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