Metallurgia I. Metallurgia estrattiva. Francesco Iacoviello

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1 Metallurgia estrattiva Metallurgia I Metallurgia estrattiva Prof. Studio: piano terra Facoltà di Ingegneria, stanza 25 Orario di ricevimento: Mercoledì Tel.- fax iacoviello@unicas.it Sito didattico:

2 Metallurgia estrattiva METALLURGIA ESTRATTIVA La metallurgia estrattiva si occupa dei processi di estrazione del metallo dalla materia prima a disposizione; nella maggior parte dei casi le reazioni coinvolte sono di riduzione della forma ossidata disponibile in natura. Consumi energetici (kcal/g) per la produzione di metalli Metallo da minerale da rottame Alluminio 44,2 1,7 Rame 11,6 1,5 Ferro 3,7 1,4 Magnesio 78,1 1,6 Titanio 108,5 45,1

3 Metallurgia estrattiva

4 Metallurgia estrattiva Produzione acciaio

5 Metallurgia estrattiva Produzione acciaio

6 Metallurgia estrattiva Produzione acciaio

7 Metallurgia estrattiva

8 Metallurgia estrattiva

9 Metallurgia estrattiva

10 Metallurgia estrattiva

11 Metallurgia estrattiva Molibdeno

12 Metallurgia estrattiva Molibdeno

13 Produzione acciaio Metallurgia estrattiva

14 Produzione acciaio Metallurgia estrattiva

15 Altoforno Metallurgia estrattiva

16 Produttività: t/giorno Il materiale si riscalda fino a circa 400 C e si deumidifica Altoforno Minerale Agglomerato Pellets Calcare Coke Metallurgia estrattiva Gas Polverino Il materiale si riscalda fino a 800 C. In questa zona predomina la riduzione indiretta e si ha la deposizione di carbonio piroforico per la reazione 2CO CO 2 +C T max = 1350 C; Si ha la riduzione diretta (per T>900 C). Si ha la riduzione di ossidi superiori di Mn secondo reazioni endotermiche e la dissociazione endotermica del CaCO 3. Inizia la carburazione del Fe e la formazione della scoria T[ C] Si ha la fusione generale dei materiali (eccetto il coke). Si ha la completa carburazione della spugna di Fe e la riduzione di Mn, Si, P, S, con formazione della loppa finale. Combustione del C con O 2. Si raggiungono i 2000 C. Si ha la separazione per decantazione della loppa dalla ghisa e lo di alcune reazioni endotermiche (T<1600 C) Ghisa Tino Ventre Sacca Vento caldo Loppa Crogiolo

17 Altoforno Metallurgia estrattiva

18 Metallurgia estrattiva Convertitore Ghisa liquida, rottami, fondenti Chiusura removibile Fumi verso impianto purificazione Lancia raffreddata ad acqua Foro di colata Refrattario Posizione di colata Metallo fuso

19 Metallurgia estrattiva Convertitore Chiusura removibile Lancia raffreddata ad acqua Ghisa liquida, rottami, fondenti Fumi verso impianto purificazione Foro di colata Refrattario Posizione di colata Metallo fuso

20 Forno elettrico Metallurgia estrattiva

21 Metallurgia estrattiva Forno elettrico Energia elettrica Rottame o preridotto Fondenti Scoria Acciaio

22 Colata Metallurgia estrattiva

23 Colata continua Metallurgia estrattiva

24 Metallurgia estrattiva Inclusioni non metalliche per una velocità di colata pari a 1,4 t/min

25 Metallurgia estrattiva Inclusioni non metalliche per una velocità di colata pari a 4,2 t/min

26 Metallurgia estrattiva Inclusioni non metalliche per una velocità di colata pari a 7,5 t/min

27 Metallurgia estrattiva Inclusioni non metalliche per una velocità di colata pari a 10,3 t/min

28 Metallurgia estrattiva Colata continua

29 Metallurgia estrattiva Laminazione e trafilatura

30 Metallurgia estrattiva Semilavorati

31 Effetto della laminazione sulla microstruttura Metallurgia estrattiva

32 Effetto della laminazione sulle inclusioni Le inclusioni non metalliche possono essere suddivise in: - Inclusioni non deformabili: queste sono dure e fragili alla temperatura di laminazione e mantengono la loro forma originale durante la deformazione dell acciaio; - Inclusioni deformabili: queste sono deformabili alla temperatura di laminazione e si allungano nella direzione di lavorazione Nelle animazioni sono mostrate inclusioni di MnS in un acciaio Metallurgia estrattiva

