Producción del hierro y el acero El diagrama general de la fusión

Producción del hierro y el acero
El diagrama general de la fusión primaria del hierro integra a la mayoría de las actividades que se desarrollan en el
proceso productivo. No se debe olvidar que los diagramas de flujo son una de las herramientas más utilizadas por
los ingenieros industriales y que de manera automática los deben utilizar o elaborar.
El 90% de todos los metales fabricados a escala mundial son de hierro y acero. Los procesos para la obtención de
hierro fueron conocidos desde el año 1200 AC.
Los principales minerales de los que se extrae el hierro son:
Hematita (mena roja)
70% de hierro
Magnetita (mena negra)
72.4% de hierro
Siderita (mena café pobre)
48.3% de hierro
Limonita (mena café)
60-65% de hierro
Para la producción de hierro y acero son necesarios cuatro elementos fundamentales:
1.
Mineral de hierro
2.
Coque
3.
Piedra caliza
4.
Aire
Los tres primeros se extraen de minas y son transportados y prepararlos antes de que se introduzcan al sistema en
el que se producirá el arrabio.
El arrabio es un hierro de poca calidad, su contenido de carbón no está controlado y la cantidad de azufre rebasa
los mínimos permitidos en los hierros comerciales. Sin embargo es el producto de un proceso conocido como la
fusión primaria del hierro y del cual todos los hierros y aceros comerciales proceden.
A la caliza, el coque y el mineral de hierro se les prepara antes de introducirse al alto horno para que tengan la
calidad, el tamaño y la temperatura adecuada, esto se logra por medio del lavado, triturado y cribado de los tres
materiales.
Algunos elementos químicos en la fundición del hierro
Existen muchos elementos químicos que dan las características de ingeniería a las aleaciones ferrosas, sin
embargo hay algunos que se destacan por sus efectos muy definidos, a continuación se presentan algunos de
estos elementos.
Carbono. Arriba del 4% baja la calidad del hierro, sin embargo se debe decir que es el elemento que da la dureza
al hierro y por medio de sus diferentes formas en las que se presenta, se pueden definir varias propiedades de las
aleaciones y su grado de maquinabilidad. Con base a la cantidad de carbono en el hierro las aleaciones se pueden
definir o clasificar como se observó en los temas anteriores.
Silicio. Este elemento hasta un 3.25% es un ablandador del hierro y es el elemento predominante en la
determinación de las cantidades de carbono en las aleaciones de hierro. El silicio arriba de 3.25% actúa como
endurecedor. Las fundiciones con bajo contenido de silicio responden mejor a los tratamientos térmicos.
Manganeso. Es un elemento que cuando se agrega a la fundición arriba del 0.5% sirve para eliminar al azufre del
hierro. Como la mezcla producto del azufre y el manganeso tiene baja densidad flota y se elimina en forma de
escoria. También aumenta la fluidez, resistencia y dureza del hierro.
Azufre. No sirve de nada en el hierro, debe ser eliminado y controlado.
El alto horno
En general los altos hornos tienen un diámetro mayor a 8 m y llegan a tener una altura superior de los 60 m. Están
revestidos de refractario de alta calidad.
Los altos hornos pueden producir entre 800 y 1600 toneladas de arrabio cada 24 h. La caliza, el coque y el mineral
de hierro se introducen por la parte superior del horno por medio de vagones que son volteados en una tolva. Para
producir 1000 toneladas de arrabio, se necesitan 2000 toneladas de mineral de hierro, 800 toneladas de coque,
500 toneladas de piedra caliza y 4000 toneladas de aire caliente.
Con la inyección de aire caliente a 550°C, se reduce el consumo de coque en un 70%. Los sangrados del horno se
hacen cada 5 o 6 horas, y por cada tonelada de hierro se produce 1/2 de escoria.
Alto horno
1
El hierro, es un elemento químico, un metal de transición, con número atómico de 26, que forma parte del grupo 8
y el periodo 4 de la tabla periódica. Se representa bajo el símbolo de Fe.
Ocupa el cuarto lugar en cuando a elementos más abundantes de la corteza terrestre se refiere, aunque cabe
destacar que es uno de los metales más importantes, pues incluso el núcleo de la Tierra se encuentra formado por
él en su mayoría, consiguiendo así poder mover el campo magnético. Desde siempre ha sido muy importante,
llegando a dar nombre a un periodo histórico de la antigüedad, la Edad de Hierro.
El hierro tiene un característico color gris plata, y presenta diversas características como la maleabilidad, el
magnetismo, etc. En la naturaleza, forma parte de innumerables minerales. Como curiosidad se puede mencionar,
que el hierro es el elemento más pesado producido exotéricamente a través de un proceso de fusión, pero a su
vez, es el elemento más ligero que se consigue a través de fisión, pues su núcleo contiene la energía de enlace por
nucleón más alta posible.
