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METALES. Metales férreos
Tecnología industrial
LOS MATERIALES: ORIGEN Y CLASIFICACIÓN
Para poder llevar a cabo un estudio sistemático de los materiales que el ser humano
utiliza para satisfacer sus necesidades, hemos de distinguir entre materia prima y material
elaborado.
- Denominamos materia prima al
material natural que se obtiene de la
naturaleza
y
que
puede
ser
aprovechado directamente o bien ser
sometido a diversas transformaciones.
- El material elaborado es el que
se obtiene después de someter la
materia prima a las transformaciones
oportunas.
Para estudiar los materiales
pueden
hacerse
diferentes.
Clasificaciones atendiendo a distintas
características.
Desde el punto de vista de su composición, se agrupan en dos grandes categorías: los
materiales metálicos y los no metálicos.
- Los materiales metálicos son aquellos cuya base fundamental está constituida por un
metal, como el hierro, el cobre, el cinc, el aluminio, el plomo, el estaño y otros.
Por su especial utilidad en el campo industrial, distinguiremos dos tipos: los materiales
férricos, o materiales derivados del hierro, y los materiales no férricos, derivados del resto de
los metales.
- Los materiales no metálicos están formados por aquellos en cuya composición no
intervienen los metales como componente básico.
Dependiendo de su origen, distinguiremos los materiales naturales, como la seda o el
cuarzo, lo sintéticos, como el hormigón o el vi drio, y los materiales auxiliares, en los que se
incluyen los pulimentos, las pinturas, los lubricantes, los insecticidas y otros.
Los materiales cumplen funciones muy distintas, dependiendo de la ne cesidad que se
pretende satisfacer: la alimentación, la vivienda, el vestido y calzado, la ornamentación, la
obtención de energía, la fabricación de herramientas, el transporte, la comunicación, etc.
GENERALIDADES ACERCA DE LOS METALES
Todos los metales, excepto el mercurio (líquido a temperatura ambiente), poseen
unas características comunes derivadas de su estructura interna, que a su vez es
consecuencia de la particularidad propia del e nlace metálico.
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Algunas de estas características son las siguientes:
- Elevada conductividad térmica y eléctrica.
- Considerable resistencia mecánica.
- Gran plasticidad; es decir, considerable capacidad
de deformación antes de la rotura.
- Elevada maleabilidad (capacidad de laminación).
- Carácter reciclable, ya que se pueden fundir y
conformar de nuevo.
2.1. Estructuras cristalinas
Los cuerpos sólidos se pueden presentar en dos estados fundamentales:
- Cristalino. Cuando están constituidos
por átomos perfectamente ordenados en el
espacio. En este grupo se encuentran
englobados los meta les, los materiales
cerámicos y algunos polímeros que poseen
regularidad suficiente.
- Amorfo. Cuando solamente presentan
una ordenación espacial a corta distancia. Es el
caso de los vidrios y de los polímeros vítreos.
La estructura espacial de un sólido cristalino
se construye a partir de una unidad repetitiva o
celda unidad.
En los vértices de estas celdas unidad se
sitúan los átomos. La repetición de las celdas en el
espacio da lugar a las llamadas redes cristalinas
simples.
También existe la posibilidad de situar
átomos en los centros de las celdas (red cristalina
centrada) o de las caras (red cristalina de caras
centradas).
Conviene destacar que la mayor parte de los metales de interés industrial únicamente
cristalizan en tres tipos de redes:
2.1.1. Soluciones sólidas
En los distntos tipos de redes cristalinas frecuentes en los metales existen una serie
de huecos en los que se pueden introducir átomos extraños a la red. De esta forma, se
pueden originar las llamadas soluciones sólidas de inserción.
También se pueden formar otro tipo de soluciones sólidas, llamadas de sustitución, en
las que los átomos extraños desplazan a los originales de sus posiciones.
Ambos tipos de soluciones no son más que aleaciones de dos metales.
