Hierro
El Hierro es un elemento metálico, magnético, maleable y de color blanco plateado. Tiene de número atómico 26 y es uno de los elementos de transición trans ición del sistema periódico. Fue descubierto en la prehistoria y era utilizado como adorno y para fabricar armas; el objeto más antiguo, aún existente, es un grupo de cuentas oxidadas encontrado en Egipto, y data del 4000 a.C. El término arqueológico edad del hierro se aplica sólo al periodo en el que se extiende la utilización y el trabajo del hierro. El procesado moderno del hierro no comenzó en Europa central hasta la mitad del siglo XIV. Es blando, maleable y dúctil. Se magnetiza fácilmente a temperatura ordinaria; es difícil magnetizarlo en caliente, y a unos 790 °C desaparecen las propiedades magnéticas. Tiene un punto de fusión de unos 1.535 °C, un punto de ebullición de 2.750 °C y una densidad relativa de 7,86. Su masa atómica es 55,845. El metal existe en tres formas alotrópicas distintas: hierro ordinario o hierro-a (hierro-alfa), hierro-g (hierro-gamma) y hierro-d (hierro-delta). La disposición interna de los átomos en la red del cristal varía en la transición de una forma a otra. La transición de hierro-a a hierro-g se produce a unos 910 °C, y la transición de hierro-g a hierro-d se produce a unos 1.400 °C. Las distintas propiedades físicas de las formas alotrópicas y la diferencia en la cantidad de carbono admitida por cada una de las formas desempeñan un papel importante en la formación, dureza y temple del acero. Químicamente el hierro es un metal activo. Se combina con los halógenos (flúor, cloro, bromo, yodo y astato) y con el azufre, fósforo, carbono y silicio. Desplaza al hidrógeno de la m ayoría de los ácidos débiles. Arde con oxígeno formando tetróxidotriférrico (óxido ferrosoférrico), Fe3O4. Expuesto al aire húmedo, se corroe formando óxido de hierro hidratado, una sustancia pardorojiza, escamosa, conocida comúnmente como orín o herrumbre. La formación de orín es un fenómeno electroquímico en el cual las impurezas presentes en el hierro interactúan eléctricamente con el hierro metal. Se establece una pequeña corriente en la que el agua de la atmósfera proporciona una disolución electrolítica. El agua y los electrólitos solubles aceleran la reacción. En este proceso, el hierro metálico se descompone y reacciona con el oxígeno del aire para formar el orín. La reacción es más rápida en aquellos lugares donde se acumula el orín, y la superficie del metal acaba agujereándose. agujereándose. Al sumergir hierro en ácido nítrico concentrado, concentrado, se forma una capa de óxido que lo hace pasivo, es decir, no reactivo químicamente con ácidos u otras sustancias. La capa de óxido protectora se rompe fácilmente golpeando o sacudiendo el metal, que vuelve así a ser activo. La siguiente imagen ilustra la oxidación del hierro. La mayor parte del hierro se utiliza en formas sometidas a un tratamiento especial, como el hierro forjado, el hierro colado y el acero. Comercialmente, el hierro puro se utiliza para obtener láminas metálicas galvanizadas y electroimanes. Los compuestos de hierro se usan en medicina para el tratamiento de la anemia, es decir, cuando desciende la cantidad de hemoglobina o el número de glóbulos rojos en la sangre. Según estimaciones para 2000, la producción anual de hierro se situaba en torno a los 1.010 mi llones de toneladas.
REVESTIMIENTOS DEL HIERRO. (SUS CLASES). Antes de proceder a tratamiento alguno, es necesario limpiar el hierro de toda oxidación por medio de cepillos metálicos, o sometiéndole al chorro de arena, igualmente se puede hacer con ácidos, y se denomina decapado; es preciso después aclararlos con agua de cal y secarlos bien, posteriormente se les tratara con algunos de los sistemas que en este capítulo se indican. Los procedimientos más empleados son los recubrimientos metálicos obtenidos por inmersión y las pinturas; entre los primeros figuran: y
Galvanizado:
Se obtiene recubriendo con una ligera capa de zinc los elementos metálicos.
Se emplea, generalmente, para recubrir chapas negras, que reciben el nombre de galvanizadas. y
Estañado: Recubriendo con una ligera película de estaño, el hierro que protegido, pero aun siendo pequeña las deficiencias en forma de grietas que pueda presentar este recubrimiento, es suficiente para ser atacado nuevamente de oxidación; por este motivo, no se emplea en la protección de los elementos ferrosos en las construcciones metálicas.
Entre las pinturas, están las siguientes: y
Pintura
al óleo: Resulta muy adecuada para proteger al hierro, se da en dos capas a base
de aceite de linaza y minio de plomo. La primera capa debe ser fluida para que no deje bolsas de aire, que al romperse dejarían otra vez al hierro sin protección. Es aconsejable que todos los elementos metálicos procedentes del taller vayan a la obra con la primera capa o imprimación, dándose la segunda en la obra. y
Pintura
de cemento al agua: Se obtiene formando una lechada de cemento puro y
aplicándose carias capas, tres a cuatro como máximo. y
Pintura
asfáltica: Se aplica a los elementos que han de quedar enterrados como postes,
tuberías, cámaras de cables, etc. Se emplean pinturas a base de asfalto y alquitrán en caliente. En la actualidad se emplean también emulsiones asfálticas que pueden diluirse con agua y, que una vez secas, son impermeables e inalterables a los agentes atmosféricos. Debido a la falta de protección adecuada, es frecuente ver manchas de óxidos en los cielos rasos de l os forjados de pisos que producen un efecto deplorable. PRO P IEDADES
y
DEL HIERRO EM PLEADO EN LA CONSTRUCCIÓN.
Densidad: La densidad aparente varía con la cantidad de carbono que contengan los diferentes productos siderúrgicos, aumentado a medida que disminuye su contenido de carbón.
y
Tracción: Como generalmente ocurre con todos los materiales empleados en la construcción, el acero dulce tiene más resistencia en el sentido longitudinal de sus fibras que en el transversal.
y
Compresión: Es el efecto mecánico que se produce en un cuerpo al que le ha sido aplicado un cuerpo. Ejemplo: el esfuerzo q que están sometidos los soportes en una construcción
y
Oxidación. El hierro al estar expuesto a los agentes atmosféricos, sobre todo al aire húmedo, se descomponen formando un oxido hidratados. La oxidación depende del contenido de carbono del material, aumentando al disminuir este: se deduce por tanto, que los aceros serán más propenso a la corrosión que el hierro dulce. La limonita y los minerales que la integran son los principales elementos propensos a la oxidación de los materiales ferrosos.
y
Orín. Se denomina así a la capa porosa que acelera la destrucción del hierro, siendo por tanto, necesario establecer los procedimientos adecuados para evitarla.
y
Protección
al incendio. Como revestimiento para proteger al hierro de la acción del fuego,
existen varios procedimientos. Uno de ellos consiste en aplicar una tela metálica rodeando al elemento a proteger y cubriéndolo después con una capa de hormigón. También da buen resultado el recubrir con una malla metálica recubierta de un revoco de yeso, añadiendo algún agregado ligero como amianto y vermiculita. Se emplea frecuentemente un aislamiento que consiste en proteger los elementos metálicos con placas de arcilla y ladrillos refractarios y al revoco de yeso correspondiente.
