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
- Preparación de las materias primas: a) materias primas; b) planta de coque y subproductos.
- Reducción del mineral para obtener arrabio: alto horno.
- Fabricación del acero: acería de convertidores al oxígeno.
- 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
- En la superficie: condensación de H2O (humedad) → película de agua + O2 y CO2.
- Formación de Fe(HCO3)2: Fe(II) → Fe(OH)(HCO3)
- Oxidación: Fe(OH)(HCO3) → Fe(III)(OH)2(HCO3) → Fe(III)(OH)(HCO3)2
- 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
- Recubrimiento con una capa fina de un metal menos oxidable.
- Unión del metal a otro más activo que se oxide preferentemente (ánodo de sacrificio).
- Formación natural de una capa superficial de óxido (pasivación): la capa superficial se oxida y impide que la oxidación avance hacia el interior.
- Galvanizado: recubrimiento con Zn (baño en Zn fundido a unos 500 ºC).
- Pintura: capa protectora.