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Se dice que dos metales en estado sólido son solubles entre sí cuando en la red
cristalina de uno de ellos algunos de sus átomos se pueden sustituir por átomos del otro
metal (sustitución) o se pueden insertar en los hue cos interatómicos de la red (inserción).
Para que dos metales se puedan alear por sustitución en cualesquiera proporciones,
es preciso que se cum plan una serie de requisitos; por ejemplo, que los tamaños de los
átomos de los dos metales sean semejantes y que ambos cristalicen en la misma red.
2.1.2. Defectos en la red cristalina
En las redes cristalinas de los metales existen una serie
de imperfecciones o defectos de distinto tipo:
? Imperfecciones puntuales debidas a átomos del
mismo o de otro metal situados en un punto que no pertenece
a la red (átomos intersticia les), o a lugares vacantes, que
son puntos de la red vacíos.
? Imperfecciones lineales (denominadas también
dislocaciones), que disminuyen la resistencia mecánica de
los metales. Estas imperfecciones son las causantes de la
deformación plástica en los metales.
? Imperfecciones superficiales. Si bien la estructura
de un material cristalino es una red tridimensional homogéneamente ordenada, la de un
metal o aleación está compuesta por múltiples zonas ordenadas, dispuestas de tal forma
que sus ejes cristalográficos respectivos no coinciden entre sí. A
estas zonas se las denomina cristales o granos, y a la zona
límite entre dos de ellos (imperfección a nivel superficial) se la
conoce como junta de grano.
La formación de granos en el interior de los metales se
produce durante el proceso de solidificación. Cuando se enfría
un metal en estado líquido,llega un momento en que los átomos
comienzan a ordenarse en el espacio; es decir, comienza la
cristalización, verificándose simultáneamente desde varios
puntos en el interior del material. De ahí que, una vez concluida
la cristalización, existan diversas zonas ordenadas que están
separadas por juntas de grano.
La forma de los granos en un metal es habitualmente
equiáxica; es decir, no existe ninguna dimensión que prevalezca
sobre las demás. Aunque si el material se ha deformado en frío,
por ejemplo mediante laminación, los granos pueden adoptar
formas alargadas.
LOS MATERIALES FÉRRICOS
Se denominan materiales férricos aquellos cuyo componente
principal es el hierro, asociado con otras sustancias, tanto metálicas
como no metálicas.
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Entre la gran variedad de materiales metálicos empleados por la industria, merecen
especial atención el hierro y sus derivados, denomi nados genéricamente materiales férricos.
No se conoce con exactitud la fecha en que se descubrió la
técnica de fundir mineral de hierro para producir un metal
susceptible de ser utilizado. Los primeros utensilios de hierro
descubiertos por los arqueólogos en Egipto datan del año
3.000 a.C., y se sabe que antes de esa época se empleaban
adornos de hierro. Los griegos ya conocían hacia el 1.000 a.C. la
técnica, de cierta complejidad, para endurecer armas de hierro
mediante tratamiento térmico.
Las aleaciones producidas por los primeros artesanos del
hierro (y, de hecho, todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV d.C.) se
clasificarían en la actualidad como hierro forjado. Para producir esas aleaciones se calentaba
una masa de mineral de hierro y carbón vegetal en un horno o forja con tiro forzado.
Ese tratamiento reducía el mineral a una masa esponjosa de
hierro metálico llena de una escoria formada por impurezas metálicas y
cenizas de carbón vegetal. Esta esponja de hierro se retiraba mientras
permanecía incandescente y se golpeaba con pesados martillos para
expulsar la escoria y soldar y consolidar el hierro. El hierro producido
en esas condiciones solía contener un 3% de partículas de escoria y
un 0,1% de otras impurezas. En ocasiones esta técnica de fabricación
producía accidentalmente auténtico acero en lugar de hierro forjado.
Los artesanos del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro
forjado y carbón vegetal en recipientes de arcilla durante varios días,
con lo que el hierro absorbía suficiente carbono para convertirse en
acero auténtico.
