Materiales Ferrosos

LOS METALES FERROSOS

Los metales son aleaciones que se encuentran en la corteza terrestre en forma de minerales.

Definición de Mineral: Combinación química espontánea de varios elementos de origen inorgánico.

La producción de metales a partir de los minerales es la METALURGIA. Las excepciones son el oro, la plata y el platino que se encuentran en estado libre en la naturaleza.

Definición de Metal Ferroso Los metales ferrosos son aquellos que están basados en el hierro, entre los de mayor importancia son el hierro y el carbono. Estas aleaciones se dividen en dos grupos: los aceros y las fundiciones de hierro.

Tenor de Carbono:

• Mayor a 2%: hierro de fundición
• Menor a 2%: acero.

HISTORIA

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 continúan siendo esenciales para producir acero a partir de mineral de hierro.

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 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.

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).

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.

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.

Preparación de la carga

Las proporciones de materia prima que se introducen en el horno alto son:

  Mineral de hierro.......................... 2Tm   Carbón de coque........................... 1Tm   Fundente (piedra caliza)............... 1/2Tm

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.

La caliza (fundente) reacciona químicamente con las impurezas formando la escoria, que flota sobre el hierro fundido, por el agujero, llamado bigotera o piquera de escoria, se extrae. Esta escoria se utiliza como fertilizante, ya que es muy rica en potasio, y en la fabricación de cementos.

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.

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.

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.

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.

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:

• 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.

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.

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 del material a laminar está entre 800 y 1250 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.

• Tren de bandas en caliente

Aquí se emplean los slabs para obtener chapa de distintos tamaños y espesores. Con objeto de mejorar las características de la chapa fabricada, se suele introducir en un tren de laminación en frío.

PRODUCTOS FÉRREOS

Se llaman productos ferrosos o férreos aquellos que se derivan del hierro, siendo éste el elemento predominante.

En una primera clasificación podemos distinguir cuatro tipos de productos férreos, dependiendo del tanto por ciento de carbono que contenga la aleación.

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.)

Tratamientos térmicos

Estos producen sensibles modificaciones en las propiedades mecánicas.

• Recocido. Elimina defectos producidos en el enfriamiento. Se lleva el material hasta los 700º C, lo cual provoca fenómenos de recristalización.
• Temple. Calentamiento con enfriamiento rápido. Aumenta la atracción molecular interna.
• Bonificación. Se denomina así cuando a la operación de templado le sigue un proceso de calentamiento que elimina el estado tensional, reduce la dureza y eleva la resiliencia, el cual se conoce como Revenido.

Video Fabricacion acero a base de chatarrar