Ugrás a tartalomhoz

Ipari technológiák

Dr. Német Béla (2013)

Pécsi Tudományegyetem

5. fejezet - Fémek előállításának fizikai, kémiai alapjai

5. fejezet - Fémek előállításának fizikai, kémiai alapjai

A fémtan (régebbi nevén metallográfia) a fémek és ötvözetek tulajdonságait fémfizikai alapokon tárgyaló és vizsgáló tudomány. Ezen belül foglalkozik a fémek és ötvözetek szerkezetével, a szerkezetvizsgálat módszereivel, a fémek mechanikai tulajdonságaival, a mágneses tulajdonságokkal, a korrózióval stb.

A kohászati tüzeléstan a kohászati folyamatokban használatos kemencékkel, kazánokkal és más melegítő berendezésekkel, a fűtő és hőcserélő berendezésekkel, a tűzállóanyagokkal, energiahordozókkal és égéstermékekkel, tüzelési módszerekkel stb. foglalkozó tudomány.

A fémek feldolgozásának fizikai alapjai. Fémtan, tüzeléstan

Fémtan

http://erettsegisegedlet.blogspot.hu/2010/02/femek-tulajdonsagai-metal-properties.html

http://www.ptable.com/?lang=hu

Fizikai tulajdonságok:

  1. áramvezetés: elektromos áram hatására a delokalizált kötő elektronok (elektronsereg) egy irányba mozdulnak el. Szilárd fémeknél nagyobb az áramvezetés, mint az olvadékoknál;

  2. hővezetés: a rácspontokban lévő atomok rezgőmozgása és a delokalizált elektronok segítségével történik;

  3. fémes fény és szín: a delokalizált elektronok a minden irányból jövő fény egy részét elnyelik, másik részét visszaverik, ezért szürkék;

  4. olvadás- és forráspont: függnek a fém atom tömegétől, atomátmérőtől, a közöttük lévő kötési energia és a koordinációs nagyságától, fémenként nagy az eltérés, mert a d alhéj elektronjai is részt vesznek a kovalens kötésben;

  5. sűrűség: az atom tömegétől függ;

  6. szívósság, rugalmasság: maradandó alakváltozás részleteit lásd a fizikában;

  7. ötvözetek: ha a fémeket más fémekkel összeolvasztjuk ötvözetet kapunk. A fém olvadékában más fémek feloldódnak és együtt kristályosodnak, tulajdonságuk nagyon megváltozik;

Kémiai tulajdonságok:

A fémek a kémiai reakciók során sok esetben oxidálódnak, mert kicsi az ionizációs energiájuk és az elektronegativitásuk.

Ebből következik, hogy vegyületeikből a fémek csak költséges redukciós folyamattal vagy eljárással állíthatók elő:

  1. kémiai korrózió: a korróziót oxidációs folyamat okozza, aminek az az oka, hogy külső elektronjukat könnyen leadják, ilyenkor gázokkal és nem elektrolit olvadékokkal reakcióba lépnek. Néhány fém felületén összefüggő oxidréteg alakul ki, pl. az alumínium felületén az alumíniumoxid, más fémeknél az oxidréteg porózus, és alatta az oxidáció tovább folytatódik, ilyen, pl. a vas felületén a vas-oxi-hidroxid, a rozsda. Ez kivédhető a fém passzivitásával, pl. a vasat rövid időre tömény salétromsavba mártjuk, majd sósavoldatba. Az arany és a platina nem korrodálódik.

  2. elektrokémiai korrózió: a kémiai energia elektromos energiává alakul át a folyamatban, ezt gyorsítja a nedvesség, különösen, ha van a levegőben széndioxid (CO2), vagy kéndioxid (SO2), a párában ezek feloldódnak, és savas elektrolitok keletkeznek. A lényeg: a különbözőségek következtében a felület egyes részeinek különbözővé válik az elektródpotenciálja. A különböző potenciálú helyek képezik a lokális elemeket, amelyek pólusai között korróziót előidéző áramok indulnak. Tovább gyorsul a vastárgyak elektrolitikus korróziójának folyamata makroelem létrehozásával, ha például a vashoz rezet kötnek, de lassul, ha cinket kötünk (a mai autógyártásban az autók karosszériáját cinkfürdőbe mártják, és így érik el a 20 éves át-rozsdásodás elleni védelmet). Ezzel a mesterségesen létrehozott makroelemmel biztosítják a karosszéria korrózió elleni védelmét (katódos védelem). Ha ugyanis a védendő fémtárgyat egy negatívabb normálpotenciálú fémmel kötjük össze, akkor utóbbi egy makroelem anódjává válik, és annak korróziója következik be.