ELABORACION DEL HIERRO. El hierro empleado en construcción se obtienen por los procedimientos de laminación, forja y molde.
Predomina
el uso de los hierros laminados, como perfiles para vigas, viguetas, correas,
columnas, cabriadas, y como parte integrante del hormigón armado, en el cual se emplea en barras de sección redonda. Se aplica también y con muy variadas formas, en sinnúmero de casos (chapas lisas, y onduladas, carpintería metálica, etc.). y
Laminado: consiste en el estirado y comprensión del hierro por medio de dos cilindros que giran en sentido contrario y al igual velocidad, procedimiento que también permite aumentar la compacidad del metal. La máquina que trabaja con dos rodillos es llamado dúo. En ella cuando ha pasado el metal, se lo debe hacer pasar nuevamente entre los rodillos para repasarlos hasta conseguir el espesor conveniente, lo cual es largo y engorroso. Se trató de simplificarlo haciendo que los rodillos puedan invertir el sentido de la marcha, con lo cual se mejoró algo. La solución fue dada al colocar un tercer rodillo, trabajando a trío, con lo cual el metal pasa entre los dos primeros y se repasa entre el segundo y tercero sin interrumpir la marcha. El proceso de laminación requiere una serie de pasadas del metal por las laminadoras, tantas veces cuanto más complicados sean los perfiles. De acuerdo a dichos perfiles hay rodillos con su eje horizontal y otros vertical. Cuando se disponen escalonados y graduados los calibres, se compone de lo que se llama un tren de laminado. El hierro, como es de suponer, se lamina calentando al rojo; de esta manera va tomando las formas que le transmiten los rodillos, tratando de hacerlo antes de que se enfríe, en cuyo caso debe ser nuevamente calentado. Los cilindros afectan la forma que debe tener el hierro laminado. Así, por ejemplo, si se trata de una chapa ondulada, los cilindros laminadores tienen la forma y radio de la onda a fabricar; si es lisa, también lo son los cilindros. Para fabricar los alambres se emplean los rodillos de contacto, los cuales dejan solamente las ranuras cada vez menores por donde pasa el hierro al rojo blanco; el
diámetro mínimo que se obtiene es de 5 mm, y para obtener los de diámetro menor se parte de éstos, haciéndolos pasar por orificios troncocónicos cada vez más chicos y se van enrollando en carretes.
y
Forja. Consiste en dar forma por presión o golpes con el martillo, martinetes, máquinas especiales o bien simplemente con prensas. Los lingotes se calientan y se los somete a la acción de martinetes, los cuales elevando martillos por medio de vapor o aire comprimido, los dejan caer desde cierta altura, que depende, así como el peso del martillo, del trabajo a ejecutar. El forjado transmite al hierro una estructura compacta y fibrosa. Fundición o moldeo. Consiste en verter los metales al estado líquido en moldes, donde se enfrían y solidifican, conservando inalterablemente las formas que les dan dichos moldes. Los moldes son hechos con arenas refractarias húmedas, empleando moldeos de madera con la forma que debe tener la pieza a reproducir. Retirando el moldeo se vierte el metal, el cual llenará el espacio vació que viene a formar el negativo de la forma; luego se cubre con arena para evitar que se enfríe rápidamente, lo que podría rajarlo. Una vez frío, solidificado, se retira, quedando solamente una cara perfectamente lisa, la superior; las otras quedan rugosas, debido a los granos de arena. El uso de las fundición es menor hoy en día que de forja y laminado, pese al auge que tuvo en el pasado. Se usa exclusivamente para la fabricación de caños cloacales, rejillas, balcones y columnas de alumbrado. Los caños de fundición pueden moldearse horizontal o verticalmente; en esta última forma resultan mejores, porque el peso propio de la masa los hace más compactos, evitándose así las sopladuras, y resulta más fácil el manejo de moldes. Los caños se fabrican con sus extremos dispuestos para la conexión en forma de enchufe o cordón; los codos con curvas a 45° y a 90° con tapa de inspección, codos de apoyo y tapa de inspección para bajadas verticales, los ramales a 45° con tapa de inspección, todo en hierro fundido o colado, y a veces centrifugado. Las columnas de alumbrado se fabrican de una sola pieza cuando son chicas; las grandes, en tres partes: base, fuste y capitel.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS DEL HIERRO DUCTIL. La primera etapa de la mayoría de los tratamientos térmicos diseñados para cambiar la estructura y propiedades del hierro dúctil consiste en calentar y mantener en una temperatura entre 850-950 `C durante 1hs mas 1hs por cada 25 mm de espesor de sección, para homogeneizar el hierro. Cuando se presentan carburos en la estructura la temperatura debe ser aproximadamente 900950 `C, lo cual descompone los carburos previo a los siguientes pasos del tratamiento térmico. El tiempo puede extenderse de 6-8 hs si se presentaran elementos estabilizantes de carburos.
