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METALES. Productos siderúrgicos, el acero.
Tecnología industrial
Tras el proceso de extracción del arrabio en el alto horno, éste se procesa para
obtener los productos;
hierro dulce, fundiciones y
aceros con los que se
elaboran los subproductos
comerciales finales.
Puede ocurrir que
se produzca mas arrabio
que el que se pueda
utilizar inmediatamente, en
este caso parte de él se deposita en unos recipientes
(moldes) denominados lingoteras para procesarlos
posteriormente.
HIERRO DULCE
Se denomina hierro dulce al hierro cuyo contenido en carbono es inferior al 0,1 %. En
estas condiciones puede considerarse químicamente puro.
Es un material de color plateado, de gran permeabilidad magnética, dúctil y maleable.
Admite la forja, por lo que también se le denomina hierro forjado.
Puede obtenerse por procedimientos electrolíticos, a partir de baños de sulfato y
cloruro de hierro. El material que resulta se emplea para conducción eléctrica por su baja
resistividad.
Sin embargo, resulta muy poroso, se oxida con gran fa cilidad y presenta con
frecuencia grietas internas que lo hacen poco útil para otras aplicaciones industriales.
FUNDICIONES
El arrabio o fundición de primera fusión, como ya hemos indicado, es el material
que se obtiene directamente del horno alto.
Cuando solidifica resulta un material muy duro, pero su contenido en carbono y otras
impurezas hace que sea frágil y quebradizo y que no admita la forja ni la soldadura. En estas
condiciones no puede utilizarse para fabricar piezas que vayan a estar sometidas a
esfuerzos.
Según las impurezas que contiene, se distinguen la fundición gris y la fundición
blanca, nombre que reciben por el aspecto que presenta su superficie de fractura.
. La fundición gris se obtiene cuando el contenido de silicio es elevado. El carbono
cristaliza entonces en forma de grafito y sólo pue de emplearse para piezas moldeadas
(procedimiento que se verá mas adelante).
. La fundición blanca se obtiene cuando el contenido de manganeso es elevado. En
estas condiciones, el carbono se combina con el hierro formando carburo de hierro y se
utiliza como una de las materias primas para la obtención del acero.
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Para conseguir un material duro, resistente y tenaz, es necesario reducir el contenido
de carbono y modificar la composición de los demás elementos presentes en el arrabio. Esta
operación se denomina afino y de ella se obtienen los aceros.
ACEROS
Cuando se consigue reducir el contenido en carbono del hierro por debajo del 1,76 %
se obtiene el acero.
El acero es una aleación de hierro y carbono en la que el contenido de carbono oscila
entre el 0,1 % y el 1,76 %, Y puede contener en su composición otros elementos metálicos o
no metá licos.
Los elementos que aparecen en la composición de los diferentes tipos de aceros son
los que se encargan de dotarlos de las propiedades que los caracterizan. Además del
carbono, podemos encontrar silicio, manganeso, cromo, níquel, molibdeno, vanadio y
volframio.
Los diferentes tipos de acero se clasifican de acuerdo a los elementos de aleación que
producen distintos efectos en el Acero :
ACEROS AL CARBONO
Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65%
de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre. Entre los productos fabricados con aceros al carbono figuran máquinas,
carrocerías de automóvil, la mayor parte de las estructuras de construcción de acero, cascos de buques, somieres y horquillas.
ACEROS ALEADOS
Estos aceros contienen un proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, además de cantidades mayores de
manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales. Estos aceros de aleación se pueden subclasificar en :
Estructurales
Son aquellos aceros que se emplean para diversas partes de máquinas, tales como engranajes, ejes y palancas.
Además se utilizan en las estructuras de edificios, construcción de chasis de automóviles, puentes, barcos y
semejantes. El contenido de la aleación varía desde 0,25% a un 6%.
Para
Herramientas
Aceros de alta calidad que se emplean en herramientas para cortar y modelar metales y no-metales. Por lo
tanto, son materiales empleados para cortar y construir herramientas tales como taladros, escariadores, fresas,
terrajas y machos de roscar.
Especiales
Los Aceros de Aleación especiales son los aceros inoxidables y aquellos con un contenido de cromo
generalmente superior al 12%. Estos aceros de gran dureza y alta resistencia a las altas temperaturas y a la
corrosión, se emplean en turbinas de vapor, engranajes, ejes y rodamientos.