33 Solidificazione Metallurgia I Solidificazione Prof. Studio: piano terra Facoltà di Ingegneria, stanza 25 Orario di ricevimento: Mercoledì Tel.-fax iacoviello@unicas.it Sito didattico:

34 Struttura del lingotto Solidificazione

35 Solidificazione Solidificazione di un metallo puro G R 2 int 4 SL Gvol R Gv G R Gint Gvol

36 Solidificazione Solidificazione di un metallo puro Nucleazione omogenea

37 Solidificazione

38 Solidificazione Liquido Liquido Cristalli che stanno evolvendo in grani Bordi grano Grani Nuclei

39 Simulazioni del processo di nucleazione e crescita (trasformazioni allo stato solido) Solidificazione Nucleazione e crescita di una nuova fase (rossa), preferenzialmente in corrispondenza dei giunti tripli. Seconda fase (rossa) molto fine

40 Struttura del lingotto (formazione di dendriti) Solidificazione Simulazione della solidificazione mediante formazione di dendriti (Fe-0,11%C, velocità 10mm/s) (gradiente di temperatura 100 K/mm) Le dendriti crescono secondo particolari direzioni cristallografiche. (gradiente di temperatura 300 K/mm)

41 Struttura del lingotto (formazione di dendriti) Solidificazione Dendriti nello Zinco Dendriti in una lega Fe Ni 40%

42 Solidificazione

43 Diagrammi di fase Metallurgia I Diagrammi di fase Prof. Studio: piano terra Facoltà di Ingegneria, stanza 25 Orario di ricevimento: Mercoledì Tel.-fax iacoviello@unicas.it Sito didattico:

44 Diagrammi di fase

45 Diagrammi di fase

46 DIAGRAMMI DI FASE Permettono di rappresentare lo stato di un sistema chimico in funzione della temperatura. Inoltre, per raffreddamenti o riscaldamenti effettuati molto lentamente, permettono di descrivere l evoluzione di tale sistema al variare della concentrazione degli elementi e della temperatura. Nel caso di leghe binarie (soli 2 elementi chimici), si può utilizzare una rappresentazione bidimensionale. per rappresentare la composizione chimica media globale, si utilizza un cerchio vuoto; per rappresentare la composizione reale di una fase si utilizza un cerchio pieno; i gradi di libertà dei luoghi geometrici sui quali si trovano i punti che rappresentano le fasi sono SEMPRE uguali ai gradi di libertà del sistema Diagrammi di fase

47 Diagrammi di fase Domini monofasici ( =2): la temperatura e la concentrazione possono variare, nell ambito di intervalli più o meno ampi, senza mutare la natura della fase. Domini bifasici ( =1): per ogni temperatura, le composizioni delle due fasi in equilibrio sono perfettamente determinate. Questi diagrammi rispettano due semplici regole: Regola dell orizzontale: per una temperatura T, tutte le leghe di composizione X, tali che x 1 <X<x 2, sono costituite da due fasi 1 e 2, con 1 caratterizzato da un tenore x 1 in B e 2 da un tenore x 2 in B. Regola della leva: alla temperatura T la lega di composizione X è caratterizzata da una frazione in peso delle fasi 1 e 2 data da m1 m m2 m PN PM NM PM M N P

48 Diagrammi di fase Esempio di perfetta miscibilità sia allo stato liquido che allo stato solido: lega binaria Cu - Ni i i i i

49 Diagrammi di fase DIAGRAMMI DI STATO Lega binaria: perfetta miscibilità allo stato liquido e parziale allo stato solido. Formazione dell eutettico