Después del siglo XIV se aumentó el tamaño de los hornos utilizados para la fundición
y se incrementó el tiro para forzar el paso de los gases de combustión por la carga o mezcla
de materias primas. En estos hornos de mayor tamaño el mineral de hierro de la parte
superior del horno se reducía a hierro metálico y a continuación absorbía más carbono como
resultado de los gases que lo atravesaban. El producto de estos hornos era el llamado
arrabio, una aleación que funde a una temperatura menor que el acero o el hierro forjado. El
arrabio se refinaba después para fabricar acero.
La producción moderna de acero emplea altos hornos que
son modelos perfeccionados de los usados antiguamente. El
proceso de refinado del arrabio mediante chorros de aire se debe
al inventor británico Henry Bessemer, que en 1855 desarrolló el
horno o convertidor que lleva su nombre. Desde la década de 1960
funcionan varios minihornos que emplean electricidad para
producir acero a partir de chatarra. Sin embargo, las grandes
instalaciones de altos hornos continúan siendo esenciales para
producir acero a partir de mineral de hierro.
Aunque la palabra hierro designa, en sentido estricto, al
elemento químico en estado puro, suele aplicarse también a
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multitud de productos elaborados en los que éste se presenta como componente básico mezclado con otros elementos en distintas proporciones.
El consumo de estos productos en la industria representa más del 90 % del consumo
total de materiales metálicos, debido a su resistencia y a su coste de obtención,
relativamente bajo.
Minerales del hierro
El elemento químico hierro forma parte de la corteza terrestre en un porcentaje del 5
%. Nunca se presenta en estado puro, sino combinado en forma de óxidos, hidróxidos,
carbonatos y sulfuros. Los principales minerales de los que forma parte son la magnetita, la
hematites roja, la siderita, la limonita y la pirita.
. La magnetita es una mezcla de óxidos de hierro. Es de color oscuro, casi negro, y
resulta una excelente mena de hierro, ya que posee el 60-70 % de este elemento. Sin
embargo, es poco abundante en la na turaleza.
. La hematites roja es óxido de hierro. Se presenta en forma de masas compactas de
color rojo. Contiene un 40-60 % de hierro y es mucho más abundante que el mineral anterior.
. La siderita es carbonato de hierro. Tiene color amarillento y algunos fragmentos
presentan brillo como de vidrio. Es la mena fundamental de hierro -de ahí su nombre-,
aunque su porcentaje de riqueza oscila en torno al 30-40 %.
. La limonita es hidróxido de hierro. Procede de la alteración de otros minerales de
hierro. En ocasiones se presenta en forma de masas compactas de color pardo o negruzco.
Otras veces impregna Las arcillas y las tierras de cultivo dándoles un color amarillo
característico. Puede aprovecharse como mena de hierro, aunque su rendimiento es escaso
debido a su bajo contenido de este metal.
. La pirita es sulfuro de hierro mezclado con compuestos de cobre. Es un mineral muy
abundante en nuestro país y presenta un color amarillo característico, con brillo metálico. A
pesar de su abundancia, apenas se utiliza como mena de hierro
OBTENCIÓN DE HIERRO: EL HORNO ALTO
El dispositivo habitual para obtener hierro a partir de sus minerales es el denominado
horno alto. Se trata de una instalación compleja cuyo principal objetivo es la obtención de
arrabio, es decir, hierro con un contenido en carbono que oscila entre el 2,6 % Y el 6,7 % Y
que contiene otras cantidades de silicio, manganeso, azufre y fósforo que oscilan en torno al
0,05 %.
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El cuerpo central de la instalación denominada horno
alto está formado por dos troncos de cono colocados uno
sobre otro y unidos por su base más ancha. Su altura oscila
entre los 30 y los 80 m y su diámetro máximo está
comprendido entre los 10 y los 14 m.
La pared interior está construida de ladrillo refractario y
la exterior es de acero. Entre ambas pasan los canales de
refrigeración.
La parte superior del horno alto se denomina tragante.
