Mineria, Metal·lúrgia i Reciclatge de Metalls

Mineria, Metal·lúrgia i Indústries Metàl·liques

Mineria

Extracció del metall d'un jaciment adequat i la seva preparació, separant la part rica en metall d'altres components que l'acompanyen.

Metal·lúrgia

Separació del metall dels altres elements amb els quals es troba combinat químicament.

Indústries Metàl·liques

Elaboració del metall obtingut per a l'obtenció d'articles útils.

Reciclatge de Metalls

Acer, coure, alumini, estany, plata, etc.

Propietats i Processos dels Metalls

Els metalls es troben combinats químicament amb altres elements. Per exemple:

• Òxids: Separació per reducció.
• Sulfurs: Separació per oxidació.

Els minerals contenen metalls barrejats amb altres elements. S'extreu i es separa la mena de la ganga per enriquir-lo. La riquesa d'un mineral és el percentatge de la seva mena. La mena és la part aprofitable i rica en metall, mentre que la ganga és la part no aprofitable i pobra en metall.

Els metalls purs són bons conductors de la calor i l'electricitat, resistents, opacs, lluents i tenen un punt de fusió elevat. Al colpejar repetidament un metall, es trenca l'estructura cristal·lina, cosa que afavoreix la seva plasticitat; el metall esdevé dur i resistent.

Aliatges

Un aliatge és un producte obtingut a partir d'un metall i un o més elements químics, i que presenta les característiques pròpies d'un metall.

Els aliatges dificulten la mobilitat de les dislocacions; tenen menys plasticitat i diferents propietats. Són més durs i resistents que el metall pur.

Exemples d'aliatges:

• Fe + (0,1-1,76%) C = Acer
• Cu + Zn = Llautó
• Cu + Sn = Bronze
• Cu + Ni = Cuproníquel

Composició de les Monedes d'Euro

• 2€: Exterior: coure-níquel; Interior: níquel-llautó, níquel, llautó-níquel.
• 1€: Exterior: níquel-llautó; Interior: coure-níquel, níquel, níquel-coure.
• 50, 20, 10 cèntims: Coure (89%), Al i Zn (5%), Sn (1%).
• 5, 2, 1 cèntims: Acer recobert de coure.

Exemples d'Aplicacions de Metalls i Aliatges

Llautó: Font (part daurada de beure).
Ferro colat: Estructura de font de carrer (i pintat) i fanal petit negre.
Acer: Cèrcol exterior de font de l'institut (galvanitzat), fanals petits grisos (galvanitzat), portes del parc de l'escorxador per a nens (xapa tallada i pintada).
Bronze: Estàtues, campanes.
Alumini: Fanal grisos alts (fosa).

Els metalls purs tenen un valor fix de temperatura de fusió que es manté constant durant el canvi d'estat. La temperatura de fusió dels aliatges no és fixa.

El Ferro (Fe) i els seus Aliatges

Ferro Pur

El ferro pur no té gaires aplicacions industrials. És bon conductor elèctric i magnetitzable. El ferro pur industrial és un aliatge Fe-C amb menys del 0.03% de C. S'utilitza per a xapes de nuclis de transformadors.

Aliatges de Ferro i Carboni

En aliatge, el Fe i el C adopten diferents formes. El Fe pot presentar formes al·lotròpiques (α, β, γ, i δ). El C pot presentar-se com a C pur, Fe3C o grafit. Les propietats de l'aliatge varien segons la proporció de C i la rapidesa de refredament.

Classificació dels Aliatges Fe-C

• Acers: 0,1-1,75% de C.
• Foses: 3-4,5% de C.

Acers i foses (mètodes per donar forma als metalls):

• Forja
• Emmotllament

Acer amb altres elements (milloren les propietats): Cr, V, Ni.

Acer amb impureses (empitjoren les propietats): Sb, As, Sn, H, O.

Tipus de Fosa

• Fosa blanca: Amb Fe3C.
• Fosa grisa: Amb grafit (laminar, nodular, esferoïdal).

La proporció eutèctica es fon a una única temperatura i no en un interval.

Obtenció del Ferro i l'Acer

Minerals de Ferro

El ferro és un dels elements més abundants a l'escorça terrestre. Minerals:

• Hematites: Fe₂O₃
• Magnetita: Fe₃O₄
• Siderita: FeCO₃
• Pirita: FeS₂

Reducció del Metall amb Carboni

El carboni té poder reductor (capta l'oxigen), aporta calor i aporta el carboni necessari per a l'acer.

Obtenció de Ferro Colat a l'Alt Forn

Matèries primeres:

• Mineral de ferro enriquit.
• Carbó de coc (hulla destil·lada).
• Pedra calcària (CaCO₃) que reacciona amb el silici i forma escòria.

S'obté ferro colat (4% C, 2% Si, P, S i O₂).

Obtenció d'Acer

Procés: Descarburar el ferro colat i reduir impureses com el sofre. S'utilitzen convertidors (amb ferro colat fos):

• Bessemer
• Thomas
• D'oxigen: Forns Martin-Siemens (combustió de gas) a 1600-1700 °C.
• Elèctric: A 3700 °C.

Forn d'oxigen: C i Si + O₂.
Forn elèctric: Ferro colat, ferralla oxidada i calç (CaO). Elèctrodes de grafit fan arcs voltaics. Control precís de la temperatura. Indicat per a acers especials. Permet aliatges amb molibdè (Mb) o wolframi (W), que tenen un punt de fusió alt.

Fabricació i Formes Comercials de l'Acer

Fabricació de dues formes comercials:

• Productes semielaborats (desbast, laminatge en calent/lingot, laminatge en fred).
• Productes acabats.

Les característiques dels productes siderúrgics estan normalitzades (ex.: IPN, perfil HD, etc.).

Tractaments Tèrmics de l'Acer

Es sotmet l'acer a canvis controlats de temperatura per obtenir-ne els components desitjats:

• Tremp: Acer d'alta duresa i resistència, però fràgil (pot aplicar-se superficialment per evitar la fragilitat). Gran proporció de martensita (refredament ràpid d'austenita). Es refreda amb aigua, olis minerals, plom fos, mercuri, sals foses o aire a temperatura ambient.
• Revingut: Augmenta la tenacitat del tremp, però en perd duresa, resistència i elasticitat. S'escalfa fins a 723 °C i es refreda a l'aire.
• Recuita: Augmenta la plasticitat i en baixa la duresa. S'escalfa a temperatura elevada i es refreda lentament. Diferents tipus segons la temperatura màxima i la velocitat de refredament.
• Normalitzat: Millora les propietats mecàniques i afina l'estructura granular. S'aplica a acers amb baix contingut de carboni. S'escalfa a la temperatura d'austenita i es refreda a l'aire.

Història de la Metal·lúrgia del Ferro

A l'antiga Grècia, Roma, Índia i Xina, el ferro s'obtenia en forns baixos. S'utilitzava carbó vegetal i aire injectat per manxa. S'obtenia una massa esponjosa de ferro amb escòria, que es forjava per treure'n l'escòria i donar-li forma.

La Farga Catalana (Segles XII a XIX)

S'utilitzava carbó vegetal i aire injectat per força del vent o aigua. Part del ferro obtingut s'exportava.