Ud 07. metal·lúrgia i siderúrgia

UD 07. Metallrgia i siderrgia

IntroducciObjectius Didctics

Abans de comenar...

ContingutsEl procs metallrgicEls minerals

Aliatges

El ferro i els seus aliatges

Els productes siderrgics: acers i foses


Continguts (II)Siderrgia: obtenci de ferro colat i acerObtenci del ferro colat: l'alt forn

Obtenci de l'acer

Formes comercials dels acers

Tractaments trmicsEl tremp

El revingut


Objectius DidcticsDiferenciar metallrgia i siderrgia

Conixer i entendre el procs siderrgic en totes les seves parts

Entendre el procs de fusi d'una barreja binria de metalls

Conixer els productes siderrgics i el seu procs d'obtenci


Objectius Didctics (II)Conixer les diferents formes de comercialitzaci dels productes siderrgics, tot parant atenci a la Normalitzaci

Entendre el mecanisme i la funci dels diferents tractaments trmics


Abans de comenar...Recordem el significat de les propietats...?Resistncia a la tracci?

Duresa

Tenacitat i resilincia

Conductivitat (trmica i elctrica)?

Com calcular percentatges de mescles?I quantitats originals a partir de dades de components?

UD 07. El procs metallrgic

Els metalls: cabdals pel desenvolupament hum

Obtenci de metalls: procs difcilMineria: extracci i enriquimentSeparem part rica del metall d'altres

Metallrgia: separaci del metallEs troba combinat qumicament amb altres metalls

Indstries metlliquesTreballen el metall i obtenen articles tils


MetallrgiaConjunt de processos que porten a l'obtenci de metallsEl ferro i els seus derivats: molt importantsTenen nom ad-hoc: Siderrgia

Actualment: obtenci de metalls mitjanant reciclatgeSovint ms econmic que mineria


Els mineralsMetalls: combinats qumicament amb altres elementsxids Metall + oxigen Fe2O3 (Hematites)

Sulfurs Metall + sofre PbS (Galena)

Carbonats Metall + carboni + oxigen MgCO3 (Magnesita)

Per tal de separar el metall d'altres elementsProcessos qumics amb T elevades

Cal un element que es combini amb el que volem separar del metall

Exemple: reducci (el volem separar del oxigen)


Els minerals (II)Per tal de separar el metall d'altres elements (II)2 ZnO + C + calor 2 Zn + CO2

Tamb tenim parts del mineral que no cont el metallMena: Part aprofitable i rica en el metall

Ganga: Part molt pobra en metall, no aprofitable

Primer procs: enriquiment; separar el mxim aquestes dues parts

Riquesa del mineral: en % del metall pur de les seves menesNo del mineral total


AliatgesProducte obtingut de dos o ms elements qumics

Com a mnim un d'ells s un metall

Un cop format t caracterstiques prpies d'un metall

En general s com fem servir els metallsMetalls: gran conductivitat (trmica, elctrica), resistncia mecnica, fonen a alta T

Amb els aliatges millorem propietats

Els metalls purs: plasticitatLes capes de la seva estructura poden lliscar entre ss la deformaci plstica


Aliatges (II)Els metalls purs: plasticitat (II)A la indstria: han de suportar grans esforos

Necessitem que siguin durs i resistentsHo podem fer amb energia mecnica: escalfant-lo i colpejant-lo

Tamb formant aliatges

Els aliatges modifiquen l'estructura cristallinaMenys mobilitat de les capes

Menor plasticitat: ms resistncia mecnica i ms duresa

Per: pitjor conductivitat (trmica i elctrica). Electrons menys lliures


Aliatges (III)Els metalls purs: plasticitat (III)Alguns exemples:Fe + (0,1 a 1,76%) C: Acer

Cu + Zn: Llaut

Cu + Sn: Bronze

Metalls purs: dctils i bons conductors

Aliatges: pitjors conductors, sol augmentar la duresa, varia T de fusi i de vegades s'incrementa la fragilitat


Aliatges (IV)Solidificaci dels aliatgesMetalls purs: T fusi fixaMentre passa de slid a lquid: T constant

Aliatges: T fusi dependent de proporcions, tenim interval de T de fusiEs treballa amb el digrama d'equilibri

Per a cada valor de T tenim una determinada proporci dels components de la mescla

Tenim tres rees diferents, com veurem tot seguit


Aliatges (V). Solidificaci dels aliatges (II)


Aliatges (VI). Solidificaci dels aliatges (III)


Aliatges (VII). Solidificaci dels aliatges (IV)


Aliatges (VIII). Solidificaci dels aliatges (V)


Aliatges (IX). Solidificaci dels aliatges (VI)


