Producción y Transformación de Hierro y Acero: Materias Primas y Procesos Metalúrgicos

06 Feb

Por profesor
En Tecnología
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Materias Primas Fundamentales para la Producción de Hierro y Acero

Las materias primas esenciales son: el mineral de hierro, el carbón mineral (coque) y la piedra caliza.

Proceso de Obtención de Arrabio (Hierro de Primera Fundición)

El primer paso en la fabricación de cualquier hierro o acero es la producción de arrabio o hierro de primera fundición, que se realiza en el Alto Horno.

El Alto Horno

Es un enorme cascarón de acero recubierto con ladrillo resistente al calor, con una altura aproximada de 40 metros.
Es un proceso de producción continua.
El mineral de hierro, el coque y la piedra caliza se miden 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 en la parte superior.
Una corriente continua de aire caliente, proveniente de las estufas a temperaturas 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 o supera los 1650°C.
El carbono del coque se combina con el oxígeno, formando monóxido de carbono, el cual elimina el oxígeno que contiene el mineral de hierro, liberando el hierro metálico.
Este hierro fundido se escurre por la carga y se recoge en el fondo del horno.

Escoria

El intenso calor funde la piedra caliza, la cual se combina con las impurezas del mineral y del coque para formar una nata llamada escoria. Esta se utiliza para fabricar aislamiento de lana mineral, bloques de construcción, etc.

Etapas del Proceso del Mineral de Hierro

Extracción del mineral de hierro.
Transporte del mineral de hierro (MH).
Preparación del mineral: lavado, quebrado, cribado.
Proceso en el alto horno.
Separación de escoria y arrabio (la piedra caliza es el mismo insumo que el MH).

Proceso del Coque

Explotación del carbón.
(Etapa no especificada).
Preparación del mineral: refinado, calentado.
(Etapa no especificada).
(Etapa no especificada).

Principales Minerales Extraídos del Hierro

Hematita: (mena roja) 70% de H.
Magnetita: (mena negra) 72.4% de H.
Siderita: (mena café pobre) 48.3% de H.
Limonita: (mena café) 60-65% de H.

Elementos Fundamentales en la Producción de Hierro y Acero

Los cuatro elementos fundamentales son: mineral de hierro, coque, piedra caliza y aire.

Arrabio

Es acero de poca calidad; su contenido de carbono no está controlado y la cantidad de azufre es mayor de lo permitido en los hierros comerciales. Es el producto de un proceso conocido como la fusión primaria del hierro.

Procesos de Conformado del Metal

Proceso de Rolado (Laminación)

Consiste en pasar un material por unos rodillos con una determinada forma para que adquiera la forma necesaria a partir de presión. El material metálico pasa por los rodillos en una forma determinada, ya sea en lingotes o lupias.

Colada Continua

Se utiliza cuando se requiere un material de sección constante y en grandes cantidades. Se coloca un molde con la forma requerida debajo de un crisol, y una válvula dosifica el material fundido al molde, enfriado por un sistema de agua que vuelve el material fundido pastoso, adquiriendo la forma del molde. Luego, el material es conformado con una serie de rodillos y después es cortado y almacenado. Se pueden fabricar perfiles, varillas y barras de diferentes secciones, y láminas o placas de varios calibres y longitudes.

Metalurgia de Polvos

En este proceso no siempre se utiliza calor, y si se utiliza, debe mantenerse por debajo de la temperatura de fusión de los metales que se usan. Este método es más caro que la fabricación en forma sólida.

Sinterizado

Consiste en aplicar calor en el proceso subsecuente, generando partículas finas, lo que mejora la resistencia de los procesos y otras propiedades. Se pueden obtener metales como el cobalto, tungsteno o grafito.

El Proceso en Manera General (Metalurgia de Polvos)

Producción de polvos de los metales que serán utilizados en la pieza.
Mezclado de los metales participantes.
Conformado de las piezas por medio de prensas.
Sinterizado de piezas.
Tratamientos térmicos.

Características de los Polvos

Forma: Puede ser esférica, quebrada, dendrítica, plana o angular.
Finura: El tamaño de la partícula se mide por medio de mallas normalizadas, que consisten en cribas normalizadas, de entre 36 y 850 micras.
Distribución: Cantidades de los tamaños de partículas; tienen gran influencia en la fluidez, densidad y porosidad del producto final.
Fluidez: Se mide por una tasa de flujo a través de un orificio normalizado.
Propiedades Químicas: Característica de reacción ante elementos.
Compresibilidad: Relación entre el volumen inicial del polvo y el volumen de la pieza comprimida.
Densidad: Se expresa en kg/m³ y debe ser constante siempre.

Afino del Acero y Métodos de Refinación

El afino del acero implica procesos de refinación posterior. Existe un método donde se produce hierro y acero sin producir arrabio: se mezclan mineral de hierro y coque en un horno de calcinación rotatorio y se calientan a una temperatura de 950°C. Se produce el mismo proceso que en un alto horno de desprenderse el monóxido de carbono y reducir los óxidos del mineral de hierro, pero sin reacciones secundarias. El horno de calcinación produce la llamada espiga de hierro, que es de mayor pureza que el arrabio. También puede producirse hierro casi puro mediante electrólisis, pasando electricidad a través de una disolución de cloruro de hierro.

