Metalurgia del Hierro y el Acero: Materias Primas y Métodos de Fabricación Siderúrgica

25 Oct

Por profesor
En Tecnología
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Materiales Ferrosos: Clasificación Fundamental

Los materiales ferrosos son aquellos cuyo constituyente principal es el hierro. Se clasifican en función de su porcentaje de carbono (C):

Aceros: Contenido de 0,03% a 1,76% de C.
Fundiciones: Contenido de 1,76% al 6,67% de C.

3. Materias Primas y Procesos Siderúrgicos

3.1. Materias Primas Esenciales

Mineral de Hierro

El mineral de hierro lleva mezclados:

La Mena o parte útil: óxidos de hierro.
La Ganga o parte no útil: sílices, cal, alúmina, etc.

Carbón de Coque

El carbón es la materia prima para obtener coque. Solo son aptas las hullas grasas y semigrasas de llama corta, con contenido en materias volátiles entre 22% y 30%, azufre <1% y cenizas <9%.

Misión del coque en el proceso siderúrgico:

Producir por combustión el calor necesario para la reacción de reducción (eliminar oxígeno) y fundir la mena dentro del horno.
Soportar las cargas en el alto horno.
Producir el gas reductor (CO) que transforma los óxidos en arrabio.

Obtención del Coque: Se obtiene calentando las hullas a temperaturas superiores a 1000 ºC.

Características de un buen coque:

Buena resistencia al aplastamiento.
Baja humedad (<3%).
Bajo contenido en azufre (<1%).
Bajo contenido en cenizas (<9%).
Alto poder calorífico (6500 – 8750 kcal/kg).
Mínimo contenido en fósforo y azufre (elementos que hacen frágil la fundición).

Fundentes

Su misión es:

Combinarse con la ganga y bajar su punto de fusión, para lograr que la escoria se encuentre fluida.
Combinarse con las impurezas, pasándolas a la ganga.

Los fundentes más utilizados son: sílice, caliza (carbonato cálcico) y la dolomía (carbonato magnésico).

La cantidad de fundente y su naturaleza deben establecerse con mucho cuidado, dependiendo de la naturaleza y composición de la ganga y la proporción de impurezas.

Reglas de combinación:

Si ganga ácida (SiO₂) → fundente básico (Al₂O₃, MgO, CaO).
Si ganga básica (MgO, CaO) → fundente ácido (SiO₂).
Si ganga neutra → fundente neutro (CrO).

Chatarra de Acero

La chatarra de acero es otra materia prima utilizada para la fabricación de acero.

Es el conjunto de piezas, partes metálicas, etc., de acero, inservibles y sin utilidad industrial.
Puede ser: reciclada, de transformación o de recuperación.

3.2. El Alto Horno

El alto horno es un horno de cuba formado por dos troncos de cono desiguales unidos por sus bases mayores.

La parte interior es de mampostería de ladrillos refractarios de 60-100 cm de espesor.
La parte exterior está revestida de plancha de acero reforzada con zunchos.

Partes del Alto Horno (de arriba abajo):

Tragante
Cuba
Vientre
Etalajes
Crisol

3.2.1. Proceso de Obtención del Arrabio

El proceso se desarrolla en diferentes zonas del horno:

En la parte superior de la cuba se produce el secado, precalentamiento y deshidratación (Tª 200 – 450ºC).
En la parte inferior de la cuba, se encuentra la zona de reducción (400 – 1200ºC).
En los etalajes se encuentran las zonas de carburación y fusión (1800ºC).
La ganga se combina con el fundente formando la escoria, que sale por la bigotera.
Por la piquera sale el arrabio.

3.2.2. Productos del Alto Horno

Arrabio: Producto principal del Alto Horno (90-95% de hierro). Puede ser de dos tipos:
- Hematites: Utilizado para piezas fundidas en molde.
- Básico: Utilizado para la fabricación de acero en convertidor soplado por oxígeno.
Escoria: Material de desecho que sobrenada el arrabio en el crisol, debido a su menor densidad. Sus aplicaciones son:
- Áridos para hormigón.
- Aislantes térmicos.
- Cementos.

4. Procedimientos de Obtención del Acero

Para la obtención del acero se utilizan como materias primas el arrabio líquido del alto horno y la chatarra de acero. Los procedimientos se diferencian en la forma y tipo de energía aportada:

Martin – Siemens
Bessemer – Thomas
Convertidor LD
Hornos Eléctricos

4.1. Procedimiento Martin – Siemens

Permite cargas de tipo sólido, líquido o mixto.
Permite distintos tipos de mezclas, obteniendo productos definidos.
La solera puede ser ácida, básica o neutra.
Según la proporción de gas-aire, se puede tener una atmósfera oxidante (para quemar o descarburar), reductora (para eliminar el oxígeno) o neutra (para mantener la temperatura).
Los gases del horno se hacen pasar por cámaras calentándolas; luego se invierte el sentido hacia otras cámaras frías. La corriente gaseosa atraviesa el horno en un sentido y otro alternativamente.