Aliatges (X). Solidificaci dels aliatges (VII)


Aliatges (XI). Solidificaci dels aliatges (VIII)


Aliatges (XII). Solidificaci dels aliatges (IX)


Aliatges (XIII)Solidificaci dels aliatges (X)


Aliatges (XIV)Solidificaci dels aliatges (XI)Els punts que estan a l'estat lquid o slid (100%) sn de fcil lectura

Quan tenim barreja lquid i slidLnia horitzontal cap a la dreta: composici del slid

Lnia horitzontal cap a l'esquerra: composici del lquid

Longitud dels braos: percentatge lquid vs slidExemples grfics


Aliatges (XV)Solidificaci dels aliatges (XII)Tenim aliatges amb grfics diferents de l'anterior

Components totalment solubles en estat lquid i insolubles en estat slid

Presenten mnim a la lnia de lquidsSempre coincideix amb la lnia de slids

s la proporci eutctica

El punt: punt eutctic

La Temperatura: Temperatura eutcticaHo veiem al grfic segent


Aliatges (XVI). Solidificaci dels aliatges (XIII)


Aliatges (XVII). Solidificaci dels aliatges (XIV)


Aliatges (XVIII). Solidificaci dels aliatges (XV)


Aliatges (XIX). Solidificaci dels aliatges (XVI)


Aliatges (XX)Solidificaci dels aliatges (XVII)


Aliatges (XXI)Solidificaci dels aliatges (XVIII)Propietats dels aliatges de proporcions eutctiquesSolidifiquen a T constant (no a un interval)

La T de fusi s la ms baixa de totes les possibles amb els components que formen la mesclaDe fet s ms baixa que la dels components purs

Cd i Bi: Eutctic: 140C. 271C i 321C pel Bi i Cd respectivament

Sn mescles finssimes i ntimes de cristalls pursIdeals per a fabricar peces per emmotllament

Omplen perfectament els motlles


Els productes metallrgicsFrricsFerros

AcersNo aliats (al C) i Aliats

Foses

No frricsPurs: 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 aliatgesEn general emprem aquest nom amb diferents espciesFerro pur, acer, fosa, ferro colat

Realment: ferro pur s un element qumic sense gaire aplicaci industrialFusi: 1539C, color: blanc griss, densitat: 7,87 g/cm3, dctil i malleable, bon conductor elctric i magnetitzable

Industrialment anomenem ferro purAliatge Fe-CConcentraci C inferior al 0,03%

T alguna aplicaci industrial (pel seu magnetisme)Xapes per nuclis de transformadors elctrics


El Ferro i els seus aliatges (II)La solidificaci del ferroVarietats allotrpiques

T>1539C: lquid

T=1539C. Punt de fusiVarietat delta ()

-Fins a 1390C

T=1390. Canvi d'estructura cristallinaT = ct

Passa a varietat


El Ferro i els seus aliatges (III)La solidificaci del ferro (II)Continuem baixant fins a 900CTornem a tenir canvi d'estructura cristallinaT = ct mentre passem a estructura

Aquesta estructura s estable fins als 750Cltim canvi d'estructuraAra tindrem la varietat allotrpica

Es conserva fins arribar a la Temperatura ambient

Si volem conservar formes allotrpiques , o Refredament rpid des de l'interval de T on s estable fins T ambient

Diferents propietats magntiques, i de solubilitat del C


El Ferro i els seus aliatges (IV)Els aliatges ferro-carboniEl Fe pot estar en una de les quatre formes allotrpiques

El C pot tamb 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 propietatsFerrita

Cementita

Perlita

Austenita

Martensita


El Ferro i els seus aliatges (V)Els aliatges ferro-carboni (II)


Els productes siderrgics: acers i fosesAcer: aliatge de Fe amb contingut en C entre 0,1 i 1.76%

Foses: Contingut en C entre 1,76 i 6,67%A ms: contenen Si

En general el contingut en C oscilla entre 3 i 4,5%

Per donar forma als metallsForja: massa slida calent dins motlle o matriu i esfor mecnic

Emmotllament: metall lquid dins motlle tancatObrim quan ha solidificat

En general: acer forjable i fon a T altes (>1400C). La fosa es pot emmotllar i fon a T ms baixes (T>1130C)


Els productes siderrgics: acers i foses (II)A ms de C: hi poden contenir altres elementsAlguns de forma voluntria: Cr, V, NiMilloren les propietats

Sn els elements d'aliatge

D'altres involuntriament: Sb, As, Sn H, OEmpitjoren les propietats

S'anomenen impureses

Segons contingut en C, classifiquem propietatsDuresa (), resistncia (), ductilitat (), tenacitat ()


