Procés d'Obtenció de Metalls i Aliatges: Guia Completa de Siderúrgia i Tractaments Tèrmics

Procés d'obtenció dels metalls

L'obtenció de metalls implica diverses etapes fonamentals:

• Mineria: Extracció del mineral d'un jaciment adequat i la seva preparació, separant la part rica del metall d'altres que l'acompanyen.
• Metal·lúrgia: Conjunt de processos que porten a l'obtenció dels metalls, separant el 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.

Entre tots els metalls, el ferro i els seus derivats (acer i fosa) han estat els que més importància històrica han obtingut. Per aquest motiu, la branca de la metal·lúrgia que es dedica a la seva obtenció té el nom de siderúrgia, de siderita (mineral del ferro).

També podem obtenir metalls del reciclatge de productes usats (més econòmic).

Minerals

Els metalls es troben als minerals combinats químicament amb altres elements. Alguns exemples són:

• Òxids: metall + oxigen → Hematites
• Sulfurs: metall + sofre → Galena
• Carbonats: metall + carboni + oxigen → Magnesita

Per separar el metall dels altres elements amb què es combina cal utilitzar l'aplicació d'elevades temperatures en forns adequats.

• Reducció: Reacció química on l'element es combina amb l'oxigen per tal d'aïllar el metall.
• Oxidació: Reacció química de combinació amb oxigen que genera un òxid.

El carbó és el més utilitzat per a la reducció de metalls, ja que presenta una gran capacitat de combinació amb l'oxigen i, a més, la combustió aporta l'energia calorífica per elevar la temperatura del forn.

Un mineral està format per una part aprofitable i rica en el metall buscat anomenada mena, i per tant una altra no aprofitable perquè és molt pobra en metall anomenada ganga.

El primer procés que cal aplicar després de l'extracció s'anomena enriquiment i consisteix a separar el màxim possible la mena i la ganga.

Aliatges

Un aliatge és un producte obtingut a partir de la unió de dos o més elements químics, un dels quals és un metall, i que presenta les característiques pròpies d'un metall.

Els elements de l'aliatge modifiquen l'estructura cristal·lina del metall pur, dificultant la mobilitat de les dislocacions. D'aquesta manera, els aliatges presenten una menor plasticitat i un augment de la duresa i resistència mecànica, i varia la temperatura de fusió. D'altra banda, la modificació de l'estructura interna dificulta la mobilitat dels electrons lliures de l'enllaç metàl·lic i disminueix així la conductivitat (tèrmica i elèctrica).

Alguns exemples d'aliatges comuns són:

• Acer: Fe + C
• Llautó: Cu + Zn
• Bronze: Cu + Sn
• Cuproníquel: Cu + Ni
• Alpaca: Cu + Ni + Zn
• Invar: Fe + Ni

Solidificació dels aliatges

Els metalls purs tenen un valor fix de temperatura de fusió: quan es refreda un metall pur i passa de líquid a sòlid, la temperatura es manté constant mentre va solidificant-lo; un cop solidificat, la temperatura torna a disminuir.

La temperatura de fusió dels aliatges, en canvi, no és fixa: depèn de les proporcions de cada element d'aliatge i es representa en un interval.

Els aliatges de proporcions eutèctiques se solidifiquen a una temperatura constant. La temperatura de solidificació és la més baixa de totes les possibles amb els components que formen la mescla. És més baixa que la més baixa dels elements purs que formen l'aliatge. Són mescles finíssimes i íntimes de cristalls purs dels elements d'aliatge i són ideals per a l'emmotllament.

Productes metal·lúrgics

• Fèrrics:
  • Ferros
  • Acers (no aliats i aliats)
  • Foses
• No fèrrics:
  • Purs (coure, alumini, plom, estany, Zn)
  • Aliatges (Llautons, bronzes, aliatges lleugers d'alumini, aliatges ultralleugers de magnesi, aliatges de titani i níquel)

Aliatges del ferro

El ferro pur és un element químic que no té gaires aplicacions industrials. Les seves propietats són:

• Punt de fusió (PF): 1539 °C
• Color: blanc grisenc
• Densitat: 7,87 g/cm³
• Propietats: dúctil i mal·leable, bon conductor elèctric i magnetitzable.

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 la fabricació de xapes i nuclis de transformadors elèctrics.

Solidificació del ferro

Segons com es distribueixen els àtoms d'un metall quan es troba en estat sòlid, donen lloc a diferents estructures de la seva xarxa cristal·lina i, per tant, materials amb diferents propietats.

Les varietats al·lotròpiques són les diferents estructures cristal·lines en què es pot solidificar un metall:

• Varietat delta: Als 1539 °C, la temperatura es manté constant mentre tota la massa passa a la fase sòlida.
• Varietat Gamma: La temperatura continua baixant lentament fins que als 1390 °C es torna a mantenir constant mentre tota la massa canvia la seva estructura cristal·lina.
• Varietat Beta: Continua després el descens de temperatura fins als 900 °C i la temperatura es manté constant fins a canviar l'estructura.
• Varietat Alfa: Hi ha un descens de temperatura fins als 750 °C, l'estructura torna a canviar i s'obté alfa, la qual es conserva fins que s'arriba a temperatura ambient.