Para
fundiciones de forma compleja, donde pueden aparecer tensiones por un calentamiento no uniforme, el calentamiento inicial hasta 600 `C debe ser lento, preferentemente 50-100 `C/hs. Para
prevenir escamaduras y descarburización de la superficie durante esta etapa del tratamiento,
se recomienda que la temperatura en horno no-oxidante sea mantenida usando un horno sellado; puede ser requerida una atmósfera controlada. Deben tomarse más cuidados en fundiciones susceptibles a distorsión y evitar el apilamiento. Los tratamientos térmicos más importantes y sus propósitos son: Aliviamiento de tensiones, tratamiento a baja temperatura, para reducir o aliviar tensiones internas remanentes después de la colada. Recocido, para mejorar la ductilidad y tenacidad, para reducir dureza y remover carburos. Normalizado, para mejorar la resistencia con algo de ductilidad. Temple y revenido, para aumentar la dureza o mejorar la resistencia y una más alta tensión de prueba (sigma 0.2). Austemperizado, para producir estructuras bainíticas de alta resistencia con algo de ductilidad y buena resistencia al desgaste. Endurecimiento superficial por inducción, para mejorar resistencia al desgaste. Aliviamiento de tensiones: el objeto de este tratamiento térmico es remover tensiones residuales sin causar ningún cambio en la estructura y propiedades. Altas tensiones pueden presentarse después de la colada en fundiciones de hierro dúctil de forma compleja y pueden ser sustancialmente removidas mediante un tratamiento térmico a aproximadamente 500-600 `C. La fundición típicamente es calentada a 50`C por hora, de 200 a 600`C, mantenida a 600`C durante una hora por cada 25mm de espesor de sección más una hora y luego enfriada en el horno a 50`C por hora por debajo de los 200`C, después de lo cual la fundición puede ser enfriada al aire a temperatura ambiente. Esto es de suma importancia para asegurar que la tasa de calentamiento y enfriamiento sean lo suficientemente lentas para evitar shok térmicos y la formación de nuevas tensiones debidas a altos gradientes de temperatura en la fundición. El alivio de tensiones no es necesario para fundiciones recocidas, pero puede ser requerido para fundiciones perlíticas as-cast y para aquellas que han sido enfriadas al aire durante el normalizado. Recocido: el propósito principal del mismo es generar una estructura ferrítica y remover perlita y carburos, longrandose así la máxima ductilidad y tenacidad. El recocido puede ser usado para lograr propiedades específicas, como un 15% o más de elongación. El tratamiento puede tener variantes, pero los más comunes son el enfriamiento interrumpido, enfriamiento lento controlado y tratamiento en una sola etapa. Enfriamiento interrumpido: la primera etapa es homogeneizar el hierro como se ha descrito antes. Esto es seguido por un enfriamiento hasta 680-700 `C y mantenido a esta temperatura de 4-12 hs para desarrollar la ferrita. Cuanto mayor sea la pureza del hierro, mas corto será el tiempo requerido. Las fundiciones de forma sencillas pueden ser enfriadas en horno por debajo de los 650 `C y enfriadas al aire, pero las fundiciones complejas que pueden desarrollar tensiones residuales
deben ser enfriadas en horno de acuerdo a las recomendaciones mencionadas para el aliviamiento de tensiones. Enfriamiento lento controlado: la primer etapa es la homogenización como se ha dicho antes; esto es seguido por un enfriamiento a razón de 30-60 `C por hora desde los 800-650 `C. Hierros de más baja pureza requieren de tasas de enfriamiento más lentas. El enfriamiento a temperatura ambiente se lleva a cabo como el método interrumpido. Tratamiento de una sola etapa: la fundición es calentada desde la temperatura ambiente hasta los 680-700 `C, sin una austenización previa, es entonces mantenida a esta temperatura por 2-16 hs para que grafitice la perlita. El tiempo aumenta con la disminución de la pureza del metal, y generalmente es mayor que para los otros métodos debido a la falta de una homogenización previa. El enfriamiento a temperatura ambiente se lleva a cabo como en el método de enfriamiento interrumpido. Este tratamiento se aplica solo para quitar la perlita en hierros con carburo no eutéctico. Si el hierro contiene carburos debe usarse el método del enfriamiento interrumpido o el del enfriamiento lento controlado. Selección del tratamiento del recocido: los recocidos más rápidos se dan en los hierros de más alto contenido de silicio, bajo Mn, Cu, Sn, As y Sb, y generalmente bajo contenido de partículas de elementos menores. Si el hierro no contiene carburos cualquier método de los explicados se puede usar, pero para una óptima ductilidad debe elegirse el método de enfriamiento interrumpido. Debe remarcarse que con el tratamiento en una sola etapa los granos de ferrita en la estructura serán menores que para los otros tratamientos y también será menor la ductilidad y tenacidad. La temperatura de formación de ferrita de 680-700 `C, puede aumentarse con el aumento del contenido de silicio. El ciclo del recocido se puede variar para obtener estructuras de matrices mezcladas de perlita y ferrita, con una alta resistencia y ductilidad intermedia.
Un
marcado aumento de las dimensiones ocurre durante el recocido debido a la grafitización de la perlita y carburos. Normalizado: consiste en calentar las fundiciones a alta temperatura con lo cual éstas quedan completamente austenizadas, y cualquier carburo descompuesto, seguido por un enfriamiento al aire en una tasa que produce una matriz de fino grano perlítico con partículas de ferrita y libre de otros productos de la transformación. El normalizado puede aplicarse para conseguir resistencias de 700-900 Mpa, y para mejorar la relación entre el sigma 0.2 y la resistencia a la tracción. Un ciclo típico es como el siguiente: El primer paso del tratamiento es la homogenización. Las fundiciones son luego removidas del horno y enfriadas al aire a temperatura ambiente. La tasa de enfriamiento al aire a través de un rango de 780-650 `C debe ser lo suficientemente rápido para obtener una matriz completamente perlítica en la sección de la fundición que es tratada. Esto puede requerir el uso de un soplador de aire especialmente para secciones de mayor espesor. En algunos casos las fundiciones son suspendidas individualmente, agitadas o sacudidas sobre una criba, pero no solo depositadas sobre el piso ni en cestos u otros contenedores. Esto completa el ciclo. Para lograr una estructura sustancialmente perlítica, la m atriz de hierro debe ser saturada en carbono a la temperatura de austenizacion antes del enfriamiento al aire: esto se logra
instantáneamente si el hierro es sustancialmente perlítico as-cast. Si el hierro contiene una matriz de ferrita as-cast, se requiere un tiempo más largo a la misma temperatura o el mismo tiempo a una temperatura más alta para lograr la adecuada solución de carbono de los nódulos de grafito. Como mayor sea la tasa de enfriamiento, más fina será la perlita, la resistencia y la dureza aumentarán, y la elongación puede disminuir. Al aumentar la temperatura de austenización, la resistencia aumenta y disminuye la elongación, debido al alto contenido de carbono de la matriz. Los elementos que promueven la formación de perlita en la condición as-cast son: Mn, Cu, Ni y Sn, que acortan el tiempo requerido en el tratamiento y permiten obtener estructuras completamente perlíticas en secciones de grandes espesores. Temple y revenido: el hierro dúctil de alta resistencia, generalmente superior a 700 Mpa y con una baja elongación, se obtiene calentando hasta 875-925 `C, manteniendo esa temperatura por 2-4 hs o más si se requiere eliminar carburos, apagando en un baño de aceite para producir estructura de martensita, y luego revenido a 400-600 `C para producir una matriz de estructura de m artensita revenida. Deben tomarse recaudos para evitar fracturas complicadas en las fundiciones durante el apagado, esto se logra apagando en aceite caliente a, por ejemplo 100 `C, seguida por un enfriamiento final a temperatura ambiente. Este paso también puede hacerse apagando en aceite caliente a 200 `C y luego enfriando a temperatura ambiente, pero en baño de agua para obtener la estructura y propiedades deseadas. Para un buen temple, durante el apagado debe obtenerse una estructura completamente martensítica, y excepto para secciones muy delgadas, esto requiere de aleación con elementos que mejoran la templabilidad: Cu, Ni, Mn y Mo, aumentan la templabilidad con creciente eficiencia. El Cu puede ser usado con poca frecuencia en el hierro dúctil debido a su limitada solubilidad. Aun cuando el silicio aumenta la templabilidad en los aceros, tiene un efecto opuesto en el hierro dúctil disminuyendo la solubilidad del carbono, mientras que aumentando el contenido de carbono también disminuye ligeramente la templabilidad por el aumento de la cantidad de grafito en relación con el carbono en solución. En la práctica, el aumento de la templabilidad se logra por combinación de elementos aleantes. Las combinaciones listadas en la tabla siguiente son ejemplos que muestran los efectos del Mn, Ni y Mo, en el aumento de la templabilidad.
