República Bolivariana de Venezuela Universidad Católica Andrés Bello Facultad de Ingeniería Escuela de Industrial Laboratorio de Fisicoquímica Profesor Abraham Serruya
PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL ACERO
Autores: Guldris, Emilio. Kerdel Matos, María Isabel.
Caracas, Octubre de 2008.
INTRODUCCIÓN. Un material usado comúnmente para servir como refuerzo, por su gran ductibilidad y resistencia a la tracción, es el acero. Este material ampliamente utilizado en la construcción de estructuras, en su definición mas mas ampl amplia ia es una una alea aleaci ción ón de hier hierro ro y carb carbon ono, o, conf confor orma mabl ble e en cali calien ente te y que que pued puede e tene tenerr pres presen ente te,, en form forma a inte intenc ncio iona nall o no, no, pequeñas cantidades de otros elementos. Según la norma COVENIN 803, “Aceros. Definiciones y clasificación”, se encuentra definido como: El acer acero o es toda toda ale aleació ación n de hier hierro ro-c -car arbo bono no,, capa capaz z de ser ser deformado deformado plásticamente; con tenores mínimo y máximo de carbono del orden orden de 0,008 0,008% % y 2,0% 2,0% respec respectiv tivame amente nte,, pudi pudiend endo o conten contener er otro otros s elementos de aleación, así como también impurezas provenientes del proceso de fabricación. T Tam ambi bién én exis existe ten n acer aceros os al carb carbon ono o comu comune nes, s, cuyo cuyo prin princi cipa pall elemen elemento to aleant aleante e es el carbo carbono no y contie contiene ne manga mangane neso so hasta hasta 1,0% 1,0% máxi máximo mo.. Dent Dentro ro de este este grup grupo o se cons consid ider eran an los los que que tien tienen en bajo bajo conten contenid ido o de carbo carbono no (C≤0,2 (C≤0,25% 5%), ), con con medio medio conte contenid nido o de carbo carbono no (0,250,50%). Exi Existen sten otro otros s acer aceros os deno denomi mina nado dos s ale aleados ados que que cont contie iene nen n elementos de aleación en porcentajes superiores superiores a los establecidos para el acero al carbono, esto con la finalidad de atribuirle determinadas propiedades particulares. Todos los aceros contienen carbono pero se utiliza el término de acero al carbono para referirse a las aleaciones cuyas propiedades están básicamente determinadas por los contenidos de carbono y manganeso. En los aceros aliados intervienen, de manera importante, otros elementos como: Cromo, Vanadio, Niobio o Molibdeno. En la Industria Venezolana el acero se utiliza principalmente en la Industria Laminadora y de la Construcción, pero si a sus usos generales se refi refier ere, e, el acer acero o esta esta en el orig origen en de la infi infini nida dad d de prod produc ucto tos s ela elaborados por la industr stria humana ana, desd esde lo micr icroscó scópico (micromotores de relojes) hasta lo gigantesco (un edificio); por esto la importancia del estudio de la obtención y manejo del acero.
PRODUCCIÓN DEL ACERO.
La materia prima para la elaboración del acero es el mineral de hierro, que se extrae, directamente de las minas naturales. El mineral está constituido por una parte no metálica, que se desecha, y por una metálica con base de oxido de hierro, además de otras impurezas como: Azufre, Fósforo y otros. El contenido de hierro del mineral, suele estar entre el 35% y 65%. También el proceso general de la producción de aceros consiste básicamente en la transformación de chatarra ferrosa en acero, de la misma forma a partir de briquetas de hierro.
