Buscar articles

lunes, 12 de abril de 2010

Índex

1-El procés metal·lúrgic.

-Els minerals.

-Aliatges.

-Solidificació dels aliatges

-Els productes metal·lurgics.

-El ferro i els seus aliatges.

-La solidificació del ferro

-Els aliatges ferro-carboni

-Els productes siderúrgics: acers i foses.

2-Siderúrgia: processos d’obtenció del ferro i de l’acer.

-Obtenció del ferro colat: l’alt forn.

-Obtenció de l’acer.

-El convertidor d'oxigen

-El forn elèctric

3-Formes comercials dels acers.

4-Tractaments tèrmics.

-El Tremp.

-El revingut.

-La recuita.

-El normalitzat.

1. El procés metal•lúrgic

De tots els materials utilitzats per l’ésser humà, uns dels més importants per al desenvolupament tecnològic han estat els metalls. La seva obtenció no ha estat mai un procés fàcil. Per poder obtenir els metalls, cal seguir un procés similar al següent:
• Mineria: extracció del mineral d’un jaciment adequat i la seva preparació, separant la part rica en metall d’altres que l’acomanyen.
• Metal•lúrgia: separació del metall dels altres elements amb els quals es troba combinat químicament.
• Indústries metàliques: elaboració del metall obtingut per a l’obtenció d’articles útils.

El conjunt de processos que porten a l’obtenció dels metalls es coneix amb el nom de metal•lúrgia. Actualment, també es poden obtenir metalls a partir del reciclatge de productes usats.

1.1 Els minerals

Els compostos més comuns que formen combinant els minerals químicament són: òxids, sulfurs i carbonats.
Per separar el ferro dels altres elements calen processos químics aplicats amb temperaturas elevades. Antigament ja es combinava el carboni amb els metalls per ls facilitat amb que es combinava amb l’oxigen.
Un mineral es forma per una part aprofitable del metall que es busca, anomenada “mena” i per parts no aprofitables ja que no aporta metall valorable que té de nom “ganga”.
El primer porcés després de l’extracció és l’enriquiment i consisteix en la màxima possible separació d’aquests dos components. No sempre és economicamet aprofitable la separació d’aquest metall. La quantitat de metall en un mineral es representa en tant per cent.

1.2. Aliatges


Els metalls es caracteritzen per tenir una elevada conductivitat ( tant elèctrica com tèrmica), una gran resistencia mecanica, ser opacs, lluents i fondre’s a temperaturas elevades. No obstant això, poques vegades es fan servir en estat pur i s’utilitzen aliatges, que 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.
Els diferents aliatges es distingeixen pels components que els formen i s’identifiquen per la seva composició. Alguns aliatges també reben noms propis.



Solidificació dels aliatges.

Els metalls purs tenen un valor fix de temperatura de fusió. Mentre es solidifica el metall la temperatura és constant i quan s’ha solidificat completament disminueix de forma constant..
No obstant aixó, la temperatura dels aliatges no és fixa, depén de les proporcions del metall en aquests.














• 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 diagrames d’equilibri presenten un mínim a la línia de líquids. Haches valor mínim sempre coincideix amb la línia de sòlids. La proporció que correspon a haches punté s molt important i s’anomena proporció eutèctica. Paral•lelament el punt s’anomena punt eutèctic i la temperatura que li correspon es coneix també per temperatura eutèctica.
Els aliatges de proporcions autèctiques són importants :
- Temperatura de solidificació constant.
- Temperatura de solidificació o fusió més baixa de totes les posibles, es a dir, és més baixa que la més baixa dels components que formen l’aliatge.
- Són mescles finíssimes i íntimes de cristalls purs dels components de l’aliatge.


1.3. Els productes metal•lúrgics

Actualment la indústria desposa d’una gran varietat de productes metal•lúrgics amb propietats molt diverses. De tots aquests mateials, que poden se metalls purs o aliatges, els més utilitzats són els que es mencionen a la taula.














El ferro i els seus aliatges.
Anomenem ferro a una gran varietat d’aliatges , pero en realitat el ferro pur no té aplicacions industrials ja que té les següents propietats:
- punt de fussió 1539 ºC.
- Color: blanc grisós.
- Densitat:7.87 g/cm3.
- Propietats mecàniques: dúctil i mal•leable
- Altres propietats: magnetitzabilitat i electroconductivitat.
[ferro pur = ferro-carboni amb un 0.’03% de carboni].

