Metalurgia y siderurgia

Minerales. Hierro. Acero. Tratamientos térmicos. Clasificación. Designación. Formas

  • Enviado por: Javi
  • Idioma: catalán
  • País: España España
  • 9 páginas
publicidad
publicidad

  • METAL·LÚRGIA I SIDERÚRGIA

  • El procés metal·lúrgic

  • La metal·lúrgica, és el conjunt de processos que porten a l'obtenció de metalls. I la branca de la metal·lúrgica que es dedica a l'obtenció de ferro i els seus derivats es coneix com a nom de siderúrgia.

  • Els minerals

  • Els metalls es troben als minerals combinats químicament amb altre elements. Els compostos més comuns són:

    Compost

    Composició

    Òxids

    Metall + oxigen

    Sulfurs

    Metall + sofre

    Carbonats

    Metall + gas carbònic

    Per separa el metall d'altres elements, un procediment és la reducció que consisteix en combinar un mineral amb l'oxigen per tal d'aïllar el metall. I el contrari és l'oxidació, una combinació amb l'oxigen que genera un òxid. El carbó ha sigut el més utilitzat per a la reducció dels metalls, ja que té molta combinació amb l'oxigen i té molta energia calorífica.

    Un mineral està format per una part aprofitable i rica en el metall buscat anomenada mena, i per una altra de no aprofitable per ser molt pobra en metall, anomenada ganga.

    La riquesa d'un mineral s'expressa en % en pes de contingut de metall pur de les seves menes.

  • Els productes metal·lúrgics

  • Poden ser metalls purs o aliatges. Els més utilitzats són els següents:

    Els més utilitzats són els acers pel seu preu baix, ampli ventall de propietats mecàniques, encara que una tendència a la corrosió.

  • El ferro i els seus aliatges

  • Característiques del ferro pur:

    • Punt de fusió: 1539 ºC.

    • Color: blanc grisós.

    • Densitat: 7,87 g/cm3.

    • Propietats mecàniques: dúctil i mal·leable.

    • Altres propietats: bon conductor elèctric i fàcilment magnetitzable.

  • La solidificació del ferro

  • Les varietats al·lotròpiques del ferro són les diferents estructures cristal·lines diferents i cadascuna d'elles amb unes propietats determinades.

    Propietats de les diferents varietats al·lotròpiques del ferro:

    Varietat

    Magnetisme

    Solubilitat del carboni

    Interval de temperatures

    α

    Alfa

    Magnètica

    Molt baixa

    Fins a 750 ºC

    β

    Beta

    Poc magnètica

    Molt baixa

    De 750 a 900 ºC

    γ

    Gamma

    No magnètica

    Alta

    De 900 a 1390 ºC

    δ

    Delta

    Poc magnètica

    baixa

    De 1390 a 1539 ºC

  • Els aliatges ferro-carboni

  • Les constituents dels aliatges ferro-carboni són les diverses combinacions de carboni pur, carbur de ferro, grafit, etc., juntament amb la velocitat de refredament en el procés de solidificació i la proporció total de carboni de l'aliatge.

    Els constituents aporten diferents propietats als aliatges fèrrics.

    Diagrama d'equilibri ferro-carboni

  • Els productes siderúrgics: acers i foses

  • La forja consisteix a situar una massa sòlida de metall calent entre les dues meitats d'un motlle i aplicar-li esforços de compressió fins que adopta la seva forma. L'emmotllament, consisteix a introduir el metall en fase líquida a l'interior d'un motlle tancat i desemmotllar-lo un cop s'ha modificat.

    L'acer es forjable, en canvi la fosa no és forjable, i es pot emmotllar molt bé. Els elements d'aliatge, són aquells que s'afegeixen voluntàriament per millorar les propietats del material. Les impureses són elements químics que apareixen en el procés d'obtenció de forma involuntària.

    Classificació dels acers

    Contingut de carboni

    % de carboni

    Duresa

    Resistència

    Ductilitat

    Tenacitat

    Aplicacions

    Baix

    < 0,3

    Tous

    Baixa

    Alta

    Alta

    Carrosseries d'automòbils, bigues, tubs, làmines per a envasos...

