Mineria, Metal·lúrgia i Indústries Metàl·liques: Processos i Materials

Mineria, Metal·lúrgia i Indústries Metàl·liques

Mineria

Extracció del mineral d'un jaciment adequat i la seva preparació, separant la part rica en metall d'altres que l'acompanyen.

Metal·lúrgia

Separació del metall dels altres elements amb els quals es troba combinat químicament.

Indústries Metàl·liques

Elaboració del metall obtingut per a l'obtenció d'articles útils.

Procés

Extracció -> Enriquiment (Mineria) -> Obtenció -> Afinament (Metal·lúrgia) -> Mecanització o Conformació (Indústries).

Minerals

Compostos més comuns:

• Òxids (metall + O)
• Sulfurs (metall + S)
• Carbonats (H + C + M)

Per separar el metall dels elements amb què es combina, cal utilitzar processos a elevades temperatures en els forns adequats.

• Reducció: Combinació amb carbó per reduir l'oxigen.
• Oxidació: Combinació amb l'oxigen. Genera òxid.

Un mineral està format per una part aprofitable i una altra no aprofitable (mena i ganga).

El primer procés s'anomena enriquiment i consisteix a separar aquests dos elements.

Aliatges

Un aliatge és un producte obtingut a partir de la unió de dos o més elements químics (mínim 1 metall) que, un cop format, presenta característiques pròpies d'un metall.

• Metalls purs: Dúctils i alta conductivitat tèrmica.
• Aliats amb altres elements: Augmenten la duresa i baixen la conductivitat.

Els metalls purs tenen un valor fix de temperatura de fusió.

Temperatura de Fusió

La temperatura de fusió dels aliatges no és fixa, depèn de les proporcions de cada aliatge i no té un valor, es representa mitjançant un interval. S'utilitza el diagrama d'equilibri.

• Fase líquida
• Fase sòlid + líquid
• Fase sòlida

Aliatges de Proporcions Eutèctiques

• Mateix punt de fusió tot el material (línia sòlids).
• La temperatura de fusió és la més baixa possible.
• Són ideals per fabricar peces per a emmotllament.

Ferro Pur

És l'aliatge ferro-carboni quan el contingut de C és menor a 0,03%. Té alguna aplicació industrial com les xapes.

Característiques:

• 1539 ºC
• Blanc grisós
• 7,87 g/cm³
• Dúctil i mal·leable
• Bon conductor

Varietats Al·lotròpiques

Diferents estructures cristal·lines en què es pot solidificar un material.

Ferro:

• 1539-1390 ºC: Delta
• 1390-900 ºC: Gamma
• 900-750 ºC: Beta
• 750-0 ºC: Alfa

Acers i Foses

• Acers: Aliats / No aliats
• Foses: Grisa / Blanca
• Grisa: Laminar / Esferoïdal (dúctil) / Modular (mal·leable)

Processos de Conformació

• Forja: Consisteix a situar una massa sòlida del metall calent entre les dues meitats d'un motlle i aplicar-hi esforços de compressió fins que adopta la seva forma (Acer).
• Emmotllament: Consisteix a introduir el metall en fase líquida a l'interior d'un motlle tancat i desemmotllar-lo un cop s'ha solidificat (Fosa).

Impureses

Apareixen en el procés d'elaboració de manera involuntària i provoquen un empitjorament de les propietats. Els acers baixos en continguts de carboni no són aptes per al tremp, però en canvi sí que admeten cementació.

Fosa Grisa

• Laminar (làmines)
• Nodular (raïm)
• Esferoïdal (esferes)

Obtenció de Ferro Colat: Alt Forn

Per obtenir ferro, primer de tot ha de passar un procés de separació de l'oxigen, ja que es troba en forma d'òxid (reducció).

• Part superior: S'introdueixen matèries primeres i s'extreuen gasos.
• Part inferior: S'introdueix aire calent a pressió que fa possible la combustió del carbó.

Matèries Primeres que Intervenen

• Mineral de ferro: Aporta el ferro oxidat que, un cop reduït, obtindrem en forma de ferro colat. Aporta impureses que obtindrem separades en forma d'escòria.
• Carbó de coc: Actua com a combustible per obtenir temperatures elevades.
• Pedra calcària: Sura damunt del ferro i és el principal component de l'escòria. Té una aprofitament en la fabricació de ciment.

Zones dins del Forn

• Deshidratació (400 ºC): El contingut d'humitat s'elimina en forma de vapor.
• Reducció (700 ºC): El diòxid en forma de gas surt amb els fums per la part superior del forn.
• Carburació (1200 ºC): El C es combina amb el ferro formant l'aliatge fèrric.
• Fusió (1800 ºC): Es produeix la fusió del ferro que s'escola en forma líquida en el fons del forn. La combinació de la calcària amb la sílice forma l'escòria.

Els gasos que surten del forn no poden deixar-se lliurement perquè són molt contaminants. Són sotmesos a un procés de depuració, s'utilitzen en intercanviadors de calor. L'elevada temperatura del gas és utilitzada per escalfar aire.

Obtenció de l'Acer

Consisteix a reduir el contingut de carboni.

Instal·lacions

• Convertidors: No hi ha combustió ni escalfament extern i, per tant, cal introduir el ferro en fase líquida.
• Forns: Hi ha aportació externa de calor.

Tipus de Forns

• Convertidor: Forma cilíndrica, troncocònica i material refractari. L'escòria serà aprofitada com a fertilitzant. (Disminuir el contingut de carboni).
• Forn elèctric: Acer refrigerat per un circuit d'aigua i recobert per ceràmica refractària. Permet un control molt precís de la temperatura i permet obtenir acers especials.

Formes Comercials dels Acers

• Colar-los en un motlle i deixar-los refredar.
• Colar-los en uns canals en forma de barra de secció rectangular.

Tractaments Tèrmics

Consisteixen a sotmetre l'acer a uns canvis controlats de temperatura per tal de variar les proporcions dels seus constituents.

• Tremp: Quan es vol aconseguir un acer amb una elevada duresa i resistència mecànica. Consisteix a obtenir un acer format per una gran proporció de martensita.
  • Escalfament de l'acer.
  • Refredament ràpid.
  • Velocitat de refredament: Aigua, olis minerals, plom fos, mercuri, sals foses...
• Revingut (tenacitat): Escalfament a temperatura inferior a 723 ºC i refredament posterior a l'aire (sotmesos a tremp). Disminució de duresa, resistència i límit elàstic.
• Recuita: Es vol disminuir la duresa i incrementar la plasticitat d'un acer per poder-lo deformar i treballar fàcilment. Consisteix en un escalfament a temperatura elevada.
  • Regeneració: Acers amb 0,6% de C.
  • Global supercrítica: Acers aliats i eines.
  • Estovament: Revingut però que no han estat trempats.
  • Contra acritud: Eliminar acritud produïda.
• Normalitzat: Consisteix en l'augment fins a temperatura d'austenització i refredament a l'aire. Eliminar les possibles tensions internes i retornar-los les propietats d'abans de la deformació. Afinament de l'estructura granular. Reducció dels grans d'acer amb la millora de la seva propietat mecànica.