L'obtenció dels metalls i processos metal·lúrgics

L'obtenció del metall

És estrany trobar metalls en estat pur a la natura. L'obtenció dels diferents metalls es realitza mitjançant diversos processos metal·lúrgics.

L'activitat a la mina

A la mina es troba el material del qual s'ha d'obtenir o formar el metall:

• Mena: Part aprofitable del mineral.
• Ganga: Part no aprofitable.

L'enriquiment és el procés que separa la mena de la ganga. Per exemple, en el cas de la bauxita (Al₂O₃ + altres components), se separen les argiles i sílices mitjançant processos físics per obtenir una part amb metall i una part sense metall. El metall enriquit es trasllada llavors a la indústria metal·lúrgica.

El procés metal·lúrgic (metal·lúrgia)

A partir del mineral s'obté i s'aïlla el metall mitjançant:

• Reaccions químiques.
• Aplicació de temperatura (processos termoquímics).

Després es realitza l'afinament, que augmenta la puresa del metall. Per exemple, si tenim un metall amb una puresa del 95%, l'afinament el pot portar a un 98% o més. El producte final s'obté en forma de barres, làmines o lingots.

La indústria metàl·lica

A partir del producte comprat a la indústria metal·lúrgica, se li dona forma escalfant-lo i fonent-lo en un motlle o bé treballant-lo en fred. Les tècniques de conformació inclouen:

• Emmotllament.
• Forja.
• Impressió 3D (pulvimetal·lúrgia).
• Mecanització i desgast (utilitzant eines com el torn, la fresadora o el trepant).

Ordre del procés industrial

1. Mineria: Extracció i enriquiment.
2. Metal·lúrgia: Obtenció del metall i afinament.
3. Indústria metàl·lica: Conformació final.

El mineral i la seva composició

El mineral és una mescla composta per la mena i la ganga. La riquesa es defineix com el percentatge de metall pur que conté un mineral.

Tipus de compostos segons la seva composició

1. Òxids: Metall + oxigen.
2. Sulfurs: Metall + sofre.
3. Carbonats: Metall + carboni.

Pulvimetal·lúrgia o metal·lúrgia de les pols

És una tècnica per obtenir o donar forma a materials metàl·lics a partir de pols, especialment per a peces amb punts de fusió molt alts o de gran duresa. S'utilitza, per exemple, per fabricar objectes amb metalls de molta puresa.

Etapes de la pulvimetal·lúrgia

1. Obtenció de les pols: Es requereix el metall en format de pols o polvores.
2. Compressió: Les polvores s'introdueixen en un motlle i es premsen amb premses hidràuliques. La pressió fa que les partícules s'uneixin, tot i que encara no tenen prou cohesió interna.
3. Sinterització: La peça es col·loca dins d'un forn perquè els àtoms s'uneixin definitivament, fent que la peça sigui més dura i tenaç.

Els aliatges

Un aliatge és el producte obtingut de la unió de dos o més elements químics (on almenys un ha de ser un metall) i que presenta característiques metàl·liques. Un exemple clàssic és l'acer (Ferro + Carboni).

Siderúrgia: La metal·lúrgia del ferro

La siderúrgia se centra en el ferro i els seus aliatges. El ferro pur gairebé no té aplicacions industrials perquè no és resistent als esforços mecànics; per això s'alia amb carboni.

El ferro pur té un punt de fusió elevat (1539 ºC). En refredar-se lentament, presenta diferents estructures moleculars anomenades varietats al·lotròpiques del ferro. El carboni es pot aliar amb el ferro en qualsevol d'aquestes estructures (com a grafit, carboni pur o carbur de ferro).

Constituents dels aliatges ferro-carboni

Existeixen fins a 11 constituents diferents, com ara:

• Ferrita.
• Perlita.
• Cementita.
• Austenita.
• Martensita.

Aquesta varietat permet obtenir acers amb les propietats específiques desitjades. Els productes siderúrgics finals són principalment l'acer i la fosa.

L'acer i la fosa

Característiques de l'acer

L'acer és un aliatge de ferro amb un percentatge de carboni d'entre el 0,1% i l'1,76%. És un material forjable a temperatures elevades i les seves aplicacions varien segons la proporció de carboni.

Aliatges eutèctics

Segons el punt eutèctic, les propietats varien:

• Baix: Poc dur, dúctil i tenaç.
• Mig: Dur, amb tenacitat i ductilitat mitjanes.
• Alt: Molt dur, però poc dúctil i poc tenaç.

Característiques de la fosa

La fosa és un aliatge de ferro amb un contingut de carboni d'entre l'1,76% i el 6,67%. Se li poden afegir altres elements per millorar-ne les propietats o eliminar impureses. Els acers amb més carboni són més durs, però més difícils de treballar.

L'alt forn

L'alt forn és una estructura d'acer recoberta de ceràmica d'uns 30 m d'alçada i 8 m d'amplada amb forma cònica. S'utilitza per obtenir ferro colat.

• Entrada: Mineral de ferro, carbó de coc, pedra calcària i oxigen.
• Sortida: Ferro colat, escòria i gasos.

Fases de l'alt forn

1. Deshidratació: Extracció de l'aigua (> 700 ºC).
2. Reducció: Extracció de l'oxigen per aïllar el ferro (700 - 1000 ºC).
3. Carburació: Addició de carboni (1000 - 1400 ºC).
4. Fusió: El ferro i l'escòria es fonen (> 1800 ºC). El ferro surt per la part inferior i l'escòria flota per sobre.

El ferro colat obtingut es porta posteriorment a descarburar per eliminar impureses en un convertidor d'oxigen o en forns elèctrics.

Convertidor d'oxigen

És un recipient cilíndric on s'introdueix ferro colat líquid, ferralla i calç. S'injecta oxigen pur a pressió per disminuir el percentatge de carboni i eliminar impureses, obtenint així acer.

Forn elèctric

Recipient d'acer refrigerat on s'apliquen descàrregues elèctriques trifàsiques mitjançant elèctrodes de grafit. L'electricitat passa a través del ferro (que és conductor) elevant-ne la temperatura per crear aliatges d'acer específics.

Tractaments tèrmics de l'acer

Consisteixen a sotmetre l'acer a canvis controlats de temperatura per variar les proporcions dels seus constituents i modificar-ne les propietats:

1. Tremp: Proporciona alta duresa i resistència mecànica mitjançant un refredament ràpid, tot i que augmenta la fragilitat per la presència de martensita.
2. Revingut: S'aplica a acers prèviament trempats per augmentar-ne la tenacitat, escalfant-los a menys de 723 ºC.
3. Recuita: Augmenta la plasticitat i disminueix la duresa mitjançant un escalfament elevat i un refredament molt lent.
4. Normalització: Serveix per eliminar les tensions internes i retornar a l'acer les seves propietats originals després d'haver estat deformat. El refredament és una mica més ràpid que en la recuita.