    Mitjà

    De 0,3 a 0,6

    Durs

    Mitjan

    Mitjana

    Mitjana

    Rodes i carrils de trens, engranatges, cigonyals...

    Alt

    De 0,6 a 1,4

    Més durs

    Alta

    Baixa

    Baixa

    Eines de tall, molles, matrius i motlles...

    Les foses contenen el carboni en forma de carbur de ferro o en forma de grafit. Segons sigui la forma del grafit quan s'observa al microscopi, la fosa grisa pot ser: laminar, modular, esferoïdal.

    Classificació de les foses

    Tipus de fosa

    Propietats

    Aplicacions

    Blanca

    Molt fràgil, dura, i molt resistent al desgast. No es pot mecanitzar i no té ductilitat. Es forma quan es produeix un refredament ràpid.

    Cilindres dels trens de laminatge de l'acer.

    Grisa laminar

    Fràgil, poc resistent a la tracció però molt resistent a la compressió. Molt resistent al desgast. Bon esmorteïment de les vibracions. Molt barata.

    Bancades i estructures de màquines.

    Grisa mal·leable (nodular)

    Resistent, dúctil i mal·leable.

    Grisa dúctil (esferoïdal)

    Resistent, més dúctil. Propietats molt similars a les de l'acer. Bona resistència mecànica.

    Vàlvules, cossos de bombes, cigonyals, pistons i elements de màquines en general.

  • Siderúrgia: processos d'obtenció del ferro colat i de l'acer

  • Els compostos que formen el mineral es troben barrejats amb altres elements com la sílice, que caldrà eliminar en el seu procés d'obtenció.

    Els forns baixos utilitzen el carbó vegetal com a combustible i injectaven aire amb unes manxes. Degut a el seu poc poder s'obtenia una massa esponjosa del ferro amb escòria, que era extreta colpejant amb una massa.

    L'alt forn amb carbó de coc s'obtenia el ferro líquid, i s'introduïa en un motlle per donar-li la forma, però encara era fràgil i no podria ésser forjat. I llavors passa a l'aceria per a convertir-lo en acer.

    La reducció és el procés en que es separa el ferro amb l'oxigen.

  • Obtenció del ferro colat: l'alt forn

  • Les matèries primeres són el coc i la pedra calcària.

    El mineral de ferro aporta el ferro oxidat que reduït obtindrem en forma de ferro colat. L'oxigen es combina amb el carboni i surt per la part superior del forn.

    La pedra calcària es fa combinarà amb el silici del mineral i forma el principal component de l'escòria, que sura damunt del ferro fos.

    El seu procés d'obtenció es basa en la introducció de les matèries primeres per la boca superior del forn. El coc en combustió genera altes temperatures, juntament amb aire calent. El ferro colat es treu per un orifici i l'escòria per una altre una mica més elevat.

    El ferro colat obtingut a l'alt forn és un aliatge de ferro i carboni amb un contingut aproximat del 4 % de carboni el 2 % de silici i quantitats menors de fòsfor, sofre i oxigen. Aquest producte s'ha de sotmetre a una segona transformació abans de ser utilitzat industrialment. La segona transformació pot ser destinada a l'obtenció d'acer o de fosa.

    Alt forn amb instal·lacions annexes (recuperadors, col·lectors de pols i xemeneia)

  • Obtenció de l'acer

  • Cal descarburar el ferro colat que prové de l'alt forn, que consisteix a reduir el contingut de carboni.

    Per obtenir acer a partir de ferro hi ha dues instal·lacions diferents:

    El convertidor d'oxigen

    No hi ha combustió ni escalfament extern i cal introduir el ferro colat en fase líquida.

    El forn elèctric

    Hi ha una aportació externa de calor, per la producció d'un arc voltaic, cas en el qual la temperatura arriba als 3700 ºC.

