UD 07. METAL·LÚRGIA I SIDERÚRGIA ●
●
Introducció –
Objectius Didàctics
–
Abans de començar...
Continguts –
El procés metal·lúrgic ●
Els minerals
●
Aliatges
●
El ferro i els seus aliatges
●
Els productes siderúrgics: acers i foses
UD 07. METAL·LÚRGIA I SIDERÚRGIA ●
Continguts (II) –
Siderúrgia: obtenció de ferro colat i acer ● ●
– –
Obtenció del ferro colat: l'alt forn Obtenció de l'acer
Formes comercials dels acers Tractaments tèrmics ● ●
El tremp El revingut
UD 07. METAL·LÚRGIA I SIDERÚRGIA ●
Objectius Didàctics –
Diferenciar metal·lúrgia i siderúrgia
–
Conèixer i entendre el procés siderúrgic en totes les seves parts
–
Entendre el procés de fusió d'una barreja binària de metalls
–
Conèixer els productes siderúrgics i el seu procés d'obtenció
UD 07. METAL·LÚRGIA I SIDERÚRGIA ●
Objectius Didàctics (II) –
Conèixer les diferents formes de comercialització dels productes siderúrgics, tot parant atenció a la Normalització
–
Entendre el mecanisme i la funció dels diferents tractaments tèrmics
UD 07. METAL·LÚRGIA I SIDERÚRGIA ●
Abans de començar... –
–
Recordem el significat de les propietats...? ●
Resistència a la tracció?
●
Duresa
●
Tenacitat i resiliència
●
Conductivitat (tèrmica i elèctrica)?
Com calcular percentatges de mescles? ●
I quantitats originals a partir de dades de components?
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Els metalls: cabdals pel desenvolupament humà
●
Obtenció de metalls: procés difícil –
Mineria: extracció i enriquiment ●
–
Metal·lúrgia: separació del metall ●
–
Separem part rica del metall d'altres
Es troba combinat químicament amb altres metalls
Indústries metàl·liques ●
Treballen el metall i obtenen articles útils
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Metal·lúrgia –
Conjunt de processos que porten a l'obtenció de metalls ●
El ferro i els seus derivats: molt importants –
●
Tenen nom ad-hoc: Siderúrgia
Actualment: obtenció de metalls mitjançant reciclatge –
Sovint més econòmic que mineria
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Els minerals –
–
Metalls: combinats químicament amb altres elements ●
Òxids → Metall + oxigen → Fe2O3 (Hematites)
●
Sulfurs → Metall + sofre → PbS (Galena)
●
Carbonats → Metall + carboni + oxigen → MgCO3 (Magnesita)
Per tal de separar el metall d'altres elements ●
●
●
Processos químics amb T elevades Cal un element que es combini amb el que volem separar del metall Exemple: reducció (el volem separar del oxigen)
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Els minerals (II) –
Per tal de separar el metall d'altres elements (II) ●
–
També tenim parts del mineral que no conté el metall ●
Mena: Part aprofitable i rica en el metall
●
Ganga: Part molt pobra en metall, no aprofitable
●
–
2 ZnO + C + calor → 2 Zn + CO2
Primer procés: enriquiment; separar el màxim aquestes dues parts
Riquesa del mineral: en % del metall pur de les seves menes ●
No del mineral total
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Aliatges –
Producte obtingut de dos o més elements químics
–
Com a mínim un d'ells és un metall
–
Un cop format té característiques pròpies d'un metall
–
En general és com fem servir els metalls ●
●
–
Metalls: gran conductivitat (tèrmica, elèctrica), resistència mecànica, fonen a alta T Amb els aliatges millorem propietats
Els metalls purs: plasticitat ●
Les capes de la seva estructura poden lliscar entre sí –
És la deformació plàstica
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Aliatges (II) –
Els metalls purs: plasticitat (II) ●
A la indústria: han de suportar grans esforços
●
Necessitem que siguin durs i resistents – –
●
Ho podem fer amb energia mecànica: escalfant-lo i colpejant-lo També formant aliatges
Els aliatges modifiquen l'estructura cristal·lina – – –
Menys mobilitat de les capes Menor plasticitat: més resistència mecànica i més duresa Però: pitjor conductivitat (tèrmica i elèctrica). Electrons menys lliures
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Aliatges (III) –
Els metalls purs: plasticitat (III) ●
Alguns exemples: – – –
●
●
Fe + (0,1 a 1,76%) C: Acer Cu + Zn: Llautó Cu + Sn: Bronze
Metalls purs: dúctils i bons conductors Aliatges: pitjors conductors, sol augmentar la duresa, varia T de fusió i de vegades s'incrementa la fragilitat
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Aliatges (IV) –
Solidificació dels aliatges ●
Metalls purs: T fusió fixa –
●
Mentre passa de sòlid a líquid: T constant
Aliatges: T fusió dependent de proporcions, tenim interval de T de fusió – –
–
Es treballa amb el digrama d'equilibri Per a cada valor de T tenim una determinada proporció dels components de la mescla Tenim tres àrees diferents, com veurem tot seguit
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Aliatges (V). Solidificació dels aliatges (II)
