César Criollo / Scientific Paper
ANALISIS DEL DIAGRAMA HIERRO-CARBONO Y EL PROCESO DE ELABORACIÓN DEL ACERO César Ismael Criollo Arevalo1
Resumen
Abstract
En este documento se realizará un análisis del diagrama hierro-carbono y el proceso de fabricación del acero, el primer punto nos ayudara a entender el principio por el cual los materiales específicamente los aceros y hierros fundidos obtienen características únicas con diferentes porcentajes de hierro-carbono en su estructura, además que es lo que pasa al aumentar o disminuir el porcentaje de carbono en la aleación. El segundo punto nos ayudara a conocer como se fabrica el acero desde cero ya que muchas veces nosotros compramos el material que necesitamos pero no sabemos su procedencia y cuales fueron los tratamientos térmicos o químicos que ha sufrido el material en todo su proceso de elaboración.
This document presents an analysis diagram ironcarbon and the process of steelmaking be held, the first point will help us understand the principle by which materials specifically steels and cast irons get unique characteristics with different percentages of iron-carbon in its structure, which is also what happens to increase or decrease the percentage of carbon in the alloy. The second point will help us know how steel is made from scratch because many times we buy the material we need but do not know its origin and what were the thermal or chemical ch emical treatments has suffered material throughout its production process.
P alabras alabras Clave C lave:: Hierro, carbono, acero.
K eywords: ywords: Iron, carbon, steel.
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Estudiante de Ing. Mecatrónica, Universidad Politécnica Salesiana - sede Cuenca. 1
César Criollo / Scientific Paper
1. Introducción El hierro es el metal más utilizado por el hombre en los últimos tres mil años largos de su existencia. Esta supremacía se debe a la abundancia relativa de este elemento químico en la corteza terrestre, a la posibilidad del hierro de formar aleaciones, sobre todo con el carbono, de gran utilidad (acero y fundiciones) y a la posibilidad de modificar las propiedades de estas aleaciones por tratamientos térmicos. [1]
La aleación de hierro y carbono forma un compuesto que, dependiendo del tanto por ciento de carbono que contenga y de la temperatura la que está sometido, presenta estados alotrópico diferentes. Se podrá hacer una comparación con el agua que a más de 100 °C se encuentra en estado gaseoso, de cero a 100 °C está en estado líquido y si su temperatura es inferior a 0 °C, se encuentra en estado sólido. [2]
2. Marco referencial 2.1 Diagrama hierro-carbono
Figura 1. Diagrama de equilibrio del sistema binario hierro-carbono. Campo de existencia hierro-cementina y hierro-grafito. [1]
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El diagrama hierro-carbono es la representación del campo de estabilidad de las distintas fases en función de la temperatura y del porcentaje en carbono. Se obtiene principalmente mediante curvas de enfriamiento y mediante los ensayos metalográficos. Así se puede trazar el diagrama hierro-carbono representado en la figura 1. [1] Los aceros y los hierros fundidos están representados por el sistema hierro – carbono. El hierro comercialmente puro un tiene hasta el 0,008% de carbono, los aceros hasta 2,11% de carbono, y los hierros fundido hasta 6,67% de carbono, aunque la mayor parte de los hierros fundidos contienen menos de 4,5% de carbono. [3] El diagrama hierro-carbono presenta las siguientes particularidades: 1) La transformación alotrópica hierro α-hierro
γ. 2) La transformación peritéctica a 1492 °C, en la
cual el hierro δ (0,10 %C) reacciona con el líquido de (0,50 %C) para dar hierro γ (0,18 %C). 3) La transformación eutéctica que tiene lugar a 1130°C, en la cual el líquido de composición 4,3 %C se descompone en austenita de 2,06 %C y cementita (Fe3C). 4) La transformación eutectoide, la cual tiene lugar a 723 °C, corresponde a la transformación de la austenita de composición 0,8 %C en ferrita 0,025 %C y en cementita en forma del constituyente denominado perlita.[1]
2.1.1 Fases del diagrama hierro-carbono Las principales fases que se identifican en el diagrama hierro-carbono son las siguientes: Cementita: es un carburo de Hierro (C Fe3) cuyo contenido de carbono está entre el 6,67% por ciento y 93,33% del hierro. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros. Ferrita: es el hierro casi puro y puede contener otros elementos como impurezas, el fósforo Y el azufre; Es el más blando de todos los constituyentes. Es muy tenaz.