  • Tractaments tèrmics

  • Els tractaments tèrmics consisteixen a sotmetre l'acer a uns canvis controlats de temperatura per tal de variar les proporcions dels seus constituents. Els més utilitzats són els següents:

  • El tremp

  • La martensita s'obté per refredament de l'austenita, el tractament consisteix en:

    • Escalfament de l'acer fins que tota la massa es transformi en austenita. Segons el % de carboni, la temperatura a què cal arribar serà més alta o més baixa.

    • Refredament ràpid per assegurar que tota la austenita es transforma en martensita.

    Velocitat mínima de refredament per a la transformació completa en martensita.

    Al acer no aliat (al carboni) entre 200 i 600 ºC/s.

    Al acer aliat 50 ºC/s.

  • El revingut

  • Augmenta la tenacitat, i que consisteix en escalfar una temperatura inferior als 723 ºC i un posterior refredament a l'aire.

  • La recuita

  • Disminueix la duresa i augmenta la plasticitat. Consisteix en un escalfament i un refredament lent. Segons la temperatura màxima del tractament i la velocitat del refredament es distingeixen diferents tipus de recuita:

    • Regeneració: per acers amb >0,6 % de C.

    • Globular supercrítica: per acer aliats i eines.

    • Globular subcrítica: Temperatura màxima inferior als 723 ºC.

    • Estovament: s'aplica a peces que no han estat trempades.

    • Contra acritud: eliminar l'acritud dels processos de conformació en fred.

  • El normalitzat

  • S'escalfa fins a la temperatura d'austenització i un refredament a l'aire. S'aplica amb acer de baix contingut de carboni que han estat deformats en fred o calent. S'eliminen les tensions internes produïdes per la deformació.

  • Tractaments d'enduriment superficial

  • Són elements que necessiten una elevada duresa superficial per evitar el desgast, i alhora un cert grau de tenacitat en el seu nucli de resistència als cops i els canvis bruscs d'esforços que han de suportar. Els més utilitzats són:

    La cementació

    S'envolta la peça amb un producte que afavoreixi la carburació i escalfi el conjunt a temperatures entre els 850 i 950 ºC, durant algunes hores i després es posa a un tremp i a un revingut la peça. Els més adequats són els que tenen baix contingut de carboni i els acers aliats amb crom, níquel i molibdè.

    La nitruració

    Endureix considerablement la superfície dels acers alhora que augmenta la resistència a la corrosió i al desgast per fregament. Consisteix a escalfar la peça acabada a una temperatura d'uns 500 ºC en un corrent de gas amoníac durant un període d'1 a 4 dies. Les peces després són sotmeses a un trem i revingut. La capa nitrurada sol ser d'uns 0,2 i 0,7 mm.

  • Classificació, designació i formes comercials dels acers

  • Classificacions dels acers

  • En funció del tant per cent de carboni

    Hipoeutectoides C < 0,89%

    Eutectoides C = 0,89%

    Hipereutectoides C > 0,89%

    En funció de la constitució

    Perlítics: normals.

    Martensítics: trempats.

    Austenítics: no trempats.

    Ferrítics: baix contingut de carboni.

    Amb carburs: per a eines de tall i indeformables.

    En funció de la composició i de les aplicacions.

    No aliats De base: no requereixen cap precaució especial.

    De qualitat: Resistència, d'aptitud per a la deformació,...)

    Especials: procés d'elaboració controlat per aconseguir una posició química molt exacta i unes propietats molt definides i invariades.

    Aliats De qualitat

    Especials: per a eines, construcció mecànica, rodaments, resistents a la corrosió i a l'oxidació en calent, per a la construcció metàl·lica i característiques especials

  • Formes comercials dels acers

  • Consisteix en solidificar-los i donar-los una forma adequada. Per a la solidificació hi ha dos procediments:

    • Colar-los en un motlle i deixar-los refredar. S'obté un lingot.

    • Colar-los en uns canals per on se'ls va donant una forma de barra de secció rectangular mentre circulen directament fins a la secció de laminatge.