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Aliatges (VI). Solidificació dels aliatges (III)
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Aliatges (VII). Solidificació dels aliatges (IV)
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Aliatges (VIII). Solidificació dels aliatges (V)
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Aliatges (IX). Solidificació dels aliatges (VI)
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Aliatges (X). Solidificació dels aliatges (VII)
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Aliatges (XI). Solidificació dels aliatges (VIII)
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Aliatges (XII). Solidificació dels aliatges (IX)
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Aliatges (XIII) –
Solidificació dels aliatges (X)
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Aliatges (XIV) –
Solidificació dels aliatges (XI) ●
●
Els punts que estan a l'estat líquid o sòlid (100%) són de fàcil lectura Quan tenim barreja líquid i sòlid – – –
Línia horitzontal cap a la dreta: composició del sòlid Línia horitzontal cap a l'esquerra: composició del líquid Longitud dels braços: percentatge líquid vs sòlid ● Exemples gràfics
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Aliatges (XV) –
Solidificació dels aliatges (XII) ●
●
●
Tenim aliatges amb gràfics diferents de l'anterior Components totalment solubles en estat líquid i insolubles en estat sòlid Presenten mínim a la línia de líquids – – – –
Sempre coincideix amb la línia de sòlids És la proporció eutèctica El punt: punt eutèctic La Temperatura: Temperatura eutèctica ● Ho veiem al gràfic següent
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Aliatges (XVI). Solidificació dels aliatges (XIII)
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Aliatges (XVII). Solidificació dels aliatges (XIV)
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Aliatges (XVIII). Solidificació dels aliatges (XV)
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Aliatges (XIX). Solidificació dels aliatges (XVI)
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Aliatges (XX) –
Solidificació
–
dels aliatges (XVII)
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Aliatges (XXI) –
Solidificació dels aliatges (XVIII) ●
Propietats dels aliatges de proporcions eutèctiques – –
–
Solidifiquen a T constant (no a un interval) La T de fusió és la més baixa de totes les possibles amb els components que formen la mescla ● De fet és més baixa que la dels components purs ● Cd i Bi: Eutèctic: 140C. 271C i 321C pel Bi i Cd respectivament Són mescles finíssimes i íntimes de cristalls purs ● Ideals per a fabricar peces per emmotllament ● Omplen perfectament els motlles
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Els productes metal·lúrgics –
Fèrrics ●
Ferros
●
Acers –
●
–
No aliats (al C) i Aliats
Foses
No fèrrics ●
●
Purs: Cu, Al, Pb, Sn, Zn, Ni, Cr Aliatges: Llautons, bronzes, aliatges lleugers (base Al), ultralleugers (base Mg) i altres (base Ti i Ni)
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
El Ferro i els seus aliatges –
En general emprem aquest nom amb diferents espècies ●
●
Ferro pur, acer, fosa, ferro colat Realment: ferro pur és un element químic sense gaire aplicació industrial –
–
Fusió: 1539C, color: blanc grisós, densitat: 7,87 g/cm3, dúctil i mal·leable, bon conductor elèctric i magnetitzable
Industrialment anomenem ferro pur ●
Aliatge Fe-C –
●
Concentració C inferior al 0,03%
Té alguna aplicació industrial (pel seu magnetisme) –
Xapes per nuclis de transformadors elèctrics
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
El Ferro i els seus aliatges (II) –
La solidificació del ferro ●
Varietats al·lotròpiques
●
T>1539C: líquid
●
T=1539C. Punt de fusió – –
Varietat delta (δ) -Fins a 1390C
●
T=1390. Canvi
●
d'estructura cristal·lina – –
T = ct Passa a varietat γ
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
El Ferro i els seus aliatges (III) –
La solidificació del ferro (II) ●
Continuem baixant fins a 900C –
●
Aquesta estructura és estable fins als 750C –
– ●
Tornem a tenir canvi d'estructura cristal·lina ● T = ct mentre passem a estructura β Últim canvi d'estructura ● Ara tindrem la varietat al·lotròpica α Es conserva fins arribar a la Temperatura ambient
Si volem conservar formes al·lotròpiques β, γ o δ – –
Refredament ràpid des de l'interval de T on és estable fins T ambient Diferents propietats magnètiques, i de solubilitat del C
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
El Ferro i els seus aliatges (IV) –
Els aliatges ferro-carboni ●
El Fe pot estar en una de les quatre formes al·lotròpiques
●
El C pot també intervenir-hi en diferents formes: –
●
C pur, Fe3C (carbur de ferro), grafit...