ACERÍA. Sí la materia prima es directamente el hierro extraído de las minas naturales el proceso es el siguiente: Reducción de hierro Este mineral no se usa directamente para fabricar fabricar acero, si no que requiere una preparación para enriquecer su contenido de hierro. La preparación puede incluir fase de: Selección, trituración, sinterización y peletización. El siguiente paso en el proceso es la reducción o sustracción del oxígeno, el cual puede realizarse en un alto horno, de donde se obtiene la fundi fundició ción n del arrabi arrabio. o. Tamb También ién se pued puede e efectu efectuar ar por por reduc reducció ción n dire direct cta, a, dond donde e la acci acción ón redu reduct ctor ora a la llev lleva a a cabo cabo un gas gas rico rico en hidrógeno y monóxido de carbono. De esto se obtiene un producto final que que pued puede e ser ser el hier hierro ro espo esponj nja a o una una briq brique ueta ta de alta alta dens densid idad ad,, consti constitui tuida da por por el materi material al reduc reducido ido,, aglo aglomer merado ado y comp compact actado ado en caliente. Fundición La sigu siguie ient nte e etap etapa a es la tran transfo sform rmac ació ión n del del hier hierro ro en acer acero: o: Procesos neumáticos como el proceso ácido de soplado de aire, o el básico con soplado de oxígeno; hornos eléctricos donde la electricidad genera genera el calor calor necesa necesario rio para para la fusió fusión, n, estos estos pued pueden en ser de arco arco eléctrico o de inducción. La carga metálica o materia prima que constituye en daño de fusión es diferente en cada proceso y esta formada por una o más de las
divers diversas as forma formas. s. De arrabi arrabio, o, hierr hierro o espon esponja ja,, briq briquet ueta a pre-r pre-red educi ucida, da, chatarra de hierro u otros.
Una vez efectu efectuad ada a la fundi fundició ción n y los ajuste ajustes s de afina afinamie miento nto y reducción, el acero líquido es vertido en un horno-cuchara de colado continuo para producir palanquillas de sección cuadrada y dimensiones variables.
Figura 1. Diagrama de flujo o proceso para la elaboración de Productos laminados en caliente.
Sí la materia prima utilizada es la transformación de la chatarra ferrosa en acero, entonces se realiza el siguiente proceso: La chatarra es recibida de los centros de acopio en las piletas donde se clasifica y almacena para ser colocada en las cestas de carga, se agregan al horno para empezar el proceso de fusión. Al fundirse totalmente la carga se procede a la operación de afino, proceso en el que que se efectú efectúa a los los ajuste ajustes s neces necesari arios os de compo composic sició ión n quím química ica para para cumplir con requerimientos requerimientos preestablecidos. preestablecidos. Efectuados estos ajustes, el acero acero líqui líquido do es vertid vertido o en la cucha cuchara ra de vacia vaciado do,, preca precalen lentad tada, a, y posteriormente vaciado en moldes o lingoteras.
Figura 2. Flujograma de Proceso de Producción del Acero, mediante acerías y laminaciones. laminaciones.
En la fabricación mas detallada del acero se deben cumplir las siguientes etapas: Carga Al ser llenada la cesta de carga en el área de piletas, se traslada la misma misma mediante mediante un carro carro llamado llamado carro carro portace portacesta, sta, directa directament mente e al horno, al llegar ahí se baja la cesta con una grúa y se carga el horno, previamente desconectado. Fusión Poste Posteri rior ormen mente te se conect conecta a el horn horno o y comie comienz nza a el proc proceso eso de fusión a través de una corriente de electrodos, es decir por el efecto de la intensidad generada, adicionalmente se inyecta oxígeno a través de una lanza para ayudar a la fusión. Afino Una vez fundida la totalidad de la chatarra se procede al afino de la colada con la finalidad de ajustar los contenidos de los principales elemen elemento tos s quím químico icos s que que la carac caracter teriza izan n (C, Mn, Mn, S, P). P). Para Para ellos ellos se dism dismin inuy uye e la corr corrie ient nte e de los los elec electr trod odos os,, se inye inyect cta a oxíg oxígen eno o y se agregan piedra caliza y cal para eliminar las impurezas. En esta fase se oxidan el Silicio y el Manganeso, se elimina parte del fósforo. Después
de que las reacciones culminan se toma una muestra de acero para analizarlo químicamente en un laboratorio. Mientras se realiza el análisis se retira del horno la primera escoria y se agrega nuevamente cal, con lo cual se forma una segunda escoria con características reductoras. Conocidos los resultados del análisis de la muestra se hacen los ajustes necesarios para llevar el acero al rango requerido, por lo cual se oxidará, recarburará o se agregará cal según el caso lo exija, se retira la escoria de nuev nuevo o y se toma toma una una segu segund nda a mues muestr tra. a. Una Una vez vez obte obteni nido dos s los los resul sultad tados se añaden ferr erroale aleaci aciones, se esper spera a su fusi fusió ón y homogenización. Vaciado. Ante Antes s de vacia aciarr el acer acero o en el horn horno o cuch cuchar ara, a, esta esta ha sido sido previame previamente nte calentad calentada, a, buscando buscando con esto evitar evitar el choque choque térmico térmico entr entre e el acer acero o y el reve revesti stimi mien ento to del del horn horno, o, pudi pudien endo do así así real realiz izar ar correctamente y sin pérdidas el llenado de los moldes. El horno cuchara se coloca sobre el carro de colado, con el cual se desplaza la cuchara a lo largo de la línea de las lingoteras y así poder hacer el vaciado del acero. Mientras se van llenando los moldes se coloca a cada uno antes de que solidifique solidifique el acero acero para poder poder desmoldear desmoldear de los lingotes. lingotes. Este desmo desmold lde e se reali realiza za al solid solidifi ificar carse se la perife periferi ria a del del lingo lingote te pero pero sin enfriarse demasiado para evitar la adherencia del lingote a la lingotera. Sien iendo el prod roducto cto fin final las pala alanquill illas y lingotes tes utili tiliz zada adas posteriormente para la laminación.