Aliatges Ferro-Carboni

En els aliatges de ferro amb carboni, el ferro pot trobar-se en una de les seves formes al·lotròpiques i el carboni pot adoptar diverses formes: carboni pur, carbur de ferro, grafit, etc. Les diferents combinacions de factors, la velocitat de refredament en el procés de solidificació i la proporció total de carboni de l'aliatge donen lloc al que s'anomenen constituents dels aliatges ferro-carboni:

• Ferrita: Ferro alfa
• Cementita: Carbur de ferro
• Perlita: 86% ferrita, 13% cementita
• Austenita: Ferro gamma
• Martensita: Ferro alfa

Productes siderúrgics: acers i foses

Els aliatges de ferro amb carboni es classifiquen principalment en:

• Acers (no aliats al carboni, aliats)
• Foses (blanca, grisa - laminar, esferoïdal, dúctil, nodular, mal·leable)

Es consideren acers els aliatges de ferro amb contingut de carboni comprès entre 0,1% i 1,76%, i es consideren foses quan el contingut de carboni oscil·la entre 1,76% i 6,67% i, a més, contenen silici. A la pràctica, el contingut de carboni de les foses oscil·la entre el 3% i el 4,5%.

Processos de conformació

• Forja: Procés que serveix per a donar forma als metalls i que consisteix a situar una massa sòlida de metall calent entre les dues meitats d'un motlle o matriu i aplicar-hi esforços de compressió fins que adopta la seva forma.
• Emmotllament: Consisteix a introduir el metall en la fase líquida a l'interior d'un motlle tancat i desemmotllar-lo un cop solidificat.

En general, es pot dir que l'acer és forjable i fon a temperatures elevades (>1400 °C). En canvi, la fosa no és forjable, fon a temperatures més baixes (<1130 °C) i es pot emmotllar molt bé.

Els acers amb més baix contingut en carboni no són aptes per a tractaments tèrmics com el tremp, però sí que admeten la cementació. Són barats i fàcils de soldar i de mecanitzar amb eines de tall.

Els acers amb continguts mitjà i alt de carboni són molt adequats per als tractaments tèrmics i per a aquelles aplicacions que requereixen molta resistència mecànica.

Les foses contenen el carboni en forma de carbur de ferro (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
• Nodular
• Esferoïdal

Siderúrgia: processos d'obtenció del ferro colat i de l'acer

L'obtenció de l'acer i les foses és un procés que consta de dues fases.

La primera comença amb l'obtenció del ferro colat a l'alt forn. El ferro colat conté un alt contingut de carboni i impureses, com el sofre o el fòsfor, que cal eliminar.

Per això, en una segona fase:

• Si el que es vol és obtenir foses, el ferro colat de l'alt forn es porta a uns altres forns, com ara els de cubilot, on s'afina fins a obtenir la fosa desitjada. Després s'abocarà en motlles per obtenir les peces desitjades.
• En canvi, si es vol obtenir acer, en la segona fase el ferro colat en estat encara líquid es porta als convertidors on s'eliminen part del carboni i les impureses. Després de processos com el laminatge, se n'obtindran diverses formes comercials.

Obtenció del ferro colat: l'alt forn

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 metres de diàmetre màxim. Per la part inferior s'introdueix aire calent a pressió que fa possible la combustió del carbó i es recullen el ferro colat i les escòries.

Matèries primeres de l'alt forn

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 la forma de ferro colat. L'oxigen del mineral es combina amb el carboni i sortirà per la part superior del forn en forma de diòxid de carboni. El mineral també aporta impureses formades per sílice que obtindrem separades del ferro en forma d'escòria.
• Carbó de coc: El carbó de coc 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. El carbó de coc actua com a combustible per obtenir elevades temperatures i aporta el carboni necessari per a la reducció.
• Pedra calcària: Es combina amb el silici del mineral i forma el compost CaSiO₃, que és el principal component de l'escòria. Aquest compost sura damunt el 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.

Procés d'obtenció en l'alt forn

El procés d'obtenció consisteix en la introducció de les matèries primeres en capes successives per la boca superior del forn. La combustió del carbó de coc per la generació d'altes temperatures s'aconsegueix gràcies a la injecció d'aire calent a la base del forn. Periòdicament, s'extreuen el ferro colat per un orifici en la part inferior del forn i l'escòria per un altre orifici més elevat que l'anterior.

Dins del forn es distingeixen 4 zones:

• Zona de deshidratació: Aprox. 400 °C. El contingut d'humitat que puguin tenir les matèries primeres s'eliminarà en forma de vapor d'aigua.
• Zona de reducció: Aprox. 700 °C. El monòxid de carboni en forma de gas, produït per la combustió del carbó de coc, puja pel forn i es combina amb l'oxigen del mineral, formant diòxid de carboni i ferro reduït. 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 que s'escola en forma líquida en el fons del forn. La combinació de la calcària amb el sílice del mineral forma l'escòria que queda surant damunt del ferro colat.

