Fierul si otelul

Fierul şi principalul său aliaj, oţelul, sunt cele mai larg folosite metale. Oţelul obişnuit, care este ieftin de produs, are o rezistenţă uluitoare şi este utilizat pentru osaturile de zgârie-nori şi alte structuri masive.

Fierni este metalul cel mai răspândit pe  Pământ şi, în afară de aluminiu, este şi metalul cel mai abundent în scoarţa terestră. Aproape de suprafaţa terestră se găsesc zăcă minte bogate de fier, astfel încât el este relativ ieftin de produs, Principalele sale minereuri sunt hematitul, magnetitul (magnetul natural), sideritul, taconitul şi pirita. în afară de siderit şi de pirită, aceste minereuri sunt fomie de oxid de fier.
Sideritul este un compus cunoscut sub numele de carbonat de fier, iar pirita este sulfura de fier. Aceasta nu este folosită pentru obÅ£inerea fiemlui, dar sulful pe care îl conÅ£ine este folosit în fabricarea gazului de dioxid de sulf ÅŸi acidului sulfuric. Pirita apare sub formă de cristale in roci ii pot face pe prospectori sa creada ca au găsit aur. Din acest motiv, acest minereu este cunoscut sub numele de “aurul proÅŸtilor”.
Majoritatea zăcămintelor de fier se află aproape de suprafaţa Pământului, astfel că se pot extrage destul de uşor, prin exploatarea în carieră sau prin exploatarea minieră la suprafaţă. Fierul se obţine din minereuri prin încălzirea acestora cu carbon, în formă de cocs. Se adaugă calcar la amestec pentru a ajuta la îndepărtarea impurităţilor cu conţinut de siliciu, precum nisipul şi argila. Materialele adăugate pentai a îndepărta impurităţile se numesc fondanţi.
In procesele mai vechi, amestecul de minereu, cocs si calcar formeaza sarja, sau incarcatura, care se încarcă în capătul de sus al unui furnal. Acesta este un turn înalt de oţel, căptuşit cu cărămizi termorezistente. Dar în multe sisteme modeme, amestecul de minereu de fier, cocs şi calcar este întâi prăjit pentru a produce un material numit sinter. Prăjirea scoate impurităţile, precum apa, dioxidul de carbon şi arsenicul, astfel sinteml are un conţinut relativ mare de fier. O cantitate de minereu netratat se amestecă cu sinterul pentru a forma şarja furnalului.

Reacţii chimice

Când şarja cade prin furnal, ea se loveşte de un curent de aer preincalzit, care este suflat in sus prin fundul furnalului. Când cele două se întâlnesc, la o temperatură de aproximativ 1.000°C, au loc o serie de reacţii chimice.
Cocsul (carbonul) arde cu oxigenul din aer formând monoxidul de carbon. Calcarul (carbo-natul de calciu) se descompune formând var nestins (oxid de calciu) şi dioxid de carbon. Di-oxidul de carbon reacţionează cu carbonul formând monoxid de carbon. Iar varul nestins reacţionează cu argila şi nisipul, formând o substanţă numită zgură topită, care constă în principal din silicat de calciu aluminos şi silicat de calciu. Dacă există sulf, el se poate combina cu varul nestins formând sulfura de calciu în zgură.
O parte a monoxidului de carbon format reacţionează cu minereul de fier, îndepărtând oxigenul din acesta pentru a produce dioxid de carbon şi fier. Acest tip de reacţie, în care oxigenul este îndepărtat dintr-un compus, se numeşte reducere. Unele furnale moderne folosesc un sistem numit ardere cu combustibil suplimentar. Mai multe gaze reducătoare, adăugate la curentul de aer, se combină cu oxigenul din minereu, făcând procesul de reducere să fie mai eficient.

Evacuarea furnalului

Gazele de evacuare ale furnalului conţin aproximativ 25% monoxid de carbon, ele fiind astfel potrivite pentru folosirea ca gaze combustibile de valoare inferioară. Ele sunt extrase din vârful furnalului, amestecate cu un gaz combustibil mai bogat şi arse în elementul care încălzeşte curentul de aer. Zgura formată pluteşte la suprafaţa fierului proaspăt topit. La intervale regulate, se încarcă o nouă şarjă în vârful furnalului, iar zgura şi fierul se îndepărtează separat prin partea de jos. Dintr-un furnal mare se evacuează aproximativ 2.000 de tone de fier la fiecare şase ore. Fierul poate fi turnat în lingouri mari, numite blocuri, sau poate fi transportat în formă topită la oţelărie. Procesul este continuu, şi în mod normal se întrerupe numai când căptuşeala de cărămidă trebuie înlocuita.

