Metal·lúrgia i siderúrgia

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