Szín: általában ezüstös fényű, csillogó. Két kivétel van, a réz (Cu) vörös, az arany (Au) sárga. A fémek por alakban általában feketék.

Szag: A fémek szagtalanok. Kivétel az ozmium (Os), aminek szúrós szaga van.

Keménység: A legpuhább fémek késsel vághatóak (nátrium, kálium), a legkeményebbek közé az ozmium (Os), iridium (Ir), wolfrám (W), a titán (Ti) vagy a króm(Cr) tartozik. A folyékony higany nem puha fém

Sűrűség: Gyakorlati szempontból megkülönböztetünk könnyűfémeket (5 g/cm3 sűrűség alatt) és nehézfémeket (5 g/cm3 sűrűség fölött). A legkisebb sűrűségű fém a lítium (0,5 g/cm3) a legnagyobb sűrűségű az irídium 22,65 g/cm3.

Áramvezetés: A fémek elektromos vezetése a hőmérséklet emelésével csökken (a nemfémeké ezzel párhuzamosan nő). A fémek elsőfajú vezetők, azaz bennük elektronok vezetnek (nem ionok). A legjobban vezető fémek között van az ezüst és az arany, valamint a réz.

Néhány fém sűrűsége: (g/cm3)

Fajlagos elektromos vezetés: (Am/Vmm2)

nátrium (Na)

0,968

Ezüst

63

alumínium (Al)

2,7

Réz

56

vas (Fe)

7,87

Arany

45

réz (Cu)

8,96

Alumínium

37

ezüst (Ag)

10,5

Vas

10

ólom (Pb)

11,34

higany (Hg)

13,5

arany (Au)

19,32

platina (Pt)

21,45

Kémiai elemek listája

http://hu.wikipedia.org/wiki/Kémiai_elemek_listája

1. Táblázat Kémiai elemek fizikai adatai

R

V

Név

Atom-tömeg

Sűrűség (g/cm 3 )

Olvadáspont Kelvin

Forráspont

Kelvin

Fajhő

kJ/kg K

E.n.