PRO PIEDADES
Propiedades
MECANICAS.
mecánicas a elevadas temperaturas. La resistencia a la tracción de los hierros dúctiles
perlíticos disminuye continuamente con el aumento de la temperatura y a los 400`C es aproximadamente 2/3 de la resistencia a temperatura ambiente.
Para
hierros ferríticos la
disminución es menos pronunciada y a los 400`C la resistencia es aproximadamente ¾ del valor a temperatura ambiente. El sigma 0.2%, tanto para hierros ferríticos como perlíticos, prácticamente se mantiene estable hasta los 350-400`C, por encima de esta temperatura falla rápidamente. La dureza en caliente se mantiene también hasta los 400`C, fallando por encima de este valor.
Para
temperaturas de hasta 300`C la tensión admisible en estructuras estáticas, como a temperatura ambiente, puede basarse sobre los valores del sigma 0.2% obtenidos a temperatura ambiente. A
temperaturas superiores a los 300`C las tensiones admisibles deben calcularse sobre datos de fluencia. Una pequeña cantidad de molibdeno mejora considerablemente las propiedades de resistencia y fluencia en caliente tanto para hierros ferríticos como para perlíticos. Las mejoras que se consiguen con el agregado de Mo permiten extender las propiedades de resistencia y fluencia hasta los 459`C. Propiedades
de tracción a bajas temperaturas. Como para las propiedades de impacto, hay una
temperatura por debajo de la cual la elongación a la tracción disminuye. El sigma 0.2% aumenta continuamente con el descenso de la temperatura, pero la resistencia a la tracción sufre una transición. Por encima del rango de temperatura de transición la resistencia a la tracción tiende a permanecer constante o aumentar, pero una vez pasada la temperatura de transición, la resistencia a la tracción disminuye. El silicio y el fósforo aumentan la temperatura de transición y reducen la resistencia en el rago dúctil. PRO PIEDADES
y
FÍ SICAS
Coeficiente de expansión térmica
Las características de expansión de las fundiciones de hierro son complejas debido a las transformaciones que tienen lugar en la solución, debidas a la precipitación del grafito, la grafitizacion de la perlita y la formación de austenita por encima de los 700`C. y
Resistencia a la corrosión
En algunas aplicaciones la resistencia a la corrosión del hierro dúctil es similar a la del hierro gris y frecuentemente superior a la de los aceros. Los tubos de hierro dúctil normalmente aplicados en cloacas, pueden ser protegidos por anodinado, revestido de zinc, cubiertas plásticas y, en algunos casos, revestido con poliuretano.
ACERO
El Acero es una aleación de hierro y carbono que contiene otros elementos de aleación, los cuales le confieren propiedades mecánicas especificas para su utilización en la industria metalmecánica. Aunque el Carbono es el elemento básico a añadir al Hierro, los otros elementos, según su porcentaje,
ofrecen
características
especificas
para
determinadas
aplicaciones,
como
herramientas, cuchillas, soportes, etc
ELEMENTOS DE ALEACION EN LOS ACEROS (COMPONENTES): Aluminio - Al: EL Aluminio es usado principalmente como desoxidante en la elaboración de acero. El Aluminio también reduce el crecimiento del grano al formar óxidos y nitruros. Azufre - S: El Azufre se considera como un elemento perjudicial en las aleaciones de acero, una impureza. Sin embargo, en ocasiones se agrega hasta 0.25% de azufre para mejorar la maquinabilidad. Los aceros altos en azufre son difíciles de soldar pueden causar porosidad en las soldaduras. Carbono - C: El Carbón - Carbono es el elemento de aleación más efectivo, eficiente y de bajo costo. En aceros enfriados lentamente, el carbón forma carburo de hierro y cementita, la cual con la ferrita forma a su vez la perlita. Cuando el acero se enfría mas rápidamente, el acero al carbón muestra endurecimiento superficial. El carbón es el elemento responsable de dar la dureza y alta resistencia del acero. Boro - B: El Boro logra aumentar la capacidad de endurecimiento cuando el acero esta totalmente desoxidado. Una pequeña cantidad de Boro, (0.001%) tiene un efecto marcado en el endurecimiento del acero, ya que también se combina con el carbono para formar los carburos que dan al acero características de revestimiento duro. Cobalto - Co: El Cobalto es un elemento poco habitual en los aceros, ya que disminuye la capacidad de endurecimiento. Cromo - Cr: El Cromo es un formador de ferrita, aumentando la profundidad del endurecimiento. Así mismo, aumenta la resistencia a altas temperaturas y evita la corrosión. El Cromo es un elemento principal de aleación en aceros inoxidables, y debido a su capacidad de formar carburos se utiliza en revestimientos o recubrimientos duros de g ran resistencia al desgaste, como émbolos, ejes, etc. Fósforo - P: Fósforo se considera un elemento perjudicial en los aceros, casi una impureza, al igual que el Azufre, ya que reduce la ductilidad y la resistencia al impacto. Sin embargo, en algunos tipos de aceros se agrega deliberadamente para aumentar su resistencia a la tensión y mejorar la maquinabilidad.
