalla ghisa di prima fusione con rottami di ferro. Successivamente si aggiunge il tenore di carbonio voluto soffiando l'ossigeno che brucia il carbonio in eccesso. A seconda della disposizione chimica si ottengono due tipi di ghisa:
ghisa bianca;
ghisa grigia.
Le caratteristiche meccaniche della ghisa si modificano a seconda della concentrazione di carbonio e dei trattamenti termici. Generalmente ha scarsa resistenza a trazione e a flessione, buona resistenza a compressione, discreta durezza e resistenza al taglio nulle. Eccelle soltanto nella fusibilità, non è malleabile, non sopporta lavorazioni a freddo e a caldo, ha scarsa saldabilità, resiste alla corrosione. La massa volumica equivale a 7,25 kg/m3; il punto di fusione è 1400°C per la ghisa bianca e 1150°C per quella grigia; la resistenza a trazione è 100-400 N/mmq.
La classificazione delle ghise avviene secondo la norma UNI.
G: ghisa
GH: ghisa per impieghi per impieghi automobilistici
GS: ghisa sferoidale
GMB: ghisa malleabile a cuore bianco
: resistenza minima a trazione (se il valore è espresso a 2 cifre l'nità di misura è kg/mmq, se è a 3 cifre l'unità di misura è N/mmq, nella ghisa per impiego industriale indica la durezza di Brinell e si individua con HB ed è espressa in kg/mmq)
: materiale indicato sulla tabella UNI
: anno di emanazione della norma UNI
Si trova in commercio sotto forma di pani a sezione trapezio o semicirc0olare. Per la buona conducibilità termica è usata per i radiatori e per gli impianti di riscaldamento. Anche le vasche sono di ghisa. È usata per costruire basamenti, bielle e tubi di scarico e per basamenti di macchine utensili. Le ghise hanno scarsa saldabilità.
Sono leghe di ferro-carbonio con percentuale di carbonio dallo 0,08 al 2,6%. Il ferro per le sue scarse caratteristiche fisiche e meccaniche non trova utilizzo allo stato puro. In effetti quello che noi chiamiamo ferro è un acciaio con bassissimo tenore di carbonio.
Lega di ferro-carbonio in cui il tenore di carbonio è minore dello 0,008%. È chiamato ferro anche l'acciaio dolce che ha tenore di carbonio minore allo 0,1%. Si ottiene con un processo siderurgico ma non è chimicamente puro: contiene impurità di carbonio, zolfo e silicio; per ottenere il ferro puro si ottengono procedimento elettrochimici e chimici (assai costosi) per la sua deformabilità e saldabilità è lavorato a caldo (fucinatura) per costruire oggetti ornamentali, cancelli e lampadari. È duttile, ha buona saldabilità e fonde a 1500°C, ma gia a 900°C rammollisce. Ha scarsa saldabilità e per diventare scorrevole bisogna arrivare a 1600°C. il ferro è magnetico e non resiste all'ossidazione. La sua massa volumica è 7860 kg/m3 e la sua resistenza a trazione è 350-300 N/mmq.
L'acciaio ordinario è una lega di ferro-carbonio con percentuali di carconio tra lo 0,06 e il 2,06%. Sono semplici gli acciai che contengono solo ferro e carbonio e impurità. Sono speciali gli acciai che contengono anche altri elementi in lega, talvolta in percentuali elevate. L'acciaio si trova in commercio sotto forma di lastre, tubi, fili, profilati, barre, lamierini, nastri. I tipi di acciai in commercio sono classificati dall'UNI mediante sigle e simboli. Gli acciai sono più resistenti, duri e tenaci del ferro dolce, ma meno plastici.
L'acciaio si ricava dalla ghisa riducendo il tenore di carbonio, silicio, fosforo, manganese e eventuali altri composti. Altri elementi vengono invece aggiunti per dare determinate proprietà. Il processo per ottenere l'acciaio è detto affinazione della ghisa. Consiste nel mettere in un forno, detto convertitore, una quantità di rottami di ferro e della ghisa di prima fusione allo stao liquido. Il rottame ha il compito di abbassare la temperatura della ghisa e ridurre il tenore di carbonio; attraverso una lancia viene soffiato l'ossigeno che genera combustione riducendo la percentuale di carbonio.
