Metal·lúrgia i siderúrgia

1. El procés metal·lúrgic

Els metalls no es troben en estat pur a la natura, sinó formant compostos. Per exemple, el ferro es troba combinat formant hidròxids, carbonats o sulfurs. Els principals minerals dels quals forma part el ferro són la magnetita, la siderita, la limonita i la pirita.

El procés metal·lúrgic normalment té els següents passos:

a) Extracció del mineral d’un jaciment.

b) Separació i neteja per aconseguir la part del mineral rica en el metall desitjat (mena).

c) Processos metal·lúrgics en sí, que són les reaccions químiques per obtenir el metall pur a partir dels compostos en què es troba al mineral.

d) Afinat, en què el metall pur se sotmet a tractaments i aliatges per obtenir ja el metall d’us industrial.

e) Mecanització o conformació per obtenir les peces que calgui.

Els principals metalls que es fan servir en els processos industrials són:

a) Acers i foses

b) Acers aliats (per exemple l’acer inoxidable)

c) Alumini i els seus aliatges (per exemple el duralumini)

d) Coure

Actualment també es consideren molt importants els processos de reciclatge dels metalls, com és el cas del ferro dels vehicles, el coure dels cables elèctrics vells i tubs, o l’or dels circuits electrònics.

2. Aliatges

Els metalls purs són sovint millorats fent ús dels aliatges. Un aliatge és la unió de dos o més metalls per millorar-ne determinades propietats. Els aliatges fèrrics més importants són:

Nom	Composició
Acer	Ferro + carboni, amb un percentatge en Carboni que està entre el 0,1 i el 1,76%. Millora molt la resistència del ferro. El ferro pur no té aplicacions industrials significatives. L'acer és l'aliatge més utilitzat.
Fosa	Ferro + carboni amb un percentatge en Carboni que està entre el 1,76 i el 6,67%. Per estructures i carcasses de màquines.
Acer inoxidable	Acer + Níquel + Crom. Els percentatges canvien segons el tipus d’acer inoxidable i el seu ús. És típic per a usos alimentaris i clínics.

3. Obtenció del ferro colat a l'alt forn

El ferro de la 1a fosa s’obté en una instal·lació industrial anomenada alt forn.

L’alt forn

És una estructura formada per dos troncs de con amb la part central més ampla, anomenada ventre. Està construït de material refractari per aguantar les elevades temperatures que s'assoleixen (1800^oC).

Les matèries primeres que s'aboquen a l’alt forn són:

- Mineral de ferro. És la matèria primera que aporta el ferro.

- Carbó de coc. El carbó normal no agafa prou temperatura pel procés de reducció química que es necessita, per tant s'utilitza carbó de coc per elevar la temperatura dins l'alt forn.

- Pedra calcària. El carbonat càlcic que aporta es combina amb el silici de les impureses del mineral i es transforma en silicat càlcic. Aquest compost, anomenat escòria, té menys densitat que el ferro i queda surant a sobre.

Alt forn. Els materials entren per la part superior. A mida que ferro, carbó de coc i calç van baixant, augmenta la seva temperatura. Per la part inferior s’obté la fosa i l'escòria.

Per cada tona de mena (mineral ric en ferro) que entra, s’utilitzen aproximadament mitja tona de carbó de coc i un quart de tona de “fundent” (roca calcària), i s'obté mitja tona d'una massa metàl·lica fosa anomenada “ferro colat” i mitja tona d’escòria, a més dels gasos volàtils (gasos d’alt forn). Aquest gasos s'utilitzen per preescalfar l'aire que entra a la part baixa del forn per a la reacció de combustió del carbó de coc.

El ferro colat obtingut en un alt forn és un aliatge de ferro (Fe) amb un contingut que sol anar del 4 a 4,5% de carboni (C), el 2% de silici (Si) i fòsfor (P) i sofre (S) en menors quantitats. Caldrà afinar-lo per a obtenir acers o foses.

En el forn hi ha diferents zones, amb diferents temperatures: zona de deshidratació (400ºC), zona de reducció (700ºC), zona de carburació (1200ºC) i zona de fusió (1800ºC), tal com podem veure en el següent dibuix.

Alt forn. Zones i temperatures.

Les reaccions químiques que hi tenen lloc són:

- La reacció entre el carbó de coc i l'oxigen, que es fa en dos passos:

2C + O₂ --> 2 CO

CO + O₂ --> CO₂

- La reacció de reducció del ferro:

Fe₂O₃+ 3CO --> 2Fe + 3 CO₂

4. Obtenció de l’acer

L’acer és el material més utilitzat a la indústria. Per a obtenir acer cal treure carboni del ferro colat obtingut a l’alt forn. La descarburació consisteix en reduir el contingut de carboni fins a un percentatge inferior a l’1,76%. Cal també treure el fòsfor i el sofre per evitar els efectes negatius que té la seva presencia, ja que redueixen notablement les propietats mecàniques.