50 Diagrammi di fase Domini trifasici ( =0): tre fasi di composizione determinata sono in equilibrio ad una temperatura costante (zero gradi di libertà). La seguente reazione isoterma evolve in una direzione, oppure nell altra, a seconda che fornisca oppure si sottragga il calore l(e) (S 1 ) + (S 3 )

51 Diagrammi di fase

52 Diagrammi di fase

53 Diagrammi di fase Esempio di perfetta miscibilità allo stato liquido e parziale allo stato solido: lega binaria Pb Sn; %Sn < 2 Liquido Liquido + grani di fase primaria Grani di fase primaria

54 Diagrammi di fase Esempio di perfetta miscibilità allo stato liquido e parziale allo stato solido: lega binaria Pb Sn; 2,0 <%Sn < 18,3 Liquido Liquido + grani di fase primaria Grani di fase primaria Fase e separazione di una piccola frazione volumetrica di fase

55 Diagrammi di fase Esempio di perfetta miscibilità allo stato liquido e parziale allo stato solido: lega binaria Pb Sn; Concentrazione eutettica Solidificazione eutettica in un sistema Al-Si Sn wt% Sn

56 Diagrammi di fase Esempio di perfetta miscibilità allo stato liquido e parziale allo stato solido: lega binaria Pb Sn; Concentrazione eutettica Sn wt% Sn

57 Esempio di perfetta miscibilità allo stato liquido e parziale allo stato solido: lega binaria Pb Sn; 18,3 <%Sn < 61,9 Liquido Diagrammi di fase Liquido + grani di fase primaria (proeutettica) Grani di fase primaria (proeutettica) + eutettico ( + )

58 Diagrammi di fase Lega ipoeutettica Lega ipereutettica Lega eutettica Eutettico (costituente strutturale)

59 Diagrammi di fase Perfetta miscibilità allo stato liquido e parziale allo stato solido:

60 Diagrammi di fase Perfetta miscibilità allo stato liquido e parziale allo stato solido:

61 Diagrammi di fase Perfetta miscibilità allo stato liquido e parziale allo stato solido:

62 Segregazione Diagrammi di fase Diffusione completa allo stato solido. Nell esempio, fra 305 e 255 C la fase solida diviene sempre più ricca in Sn, aumentando la sua frazione volumetrica. La diffusione richiede tempo. Se il raffreddamento è abbastanza lento, la solidificazione avviene in condizioni di equilibrio. Le condizioni pratiche di raffreddamento sono però tali da non consentire una diffusione completa. Si forma un gradiente di concentrazione in ogni grano (segregazione).

63 Segregazione Diagrammi di fase Diffusione completa Assenza di segregazione Diffusione incompleta Segregazione La segregazione può essere eliminata, almeno parzialmente, mediante il processo di omogenizzazione (mantenimento a temperatura elevata per consentire una redistribuzione degli elmeneti di lega mediante diffusione

64 OSSERVAZIONE AL MICROSCOPIO DI MICROSTRUTTURE Diagrammi di fase Lega Composizione e modalità di attacco Strutture evidenziate Al e leghe di Al 0,5 ml HF 40% ml H 2 O Cu e leghe di Cu 30 g cloruro ferrico, 90 ml HCl concentrato, 360 ml H 2 O, alcuni secondi Bordi grano e linee di scorrimento Adatto per ottoni + Acciai al C, acciai basso legati, ghise 1-4 HNO 3 concentrato, 100 ml alcool etilico (Nital 1-4) Ferrite, austenite, martensite, ma non i carburi Acciai al C, acciai basso legati, ghise 2 g acido picrico, 25g NaOH, 100 ml H 2 O, all ebollizione per 5-10 min. Attacca i carburi

65 OSSERVAZIONE AL MICROSCOPIO DI MICROSTRUTTURE Diagrammi di fase Microscopio metallografico Microscopio ottico Microscopio elettronico a scansione SEM

66 Diagrammi di fase

67 Diagrammi di fase