Tipuri de fier

Fieml dintr-un furnal conţine diferite impurităţi, precum carbonul, sulful, fosforul şi siliciul. Natura impurităţilor depinde de compoziţia minereului folosit şi de proporţia de calcar din şarjă.
Uneori se foloseşte o cantitate relativ mică de calcar, pentru a produce o zgură cu un punct de topire scăzut. Aceasta înseamnă că furnalul poate fi acţionat la o temperatură mai mică, ceea ce îi dă un randament energetic mai mare. Fierul produs se numeşte fier bazic. El are un conţinut scăzut de siliciu şi o proporţie mare de sulf, în formă de sulfura de fier sau, dacă minereul are un conţinut mare de mangan, în formă de sulfura de mangan. Carbonul se găseşte în formă de carbură de fier.
După turnare, fierul bazic este dur, friabil şi greu de prelucrat. Când metalul se sparge, suprafeţele fracturate sunt deschise la culoare. Din acest motiv, el se numeşte şi fontă albă de turnătorie. Acest metal este adesea tratat termic pentru a produce tipuri de fier maleabile. Acestea sunt mult mai puţin friabile şi, din acest motiv, pot fi folosite acolo unde fonta obişnuită de turnătorie nu este potrivită.
în cazul în care conţinutul de calcar al şarjei este ridicat pentru a produce zgură cu o temperatură mai înaltă de topire, metalul friabil produs se numeşte fier acid. El are un conţinut relativ mare de siliciu, de 2% până la 4%, iar carbonul se găseşte în formă de fulgi de grafit.
Aceştia dau suprafeţelor fractorate ale metalului un luciu mat - de aici şi numele său alternativ de fontă cenuşie de turnatorie. El are o largă utilizare în turnarea de maşini. Anumite elemente, precum calciul, magneziul şi ceriul, se adaugă uneori la fonta cenuşie pentru a-i reduce friabilitatea. In unele cazuri, proprietăţile mecanice sunt îmbunătăţite îndeajuns pentru ca fonta să poată înlocui părţile care se fac din oţel moale.
Cu mult timp în urmă, oţelul moale a luat locul fierului forjat ca material principal în construcţii. Dar se mai produc încă mici cantităţi de fier forjat prin topirea fontei brute cu oxid de fier, ceea ce îndepărtează o proporţie mare a impurităţilor. Fierul se solidifică treptat şi i se dă forme prin ciocănire, matriţare şi laminare, automat sau manual.
Oţelul este un aliaj de fier şi carbon, dar obţinerea oţelului nu se realizează prin simpla adăugare a carbonului la fier. Oţelul conţine oproporţie foarte mică de carbon - mult mai mică decât fonta de turnătorie. Majoritatea oţelurilor conţin mai puţin de 1,7% carbon, iar conţinutul obişnuit este de numai 0,2 până la 03%.

Producerea oţelului

Producerea oţelului implică îndepărtarea carbonului şi altor impurităţi din fier, şi adăugarea ulterioară a unor cantităţi exacte de carbon şi alte metale, precum cromul, manganul, nichelul şi vanadiul. Carbonul conferă oţelului capacitatea de a se întări prin tratare termică, iar alte metale se adaugă pentru a-i spori calităţile, cum ar fi duritatea, maleabilitatea, rezistenţa la coroziune şi termorezistenţa.
Prima metodă eficientă de producere a oţelului în cantităţi mari a fost concepută în Anglia la mijlocul anilor 1800, de către Henry Bessemer. El şi-a numit furnalul convertizor. Aceasta consta dintr-un butoi mare din fier, având o căptuşeală de cărămizi termoizolante. Convertizorul lui Bessemer era montat pe o pereche de pivoţi, pentru a putea fi înclinat de pe orizontală pe verticală oricând era nevoie.
In poziţie orizontală, convertizorul se încărca cu fontă brută topită şi puţin calcar. Apoi era ridicat în poziţie verticală şi se suflau curenţi puternici în sus prin fundul perforat. Oxigenul din acest aer transforma o parte din fier, şi aproape toate impurităţile, în oxizii lor. Carbonul era îndepărtat complet sub formă de gaz de monoxid de carbon. Iar oxizii impurităţilor, precum siliciul şi manganul, se combinau cu varul nestins formând zgură.
După insuflarea aerului prin convertizor, se adăugau cantităţi atent măsurate de fontă-oglindă (un aliaj de mangan, fier şi carbon), ferosiliciu (un aliaj de fier şi siliciu) şi aluminiu. Acestea îndepărtau întregul oxigen rămas şi oxidul de fier din metal. Se lăsa puţin mangan în oţel pentru a-i îmbunătăţi calitatea. în final, se adăuga cocs sau antracit pentru a aduce conţinutul de carbon la nivelul corect.