Manganeso - Mn: El Manganeso es uno de los elementos fundamentales e indispensables, esta presente en casi todas las aleaciones de acero. El Manganeso es un formador de austenita, y al combinarse con el azufre previene la formación de sulfuro de hierro en los bordes del grano, altamente perjudicial durante el proceso de laminación. El Manganeso se usa para desoxidar y aumentar su capacidad de endurecimiento. Molibdeno - Mo: El Molibdeno también es un elemento habitual, ya que aumenta mucho la profundidad de endurecimiento del acero, así como su resistencia al impacto. El Molibdeno es el elemento más efectivo para mejorar la resistencia del acero a las bajas temperaturas, reduciendo, además, la perdida de resistencia por templado. Los aceros inoxidables austeíticos contienen Molibdeno para mejorar la resistencia a l a corrosión. Nitrógeno - N: El Nitrógeno puede agregarse a algunos tipos de acero, para promover la formación de austenita. Níquel - Ni: Es el principal formador de austenita, que aumenta la tenacidad y resistencia al impacto. El Níquel se utiliza mucho en los aceros inoxidables, para aumentar la resistencia a la corrosión. El Níquel ofrece propiedades únicas para soldar Fundición. Plomo - Pb: El Plomo es un ejemplo de elemento casi insoluble en Hierro. Se añade plomo a muchos tipos de acero para mejorar en gran manera su maquinabilidad. Titanio - Ti: Básicamente, el Titanio se utiliza para estabilizar y desoxidar acero, aunque debido a sus propiedades, pocas veces se usa en soldaduras. Tungsteno - W: El Tungsteno se añade para impartir gran resistencia a alta temperatura. Vanadio - V: El Vanadio facilita la formación de grano pequeño y reduce la perdida de resistencia durante el templado, aumentando por lo tanto la capacidad de endurecimiento.
CLASIFICACIÓN DEL ACERO. Los diferentes tipos de acero se agrupan en cinco clases principales: aceros al carbono, aceros aleados, aceros de baja aleación ultrarresistentes, aceros inoxidables y aceros de herramientas. y
Aceros al Carbono. Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre .Entre los productos fabricados con aceros al carbono figuran máquinas, carrocerías de automóvil, la mayor parte de las estructuras de construcción de acero, cascos de buques, somieres y hojillas para el pelo.
y
Aceros Aleados. Estos aceros contienen una proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales. Estos aceros se emplean, por ejemplo, para fabricar engranajes y ejes de motores, patines o cuchillos de corte.
y
Aceros de Baja Aleación Ultrarresistentes. Esta familia es la más reciente de las cinco grandes clases de acero. Los aceros de baja aleación son más baratos que los aceros aleados convencionales ya que contienen cantidades menores de los costosos elementos de aleación. Sin embargo, reciben un tratamiento especial que les da una resistencia mucho mayor que la del acero al carbono.
Por
ejemplo, los vagones de mercancías
fabricados con aceros de baja aleación pueden transportar cargas más grandes porque sus paredes son más delgadas que lo que sería necesario en caso de emplear acero al carbono. Además, como los vagones de acero de baja aleación pesan menos, las cargas pueden ser más pesadas. En la actualidad se construyen muchos edificios con estructuras de aceros de baja aleación. Las vigas pueden ser más delgadas sin disminuir su resistencia, logrando un mayor espacio interior en l os edificios. y
Los Aceros Inoxidables: contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación, que los mantienen brillantes y resistentes a la herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la humedad o de ácidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos periodos a temperaturas extremas. Debido a sus superficies brillantes, en arquitectura se emplean muchas veces con fines decorativos. El acero inoxidable se utiliza para las tuberías y tanques de refinerías de petróleo o plantas químicas, para los fuselajes de los aviones o para cápsulas espaciales. También se usa para fabricar instrumentos y equipos quirúrgicos, o para fijar o sustituir huesos rotos, ya que resiste a la acción de los fluidos corporales. En cocinas y zonas de preparación de alimentos los utensilios son a menudo de acero inoxidable, ya que no oscurece los alimentos y pueden limpiarse con facilidad.
y
Aceros de Herramientas. Estos aceros se utilizan para fabricar muchos tipos de herramientas y cabezales de corte y modelado de máquinas empleadas en diversas operaciones de fabricación. Contienen volframio, molibdeno y otros elementos de aleación, que les proporcionan mayor resistencia, dureza y durabilidad.
PRO PIEDADES
MECÁNICAS DEL ACERO.
Resistencia al desgaste. Es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando esta en contacto de fricción con otro material. Tenacidad. Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir Fisuras (resistencia al impacto). Maquinabilidad. Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso de mecanizado por arranque de viruta. Dureza. Es la resistencia que ofrece un acero para dejarse penetrar. Se mide en unidades BRINELL (HB) ó unidades ROCKWEL C (HRC), mediante test del mismo nombre.
El hierro se produce silicato de calcio, llamado también escoria. El hierro y la escoria se separan por gravedad, ya que la escoria es menos densa y flota sobre el metal. El Acero es una mezcla de metales (aleación) formada por varios elementos químicos, principalmente hierro y carbón como componente minoritario(desde el 0,25% hasta el 1,5% en peso). El acero inoxidable se caracteriza por su alta resistencia a la corrosión. Es una mezcla de metales(aleación), formada por hierro p. Los cuatro tipos principales de acero inoxidable son: 1. Austenitic: es el tipo de acero inoxidable más usado, con un contenido mínimo de níquel del 7%. 2. Ferritic: tiene características similares al acero suave pero con mejor resistencia a la corrosión. El contenido en cromo varia del 12% al 17% en peso.3. Duplex: Es una mezcla del ferritic y austenitic. Incrementa su resitencia y ductilidad. 4. El acero inoxidable de Martensitic contiene cromo entre el 11 hasta el 13% , es fuerte y duro y resistencia moderada a la corrosión.
CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS SEGÚN NORMA UNE 36010: Clasificación de los aceros según NORMA U NE 36010: Serie
Grupo
Propiedades / Aplicaciones
Propiedades:
1 Aceros finos de construcción general
1. (Finos al carbono) 2 y 3. (Aleados de gran resistencia) 4. (Aleados de gran elasticidad) 5 y 6. (De cementación) 7. (De nitruración)
Son no aleados. Cuanto más carbono contienen son más duros y menos soldables, pero también más resistentes a los choques. Se incluyen también aceros con tratamientos térmicos y mecánicos específicos para dar resisténcia, elasticidad, ductabilidad, y dureza superficial. Aplicaciones: Necesidades generales de la ingeniería de construcción, tanto industrial como civil y comunicaciones.
Propiedades: Generalmente son aceros aleados
2 Aceros para usos especiales
3 Aceros
o tratados térmicamente. 1. (De fácil mecanización) Aplicaciones: 2. (De fácil soldadura) 3. (De propiedades Grupos 1 y 2: Tornillería, tubos y perfiles. magnéticas) Grupo 3: Núcleos de transformadores, motores 4. (De dilatación térmica de bobinado. específica) Grupo 4: Piezas de unión de materiales férricos 5. (Resistentes a la con no férricos sometidos a temperatura. fluencia) Grupo 5: Instalaciones químicas, refinerias y para altas temperaturas.