La produzione effettuata dalle aziende siderurgiche attraverso procedimenti di fusione, laminazione o simili, a caldo e a freddo. I procedimenti attraverso i quali si ottengono i prodotti siderurgici. Si tratta di una serie di lavorazioni attraverso le quali l'acciaio viene deformato plasticamente fino ad assumere la forma e le dimensioni richieste.
Le caratteristiche fisiche, chimiche, meccaniche e tecnologiche degli acciai variano a seconda del tenore di carbonio e dalla presenza di altri minerali. Generalmente gli acciai possengono una buona resistenza alle sollecitazioni meccaniche e proprietà tecnologiche buone, tranne per l'estrusione e la fusione.
ACCIAI |
1° gruppo Acciai designati in base alle caratteristiche meccaniche e al loro impiego |
Acciai designati con il carico unitario di rottura |
Acciai designati con il carico unitario di snervamento |
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Acciai designati in base all'impiego particolare |
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2° gruppo Acciai designati in base alla loro composizione chimica |
Acciai non legati |
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Acciai debolmente legati |
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Acciai legati |
Molteplici sono le tipologie e gli elementi chimici presenti in lega. La norma UNI EN 10020 classifica gli acciai. Gli acciai vengono suddivisi in due gruppi. Nel 1° gruppo sono classificati in base alle caratteristiche meccaniche (carico di rottura o carico di snervamento) o in base alla composizione chimica.
Fe: acciaio del 1° gruppo (se abbinato da una G l'acciaio è adatto per la produzione di getti)
E: acciaio designato in base al carico minomo di snervamento
: designato in base al carico minimo di snervamento 430 N/mmq
UNI 6683: riferimento alla specifica norma UNI
Numeri, simboli chimici, lettere definiscono il grado qualitativo, la presenza di metalli in lega e l'attitudine a particolari caratteristiche tecnologiche.
Fe: acciaio del 1° gruppo
D: identifica un acciaio particolarmente adatto alla deformazione a freddo
: grado di attitudine alla deformazione a freddo
La qualifica "non legati" indica acciai che non contengono altri elementi in lega oltre al ferro e il carbonio. La designazione comprende il simbolo C seguito da una G nel caso di acciai per getti, quindi un numero che indica la percentuale di carbonio presente moltiplicata per 100.
C: acciao del 2° gruppo non legato
: tenore di carbonio presente in lega: 18/100 = 0,18%
UNI 7846-78: riferimento alla specifica norma UNI
contengono, oltre al ferro e al carbonio, altri elementi chimici in lega, ciascuno dei quali con percentuali minori del 5%. La loro designazione minima comprende un numero che esprime la percentuale del carbonio molriplicata per 100.
: tenore di carbonio presente in lega 30/100 = 0,3%
Mo 10: presenza in lega di molibdeno; la percentuale si definisce dividendo 10 per 10, che è il fattore, relativo alla tabella UNI, del molibdeno 10/10 = 1%
contengono altri elementi chimici in lega, oltre al ferro e al carbonio, dei quali almeno uno in percentuale uguale o superiore al 5%. La designazione minima comprende il simbolo iniziale X, che può essere preceduto da G nel caso di acciai per getti, poi un numero che esprime la percentuale di carbonio moltiplicata per 100.
X: acciaio del 2° gruppo legato
15: tenore di carbonio presente in lega (15/100 = 0,15%)
Cr 12: presenza in lega di cromo al 12%
Ni 08: presenza in lega di nichel all'8%
Mo 05: presenza in lega di molibdeno al 5%
Gli acciai si prestano a tutte le lavorazioni a seconda del tenore di carbonio contenuto in lega e alla presenza di elementi leganti, è possibile ricavare il tipo di acciaio adatto a un tipo di lavorazione:
lavorazione per asportazione truciolo;
stampagio;
piegatura;
saldatura.