Se compone de dos tolvas en forma de campana, provistas de
un dispositivo de apertura y cierre que evita que se escapen
los gases en el momento de la carga del material.
Producción del carbón de cok
En el proceso siderúrgico, el carbón de cok actúa como:
combustible y reductor de los óxidos de hierro.
Se obtiene a partir de carbones de hulla con un bajo contenido en azufre (menor del 1
%) y cenizas (por debajo del 8%); son las lla madas hullas grasas y semigrasas, que poseen
un contenido en materias volátiles de entre el 22 y el 30%.
El carbón de cok siderúrgico se obtiene
industrialmente eliminando la materia volátil del
carbón de hulla y aglutinándolo poste riormente.
Para ello, se introduce la pasta de carbón (mezcla
de diferentes tipos de hullas trituradas finamente)
en las llamadas baterías de hornos de cok. En
estos hornos se somete la pasta de carbón a un
proceso de coquizado, consistente en calentar el
carbón por encima de 1000 ºC, en ausencia de
aire y durante 16 horas aproximadamente. El
calentamiento se realiza en hornos cerrados, que
reciben el calor a través de las paredes laterales.
Como consecuencia de este proceso, la materia volátil de la hulla se desprende y los granos
de hulla se aglutinan.
Cuando termina el proceso se extrae el carbón de cok
siderúrgico de las baterías y se rocía con agua para evitar su
combustión, ya que arde espontáneamente al entrar en
contacto con el oxígeno del aire.
El cok siderúrgico es un material duro y poroso, con un
contenido en carbono superior al 90%.
La materia volátil que se desprende en el proceso de
coquizado, una vez depurada, se utiliza como combustible en
los mismos hornos de cok -para continuar el proceso- o en otras insta laciones.
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Los hornos de cok se llenan de pasta de carbón por su parte superior. Una vez
finaliza do el proceso de coquizado, para proceder al va ciado del cok, se abren las dos
compuertas la terales del horno y, mediante una máquina deshornadora, se empuja hacia
fuera; luego, se transporta por medio de una vagoneta hasta la torre de apagado, con el fin
de evitar su combustión espontánea.
Los materiales se introducen en el interior del alto horno en capas alternadas
Una capa formada por una mezcla de minerales de hierro.
Antes de introducirlo, el mineral es sometido a una serie de
tratamientos de lavado (para eliminar la mayor cantidad posible de
impurezas, como tierra, rocas, cal y sílice) y desmenuzado (para
facilitar los procesos de transformación que van a tener lugar).
El mineral extraído de una mina de hierro puede ser de
carga directa a los altos hornos o puede requerir de un proceso de
peletización para ser utilizado en la producción.
Es importante destacar que si el mineral posee bajo
contenido de impurezas (principalmente fósforo y azufre), puede ser
utilizado para carga directa, requiriendo sólo tratamientos de molienda y concentración.
Si, por el contrario, el contenido de impurezas es relativamente alto, se realiza también
la molienda y concentración, pero requiere además de un proceso químico de peletización,
donde se reducen significativamente dichas impurezas.
Una capa de carbón de cok.
Una capa de material fundente, formado básicamente por caliza, que se encarga de
arrastrar la ganga del mineral y las cenizas. Con todo
este material se forma la escoria.
En la cuba se produce el primer calentamiento
En esta zona se elimina la humedad del mineral y se
calcina la caliza, con desprendimiento de dióxido de
carbono y formación de
cal. El monóxido de
carbono producido por la
combustión del cok en la
parte inferior se encarga
de reducir los óxidos de
hierro hasta obtener una
masa esponjosa de hierro
metálico.
La parte más ancha
se denomina vientre y en
ella tiene lugar el proceso
de fusión del hierro y de la
escoria.
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Bajo el vientre están las toberas, encargadas de insuflar el aire necesario para la
combustión. Este aire procede de unas instalaciones denomi nadas recuperadores de calor,
que aprovechan la energía térmica del gas que sale del horno alto para precalentar el aire.