ACEROS DE BAJA ALEACION ULTRARRESISTENTES
Esta familia es la más reciente de las cuatro grandes clases de acero. Los aceros de baja aleación son más baratos que los aceros
aleados convencionales ya que contienen cantidades menores de los costosos elementos de aleación. Sin embargo, reciben un
tratamiento especial que les da una resistencia mucho mayor que la del acero al carbono. Por ejemplo, los vagones de mercancías
fabricados con aceros de baja aleación pueden transportar cargas más grandes porque sus paredes son más delgadas que lo que
sería necesario en caso de emplear acero al carbono. Además, como los vagones de acero de baja aleación pesan menos, las
cargas pueden ser más pesadas. En la actualidad se construyen muchos edificios con estructuras de aceros de baja aleación. Las
vigas pueden ser más delgadas sin disminuir su resistencia, logrando un mayor espacio interior en los edificios.
ACEROS INOXIDABLES
Los aceros inoxid ables contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación, que los mantienen brillantes y resistentes a la
herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la humedad o de ácidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy
duros; otros son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos periodos a temperaturas extremas. Debido a sus
superficies brillantes, en arquitectura se emplean muchas veces con fines decorativos. El acero inoxidable se utiliza para las
tuberías y tanques de refinerías de petróleo o plantas químicas, para los fuselajes de los aviones o para cápsulas espaciales.
También se usa para fabricar instrumentos y equipos quirúrgicos, o para fijar o sustituir huesos rotos, ya que resiste a la acción de
los fluidos corporales. En cocinas y zonas de preparación de alimentos los utensilios son a menudo de acero inoxidable, ya que no
oscurece los alimentos y pueden limpiarse con facilidad.
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Procesos de fabricación de aceros
A partir del siglo XIX y hasta la actualidad se han
desarrollado diversos procedimientos de afino del hierro para
obtener el acero. Entre los dispositivos empleados destacan el
convertidor desarrollado por Bessemer y Thomas, el convertidor
LD, el horno Martin- Siemens y los hornos eléctricos.
El convertidor de Bessemer, Thomas y LD.
El arrabio procedente del alto horno,
transportado por los torpedos se deposita en los
convertidores, recipientes de acero y revestidos
interiormente, como los altos hornos, de ladrillos
refractarios Se
diferencian de
los hornos en
que a éstos se
les proporciona
calor y a los
convertidores
no, el material
se deposita fundido y dentro se produce mas calor con
la combustión del carbono del arrabio.
El convertidor ideado por Bessemer consistía
en un recipiente metálico basculante de gran tamaño recubierto por material refractario de
carácter ácido. El proceso de afino duraba entre 15 y 20 minutos y tenía tres fases: llenado,
soplado y vaciado.
En la fase de llenado, se inclinaba el convertidor para facilitar su lle nado con el
arrabio fundido procedente del horno alto.
En la fase de soplado, el convertidor se situaba en posición vertical y se inyectaba
aire a presión a través de unos orificios practicados en el fondo.
El aire entraba a través de la masa fundida y oxidaba el carbono, el silicio y el
manganeso. El calor desprendido en estos procesos de oxidación permitía mantener la
temperatura de fusión del arrabio.
Carbono
2C
+ Oxígeno
+
O2
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MONOXIDO DE CARBONO GASEOSO
2CO
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La fase de vaciado se iniciaba una vez quemadas las impurezas.
Se inclinaba de nuevo eI convertidor y se vertía acero en las lingoteras.
La principal ventaja de este procedimiento consistía en poder detenerlo con sólo cerrar
la entrada del aire. De este modo se conseguían aceros con distintas cantidades de carbono,
silicio y manganeso. Su principal inconveniente radicaba en que sólo podía utilizarse para
arrabios con cantidades muy pequeñas de fósforo, ya que este material no se eliminaba.
La modificación introducida por Thomas
consistió en incorporar un fundente de carácter básico
la cal, que permitía eliminar el exceso de fósforo
presente. Al finalizar el proceso, se extraía primero el
acero y, posteriormente, la escoria formada. Sin
embargo, a diferencia del anterior, este proceso no
podía detenerse para regular la cantidad de otros
componentes.
En la actualidad, ambos procesos han caído
en desuso y se han sus tituido por el moderno
convertidor LD, en el que solo se insufla O2 con una
lanza, por la boca del convertidor.
El Horno Martin-Siemens.
Es, como su nombre indica, un horno al que se
le añaden las materias a fundir o fundidas y además,
hay que aplicarles calor.
Se trata de un horno de reverbero, es decir, el calor se aplica a los materiales por
reflejo de una bóveda.
Constan esencialmente de un hogar. Un laboratorio con solera y bóveda y de una
chimenea. El tipo más sencillo quema hulla en una parrilla y la llama, con los productos de la
combustión se refleja (reverbera) en la bóveda o techo del horno, atraviesan el espacio que
hay sobre la solera (donde se sitúa la carga metálica) y son evacuados por la chimenea,
colocada en el extremo opuesto a la parrilla. En la actualidad se emplean más los
combustibles gaseosos, Líquidos y el carbón pulve rizado, los cuales se Insuflan en el horno,
mezcla dos con aire precalentado, por medio de un quemador situado en un extremo.