Els productes siderrgics: acers i foses (III)Acers amb baix contingut en CNo aptes pel tremp

S per la cementaciAugment de C superficial i T (dos materials en un)

Barats, fcils de soldar i mecanitzar (torn, fresa, trepant)

Acers amb continguts alts i mitj en CAdequats per tractaments trmics

Aplicacions que requereixen alta resistncia mecnica


Els productes siderrgics: acers i foses (IV)Classificaci de les fosesFosa blanca: C en forma de Fe3CFrgil i dura. No mecanitzable, no dctil

Fosa grisa: C grafit. Segons forma del grafitLaminar: en forma de lmines

Nodular: en forma de ram o ram. Tamb anomenada malleable

Esferodal: en forma d'esferes. Tamb anomenada dctils l'altre extrem: resistent, ms dctil, proper a l'acer

Tenen diferents propietats (i aplicacions)

UD 07. Siderrgia

Obtenim el ferro colat i l'acer

Fe: metall ms abundant (desprs de l'Al)El trobem combinatxids: Hematites (Fe2O3) i Magnetita (Fe3O4)

Carbonats: Siderita (FeCO3)

Sulfurs: Pirita (FeS2)

Tamb barrejat amb altres elements (Si) que cal eliminar

En general: amb oxigen, cal reduirAmb C (molta afinitat per l'oxigen)

UD 07. Siderrgia

Procs d'obtenci d'acer i foses: dues fasesObtenci del ferro colat a l'alt fornAlt contingut en C i impureses (S o P)

La segona fase depn del producte finalFoses: en forns o afinemDesprs s'aboca en motlles per obtenir la forma desitjada

Acer: el Fe colar lquid es porta als convertidorsEliminem part del C i impureses

Posteriorment: procs per obtenir formes comercialsGeneralment procs de colada contnua

UD 07. Siderrgia

Obtenci del Fe colat: Alt FornEstructura d'acer amb refractant intern (cermic)Part superior: hi introdum MMPP i n'extraiem els gasos

Part inferior: aire calent a pressiRecollim ferro colat i escries

Matries primeres empradesMineral de ferroAporta ferro oxidat (un cop redut l'obtindrem en forma de ferro colat)

L'oxigen es combina amb C i surt en forma de CO2

Tamb aporta impureses (Si)

UD 07. Siderrgia

Obtenci del Fe colat: Alt Forn (II)Matries primeres emprades (II)Carb de cocPoder calorfic suficient (destillaci de l'hulla)

Aporta el C necessari per a la reducci

Pedra calcria (CaCO3)Es combina amb el Si i forma CaSiO3Principal component de l'escria

Sura per damunt del ferro fos ( inferior)

S'aprofita: fabricaci de ciment, formig i allants trmics

Es treballa en discontinu (per batch)

UD 07. Siderrgia

Obtenci del Fe colat: Alt Forn (III)Zones del fornZona de deshidrataci (uns 400C)Eliminem contingut d'aigua (vapor d'aigua)

Zona de reducci (uns 700C)El CO format per la combusti del coc puja pel forn

Es combina amb l'oxigen del ferro (forma CO2), Surt per la part superior del forn

Per tant hem redut el Fe

Zona de carburaci (uns 1200C)El C es combina amb el Fe: aliatge frric)

UD 07. Siderrgia

Obtenci del Fe colat: Alt Forn (IV)Zones del forn (II)Zona de fusi (una 1800C)Fusionem el Fe aliat amb el C

S'escola en forma lquid en el fons del forn

La combinaci de la calcria amb el Si del mineral: sura per damunt

Gasos del forn: alt contingut en pols (contaminant)Depuraci: extracci de la pols i aprofitament energticBescanviadors de calorEscalfem l'aire que injectarem al forn

Fe colar obtingut: Aliatge Fe-C (4%C, 2% Si) i P, S i ONecessita d'una segunda transformaci (acer o fosa)

UD 07. Siderrgia

Obtenci de l'acerEl primer que s'ha de fer s descarburar el Fe colats a dir, rebaixar el contingut de C

Tamb s'han d'eliminar les impuresesP: dna fragilitat

S: redueix la seva malleabilitat

Mtodes ms emprats: convertidor s'oxigen i forn elctricConvertidors: ni combusti ni escalfament externEl Fe s'introdueix en forma lquida

Forn: aportaci externa de calorAmb gas o arc voltic

UD 07. Siderrgia

Obtenci de l'acer (II)El convertidor d'oxigenCilndric i tronc cnic a al part superior

Revestiment intern: cermic

Part superior: oberta (zona de crrega)

Procs:Crrega amb el ferro colat en forma lquida, ferralla i cal (CaO)