De este modo se consigue que la temperatura del horno alto sobrepase los 1.500 ºC, con lo
que se logra un importante ahorro del carbón de cok.
La parte inferior del horno se llama etalaje y su forma compensa la disminución de
volumen del material, que se produce como consecuencia de su reducción y de la pérdida de
materias volátiles. En esta zona se depositan el hierro y la escoria fundidos. Como la escoria
es de menor densidad que el hierro, queda flotando sobre él. De este modo se protege el
hierro de la oxidación.
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Carga típica en Alto Horno
Componentes
kg/t
kg/carga
Mineral de Hierro
490
9.600
Pellets
995
19.600
Chatarra
15
Mineral de Mn
22
112
2.300
12
250
451
9.200
44
899
Caliza
Cuarzo
Cok
Petróleo + Alquitrán
Composición química del Arrabio
Elementos
%
Hierro (Fe)
93,70
Carbono (C)
4,50
300
Manganeso (Mn)
0,40
450
Silicio (Si)
0,45
Fósforo (P)
0,110
Azufre (S)
0,025
Vanadio (V)
0,35
Titanio (Ti)
0,06
Aire Insuflado
1.530
m3/min
Temperatura Aire
Insuflado
1.030ºC
Temperatura en Alto Horno : 1.460ºC
Las materias primas se cargan en la parte superior del horno. El aire, que ha sido
precalentado hasta los 1.030 ºC aproximadamente, es forzado dentro de la base del horno
para quemar el cok. El cok en combustión genera el intenso calor requerido para fundir el
mineral y produce los gases necesarios para separar el hierro del mineral. En forma muy
simplificada las reacciones son:
Carbono (Cok)
Oxígeno (aire)
Monóxido de Carbono
Gaseoso
Calor
+
+
2C
O2
Calor
2CO
Oxido de Hierro
Monóxido de
Carbono
Hierro Fundido
Dióxido de Carbono Gaseoso
3CO
2Fe Hierro
+
Fe2 O3
Impurezas en el Mineral Fundido
+
+
Piedra Caliza
3CO2
ESCORIA
La extracción de la escoria y el hierro fundido se lleva a cabo a través de dos orificios
situados en la parte inferior, denominados bigotera y piquera.
. Por la bigotera se extrae la escoria que sobrenada. Ésta suele emplearse como
subproducto para la obtención de abonos y cementos especiales, llamados de
clinquerización.
. Por la piquera sale el hierro fundido, que se denomina arrabio, hierro colado o
fundición de primera fusión.
El arrabio fundido se vierte directamente en torpedos y se transporta a las lingoteras,
para obtener lingotes de hierro o a los convertidores, donde se transformará en acero.
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Una vez iniciado el proceso, los hornos altos
funcionan de manera continua y sólo se apagarán
cuando sea necesario efectuar reparaciones, como
consecuencia del desgaste del material refractario del
recubrimiento de sus paredes.
La materia prima que se va a introducir en el
horno se divide en un determinado número de
pequeñas cargas que se introducen a intervalos de
entre 10 y 15 minutos. La escoria que flota sobre el
metal fundido se retira una vez cada dos horas, y el
arrabio se sangra cinco veces al día , aunque éste período de tiempo puede modificarse
controlando la inyección de aire por las toberas.
Para reducir el consumo energético del proceso se emplean diversas técnicas, como
la sinterización del mineral, la inyección de gases combustibles por las toberas o la mejora de
la calidad del cok, disminuyendo su contenido en humedad y empleando granos de hierro y
tamaño. De este modo se ha conseguido pasar de 1.000 a 500 kg la cantidad de cok
necesario para obtener una tonelada de arrabio.
Productos siderúrgicos
Los distintos productos que se obtienen a partir de los minerales de hierro se
denominan, en general, productos siderúrgicos y pueden clasificarse en tres grandes
grupos, dependiendo de su contenido en carbono: el hierro dulce, las fundiciones y los
aceros
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