Materiales Ferrosos: Aceros, Fundiciones y Proceso de Obtención del Acero

Materiales Ferrosos

Los materiales ferrosos son aquellos cuyo constituyente principal es el hierro. Se pueden clasificar en:

• Aceros (de 0,03% a 1,76% de C)
• Fundiciones (de 1,76% al 6,67% de C)

Materias Primas

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. Sólo 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.

¿Cómo se obtiene el coque?

Calentando a >1000 ºC las hullas.

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 (hacen frágil la fundición)

Fundentes

Su misión es:

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

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

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

Si ganga ácida SiO₂ → fundente básico Al₂O₃, MgO, CaO

Si ganga básica MgO, CaO → fundente ácido SiO₂

Si ganga neutra → fundente neutro CrO

La Chatarra

La chatarra de acero es otra materia utilizada para la fabricación de acero. Conjunto de piezas, partes metálicas, etc., de acero, inservibles y sin ninguna utilidad industrial. Puede ser: reciclada, de transformación, de recuperación.

El Alto Horno

Es un horno de cuba formado por dos troncos de cono desiguales unidos por sus bases mayores. Parte interior de mampostería de ladrillos refractarios de 60-100 cm de espesor. Parte exterior revestida de plancha de acero reforzada con zunchos.

Partes del alto horno (de arriba abajo):

a) Tragante

b) Cuba

c) Vientre

d) Etalajes

e) Crisol

Proceso de Obtención del Arrabio

a) En la parte superior de la cuba se produce el secado, precalentamiento y deshidratación a Tª 200 – 450ºC

b) En la parte inferior de la cuba, es la zona de reducción 400 – 1200ºC

c) En los etalajes zonas de carburación y fusión 1800ºC

d) La ganga se ha combinado con el fundente formando la escoria que sale por la bigotera.

e) Por la piquera sale el arrabio

Productos del Alto Horno

a) Arrabio, producto principal del Alto Horno. 90-95% de hierro. Puede ser de dos tipos:

- Hematites, para piezas fundidas en molde

- Básico, para fabricación de acero en convertidor soplado por oxígeno.

b) Escoria, material de desecho que sobrenada el arrabio en el crisol, por su menor densidad. Sus aplicaciones son:

- Áridos para hormigón

- Aislantes térmicos

- Cementos

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. Se diferencian en la forma y tipo de energía aportada:

- Martin - Siemens

- Bessemer - Thomas

- Convertidor LD

- Hornos Eléctricos

Procedimiento Martin - Siemens

Permite cargas de tipo sólido, líquido o mixto. Permite distintos tipos de mezclas, luego se obtienen productos definidos. La solera puede ser ácida, básica o neutra. Según la proporción de gas-aire podemos tener una atmósfera oxidante (para quemar o descarburar), reductora (para eliminar el oxígeno) o neutra (para mantener la Tª). Los gases del horno se les hace 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.

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. Tres fases: llenado, soplado y vaciado. El proceso se puede detener cerrando la entrada de aire. Bessemer revestimiento ácido, Thomas básico.

Convertidor LD

El oxígeno se inyecta a alta presión (10-14 at.) a través de un tubo refrigerado (lanza). Fases del proceso: carga, soplado y afino, colada o vaciado.

Horno Eléctrico

Fusión de chatarra por medio de una corriente eléctrica y posterior afino del baño fundido. Hay dos tipos de hornos: de arco eléctrico y de inducción.

Colada del Acero

El acero sale del horno en estado líquido, hay que solidificarlo, 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.

Obtención de Productos Comerciales

Hay distintos caminos para obtener el acero sólido, pero es necesario transformarlo en productos comerciales. 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 reducen la sección transversal mediante la presión ejercida por éstos. Puede realizarse en frío o en caliente (800 – 1250º C)

Productos Siderúrgicos

Los productos siderúrgicos son:

• Hierro dulce (hasta un 0,03% de C)
• Aceros (0.03 – 1,76 %)
• Fundiciones (1,76 – 6.67 %)
• Grafito (>6.67 %)
• Ferroaleaciones (hierro + impurezas)

Fundiciones

Fundición Gris, presenta el C en forma de grafito laminar:

• Funde a 1200º C
• Tenaz, pero 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 por su dureza.

Fundición Atruchada, propiedades mezcla de las anteriores.

Fundición Maleable Perlítica, mediante recocido a 900º C de la fundición blanca se produce a su descarburación (de 2-4% a 1-1.5%), eliminando la fragilidad, aumentando la resistencia a tracción.

Fundición Maleable Blanca, el C de la cementita, ha desaparecido total o parcialmente.

Fundición Maleable Negra, C de la cementita precipita en copos de grafito.

Fundición de Grafito Esferoidal o Nodular, por adición de Cerio o Mg

Ferroaleaciones

Las 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.

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