Metal·lúrgia del Ferro i l'Acer: Minerals, Processos i Tractaments Tèrmics

Minerals dels quals s'extreu el Ferro

El ferro constitueix aproximadament el 5% de l'escorça terrestre. Els principals minerals són:

• Siderita (Carbonat de ferro): Conté 30-40% de Fe.
• Magnetita (Òxid de ferro): Conté 60-70% de Fe. És poc abundant.
• Hematites vermelles (Òxid de ferro): Conté 40-50% de Fe. És molt abundant.
• Limonita (Hidròxid de ferro III): Principal mena de ferro.
• Pirita (Sulfur de ferro): Molt abundant, però poc utilitzada.

Aprofitament del Mineral: Mena, Ganga i Enriquiment

• Mena: Part aprofitable del mineral (amb un contingut elevat de la substància per tal de treure'n profit).
• Ganga: Part no aprofitable del mineral.

Procés d'Enriquiment

Procés de separació de la mena de la ganga, aplicat un cop extret el mineral.

El Procés Metal·lúrgic

• Mineria: Extracció del material d'un jaciment i preparació (separació de la mena de la ganga).
• Metal·lúrgia: Separació del metall dels altres elements amb els quals es troba químicament combinat.
• Indústries Metal·lúrgiques: Elaboració del metall obtingut per a la fabricació de l'article desitjat.

Els Aliatges

Un aliatge és una combinació de dos o més elements químics, un dels quals és metall, que manté propietats mecàniques.

Propietats dels Aliatges

Avantatges:

• Major duresa.
• Major resistència mecànica.
• Menor temperatura de fusió.

Inconvenients:

• Menor plasticitat.
• Menor conductivitat.

Diagrama d'Equilibri

Aquest diagrama tracta materials solubles entre si en estat líquid i insolubles en estat sòlid.

Ferro Pur i Varietats Al·lotròpiques

Considerem ferro pur quan té una quantitat de carboni inferior a 0,03%. Obtenir el ferro pur és molt difícil, ja que s'han d'eliminar altres materials.

Varietats Al·lotròpiques del Ferro

Les varietats al·lotròpiques són les formes cristal·lines que pot adoptar el ferro. Hi ha 4 varietats: alfa, beta, gamma i delta. Totes tenen propietats diferents tot i estar compostes del mateix element.

L'Alt Forn: Obtenció del Ferro Colat

L'alt forn és la unió de dos troncs cònics fets d'acer i recoberts de ceràmica refractària a l'interior. Té una altura de 30 m i un diàmetre de 5 m.

És la manera d'obtenir el ferro colat. Les matèries primeres utilitzades són:

• Mineral de ferro (Fe)
• Carbó de coc (COC)
• Pedra calcària

Les matèries s'introdueixen per la part superior. Hi ha 4 zones diferenciades:

Zones de l'Alt Forn

1. Deshidratació (T=400ºC): Eliminació de la humitat.
2. Reducció (T=700ºC).
3. Combustió (T=1200ºC): El ferro absorbeix part del carboni de forma involuntària.
4. Fusió (T=1800ºC): Es produeix el ferro colat (el ferro es fon). La pedra calcària reacciona amb altres impureses i es forma escòria, que sura sobre el ferro colat. L'escòria i el ferro colat se separen per conductes diferents.

Ferro Colat i Obtenció d'Acer

Ferro Colat

El ferro colat és un aliatge de Fe i C (4%), Si (2%) i quantitats menors de P, S i O.

El Convertidor (Obtenció d'Acer)

El convertidor permet l'obtenció d'acer. No requereix energia externa, ja que tota la calor s'obté de reaccions internes. El convertidor és un cubilot fet d'acer amb l'interior cobert de material refractari.

Les matèries primeres utilitzades són:

• Ferralla
• Ferro colat
• Calç (CaO)

Tractaments Tèrmics de l'Acer

Els tractaments tèrmics consisteixen a sotmetre l'acer a canvis controlats de temperatura per tal de variar les proporcions dels seus constituents. S'utilitzen per millorar la duresa i la resistència mecànica.

Temperatures Crítiques

• AC1: Temperatura (sempre a 723ºC) on comença a aparèixer l'austenita.
• AC3: Temperatura on es transforma tot el material en austenita (aquesta temperatura varia).

1. El Tremp

• Objectiu: Obtenir acer amb elevada duresa i resistència mecànica.
• Constituent resultant: Martensita.
• Procés: S'escalfa fins que tota la massa es transforma en austenita i es refreda ràpidament (amb aigua, olis, mercuri, etc.).
• Inconvenient: Pot produir fragilitat. Per solucionar-ho, cal aplicar el procés de revingut.

2. El Revingut

• Objectiu: Obtenir acer amb alta tenacitat.
• Constituent resultant: No hi haurà austenita.
• Procés: S'escalfa evitant la transformació en austenita (Temperatura < 723ºC) i es refreda amb aire calent.
• Inconvenients: Disminueix la duresa, la resistència mecànica i el límit elàstic.

3. La Recuita

• Objectiu: Obtenir acer amb menys duresa i més plasticitat.
• Constituent resultant: Variable.
• Procés: S'escalfa a temperatura alta i es refreda lentament.

4. El Normalitzat

• Objectiu: Obtenir grans d'acer més petits (millors propietats mecàniques) i recuperar les propietats originals de les peces que han estat deformades.
• Aplicació: Només acers amb baix contingut de carboni.
• Procés: S'escalfa a temperatura d'austenització i es refreda a velocitat mitjana a l'aire.