Proceso de Obtención del Hierro y del Acero.
Metalurgia extractiva: Producción del hierro y el acero.
En la actualidad, el acero, una forma purificada del mineral del hierro, se ha convertido en uno de los servidores más útiles de la humanidad. La naturaleza proporcionó las materias primas como son: mineral de hierro, el carbón mineral y la piedra caliza y el ingenio humano lo convirtió en un incontable número de productos.
El acero puede hacerse lo suficientemente duro como para cortar el vidrio, plegable como el que se encuentra en el sujetapapeles, flexible como el de los muelles, o lo bastante fuerte como para soportar un esfuerzo unitario de 3445 MPa. Puede estirarse para formar alambres de .02 mm de espesor o usarse para fabricar vigas gigantescas para construir edificios y puentes.
También es posible hacer que el acero sea resistente al calor, al frio, a la oxidación y a la acción de sustancias químicas.
Fabricación del arrabio (hierro de primera fundición).
El primer paso en la fabricación de cualquier hierro o acero es la producción del arrabio o hierro de primera fundición, en el alto horno. Con aproximadamente 40m de altura, es un enorme cascarón de acero recubierto con ladrillo resistente al calor. Una vez encendido, el alto horno es de producción continua, hasta que necesite renovarse la capa de ladrillo, o hasta que disminuya la demanda de arrabio.
El mineral de hierro, el coque y la piedra caliza se miden con todo cuidado y se transportan hasta la parte superior del horno en una vagoneta de concha. Cada ingrediente se descarga por separado en el horno a través del sistema de campana, formando capas de coque, piedra caliza y mineral de hierro, en la parte superior del horno. Una corriente continua de aire caliente,que proviene de las estufas cuyas temperaturas son de 650°C pasa por el tubo atizador y las toberas para hacer que el coque arda vigorosamente.
La temperatura en el fondo del horno alcanza los 1650°C o más. El carbono del coque se combina con el oxígeno del aire para formar monóxido de carbono, con lo que se elimina el oxigeno que contiene el mineral de hierro y se libera el hierro metálico. Éste fundido, escurre por la carga y se recoge en el fondo del horno.
El intenso calor funde también la piedra caliza, la cual se combina con las impurezas del mineral y del coque para formar una nata llamada escoria. Ésta también se cuela hasta el fondo de la carga y flota sobre al arrabio fundido.
Cada cuatro o cinco horas se sangra el horno y el hierro fundido, hasta 315 ton.
Fluye hacia una vagoneta para el metal fundido o de botella y se lleva a los hornos de aceración. A veces el arrabio se moldea directamente en lingotes cortos que se utilizan en las fundiciones para hacer piezas de hierro fundido.
La escoria se extrae a intervalos más frecuentes y se vierte en una vagoneta para escoria o cazo de colada y finalmente se utiliza para fabricar aislamiento de lana mineral, bloques para construcción y otros productos.
Funcionamiento y productos obtenidos.
Lingotes y colada continúa:
Para fabricar los diferentes objetos útiles en la industria metal metálica, es necesario que el hierro se presente en barras, láminas, alambres, placas, tubos o perfiles estructurales, los que se obtienen de los procesos de rolado.
El proceso de rolado consiste en pasar a un material por unos rodillos con una forma determinada, para que al aplicar presión el material metálico adquiera la forma que se necesita. El material metálico que se alimenta a los rodillos debe tener una forma determinada, esta forma se obtiene al colar en moldes el metal fundido que será procesado, a estos productos se les llama lingotes o lupias y pueden ser secciones rectangulares, cuadradas o redondas. Los lingotes
(Cilindros con un extremo menor que el otro) o lupias (lingotes de gran tamaño con secciones rectangulares) pueden tener desde 25 Kg. hasta varias toneladas, todo dependerá de para qué se van a utilizar y con qué tipo de rodillos se van a procesar.
Colada continúa.
Cuando se requiere un material de sección constante y en grandes cantidades se puede utilizar el método de la colada continua, el cual consiste en colocar un molde con la forma que se requiere debajo de un crisol, el que con una válvula puede ir dosificando material fundido al molde. Por gravedad el material fundido pasa por el molde, el que está enfriado por un sistema de agua, al pasar el material fundido por el molde frío se convierte en pastoso y adquiere la forma del molde. Posteriormente el material es conformado con una serie de rodillos que al mismo tiempo lo arrastran hacia la parte exterior del sistema. Una vez conformado el material con la forma necesaria y con la longitud adecuada el material se corta y almacena. Por este medio se pueden fabricar perfiles, varillas y barras de diferentes secciones y láminas o placas de varios calibres y longitudes. La colada continua es un proceso muy eficaz y efectivo para la fabricación de varios tipos de materiales de uso comercial.
Afino del Acero.
En los procesos de fabricación del acero, ¿se obtiene en la colada la calidad, pureza y composiciones deseadas? La respuesta a esta pregunta, en general, es no.
