materiales-ferrosos
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Este documento describe los procesos históricos y modernos para producir hierro y acero. Explica que los primeros artesanos producían hierro forjado calentando mineral de hierro y carbón en hornos, y que después del siglo XIV se usaron hornos más grandes para producir arrabio. Actualmente, el proceso principal usa altos hornos para reducir el mineral de hierro a arrabio, el cual se refina para producir acero. También describe cómo se usa chatarra y hornos eléctricos para producir acero de manera
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- 1. 1 Trabajo de Metrología Dimensional Nombre: Bolivar Huayhua, Giomar E.A.I.T LOS METALES FERROSOS 1. HISTORIA No se conoce con exactitud la fecha en que se descubrió la técnica de fundir mineral de hierro para producir un metal susceptible de ser utilizado. Los primeros utensilios de hierro descubiertos por los arqueólogos en Egipto datan del año 3000 a.C., y se sabe que antes de esa época se empleaban adornos de hierro. Los griegosya conocían hacia el 1000 a.C. la técnica, de cierta complejidad, para endurecer armas de hierro mediante tratamiento térmico. Las aleaciones producidas por los primeros artesanos del hierro (y, de hecho, todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV d.C.) se clasificarían en la actualidad como hierro forjado. Para producir esas aleaciones se calentaba una masa de mineral de hierro y carbón vegetal en un horno o forja con tiro forzado. Ese tratamiento reducía el mineral a una masa esponjosa de hierro metálico llena de una escoria formada por impurezas metálicas y cenizas de carbón vegetal. Esta esponja de hierro se retiraba mientras permanecía incandescente y se golpeaba con pesados martillos para expulsar la escoria y soldar y consolidar el hierro. El hierro producido en esas condiciones solía contener un 3% de partículas de escoria y un 0,1% de otras impurezas. En ocasiones esta técnica de fabricación producía accidentalmente auténtico acero en lugar de hierro forjado. Los artesanos del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro forjado y carbón vegetal en recipientes de arcilla durante varios días, con lo que el hierro absorbía suficiente carbono para convertirse en acero auténtico. Después del siglo XIV se aumentó el tamaño de los hornos utilizados para la fundición y se incrementó el tiro para forzar el paso de los gases de combustión por la carga o mezcla de materias primas. En estos hornos de mayor tamaño el mineral de hierro de la parte superior del horno se reducía a hierro metálico y a continuación absorbía más carbono como resultado de los gases que lo atravesaban. El producto de estos hornos era el llamado arrabio, una aleación que funde a una temperatura menor que el acero o el hierro forjado. El arrabiose refinaba después para fabricar acero. La producción moderna de acero emplea altos hornos que son modelos perfeccionados de los usados antiguamente. El proceso de refinado del arrabio mediante chorros de aire se debe al inventor británico Henry Bessemer, que en 1855 desarrolló el horno o convertidor que lleva su nombre. Desde la década de 1960 funcionan varios minihornos que emplean electricidad para producir acero a partir de material de chatarra. Sin embargo, las grandes instalaciones de altos hornos cotinúan siendo esenciales para producir acero a partir de mineral de hierro. 2. SIDERURGIA Siderurgia es la tecnología relacionada con la producción del hierro y sus aleaciones, en especial las que contienen un pequeño porcentaje de carbono, que constituyen los diferentes tipos de
