Metalurgia y siderurgia

• METAL·Là RGIA I SIDERà RGIA
• 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 quÃ−micament amb altre elements. Els compostos més
comuns són:
Compost
Composició
à xids
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 calorÃ−fica.
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 mecà niques, encara que una
tendència a la corrosió.
• El ferro i els seus aliatges
CaracterÃ−stiques del ferro pur:
• Punt de fusió: 1539 ºC.
• Color: blanc grisós.
• Densitat: 7,87 g/cm3.
• Propietats mecà niques: dúctil i mal·leable.
• Altres propietats: bon conductor elèctric i fà cilment 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
1
Solubilitat del
carboni
Molt baixa
Molt baixa
Alta
baixa
α Alfa
Magnètica
β Beta
Poc magnètica
γ Gamma
No magnètica
δ Delta
Poc magnètica
• Els aliatges ferro-carboni
Interval de
temperatures
Fins a 750 ºC
De 750 a 900 ºC
De 900 a 1390 ºC
De 1390 a 1539 ºC
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 lÃ−quida 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 voluntà riament per millorar les propietats del material. Les impureses són
elements quÃ−mics que apareixen en el procés d'obtenció de forma involuntà ria.
Classificació dels acers
Contingut % de
de carboni carboni
Duresa Resistència Ductilitat
Tenacitat Aplicacions
Carrosseries d'automòbils,
bigues, tubs, là mines per a
envasos...
De 0,3 a
Rodes i carrils de trens,
MitjÃ
Durs
Mitjan
Mitjana
Mitjana
0,6
engranatges, cigonyals...
De 0,6 a Més
Eines de tall, molles, matrius i
Alt
Alta
Baixa
Baixa
1,4
durs
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.
Baix
< 0,3
Tous
Baixa
Alta
Alta
Classificació de les foses
Tipus de fosa
Blanca
Grisa laminar
Propietats
Molt frà gil, dura, i molt resistent al desgast. No
es pot mecanitzar i no té ductilitat. Es forma
quan es produeix un refredament rà pid.
Frà gil, poc resistent a la tracció però molt
resistent a la compressió. Molt resistent al
desgast. Bon esmorteïment de les vibracions.
Molt barata.
Aplicacions
Cilindres dels trens de laminatge de
l'acer.
Bancades i estructures de
mà quines.
2
Grisa mal·leable
Resistent, dúctil i mal·leable.
(nodular)
Resistent, més dúctil. Propietats molt
Grisa dúctil
similars a les de l'acer. Bona resistència
(esferoïdal)
mecà nica.
• Siderúrgia: processos d'obtenció del ferro colat i de l'acer
VÃ lvules, cossos de bombes,
cigonyals, pistons i elements de
mà quines en general.
Els compostos que formen el mineral es troben barrejats amb altres elements com la sÃ−lice, que caldrÃ
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 lÃ−quid, i s'introduïa en un motlle per donar-li la forma,
però encara era frà gil 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 calcà ria.
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 calcà ria 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 lÃ−quida.
El forn elèctric
3
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 rà pid per assegurar que tota la austenita es transforma en martensita.
Velocitat mÃ−nima 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 mà xima del tractament i la velocitat del refredament es distingeixen diferents tipus de recuita:
• Regeneració: per acers amb >0,6 % de C.
• Globular supercrÃ−tica: per acer aliats i eines.
• Globular subcrÃ−tica: Temperatura mà xima 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
4
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, nÃ−quel i molibdè.
La nitruració
Endureix considerablement la superfÃ−cie 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 amonÃ−ac durant un perÃ−ode 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
PerlÃ−tics: normals.
MartensÃ−tics: trempats.
AustenÃ−tics: no trempats.
FerrÃ−tics: 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 quÃ−mica molt exacta i unes
propietats molt definides i invariades.
Aliats De qualitat
Especials: per a eines, construcció mecà nica, rodaments, resistents a la corrosió i a l'oxidació en calent,
per a la construcció metà l·lica i caracterÃ−stiques especials
• Formes comercials dels acers
Consisteix en solidificar-los i donar-los una forma adequada. Per a la solidificació hi ha dos procediments:
5
• 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
PassamÃ
Mitja canya
Perfils Carrils
Estructurals Angular o “L”
En “U”
En “T”
En “I”
6
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 refractà ria
Porta de colada Porta de cà rrega
Boca de sortida (colada) Material refractari
7
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
8
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
• LÃ−quid
LÃ−quid
+
Austenita LÃ−quid + Cementita
1130 Austenita
Austenita +
+ 900 Cementita
Ferrita 723
Perlita + Cementita
9
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 lÃ−quida
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 NÃ−quel (Ni)
10
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 nÃ−quel)
Mineria Metal·lúrgica Indústries
metà l·liques
Objectes i articles metà l·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 mecà nics)
Mineral
Extracció
Mina
11