Cualquiera que sea el proceso de obtención del acero, siempre trae consigo la presencia de impurezas, gases, incrustaciones y segregaciones que hacen necesario la implementación de procesos de refinación posterior, comúnmente conocidos como “afino” del acero.
Aunque casi todo el hierro y acero que se fabrica en todo el mundo se obtienen a partir de arrabio producido en altos hornos, hay otros métodos de refinado del hierro que se han practicado de forma limitada. Uno de ellos es el denominado método directo para fabricar hierro y acero a partir del mineral, sin producir arrabio. En este proceso se mezclan mineral de hierro y coque en un horno de calcinación rotatorio y se calientan a una temperatura de unos 950 ºC. El coque caliente desprende monóxido de carbono, igual que en un alto horno, y reduce los óxidos del mineral a hierro metálico. Sin embargo, no tienen lugar las reacciones secundarias que ocurren un alto horno, y el horno de calcinación produce la llamada esponja de hierro, de mucha mayor pureza que el arrabio.
También puede producirse hierro prácticamente puro mediante electrólisis, haciendo pasar una corriente eléctrica a través de una disolución de cloruro de hierro. Ni el proceso directo ni el electrolítico tienen importancia comercial significativa.
Finalmente, las técnicas y procedimientos de refinación del acero, no se encuentran fácilmente en la literatura técnica, por cuanto constituyen secretos industriales, que son la base de la competitividad.
Los modernos métodos de producción del acero utilizan el arrabio como materia prima. El afino se efectúa por los siguientes métodos: convertidor (hogar abierto), proceso de inyección por oxígeno (soplado) y con horno eléctrico.
En el primer método el afino del arrabio se efectúa dentro de un gran recipiente revestido de una materia refractaria y con el fondo perforado. La colada a una temperatura de 1300 ºC se agrega al convertidor que se mantiene en posición horizontal que evita que el líquido alcance los orificios. El convertidor se endereza y comienza el soplado de aire una vez terminada la carga. Con esto se logra una temperatura de 1600ºC. El proceso con el convertidor es muy rápido y dura alrededor de 20 minutos.
Una desventaja de este método es que no permite un control muy exacto del producto. Aquí se emplean tres tipos de procesos: hierro fundido-chatarra, hierro
fundido-mineral y sólo con hierro fundido.
El método de soplado consiste en introducir un tubo al recipiente justo en la superficie del arrabio, insuflando oxígeno a gran presión, que permite una reducción rápida de los componentes lográndose así un afino en un corto tiempo y con buenos resultados de calidad del acero.
Recientemente ha alcanzado gran difusión el proceso de horno eléctrico, ya sea de arco o de inducción. Con este proceso se obtienen productos de alta calidad.
El horno eléctrico está constituido por un horno recubierto de una bóveda, es con frecuencia basculante para facilitar el vaciado y la colada. Se emplean hornos de, arco independientes, hornos de arco directo con solera conductora o sin ella, hornos de resistencia, hornos de inducción. Los hornos eléctricos alcanzan fácilmente las 80 toneladas de arrabio y algunos las 200 toneladas, y permiten la utilización de acero homogéneo y bien desoxidado. Otra ventaja que presentan es la de fácil control de temperatura; así mismo alcanzan rápidamente temperaturas elevadas.
También existe otro proceso para el afino que es el Dúplex, consistente en un primer afinado en el convertidor y luego se completa en el horno eléctrico.
Procesos Tecnológicos para la obtención del acero BOF, Horno
Eléctrico, Convertidores Bessemer, Thomas.
Una vez obtenido el arrabio o el hierro esponja (es de mayor pureza que el arrabio, producido en horno de calcinación y un alto horno) es necesario refinar al hierro para que se transforme en material útil para diferentes objetos o artefactos, o sea en hierro o acero comercial.
Principales procesos de los hierros y aceros comerciales.
Hornos Bessemer.
Es un horno en forma de pera que está forrado con refractario de línea ácida o básica. El convertidor se carga con chatarra fría y se le vacía arrabio derretido, posteriormente se le inyecta aire a alta presión con lo que se eleva la temperatura por arriba del punto de fusión del hierro, haciendo que este hierva.
Con lo anterior las impurezas son eliminadas y se obtiene acero de alta calidad.
Este horno ha sido substituido por el BOF.
Horno básico de oxígeno (BOF).
Es un horno muy parecido al Bessemer con la gran diferencia de que a este horno en lugar de inyectar aire a presión se le inyecta oxígeno a presión, con lo que se eleva mucho más la temperatura que en el Bessemer y en un tiempo muy reducido. El nombre del horno se debe a que tiene un recubrimiento de refractario de la línea básica y a la inyección del oxígeno. La carga del horno está constituida por 75% de arrabio procedente del alto horno y el resto es chatarra y cal. La temperatura de operación del horno es superior a los 1650°C y es considerado como el sistema más eficiente para la producción de acero de alta calidad. Este horno fue inventado por Sir Henrry Bessemer a mediados de 1800, sólo que como en esa época la producción del oxígeno era cara se inició con la inyección de aire, con lo que surgió el convertidor Bessemer.