- 2. 2 acero. A veces, las diferencias entre las distintas clases de hierro y acero resultan confusas por la nomenclatura empleada. En general, el acero es una aleación de hierro y carbono a la que suelen añadirse otros elementos. Algunas aleaciones denominadas `hierros' contienen más carbono que algunos aceros comerciales. El hierro de crisol abierto y el hierro forjado contienen un porcentaje de carbono de sólo unas centésimas. Los distintos tipos de acero contienen entre el 0,04 y el 2,25% de carbono. El hierro colado, el hierro colado maleable y el arrabio contienen entre un 2 y un 4% de carbono. Hay una forma especial de hierro maleable que no contiene casi carbono alguno. Para fabricar aleaciones de hierro y acero se emplea un tipo especial de aleaciones de hierro denominadas ferroaleaciones, que contienen entre un 20 y un 80% del elemento de aleación, que puede ser manganeso, silicio o cromo. 2.1 Obtención del mineral de hierro El mineral de hierro se extrae de las minas. Se puede extraer en estado puro o combinado con otros elementos químicos. De todo el mineral de hierro sólo se aprovecha para la industria dos tipos: los óxidos y el carbonato. El primer tratamiento al que se debe someter el mineral de hierro es el llamado tratamiento preliminar, consiste en una trituración y molienda, seguida de una separación de la parte útil (mena), de la despreciable (ganga). 2.2 Obtención del carbón de coque La misión del carbón de coque es: • Producir, por combustión, el calor necesario para las reacciones químicas de reducción (eliminación del oxígeno) así como fundir la mena dentro del horno alto. • Soportar las cargas dentro del horno alto • Producir un gas reductor (CO) que transforme los óxidos en arrabio. • Dar permeabilidad a la carga del horno alto y facilitar el paso del gas. 2.3 Preparación de los fundentes En el mineral de hierro siempre quedan impurezas unidas al mineral que es preciso eliminar. Estas impurezas van a reaccionar químicamente con el fundente y formar la escoria, que flotará sobre el metal fundido. La función principal del fundente, formado por piedra caliza, es la siguiente: • Bajar el punto de fusión de la ganga haciendo que la escoria se mantenga líquida. • Reaccionar químicamente con las impurezas (ganga) que contiene la mena, en el momento en que se encuentra en estado líquido dentro del horno alto, arrastrándolas hacia la parte superior, y formando lo que se denomina escoria. 2.4 Preparación de la carga Las proporciones de materia prima que se introducen en el horno alto son:
- 3. 3 • Mineral de hierro.......................... 2Tm • Carbón de coque........................... 1Tm • Fundente (piedra caliza)............... 1/2Tm 2.5 Funcionamiento del horno alto Los hornos altos, una vez encendidos, están funcionando ininterrumpidamente hasta que sea necesario hacerles una reparación. Para evitar el escape de humos a la atmósfera en el momento de introducir las cargas por la parte superior, disponen de unos sistemas de apertura especiales. A medida que baja la carga, su temperatura aumenta hasta que llega al etalaja donde se llegan a producir temperaturas del orden de 1650 ºC, suficientes para que el mineral de hierro (mena)se transforme en gotas de hierra que se depositan en el fondo (crisol), cuya temperatura ronda los 1600 ºC. Periódicamente se vacía el crisol por un orificio practicado en la parte baja del mismo, la piquera de arrabio. El hierro líquido (arrabio) se conduce por unas regueras de arena hasta colarlo en las cucharas que permiten conservar el calor del caldo durante el transporte o durante los tiempos de espera. El arrabio posee exceso de impurezas tale como el azufre, el fósforo, el sicilio, etc. que lo hacen demasiado frágil. La solución consiste en eliminar esas impurezas en hornos especiales, los hornos de afinado. 2.6 Transporte del arrabio E1 arrabio se vierte en la cuchara torpedo para conducirlo a dos sitios posibles: • A los hornos de afinado. • A la zona de lingoteras. Si no interesase transformar el arrabio en acero se llevaría aquí para solidificarlo. Existen dos tipos de lingoteras: ♦ Máquinas de colar. Consiste en una cinta transportadora de acero, con recipientes, en los que se van vertiendo el arrabio. La cinta es larga y avanza lentamente, poco tiempo después el arrabio estará solidificado. ♦ Lingoteras permanentes. Consisten en moldes en tronco de pirámide de base cuadrada, sin tapa ni fondo, en los que se introduce, por la parte superior, el arrabio y se deja solidificar. Para extraer el molde se tira de él hacia arriba. 2.7 Obtención del acero a partir de la chatarra Además de chatarra es necesario la aportación de fundentes y ferro aleaciones, cuya misión es la de aportar nuevas propiedades a los aceros a obtener. Para poder transformar la chatarra en acero es necesario fundirla en hornos especiales.