Perlita: es un constituyente que está formado por mezcla de hierro y carburos de hierro (cementita con un 13,5% y perlita con un 86%). Contiene un 0,9% de carbono y es el más resistente al desgaste. Austetina: es un constituyente que está en todo s los aceros, pues su cantidad de carbono puede variar del 0,5% por ciento al 1,65%; Dada esta circunstancia es un componente que se encuentra de forma variable. Se obtiene generalmente enfriando rápidamente, es resistente al desgaste. Ledeburita: es del constituyente típico de los aceros templados, se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros cuando están calientes; su contenido de carbono es del 1%. Es una solución de ferrita y cementita. [4]
2.2 Producción hierro-acero 2.2.1 Materias primas Los tres materiales básicos que se utiliza en la fabricación de hierro y acero son el mineral de hierro, la piedra caliza y el coque. Una vez que se extrae de la mina, en mineral se tritura en finas partículas, se le retiran las impurezas por diversos medios y se les da la forma de pellets, bolas o briquetas, mediante agua y diferentes aglutinantes. El coque se obtiene de grados especiales de carbón bituminoso, que se calienta en hornos verticales a temperaturas de hasta 1150 °C Y después se enfrían con agua en torres de enfriamiento. La función de la piedra caliza es retirar impurezas de hierro fundido, pues reacciona químicamente con ellas y actúa como fundente, lo cual hace que se fundan a baja temperatura. La piedra se combin a con las impurezas y forma una escoria, que flota sobre el metal fundido y se retira después.
2.2.2 Fabricación del hierro Las tres materias primas descritas antes se transportan hasta la parte superior de un alto horno Y se depositan dentro de el. Este es básicamente un gran cilindro de acero revestido con ladrillo refractario. La mezcla de carga se funde en una reacción a 1650 °C con el aire precalentado a unos 1100 °C e inyectando dentro del horno mediante boquillas. La reacción básica es la del oxígeno con el carbono para producir monóxido de carbono, que 3
a su vez reacciona con el óxido de hierro y lo reduce a hierro. El metal fundido se acumula en el fondo del alto horno, mientras que las impurezas flotan arriba de él. Hay intervalos de cuatro a cinco horas, se extrae el metal en carros olla, con hasta 160 toneladas de hierro fundido cada uno de ellos. El metal fundido en esta etapa se llama arrabio o hierro cochino, o simplemente metal caliente; tiene una composición característica de 4% de C, 1.5% de Si, 1% de Mn, 0.04% de S, 0.4% de P, y el resto el hierro puro. La palabra cochino proviene de las prácticas iniciales de verter el metal fundido en pequeños moldes de arena arreglados como una camada de cochinos alrededor de un canal principal. El metal solidificado se utiliza después para fabricar hierro y aceros.
4. Conclusiones Con el trabajo realizado hemos aprendido sobre la información que nos da el diagrama hierrocarbono, además de todo el proceso que se n ecesita para la obtención de aceros, este ultimo tema debe ser conocido de manera general por un ingeniero con eso he concluido que se necesita tener un conocimiento muy claro del diagrama ya que en un futuro nosotros diseñaremos mecanismos para lo cual necesitamos saber de que material los vamos a realizar dependiendo las utilidades que este tenga y las características que nuestro mecanismo requiera.
Referencias [1] P. Molera Sola , Tratamientos te rmicos de los ́ ́ metales. Barcelona: Marcombo, 1991. [2] E. Dom nguez and J. Ferrer, Mecanizado ́ basico. Madrid: Editex, 2010, p. 146. [3] [1]S. Kalpakjian, S. Schmid and G. Sa nchez ́ Garc a, Manufactura, ingenier a y tecnolog a, ́ ́ ́ 4th ed. Me xico, D.F.: Pearson Educacio n, ́ ́ 2002, p. 109. [4] M. Salán Ballesteros, Tecnología de proceso y transformación de materiales. Barcelona: Universidad Politécnica de Cataluña, 2005, p. 62.
2.2.3 Proceso de aceración El proceso de fabricación del acero consiste fundamentalmente en refinar el arrabio reduciendo el porcentaje de manganeso, Silicio, carbono y otros elementos mediante el control de la composición del producto con la adición de varios elementos. El metal fundido que produce el alto horno se transporta a uno de los tres tipos de hornos: de hogar abierto, eléctrico o básico de oxígeno. [2]
3. Resultados y Discusión Se ha podido estudiar los principales cambios que se da en el diagrama hierro carbono desde el hierro puro hasta los hierros fundidos, los cuales se dan al aumentar o disminuir la cantidad de carbono en la aleación, además de las diferentes fases que se dan al aumentar la temperatura. El segundo punto estudiado fue el proceso que se necesita para la obtención del acero que en general se da inicialmente por tres materias primas que son la piedra caliza, el hierro y el coque. Cada una de estas materias primas cumple una función muy importante para la obtención del acero el cual se puede obtener en tres diferentes tipos de hornos pero los mas comunes son el eléctrico y el básico de oxígeno actualmente.
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