Horno de arco eléctrico.
Por lo regular son hornos que sólo se cargan con chatarra de acero de alta calidad. Son utilizados para la fusión de aceros para herramientas, de alta calidad, de resistencia a la temperatura o inoxidables. Considerando que estos hornos son para la producción de aceros de alta calidad siempre están recubiertos con ladrillos de la línea básica.
Existen hornos de arco eléctrico que pueden contener hasta 270 toneladas de material fundido. Para fundir 115 toneladas se requieren aproximadamente tres horas y 50,000 kwh de potencia. También en estos hornos se inyecta oxígeno puro por medio de una lanza. Los hornos de arco eléctrico funcionan con tres electrodos de grafito los que pueden llegar a tener 760mm de diámetro y longitud de hasta 12m. La mayoría de los hornos operan a 40v y la corriente eléctrica es de 12,000 A. Estos equipos tienen un crisol o cuerpo de placa de acero forrado con refractario y su bóveda es de refractario también sostenida por un cincho de acero, por lo regular enfriado con agua. Para la carga del horno los electrodos y la bóveda se mueven dejando descubierto al crisol, en el que se deposita la carga por medio de una grúa viajera.
Estos equipos son los más utilizados en industrias de tamaño mediano y pequeño, en donde la producción del acero es para un fin determinado, como varilla corrugada, aleaciones especiales, etc.
Clasificación y aplicación del acero.
Metales ferrosos.
Las tres clases generales de metales ferrosos son el acero, el hierro fundido y el hierro forjado. Los metales ferrosos están constituidos principalmente por hierro, que es magnético. El acero es el metal ferroso más importante que se utiliza en el trabajo del taller mecánico.
Tipos de acero.
Acero al bajo carbono.
Comúnmente llamado acero de máquina, contiene de .10% a .30% de carbono.
Este acero, que se forja, se suelda y se maquina con facilidad, se emplea para hacer cosas como cadenas, remaches, pernos y tornillos, árboles o flechas, etc.
Acero de mediano carbono.
Contiene de .30% a .60% de carbono y se utiliza para forja pesada, ejes de vagones, rieles, etc.
Acero al alto carbono.
Por lo común llamado acero de herramientas, contiene de .60% a 1.7% de carbono y puede endurecerse y templarse. Los martillos, las barretas, etc., se hacen de acero con .75% de carbono. Las herramientas de corte, como las brocas, machuelos, escariadores, etc., se fabrican con acero que contiene de
.90% a 1.0% de carbono.
Aceros de aleación.
Son aquellos que tienen ciertos metales (como el cromo, el níquel, el tungsteno, el vanadio) agregados para darles determinadas características nuevas.
Mediante la adición de diversas aleaciones, el acero puede hacerse resistente al herrumbre, la corrosión, el calor, la abrasión, el choque y la fatiga.
Aceros de alta velocidad.
Contiene varias cantidades y combinaciones de tungsteno, cromo, vanadio, cobalto y molibdeno. Las herramientas hechas con estos aceros se utilizan para maquinar materiales duros a altas velocidades y para realizar cortes profundos.
Se notan las herramientas de corte de acero de alta velocidad por mantener una arista de corte a temperaturas a las que la mayor parte de los aceros se rompería.
Aceros de alta resistencia y baja aleación.
Contiene un máximo de carbono de .28% y cantidades pequeñas de vanadio,
columbio, cobre y otros elementos de aleación. Tienen una resistencia más alta que la de los aceros de mediano carbono y son menos caros que otros aceros de aleación. Estos aceros desarrollan una película protectora al exponerse a la atmósfera y como consecuencia no requieren pintarse.
Elementos químicos que se encuentran en el acero.
El carbono.
El acero puede variar del .01% al 1.7%. la cantidad de carbono determinará la fragilidad, dureza y resistencia del acero.
El manganeso.
En el acero al bajo carbono hace que el metal sea dúctil y que tenga buenas cualidades para ser doblado. En el acero alta velocidad lo hace más tenaz y eleva su temperatura crítica. Normalmente el contenido de manganeso varía de
.39% al .80%, pero puede ser mayor en algunos aceros especiales.
El fósforo.
Es un elemento indeseable que vuelve frágil al acero y reduce su ductilidad. En los aceros satisfactorios, el contenido de fósforo no debe ser mayor al .05%.
El silicio.
Se agrega silicio al acero para eliminar los gases y los óxidos, evitando así que el acero se vuelva poroso y se oxide. Asimismo vuelve al acero más duro y más tenaz. El acero al bajo carbono contiene alrededor del .20% de silicio.
El azufre.
Es un elemento indeseable, provoca la cristalización del acero (fragilidad en caliente) al calentar el metal hasta llevarlo a un color rojo. Un acero de buena calidad no debe contener más del .04% de azufre.
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