1. (Inoxidables) 2 y 3. (Resistentes al
Propiedades:
Basados en la adición de cantidades considerables de cromo y niquel, a
resistentes a la oxidación y corrosión
calor)
los que se suman otros elementos para otras propiedades más específicas. Resistentes a ambientes húmedos, a agentes químicos y a altas temperaturas. Aplicaciones: Grupo 1: Cuchillería, elementos de máquinas
hidráulicas, instalaciones sanitarias, piezas en contacto con agentes corrosivos. Grupos 2 y 3: Piezas de hornos emparrilados, válculas y elementos de motores de explosión y, en general, piezas cometidas a corrosión y temperatura.
Propiedades: Son aceros aleados con
tratamientos térmicos que les dan características muy particulares de dureza, tenacidad y resisténcia al desgaste y a la deformación por calor. 5 Aceros para herramientas
1. (Al carbono para herramientas) 2, 3 y 4. (Aleados para herramientas) 5. (Rápidos)
Aplicaciones: Grupo 1: maquinaria de trabajos ligeros en
general, desde la carpintería y agrícola, hasta de máquinas Grupos 2, 3 y 4: Para maquinaria con trabajos más pesados. Grupo 5: Para trabajos y operaciones de debaste y de mecanicación rápida que no requieran grran precisión.
Propiedades: Para
8 Aceros de moldeo
1. (Al carbono de moldeo de usos generales) 3. (De baja radiación) 4. (de moldeo inoxidables)
verter en moldes de arena, por lo que requieren cierto contenido mínimo de carbono que les dé maleabilidad. Aplicaciones: Piezas de formas geométricas complicadas, con características muy variadas. Estrictamente hablando no difieren de los aceros de otras series y grupos más que en su moldeabilidad.
ESTRUCTURA DEL ACERO . Las propiedades físicas de los aceros y su comportamiento a distintas temperaturas dependen sobre todo de la cantidad de carbono y de su distribución en el hierro. Antes del tratamiento térmico, la mayor parte de los aceros son una mezcla de tres sustancias: ferrita, perlita y cementita. La ferrita, blanda y dúctil, es hierro con pequeñas cantidades de carbono y otros elementos en disolución. La cementita, un compuesto de hierro con el 7% de carbono aproximadamente, es de gran dureza y muy quebradiza. La perlita es una profunda mezcla de ferrita y cementita, con una composición específica y una estructura característica, y sus propiedades físicas son intermedias entre las de sus dos componentes. La resistencia y dureza de un acero que no ha sido tratado térmicamente depende de las proporciones de estos tres ingredientes. Cuanto mayor es el contenido en carbono de un acero, menor es la cantidad de ferrita y mayor la de perlita: cuando el acero tiene un 0,8% de carbono, está por completo compuesto de perlita. El acero con cantidades de carbono aún mayores es una mezcla de perlita y cementita. Al elevarse la temperatura del acero, la ferrita y la perlita se transforman en una forma alotrópica de aleación de hierro y carbono conocida como austenita, que tiene la propiedad de disolver todo el carbono libre presente en el metal. Si el acero se enfría despacio, la austenita vuelve a convertirse en ferrita y perlita, pero si el enfriamiento es repentino la austenita se convierte en martensita, una modificación alotrópica de gran dureza similar a la ferrita pero con carbono en solución sólida. Tratamiento térmico del acero. El proceso básico para endurecer el acero mediante tratamiento térmico consiste en calentar el metal hasta una temperatura a la que se forma austenita, generalmente entre los 750 y 850 ºC, y después enfriarlo con rapidez sumergiéndolo en agua o aceite. Estos tratamientos de endurecimiento, que forman martensita, crean grandes tensiones internas en el metal, que se eliminan mediante el temple o el recocido, que consiste en volver a calentar el acero hasta una temperatura menor. El temple reduce la dureza y resistencia y aumenta la ductilidad y la tenacidad. El objetivo fundamental del proceso de tratamiento térmico es controlar la cantidad, tamaño, forma y distribución de las partículas de cementita contenidas en la ferrita, que a su vez determinan las propiedades físicas del acero. Hay muchas variaciones del proceso básico. Los ingenieros metalúrgicos han descubierto que el cambio de austenita a martensita se produce en la última fase del enfriamiento, y que la transformación se ve acompañada de un cambio de volumen que puede agrietar el metal si el enfriamiento es demasiado rápido. Se han desarrollado tres procesos relativamente nuevos para evitar el agrietamiento.
En el templado prolongado, el acero se retira del baño de enfriamiento cuando ha alcanzado la temperatura en la que empieza a formarse la martensita, y a continuación se enfría despacio en el aire. En el martemplado, el acero se retira del baño en el mismo momento que el templado prolongado y se coloca en un baño de temperatura constante hasta que alcanza una temperatura uniforme en toda su sección transversal. Después se deja enfriar el acero en aire a lo largo del rango de temperaturas de formación de la martensita, que en la mayoría de los aceros va desde unos 300 ºC hasta la temperatura ambiente. En el austemplado, el acero se enfría en un baño de metal o sal mantenido de forma constante a la temperatura en que se produce el cambio estructural deseado, y se conserva en ese baño hasta que el cambio es completo, antes de pasar al enfriado final. Hay también otros métodos de tratamiento térmico para endurecer el acero. En la cementación, las superficies de las piezas de acero terminadas se endurecen al calentarlas con compuestos de carbono o nitrógeno. Estos compuestos reaccionan con el acero y aumentan su contenido de carbono o forman nitruros en su capa superficial.
Producción del Hierro y el
Acero
El diagrama general de la fusión primaria del hierro integra a la mayoría de las actividades que se desarrollan en el proceso productivo. No se debe olvidar que los diagramas de flujo son una de las herramientas más utilizadas por los ingenieros industriales y que de manera automática los deben utilizar o elaborar.
El 90% de todos los metales fabricados a escala mundial son de hierro y acero. Los procesos para la obtención de hierro fueron conocidos desde el año 1200 ac. Los principales minerales de los que se extrae el hierro son: Hematita (merma roja)
70% de hierro
Magnetita (merma negra)
72.4% de hierro
Siderita (merma café pobre)
48.3% de hierro
Limonita (merma café)
60-65% de hierro
La mema café es la mejor para la producción de hierro, existen grandes yacimientos de este mineral en Estados Unidos y en Suecia. En todo el mundo se pueden encontrar g randes cantidades de pirita, pero no es utilizable por su gran contenido de azufre. Para
la producción de hierro y acero son necesarios cuatro elementos fundamentales:
Mineral de hierro Coque
Piedra
caliza
Aire Los tres primeros se extraen de minas y son transportados y prepararlos antes de que se introduzcan al sistema en el que se producirá el arrabio. El arrabio es un hierro de poca calidad, su contenido de carbón no está controlado y la cantidad de azufre rebasa los mínimos permitidos en los hierr os comerciales. Sin embargo es el producto de un proceso conocido como la fusión primaria del hierro y del cual todos los hierros y aceros comerciales proceden. A la caliza, el coque y el mineral de hierro se les prepara antes de introducirse al alto horno para que tengan la calidad, el tamaño y la temperatura adecuada, esto se logra por medio del lavado, triturado y cribado de los tres materiales.