Procedeul siderurgic Martin

Curând după introducerea procedeului Bessemer, Williarri şi Charles Siemens au inventat o tehnică alternativă de obţinere a oţelului. în procedeul lor, ei ardeau gaz de huilă deasupra unei şarje de fier şi calcar. Fraţii Siemens au observat că se pierdea foarte multă energie termică în procesul Bessemer când curentul de aer trecea prin fierul topit în aer.
De aceea, în procesul lor, ei au folosit căldura gazelor evacuate pentru a preîncâlzi gazul de huilă şi aerul în care ardea. Aceasta a ridicat temperatura furnalului atât de mult, încât puteau să topească cu uşurinţă deşeurile de oţel solid adăugate la fonta brută topită. în acest fel, costurile de producţie au fost reduse foarte mult.
Topirea fierului şi a deşeurilor de oţel cu calcar îndepărta majoritatea impurităţilor şi forma o zgură plutitoare. Impurităţile rămase erau îndepărtate prin tratarea cu un material bogat în oxigen.
Procedeul siderurgic Martin necesita un control mult mai atent decât procedeul Bessemer şi era cu mult mai lent. în schimb, procedeul Bessemer era potrivit numai pentru anumite tipuri de oţel, pe când procedeul sidemrgic Martin putea fi folosit pe scară largă. Procedeul Bessemer, introdus în anul 1856, a fost folosit timp de peste un secol dar, până la începutul anilor 1960, doar 2% din oţeluri erau produse în acest fel, comparativ cu 90% produse prin procedeul siderurgic Martin. Restul de 8% erau produse printr-o tehnică mai modernă, în care materialele sunt încălzite într-un cuptor electric cu arc.
Acest proces mai este încă folosit pentru producerea unor şarje mici de oţeluri speciale, îndeosebi oţelul inoxidabil. într-un alt tip de cuptor electric folosit în prezent, metalul este încălzit direct printr-un curent indus în el de bobine din afara cuptorului. Cuptoarele de inducţie sunt potrivite pentru cantităţi între 120kg şi aproximativ 400 de tone. în prezent, majoritate oţelurilor este produsă prin ceea ce se numeşte procedeu de topire cu oxigen bazic.

Procedeul de topire cu oxigen bazic

Deoarece procedeul siderurgic Martin necesita mult timp, el consuma foarte mult combustibil. Din acest motiv, cea mai mare parte a producţiei la scară largă se efectuează prin procedeul de topitorie cu oxigen bazic. Pe lângă avantajul de a fi rapid, acest procedeu foloseşte foarte puţin combustibil şi de aceea este foarte economicos. Fierul topit se toarnă într-un convertizor mare căptuşit cu cărămizi termorezistente. Un tub răcit cu apă, numit rangă, se coboară în convertizor până ce vârful său ajunge chiar deasupra metalului topit. Apoi oxigenul, suflat prin rangă, reacţionează energic cu carbonul din fier, producând destulă căldură pentru a menţine şarja topită.
De fapt, trebuie adăugată o anumită cantitate de deşeuri de oţel pentru a preveni creşterea oţelului prea mult peste punctul său de topire, de aproximativ 1.600 C. Se adaugă var nestins şi alte materiale fondante în funcţie de necesităţi.
Când se insuflă oxigenul, se degajă cantităţi mari de monoxid de carbon şi alte gaze. Aceste gaze sunt aspirate de ventilatoare printr-o calotă de deasupra convertizorului. Monoxidul de carbon poate fi folosit drept gaz combustibil în alte părţi ale uzinei, sau poate fi ars. Celelalte gaze sunt purificate înainte de a fi eliminate în atmosferă. La sfârşitul procedurii, oţelul se evacuează din convertizor şi apoi se îndepărtează zgura.
Oţelul provenit direct din furnal poate fi turnat în matriţe pentru fabricarea pieselor turnate. Dar majoritatea oţelului se toarnă în lingouri care se laminează sau se ciocănesc pentru a forma foi de tablă, bare sau alte forme. Lingourile tipice sunt între 50kg şi 30 de tone, în funcţie de felul în care urmează să fie prelucrat.
La turnarea continuă, oţelul topit dintr-un convertizor sau un furnal se toarnă continuu într-o matriţă răcită cu apă. Metalul iese în partea de jos sub forma unei bucăţi solide continue şi este îndreptat automat şi apoi tăiat în lungimile dorite cu o flacără cu gaz.

Tipuri de oţel

Oţelul inoxidabil se obţine de obicei într-un cuptor electric cu arc. Acest aliaj conţine 18% crom şi 8% nichel, care se adaugă la fier după ce s-a topit. Oţelul rapid, folosit la fabricarea burghielor late pentru tăierea metalelor, este un produs tipic al cuptomlui electric de inducţie. Acest oţel se obţine aliindu-se tungsten şi alte metale cu fierul. Un tip conţine 20% tungsten şi 10 % cobalt.
Deşi majoritatea oţelurilor de la furnale sunt în forma lor finită, unele tipuri necesită tratare suplimentară pentru a le face potrivite pentru scopuri specializate. Asemenea oţeluri se folosesc, de exemplu, în industriile aero-spaţiale, ale energiei nucleare şi industriile petrochimice. Ele se fac de obicei într-un cuptor electric şi apoi se afinează pentm a se îndepărta gazele remanente şi substanţele străine. O tehnică de afinare este de a topi din nou oţelul sub vid înaintat, pentru ca gazele să se degajeze. O altă metodă răspândită se numeşte afinare în baie de zgură. Se foloseşte un arc electric pentm a topi metalul în picături mici, care se purifică trecând printr-un rezervor de zgură topită. Metalul afinat se solidifică într-o matriţă răcită cu apă.