Hierro y Acero: Obtención, Propiedades, Corrosión y Protección

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Hierro

El hierro es el segundo metal más abundante de la corteza terrestre, después del aluminio.

Estado natural

Materias primas (minerales):

  • Óxidos: Fe2O3 (hematites), Fe3O4 (magnetita)
  • Sulfuros: FeS2 (pirita)

Propiedades físicas

  • Punto de fusión (PF): 1539 ºC
  • Punto de ebullición (PE): 3235 ºC
  • Ferromagnetismo: electrones con espín paralelo
  • Se reblandece antes de fundir (600 ºC), por lo que no puede fundirse en la forja.

Propiedades químicas

  • Presenta actividad catalítica.
  • Se oxida fácilmente.
  • El hierro pirofórico se inflama espontáneamente.
  • A la temperatura del rojo (650 ºC) descompone el vapor de agua (→ H2).
  • Reacciones con ácidos:
    • Fe + HCl (diluido) → FeCl2 + H2
    • Fe + HNO3 (diluido) → Fe(NO3)2 + NH4NO3
    • Fe + HNO3 (concentrado) → Fe(NO3)3 + NO + H2O
    • Fe + HNO3 (muy concentrado) → no reacciona (pasivación)
    • Fe + H2O → pasivación
    • Fe + H2SO4 (concentrado) → pasivación

Obtención del hierro en el alto horno

Carga del alto horno

  • Mineral o materia prima (Fe2O3), triturado: 2 toneladas
  • Fundente: piedra caliza (CaCO3): 0,5 toneladas
  • Combustible: coque (carbón), 1 tonelada

Obtención del coque: se calientan hulla y antracita a una temperatura máxima de 1000 ºC, obteniéndose gases volátiles, líquidos (alquitrán) y un sólido (coque).

Funcionamiento del alto horno

Productos de salida: CO2 + CO + NO2 + cenizas + calor (Q) (6 toneladas).

  • Zona de deshidratación (300 ºC): pérdida de agua.
  • Zona de reducción indirecta:
    • 3 Fe2O3 + CO → 2 Fe3O4 + CO2
    • Fe3O4 + CO → 3 FeO + CO2
    • SiO2 + FeO → FeSiO3
  • Zona de reducción directa:
    • 3 Fe2O3 + C → 2 Fe3O4 + CO
    • Fe3O4 + C → 3 FeO + CO
    • SiO2 + FeO → FeSiO3
    • FeSiO3 + CaO (formado a 800 ºC) → CaSiO3 + FeO
  • A 1300 ºC: FeO + C → Fe + CO
  • Zona de fusión y carburación (1500 ºC): 3 Fe + C → Fe3C (cementita)
  • A 1500 ºC: salida de escoria (conglomerante de cemento).
  • A 1600 ºC: salida de arrabio (2,6 a 4,5 % C; 0,5 % Si y otros elementos: Si, P, Mn).

Reducción de impurezas:

  • P4O10 + C → CO + P4 (a partir del mineral)
  • SiO2 + C → CO + Si (a partir del mineral)

Fundiciones

Las fundiciones contienen carbono de dos formas:

  • C disuelto
  • C combinado (Fe3C)
    • a) Fundición gris: el carbono se encuentra como grafito.
    • b) Fundición blanca: Fe3C (gran dureza).

Propiedades

  • Punto de fusión (PF): 1100–1300 ºC
  • No son maleables.
  • No se pueden forjar.

Aplicaciones

  • Objetos de fundición.
  • Piezas resistentes a la corrosión y al desgaste.

Producción del acero

  1. Preparación de las materias primas: a) materias primas; b) planta de coque y subproductos.
  2. Reducción del mineral para obtener arrabio: alto horno.
  3. Fabricación del acero: acería de convertidores al oxígeno.
  4. Laminación del acero para obtener productos finales.

Afino

  • C (disuelto en Fe) + O2 → a alta temperatura → CO
  • Si + O2 → SiO2 (+ calizas) → escoria
  • Se introduce mena de hierro y chatarra (25 %) junto con Fe fundido (75 %).
  • C (fundición) + O2 → CO2 + acero

Tipos de acero según el contenido de carbono

  • Acero extradulce: 0,05 a 0,15 % C
  • Acero dulce: 0,15 a 0,4 % C
  • Acero semiduro: hasta 2 % C

Propiedades del acero

  • Punto de fusión (PF): variable según el % de C (a mayor C, menor temperatura).
  • Más fusible que el hierro puro.
  • Se reblandece antes de fundir (como el Fe).
  • Puede forjarse.
  • Puede templarse: calentar a 650 ºC y enfriar bruscamente. El templado consiste en fijar, a una temperatura baja, un estado estable obtenido a una temperatura elevada.

Aceros especiales

Elementos de aleación: Mn, Si, Ni, Cr, V, Mo, Co, P

  • Aceros al níquel (1–25 % Ni): resistencia y dureza superiores a los aceros ordinarios.
  • Aceros al cromo-níquel: gran tenacidad (placas de blindaje).
  • Aceros inoxidables (ej.: V2A: 18 % Cr, 8 % Ni):
    • Alta resistencia a los agentes químicos.
    • Alta resistencia a la corrosión (Cr2O3), especialmente en la industria química.
  • Aceros al cromo y wolframio: mantienen la dureza a temperaturas elevadas.

Formación de herrumbre

La herrumbre es el producto que se forma cuando el hierro se oxida (se corroe).

Mecanismo de formación de la herrumbre

  1. En la superficie: condensación de H2O (humedad) → película de agua + O2 y CO2.
  2. Formación de Fe(HCO3)2: Fe(II) → Fe(OH)(HCO3)
  3. Oxidación: Fe(OH)(HCO3) → Fe(III)(OH)2(HCO3) → Fe(III)(OH)(HCO3)2
  4. Sales → hidróxidos → deshidratación → óxidos: Fe(OH)3 → Fe2O3 + H2O

La herrumbre es una mezcla de óxidos, anhídridos e hidratos y carbonatos básicos de Fe(II) y Fe(III).

Propagación

Factores:

  • a) Fe(OH)3 es higroscópico (absorbe agua).
  • b) Fragilidad de la capa de herrumbre, que se desprende y deja expuesta nueva superficie.

Protección contra la corrosión

  1. Recubrimiento con una capa fina de un metal menos oxidable.
  2. Unión del metal a otro más activo que se oxide preferentemente (ánodo de sacrificio).
  3. Formación natural de una capa superficial de óxido (pasivación): la capa superficial se oxida y impide que la oxidación avance hacia el interior.
  4. Galvanizado: recubrimiento con Zn (baño en Zn fundido a unos 500 ºC).
  5. Pintura: capa protectora.