La solidificació del ferro.
Les varietats al.lotròpiques són, les propietats que tnen uns materials en funció de la seva distribució d’àtoms, aquestes propietats es representen mitjançant les quatre primeres lletres de l’alfabet grec.
Fonent una massa de ferro observem el procés següent:
- Als 1539 ºC la temperatura es manté constant (varietat delta).
- La temperatura baixa fins els 1390 ºC, es manté un altre cop constatn mentre canvia la seva estructura cristal•lina (varietat gamma).
- Continua el descens de temperatura fins els 900 ºC, es manté constant mentre la seva massa canvia (varietat beta).
- Atre descens de temperatura fins els 750 ºC, es manté constant mentre que la seva estructura torna a canviar (varietat alfa).






Segons la velocitat a la que refredem al ferro i en la temperatura en que es trobi en aquell moment podem obtenir el ferro alfa, beta, gamma o delta, refredant a partir de l’intertval de temperaturas corresponent.







Els aliatges ferro-carboni

Les diferents combinacions dels factors, juntament amb 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.
Es coneixen fins a onze constituents diferents, dels quals els més importants són:

Els aliatges fèrrics no són, en general, totalment homogenis. Solen contenir els consituents en diferents proporcions, cosa que provoca una gran variabilitat de les seves propietats.

1.4. Els productes siderúrgics: acers i foses

El ferro és útil quan s’alia amb el carboni i dona lloc a acers i foses.
[Són acers els aliatges de ferro amb carboni quan el contingut d’aquest oscil•la entre 0’1 i 1’76% i foses amb un contingut de carboni antre el 3 i el 4’5%].
Per donar forma als metalls es fan servir diversos procediments:
- Forja: massa sòlida de metall entre dues meitats de motlle i aplicant un esforç de compressió fins que adopta la seva forma.
- Emmotllament: Intruducció d’un metall en fase líquida a l’interior d’un motlle tancat i desmontar-lo un cop sòlid.

En general, es pot dir que l’hacer és forjable i fon a temperaturas elevades (>1400ºC). En canvi, la fosa no es forjable, fon a temperaturas més baixes (>1130ºC) i es pot emotllar molt bé perquè té molta facilitat per adaptar-se a les formes complicades d’un motlle quan s’introduieix en fase liquida.







A més de carboni els aliatjes de ferro poden contenir altre elements químics en diferents proporcions. Els elements d’aliatge s’afegeixen voluntariament per millorar les propietats de l’aliatge. Uns altres elements químics apareixen involuntariament durant el proces d’obtenció i provoquen un empijorament de les propietats en aquest cas s’anomenen impureses.
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
• Esferoïdal: en forma d’esferes

La fosa grisa nodular també es coneix com a fosa mal•leable i la gris esferoidal per fosa dúctil: Els diversos tipus de foses presente diferents propietats i aplicacions.



2. Siderúrgia: processos d'abtenció del ferro colat i de l'acer

El ferro és després de l’alumini, el metall més abundant a l’escorça terrestre. Es troba en els minerals formant diferents compostos químics:

Com que el ferro es troba en el mineral en forma oxidada, en el procés d’obtenció del ferro haurem de separar l’oxigen del metall. Aquesta operació s’anomena reducció del metall. El principal element reductor en siderúrgia és el carboni.

L’obtenció de l’acer i les foses és un procés que consta de dues fases. La primera comença amb la seva obtenció i la segona amb les seves respectives separacions.













2.1 Obtenció del ferro colat: l’alt forn

L’alt forn està format per una estructura d’acer recoberta interiorment per material ceràmic refractari. Per la part superior s’introdueixen les matèries primeres i s’extreuen els gasos. 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.

Les matèries primeres que intervenen en l’alt forn són:

-Mineral de ferro: aporta el ferro oxidat que, un cop reduït, obtindrem en forma de ferro colat

-Carbó de coc: actua com a combustible per obtenir elevades temperatures i aporta el carboni necessari per a la reducció del ferro.

-Pedra calcària: es combina amb el silici del mineral i forma el compost CaSiO3, que és el principal component de l’escòria.

El procés d’obtenció consisteix en la introducció de les matèries primeres per la boca superior del forn. Periòdicament es va extraient el ferro colat per un orifici i l’escòria per un altre.

Dins del forn es distingeixen 4 zones per on van passant les matèries primeres:

-Zona de deshidratació (aprox 400ºC): el contingut d’humitat que puguin tenir les matèries primeres s’elimina en forma de vapor d’aigua.