L'acciaio è immesso sul mercato o sotto forma di lamiera in rulli o in fogli di diverso spessore, oppure sottoforma di barre, profilati e tubi elettrosaldati. L'elenco di tutta la componentistica prodotta con questa lega che ancora oggi risulta la più utilizzata:
profilati che opportunamente assemblati mediante chiodatura o bullonatura, costituiscono: tralicci di sostegno dei cavi dell'alta tensione, strutture per la costruzione di torri, strutture per gru, intelaiature metalliche dei grattacieli;
lamiere per la realizzazione di carrozzeria di autovetture, di elettrodomestici, di pentolame da cucina;
barre per la realizzazione di componenti industriali.
L'acciaio è il materiale più impiegato al mondo; il suo utilizzo copre tutti i campi della vita quotidiana: banchi e sedie, recinzioni, cancellate, biciclette e motorini, autovetture e mezzi di trasporti, guardrail.
Il rame si ricava dai suoi minerali calciopirite e calciosina, oppure si può trovare allo stato puro e viene definito rame nativo. La produzione allo stato puro (Cu al 99%) avviene attraverso un processo di fusione con aggiunta di reagenti chimici che permette di ottenere, in fasi successive, rame sempre più affinato sino a raggiungere 99,7%-99,9%; la parte restante è costituita da ossigeno. L'ottima resistenza alla corrosione consente al metallo di conservarsi inalterato nel tempo, permettendo un processo di riciclaggio.
Il rame ha una buona malleabilità e duttilità, ha una spiccata attitudine alle lavorazioni a freddo e alla conducibilità elettrica: la bassa resistività elettrica fa sì che il rame risulti la materia prima nel campo elettrotecnico ed elettronico. Non trascurabile è la conducibilità elettrica.
Il rame viene prodotto sotto forma di fili, cavi intrecciati e tondini; sotto forma di laminati, in fogli o in rotoli per l'industria meccanica; sotto forma di trafilato in tubi, per il settore impiantistico.
elettrotecnica: sotto forma di tondini, fili, trecce per il trasporto dell'energia elettrica; per la costruzione di avvolgimenti di motori, trasformatori e strumentazioni elettriche;
impiantisctica: sotto forma di tubi per impianti di riscaldamento, tubazioni per il trasporto dell'acqua calda;
automobilistica: viene usato nella costruzione di radiatori, circuito lubrificante e circuito di condizionamento; nella costruzione della tubazione del circuito freni;
edile: come copertura, in sostituzione delle tegole, in particolari elementi come cupole; nella costruzione di canali di gronda, in particolari elemti come cupole. Il rame viene soprattutto utilizzato per la sua alta resistenza alla corrosione dovuta alla formazione di uno strato superficiale di ossido, resistente su superfici lisce (colore verde-rame);
chimica: viene impiegato nella costruzione di condutture, caldaie, distillatori.
Il rame viene adoperato nella costruzione di oggetti di arredamento e per la realizzazione di pentolame.
Lega metallica costituita da rame e stagno (Sn fino al 25-30%). Il colore varia dal rosso rame (Sn meno del 5%), al giallo oro (Sn 5-10%), al giallo chiaro (Sn 10-25%) e infine al bianco (Sn più del 25%). Nell'industria meccanica, si usano bronzi con tenore di Sn dal 6 al 16%. I bronzi a basso tenore di stagno vengono classificati per un impiego di lavorazioni plastiche. I bronzi con tenore di stagno dall'8 al 20% vengono impiegati per lavorazione di fusione (in getti) e sono utilizzati nella costruzione di valole, rubinetti; con stagno dal 20% al 30% viene utilizzato per la costruzione di campane. I bronzi hanno una maggior durezza rispetto al rame. Sono dette bronzi comuni le leghe composte solo da Cu-Sn e bronzi speciali le leghe Cu-Sn con altri elementi. Il bronzo si ottiene per fusione e successivo raffreddamento dei metalli costituenti (Cu, Sn, Zn, Pb). Quando lo stagno è costituito in parte da altri metalli (eccetto lo zinco), si ottengono bronzi speciali, quali: bronzo allo stagno, al nichel, al berillio, al ferro, d'alluminio, al fosforo, etc. in commercio si trova sotto forma di pani, barre, lastre, nastri, fili. Tra i bronzi speciali citiamo:
bronzo al cadmio per conduttori elettrici;
bronzo al cobalto molto resistente alla corrosione;
bronzo alla grafite autolubrificante per supporti;
bronzo al manganese per resistori elettrici;
bronzo al piombo per cuscinetti;
bronzo al silicio resistente a forti sollecitazioni e alla corrosione;
bronzi d'alluminio usati nella chimica ed elettrotecnica.