- 4. 4 Los hornos más antiguos son: • El cubilete. En la actualidad ya casi no se emplean. La materia prima que se emplea es la chatarra. • El horno Martin−Siemens. • El convertidor Thomas y Bessemer. Se alimenta exclusivamente de arrabio. Para eliminar las impurezas, se suministra aire y / o oxígeno por la parte inferior del horno, que atraviesa todo el hierro líquido en sentido ascendente. La reacción química del oxígeno con las impurezas (oxidación) produce grandes desprendimientos de calor y fuertes llamaradas. El horno más empleado en la actualidad para obtención de acero a partir de chatarra es el horno eléctrico. Estos son los hornos de afinados de los aceros más empleados en la actualidad. • Convertidor o Procedimiento LD: utiliza como materia prima el arrabio procedente del horno alto. • Horno eléctrico: cuya materia prima siempre es chatarra seleccionada. 2.8 Colada del acero Existen tres métodos: • Colada convencional Consiste en verter el acero líquido sobre moldes con la forma de la pieza que se quiere obtener, se deja solidificar el metal y luego se extrae la pieza. • Colada sobre lingoteras El acero líquido se introduce en el interior de lingoteras y una vez solidificado, el acero se extrae y se almacena hasta que se vaya a utilizar. El llenado de las lingoteras se puede realizar de dos maneras posibles: ◊ De manera directa (por arriba). La cuchara se coloca encima de la lingotera y se abre una boquilla que deja caer un chorro de acero líquido sobre la lingotera ◊ Mediante sifón (por el fondo). La cuchara se sitúa sobre un conducto central y vertical del que parten unos canales horizontales de distribución a cada lingotera. • Colada continua Se trata del procedimiento siderúrgico de más reciente invención y aplicación. El proceso consiste en verter el acero líquido sobre un molde de fondo desplazable, cuya sección transversal tiene la forma geométrica del producto que se desea fabricar. Las ventajas que aporta la colada continua son:
- 5. 5 • Eliminación de gastos tan importantes como lingoteras, preparación de desmoldeo, etc. • Importante reducción del consumo de energía, al no ser necesarios los hornos de recalentar los lingotes. • Disminución de la mono de obra necesaria respecto a la colada sobre lingoteras. El proceso de colada continua implica menores costes de producción. 2.9 Horno de fosa Como los lingotes se enfrían rápidamente en la superficie pero no en el interior, se colocan en hornos especiales donde se recalientan hasta conseguir que toda la masa se solidifique de forma uniforme. 2.10 Trenes de laminación Una vez que el líquido se ha solidificado se lleva a una serie de trenes de laminación en caliente para darles la forma adecuada. La laminación consiste en hacer pasar el material (acero al rojo vivo, pero solidificado) entre dos rodillos o cilindros que giran a la misma velocidad pero en sentido contrario. De esta manera se reduce la sección transversal, mediante la presión ejercida por éstos, alargando su longitud. En la laminación se aprovecha la ductilidad y maleabilidad del acero, que aumenta a medida que lo hace la temperatura. Se distinguen dos tipos de laminación: • Laminación en caliente:la temperatura dl material a laminar está entre 800y1250 ºC. • Laminación en frío: cuando se hace a temperatura ambiente. Dependiendo del producto a obtener cabe destacar los siguientes trenes de laminación: • Tren devastador Este tren convierte los lingotes en: ◊ Bloom (sección transversal cuadrada y de gran longitud) ◊ Slab (sección transversal rectangular y gran longitud) • Tren de perfiles estructurales Se utilizan blooms para obtener diferentes tipos de perfiles que serán empleados en la fabricación de maquinaria, estructuras de barcos y naves industriales, torres de transmisión eléctrica, etc. 3. PRODUCTOS FÉRREOS Se llaman productos ferrosos o férreos aquellos que se derivan del hierro, siendo este el elemento predominante.