-Zona de reducció (aprox 700ºC): el monòxid de carboni en forma de gas produït per la combustió puja pel forn i es combina amb l’oxigen del mineral per formar diòxid de carboni i ferro reduït.

-Zona de carburació (aprox 1200ºC): el carboni es combina amb el ferro formant l’aliatge fèrric.

-Zona de fusió (aprox 1800ºC): es produeix la fusió del ferro que s’escola en forma líquida en el fons del forn.

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.

Aquest producte s’ha de sotmetre a una segona transformació abans de ser utilitzat industrialment.

2.2 Obtenció de l’acer

Per obtenir acer cal descarburar el ferro colat, de l’alt forn. També conté moltes impureses que el fan més fràgil i mal·leable.

Per fer això es necessiten dues instal·lacions:

- Convertidor. S’introdueix el ferro colat líquid ja que no hi ha un escalfament extern.

- Forns. Hi ha un escalfament externa amb l’ajuda de la combustió d’un gas o per la producció d’un arc voltaic.

El convertidor d’oxigen

Recipient cilíndric i tronc cònic revestit interiorment per ceràmica refractària i obert per la part superior.

El procés és el següent:

- Primerament, s’introdueix ferro colat líquid, ferralla i calç i s’injecta oxigen a pressió.

- Els canvis dins el convertidor disminueixen el contingut de carboni i les impureses del ferro colat.

- El ferro colat es combina amb l’oxigen i desprèn calor.

- El silici es combina amb l’oxigen i després aquesta combinació amb la calç per formar l’escòria.

- El fòsfor combinat amb l’oxigen i després amb la calç dona lloc també a l’escòria.

Amb el calor que es produeix, els materials es mantenen líquids durant tot el procés. Durant aquest procés es poden regular el materials per obtenir el tipus d’acer que es vol. Un cop tenim l’acer com es vol, es cola ens uns motlles o recipients.












Tota l’escòria que es forma s’extreu i s’utilitza per fertilitzar els camps de conreu.

[escòria = part sobrant de materials]

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.

Dins del forn s’introdueix el ferro colat, la ferralla oxidada i la calç. Un cop tenim la composició de l’acer dins dels marges desitjats, es cola, bé en motlles o recipients adequats, 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.




3. Formes comercials dels acers

Quan surten dels convertidors o dels forns, els acers es troben en fase líquida. Per ser comercialitzats cal solidificar-los amb la forma adequada. Per a fer-ho hi han dos procediments:

-Colar-los en un motlle y deixar-los refredar. D’aquesta manera s’obté un lingot al qual es donarà nova forma mes tard.

-Colar-los en uns Canals per on els donen forma de barra de secció rectangular mentre circulen directament fins a la secció de laminatge (Colada continua). No es deixen refredar totalment per això el laminatge posterior es fa en calent.

Actualment el primer procediment esta en desús. El segon procés estalvia energia ja que no cal escalfar l’acer dos cops.

Les característiques dels productes siderúrgics estan normalitzades, hi ha organismes internacionals que fixen les característiques d’aquests productes i els donen una denominació per distingir-los .
















Un exemple es la fabricació dels perfils estructurals I d'ales inclinades anomenats IPN



















Les indicacions següents serveixen per interpretar la informació subministrada pel fabricant:

-Densitat lineal: La massa que te el perfil per unitat de llargaria
-Secció del perfil: La superfície de tall transversal
-Superfície lineal: La superfície total exterior per cada unitat de llargaria
-Superfície màssica: La superfície total exterior per cada tona de massa

4. Tractaments tèrmics

L’ importància de l’acer en el món de la indústria està justificada ja que és un material que ens proporciona una gran varietat de propietats amb el mateix material. Una gran part d’aquestes propietats es deguda als tractaments tèrmics

[Tractaments tèrmics – Tractament en que es sotmet l’acer a uns canvis controlats de temperatura].

Hi ha Quatre tipus de tractaments tèrmics:

4.1 El Tremp

[S’utilitza per aconseguir acer amb una elevada duresa i resistència mecànica, duu una gran proporció de martensita].

El tractament consisteix en:

- Escalfar l’acer dins que es transforma en austenita.

- Refredament ràpid perquè tota la austenita es transformi en martensita.