Combinant aquests factors, la velocitat de refredament i el percentatge de C: –
Constituents dels aliatges ferro-carboni (fins a 13). Diferents propietats ● Ferrita ● Cementita ● Perlita ● Austenita ● Martensita
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
El Ferro i els seus aliatges (V) –
Els aliatges ferro-carboni (II)
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Els productes siderúrgics: acers i foses –
Acer: aliatge de Fe amb contingut en C entre 0,1 i 1.76%
–
Foses: Contingut en C entre 1,76 i 6,67%
–
●
A més: contenen Si
●
En general el contingut en C oscil·la entre 3 i 4,5%
Per donar forma als metalls ●
Forja: massa sòlida calent dins motlle o matriu i esforç mecànic
●
Emmotllament: metall líquid dins motlle tancat – –
Obrim quan ha solidificat En general: acer forjable i fon a T altes (>1400C). La fosa es pot emmotllar i fon a T més baixes (T>1130C)
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Els productes siderúrgics: acers i foses (II) –
A més de C: hi poden contenir altres elements ●
Alguns de forma voluntària: Cr, V, Ni – –
●
D'altres involuntàriament: Sb, As, Sn H, O – –
–
Milloren les propietats Són els elements d'aliatge Empitjoren les propietats S'anomenen impureses
Segons contingut en C, classifiquem propietats ●
Duresa (↑), resistència (↑), ductilitat (↓), tenacitat (↓)
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Els productes siderúrgics: acers i foses (III) –
Acers amb baix contingut en C ●
No aptes pel tremp
●
Sí per la cementació –
●
–
Augment de C superficial i T (dos materials en un)
Barats, fàcils de soldar i mecanitzar (torn, fresa, trepant)
Acers amb continguts alts i mitjà en C ●
Adequats per tractaments tèrmics
●
Aplicacions que requereixen alta resistència mecànica
UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC ●
Els productes siderúrgics: acers i foses (IV) –
Classificació de les foses ●
Fosa blanca: C en forma de Fe3C –
●
Fosa grisa: C grafit. Segons forma del grafit – – –
–
Fràgil i dura. No mecanitzable, no dúctil Laminar: en forma de làmines Nodular: en forma de ram o raïm. També anomenada mal·leable Esferoïdal: en forma d'esferes. També anomenada dúctil ● És l'altre extrem: resistent, més dúctil, proper a l'acer
Tenen diferents propietats (i aplicacions)
UD 07. SIDERÚRGIA ●
Obtenim el ferro colat i l'acer
●
Fe: metall més abundant (després de l'Al) –
El trobem combinat ●
Òxids: Hematites (Fe2O3) i Magnetita (Fe3O4)
●
Carbonats: Siderita (FeCO3)
●
Sulfurs: Pirita (FeS2)
–
També barrejat amb altres elements (Si) que cal eliminar
–
En general: amb oxigen, cal reduir ●
Amb C (molta afinitat per l'oxigen)
UD 07. SIDERÚRGIA ●
Procés d'obtenció d'acer i foses: dues fases –
Obtenció del ferro colat a l'alt forn ●
–
Alt contingut en C i impureses (S o P)
La segona fase depèn del producte final ●
Foses: en forns o afinem –
●
Després s'aboca en motlles per obtenir la forma desitjada
Acer: el Fe colar líquid es porta als convertidors – –
Eliminem part del C i impureses Posteriorment: procés per obtenir formes comercials ● Generalment procés de colada contínua
UD 07. SIDERÚRGIA ●
Obtenció del Fe colat: Alt Forn –
Estructura d'acer amb refractant intern (ceràmic) ●
Part superior: hi introduïm MMPP i n'extraiem els gasos
●
Part inferior: aire calent a pressió –
–
Recollim ferro colat i escòries
Matèries primeres emprades ●
Mineral de ferro – – –
Aporta ferro oxidat (un cop reduït l'obtindrem en forma de ferro colat) L'oxigen es combina amb C i surt en forma de CO2 També aporta impureses (Si)
UD 07. SIDERÚRGIA ●
Obtenció del Fe colat: Alt Forn (II) –
Matèries primeres emprades (II) ●
