Please enable JavaScript.

Coggle requires JavaScript to display documents.

Metal·lúrgia i siderúrgia - Coggle Diagram

- - - - Un mineral està format per una part aprofitable i rica en el metall buscat, anomenada mena, i per una altra de no aprofitable perquè és molt pobra en metall, anomenada ganga.
      - La reacció de processos químics amb aplicació d'elevades temperatures en forns adequats es coneix amb el nom de reducció i és contrària a l'oxidació (combinació amb l'oxigen) que genera un òxid.
    - - Un aliatge és un producte obtingut a partir de la unió de dos o més elements químics (com a mínim un dels dos ha de ser un metall) i que, un cop format, presenta les característiques pròpies d'un metall.
        
        A. Solidificació dels aliatges
        Els metalls purs tenen un valor fix de temperatura de fusió: quan es refreda un metall pur i passa de la fase líquida a la fase sòlida, la temperatura es manté constant mentre va solidificant-lo.
        
        Àrea de fase líquida: per damunt de la línia de líquid, l'aliatge sempre es trobarà en fase líquida.
        
        Àrea de fase líquida + sòlida: per a qualsevol punt situat en aquesta àrea, l'aliatge sempre contindrà una part de la massa en fase sòlida i l'altra part en fase líquida.
        
        Àrea de fase sòlida: per sota de la línia de sòlid, l'aliatge sempre es trobarà en fase sòlida.
        
        Els aliatges de proporcions eutèctiques són molt importants perquè:
        
        Se solidifiquen a una temperatura constant (en lloc de fer-ho en un interval).
        
        És la temperatura més baixa que la més baixa dels elements purs que formen l'aliatge. Per exemple, a la gràfica de la figura podem observar que l'aliatge de composició eutèctica de cadmi i bismut es fon a uns 140 °C, mentre que les temperatures de fusió dels dos elements en estat pur són de 271 °C per al bismut i de 321 °C per al cadmi.
        
        Són mescles finíssimes i íntimes de cristalls purs dels elements d'aliatge i són ideals per fabricar peces per a emmotllament perquè omplen millor els motlles i donen peces més homogènies.
    - - Actualment, la indústria disposa d'una gran varietat de productes metal·lúrgics amb propietats molt diverses. De tots aquests materials, que poden ser metalls purs o aliatges, els més utilitzats són els que es mencionen a la taula.
    - - Industrialment, s'anomena ferro pur l'aliatge ferro-carboni quan el contingut d'aquest últim és inferior al 0,03 %. Aquest material té alguna aplicació industrial que aprofita les seves propietats magnètiques, com ara la fabricació de xapes per a nuclis de transformadors elèctrics.
        
        A. La solidificació del ferro
        
        Si fonem una massa de ferro pur fins a aconseguir que es trobi en fase líquida, i la deixem refredar molt lentament, podrem observar el procés següent:
        
        Als 1539 ºC la temperatura es manté constant mentre tota la massa passa a la fase sòlida. L'estructura del ferro sòlid, a partir d'aquest moment, correspon a la varietat delta (𝛅).
        
        La temperatura continua baixant lentament fins que als 1390 ºC es torna a mantenir constant mentre tota la massa canvia la seva estructura cristal·lina i passa a la varietat gamma (𝛄).
        
        Continua després el descens de temperatura fins a arribar als 900 ºC. Aquesta temperatura es manté constant mentre la massa canvia a la varietat beta (𝛃).
        
        Finalment, hi ha un descens de temperatura fins als 750 ºC, quan l'estructura torna a canviar i s'obté la varietat alfa (𝛂), la qual es conserva fins que s'arriba a la temperatura ambient.
        
        B. Els aliatges ferro-carboni
        
        En els aliatges de ferro amb carboni, el ferro pot trobar-se en alguna de les seves quatre formes al·lotròpiques (α, β, γ o δ) i el carboni pot adoptar diverses formes: carboni pur, carbur de ferro (Fe3C), grafit, etc.
        
        Al diagrama es poden apreciar diferents zones:
        
        Líquid: a la zona superior tota la massa es troba en la fase líquida.
        
        Líquid + austenita: part de la massa es troba en fase líquida i part en fase sòlida en forma d'austenita.
        
        Líquid + cementita: part de la massa es troba en fase líquida i part en fase sòlida en forma de cementita.
        
        La resta de zones: tota la massa es troba en fase sòlida en formes diferents segons s'indica al diagrama.
  - - - es foses contenen el carboni en forma de carbur de ferro, Fe3C (fosa blanca) o en forma de grafit (fosa grisa). Segons quina sigui la forma del grafit quan s'observa al microscopi, la fosa grisa pot ser:
        
        Laminar: en forma de làmines.
        
        Nodular: en forma de ram o de raïm.
        
        Esferoidal: en forma d'esferes.
- - - - L'alt forn està format per una estructura d'acer recoberta interiorment per material ceràmic refractari. Té forma de dos troncs de con units per la part més ampla, amb uns 30 m d'alçària i uns 6 m de diàmetre màxim.
        