Aquest procés químic es denomina afinat del ferro i es pot fer en convertidors o forns. Els més utilitzats són el convertidor d’oxigen o LD i el forn elèctric.

Convertidor d’oxigen o convertidor LD

Convertidor d’oxigen o LD

És un recipient on s'aboca el ferro colat (Fe+C+Si+P) en estat líquid, s'afegeix ferralla (ferro rovellat) i calç (Ca), i es baixa una llança que injecta oxigen. L’oxigen de la ferralla es combina amb el carboni formant diòxid de carboni (CO2), i amb el silici formant diòxid de silici (SiO2). La calç es combina amb el diòxid de silici (SiO2) formant silicat càlcic (CaSiO3) i amb el fòsfor obtenint fosfat càlcic (Ca3(PO4)2). El fosfat càlcic i el silicat càlcic formen l’escòria, que té menys densitat que el ferro i sura sobre ell. Al final del procés es buida l'escòria per decantació, i després l'acer.

Forn elèctric

Esquema del forn elèctric	És un recipient amb tres elèctrodes de corrent altern trifàsic. Dins el forn es posa el ferro colat, la calç i la ferralla. Quan es fa passar el corrent pels elèctrodes salta un arc voltaic amb el ferro que aporta el calor necessari per a la reacció. Una vegada afinat el ferro, es poden afegir altres metalls per a obtenir diferents aliatges, pel que el forn elèctric actualment és molt utilitzat.
Carrega del forn elèctric	Elèctrodes del forn elèctric

5. Tractaments tèrmics de l’acer

Les característiques mecàniques dels acers depenen de la seva estructura cristal·lina, de la seva composició i del tractament tèrmic a que hagin estats sotmesos.

Propietats mecàniques de l’acer

Entre les característiques que es poden millorar amb els tractaments tèrmics dels acers, destaquem:

• Resistència al desgast. És la que ofereix un material a deixar-se erosionar quan està en contacte per fricció amb un altre material.

• Tenacitat. És la capacitat que té d'absorbir energia d'un cop sense produir fissures.

• Maquinabilitat . Facilitat que té un material per a ser mecanitzat amb torn, fresadora, o altres màquines-eina.

• Duresa. Resistència a ser ratllat o penetrat.

L'acer és un aliatge ferro-carboni, que també pot contenir altres metalls que li milloren algunes propietats mecàniques. Els principals metalls que es fan servir per millorar les propietats de l'acer són: crom, tungstè, manganès, níquel, vanadi, cobalt, molibdè i coure.

Tipus de tractaments tèrmics de l'acer

Tots ells es basen en escalfar i refredar el metall a temperatures i velocitats determinades. Amb els tractaments adequats es poden reduir les tensions internes, augmentar la duresa superficial, augmentar la tenacitat i millorar la maquinabilitat. La clau dels tractaments consisteix en les reaccions que es produeixen durant el procés d'escalfament i refredament amb pautes de temps i temperatures molt estrictes.

Els tractaments tèrmics són imprescindibles a la industria. Destaquem els següents tipus:

• Tremp. La seva finalitat és augmentar la duresa, sobretot la superficial, i la resistència de l'acer. El procés consisteix en escalfar-lo fins a una temperatura propera a la crítica superior (entre 900 i 950 ⁰C), i refredar-lo ràpidament amb aigua, oli o sals foses.

• Revingut. S'aplica als acers que han estat sotmesos al tremp, per disminuir les tensions internes que es produeixen degut al ràpid refredament. Li disminueix una mica la duresa i la resistència però al rebaixar-li les tensions internes, també augmenta la seva tenacitat, impedint que es trenqui fàcilment i deixant un acer amb la duresa i resistència buscada. El revingut es fa mantenint la peça al forn unes quantes hores a una temperatura inferior als 600 ⁰C.

• Recuit. Consisteix en escalfar l'acer fins a unes temperatures entre 800 a 925 ⁰C durant un determinat temps i deixar després que es refredi lentament al forn. Amb aquest tractament l'acer millora molt la seva elasticitat per poder-lo deformar i treballar fàcilment, mentre disminueix la seva duresa i resistència.
  

• Normalitzat. Té per objecte deixar un material en estat normal, és a dir, sense tensions internes i amb una distribució homogènia. Se sol utilitzar com a tractament previ al tremp, o bé per treure tensions després d'haver estat deformat. S'escalfa l'acer fins a uns 800 o 900ºC i es deixa refredar a l'aire.