Apuntes tema 2: Materiales férreos

TEMA 2 – PRODUCTOS FÉRREOS 2.1 INTRODUCCIÓN. Materiales férreos son aquéllos cuyo constituyente principal es el hierro. Después de sufrir un laborioso proceso de elaboración se pueden lograr diferentes productos siderúrgicos, los cuales se pueden clasificar en: hierro, aceros, fundiciones y ferroaleaciones. El progreso de las civilizaciones está unido de alguna manera al uso del hierro y sus transformaciones, de las que el acero sigue conservando una cierta aureola de nobleza. El mundo, tal como lo conocemos hoy, nuestro nivel y forma de vida, serían diferentes sin la presencia del acero en sus múltiples formas y aplicaciones. La utilización de productos, equipos, máquinas, herramientas, automóviles, trenes, elementos del hogar... son algunas de las muchas aplicaciones en las que podemos encontrar algún material férreo. . A lo largo de la historia, todos los esfuerzos de nuestros antepasados por conseguir hierro en cantidad y calidad suficientes, estuvieron encaminados a activar la combustión en hornos de diferentes tipos en los que se mezclaba mineral de hierro y carbón vegetal, obteniéndose un producto de bajo rendimiento por su alto contenido en carbono. Los acontecimientos y sucesos hasta llegar a nuestros días fueron muchos y diversos, y algunos hitos, fechas, inventos e inventores se revisan en el punto siguiente. . 2.2 PRODUCTOS FÉRREOS . Atendiendo a la proporción de carbono existente, los productos férreos se pueden clasificar en:. hierros, aceros, fundiciones y ferreoaleaciones. Hierros. Son aquellos productos férreos cuyo porcentaje de carbono está comprendido entre 0,01 y. 0,03. Son muy blandos y difíciles de obtener, por lo que tienen pocas aplicaciones industriales.. Aceros. Son aleaciones de hierro-carbono, pudiendo contener otros elementos químicos. El. porcentaje de carbono está comprendido entre 0,03 y 1,76%.. Fundiciones. Son aleaciones de hierro-carbono, pudiendo tener otros elementos químicos. El. porcentaje de carbono oscila entre el 1,76 y 6,67%.. Ferroaleaciones: Son aleaciones de hierro y otros metales como el cromo, el níquel,… , para. obtener ferrocromo, ferroníquel,…, que se emplean como aleantes en la producción de aceros y fundiciones. 2.3 EL ALTO HORNO. Es un horno especial en el que tiene lugar la fusión de los minerales de hierro y la transformación química en hierro metálico. Está constituido por dos troncos de cono unidos por sus bases mayores. Mide de 20 a 30 metros de alto y de 4 a 9 metros de diámetro; su capacidad de producción puede variar entre 500 y 1.500 toneladas diarias. La estructura del horno es de acero, reforzada con cercos y revestida interiormente de material refractario con un sistema de enfriamiento.. PARTES DE UN ALTO HORNO. Básicamente consta de tres partes fundamentales:. • La cuba, de forma troncocónica, constituye la parte superior del alto horno; por la zona más alta y. estrecha, denominada boca, se introduce la carga compuesta por:. El mineral de hierro, que puede ser de diferentes composiciones: hematites y limonita (óxido férrico), magnetita (óxido ferroso férrico) y siderita (carbonato).. El combustible, que generalmente es coque, producto obtenido de la destilación del carbón de hulla. de gran poder calorífico y pobre en cenizas. En los primeros altos hornos, instalados en Gran Bretaña, a mediados del siglo XVII, se utilizaba como combustible el carbón vegetal. En la actualidad cada vez se utilizan más los altos hornos eléctricos.. El carbón tiene tres funciones en el alto horno: Combustible, proporciona el calor necesario para la fusión y las reacciones químicas entre los. diversos productos que se encuentran en el interior. Reductor, elimina el oxígeno presente en el mineral de hierro. Carburador, aporta el carbono necesario al hierro para formar el arrabio. El