Siderurgia y Metalurgia: Procesos de Obtención del Hierro y Producción de Acero
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El Acero: Producción, Propiedades y Aleaciones
El acero posee un contenido de carbono que oscila entre el 0,2% y el 1,5%. Este metal presenta propiedades que combinan dureza y maleabilidad.
Obtención del Hierro (Materia Prima del Acero)
Un alto horno es el dispositivo que se emplea para extraer el hierro a partir del mineral. En él tiene lugar el proceso de reducción de los óxidos de hierro. El coque actúa a la vez como combustible y agente reductor.
El producto del alto horno, conocido como arrabio, constituye la materia prima de la industria del acero. El arrabio fundido sale por la piquera y la escoria por la bigotera. El arrabio puede moldearse directamente en moldes de arena para la fabricación de diversas piezas (proceso de afino).
Métodos de Producción de Acero (Afino)
La producción en masa de acero barato no fue posible hasta la invención de los convertidores.
El Convertidor Bessemer
El convertidor Bessemer se basa en hacer pasar un flujo de aire a través del arrabio fundido. El carbono del arrabio se combina con el oxígeno para formar dióxido de carbono, reduciéndose así el contenido de carbono del metal. El convertidor es un recipiente con agujeros en la parte inferior para permitir la inyección de aire. Es capaz de transformar un gran volumen de arrabio en acero en unos pocos minutos.
El Horno Siemens-Martin
Apareció un proceso alternativo, desarrollado por Karl Wilhelm Siemens. A diferencia de lo que ocurre en el convertidor Bessemer, en el horno Siemens-Martin el afino es un proceso lento. Este proceso permite reciclar chatarra para convertirla en acero.
El Horno LD (Linz-Donawitz)
El horno LD es una adaptación del Bessemer. A diferencia de este, que empleaba aire para "quemar" las impurezas y el exceso de carbono del arrabio, el horno LD emplea oxígeno puro. En el proceso siderúrgico, el arrabio fundido se transporta al horno en un tren lanzadera y el LD se rellena aproximadamente con un 30% de chatarra. El tiempo de procesamiento de una carga de 200 toneladas de acero es de unos 20 minutos.
Aditivos y Aleaciones del Acero
Cuando se extrae el acero fundido a la cuchara, se añaden los aditivos necesarios al metal para modificar sus propiedades. Algunos de estos aditivos son:
- Cromo: Mejora la dureza y la resistencia al desgaste.
- Manganeso: Incrementa la resistencia y la dureza.
- Molibdeno: Incrementa la tenacidad y la dureza en caliente.
- Níquel: Mejora la resistencia y la tenacidad.
- Vanadio: Incrementa la resistencia y la tenacidad.
Clasificación y Propiedades Fundamentales de los Metales
Características Generales de los Metales
Los metales se distinguen por las siguientes propiedades:
- Elevada rigidez y resistencia.
- Tenacidad.
- Buena conductividad térmica y eléctrica.
Clasificación de Metales
Es frecuente dividir los metales en dos grandes grupos:
- Metales Ferrosos: Contienen el hierro como elemento principal. Ejemplos: el hierro, el acero o la fundición.
- Metales No Ferrosos: Comprenden todos los demás. Ejemplos: el cinc, plomo, aluminio, cobre, estaño, níquel y manganeso.
El Hierro: Obtención y Tipos
El hierro es el cuarto elemento más abundante de la Tierra. En la naturaleza, el mineral de hierro se presenta en forma de óxido de hierro, acompañado de pequeñas cantidades de otros elementos como silicio, azufre, manganeso y fósforo.
Proceso de Reducción del Mineral
Para obtener el hierro se lleva a cabo un proceso de reducción empleando carbón como combustible. En este proceso, parte del oxígeno del mineral de hierro se combina con el monóxido de carbono para formar dióxido de carbono. De este modo, se forma una masa relativamente pura, junto a una escoria que contiene elementos químicos.
Tipos Históricos y Modernos de Hierro
Hierro Forjado o Hierro Dulce
Los antiguos herreros martilleaban el hierro al rojo en el yunque para desprender las partículas de ceniza y para compactar las partículas metálicas. A este producto se le conocía como hierro forjado o hierro dulce.
Fundición o Hierro Colado
A temperaturas muy elevadas, el hierro comienza a absorber carbono, y el metal se funde completamente, puesto que la adición de carbono disminuye su punto de fusión. El resultado de este proceso es la fundición o hierro colado.