Els gasos que surten del forn amb un alt contingut de pols no poden deixar-se escapar lliurement a l'atmosfera perquè són molt contaminants. Són sotmesos a un procés de depuració que n'extreu la pols i a un posterior aprofitament energètic en unes instal·lacions anomenades intercanviadors de calor: l'elevada temperatura dels gasos és utilitzada per escalfar l'aire que posteriorment s'injectarà a l'alt forn.

El ferro colat a l'alt forn és un aliatge de ferro i carboni amb un contingut del 4% de carboni, el 2% de silici i quantitats menors de fòsfor, sofre i oxigen.

Obtenció de l'acer

Per obtenir acer a partir de ferro colat hi ha dues instal·lacions diferents:

Convertidor d'oxigen

És un recipient 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. 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:

• El carboni del ferro colat es combina amb l'oxigen en una reacció que desprèn calor.
• El silici es combina amb l'oxigen i posteriorment l'òxid de silici es combina amb el calç i forma part de l'escòria.
• El fòsfor es combina amb l'oxigen i posteriorment amb el calç per formar part de l'escòria.

Amb la calor produïda en les dues primeres reaccions s'aconsegueix mantenir tota la massa en fase líquida sense necessitat d'una font de calor externa. El procés es pot anar regulant segons l'aspecte de les mostres que es van obtenint. Un cop l'acer té les proporcions de carboni, silici i fòsfor desitjades, es cola en uns motlles o recipients adequats. L'escòria que roman al convertidor serà extreta posteriorment i aprofitada com a fertilitzant dels camps de conreu, especialment per la seva riquesa en fòsfor.

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 electrodes de grafit als quals se'ls aplica un fort corrent elèctric trifàsic.

Dins del forn s'introdueix el ferro colat, la ferralla oxidada i el calç. Com el ferro colat i la ferralla són conductors, reben les descàrregues elèctriques en forma d'arcs voltaics des dels electrodes, amb la qual cosa n'augmenta la temperatura.

Un cop tenim la composició de l'acer dins els marges desitjats, es cola, bé en motlles o recipients adequats, o bé directament en una instal·lació especial anomenada colada contínua per a la seva transformació posterior en productes semielaborats. El forn elèctric permet un control molt precís de la temperatura i de la composició de l'acer.

Tractaments Tèrmics

Els tractaments tèrmics consisteixen a sotmetre l'acer a uns canvis controlats de temperatura per tal de variar les proporcions dels seus constituents.

Els tractaments tèrmics més utilitzats són el tremp, el revingut, la recuita i el normalitzat. Per aplicar aquests tractaments, hi ha dos valors de temperatura molt importants: la temperatura AC1, o aquella a la qual comença a aparèixer el constituent austenita, i la temperatura AC3, o aquella a la qual tota la massa d'acer s'ha transformat en austenita. El valor d'AC1 és de 723 °C en tots els casos, però el valor d'AC3 varia segons la proporció de carboni que contingui l'acer.

El tremp

S'aplica el 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. Com que la martensita s'obté per refredament ràpid de l'austenita, el tractament consisteix en:

1. 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 baixa.
2. Refredament ràpid per assegurar que tota l'austenita es transforma en martensita. Per aconseguir el tremp de la peça cal refredar-la a una velocitat lleugerament superior a la mínima. En alguns casos, però, es poden produir deformacions o esquerdes per aplicació de velocitats de refredament excessives.

Per aconseguir les diferents velocitats de refredament s'utilitzen diferents mitjans de refredament on se submergeixen les peces que cal tractar:

• Aigua
• Olis minerals
• Plom fos
• Mercuri
• Sals foses
• Aire a temperatura ambient

Aporta fragilitat i duresa alhora.

Revingut

Consisteix en un escalfament a la temperatura inferior als 723 °C i un refredament posterior a l'aire. D'aquesta manera s'aconsegueix incrementar la tenacitat i reduir les tensions de l'acer trempat. Això sí, a costa d'una disminució de la duresa, de la resistència mecànica i del límit elàstic.

La recuita

La recuita s'utilitza quan es vol disminuir la duresa i incrementar la plasticitat d'un acer per poder-lo deformar i treballar fàcilment. En general, consisteix en un escalfament a temperatura elevada i un refredament lent.

Segons la temperatura màxima de tractament i la velocitat de refredament, es distingeixen diferents tipus de recuita:

1. Recuita de Regeneració: Per a acers amb un contingut de carboni >0,6%.
2. Recuita globular supercrítica: Per a acers aliats per a eines. La temperatura màxima és superior a la formació d'austenita.
3. Recuita d'estovament: És un tractament idèntic al revingut, però que s'aplica a peces que no han estat prèviament trempades.
4. Recuita contra acritud: Per eliminar l'acritud produïda en els processos de conformació en fred.

Normalitzat

Consisteix en un escalfament fins a la temperatura d'austenització i un refredament a l'aire (a velocitat més lenta que el tremp, però més ràpida que la recuita).