fundente, que puede ser roca calcárea o arcilla, según la ganga presente en el mineral sea ácida. o básica, respectivamente. El fundente se combina químicamente con la ganga para formar la escoria, que queda flotando en el hierro líquido y, entonces, se puede separar fácilmente por decantación. La carga va descendiendo poco a poco y su temperatura y volumen aumentan a medida que baja. Este aumento de volumen exige que la cuba se ensanche hasta llegar al vientre, zona donde se produce la unión con el etalaje y donde el diámetro de la instalación es mayor.. El etalaje, también de forma troncocónica; en esta parte del horno se produce una notable. disminución del volumen de los materiales, como consecuencia de las transformaciones químicas que tienen lugar en él. La zona inferior es de menor diámetro a causa de esta disminución de volumen y, también, por el hecho de que la fusión de la carga hace que ésta fluya sin dejar espacios libres.. El crisol: es un cilindro de gran capacidad, que recoge la fundición líquida, así corno la escoria, que. queda flotando en estado líquido.. En la zona de unión del etalaje y el crisol, se insertan las toberas, que son unos tubos mediante los. cuales se inyecta una corriente de aire comprimido y previamente calentado en las torres de calentamiento. 4.2. PRODUCTOS RESULTANTES DEL ALTO HORNO Una vez finalizado el proceso, se extraen tres tipos de productos:. Humos y gases residuales: se producen como consecuencia de la combustión del coque y de los gases producidos en la reducción química el mineral de hierro que, en un elevado porcentaje, se recogen. en un colector situado en la parte superior del alto horno. Esta mezcla de humos y gases, denominada gas de alto horno, está constituida por unos gases inertes, como son el vapor de agua, el anhídrido carbónico y nitrógeno y otros combustibles como hidrógeno, monóxido de carbono y óxidos de azufre. El gas de alto horno se hace pasar por unos recuperadores de calor, para aprovechar su energía calorífica en el calentamiento del aire que se tiene que inyectar por las toberas. Posteriormente, puede ser utilizado como combustible en la misma factoría.. Escoria: es un residuo metalúrgico que a veces adquiere la categoría de subproducto, ya que se. puede utilizar como material de construcción, bloques o como aislante de la humedad y en la fabricación de cemento y vidrio. Su composición es variable, aunque predominan los silicatos.. Actualmente, es frecuente añadir parte de la escoria a la carga del horno para recuperar el hierro que contiene.. Fundición o hierro colado: es el producto propiamente aprovechable del alto horno y está constituido. por hierro con un contenido en carbono que varía entre el 2 y el 5%.. Dentro de la masa de hierro, el carbono puede encontrarse en tres formas o estados diferentes: en. estado libre, formando grafito; en estado combinado, formando carburo de hierro; o disuelto.. A partir de la primera fusión, se obtienen todos los productos férreos restantes: otras fundiciones,. hierro dulce, acero.... 5. HORNOS DE AFINADO. Los hornos de afinado, también denominados mezcladores, tienen la finalidad de transformar el. hierro colado en acero. Los más importantes son: el convertidor Bessemer, el horno Martin-Siemens y el horno eléctrico.. 