La capacidad de estos hornos es muy variable: los hay hasta de 250 toneladas. Su
campo de aplicación es muy amplio, ya que pueden fundir latones, bronces, aleaciones de
aluminio, fundiciones y acero. La fundición de hierro fabricada en estos hornos puede tener
una composición más precisa que la obtenida en el cub ilote; por ello se emplean para
obtener la fundición blanca destinada a la maleabilización. Otras veces se emplea en dúplex
con los cubilotes, donde se funde previamente el meta l y después se transfiere al horno de
reverbero, donde se ajusta más exactamente la composición.
Consta de un recuperador de calor, al igual que el alto horno, destinados a economizar
combustible y alcanzar una temperatura suficientemente elevada para fundir el metal. Están
constituidos por dos pares de cámaras, formadas interiormente por una serie de conductos
sinuosos de ladrillo refractario. Su funcionamiento es como sigue: Los gases calientes que
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salen del horno, al pasar a través de los recuperadores, les comunican su calor y, cuando
están suficientemente calientes, mediante un dispositivo automático de válvulas, se invierte
el sentido de circulación, de forma que el gas y el aire, antes de entrar en el horno, pasan por
los recuperadores calientes y alcanzan temperaturas de 1000 °C a 1200 °C. llegándose a
conseguir de esta forma. en la combustión. los 1800 °C. Mientras tanto los gases de la
combustión pasan a través de los otros recuperadores. que ahora están en periodo de
calentamiento.
Hornos de arco eléctrico
Como las condiciones de refinado de estos hornos se pueden regular más
estrictamente, los hornos eléctricos son sobre todo útiles para producir acero inoxidable y
aceros aleados que deben ser fabricados según unas especificaciones muy exigentes. El
refinado se produce en una cámara hermética, donde la temperatura y otras condiciones se
controlan de forma rigurosa mediante dispositivos automáticos. En las primeras fases de este
proceso de refinado se inyecta oxígeno de alta pureza a través de una lanza, lo que aumenta
la temperatura del horno y disminuye el tiempo necesario para producir el acero. La cantidad
de oxígeno que entra en el horno puede regularse con precisión en todo momento, lo que
evita reacciones de oxidación no deseadas.
Son los más usados en los talleres de fundición. Constan de un crisol basculante de
sección circular, con solera cóncava recubierta de material refractario y dos aberturas
laterales, una para adicionar los materiales de afino o la carga metálica (en los hornos
pequeños) y la otra para la piquera. Todo ello va cubierto con una bóveda desmontable (para
introducir la carga metálica) recubierta interiormente de material refractario, provista de
orificios por donde penetran los electrodos de grafito, que hacen saltar el arco con la carga
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metálica situada en la solera.
Una vez cargado el horno se hacen descender unos electrodos hasta la superficie del
metal. La corriente eléctrica fluye por uno de los electrodos, forma un arco eléctrico hasta la
carga metálica, recorre el metal y vuelve a formar un arco hasta el siguiente electrodo. La
resistencia del metal al flujo de corriente genera calor, que —junto con el producido por el
arco eléctrico— funde el metal con rapidez. Hay otros tipos de horno eléctrico donde se
emplea una espiral para generar calor.
Durante este periodo debe existir una capa de escoria en la superficie, para afinar el
baño, evitar su oxidación y proteger la bóveda y las paredes del crisol de la irradiación del
calor del arco y del metal. La duración del proceso es relativamente rápida, permitiendo un
control adecuado tanto en la temperatura, como en la composición del metal. Una vez que ha
terminado el proceso, se retiran los electrodos y se procede a la colada en la cuchara,
inclinando el horno.
Los hornos de este tipo que más se usan son los trifásicos con capacidad de 3 a 8 toneladas,
aunque se construyen desde 1 a 100 toneladas. Se emplean para fundir el acero y la
fundición gris de excelente calidad.
Tratamientos de los metales para mejorar sus propiedades
Los metales se pueden someter a una serie de
tratamientos para potenciar sus propiedades. En unos
casos se busca mejorar su dureza y resistencia
mecánica; en otros, mejorar su plasticidad para facilitar
su conformado.
Existen cuatro clases de tratamientos:
? Tratamientos térmicos. El metal es sometido a
procesos térmicos en los que no varía su composición
química, aunque sí su estructura.