Figura 3. Diagrama de Proceso Acería. Insumos directos, indirectos y asociados, y desechos en cada proceso.
LAMINACIÓN.
Después de elaborarse el acero sólido en forma de palanquillas, obte obteni nido do por por cual cualqu quie iera ra de los los pro procedi cedimi mien ento tos s de fabr fabric icac ació ión, n, previamente previamente desarrollados, desarrollados, debe ser sometido sometido a un proceso proceso posterior posterior de laminación para llegar al producto terminado. El proceso de laminación esta basado en la propiedad que tienen los los acer aceros os de defo deform rmar arse se plás plásti tica came ment nte e en cali calien ente te,, que que es la deformación permanente producida por la aplicación de fuerza sobre la superficie del metal, con el objeto de producir una nueva forma. En este este proc proces eso, o, el mate materi rial al semi semiel elab abor orad ado o (pal (palan anqu quil illa las s y lingotes) es previamente calentado a temperaturas inferiores a la fusión, pero que harán posible su deformación plástica durante su paso entre los rodillos del tren de laminación que giran en sentidos opuestos y ejercen presión sobre la pieza. Al pasar entre estos rodillos, el material semielaborado aumenta de longitud y reduce su sección al tiempo que cambia su forma, originalmente cuadrada, por la del producto final. Este proceso partiendo de los productos semielaborados semielaborados consta de las las sigui siguient entes es fases: fases: Precal Precalen entam tamien iento to,, se intro introdu ducen cen al horno horno los los lingotes para ser empujados a través de las distintas áreas del horno hasta hasta alcan alcanzar zar la tempe temperat ratur ura a del del lamin laminado ado,, en este este mome momento nto son deslizados por la rampa de salida del horno; desbaste, por medio de unos brazos la barra es descargada sobre unos rodillos que la trasladan hacia otros brazos llamados cargadores para transformar la barra en secc seccio ione nes s mas mas pequ pequeñ eñas as;; lami lamina nado do se real realiz izan an mold moldea eado dos s de la pala palanq nqui uill lla a para para redu reduci cirr su secc secció ión n tras trasve vers rsal al hast hasta a la dese desead ada; a; enfriamiento, esta fase se realiza en la cama de enfriamiento que a su vez va conta contabil biliza izand ndo o el númer número o de barra barras s que que entran entran;; empa empaqu que e y amarre, en este proceso se indica el diámetro, de asignación y el grado del del mate materi rial al,, la long longit itud ud del del atad atado o y el núme número ro de piez piezas as que que lo conforman. Los productos de laminación en caliente pueden ser agrupados en tres grandes familias: 1) Plano Planos: s: Planc Planchas has y lamin laminas as para para la manu manufac factur tura a indu industr strial ial;; tambi también én son utiliz utilizado ados s para para reali realizas zas pieza piezas s estru estructu ctural rales es median mediante te proc proces esos os que que pued pueden en incl inclui uirr lami lamina naci ción ón en frío frío,, cort corte, e, dobl doblad ado o y soldadura. 2) Tubulares: son tubos sin costura, fabricados por extrusión
3) No planos: barras, perfiles y alambrón. Los perfiles tienen la sección transversal de varias geometrías; las mas usuales son: las de forma en I o llamadas también doble T, las de forma en U o C y las de forma en L o ángulos. El prod product ucto o final final del proce proceso so de lamin laminaci ación ón genera generalme lmente nte son barras, perfiles, pletinas, láminas, tubos, alambrón, entre otros.
Figura 4. Diagrama de Proceso Laminación. Insumos directos y desechos en cada proceso.