El alto horno En general los altos hornos tienen un diámetro mayor a 8 m y llegan a tener una altura superior de los 60 m. Están revestidos de refractario de alta calidad. Los altos hornos pueden producir entre 800 y 1600 toneladas de arrabio cada 24 h. La caliza, el coque y el mineral de hierro se introducen por la parte superior del horno por medio de vagones que son volteados en una tolva. Para producir 1000 toneladas de arrabio, se necesitan 2000 toneladas de mineral de hierro, 800 toneladas de coque, 500 toneladas de piedra caliza y 4000 toneladas de aire caliente. Con la inyección de aire caliente a 550°C, se reduce el consumo de coque en un 70%. Los sangrados del horno se hacen cada 5 o 6 horas, y por cada tonelada de hierro se produce 1/2 de escoria.
Alto horno
Reducción directa del mineral de hierro Para
la producción del hierro también se puede utilizar el método de reducción directa, el que emplea agentes reactivos reductores como gas natural, coque, aceite combustible, monóxido de carbono, hidrógeno o grafito. El procedimiento consiste en triturar la merma de hierro y pasarla por un reactor con los agentes reductores, con lo que algunos elementos no convenientes para la fusión del hierro son eliminados. El producto del sistema de r educción directa es el hierro esponja que consiste en unos pelets de mineral de hierro los que pueden ser utilizados directamente para la producción de hierro con características controladas.
Diagrama de producción de hierro esponja
En el método de reducción directa para procesar 1000 toneladas de mineral de hierro, se requieren 491,000 metros cúbicos de metano y con ello se obtienen 630 toneladas de hierro esponja.
Diferentes procesos de producción de hierro y acero Una vez obtenido el arrabio o el hierro esponja es necesario refinar al hierro para que se transforme en material útil para diferentes objetos o artefactos, o sea en hierro o acero comercial. A continuación se presentan los principales procesos de fabricación de los hierros y aceros comerciales.
Otros métodos de refinado del hierro Aunque casi todo el hierro y acero que se fabrica en el mundo se obtiene a partir de arrabio producido en altos hornos, hay otros m étodos 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 en 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 ( véase Electroquímica) haciendo pasar una corriente eléctrica a través de una disolución de cloruro de hierro (II). Ni el proceso directo ni el electrolítico tienen importancia comercial sig nificativa. Proceso
de pudelado
El hierro dulce es un metal que contienen menos del 0.01% de carbono y no más de 0.003% de escoria. Para su obtención se requiere del proceso con ocido como pudelado, el que consiste en fundir arrabio y chatarra en un horno de reverbero de 230 kg, este horno es calentado con carbón, aceite o gas. Se eleva la temperatura lo suficiente para eliminar por oxidación el carbón, el silicio, y el azufre. Para eliminar todos los elementos diferentes al hierro, el horno de pudelado debe estar recubierto con refractario de la lí nea básica (ladrillos refractarios con magnesita y aluminio). El material se retira del horno en grandes bolas en estado pastoso y el material producido se utiliza para la fabricación de aleaciones especiales de metales. Existen otros procedimientos modernos como el llamado proceso Aston, en donde en lugar del horno de reverbero se usa un convertidor Bessemer con lo que se obtienen mayor cantidad de material.
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 al ta calidad. Este horno ha sido substituido por el BOF , el que a continuación se describe.
Horno básico de oxígeno (BOF) Es un horno muy parecido al Bessemer con la gran diferencia 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 i nventado 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, el que ya fue descrito.
Horno básico de oxígeno
Horno de hogar abierto Es uno de los hornos más populares en los procesos de producción del acero. Un horno de este tipo puede contener entre 10 y 54 0 toneladas de metal en su interior. Tiene un fondo poco profundo y la flama da directamente sobre la carga, por lo que es considerado como un horno de reverbero. Su combustible puede ser gas, brea o petróleo, por lo regular estos hornos tienen
chimeneas laterales las que además de expulsar los gases sirven para calentar al aire y al combustible, por lo que se consideran como hornos r egenerativos. Los recubrimientos de los hornos de hogar abrierto por lo regular son de línea básica sin embargo existen también los de línea ácida ((ladrillos con sílice y paredes de arcilla). Las ventajas de una línea básica de refractario, sobre una ácida son que con la primera se pueden controlar o eliminar el fósforo, el azufre, el silicio, el magnesio y el carbono y con la línea ácida sólo se puede controlar al carbono. El costo de la línea básica es mayor que el de la ácida. Los hornos de hogar abierto son cargados con arrabio en su totalidad o con la combinación de arrabio y chatarra de acero. El arrabio puede estar fundido o en estado sólido. La primera carga del horno tarda 10 h en ser fundida y estar lista para la colada, pero si se agrega oxígeno se logra tener resultados en menos de 7 h, además de que se ahorra el 25% de combustible.
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 l a 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.
Horno de arco eléctrico
Horno de refinación Estos hornos pueden ser de varios tipos, en r ealidad puede ser cualquier horno al que por medio de aire u oxígeno se obtenga hierro con carbón controlado, sin embargo se pueden mencionar dos de los hornos más conocidos para este fin.
Horno de inducción Utilizan una corriente inducida que circula por una bovina que rodea a un crisol en el cual se funde la carga. La corriente es de alta frecuencia y la bovina es enfriada por agua, la corriente es de aproximadamente 1000Hz, la cual es suministrada por un sistema de moto generador. Estos hornos se cargan con piezas sólidas de metal, chatarra de alta calidad o virutas metálicas. El tiempo de fusión toma entre 50 y 90 min, fundiendo cargas de hasta 3.6 toneladas. Los productos son aceros de alta calidad o con aleaciones especiales.
Horno de aire o crisol Es el proceso más antiguo que existe en la fundición, también se le conoce como horno de aire. Este equipo se integra por un crisol de arcilla y grafito, los que son extremadamente frágiles, los crisoles se colocan dentro de un confinamiento que puede contener algún combustible sólido como carbón o los productos de la combustión.