5.1 CONVERTIDOR BESSEMER. Es un horno basculante, en forma de pera, y de unos seis metros de alto. Su finalidad es quemar los elementos que acompañan al hierro y al hierro colado.. La utilización del convertidor Bessemer se hace siguiendo el proceso siguiente:. Se introduce el hierro colado por su boca o parte superior. Seguidamente, se hace girar el horno hasta su posición vertical y, por unas toberas situadas en la parte inferior, se insufla aire a presión o bien oxígeno puro. Este aire u oxígeno puro, al traspasar la masa de hierro colado líquido, quema los elementos que acompañan al hierro, como el carbono, silicio, manganeso, azufre, fósforo y otras impurezas. Estas reacciones de combustión son exotérmicas y desprenden la energía calorífica necesaria para que la masa se mantenga fundida. Por lo tanto, el convertidor Bessemer es un horno que, para su funcionamiento, no necesita aportación de combustible. El resultado es hierro en estado casi puro, con menos del 0,5 % de carbono, que recibe el nombre de hierro dulce. Si se añade a este hierro dulce las cantidades exactas de los elementos que interesan, se obtiene un acero con la composición deseada.. . 5.2 HORNO MARTIN-SIEMENS Es un horno alimentado por combustible gaseoso en el cual la llama incide directamente en la. masa metálica. El horno Martin-Siemens se carga con una mezcla formada en un 60% aproximadamente por chatarra, que de esta forma se recupera, y en un 40% por fundición blanca, fundente y, en otras ocasiones, mineral de hierro.. El desarrollo del proceso es lento, pero tiene la ventaja de poder llevar a cabo un control muy exhaustivo y preciso, lo que permite obtener un acero, exactamente, con las características deseadas. Los aceros obtenidos son más económicos y de mejor calidad.. .. 5.3 HORNO ELÉCTRICO. El horno eléctrico se caracteriza porque se alimenta con energía eléctrica. Según sea la técnica utilizada para el calentamiento, hay tres tipos de hornos eléctricos: de resistencia, de arco y de inducción.. El proceso de elaboración es análogo al que se sigue en los otros hornos de afinado. En primer lugar, se efectúa la descarburación por medio de oxígeno y, a continuación, se añaden las cantidades necesarias de carbono y de los demás elementos indispensables. Los aceros obtenidos en los hornos eléctricos son de una calidad extraordinaria, ya que se utiliza una energía limpia, sometida a un control exacto y riguroso, y las temperaturas que se alcanzan son superiores a las del resto de hornos de afinado.. . 6. EL ACERO. El acero es una aleación de hierro con un contenido de carbono comprendido entre el 0,03 y el 2.14%. Además de hierro y carbono, el acero contiene siempre pequeñas cantidades de silicio y manganeso, que le confieren buenas cualidades y también impurezas como el fósforo y azufre, que lo perjudican. Por otra parte, se añaden, expresamente, pequeñas proporciones de algunos metales como cromo, níquel, wolframio, vanadio, titanio..., que mejoran, notablemente, sus propiedades de aplicación.. El acero es el más importante de todos los productos siderúrgicos, y así lo confirma el hecho de que se dedique a su obtención el 80% del hierro colado producido en los altos hornos. Básicamente, según su composición, se diferencian dos tipos de aceros: aceros al carbono y aceros especiales.. Los aceros al carbono contienen únicamente hierro y carbono como elementos básicos y fundamentales. . Los aceros aleados o especiales se obtienen del resultado de incorporar al hierro y al carbono uno o más elementos metálicos en su proceso de fabricación, con el fin de modificar algunas de sus propiedades y conferirle algunas nuevas. En los hornos de acero se pueden incorporar cantidades de níquel y cromo, que mejoran sus propiedades en la resistencia a la corrosión y oxidación.. 6.1 ELEMENTOS DE ALEACIÓN DE LOS ACEROS. Cobalto: muy endurecedor. Disminuye la templabilidad. Mejora la resistencia y la dureza en caliente. Es un elemento poco habitual en los aceros. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros. Se usa en los aceros rápidos para herramientas y en aceros refractarios.. Cromo: Forma carburos muy duros y comunica al acero mayor dureza, resistencia y tenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos, mejora la resistencia a la corrosión. Se usa en aceros inoxidables, aceros para herramientas y refractarios. También se utiliza en revestimientos embellecedores o recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste, como émbolos, ejes, etc.. Molibdeno: es un elemento habitual del acero y aumenta mucho la profundidad de endurecimiento de acero, así como su tenacidad. Los aceros inoxidables austeníticos contienen molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión.. Níquel: aumenta la tenacidad y resistencia al impacto. El níquel se utiliza mucho para producir acero inoxidable, porque aumenta la resistencia a la corrosión.. Plomo: el plomo no se combina con el acero, se encuentra en él en forma de pequeñísimos glóbulos, como si estuviese emulsionado, lo que favorece la fácil mecanización por arranque de viruta.. Wolframio: también conocido como tungsteno. Forma con el hierro carburos muy complejos estables y durísimos, soportando bien altas temperaturas. . Vanadio: proporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga, tracción y poder cortante en los aceros para herramientas.. 7. FUNDICIONES. Se denomina fundición a la aleación de carbono y hierro con un contenido entre el 2,14 y el 6,67%. de carbono. Sin embargo, en la práctica, el contenido en carbono de las fundiciones oscila entre el 2,5 y el 4,5%, encontrándose también presentes otros elementos, como silicio, manganeso, azufre y fósforo. Las fundiciones son fácilmente fusibles (de ahí su nombre), y generalmente se utilizan para la obtención de piezas por moldeo en moldes de arena o metálicos. Su densidad es menor que la del acero (7,2-7,6 g/cm3), y su punto de fusión oscila entre 1050 y 1300 °C. En general, no son dúctiles ni maleables; tampoco se pueden forjar ni soldar con facilidad. . El carbono en las fundiciones se encuentra en forma de grafito y de cementita (carburo de hierro. Fe3C). El grafito se presenta en forma de laminas delgadas de finas aristas en el seno de la fundición, lo que le proporciona fragilidad y buena maquinabilidad (no hace viruta, sino polvo). En general cuanto menor sean las láminas de grafito, mayor es su resistencia mecánica.. Dependiendo de como se presenta el carbono en las fundiciones las podemos clasificar en:. Fundición blanca: . Se produce por una velocidad de enfriamiento elevada y el carbono se encuentra en forma de. cementita. Su fractura es blanca, son duras, frágiles y muy resistentes al desgaste, por lo que se emplean para la fabricación de levas, rodillos de laminación, arados, cambios de agujas en vías de ferrocarril, etc. . Fundición gris:. Se produce con velocidades de enfriamiento más moderadas que las blancas, con lo que el carbono se encuentra la mayor parte en forma de grafito. Son más blandas que las fundiciones blancas debido a la discontinuidad que crea e grafito dentro de la masa de éstas. Poseen una muy buena maquinabilidad, además de ser muy apropiadas para el moldeo, dada su baja temperatura de fusión (entre 1200 y 1.300 °C). El gran inconveniente es su dificultad para la soldadura, que requiere precauciones especiales. Se emplea para la fabricación de grandes piezas de forma complicada como las bancadas de las máquinas-herramienta, bloques de motores, culatas, pistones, estufas y hogares.... Fundición gris, el carbono se encuentra en forma de grafito, como gusanillos de color negro en la figura. Fundición atruchada:. Se puede considerar una variante entre las fundiciones blancas y las grises las, en las que el. carbono se encuentra, parte en forma de cementita y parte en forma de grafito. Son menos duras que las blancas, pero son más tenaces y de más fácil mecanizado.. Fundición maleable: Se obtiene a partir de la fundición blanca por medio de un tratamiento térmico de recocido para. que el carbono, que se encuentra de forma inestable, pase a estados mas estables y tornando forma de pequeñas esferas (nodular). . Fundición aleada Se