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- Tratamientos termoquímicos. Los metales se someten a enfriamientos y
calentamientos, pero además se modifica la composición química de su superficie exterior.
- Tratamientos mecánicos. Se mejoran las características de los meta les mediante
deformación mecánica, con o sin calor.
- Tratamientos superficiales. Se mejora la superficie de los metales sin variar su
composición química másica. En estos tratamientos, a diferencia de los termoquímicos, no es
necesario llevar a cabo calentamiento alguno.
Los tratamientos no deben alterar de forma notable la composición química del metal
pues, en caso contrario, no sería un tratamiento, sino otro tipo de proceso.
Tratamientos térmicos
Los tratamientos térmicos son operaciones de calentamiento y enfriamiento de los
metales que tienen por objeto modificar su estructura cristalina (en especial, el tamaño del
grano). La composición química permanece inalterable.
Existen tres tratamientos fundamentales:
- Recocido. El metal se calienta durante cierto tiempo a una temperatura determinada
y, a continuación, se enfría lentamente. De esta manera, se consigue una mayor plasticidad
para que pueda ser trabajado con facilidad. La temperatura y la duración de este tratamiento
dependerán del grado de plasticidad que se quiera comunicar al metal, así como del grado
de tensiones internas iniciales existentes en él.
- Temple. Consiste en el calentamiento del metal, seguido de un poste rior enfriamiento
realizado de forma brusca. Con esto se consigue obte ner un metal muy duro y resistente
mecánicamente, con su estructura cristalina deformada. El endurecimiento adquirido por
medio del temple se puede comparar al que se consigue por deformación en frío.
- Revenido. Se aplica exclusivamente a los metales templados, pudiendo considerarse
como un tratamiento complementario del temple. Con ello se pretende mejorar la tenacidad
del metal templado, a costa de dismi nuir un poco su dureza.
Tratamientos termoquímicos
Los tratamientos termoquímicos consisten en operaciones de calenta miento y
enfriamiento de los metales, completadas con la aportación de otros elementos en la
superficie de las piezas.
Los más relevantes son:
- Cementación. Consiste en la adición de carbono a la superficie de un acero que
presente un bajo contenido en el mismo a una cierta temperatura. Se obtiene así una dureza
superficial muy elevada.
- Nitruración. Es un proceso de endurecimiento del acero por absorción de nitrógeno a
una temperatura determinada. Además, proporciona una buena resistencia a la corrosión.
Se utiliza para endurecer piezas de maquinaria (bielas, cigüeñales,
etc.);
también
herramientas, como brocas, etcétera.
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- Cianuración. Es un tratamiento intermedio entre los dos anteriores. Se utiliza no
solamente en aceros con bajo contenido en carbono (como en el caso de la cementación),
sino también en aquéllos cuyo contenido en carbono sea medio o alto, cuando se pretende
que adquieran una bue na resistencia.
- Carbonitruración. Consigue aumentar la dureza de los aceros mediante la absorción
simultánea de carbono y nitrógeno a una temperatura determinada, igual que la de
cianuración. La diferencia con el tratamiento anterior radica en que la carbonitruración se
realiza mediante gases, y la cianuración por medio de baños. Se emplea en piezas de gran
espesor.
- Sulfinización. Mediante la inmersión del metal en un baño especial se consigue
incorporarle una capa de carbono, nitrógeno y, sobre todo, azufre. Con este tratamiento se
aumenta considerablemente la resistencia al desgaste de los metales, a la vez que se
disminuye su coeficiente de rozamiento.
Tratamientos mecánicos
Los tratamientos mecánicos mejo ran las características de los meta les por
deformación mecánica, con o sin calor.
Existen los siguientes tratamientos mecánicos:
- Tratamientos mecánicos en caliente , también denominados forja. Consisten en
calentar un metal a una temperatura determinada para, luego, deformarlo golpeándolo
fuertemente. Con esto se afina el tamaño del grano y se eliminan del material sopladuras y
cavidades interiores, con lo que se mejora su estructura interna.
- Tratamientos mecánicos en frío. Consisten en deformar el meta l a la temperatura
ambiente, bien golpeándolo, o por trefilado o laminación. Estos tratamientos incrementan la
dureza y la resistencia mecánica del metal y, también, acarrean una disminución en su
plasticidad.
Tratamientos superficiales
Los tratamientos superficiales más utilizados son:
- Metalización. Se proyecta un metal fundido, pulverizándolo sobre la superficie de otro.
Con esto se consigue comunicar a la superficie de un metal las características de otro
diferente.
- Cromado. Se deposita cromo electrolíticamente sobre el metal; de esta manera, se
disminuye su coeficiente de rozamiento y se aumenta su resistencia al desgaste.
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