Tema 7 Metal·lúrgia i Siderúrgia

UD 07. METAL·LÚRGIA I SIDERÚRGIAUD 07. METAL·LÚRGIA I SIDERÚRGIA

● Introducció

Objectius Didàctics– Objectius Didàctics

– Abans de començar...

● Continguts

– El procés metal·lúrgic

● Els minerals● Els minerals

● Aliatges

● El ferro i els seus aliatges

● Els productes siderúrgics: acers i foses


● Continguts (II)

Siderúrgia: obtenció de ferro colat i acer– 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 tremp

● El revingut


● Objectius Didàctics

Diferenciar metal·lúrgia i siderúrgia– 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 – Conèixer els productes siderúrgics i el seu procés d'obtenció


● Objectius Didàctics (II)

Conèixer les diferents formes de comercialització dels – 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


● Abans de començar...

Recordem el significat de les propietats...?– Recordem el significat de les propietats...?

● Resistència a la tracció?

● Duresa

● Tenacitat i resiliència

● Conductivitat (tèrmica i elèctrica)?

Com calcular percentatges de mescles?– Com calcular percentatges de mescles?

● I quantitats originals a partir de dades de components?

UD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGICUD 07. EL PROCÉS METAL·LÚRGIC

● Els metalls: cabdals pel desenvolupament humà

Obtenció de metalls: procés difícil● Obtenció de metalls: procés difícil

– Mineria: extracció i enriquiment

● Separem part rica del metall d'altres

– Metal·lúrgia: separació del metall

● Es troba combinat químicament amb altres metallsEs troba combinat químicament amb altres metalls

– Indústries metàl·liques

● Treballen el metall i obtenen articles útils


● Metal·lúrgia

Conjunt de processos que porten a l'obtenció de – 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 reciclatgereciclatge

– Sovint més econòmic que mineria


● Els minerals

Metalls: combinats químicament amb altres elements– 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● 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)


● Els minerals (II)

Per tal de separar el metall d'altres elements (II)– Per tal de separar el metall d'altres elements (II)

● 2 ZnO + C + calor → 2 Zn + CO2

– 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

Primer procés: enriquiment; separar el màxim aquestes dues ● Primer procés: enriquiment; separar el màxim aquestes dues parts

– Riquesa del mineral: en % del metall pur de les seves menes

● No del mineral total


● Aliatges

– Producte obtingut de dos o més elements químics– 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 Tmecànica, 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


● Aliatges (II)

– Els metalls purs: plasticitat (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– Menys mobilitat de les capes

– Menor plasticitat: més resistència mecànica i més duresa

– Però: pitjor conductivitat (tèrmica i elèctrica). Electrons menys lliures


● Aliatges (III)

– Els metalls purs: plasticitat (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 ● Aliatges: pitjors conductors, sol augmentar la duresa, varia T de fusió i de vegades s'incrementa la fragilitat


● Aliatges (IV)

Solidificació dels aliatges– 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


● Aliatges (V). Solidificació dels aliatges (II)


● Aliatges (VI). Solidificació dels aliatges (III)


● Aliatges (VII). Solidificació dels aliatges (IV)


● Aliatges (VIII). Solidificació dels aliatges (V)


● Aliatges (IX). Solidificació dels aliatges (VI)


● Aliatges (X). Solidificació dels aliatges (VII)


● Aliatges (XI). Solidificació dels aliatges (VIII)


● Aliatges (XII). Solidificació dels aliatges (IX)


● Aliatges (XIII)

Solidificació dels aliatges (X)– Solidificació dels aliatges (X)


● Aliatges (XIV)

Solidificació dels aliatges (XI)– 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


● Aliatges (XV)

Solidificació dels aliatges (XII)– 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– Sempre coincideix amb la línia de sòlids

– És la proporció eutèctica

– El punt: punt eutèctic

– La Temperatura: Temperatura eutèctica

● Ho veiem al gràfic següent


● Aliatges (XVI). Solidificació dels aliatges (XIII)


● Aliatges (XVII). Solidificació dels aliatges (XIV)


● Aliatges (XVIII). Solidificació dels aliatges (XV)


● Aliatges (XIX). Solidificació dels aliatges (XVI)


● Aliatges (XX)

Solidificació– Solidificació

– dels aliatges (XVII)


● Aliatges (XXI)

Solidificació dels aliatges (XVIII)– 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● 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


● Els productes metal·lúrgics

Fèrrics– Fèrrics

● Ferros

● Acers

– No aliats (al C) i Aliats

● Foses

– No fèrrics– 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)


● El Ferro i els seus aliatges

– En general emprem aquest nom amb diferents espècies– 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– 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


● El Ferro i els seus aliatges (II)

– La solidificació del ferro– 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


● El Ferro i els seus aliatges (III)

– La solidificació del ferro (II)– La solidificació del ferro (II)

● Continuem baixant fins a 900C

– Tornem a tenir canvi d'estructura cristal·lina

● T = ct mentre passem a estructura β

● Aquesta estructura és estable fins als 750C

– Últim canvi d'estructura

Ara tindrem la varietat al·lotròpica α● 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


● El Ferro i els seus aliatges (IV)

– Els aliatges ferro-carboni– 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


● El Ferro i els seus aliatges (V)

– Els aliatges ferro-carboni (II)– Els aliatges ferro-carboni (II)


● Els productes siderúrgics: acers i foses

Acer: aliatge de Fe amb contingut en C entre 0,1 i 1.76%– 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)


● Els productes siderúrgics: acers i foses (II)

A més de C: hi poden contenir altres elements– A més de C: hi poden contenir altres elements