utiliza cuando las propiedades de los tipos anteriores no cubren las solicitaciones exigidas en el. trabajo. Normalmente se obtiene a partir de las fundiciones grises, a las que se les añaden los elementos precisos para mejorar sus propiedades.. Fundición dúctil; Se obtiene con la adición de manganeso o cerio en el momento de la colada, logrando. características similares a los aceros, pero superando a éstos en colabilidad.. TEST 1) Una aleación de hierro que contiene entre un 0,03 y un 2.14 % de carbono se conoce con el. nombre de: a) Acero b) Fundición c) Grafito d) Hierro. 2) Indica cuál de los siguientes elementos no corresponde a un mineral de hierro: a) Siderita b) Hematites c) Casiterita d) Limonita 3) Cuando el espesor de las pletinas es muy pequeño y tienen gran longitud se denominan: a) Varillas b) Tubos c) Flejes d) Tochos 4 Las carcasas de motores y bancadas de máquinas se fabrican generalmente de: a) Fundición b) Acero c) Hierro d) Grafito 5) Una aleación de hierro-carbono con un porcentaje de 2,14 a 6,67 % de carbono se conoce. como: a) Fundición b) Acero c) Hierro d) Grafito 6) ¿Qué elemento, junto al cromo, es el que se emplea para fabricar el acero inoxidable? a) Cobalto b) Wolframio c) Molibdeno d) Níquel 7) Señala qué elementos de los indicados a continuación no pertenecen a productos comerciales a) Barras b) Lingotes c) Perfiles d) Tubos. 8) Indica el elemento que no es utilizado como materia prima en el horno alto: a) Carbón de coque b) Pan rayado c) Cal d) Mineral de hierro. 9) El hierro obtenido del horno alto se denomina: a) Fundición b) Acero c) Escoria d) Arrabio. EJERCICOS Y PROBLEMAS . 1. ¿Cuáles son las partes de un horno alto? 2. ¿Qué diferencia existe entre la ganga y la mena? 3. Explica, paso a paso, el funcionamiento del convertidor Martín Siemens. 4. Señala los pasos que deben seguirse a la hora de obtener acero a partir de la chatarra. 5. Indica en qué se diferencia un acero de un hierro y de una fundición. 6. ¿Qué ventajas e inconvenientes tienen los aceros que llevan mucho carbono? 7. Supón que tienes una pletina de hierro y otra de acero de 1,6% de carbono. Las empiezas a. calentar en un horno que va aumentando su temperatura progresivamente hasta 1 550 °C. ¿Cuál de las dos pletinas se empezaría a fundir antes? ¿Por qué?. 8. ¿En qué se diferencia un acero aleado de otro que no lo es? 9. Indica qué propiedades se mejoran cuando a un acero se le añade (en forma de ferroaleación). vanadio y cobalto. 10. Señala cuáles son las presentaciones comerciales del acero. 11. ¿A qué se denomina acero inoxidable? ¿Qué elementos químicos debe tener? ¿Cómo se puede. diferenciar un acero inoxidable de un acero que no lo es? 12. Haz un dibujo del horno alto indicando sus partes, así como las diferentes temperaturas a las que. se encuentra sometido. Explica el proceso de funcionamiento. 13. ¿Qué significa acero inoxidable 18/20? 14. ¿Cuáles son las principales aplicaciones industriales del hierro? 15. Si en una herramienta consta la especificación cromo-vanadio, ¿qué ventajas ofrece? 16. ¿Qué característica del acero mejora al añadirle molibdeno? 17. ¿En qué casos se emplea el procedimiento o convertidor LD (Martin-Siemens mejorado) para el. afino de aceros y en cuáles el horno eléctrico? 18. Un horno eléctrico que consume 600 000 A y que está conectado a una tensión de 900 V tiene una. producción de 120 t de acero cada 50 min. Sabiendo que el kWh de electricidad vale 0,11 € y el kilo de chatarra 0,05 €, determina: . a. Potencia del horno. b. Energía gastada en cada hornada. c. Precio del kilogramo de acero obtenido, si las ferroaleaciones cuestan 300 € por hornada.. Se supone que el 90% de la chatarra que se introduce se convierte en acero. (Resultado.: 540 000 kW; 450 000 kWh y 0,52€/kg)

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