La designazione dei bronzi viene regolarmente dalle tabelle UNI 4244-79 e UNI 4855-78, rispettivamente per bronzi per lavorazioni platiche e bronzi per usi in getti. La designazione avviene con il simbolo Cu seguito dal simbolo Sn. I prefissi P e G identificano l'uso tecnologico della lega rispettivamente per uso plastico o per getti. Esempi di designazione:
definisce un bronzo con impiego in lavorazioni plastiche e percentuale di stagno peri al 14%;
definisce un bronzo con impiego in getti e percentuale di stagno pari al 14%;
Definisce un bronzo speciale per impiego in getti con percentuali di stagno pari all'8% e zinco al 3%.
Lega metallica costituita da rame e zinco (Zn fino a circa al 50%), ma possono contenere anche altri metalli. Il colore varia da un rosso rame (basso tenore di zinco), a un giallo oro caldo (medio tenore di zinco), a un colore giallo oro freddo (alto tenore di zinco). L'ottone contenente oltre il 67% di Cu si chiama spesso tombacco (ottone rosso) e similioro. L'ottone si ottiene per fusione e successivo raffreddamento dei costituenti (Cu, ZN, Pb fino al 3%, eventuali tracce di Sn). Il piombo viene aggiunto per migliorare la piallabilità (ottone al piombo). In commericio gli ottoni si trovano sottoforma di pani, getti, lastre, lamiere, nastri, semilavorati, tubi senza saldatura, file, molle. Le denominazioni commerciali degli ottoni comuni sono: ottone per bossoli d'artiglieria, per imbutitura, per lamiere, per getti, per lastre, per tubi. Con la denominaione ottoni speciali sono indicati gli ottoni aggiungendo metalli addittivi. La "Lega Ammiraglio" (Cu 70%, Sn 1%, Zn il resto) mostra forte resistenza alla corrosione e viene usata per condensatori navali. L'ottone all'alluminio (Cu 76%, Al 2%, Zn il resto) presenta una resistenza alla corrosione e all'erosione, con ottime proprietà meccaniche, è usato per condensatori sottoposti a forti corrosioni. L'ottone al piombo (Cu 56.61%, Pb 1,5%, Fe 0.5%, Mn 1,5%, Zn il resto) è molto usato per lavorazioni con macchine automatiche e per parti stampate a caldo. L'ottone viene impiegato per la costruzione strumenti musicali a fiato, per la costruzione di bossoli per proiettili, molle, oggetti d'arredo. L'ottone possiede buone proprietà meccaniche e un'ottima resistenza alla corrosione. A seconda della percentuale di zinco, fino ad un massimo del 48%, si distinguono in ottoni A (con tenore di zinco fino al 33%) e ottoni AB (con tenore di zinco da 33% a 48%).
La designazione degli ottoni viene regolarmente dalla Tabella UNI 6898-71. i prefissi P e G identificano l'uso tenologico della lega, rispettivamente, per uso plastico o per getti. Esempi di designazione:
definisce un ottone con impiego in lavorazioni plastiche e percentuale di zinco pari al 36%;
definisce un ottone speciale per impieghi in getti con percentuale di zinco pari al 30% e piombo al 4%.
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