Carbó de coc – –
●
Pedra calcària (CaCO3) –
–
Poder calorífic suficient (destil·lació de l'hulla) Aporta el C necessari per a la reducció Es combina amb el Si i forma CaSiO3 ● Principal component de l'escòria ● Sura per damunt del ferro fos (ρ inferior) ● S'aprofita: fabricació de ciment, formigó i aïllants tèrmics
Es treballa en discontinu (per batch)
UD 07. SIDERÚRGIA ●
Obtenció del Fe colat: Alt Forn (III) –
Zones del forn ●
Zona de deshidratació (uns 400C) –
●
Zona de reducció (uns 700C) – –
– ●
Eliminem contingut d'aigua (vapor d'aigua) El CO format per la combustió del coc puja pel forn Es combina amb l'oxigen del ferro (forma CO2), Surt per la part superior del forn Per tant hem reduït el Fe
Zona de carburació (uns 1200C) –
El C es combina amb el Fe: aliatge fèrric)
UD 07. SIDERÚRGIA ●
Obtenció del Fe colat: Alt Forn (IV) –
Zones del forn (II) ●
Zona de fusió (una 1800C) – – –
–
Gasos del forn: alt contingut en pols (contaminant) ●
Depuració: extracció de la pols i aprofitament energètic –
–
Fusionem el Fe aliat amb el C S'escola en forma líquid en el fons del forn La combinació de la calcària amb el Si del mineral: sura per damunt
Bescanviadors de calor ● Escalfem l'aire que injectarem al forn
Fe colar obtingut: Aliatge Fe-C (4%C, 2% Si) i P, S i O ●
Necessita d'una segunda transformació (acer o fosa)
UD 07. SIDERÚRGIA ●
Obtenció de l'acer –
El primer que s'ha de fer és descarburar el Fe colat ●
–
–
És a dir, rebaixar el contingut de C
També s'han d'eliminar les impureses ●
P: dóna fragilitat
●
S: redueix la seva mal·leabilitat
Mètodes més emprats: convertidor s'oxigen i forn elèctric ●
Convertidors: ni combustió ni escalfament extern –
●
El Fe s'introdueix en forma líquida
Forn: aportació externa de calor –
Amb gas o arc voltàic
UD 07. SIDERÚRGIA ●
Obtenció de l'acer (II) –
El convertidor d'oxigen ●
Cilíndric i tronc cònic a al part superior
●
Revestiment intern: ceràmic
●
Part superior: oberta (zona de càrrega)
●
Procés: – – – – –
Càrrega amb el ferro colat en forma líquida, ferralla i calç (CaO) Introduïm llança (refrigerada) que injecta O2 pur Aquest oxigen es combina amb el C i forma CO2 + calor Si + O2 → SiO2 + calor // SiO2 + CaO → CaSiO3 P4 + 5O2 → P4O10 // P4O10 + 6CaO → 2Ca3(PO4)2
UD 07. SIDERÚRGIA ●
Obtenció de l'acer (III) –
El convertidor d'oxigen (II) ●
Calor produïda a les dues reaccions –
●
El procés es va regulant – –
●
Mantenim la fase líquida sense aportar-hi energia Afegint les diferents MMPP o oxigen Depèn de les mostres obtingudes
Quan tenim la composició desitjada – –
Es cola en motlles Escòria: extreta posteriorment i aprofitada per a conreu ● Especialment pel P
UD 07. SIDERÚRGIA ●
Obtenció de l'acer (IV) –
El forn elèctric ●
●
Recipient d'acer refrigerat externament, interior amb ceràmica (refractària) i té elèctrodes de grafit: apliquem V Procés –
– – –
–
Introduïm Fe colat (líquid per estalviar energia), ferralla oxidada (aporta oxigen) i la calç (per formar escòria) Fe colat i ferralla: conductors: reben descàrregues de l'arc (T↑) Hi podem afegir elements per a formar els aliatges desitjats Quan composició és OK: el colem (motlles o recipients) ● O bé: a colada contínua (instal·lació especial). Semielaborats Forn: permet control de T i de composició ● Podem obtenir acers especials (fonem Mb i W) Tf elevades
UD 07. FORMES COMERCIALS DELS ACERS ●
En sortir de convertidors o forns: forma líquida –
Cal solidificar-los i donar-los una forma adequada
–
Tenim dos procediments de solidificació ●
Colar-los en motlle i deixar refredar –
●
Obtenim lingot: li donarem forma posteriorment