        Les matèries primeres que intervenen en l'alt forn són el mineral de ferro concentrat, el carbó de coc i la pedra calcària.
        
        Mineral de ferro: aporta el ferro oxidat que, un cop reduït, obtindrem en forma de ferro colat. L'oxigen del mineral es combinarà amb el carboni i sortirà per la part superior del forn en forma de diòxid de carboni (CO2) gasós. El mineral també aporta impureses formades per sílice, que obtindrem separades del ferro en forma d'escòria.
        
        Carbó de coc: el carbó vegetal no té prou poder calorífic per aconseguir les altes temperatures necessàries per obtenir ferro líquid. Per aquest motiu s'utilitza el carbó de coc obtingut a partir de la destil·lació de l'hulla (un tipus de carbó mineral). El carbó de coc actua com a combustible per obtenir elevades temperatures i aporta el carboni necessari per a la reducció del ferro.
        
        Pedra calcària (CaCO3): es combina amb el silici del mineral i forma el compost CaSiO3, que és el principal component de l'escòria. Aquest compost sura damunt del ferro fos perquè té una densitat inferior. L'escòria extreta de l'alt forn té un aprofitament posterior en la fabricació de ciment, de formigó i d'aïllants tèrmics en la indústria de l'edificació.
        
        Dins del forn es distingeixen quatre zones per on van passant successivament les matèries primeres des de la boca superior fins al fons del forn o solera:
        
        Zona de deshidratació (aprox. 400 °C): el contingut d'humitat que puguin tenir les matèries primeres s'elimina en forma de vapor d'aigua.
        
        Zona de reducció (aprox. 700 °C): el monòxid de carboni (CO) en forma de gas produït per la combustió del carbó de coc, segons la reacció:
        
        2C(sòlid) + O2(gas) → 2CO(gas) + calor
        
        puja pel forn i es combina amb l'oxigen del mineral per formar diòxid de carboni i ferro reduït:
        
        Fe2O3(sòlid) + 3CO(gas) → 2Fe(sòlid) + 3CO2(gas)
        
        El diòxid de carboni, en forma de gas, surt amb els fums per la part superior del forn.
        
        Zona de carburació (aprox. 1200 °C): el carboni es combina amb el ferro formant l'aliatge fèrric.
        
        Zona de fusió (aprox. 1800 °C): es produeix la fusió del ferro (aliat amb el carboni) que s'escola en forma líquida (ferro colat) en el fons del forn. La combinació de la calcària amb la sílice del mineral forma l'escòria.
        
        El ferro colat obtingut a l'alt forn és un aliatge de ferro i carboni amb un contingut aproximat del 4 % de carboni, el 2 % de silici i quantitats menors de fòsfor, sofre i oxigen.
    - - Als convertidors no hi ha combustió ni escalfament extern i, per tant, cal introduir el ferro colat en fase líquida. En canvi, en els forns hi ha una aportació externa de calor, ja sigui per la combustió d'un gas (Martin-Siemens), que aconsegueix una temperatura entre 1600 i 1700 °C,
        
        A. El convertidor d'oxigen
        
        És un recipient d'acer de forma cilíndrica i de tronc cònic a la part superior, amb un revestiment interior de ceràmica refractària i obert amb una boca de càrrega per la part superior.
        
        El procés comença amb la càrrega del convertidor amb ferro colat en fase líquida, ferralla i calç (CaO). Tot seguit s'introdueix una llança (refrigerada per un circuit d'aigua) que injecta oxigen pur a pressió damunt el líquid.
        
        Els canvis que es produeixen en el convertidor fan disminuir el contingut de carboni i la proporció d'impureses del ferro colat.
        
        B. El forn elèctric
        
        Consisteix en un recipient d'acer refrigerat externament per un circuit d'aigua i recobert internament per ceràmica refractària. Aquest recipient es tanca amb una coberta que disposa de tres elèctrodes de grafit als quals els és aplicat un fort corrent elèctric trifàsic.
- - - - Com que la martensita s'obté per refredament ràpid de l'austenita, el tractament consisteix en:
        
        Escalfament de l'acer fins que tota la massa es transformi en austenita. Segons el tant per cent de carboni, la temperatura a què cal arribar serà més alta o més baixa. (Vegeu el diagrama ferro-carboni.)
        
        Refredament ràpid per assegurar que tota l'austenita es transforma en martensita.
  - - - Segons la temperatura màxima del tractament i la velocitat del refredament es distingeixen diferents tipus de recuita:
        
        Recuita de regeneració: per a acers amb un contingut de carboni > 0,6 %.
        
        Recuita globular supercrítica: per a acers aliats i per a eines. La temperatura màxima és superior a la de formació d'austenita.
        
        Recuita d'estovament: és un tractament idèntic al revingut però que s'aplica a peces que no han estat prèviament trempades. S'utilitza per a acers aliats de gran resistència, ja que si se'ls aplica una recuita de regeneració no es podria evitar el tremp de la peça en el refredament.
        
        Recuita contra acritud: per eliminar l'acritud produïda en els processos de conformació en fred.