● Alguns de forma voluntària: Cr, V, Ni

– Milloren les propietats

– Són els elements d'aliatge

● D'altres involuntàriament: Sb, As, Sn H, O

– Empitjoren les propietats

– S'anomenen impureses

– Segons contingut en C, classifiquem propietats

● Duresa (↑), resistència (↑), ductilitat (↓), tenacitat (↓)


● Els productes siderúrgics: acers i foses (III)

Acers amb baix contingut en C– 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– Acers amb continguts alts i mitjà en C

● Adequats per tractaments tèrmics

● Aplicacions que requereixen alta resistència mecànica


● Els productes siderúrgics: acers i foses (IV)

Classificació de les foses– Classificació de les foses

● Fosa blanca: C en forma de Fe3C

– Fràgil i dura. No mecanitzable, no dúctil

● Fosa grisa: C grafit. Segons forma del grafit

– 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. SIDERÚRGIAUD 07. SIDERÚRGIA

● Obtenim el ferro colat i l'acer

Fe: metall més abundant (després de l'Al)● Fe: metall més abundant (després de l'Al)

– El trobem combinat

● Òxids: Hematites (Fe2O3) i Magnetita (Fe3O4)

● Carbonats: Siderita (FeCO3)

● Sulfurs: Pirita (FeS2)2

– També barrejat amb altres elements (Si) que cal eliminar

– En general: amb oxigen, cal reduir

● Amb C (molta afinitat per l'oxigen)


● Procés d'obtenció d'acer i foses: dues fases

Obtenció del ferro colat a l'alt forn– 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● 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


● Obtenció del Fe colat: Alt Forn

Estructura d'acer amb refractant intern (ceràmic)– 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● 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)


● Obtenció del Fe colat: Alt Forn (II)

Matèries primeres emprades (II)– Matèries primeres emprades (II)

● Carbó de coc

– Poder calorífic suficient (destil·lació de l'hulla)

– Aporta el C necessari per a la reducció

● Pedra calcària (CaCO3)

– 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)


● Obtenció del Fe colat: Alt Forn (III)

Zones del forn– Zones del forn

● Zona de deshidratació (uns 400C)

– Eliminem contingut d'aigua (vapor d'aigua)

● Zona de reducció (uns 700C)

– 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

2

del forn

– Per tant hem reduït el Fe

● Zona de carburació (uns 1200C)

– El C es combina amb el Fe: aliatge fèrric)


● Obtenció del Fe colat: Alt Forn (IV)

– Zones del forn (II)– Zones del forn (II)

● Zona de fusió (una 1800C)

– 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

– Gasos del forn: alt contingut en pols (contaminant)

● Depuració: extracció de la pols i aprofitament energètic

– 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)


● Obtenció de l'acer

– El primer que s'ha de fer és descarburar el Fe colat– 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 – 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


● Obtenció de l'acer (II)

– El convertidor d'oxigen– 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)– 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


● Obtenció de l'acer (III)

– El convertidor d'oxigen (II)– El convertidor d'oxigen (II)

● Calor produïda a les dues reaccions

– Mantenim la fase líquida sense aportar-hi energia

● El procés es va regulant

– 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


● Obtenció de l'acer (IV)

– El forn elèctric– 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↑)– 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 UD 07. FORMES COMERCIALS DELS ACERSACERS

● En sortir de convertidors o forns: forma líquida

– Cal solidificar-los i donar-los una forma adequada– 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 laminatgecirculen a la secció de laminatge

– Colada contínua

– Laminatge: en calent (no es refreden del tot)

– És el més emprat (estalvi energètic i procés compacte)


● Característiques: normalitzades

– Organismes internacionals que fixen les característiques– 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– Toleràncies: EN 10024:1995

– Superfície: EN 10163-3:1991

– Segons número: IPN80; diferents propietats


● Característiques: normalitzades (II)

– Alguns paràmetres– Alguns paràmetres

● G (Kg/m): densitat lineal

– Massa del perfil per unitat de llargària

● A (mm2): secció del perfil

– Superfície del tall transversal

● AL (m2/m): superfície linealL

– Superfície total exterior per unitat de llargària

● AG (m2/Tm): Superfície màssica

– Superfície total exterior per tona de massa

UD 07. TRACTAMENTS TÈRMICSUD 07. TRACTAMENTS TÈRMICS

● Acers: varietat de productes partint del mateix materialmaterial

– 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


● Tractament tèrmics més emprats

– Tremp– Tremp

– Revingut

– Recuita

– Revingut

● Valors de T importants● Valors de T importants

– AC1: comença a aparèixer l'austenita

– AC3: tota la massa d'acer és austenita

● AC1: constant; AC3 depèn del %C


● Tremp

– S'aconsegueix acer de duresa i resistència mecànica – 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– 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


● Revingut

– Augmentem la tenacitat– 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– Conseqüència del refredament ràpid

– Peó: disminució de la duresa, resistència mecànica i límit elàstic


● La recuita

– Tenim diferents tipus segons T i velocitat de refredament– Tenim diferents tipus segons Tmàx i velocitat de refredament

● De regeneració. Per a acers amb %C> 0,6%

● Globular supercrítica

– Per a acers aliats i per a eines

– Tmàx superior a la de la formació de l'austenita

● D'estovament

– 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)


● La recuita (II)

– Emprada si volem:– 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– 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


GRÀFICS T-T: TREMP, REVINGUT, RECUITA I NORMALITZAT

Tema 7 Metal·lúrgia i Siderúrgia

Documents

Transcript of Tema 7 Metal·lúrgia i Siderúrgia