Colar-los per canals on els donem secció rectangular mentre circulen a la secció de laminatge – – –
Colada contínua Laminatge: en calent (no es refreden del tot) És el més emprat (estalvi energètic i procés compacte)
UD 07. FORMES COMERCIALS DELS ACERS ●
Característiques: normalitzades –
Organismes internacionals que fixen les característiques ●
Exemple: Forma I d'ales inclinades – – – – – –
Designació: IPN Inclinació: 14% Dimensions: DIN 1025-1:1963 Toleràncies: EN 10024:1995 Superfície: EN 10163-3:1991 Segons número: IPN80; diferents propietats
UD 07. FORMES COMERCIALS DELS ACERS ●
Característiques: normalitzades (II) –
Alguns paràmetres ●
G (Kg/m): densitat lineal –
●
A (mm2): secció del perfil –
●
Superfície del tall transversal
AL (m2/m): superfície lineal –
●
Massa del perfil per unitat de llargària
Superfície total exterior per unitat de llargària
AG (m2/Tm): Superfície màssica –
Superfície total exterior per tona de massa
UD 07. TRACTAMENTS TÈRMICS ●
●
Acers: varietat de productes partint del mateix material –
Acers mal·leables per xapes
–
Inoxidables per ambients humits
–
Magnètics per a aplicacions electrotècniques
Gran part d'aquesta variabilitat: deguda a processos tèrmics ●
Sotmetem l'acer a canvis controlats de T –
●
Escalfaments i refredaments successius
Variem les proporcions dels seus constituents
UD 07. TRACTAMENTS TÈRMICS ●
●
Tractament tèrmics més emprats –
Tremp
–
Revingut
–
Recuita
–
Revingut
Valors de T importants –
AC1: comença a aparèixer l'austenita
–
AC3: tota la massa d'acer és austenita ●
AC1: constant; AC3 depèn del %C
UD 07. TRACTAMENTS TÈRMICS ●
Tremp –
S'aconsegueix acer de duresa i resistència mecànica elevada ●
–
Acer amb gran proporció de martensita
El procés és el següent ●
Escalfem el Ferro fins a tenir Austenita – – –
–
Segons el %C tindrem una T necessària diferent Refredem ràpid: tenim martensita amb alt %C T de refredament: depèn de cada tipus d'acer ● Emprem diferents mètodes: aigua, olis minerals, Pb fos, Hg...
Martensita formada: aporta fragilitat ( a més de duresa) ●
De vegades interessa endurir només la superfície
UD 07. TRACTAMENTS TÈRMICS ●
Revingut –
Augmentem la tenacitat ●
–
S'alica a acers que han estat trempats
Escalfem a T<723C (no formem austenita) i refredament posterior amb aire ●
Incrementem tenacitat i reduïm tensions internes – –
Conseqüència del refredament ràpid Peó: disminució de la duresa, resistència mecànica i límit elàstic
UD 07. TRACTAMENTS TÈRMICS ●
La recuita –
Tenim diferents tipus segons Tmàx i velocitat de refredament ●
De regeneració. Per a acers amb %C> 0,6%
●
Globular supercrítica – –
●
D'estovament – – –
●
Per a acers aliats i per a eines Tmàx superior a la de la formació de l'austenita Com revingut però a peces no trempades Aplicat a acers aliats de gran resistència Si fem de regeneració: no podem evitar el tremp en refredar
Contra acritud –
Dels processos de conformació en fred (↑: duresa, fragilitat i resistència)
UD 07. TRACTAMENTS TÈRMICS ●
La recuita (II) –
●
Emprada si volem: ●
Disminuir duresa i incrementar plasticitat d'un acer
●
Volem deformar-lo i treballar-lo fàcilment
●
En general: escalfament a T elevada i refredament lent
El normalitzat –
Escalfament fins a T d'austenització i refredament a l'aire ●
●
Velocitat més lenta que tremp però més ràpida que recuita Aplicat a acers amb baix %C (0,15-0,5%) després que han estat deformats en fred o calent → Eliminem tensions internes – –
També: afinem l'estructura granular (reduïm grandària de grans d'acer) Millora de propietats mecàniques
UD 07. TRACTAMENTS TÈRMICS
GRÀFICS T-T: TREMP, REVINGUT, RECUITA I NORMALITZAT