Metal·lúrgia del Ferro i l'Acer: Processos i Propietats

Obtenció de l'Acer

S’obté el ferro colat dels alts forns per separar escòries i el ferro colat del ferro concentrat. Si es vol fosa, es posa el ferro colat a altres forns com el cubilot per descarburar-lo i reduir-ne impureses.

Convertidor d'Oxigen

Recipient de forma cilíndrica i tronc cònic, revestit interiorment de ceràmica refractària i obert amb boca de càrrega per la part superior. S'introdueix ferro colat i ferralla a dins, i una llança hi introdueix oxigen pur a pressió per reduir el nivell d'impureses, provocant reaccions que mantenen el líquid a altes temperatures.

Forn Elèctric

Recipient d'acer refrigerat externament per circuit d'H₂O i recobert per ceràmica refractària. Es tanca amb una coberta de 3 elèctrodes de grafit. S'hi introdueix el ferro colat, ferralla i calç. S'apliquen descàrregues i el ferro i la ferralla augmenten de temperatura. Llavors s'hi afegeixen els elements amb els quals es volen fer els aliatges. Permet un control molt precís de la temperatura i la composició de l'acer.

Procediments per Solidificar l'Acer

• Colar-lo en un motlle i que es refredi.
• Colar-lo en canals on els donen forma de barra de secció rectangular i arriben a la secció de laminatge calents per no haver-los de reescalfar.

Tractaments Tèrmics de l'Acer

Sotmetre l'acer a canvis controlats de temperatura per variar les proporcions dels seus constituents.

Tremp

Obtenció d'acer amb gran composició de martensita. Escalfar l'acer fins que esdevingui austenita i refredar ràpidament perquè esdevingui martensita.

Revingut

Escalfament a menys de 723 ºC, evitant la formació d'austenita, i refredament a l'aire. Serveix per a més tenacitat i menys resistència mecànica.

Recuita

Disminució de la duresa i increment de la plasticitat per poder deformar l'acer i treballar-lo millor. Escalfar a temperatures elevades i refredar a l'aire (més ràpid que el tremp, però menys que el revingut).

Tipus de Recuita

• Regeneració (>0,6% C)
• Globular supercrítica (acers aliats, eines)
• Contra acritud
• Estovament

Normalitzat

Escalfament fins a la temperatura d'austenització i refredament a l'aire (més lent que el tremp, menys que la recuita). Serveix per afinar l'estructura granular, reduir els grans de l'acer, i eliminar tensions internes produïdes per una deformació.

Procés d'Obtenció dels Metalls

• Mineria: Extracció del mineral d’un jaciment adequat.
• Metal·lúrgia: Separació del metall dels altres elements.
• Indústries metàl·liques: Elaboració del metall obtingut per a l’obtenció d’articles útils.

Procés per a l'Obtenció del Metall

Extreure un mineral i separar-lo de les impureses que conté, deixant la part rica en metall (òxids, sulfurs i carbonats).

Mena i Ganga

• Mena: És la part aprofitable i rica en el metall buscat en el mineral.
• Ganga: És la part no aprofitable i és molt pobre en metall.

Un mineral és rendible per a l’obtenció del metall quan el contingut d’aquest metall supera un percentatge mínim establert que depèn de l’època o circumstància social del moment.

Aliatge

És un producte obtingut a partir de la unió de dos o més elements químics, dels quals com a mínim un ha de ser un metall. Un cop format, presenta les característiques pròpies d’un metall. Es distingeixen pels components que els formen i s’identifiquen per la seva composició.

Solidificació de Metalls i Aliatges

Els metalls purs tenen un punt de fusió fix; la temperatura es manté constant mentre solidifica. Els aliatges no tenen un punt de fusió fix (solidifiquen en un interval de temperatura).

Fases de Solidificació de l'Aliatge

• Fase líquida: Per damunt de la línia de líquid, l’aliatge sempre es trobarà en fase líquida.
• Fase líquida + sòlida: Per a qualsevol punt situat en aquesta àrea, l’aliatge sempre contindrà una part de la massa en fase sòlida i l’altra part en fase líquida.
• Fase sòlida: Per sota de la línia de sòlid, l’aliatge sempre es trobarà en fase sòlida.