El hierro ocupa el cuarto lugar en abundancia de la corteza terrestre, por lo que es uno de los elementos metálicos
más abundantes. Este se obtiene de modo continuo a través del llamado, horno alto. El proceso de obtención
consiste en la reducción de óxido de hierro (concretamente de las menas), generalmente de Fe2O3, que se suelen
encontrar impuras mezcladas con silicatos. La reducción se lleva a cabo mediante el monóxido de carbono, el cual
se general a través de la reacción del coque con aire, a la misma ves que se le proporciona calor. Se presentan de
manera global las siguientes reacciones:
Fe2O3 (s) + 3CO (g) → 2 Fe (s) + 3CO2 (g)
2C (s) + O2 (g) → 2 CO (g)
Un horno alto suele tener varias decenas de metros de alto, y son cargados por la parte alta de este, con una
mezcla de áxidos de hierro, junto con coque y caliza, mientras que se insufla aire por la parte inferior del horno con
el fin de facilitar la combustión del coque. El CaCo3 ( caliza), que es el mineral no síliceo con mayor abundancia de
la corteza de la Tierra, se añade para eliminar los silicatos, reaccionando con el óxido de caldio que se forma por la
descomposición térmica de la caliza:
CaCO3 → CaO + CO2
CaO + SiO2 → CaSiO3
El hierro fundido que se obtiene es protegido del aire por la escoria, que se obtiene del silicato de calcio, el cual al
tener un punto de fusión bajo se puede extraer fácilmente pues el hierro fundido posee una mayor densidad que
ésta.
El hierro fundido tiene un cantidad de un 4% aproximadamente de carbono, junto a otras impurezas, que le
confieren unas propiedades mecánicas no muy eficientes. Es por esto que se necesita eliminar, o reducir, la
concentración de las impurezas, que son generalmente carbono, silicio, fósforo y azufre. Para ello se insufla
oxígeno, a través del hierro fundido, provocándose así la eliminación del carbono y del azufre, en cambio el silicio y
el fósforo, forman óxidos que por reacción con el correspondiendo óxido de calcio se eliminan en forma de escoria
(CaSiO3 o Ca3(PO4)3 ) :
3 CaO + P2O5 → Ca3 (PO4)2
Es fácil entender el funcionamiento de un horno, sabiendo que el hierro (generalmente Fe2O3), se reduce en
etapas que dependen de la temperatura. La parte alta del horno, es donde la temperatura es más baja, lo que
facilita la formación de Fe3O4, el cual al descender a la parte más caliente, se reduce a FeO, que al final acaba por
reducirse a Hierro en la parte más caliente, siguiendo las siguientes reacciones:
3Fe2O3 + CO → 2 Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2
FeO + CO → Fe + CO2
Aceros y Fundiciones
Los aceros son aleaciones hierro-carbono con concentraciones apreciables de otros elementos aleantes. Existen
miles de aceros de diferentes composiciones y/o tratamientos térmicos. Los aceros se clasifican según su
contenido en carbono en: bajo, medio y alto contenido en carbono. Los aceros al carbono solo contienen
concentraciones residuales de impurezas mientras que los aceros aleados contienen elementos que se añaden
intencionadamente en concentraciones específicas. Los aceros y aleaciones en general se pueden designar de
acuerdo a las instrucciones dadas por AISI "American Iron and Steel Institute" ASTM "American Society for Testing
and Materials" y SAE "Society of Automotive Engineers". La designación AISI/SAE consta de cuatro cifras. Las dos
primeras indican el contenido en aleantes y las dos segundas en carbono. Las dos primeras para aceros al carbono
son 1 y 0 mientras que en aceros aleados puede ser por ejemplo 13, 41 o 43. Las cifras tercera y cuarta indican el
contenido en carbono multiplicado por cien. Por ejemplo, el acero código AISI/SAE 1010, es un acero al carbono
(sin elementos aleantes adicionales) y un 0.1 % de C. Existen dos formas de identificar los aceros: la primera es a
través de su composición química, por ejemplo utilizando la norma AISI:
La Tabla 1 relaciona la nomenclatura AISI-SAE con los valores de resistencia, ductilidad y dureza, conceptos que
se explicarán más adelante. Sirve para relacionar la composición química y las propiedades mecánicas de los
aceros. En las Tablas 2 y 3 se entrega información detallada de la composición química de diversas aleaciones
listadas en base su número AISI-SAE.
Aceros bajos en carbono:
Constituye la mayor parte de todo el acero fabricado. Contienen menos del 0.25 % en peso de C, no responde al
tratamiento térmico para dar martensita ni se pueden endurecer por acritud. La microestructura consiste en ferrita y
perlita. Por tanto, son relativamente blandos y poco resistentes pero con extraordinaria ductilidad y tenacidad.
