Producció d'acers i foses: procediments i propietats

1.5 Els productes siderúrgics: acers i foses

Es consideren acers els aliatges de ferro amb un contingut de ferro entre un 0,1 i 1,76%, i es consideren foses quan el contingut de carboni oscil·la entre 1,76 i 6,67%.

Dos procediments per donar forma als metalls:

• Forja: la forja consisteix a agafar un tros de metall sòlid i mitjançant la compressió se li va donant la forma que es vol obtenir.
• L’emmotllament: consisteix a posar el metall de forma líquida en un motlle fins que aquest metall es refreda i es solidifica, un cop sòlid es treu el motlle.

La fosa: no es forjable i fon a temperatures més baixes (>1130 ºC), pot emmotllar-se bé perquè té facilitat per adaptar-se a les formes complicades. Les foses contenen Fe3C (fosa blanca) o grafit (fosa grisa). Segons l’organització microscòpica del grafit, la fosa grisa pot ser:

• Laminar
• Nodular o mal·leable: En forma de ram.
• Esferoidal o dúctil: En forma d’esferes.

Cadascuna d’aquestes presenta diferents propietats.

L’acer: és forjable i fon a temperatures elevades (>1400 ºC).

Contra menys percentatge de carboni tingui el acer més tou és, per tant, més fàcil de deformar el material però té menys resistència, encara que aguanta més els xocs.

Poc percentatge de carboni: no es poden utilitzar per a tractaments tèrmics.

Mitja i alt percentatge de carboni: serveixen per a tractaments tèrmics i per a aplicacions que requereixen una alta resistència mecànica.

2. SIDERÚRGIA

Processos d’obtenció del ferro colat i de l’acer:

• Reducció del metall: consisteix en el procés d’obtenció del ferro que s’ha de separar de l’oxigen del metall, elevat a altes temperatures.
• Carboni:

- És el principal element reductor en siderúrgia, ja que té molta tendència a combinar-s'hi.

- També fa possible la formació d’aliatges amb el ferro, i en forma de carbó, és un bon combustible que aporta una gran quantitat d’energia calorífica necessària per a la fusió del ferro.

OBTENCIÓ DE L’ACER I LES FOSES

1a Fase: comença amb l’obtenció del ferro colat a l’alt forn. El ferro colat conté un alt contingut de carboni i impureses, que cal eliminar.

2a Fase: el ferro colat de l’alt forn es porta a uns altres forns, on s’afina fins a obtenir la fosa desitjada i després s’abocarà en motlles per obtenir-ne les peces desitjades.

Si es vol obtenir acer, en la segona fase el ferro colat en estat encara líquid es transporta als convertidors, on s'eliminen part del carboni i impureses fins a obtenir l’acer desitjat.

En un procés, generalment de colada contínua i un tren de laminatge, se s'obtindran diverses formes comercials com: les barres i perfils, xapes, filferros i cables, claus, etc.

2.1. OBTENCIÓ DEL FERRO COLAT: ALT FORN

L'alt forn està format per una estructura d'acer i està recobert per l'interior amb material ceràmic refractari, té una forma de dos troncs de con units amb 30 m d'alçària i 6 m de diàmetre. En la part superior s'introdueixen les matèries i extreuen el gasos, mentre que en l'inferior s'introdueix l'aire calent a pressió (això fa possible la combustió del carbó) i a part es recullen el ferro colat i les escòries.

Matèries primeres:

- Mineral de ferro: Aporta el ferro oxidat que l'obtenim en forma de ferro colat. L'oxigen més el carboni és combinaran en gasos (CO2) que sortiran per la part superior. A part el mineral també aporta impureses formades per sílice que més tard obtindrem ferro en forma d'escòria.

- Carbó de coc: Obtingut amb la destil·lació de l’hulla. Actua com a combustible per obtenir elevades temperatures i aporta el carboni (necessari per a la reducció del ferro).

- Pedra calcària (CaCO3): Combina amb el silici mineral i es forma (CaSio3) principal component de l'escòria. Aquesta escòria és aprofitada per l'indústria d'edificació amb el ciment, formigó i aïllants tèrmics.

Procés d’obtenció: S’introdueixen les primeres matèries per la part superior del forn, tot seguit la combustió del carbó de coc genera altes temperatures gràcies a la injecció d’aire calent a la base del forn. Periòdicament es va extraient el ferro colat i l’escòria per orificis inferiors del forn.

4 zones al forn:

Zona de deshidratació: (400℃) eliminen la humitat convertint-la en vapor d’aigua.

Zona de reducció: (700℃) monòxid de carboni en estat gasós puja pel forn i es combina amb l’oxigen del mineral del ferro per formar diòxid de carboni i ferro reduït. Diòxid de carboni és expulsat per la part superior del forn en forma de gas.

2C + O2-------> 2CO + calor

Fe2O3 + 3CO------> 2Fe + 3CO2

Zona de carburació: (1200℃) carboni i ferro es combinen i formen un aliatge fèrric.

Zona de fusió: (1800℃) fusió del ferro amb el carboni aliat, després s’escola en forma líquida en el fons del forn. Calcària i el sílice es combinen i formen l’escòria que queda damunt del ferro colat.

Ferro colat: És un aliatge de ferro i carboni amb un 4% de carboni, 2% de silici i quantitats menors de fòsfor, sofre i oxigen.