Avantatges dels Aliatges (per a Emmotllament)

Són mescles finíssimes i íntimes de cristalls purs dels elements d’aliatge i són ideals perquè omplen millor els motlles i donen peces més homogènies.

Ferro Pur

És un element químic que no té gaires aplicacions industrials a causa de la seva baixa resistència mecànica i la gran tendència a la corrosió. L’aliatge ferro-carboni amb un contingut de carboni inferior al 0,03% s’aprofita per les seves propietats magnètiques, com ara la fabricació de xapes per a nuclis de transformadors elèctrics.

Varietats Al·lotròpiques del Ferro

• Varietat delta (de 1539 ºC a 1396 ºC)
• Varietat gamma (de 1390 ºC a 900 ºC)
• Varietat beta (de 900 ºC a 750 ºC)
• Varietat alfa (de 750 ºC a 0 ºC)

Si volem obtenir el ferro corresponent a una varietat, haurem de refredar-lo ràpidament quan es trobi a la temperatura corresponent a aquesta varietat.

Constituents del Sistema Ferro-Carboni

• Ferrita (ferro alfa)
• Cementita (carbur de ferro)
• Perlita (86,4% ferrita i 13,5% cementita)
• Austenita (ferro gamma)
• Martensita (ferro alfa)

Productes de l'Aliatge Ferro-Carboni

• Acers: Contingut de carboni entre 0,1% i 1,76%.
• Foses: Contingut de carboni entre 1,76% i 6,67%. A la pràctica, el contingut de carboni de les foses oscil·la entre 3% i 4,5%.

Forja

Consisteix a situar una massa sòlida de metall calent entre les dues meitats d’un motlle o matriu i aplicar-hi esforços de compressió fins que adopta la seva forma.

Emmotllament

Consisteix a introduir el metall en fase líquida a l’interior d’un motlle tancat i desemmotllar-lo un cop s’ha solidificat.

Tipus de Foses

Les foses contenen el carboni en forma de carbur de ferro (fosa blanca) o en forma de grafit (fosa grisa).

Fosa Grisa

• Laminar (en forma de làmines)
• Nodular (en forma de ram o de raïm)
• Esferoïdal (en forma d’esfera)

Reducció

Separació de l'oxigen combinat amb el metall.

Fases per a l'Obtenció de l'Acer i les Foses

1. Comença amb l’obtenció del ferro colat a l’alt forn.
2. El ferro colat en estat encara líquid es porta als convertidors, on s’eliminen part del carboni i les impureses fins a obtenir l’acer desitjat.

Alt Forn

Està format per una estructura d’acer recoberta interiorment per material ceràmic refractari. Té forma de dos troncs de con units per la part més ampla, amb uns 30 m d’alçària i uns 6 m de diàmetre màxim. Per la part superior s’introdueixen les matèries primeres i s’extreuen els gasos. Per la part inferior s’introdueix aire calent a pressió, i es recullen el ferro colat i les escòries.

Matèries Primeres de l'Alt Forn

• Mineria de ferro: Aporta el ferro oxidat que, un cop reduït, s’obté en forma de ferro colat.
• Carbó de coc: Actua com a combustible per obtenir elevades temperatures i aporta el carboni necessari per a la reducció del ferro.

Procés de l'Alt Forn

Consisteix en la introducció de les matèries primeres en capes successives per la boca superior del forn. La combustió del carbó de coc s’aconsegueix gràcies a la injecció d’aire calent a la base del forn, provocant altes temperatures. Periòdicament s’extreu el ferro colat per un orifici una mica més elevat que l’anterior.

Composició del Ferro Colat de l'Alt Forn

És un aliatge de ferro i carboni amb un contingut aproximat del 4% de carboni, 2% de silici i quantitats menors de fòsfor, sofre i oxigen.