La metal·lúrgia de producció és la branca de la metal·lúrgia que converteix el mineral, el concentrat o la ferralla reciclada en metall que es pot vendre i utilitzar. Cobreix tot entre la mina i el taller de fusió: extracció i trituració de la matèria primera, separació de minerals valuosos dels residus, extracció del metall dels seus compostos químics, refinat fins a una puresa controlada i, finalment, afegint elements d'aliatge en la forma i l'ordre adequats. La disciplina normalment es divideix en tres famílies de processos i la majoria de fulls de flux industrials les combinen.
Què cobreix la producció metal·lúrgica
La metal·lúrgia extractiva i la de producció s'utilitzen sovint de manera intercanviable, però la producció té un significat més ampli: inclou els passos de conversió que segueixen l'extracció, com ara la fosa, l'encolat i la fabricació d'aliatges mestres. Les tres famílies de processos són:
Pirometal·lúrgia:tractament a alta temperatura, incloent torrefacte, fosa, conversió i refinat al foc. Domina la producció de ferro, acer, plom i ferroaliatges.
Hidrometal·lúrgia:tractament en solució aquosa, incloent lixiviació, extracció amb dissolvent i precipitació. És la ruta estàndard per al zinc i per a molts metalls rars i refractaris.
Electrometal·lúrgia:tractament amb energia elèctrica, inclòs el refinament electrolític i l'electrowinning. D'aquesta manera es produeixen càtodes de coure i zinc i alumini primari.
L'elecció entre ells segueix la química del mineral i el cost de l'energia. Els minerals de sulfur es fan generalment perquè el sofre es pot capturar com àcid sulfúric, mentre que els minerals d'òxid que són difícils de reduir tèrmicament es lixivien més sovint.
Rutes de metalls ferrosos i no-ferrosos
Els metalls es divideixen primer en ferrosos, els basats en ferro, i no-ferrosos, tota la resta. La taula següent resumeix el recorregut que han fet els principals metalls industrials.
| Metall | Matèria bàsica típica | Principal via de producció | Forma de producte principal |
|---|---|---|---|
| Ferro i acer | Hematita i mineral de magnetita | Alt forn, forn bàsic d'oxigen | Ferro brut, acer, ferroaliatges |
| coure | Concentrat de sulfurs | Flotació, fosa, electrorefinació | Coure càtode, vareta |
| Zinc | Mena de sulfur | Torrat, lixiviació, electrowinning | Zinc especial d'alt grau |
| Alumini | Bauxita | Refinació d'alúmina, electròlisi de sal fosa | Lingot d'alumini primari |
| Titani | Rutil i ilmenita | Cloració, reducció de magnesi | Esponja de titani |
La producció de ferro té el tonatge més gran per un ampli marge, i també és la més vinculada a l'addició d'aliatge, perquè gairebé tot l'acer s'ajusta en la composició abans de ser fos. Les rutes no-ferroses s'organitzen més sovint al voltant d'un sol metall, amb els-productes recuperats com a font d'ingressos secundària.
Del mineral al metall: els passos del procés
Tot i que els fulls de flux difereixen, la majoria de les operacions de producció metal·lúrgica segueixen la mateixa seqüència de passos:
Preparació de mineria i matèries primeres:El mineral es perfora, es vola i es transporta, després es barreja de manera que el grau alimentat a la planta es mantingui estable.
Comminució:la trituració i la mòlta alliberen els valuosos grans minerals de la roca circumdant i els uns dels altres.
Beneficiació i separació:Els mètodes de gravetat, magnètics i de flotació concentren el valuós mineral i rebutgen la ganga com a residus.
Extracció:el concentrat és reduït, fos o lixiviat de manera que el metall deixi el seu compost hoste en forma metàl·lica o dissolta.
Refinació:El refinament al foc, l'electròlisi o la destil·lació elimina les impureses residuals fins als límits exigits per l'especificació.
Aliatge i fosa:el metall refinat s'ajusta, es desgasifica i es col·loca en lingots, palanxes o aliatges mestres per a un posterior processament.
Cada pas té una xifra de recuperació adjunta, i el producte d'aquestes xifres dóna el rendiment global. Una planta que recupera el 92 per cent del metall en benefici i el 94 per cent en la fosa només retorna aproximadament un 86 per cent del metall contingut en el mineral, motiu pel qual el control de pèrdues es tracta com una funció bàsica de producció en lloc d'un detall comptable.
