El Hierro y el Acero: Propiedades, Producción y Aplicaciones

1. Primeros usos del hierro

Hay indicios del uso del hierro desde el IV milenio a. C. por parte de los sumerios y egipcios. Entre 3000 y 2000 a. C. se encuentran muestras de hierro de meteoritos en Mesopotamia, Anatolia y Egipto. Entre los siglos XV y X a. C. se produce una transición de las armas de bronce a las de hierro en Oriente Medio. En el siglo X a. C. se comienza a emplear en Europa, utilizándose en herramientas, armas y joyería.

2. Innovaciones en la siderurgia durante la Edad Media

Desde la Edad Media hasta el siglo XIX, se utilizó en Europa el método de la forja catalana, que permitía obtener hierro dulce a 1200 °C en el horno con el uso de carbón vegetal y tiro de aire. En el siglo XV se construyeron hornos de cuba que empleaban carbón vegetal como combustible, provocando deforestaciones. En 1611 se comenzó a utilizar el coque obtenido del carbón mineral (hulla). En el siglo XV se obtenían aceros en hornos de crisol, que alcanzaban mayor temperatura, lo que mejoró la calidad de los aceros. En el siglo XVIII se empezó a utilizar el gas del alto horno para calentar el aire que activaba la combustión.

3. Métodos de producción de acero posteriores a la Edad Media

• 1856: Comenzó a utilizarse el horno Bessemer, que permitía fabricar el acero en estado líquido por afinado de aire.
• 1864: Surge el horno Siemens-Martin, que permitió alcanzar temperaturas superiores a 1550 °C, eliminando impurezas en el acero.
• 1902: Surge el horno eléctrico, que permitía fundir chatarra de acero calentándola con el arco eléctrico entre ésta y grandes electrodos de carbono situados en la parte superior.
• 1948: Se inventa el proceso del convertidor LD, que empleaba oxígeno puro para refinar el acero.
• 1950: Se inventa el proceso de colada continua, que permite producir perfiles y laminados de acero en sección constante y en grandes cantidades.

Con el desarrollo de la metalurgia (estudio de los metales), se lograron grandes avances en la producción de acero.

4. Abundancia y obtención del hierro

El hierro es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre, representando un 5%. El núcleo de la Tierra está formado principalmente por hierro (70%) y níquel, generando al moverse un campo magnético. El hierro se encuentra en numerosos minerales en estado de óxido: hematita, magnetita, limonita, siderita, pirita, ilmenita, etc.

5. Procesos para la obtención de acero a partir del hierro

Para obtener el hierro en estado elemental, los óxidos se reducen con carbono en el alto horno, donde el mineral de hierro se añade con coque y carbonato de calcio. Los gases sufren reacciones, de manera que el coque se combina con el oxígeno formando monóxido y dióxido de carbono. Las elevadas temperaturas que alcanza el mineral mientras baja por el alto horno provocan la reducción de los óxidos, la eliminación del azufre y finalmente la formación de arrabio, una aleación de hierro con un alto contenido de carbono. Luego, el arrabio (hierro fundido) es llevado a otro horno que permite lograr su afinado mediante la eliminación del excedente de carbono e impurezas que no se habían eliminado antes, obteniendo así el acero.

6. Producción y yacimientos de hierro

A. Mayores productores de hierro

• China
• Brasil
• Australia
• Rusia
• India

B. Yacimientos de hierro en Argentina

• Aceros Zapla: Complejo forestal siderúrgico ubicado en Palpalá, Jujuy. Posee cuatro altos hornos con 150 toneladas de producción cada uno por día. Se emplea como combustible carbón vegetal obtenido de un bosque de eucalipto de 15 000 hectáreas. En las zonas mineras se encuentran hematita y, a 2 km, la explotación de caliza.
• Sierra Grande: Yacimiento de hierro en el departamento de San Antonio (Río Negro), adquirido por capitales chinos.

7. Características del hierro

El hierro puro es un metal de color gris plateado, dúctil y maleable. Posee una temperatura de fusión de 1510 °C. Por debajo de dicha temperatura alcanza un estado pastoso (blando), lo que permite trabajarlo en caliente. No se encuentra en la naturaleza en estado puro, sino mezclado con otros elementos y sustancias.

8. Productos siderúrgicos y su utilización en la industria

Los productos siderúrgicos son aleaciones que la industria utiliza, teniendo como elemento principal al hierro, al cual se le agregan metales y no metales que les proporcionan propiedades especiales. Los productos siderúrgicos son: hierro, acero y fundición de hierro. Los productos industriales derivados del hierro son los aceros y la fundición de hierro.

No metales en la siderurgia

Los no metales que se encuentran en los productos siderúrgicos son: carbono, silicio, azufre y fósforo. Estos dos últimos son impurezas.

9. Propiedades magnéticas del hierro con la temperatura

El hierro es ferromagnético hasta la temperatura de Curie (768 °C), a la cual pasa a ser paramagnético. Hoy en día no se suele distinguir entre las fases alfa y beta.