47

Ag

Ezüst

107,87

10,50

1234,15

2435

0,235

1,93

13

Al

Alumínium

26,98

2,70

933,40

2792

0,897

1,61

79

Au

Arany

196,97

19,28

1337,73

3129

0,129

2,54

20

Ca

Kalcium

40,08

1,54

1112,15

1757

0,647

1,00

48

Cd

Kadmium

112,41

8,69

594,33

1040

0,232

1,69

27

Co

Kobalt

58,93

8,86

1768,15

3200

0,421

1,88

24

Cr

Króm

51,99

7,15

2130,15

2944

0,449

1,66

29

Cu

Réz

63,54

8,96

1357,75

2835

0,385

1,90

26

Fe

Vas

55,84

7,87

1808,15

3134

0,449

1,83

80

Hg

Higany

200,59

13,53

234,43

630

0,140

2,00

49

In

Indium

114,81

7,31

429,91

2345

0,233

1,78

19

K

Kálium

39,09

0,86

336,50

1032

0,757

0,82

12

Mg

Magnézium

24,30

1,74

923,15

1363

1,023

1,31

25

Mn

Mangán

54,94

7,44

1519,15

2334

0,479

1,55

42

Mo

Molibdén

95,96

10,22

2890,15

4912

0,251

2,16

11

Na

Nátrium

22,99

0,97

371,15

1156

1,228

0,93

41

Nb

Nióbium

92,90

8,57

2741,15

5017

0,265

1,60

28

Ni

Nikkel

58,69

8,91

1726,15

3186

0,444

1,91

78

Pt

Platina

195,08

21,46

2045,15

4098

0,133

2,28

51

Sb

Antimon

121,76

6,68

904,05

1860

0,207

2,05

14

Si

Szilícium

28,08

2,33

1683,15

3538

0,705

1,90

50

Sn

Ón

118,71

7,28

505,21

2875

0,228

1,96

38

Sr

Stroncium

87,62

2,64

1042,15

1655

0,301

0,95

22

Ti

Titán

47,87

4,54

1933,15

3560

0,523

1,54

92

U

Urán

238,03

18,95

1405,15

4404

0,116

1,38

23

V

Vanádium

50,94

6,11

2175,15

3680

0,489

1,63

74

W

Volfrám

183,84

19,25

3680,15

5828

0,132

2,36

39

Y

Ittrium

88,91

4,47

1799,15

3609

0,298

1,22

30

Zn

Cink

65,38

7,13

692,88

1180

0,388

1,65

40

Zr

Cirkónium

91,22

6,50

2125,15

4682

0,278

1,33

R – rendszám

V – vegyjel

E.n. – elektronegativitás

Szilárd oldatok

Az oldás és az oldódás fizikai folyamat, az alkotók fizikai eljárással szétválaszthatók. A mindennapokban amikor oldásról beszélünk, általában egy folyadék old valamilyen szilárd anyagot. A szilárd oldat típusú ötvözetekben ez a folyamat szilárd állapotban megy végbe. A fém és az oldódó anyag atomjai közös kristályrácsba rendeződnek, az oldó anyag rácsszerkezetének megfelelően. Az oldódó anyag atomjai helyettesíthetik a rácsot alkotó fématomokat, vagy elfoglalhatják a rácsban az atomok közötti üres helyeket.

A helyettesítéses más néven szubsztitúciós szilárd oldatok kialakulásának feltételei:

  1. Az oldott anyag atomjai csak akkor helyettesíthetik a rácsban a fématomot, ha mérete csak kis mértékben (<15%) tér el a fématom átmérőjétől.

  2. Az oldó fémnek és az oldott anyagnak azonos vegyértékűnek kell lennie.

  3. Az oldó fém és az ötvözőelem atomszerkezetének hasonlónak kell lennie, vagyis a periódusos rendszerben közel kell lenniük egymáshoz.

  4. Az oldó fémnek és az oldott anyag rácsszerkezetének azonos típusúnak kell lennie.

Szubsztitúciós szilárd oldat csak az összes feltétel teljesülésével jön létre. Mivel a kristályrács bármely fématomját lehet helyettesíteni, ezért a szubsztitúciós szilárd oldatokra a korlátlan oldhatóság jellemző. A gyakorlatban használt fémek között ritka az ilyen oldás, de pl. a réz a nikkelt így oldja.

Ha az oldott anyag atomja elég kicsi ahhoz, hogy elfoglalja a kristályrácsban a fématomok között lévő helyeket, akkor beékelődéses, úgynevezett intersztíciós oldás jön létre. Ezen helyek száma és mérete meghatározott a rácsban, így az oldás mértéke is korlátozott. Az üres helyek mérete a hőmérséklet csökkenésével csökken, így az oldóképesség is csökken. Intersztíciósan oldódik pl. a vasban a szén.

A fématomok kevés számú vegyértékelektronja viszonylag kis energiával kötődik az atommaghoz. A fématomokat tehát kis ionizációs energia jellemzi, ami a nemfémekhez viszonyított kisebb elektron vonzóképesség következménye. A fémkristályokban fémes kötés alakul ki. A fémes kötéssel összekapcsolt fématomok alkotják a szilárd fémrácsot.

Fémrács típusok a következők

  1. lapon középpontos kockarács; melyben a koordinációs szám: 12

  2. térben középpontos kockarács; melyben a koordinációs szám: 8

  3. hatszöges v. hexagonális kockarács; melyben a koordinációs szám: 12.

A fémek nagy része olvadt állapotban egymásban oldódik; az olvadék lehűlve, a fémes jelleget megtartva kristályosodik ki és szilárdul meg, így jönnek létre az ötvözetek. Az ötvözetek sok esetben előnyösebb fizikai-kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek, mint a tiszta fémek. Pl. a krómmal ötvözött vas ellenáll a rozsdásodásnak, ha nikkelt is tartalmaz, akkor saválló. Az ötvözetek a nagyobb mennyiségű alapfémből és a kisebb mennyiségű ötvözőanyagból állnak. A legismertebb ötvözetek az acél, a sárgaréz (Cu+Zn) és a bronz (Cu+Sn).

A kovácsolás az eredeti durva szövetszerkezetet finomabbá teszi, a helyesen megválasztott technológiával a szálelrendeződés a majdani igénybevételnek megfelelően alakítható úgy, hogy javuljanak a darab mechanikai tulajdonságai (kontrakció, nyúlás, fajlagos ütőmunka). A kovácsdarabok minősége az alakítás után hőkezeléssel tovább javítható.