Ferroaliatges: el pont entre el mineral i l'acer
La majoria d'elements d'aliatge no es poden afegir a l'acer en la seva forma pura: es fonen a temperatures molt elevades, s'oxiden fàcilment o costen massa refinar-los. En canvi, s'afegeixen com a ferroaliatges, aliatges mestres produïts per reducció carbotèrmica de l'òxid juntament amb el ferro. Tot i que aquests aliatges són una petita fracció del tonatge de fabricació d'acer, no es pot acabar la calor de l'acer sense ells.
| Ferroaliatge | Contingut típic de l'element principal | Funció en la fabricació d'acer |
|---|---|---|
| Ferrosilici | Silici del 74 al 80 per cent | Desoxidació i aliatge de silici |
| Ferromanganès d'alt-carboni | Manganès del 76 al 82 per cent | Aliatge de manganès, control del sofre |
| Ferrovanadi | Vanadi del 50 al 80 per cent | Microaliatge per a acers-estructurals d'alta resistència |
| Ferrotungstè | Tungstè del 70 al 85 per cent | Acer per a eines i acer-resistent a la calor |
| Ferromolibdè | Molibdè del 55 al 65 per cent | Temperabilitat i resistència a la fluència |
Les taxes d'addició es fixen mitjançant un balanç de masses senzill. Per posar un 0,5 per cent de manganès en una tona d'acer, es necessiten cinc quilos de manganès a la fosa; amb ferromanganès alt-carboni al 78 per cent de manganès i una recuperació d'un 95 per cent, la càrrega es divideix en cinc per 0,78 i després es divideix per 0,95, donant aproximadament 6,7 quilograms per tona d'acer. La mateixa aritmètica aplicada a cada element dóna l'equilibri de càrrega per a una calor.
L'ordre d'addició importa tant com la quantitat. Els desoxidants s'afegeixen abans d'aliar els elements perquè l'oxigen no consumeixi les addicions més cares, i els elements amb una gran afinitat per l'oxigen s'afegeixen tard en el procés, sota una escòria que els protegeix de l'atmosfera.
Control de qualitat, formularis de producte i estàndards
La metal·lúrgia de producció és una indústria basada en especificacions-, de manera que l'anàlisi i el mostreig s'incorporen al procés en lloc d'afegir-los al final. La composició química es confirma per espectrometria a cada fosa, i la distribució de la mida es controla mitjançant el cribratge perquè el comportament de dissolució d'un ferroaliatge depèn fortament de la mida de les partícules. Els sistemes de gestió com ISO 9001 i la competència del laboratori de proves segons ISO/IEC 17025 són habitualment requerits pels clients, mentre que els productes individuals es compren amb estàndards nacionals o internacionals com GB/T 2272 per ferrosilici, GB/T 3795 per ferromanganès i GB/T 3648 per ferrotungstè.
Les formes de producte segueixen el procés aigües avall: material en trossos per al taller de fusió, graus granulats i en pols per a consumibles de colada i soldadura contínua i formes de filferro briquetat o nucliat on es necessita una addició controlada i de baixes -pèrdues a la cullera. L'embalatge es tria per limitar la recollida d'humitat, ja que les addicions humides poden provocar reaccions violentes a la fosa.
Preguntes freqüents
P: Quina diferència hi ha entre la metal·lúrgia de producció i la metal·lúrgia extractiva?
La metal·lúrgia extractiva s'atura en el punt on s'obté metall del seu mineral. La metal·lúrgia de producció inclou aquest pas, però també cobreix el refinament, l'aliatge i la fosa en formes comercialitzables.
P: Quina família de processos s'utilitza més a la indústria?
Per tonatge, la pirometal·lúrgia porta, perquè el ferro, l'acer, els ferroaliatges i la majoria de metalls comuns es fabriquen en forns a alta temperatura. La hidrometal·lúrgia i l'electrometal·lúrgia gestionen matèries primeres més complexes i de menor grau-.
P: Per què s'alien els metalls en forma de ferroaliatges?
Els ferroaliatges redueixen el punt de fusió i la densitat de l'addició, redueixen les pèrdues d'oxidació i ofereixen l'element en una forma que es dissol de manera previsible en acer líquid. També són més barats que refinar l'element pur.
P: Què determina la recuperació d'un element d'aliatge?
La recuperació depèn de l'afinitat de l'element per l'oxigen, la química de l'escòria, la temperatura d'addició i la mida de les partícules del ferroaliatge. L'addició tardana sota una escòria protectora dóna la màxima recuperació.
P: Com es verifica la qualitat del producte en la metal·lúrgia de producció?
Cada fosa s'analitza per a la seva composició química i es comprova la mida, la humitat i la densitat a granel amb l'especificació de compra. Els registres de traçabilitat relacionen el lot lliurat amb la calor i el lot de matèria primera.
P: La ferralla reciclada pot substituir el mineral en la metal·lúrgia de producció?
Sí, i a l'acer ja fa una gran part de la feina. Les rutes basades en ferralla-obvien completament la mineria i la reducció, però depenen de la classificació per evitar que els elements no desitjats com el coure i l'estany quedin fora de la fosa.
