|
Els metalls
Els metalls són uns elements químics sòlids a temperatura ambient (excepte el mercuri), tenen una brillantor característica i són bons conductors del calor i l'electricitat.
Alguns metalls (or, platí, plata, mercuri, coure) es poden trobar a la natura en estat pur, la resta estan barrejats amb altres elements en forma de minerals.
La utilitat industrial dels metalls és en forma de metall pur o formant aliatges amb altres substàncies.
La metal·lúrgia
és el conjunt de processos per l'obtenció de metalls.
La indústria metal·lurgica per l'obtenció dels metalls purs o aliatges
en les formes i qualitats útils per la indústria, parteix com a primera
matèria natural de minerals o de ferralla procedent del reciclat de
metalls.
Els minerals
Els minerals contenen els metalls combinats amb altres elements,
generalment en forma d'òxids, sulfurs i carbonats.
Per separar
el metall de la resta dels elements cal recorre a processos físics i químics realitzats generalment en forns a altes temperatures.
| Mena |
és la part
del mineral que conté el metall buscat. |
| Ganga |
és la part del mineral que conté impureses o elements
no desitjats |
| Riquesa |
percentatge de mena que conté un mineral. |
| Enriquiment |
és el procés
destinat a separar al màxim la mena de la ganga. |
Els aliatges
Un aliatge és la combinació d'un metall amb altres elements químics metàl·lics o no metàl·lics.
Els aliatges tenen característiques pròpies dels metalls i diferents dels metalls que el formen.
El ferro
La siderúrgia
és la part de la metal·lúrgia dedicada a l'obtenció
del ferro i els seus derivats.
- El ferro pur té poca utilitat per la indústria.
- S'acostuma a aplicar el nom de ferro a molts materials formats a
base de ferro i altres elements.
- El 90% dels materials empleats
per la indústria són aliatges de ferro.
- La gran utilitat del ferro
es deguda a la seva resistència i el seu baix cost.
El ferro després del alumini és el material
més abundant de l'escorça terrestre aproximadament
el 5%
Els jaciments més importants són a la Xina,
Rússia, Brasil i Austràlia.
Minerals de ferro
| Mineral |
Composició |
Característica |
Riquesa |
| la magnetita |
Fe3O4 |
Color fosc, escàs a la natura |
60% - 70% |
| l'hematites |
Fe2O3 |
forma de masses compactes de color vermell. Molt abundant |
40% - 50% |
| la siderita |
FeCO3 |
Color groguenc |
30% - 40 % |
| la pirita |
FeS2 |
Color daurat, molt abundant |
|
Característiques del ferro pur:
- Punt de fusió: 1539 ºC.
- Color: blanc grisós.
- Densitat: 7,87 g/cm3
- Propietats: dúctil
i mal·leable, bon conductor elèctric i magnètic.
- Inconvenients: s'oxida fàcilment.
El ferro en el seu procés de solidificació
cristal·litza en estructures diferents segons la temperatura, presentant quatre varietats
alotròpiques que determinen les seves propietats magnètiques
i de solubilitat del carboni.
Gràfic
Aliatges Ferro-Carboni
El ferro pur té poca utilitat industrial, quasi sempre s'utilitza aliat amb el carboni i altres metalls.
En els aliatges de ferro carboni, el ferro pot trobar-se
en alguna de les seves quatre formes alotròpiques, aquest
fet junt a la proporció i tipus de carbó dona lloc
als anomenats constituents dels aliatges
ferro carboni.
Cada constituent aporta a l'aliatge unes característiques
determinades, per altra banda generalment hi ha més d'un
constituent fet que dona lloc a una gran varietat d'aliatges amb les seves pròpies característiques
de: duresa, resistència mecànica o comportament magnètic,
etc.
Les diferents combinacions queden reflectides en el diagrama d'equilibri del ferro-carboni.
Els acers i les foses
Segons la proporció de carboni obtindrem dos productes bàsics: els acers i les foses
|
Aliatges
ferro carboni
|
Acers
0,1 al 1,7 % de carboni
|
No aliats (al carboni) |
| Aliats (crom, vanadi, níquel...) |
|
Foses
1,7 al 6,67 % de carboni
|
Blanca |
| Grisa: Laminar, Esferoïdal, Nodular |
Tipus d'acers
| Contingut carboni |
% de C |
Duresa |
Resistència |
Ductilitat |
Tenacitat |
Aplicacions |
Tractament tèrmic |
| Baix |
< 0,3 |
Tous |
Baixa |
Alta |
Alta |
Carrosseries, bigues, tubs, xapes, fleje |
NO |
| Mitjà |
<0,6 |
Durs |
Mitjana |
Mitjana |
Mitjana |
Rodes, Engranatges, carrils, cingonyals.. |
SI |
| Alt |
<1,4 |
Molt durs |
Alta |
Baixa |
Baixa |
Eines de tall, molles, matrius, motlles...
|
SI |
Tipus de Foses
| Tipus de fosa |
Aplicacions |
| Blanca |
Cilindres per trens de laminatge |
| Grisa laminar |
Bancades de màquines |
| Grisa nodular |
|
| Grisa esferoïdal |
Vàlvules, bombes, cingonyals, pistons... |
La siderúrgia
Obtenció del ferro
Els minerals de ferro generalment són òxids, quan s'escalfa el mineral amb l'ajuda del carbó, el carboni es combina amb l'oxigen i queda el ferro i l'escòria (resta de materials que formen el mineral).
La humanitat utilitza el ferro des del 1400 aC.