Introdum llana (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. Siderrgia

Obtenci de l'acer (III)El convertidor d'oxigen (II)Calor produda a les dues reaccionsMantenim la fase lquida sense aportar-hi energia

El procs es va regulantAfegint les diferents MMPP o oxigen

Depn de les mostres obtingudes

Quan tenim la composici desitjadaEs cola en motlles

Escria: extreta posteriorment i aprofitada per a conreuEspecialment pel P

UD 07. Siderrgia

Obtenci de l'acer (IV)El forn elctricRecipient d'acer refrigerat externament, interior amb cermica (refractria) i t elctrodes de grafit: apliquem V

ProcsIntrodum Fe colat (lquid per estalviar energia), ferralla oxidada (aporta oxigen) i la cal (per formar escria)

Fe colat i ferralla: conductors: reben descrregues de l'arc (T)

Hi podem afegir elements per a formar els aliatges desitjats

Quan composici s OK: el colem (motlles o recipients)O b: a colada contnua (installaci especial). Semielaborats

Forn: permet control de T i de composiciPodem obtenir acers especials (fonem Mb i W) Tf elevades

UD 07. Formes comercials dels acers

En sortir de convertidors o forns: forma lquidaCal solidificar-los i donar-los una forma adequada

Tenim dos procediments de solidificaciColar-los en motlle i deixar refredarObtenim lingot: li donarem forma posteriorment

Colar-los per canals on els donem secci rectangular mentre circulen a la secci de laminatgeColada contnua

Laminatge: en calent (no es refreden del tot)

s el ms emprat (estalvi energtic i procs compacte)


Caracterstiques: normalitzadesOrganismes internacionals que fixen les caracterstiques

Exemple: Forma I d'ales inclinadesDesignaci: IPN

Inclinaci: 14%

Dimensions: DIN 1025-1:1963

Tolerncies: EN 10024:1995

Superfcie: EN 10163-3:1991

Segons nmero: IPN80; diferents propietats


Caracterstiques: normalitzades (II)Alguns parmetresG (Kg/m): densitat linealMassa del perfil per unitat de llargria

A (mm2): secci del perfilSuperfcie del tall transversal

AL (m2/m): superfcie linealSuperfcie total exterior per unitat de llargria

AG (m2/Tm): Superfcie mssicaSuperfcie total exterior per tona de massa

UD 07. Tractaments trmics

Acers: varietat de productes partint del mateix materialAcers malleables per xapes

Inoxidables per ambients humits

Magntics per a aplicacions electrotcniques

Gran part d'aquesta variabilitat: deguda a processos trmicsSotmetem l'acer a canvis controlats de TEscalfaments i refredaments successius

Variem les proporcions dels seus constituents


Tractament trmics ms empratsTremp

Revingut

Recuita

Revingut

Valors de T importantsAC1: comena a aparixer l'austenita

AC3: tota la massa d'acer s austenitaAC1: constant; AC3 depn del %C


TrempS'aconsegueix acer de duresa i resistncia mecnica elevadaAcer amb gran proporci de martensita

El procs s el segentEscalfem el Ferro fins a tenir AustenitaSegons el %C tindrem una T necessria diferent

Refredem rpid: tenim martensita amb alt %C

T de refredament: depn de cada tipus d'acerEmprem diferents mtodes: aigua, olis minerals, Pb fos, Hg...

Martensita formada: aporta fragilitat ( a ms de duresa)De vegades interessa endurir noms la superfcie


RevingutAugmentem la tenacitatS'alica a acers que han estat trempats

Escalfem a T 0,6%

Globular supercrticaPer a acers aliats i per a eines

Tmx superior a la de la formaci de l'austenita

D'estovamentCom revingut per a peces no trempades

Aplicat a acers aliats de gran resistncia

Si fem de regeneraci: no podem evitar el tremp en refredar

Contra acritudDels processos de conformaci en fred (: duresa, fragilitat i resistncia)


La recuita (II)Emprada si volem:Disminuir duresa i incrementar plasticitat d'un acer

Volem deformar-lo i treballar-lo fcilment

En general: escalfament a T elevada i refredament lent

El normalitzatEscalfament fins a T d'austenitzaci i refredament a l'aireVelocitat ms lenta que tremp per ms rpida que recuita

Aplicat a acers amb baix %C (0,15-0,5%) desprs que han estat deformats en fred o calent Eliminem tensions internesTamb: afinem l'estructura granular (redum grandria de grans d'acer)

Millora de propietats mecniques


Grfics T-t: Tremp, revingut, recuita i normalitzat

Ud 07. metal·lúrgia i siderúrgia

Education

Transcript of Ud 07. metal·lúrgia i siderúrgia