10. Modificaciones en la red cristalina del hierro

• Fe α: No disuelve carbono (es magnético).
• Fe β: No disuelve carbono (no es magnético).
• Fe γ: Disuelve carbono (no es magnético).

11. Diferencias entre el acero y la fundición de hierro

El acero es una aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,1% y el 0,7% en peso de su composición, aunque normalmente estos valores se encuentran entre el 0,2% y el 0,3%. Si la aleación posee una concentración de carbono mayor al 1,7%, se producen fundiciones, que, en oposición al acero, son quebradizas y no es posible forjarlas, sino que deben ser moldeadas.

12. Densidad del acero y desventajas en la industria

La densidad del acero es 7850 kg/m³. Existen muchos tipos de aceros en función de los elementos aleantes que están presentes. La corrosión es la mayor desventaja de los aceros, ya que el hierro se oxida con suma facilidad, incrementando su volumen y provocando grietas que continúan la oxidación hasta que consume la pieza.

13. Características mecánicas del acero

El acero se puede contraer, dilatar o fundir por la temperatura. El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación y los porcentajes de elementos aleantes. Su punto de ebullición es 3000 °C. Los aceros son materiales con alta resistencia mecánica, muy tenaces, relativamente dúctiles, maleables (se pueden obtener láminas delgadas como la hojalata), y permiten una buena mecanización en máquinas herramientas térmicas antes de recibir tratamiento térmico. La elasticidad de los aceros es muy alta; al estirarse antes de su límite, vuelve a su condición original. El hierro es un buen conductor de la electricidad (conductividad: 3 x 10⁶ S/m).

14. Características del acero corten

El acero corten está diseñado con una composición química que, al oxidarse, forma una capa de partículas que protege a la pieza sin perder sus características mecánicas. En la oxidación superficial del acero corten se crea una partícula de óxido impermeable al agua y al vapor que impide que la oxidación del acero prosiga hacia el interior de la pieza.

15. Composición del acero corten

El acero corten tiene un alto contenido de cobre, cromo y níquel, lo que le da un color rojizo anaranjado característico.

16. Características del hormigón por temperatura y dureza de los aceros

El acero se utiliza para la fabricación de imanes permanentes artificiales, ya que una pieza de acero imantada no pierde su imantación si se la calienta a cierta temperatura. La magnetización se realiza por contacto, inducción o procedimientos eléctricos. El acero se dilata aproximadamente: α = 1,2 x 10⁻⁵ °C⁻¹. El hormigón (α = 2,0 x 10⁻⁵ °C⁻¹) se usa para la construcción, formando un material compuesto (hormigón armado). La dureza del acero varía y se puede modificar mediante reacciones o procedimientos térmicos o químicos (templado) para conservar el núcleo tenaz para las fracturas. Aceros típicos con un alto grado de dureza superficial se emplean en herramientas de mecanizado (aceros rápidos) que contienen cromo, wolframio, molibdeno y vanadio. Los tres ensayos de dureza más comunes son: Brinell, Vickers y Rockwell, entre otros.

19. Características y propiedades de la ferrita

La ferrita corresponde a una aleación de 0,008% de carbono obtenida sobre una superficie pulida que se ataca con un reactivo especial. La corrosión desigual de las distintas zonas, por la naturaleza de sus componentes, permite dicha configuración. En estas condiciones, es un material poco resistente, blando, pero muy dúctil, y puede contener impurezas como el fósforo, que, cuando alcanza valores elevados, la torna quebradiza, perdiendo su ductibilidad, pero mejora su comportamiento ante agentes químicos.

20. Mezcla eutéctica del acero y porcentaje de carbono

La mezcla eutéctica se constituye en proporciones definidas y contiene un 0,86% de carbono.

21. Porcentajes hipoeutectoide e hipereutectoide

En cantidades mayores, el carbono se encuentra en fundición hipoeutectoide hasta un 4,3% de C y en hipereutectoide hasta un 6,67% de C. El hierro, que es un elemento químico maleable, cristaliza según el sistema cúbico centrado bajo la denominación de hierro α, combinándose con el carbono para dar compuestos químicos de características definidas.

22. Mezcla eutéctica del diagrama hierro-carbono

El acero es toda aleación hierro-carbono cuyo porcentaje en peso del último alcanza un máximo de 1,7%.

23. Porcentaje de carbono en fundiciones e hipereutectoide

Hipereutectoide: hasta 6,67% de carbono. Fundiciones: 1,7% de carbono. Estructuras a temperatura ambiente: ferrita, perlita, ferrito-perlítica.

24. Dureza Brinell y resistencia de ferrita, perlita y cementita

• Ferrita: Resistencia: 30 kg/mm², Dureza Brinell: 80
• Perlita: Resistencia: 85 kg/mm², Dureza Brinell: 200
• Cementita: Resistencia: 100 kg/mm², Dureza Brinell: 800

25. Estructura por enfriamiento brusco

La estructura por enfriamiento brusco (transformación por debajo de los 200 °C) se reconoce en metalografía como martensita y aparece en forma de agujas entrelazadas.