4.2. Convertidor Bessemer – Thomas

Permite descarburar la fundición gracias a una corriente de aire comprimido que atraviesa la masa de fundición líquida contenida en el convertidor.

El proceso consta de tres fases: llenado, soplado y vaciado.
El proceso se puede detener cerrando la entrada de aire.
El convertidor Bessemer utiliza revestimiento ácido, mientras que el Thomas utiliza revestimiento básico.

4.3. Convertidor LD (Linz-Donawitz)

El oxígeno se inyecta a alta presión (10-14 atmósferas) a través de un tubo refrigerado (la lanza).

Fases del proceso:

Carga
Soplado y afino
Colada o vaciado

4.4. Horno Eléctrico

Consiste en la fusión de chatarra por medio de una corriente eléctrica y el posterior afino del baño fundido. Hay dos tipos de hornos:

De Arco Eléctrico
De Inducción

Ventajas del Horno Eléctrico:

Fácilmente regulable.
Calentamiento rápido.
Se mantiene la temperatura a voluntad, alcanzando niveles muy elevados.
No hay gases de combustión (lo que implica menos impurezas).
El revestimiento interior puede ser ácido o básico (permitiendo distintos tipos de fundiciones).

4.5. Colada del Acero

El acero sale del horno en estado líquido y debe solidificarse. Existen varios métodos:

Vertiendo el acero sobre moldes de forma establecida (acero moldeado).
Colar el acero líquido sobre moldes prismáticos (lingoteras), para transformarlo luego por laminación o forja.
Colada continua del acero, obteniendo directamente el semiproducto deseado.

4.6. Obtención de Productos Comerciales

Aunque hay distintos caminos para obtener el acero sólido, es necesario transformarlo en productos comerciales. Esto se realiza por los siguientes procedimientos:

Laminación
Forja
Estampación
Moldeo

La laminación consiste en hacer pasar un material entre dos rodillos o cilindros que giran a la misma velocidad y en sentidos opuestos, y que reducen la sección transversal mediante la presión ejercida por estos.

Puede realizarse en frío o en caliente (800 – 1250º C).

5. Productos Siderúrgicos y sus Propiedades

Clasificación por Contenido de Carbono

Hierro Dulce: Hasta un 0,03% de C.
Aceros: 0,03 – 1,76 % de C.
Fundiciones: 1,76 – 6,67 % de C.
Grafito: >6,67 % de C.
Ferroaleaciones: Hierro + impurezas (elementos de aleación).

Fundiciones

Las fundiciones se clasifican según la forma en que se presenta el carbono:

Fundición Gris

Presenta el carbono (C) en forma de grafito laminar:

Funde a 1200º C.
Es tenaz, pero de poca dureza.
Soporta altas presiones y temperaturas sin dilatarse.

Fundición Blanca

Presenta el carbono en forma de carburo de hierro Fe₃C (cementita), de color blanco:

Funde a 1150º C.
Es muy dura, pero frágil.
Difícil de mecanizar debido a su dureza.

Otros Tipos de Fundiciones

Fundición Atruchada: Posee propiedades mezcla de las anteriores (gris y blanca).
Fundición Maleable Perlítica: Se obtiene mediante recocido a 900º C de la fundición blanca, produciendo su descarburación (de 2-4% a 1-1.5%), eliminando la fragilidad y aumentando la resistencia a tracción.
Fundición Maleable Blanca: El C de la cementita ha desaparecido total o parcialmente.
Fundición Maleable Negra: El C de la cementita precipita en copos de grafito.
Fundición de Grafito Esferoidal o Nodular: Obtenida por adición de Cerio o Magnesio (Mg).

Ferroaleaciones

Son productos siderúrgicos que contienen, además del hierro, uno o varios elementos que lo caracterizan. Se emplean como materia prima para procesos metalúrgicos:

Ferromanganesos
Ferrocromos
Ferrosilicios
Ferrovanadios
Ferroníquel
Ferrovolframio

Metalurgia de Polvos (Sinterizado)

Proceso formado por la unión entre sí de distintos tipos de polvos metálicos. Estos polvos se pueden comprimir en un molde a altas presiones y temperaturas, obteniéndose una masa compacta solidificada. El proceso se denomina sinterizado o metalurgia de polvos.

Etiquetas: Acero, Alto Horno, Arrabio, Fundiciones, hierro, metalurgia