Segons la velocitat de refredament es fan servir diversos mitjans: aigua, olis minerals, plom fos, mercuri, sals foses o aire a temperatura ambient.

4.2 El Revingut

[Escalfament a temperatures inferiors als 723 ºC i un refredament posterior a l’aire].

S’augmenta la tenacitat i es disminueixen les tensions internes de l’acer trempat, però es redueixen la duresa, resistència mecànica i el límit elàstic.

4.3 La Recuita

Es diferencien quatre tipus de recuita segons la temperatura màxima a la que ha estat sotmesa i la velocitat de refredament:

- Regeneració. Contingut del carboni del 0’6%.

- Globular supercrítica. Acers aliats i eines. Temperatura màxima superior a la de formació d’austenita.

- Estovament. Igual al revingut pero aplicat a peces no trempades prèviament. Per fer acers aliats de gran resistència.

- Contra acritud. Serveix per eliminar l’acritud que es produeix en els processos de refredament.

[Serveix per disminuir la duresa i augmentar la plasticitat. Consisteix en escalfar a temperatura elevada i refredar lentament].

4.4 El Normalitzat

[Es basa en escalfar l’acer fins la temperatura d’austenització i un refredament a l’aire].

Tractament que només s’aplica als acers amb un baix contingut de carboni (0’15 i 0’5%) després de ser sotmesos a deformacions en fred o calent. Serveix per suprimir tensions internes creades per la deformació i retornar les propietats d’abans de deformar-lo.

També serveix per reduir la grandària dels grans de l’acer millorant les seves propietats mecàniques.

Videos sobre metalls

Grup de documentals que expliquen la historia de la humanitat lligada amb els metalls. En els vídeos sens explica la historia de cada metall y es fa un resum de la seva extracció i manipulació entre altre informació. Els vídeos mes destacables que es relacionen mes directament amb el tema son el de l'acer y el del ferro

Los metales:
-El cobre
-El bronce
-El hierro
-El acero
-El oro
-El aluminio

domingo, 11 de abril de 2010

Preguntes amb resposta

1. Que es la metal•lúrgia?

El conjunt de processos que porten a l'obtenció dels metalls.

2. Un aliatge és producte obtingut a partir de la unió de...

a) ...tres o més elements purs, i com a mínim dos han de ser un metall
b) ...diferents tipus de carbó
c) ...dos o més elements químics, i com a mínim un ha de ser un metall
d) ...dos superherois, un de Marvel i l'altre de Manga
Solució: c)

3. Característiques del ferro pur:

a) color blanc grisós, densitat sobre 7,87 kg/cm3 i dificilment manejable
b) punt de fusió sobre els 1500ºC, dúctil i mal•leable
c) color negre, densitat sobre 78,7 g/cm3 i bon conductor elèctric
d) conté carboni, fàcilment magnetitzable i el punt de fusió està sobre els 1800ºC
Solució: b)

4. Quina diferència hi ha entre acers i foses?

Les foses tenen un percentatge més alt de carboni que els acers.

5.Quines son les matèries primeres que intervenen en l’alt forn?

a) Mineral de ferro, Carbó de coc, Pedra calcaria
b) Mineral de ferro, Carbó mineral, Pedra calcaria
c) Mineral de ferro, Carbó vegetal, Gas natural
d) Mineral d’acer, Carbó de coc, Pedra calcaria
Solució: a)

6. Explica breument com s'obté el ferro colat a través de l'alt forn i digues les matèries primeres que s'utilitzen.

Per la part superior de l'alt forn s'introdueixen les matèries primeres i s'extreuen els gasos. 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.
Les matèries primeres que intervenen són el mineral de ferro, el carbó de coc i la pedra calcària.

7. En quins minerals es troba ferro mes abundantment, anomena'n tres.

Òxids, carbonats i Sulfurs

8. Explica els dos procediments que es necessiten per comercialitzar l'acer quan surt del convertidor o forn.

- Cal colar els acers que es troben en forma líquida en un motlle i deixar-los refredar

- Colar els acers en uns canals per on els donen forma de barra de secció rectangular mentre circulen directament fins a la secció de laminatge. Com que no es deixen refredar totalment, el laminatge posterior es fa en calent

9. Per a que s’utilitza tractament tèrmic del tremp?

S’utilitza per aconseguir acer amb una elevada duresa i resistència mecànica

10. Quina es la finalitat de la recuita?

La recuita s’utilitza per disminuir la duresa i augmentar la plasticitat de l’acer.