Los crisoles son muy poco utilizados en la actualidad excepto para la fusión de metales no ferrosos, su capacidad fluctúa entre los 50 y 100 kg.
Hornos de crisol para metales no ferrosos
Proceso
de crisol abierto
Cualquier proceso de producción de acero a partir de arrabio consiste en quemar el exceso de carbono y otras impurezas presentes en el hierro. Una dificultad para la fabricación del acero es su elevado punto de fusión, 1.400 ºC, que i mpide utilizar combustibles y hornos convencionales. Para superar la dificultad se desarrolló el horno de crisol abierto, que funciona a altas temperaturas gracias al precalentado regenerativo del combustible gaseoso y el aire empleados para la combustión. En el precalentado regenerativo los gases que escapan del horno se hacen pasar por una serie de cámaras llenas de ladrillos, a los que ceden la mayor parte de su calor. A continuación se invierte el flujo a través del horno, y el combustible y el aire pasan a través de las cámaras y son calentados por los ladrillos. Con este m étodo, los hornos de crisol abierto alcanzan temperaturas de hasta 1.650 ºC. El horno propiamente dicho suele ser un crisol de ladrillo plano y rectangular de unos 6 × 10 m, con un techo de unos 2,5 m de altura. Una serie de puertas da a una planta de trabajo situada delante del crisol. Todo el crisol y la planta de trabajo están situados a una altura determinada por encima del suelo, y el espacio situado bajo el crisol lo ocupan las cámaras de regeneración de calor del horno. Un horno del tamaño indicado produce unas 100 toneladas de acero cada 11 horas. El horno se carga con una mezcla de arrabio (fundido o frío), chatarra de acero y mineral de hierro, que proporciona oxígeno adicional. Se añade caliza co mo fundente y fluorita para hacer que la escoria sea más fluida. Las proporciones de la carga varían mucho, pero una carga típica podría consistir en 60.000 kg de chatarra de acero, 11.000 kg de arrabio frío, 45.000 kg de arrabio fundido, 12.000 kg de caliza, 1.000 kg de mineral de hierro y 200 kg de fluorita. Una vez cargado el horno, se enciende, y las llamas oscilan de un lado a otro del crisol a medida que el operario invierte su dirección para regenerar el calor. Desde el punto de vista químico la acción del horno de crisol abierto consiste en reducir por oxidación el contenido de carbono de la carga y eliminar impurezas como si licio, fósforo, manganeso y azufre, que se combinan con la caliza y forman la escoria. Estas reacciones tienen lugar mientras el metal del horno se encuentra a la temperatura de fusión, y el horno se mantiene entre 1.550 y 1.650 ºC durante varias horas hasta que el metal fundido tenga el contenido de carbono deseado. Un operario experto puede juzgar el contenido de carbono del metal a partir de su aspecto, pero por lo general se prueba la fundición extrayendo una pequeña cantidad de metal del horno, enfriándola y sometiéndola a examen físico o análisis químico. Cuando el contenido en carbono de la fundición alcanza el nivel deseado, se sangra el horno a través de un orificio situado en la parte trasera. El acero fundido fluye por un canal corto hasta una gran cuchara situada a ras de suelo, por debajo del horno. Desde la cuchara se vierte el acero en moldes de hierro colado para formar lingotes, que suelen tener una sección cuadrada de unos 50 cm de lado, y una longitud de 1,5 m. Estos lingotes la materia prima para todas las formas de fabricación del acero pesan algo menos de 3 toneladas. Recientemente se han puesto en práctica métodos para procesar el acero de forma continua sin tener que pasar por el proceso de fabricación de lingotes. Proceso
básico de oxígeno
El proceso más antiguo para fabricar a cero en grandes cantidades es el proceso Bessemer, que empleaba un horno de gran altura en forma de pera, denominado convertidor Bessemer, que podía inclinarse en sentido lateral para la carga y el vertido. Al hacer pasar grandes cantidades de
aire a través del metal fundido, el oxígeno del aire se combinaba químicamente con las impurezas y las eliminaba. En el proceso básico de oxígeno, el acero también se refina en un horno en forma de pera que se puede inclinar en sentido lateral. Sin embargo, el aire se sustituye por un chorro de oxígeno casi puro a alta presión. Cuando el horno se ha cargado y colocado en posición vertical, se hace descender en su interior una lanza de oxígeno. La punta de la lanza, refrigerada por agua, suele estar situada a unos 2 m por encima de la carga, aunque esta distancia se puede variar según interese. A continuación se inyectan en el horno miles de metros cúbicos de oxígeno a velocidades supersónicas. El oxígeno se combina con el carbono y otros elementos no deseados e inicia una reacción de agitación que quema con rapidez l as impurezas del arrabio y lo transforma en acero. El proceso de refinado tarda 50 minutos o menos, y es posible fabricar unas 275 toneladas de acero en una hora.
Acero de horno eléctrico En algunos hornos el calor para fundir y refinar el acero procede de la electricidad y no de la combustión de gas. Como las condiciones de refinado de estos hornos se pueden regular más estrictamente que las de los hornos de cri sol abierto o los hornos básicos de oxígeno, los hornos eléctricos son sobre todo útiles para producir acero inoxidable y aceros aleados que deben ser fabricados según unas especificaciones muy exigentes. El refinado se produce en una cámara hermética, donde la temperatura y otras condiciones se controlan de forma rigurosa mediante dispositivos automáticos. En las primeras fases de este proceso de refinado se inyecta oxígeno de alta pureza a través de una lanza, lo que aumenta la temperatura del horno y disminuye el tiempo necesario para producir el acero. La cantidad de oxígeno que entra en el horno puede regularse con precisión en todo momento, lo que evita reacciones de oxidación no deseadas. En la mayoría de los casos, la carga está formada casi exclusivamente por material de chatarra. Antes de poder utilizarla, la chatarra debe ser analizada y clasificada, porque su contenido en aleaciones afecta a la composición del metal r efinado. También se añaden otros materiales, como pequeñas cantidades de mineral de hierro y cal seca, para contribuir a eliminar el carbono y otras impurezas. Los elementos adicionales para la aleación se introducen con la carg a o después, cuando se vierte a la cuchara el acero refinado. Una vez cargado el horno se hacen descender unos electrodos hasta la superficie del metal. La corriente eléctrica fluye por uno de los electrodos, forma un arco eléctrico hasta la carga metálica, recorre el metal y vuelve a formar un arco hasta el siguiente electrodo. La resistencia del metal al flujo de corriente genera calor, que junto con el producido por el arco eléctrico funde el metal con rapidez. Hay otros tipos de horno eléctrico donde se emplea una espiral para generar calor.