    Les formes comercials que es donen als acers a les siderúrgies poden ser:

    • Productes semielaborats: lingot o desbast. No utilització directa, necessiten un canvi de forma abans de ser utilitzats.

    • Productes acabats: utilitzats per la indústria més o menys directament. Com ara es fan carrils, que s'utilitzen sense cap transformació prèvia

    Diferents formes comercials que presenten els acers quan surten de les indústries siderúrgiques es resumeixen en l'esquema següent:

    Productes acabats

    Productes plans Pla ample

    Llanta

    Platina

    Bobina Xapa

    Banda

    Fleix

    Productes llargs Filferro

    Barra Rodona

    Quadrada

    Rectangular

    Hexagonal

    Passamà

    Mitja canya

    Perfils Carrils

    Estructurals Angular o “L”

    En “U”

    En “T”

    En “I”

    En “H”

    Tubs Rodó

    Quadrat

    Rectangular

    9

    Temps

    AC3

    AC1

    Temps

    Temps

    AC3

    AC1

    Temps

    Temps

    AC3

    AC1

    Temps

    Temps Austenita

    AC3

    AC1

    Martensita

    Temps

    Cable d'alimentació

    Volta refractària

    Porta de colada Porta de càrrega

    Boca de sortida (colada) Material refractari

    Connexió elèctrica

    Suport fix

    Aigua

    Fums

    Fums

    depurats

    Aire calent

    Aire calent Fums

    Alt forn Depurador de fums Intercambiador Xemeneia

    de calor

    Introducció del ferro colat Introducció de la ferralla i Buita de la

    la calç colada d'acer

    Entrada

    d'oxigen i

    aigua

    Entrada de matèries primeres Toveres

    Deshidratació

    Sortida de fums a la purificadora

    700º

    Material refractari

    Reducció

    Canonada de forma d'anell

    1000 entrada d'aire calent

    Carburació Toveres

    1800º

    Fusió

    Sortida de l'escòria

    Sortida del ferro colat

    No aliats (al carboni)

    Acers

    Aliats

    Aliatges

    Ferro + carboni

    Blanca

    Foses Laminar

    Grisa Esferoïdal (dúctil)

    Nodular (mal·leable)

    Perlita

    +

    Ferrita

    Austenita

    Temperatura

    ºC 1r 2n 3r 4t Punt eutèctic

    • Líquid

    Líquid

    +

    Austenita Líquid + Cementita

    1130 Austenita

    Austenita +

    + 900 Cementita

    Ferrita 723

    Perlita + Cementita

    0

    0,89% 1,76% 4,3% 6,67% de C

    Acer Acer Fosa Blanca Fosa Gris

    Hipoeutectoide Hipereutectoide Hipoeutèctica Hipereutectèctica

    Diagrama de solidificació del ferro pur

    Temperatura

    1600 Fase líquida

    1539

    Ferro delta (cúbicas centrades)

    1390

    Ferro gamma ( cúbiques de cares centrades)

    900

    Ferro beta (cúbiques centrades, no magnètiques)

    750

    Ferro alfa (cúbiques centrades, magnètiques)

    500

    10 20 40 50 60 90 Temps (minuts)

    Ferros No aliats (al carboni)

    Fèrrics Acers Aliats

    Foses

    Coure (Cu)

    Alumini (Al)

    Plom (Pb)

    Purs Estany (Sn)

    Productes Zinc (Zn)

    Metal·lúrgics Níquel (Ni)

    Crom (Cr)

    No fèrrics

    Llautons

    Bronzes

    Aliatges Aliatges lleugers (A base d'alumini)

    Aliatges ultralleugers (A base de magnesi)

    Altres aliatges (A base de titani i níquel)

    Mineria Metal·lúrgica Indústries

    metàl·liques

    Objectes i articles metàl·lics

    Mecanització o conformació

    Metall útil per aplicacions industrials

    Afinament (per mitjans tèrmics o elèctrics)

    Metall en brut

    Obtenció (per mitjans tèrmics)

    Mineral enriquit

    Enriquiment (normalment per mitjans mecànics)

    Mineral

    Extracció

    Mina