- 6. 6 En una primera clasificación podemos distinguir cuatro tipos de productos férreos, dependiendo del tanto por ciento de carbono que contenga la aleación. 3.1 Clasificación • Hierros. Es un producto siderúrgico obtenido industrialmente, su porcentaje de hierro varía desde el 99,90% hasta el 99,99%. El hierro puro no suele tener muchas aplicaciones industriales, se emplea en electricidad y en electrónica (ferritas). • Aceros. Son aleaciones de hierro−carbono, cuyo porcentaje de carbono oscila entre el 0,03% y el 1,76%. ♦ Clasificación de los aceros ♦ Aceros no aleados ♦ Aceros aleados o aceros especiales ⋅ Presentación comercial del acero ⋅ Barras. Se obtienen por laminación en caliente / frío. Si el diámetro de los redondos es menor de 5mm y tiene una gran amplitud se llaman alambres. Cuando el espesor de las pletinas es muy pequeño y tiene gran longitud se denominan flejes. Todos ellos se caracterizan por ser macizos (no huecos). ⋅ Perfiles. Se obtienen por laminación. Su longitud es de 5 a 12 metros. ⋅ Palastros. Son chapas laminadas, cuyas medidas oscilan entre 1 x 2 metros y 3 x 3 metros. • Fundiciones. Es una aleación hierro−carbono en la que el contenido de carbono está entre el 2 y el 6 por 100 (aprox.) 4. ACEROS ALEADOS Se da el nombre de aceros aleados a los aceros que además de los cinco elementos: carbono, silicio, manganeso, fósforo y azufre, contienen también cantidades relativamente importantes de otros elementos como el cromo, níquel, molibdeno, etc., que sirven para mejorar alguna de sus características fundamentales. También puede considerarse aceros aleados los que contienen alguno de los cuatro elementos diferentes del carbono que antes hemos citado, en mayor cantidad que los porcentajes que normalmente suelen contener los aceros al carbono, y cuyos límites superiores suelen ser generalmente los siguientes: Si=0.50%; Mn=0.90%; P=0.100% y S=0.100%. Los elementos de aleación que más frecuentemente suelen utilizarse para la fabricación de aceros aleados son: níquel, manganeso, cromo, vanadio, wolframio, molibdeno, cobalto, silicio, cobre, titanio, circonio, plomo, Selenio, aluminio, boro y Niobio. La influencia que ejercen esos elementos es muy variada, y, empleados en proporciones convenientes, se obtienen aceros con ciertas características que, en cambio, no se pueden alcanzar con los aceros ordinarios al carbono. Utilizando aceros aleados es posible fabricar piezas de gran espesor, con resistencias muy elevadas en el interior de las mismas. En elementos de máquinas y motores se llegan a alcanzar grandes durezas con gran tenacidad. Es posible fabricar mecanismos que mantengan elevadas resistencias, aún a altas temperaturas. Hay aceros inoxidables que sirven para fabricar elementos decorativos, piezas de maquinas y herramientas, que resisten perfectamente a la acción de los agentes corrosivos. Es posible preparar troqueles de formas muy complicadas que no se deformen ni agrieten en el temple, etc.
- 7. 7 La tendencia que tienen ciertos elementos a disolverse en la ferrita o formar soluciones sólidas con el hierro alfa, y la tendencia que en cambio tienen otros a formar carburos. La influencia de los elementos de aleación en los diagramas de equilibrio de los aceros (Elevación o descenso de las temperaturas críticas de los diagramas de equilibrio y las temperaturas Ac y Ar correspondientes a calentamientos y enfriamientos relativamente lentos, modificaciones en el contenido de carbono del acero eutectoide, Tendencia a ensanchar o disminuir los campos austeníticos o ferríticos correspondientes a los diagramas de equilibrio, y otras influencias también relacionadas con el diagrama hierro-carbono, como la tendencia a grafitizar el carbono, a modificar el tamaño del grano, etc La influencia de los elementos aleados sobre la templabilidad. La influencia que tienen en retardar el ablandamiento que se produce en el revenido. Existen otras influencias diversas, como mejoras en la resistencia a la corrosión, resistencia al calor, resistencia a la abrasión, etc., las cuales se deben directa o indirectamente a alguna de las variaciones o fenómenos citados anteriormente. Volver 4.1 Clasificación de los aceros aleados de acuerdo con su utilización Aceros en los que tiene una gran importancia la templabilidad: • Aceros de gran resistencia • Aceros de cementación • Aceros de muelles • Aceros indeformables Aceros de construcción: • Aceros de gran resistencia • Aceros de cementación • Aceros para muelles • Aceros de nitruracion • Aceros resistentes al desgaste • Aceros para imanes • Aceros para chapa magnetica • Aceros inoxidables y resistentes al calor Aceros de herramientas: • Aceros rápidos • Aceros de corte no rápidos • Aceros indeformables • Aceros resistentes al desgaste • Aceros para trabajos de choque • Aceros inoxidables y resistentes al calor. En esta tabla se señalan los aceros aleados de uso más corriente clasificados en tres grupos. Se señalan los dos grupos clásicos de aceros de construcción y de herramientas, y además otro grupo en el que se destaca la importancia de la templabilidad, y en el que se incluyen los aceros
- 8. 8 de gran resistencia, muelles cementación, etc., que aun perteneciendo a los otros dos grupos, interesa destacar por separado por la gran importancia que en ellos tiene la templabilidad.