• 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, Mitjà 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

Và 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 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 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 Passamà 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