Tüzeléstan

Tüzeléstechnikai kutató és Fejlesztő Zrt. bemutatói alapján

http://www.tuki.hu/index.php?id=iparikemencek

A kohászati tüzeléstan a kohászati folyamatokban használatos kemencékkel, kazánokkal és más melegítő berendezésekkel, a fűtő és hőcserélő berendezésekkel, a tűzállóanyagokkal, energiahordozókkal és égéstermékekkel, tüzelési módszerekkel stb. foglalkozó tudomány.

Tégelyes indukciós kemencék

A tégelyes indukciós kemencékben száraz vibromasszákat alkalmaznak vas, acél és réz olvasztásához, több, mint 40 éve. A bázikus termékcsalád ötvözött acélok magas mangán tartalmú acélok olvasztását teszi lehetővé, főleg folyamatos üzem esetén. A réz és rézötvözetek olvasztásához külön termékcsaládot alkalmaznak.

Csatornás olvasztó, hőntartó és öntőkemence

. Az induktorokhoz semleges és bázikus tűzálló bélésanyagok állnak rendelkezésre.

5.1. ábra - Tégelyes indukciós kemence

Tégelyes indukciós kemence

http://auras.hu/alkalmazasok/

5.2. ábra - Csatornás olvasztó, hőntartó és öntőkemence

Csatornás olvasztó, hőntartó és öntőkemence

http://auras.hu/alkalmazasok/

5.3. ábra - Forgódobos alumínium olvasztó kemence

Forgódobos alumínium olvasztó kemence

http://www.rath.hu/main.php?sorszam=8

5.4. ábra - Alumínium olvasztókemence 10 tonna/óra

Alumínium olvasztókemence 10 tonna/óra

http://www.tuki.hu/index.php?id=aluolvaszto

Nagyolvasztó

A nagyolvasztó a nyersvasgyártás legelterjedtebb kemencetípusa. A vasércekből redukálással állítják elő benne a nyersvasat. A redukciót szén (karbon) segítségével végzik, amit többnyire koksz formájában használnak fel. A nagyolvasztó maga a nyersvas előállítására szolgáló aknás kemence. Működtetése azonban több, egyéb feladatot ellátó egységet is igényel. Ilyenek például a léghevítők, a fúvógépház, a torokgáztisztító stb. Ezeket – a nagyolvasztóval együtt – nagyolvasztóműnek nevezik.

5.5. ábra - Nagyolvasztómű elemei: nagyolvasztó, torokgáz hevítők, tisztítók

Nagyolvasztómű elemei: nagyolvasztó, torokgáz hevítők, tisztítók

http://www.tanszertar.hu/eken/2007_02/seged_0702/vasgy.htm

A nagyolvasztó méreteit hasznos magasságával, medencéjének átmérőjével és hasznos térfogatával szokás jellemezni. A nagyolvasztók fejlődése során egyre nagyobb kemencéket építettek, de a méretnövekedést sokkal inkább az átmérővel érték el, mint a magasság növelésével. A legnagyobb magassági méretek a 30–35 méter körüli tartományban vannak, a hasznos térfogat pedig az 5000 köbmétert is meghaladja.

5.6. ábra - A nagyolvasztóban a hőmérséklet eloszlása

A nagyolvasztóban a hőmérséklet eloszlása

http://www.dunaferr.hu/01-vallalati/tech3.htm

5.7. ábra - A nagyolvasztóban lejátszódó folyamatok

A nagyolvasztóban lejátszódó folyamatok

http://www.m79.eoldal.hu/cikkek/kemia-/vasgyartas.html

5.8. ábra - DUNAFERR nagyolvasztó

DUNAFERR nagyolvasztó

5.9. ábra - Öntödei formaizzító kemence

Öntödei formaizzító kemence

http://www.tuki.hu/index.php?id=egyebkemence

5.10. ábra - Kamrás kovácsüzemi izzító kemence regeneratív tüzelőberendezéssel

Kamrás kovácsüzemi izzító kemence regeneratív tüzelőberendezéssel

http://www.tuki.hu/index.php?id=acelizzito

5.11. ábra - Kerámiaégető kemence

Kerámiaégető kemence

http://www.rath.hu/main.php?sorszam=8