Métodos de Afino

Convertidor (Hogar Abierto)

Se efectúa dentro de un gran recipiente revestido de una materia refractaria con el fondo perforado.
Se trabaja a una temperatura de 1300°C.
Se mantiene en posición horizontal para evitar que el líquido alcance los orificios.
Una vez terminada la carga, el convertidor se endereza y comienza el soplado de aire, logrando una temperatura de 1600°C.
Este proceso dura alrededor de 20 minutos.

Soplado

Consiste en introducir un tubo al recipiente justo en la superficie del arrabio, insuflando oxígeno a gran presión, lo que provoca una reducción rápida de los componentes en poco tiempo.

Horno Eléctrico

Se obtienen procesos de alta calidad.
Está constituido por un horno recubierto de una bóveda y es basculante para facilitar el vaciado y la colada.
Alcanzan capacidades de 80 toneladas de arrabio y algunos hasta 200 toneladas.
Se tiene más control sobre la temperatura, alcanzando temperaturas más elevadas.

Procesos Tecnológicos para la Obtención del Acero (BOF, Horno Eléctrico, Convertidores Bessemer, Thomas)

Una vez obtenido el arrabio o el hierro espiga, es necesario refinar el hierro para que se transforme en material útil.

Hornos Bessemer

Es un horno en forma de pera forrado con refractario de línea ácida o básica.
Se carga con chatarra fría y se le vierte arrabio derretido.
Posteriormente, se inyecta aire a alta presión, lo que eleva la temperatura por encima del punto de fusión del hierro, haciendo que este hierva, eliminando las impurezas y obteniendo acero de alta calidad.

Horno Básico de Oxígeno (BOF)

Es muy parecido al Bessemer, con la gran diferencia de que en lugar de inyectar aire, inyecta oxígeno a presión, lo que eleva mucho más la temperatura que en el Bessemer y en un tiempo muy reducido.
La carga está constituida por 75% de arrabio procedente del alto horno y el resto es chatarra y cal.
La temperatura del horno es superior a los 1650°C.
Es considerado como el sistema más eficiente para la producción de acero de alta calidad.
Fue inventado por Sir Henry Bessemer a mediados del siglo XIX (1800).

Horno de Arco Eléctrico

Por lo regular, a estos hornos solo se les carga 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.
Existen hornos capaces de contener 270 toneladas de material fundido. Para fundir 115 toneladas se requieren aproximadamente 3 horas y 50,000 kWh de potencia.
También se inyecta oxígeno puro.
Estos hornos funcionan con 3 electrodos de grafito, los cuales pueden llegar a tener 760 mm de diámetro y longitudes de hasta 12 metros, y operan con 40V y 12,000A.

Clasificación y Aplicación del Acero

Metales Ferrosos

Son el acero, el hierro fundido y el hierro forjado.

Tipos de Aceros

A. Aceros al Bajo Carbono

Comúnmente llamado acero de máquina.
Contiene 0.10% a 0.30% de carbono.
Se forja, suelda y maquína con facilidad.
Se emplea para cadenas, remaches, pernos y tornillos, etc.

Acero de Mediano Carbono

Contiene 0.30% a 0.60% de carbono.
Se utiliza para forja pesada, ejes de vagones, rieles, etc.

A. Aceros al Alto Carbono

Llamado acero de herramientas; contiene de 0.60% a 1.7% de carbono y puede endurecerse y templarse.
Los martillos y las barretas se hacen de acero con 0.75% de carbono.
Las herramientas de corte, como las brocas, machuelos, escariadores, etc., se fabrican con acero que contiene de 0.90% a 1.0% de carbono (Ca).

A. de Aleación

Estos tienen ciertos metales como el cromo, níquel, tungsteno, vanadio, agregados.
Mediante la adición de diversas aleaciones, el acero puede hacerse resistente al derrumbe, la corrosión, el calor, la abrasión, el choque y la fatiga.

A. de Alta Velocidad

Tienen las mismas combinaciones de aleaciones que los anteriores.
Las herramientas hechas con estos aceros se utilizan para maquinar materiales duros a altas velocidades y para realizar cortes profundos.

A. de Alta Resistencia y Baja Aleación (HSLA)

Contiene un máximo de carbono de 0.28% y cantidades pequeñas de vanadio, columbio, cobre, etc.
Tienen una resistencia más alta que la de los aceros de mediano carbono y son menos caros.
Desarrollan una película protectora al exponerse a la atmósfera, por lo que no requieren pintarse.

Elementos que se Encuentran en el Acero

Carbono, manganeso, fósforo, silicio y azufre.

Etiquetas: Acero, Alto Horno, hierro, metalurgia, siderurgia