Son de fácil mecanizado, soldables y baratos. Se utilizan para fabricar vigas, carrocerías de automóviles, y láminas
para tuberías edificios y puentes. Otro grupo de aceros de bajo contenido en carbono son los de alta resistencia y
baja aleación. Contienen concentraciones variables de Cu, V, Ni y Mo totalizando ~ 10 % en peso. Poseen mucha
más resistencia mecánica, que puede aumentar por tratamiento térmico y mantienen las propiedades de fácil
mecanizado. Se emplean en componentes donde la resistencia mecánica es crítica: puentes, torres, columnas de
soportes de edificios altos, bastidores de camiones y vagones de tren.
Aceros medios en carbono:
Contienen entre el 0.25 y 0.60 % en peso de C. Estos aceros pueden ser tratados térmicamente mediante
austenización, temple y revenido para mejorar las propiedades mecánicas. La microestructura generalmente es
martensita revenida. Las adiciones de Cr, Ni y Mo facilitan el tratamiento térmico que en su ausencia es difícil y útil
solo para secciones de pieza relativamente delgadas. Son más resistentes que los aceros bajos en carbono pero
menos dúctiles y maleables. Se suelen utilizar para fabricar cinceles, martillos, cigüeñales, pernos, etc.
Aceros altos en carbono:
Generalmente contienen entre el 0.60 y 1.4 % en peso de C. Son más duros y resistentes (y menos dúctiles) que
los otros aceros al carbono. Casi siempre se utilizan con tratamientos de templado y revenido que lo hacen muy
resistentes al desgaste y capaces de adquirir la forma de herramienta de corte. Generalmente contienen Cr, V, W y
Mo, los cuales dan carburos muy duros como Cr23C6, V4C3 y WC. Se utilizan como herramientas de corte,
matrices para fabricar herramientas de herrería y carpintería. Por ejemplo, cuchillos, navajas, hojas de sierra,
brocas para cemento, corta tubos, troqueles, herramientas de torno, muelles e hilos e alta resistencia.
La fundición gris:
Tiene un contenido en carbono entre 2.5 y 4.0 % y de silicio entre 1 y 3 %.
El grafito suele aparecer como escamas dentro de una matriz de ferrita o perlita, la microestructura se observa en
la figura 4.10. El nombre se debe al color de una superficie fracturada.
Desde un punto de vista mecánico las fundiciones grises son comparativamente frágiles y poco resistentes a la
tracción. La resistencia y la ductilidad a los esfuerzos de compresión son muy superiores. Esta fundiciones
amortiguan la energía vibracional de forma mucho más efectiva que los aceros. Así los equipos que vibran mucho
se suelen construir de esta aleación. A la temperatura de colada tienen mucha fluidez por lo que permite moldear
piezas de forma muy complicadas. Además, la fundición gris es uno de los materiales metálicos más baratos. Se
utiliza en bloque de motores, tambores de freno, cilindros y pistones de motores.
La fundición dúctil o esferoidal: Se consigue añadiendo pequeñas cantidades de magnesio y cerio a la fundición
gris en estado líquido. En este caso, el grafito no se segrega como escamas sino que forma esferoides (figura 4.11)
lo que confiere a la fundición propiedades mecánicas diferentes. No es frágil y tiene propiedades mecánicas
similares a las de los aceros. Presenta una mayor resistencia a la tracción que la fundición gris. Se suele utilizar
para la fabricación de válvulas y engranajes de alta resistencia, cuerpos de bomba, cigüeñales y pistones. La
fundición blanca: Contienen poco carbono y silicio (< 1%) y se obtienen por enfriamiento rápido. La mayor parte
del carbono aparece como cementita en lugar de grafito, y la superficie fracturada tiene una tonalidad blanca. La
microestructura se representa en la figura 4.12. La fundición blanca es extremadamente dura y frágil por lo que es
inmecanizable. Su aplicación se limita a componentes de gran dureza y resistencia al desgaste y sin ductilidad
como los cilindros de los trenes de laminación. Generalmente la fundición blanca se obtiene como producto de
partida para fabricar la fundición maleable. La fundición maleable: Se obtiene a partir de la fundición blanca por
calentamiento prolongado en atmósfera inerte (para prevenir la oxidación) a temperaturas entre 800 y 900 ºC. En
estas condiciones la cementita descompone para dar grafito en forma de racimos o rosetas dentro de la matriz
ferrítica o perlítica. La microestructura se representa en la figura 4.13 y es similar a la de la fundición esferoidal. Se
suele emplear en tubos de dirección y engranajes de transmisión, muelles tubulares y partes de válvulas.