Antigament
el ferro s'obtenia en uns forns en el que el mineral s'escalfava amb carbó vegetal. Aquest sistema no permetia arribar a la fusió del metall, només s'aconseguia una massa esponjosa de ferro a la que es donava forma colpejant-la.
Aquest sistema era l'utilitzat a l'antiga Grècia i Roma, a l'Índia
i Xina.
Aquest procés es portava a terme en les fargues.
A partir del segle XIX s'utilitza l'alt forn amb carbó de coc, aquest sisteme permet l'obtenció del ferro colat (ferro en fase líquida).
El ferro colat es sotmès a un segon tractament per l'obtenció de l'acer.
Els acers i les foses s'obtenen en dues fases:
|
1ra fase
|
2na fase
|
| Obtenció del ferro colat en l'alt forn |
Transformació del ferro colat en acer |
| Transformació del ferro colat en fosa |
Alt forn
És la instal·lació actual
per a l'obtenció del ferro.
S'introdueix el mineral junt amb carbó de coc
i pedra calcaria.
L'elevat poder calorífic del coc permet aconseguir temperatures
de fins a 1800 º i per tant l'obtenció ferro en fase
líquida (ferro colat) .
En aquest procés igual que en els anteriors
el carboni actua com a reductor del oxigen, per altra banda la pedra
calcària facilita la separació de l'escòria.
Al estar els dos components a en fase líquida
la separació es produeix per diferència de densitat,
el ferro al ser més dens es diposita a la par inferior.
El ferro colat és una aleació de ferro amb aprox.
un 4% de carboni i altres components.
Per l'obtenció d'acers i les foses caldrà una segona fase en la que es reduirà el contingut de carboni.
|
Acer 0,1 al 1,7 % de carboni
Fosa 1,7 al 6,67 % de carboni
|
Obtenció de l'acer
|
Actualment els sistemes més utilitzats per l'obtenció de l'acer són: el convertidor d'oxigen i el forn elèctric.
En els dos sistemes s'utilitza ferralla de ferro (ferro oxidat) com element que aporta l'oxigen per la reducció del carboni.
Durant aquesta fase també s'introdueixen altres metalls com: crom, vanadi,
níquel, etc. per l'obtenció dels acers aliats.
|
 |
Més informació: www.infoacero.cl/procesos/siderur.htm , www.cedinox.es
Formes comercials dels acers
Partint de la colada continua o de lingots s'obtenen un productes semi elaborats anomenats desbast, del desbast s'obtenen els productes elaborats següents:
- Productes plans : xapes de diferents espessors de 0,1 a 20 mm
- Productes llargs: filferro i perfils diversos: rodó, quadrat, passamà...
- Perfils normalitzats: T , doble T, I, L, U
- Tubs: quadrat, rodó: amb costures o sense.
Actualment per donar forma als acers s'utilitza el sistema de colada continua i posterior laminat en calent.
Per segons quines aplicacions també s'utilitza el laminat en fred.
Altres formes de conformar els aliatges de ferro-carboni són:
- La forja consisteix en situar el metall sòlid
però calent dins de motlles o matrius i aplicar esforços
de compressió.
- L'emmotllament consisteix en introduir el metall
líquid a l'interior d'un motlle del que es retira quan
el metall ha solidificat.
|
L'acer és forjable i la
fosa no.
|
Tractaments tèrmics
La importància de l'acer és deguda en part a la varietat de propietats que pot presentar:
- Acers mal·leable (xapes)
- Acers inoxidables
- Acers durs per eines de tall i eixos
- Acers magnètics
- etc.
Algunes d'aquestes propietats s'aconsegueixen amb els tractaments tèrmics.
Els tractaments tèrmics consisteixen en sotmetre l'acer a uns canvis controlats de temperatura.
Aquest fet provoca una variació en la proporció dels seus constituents i en conseqüència en les seves propietats.
Els principals tractaments tèrmics són:
- El tremp
- El revingut
- La recuita
- El normalitzat
Tremp
- Augment de la temperatura (> 900ºC) fins per aconseguir la transformació en austenita .
- Refredament ràpid
- Augment de duresa i resistència mecànica.
|
|
Revingut
- Escalfament a temperatures inferir als 723ºC
- Refredament lent
- Augment de la tenacitat i reducció de tensions internes, disminució de la duresa i la resistència mecànica.
|
 |
Recuita
- Escalfament a temperatures superiors a 900ºC, austenització.
- Refredament molt lent.
- Disminució de la duresa i resistència mecànica. Augment de la plasticitat.
- Procés invers al tremp
|
 |
Normalitzat
- Escalfament fins austenització.
- Refredament a l'aire (lent)
- Reducció de les tensions internes produïdes per la deformació en fred o en calent.
|
 |
Enduriment superficial
En algunes ha ocasions en que fan falta peces amb molta duresa i tenacitat.
La solució consisteix en endurir només la part externa de la peça. Això s'aconsegueix amb els tractaments d'enduriment de superfície.
Engranatges, matrius, motlles i eixos algunes de les peces que han de complir aquesta doble condició.
Cementació
Consisteix en augmentar la proporció de carboni de la part externa de la peça.
El procediment consisteix en escalfar la peça fins a uns 900ºC i posar-la en contacte durant unes hores amb substàncies que aportin el carboni necessari.
Després cal sotmetre la peça a un procés de tremp i revingut.
Nitruració
Consisteix en augmentar la duresa i la resistència a la corrosió.
El procediment consisteix en escalfar a uns 500 ºC en un ambient de gas amoníac durant un període de 1 a 4 dies.
En algunes ocasions les peces abans s'han sotmès a un tractament de tremp i revingut.
|
