Technical English - Spanish Vocabulary |
PRODUCCIÓN DE HIERRO Y ACERO En virtud de su amplia gama de propiedades mecánicas, físicas y químicas, los metales y sus aleaciones ferrosas son los más útiles de todos los metales. Los metales y las aleaciones ferrosas contienen hierro como metal base; las categorías generales son aceros al carbono y de aleación, los aceros inoxidables, los aceros para herramienta y dados, los hierros fundidos y los aceros fundidos. Las aleaciones ferrosas se producen en forma de (a) lámina de acero para automóviles, enseres domésticos y recipientes; (b) placas para calderas, barcos y puentes; (e) miembros estructurales como vigas en I, productos en barra, ejes, cigüeñales, y rieles de ferrocarril; (d) engranes y materia prima para herramientas y dados; (e) alambre para música; (f) sujetadores como pernos, remaches y tuercas. Un automóvil norteamericano común contiene aproximadamente 800 kilogramos (1750 libras) de acero, lo que representa aproximadamente de 55% a 60% de su peso. Como un ejemplo de su amplio uso, los materiales terrosos conforman de 70% a 85% del peso de los miembros estructurales y de los componentes mecánicos. Los aceros al carbono son los menos costosos de todos los metales estructurales. El uso del hierro y del acero como materiales estructurales ha sido uno de los desarrollos tecnológicos de mayor importancia. Las herramientas ferrosas primitivas aparecieron por primera vez alrededor de 4000 - 3000 a.C. Se fabricaron de hierro meteorítico, obtenido de los meteoritos que habían caído sobre la tierra. El verdadero trabajo en hierro se inició en Asia Menor aproximadamente 1100 a.C., y señaló la llegada de la Edad de hierro. La invención del alto horno, aproximadamente 1340 d.C., hizo posible la producción de grandes cantidades de hierro y de acero PRODUCCIÓN DE HIERRO Y ACERO Materias primas Los tres materiales básicos que se utilizan en la fabricación del hierro y del acero son el mineral de hierro, la piedra caliza y el coque. Aunque no existe en estado libre en la naturaleza, el hierro es uno de los elementos de mayor abundancia en el mundo, formando aproximadamente 5% de la corteza terrestre (bajo forma de varios minerales). Los principales minerales de hierro son la taconita (una roca negra de tipo pedernal), la hematita (un mineral de óxido de hierro), la limonita (un óxido de hierro que contiene agua), magnetita (Fe304), hematita (Fe203) y siderita (FeC03), denominados estos últimos, de acuerdo con la nomenclatura química, óxido ferroso férrico, óxido férrico y carbonato de hierro, respectivamente. Una vez extraído de la mina, el mineral es triturado en partículas finas, las impurezas son eliminadas utilizando varios métodos como la separación magnética, y el mineral se forma en pelets o bolas, utilizando aglutinantes y agua. Comúnmente, las pastillas son de aproximadamente 65% de hierro puro y de casi 25 milímetros (1 pulgada) de diámetro. El mineral de hierro concentrado se conoce como beneficiado (como otros minerales concentrados). Algunos minerales ricos en hierro se utilizan directamente sin hacerlo en pelets. El mineral empleado se mezcla con carbón , coque por ejemplo, y un fundente, en un alto horno en el cual, por combustión incompleta del carbón, se forma del gas reductor llamado monóxido de carbono (CO) o simplemente óxido de carbono, que reduce al mineral y deja en libertad al hierro. Éste, fundido, se recoge en el pozo del horno, o crisol de donde se retira la escoria, por una abertura superior, y la masa líquida de hierro bruto o arrabio, por otra más baja, dejando que se derrame en moldes de arena, o en moldes enfriados, donde solidifica. El arrabio, que contiene 1,5 a 4 por ciento de carbono, en parte libre en forma de grafito y en parte combinado con el hierro con el que constituye el carburo de hierro (Fe3C), junto con otras impurezas, entre ellas, fósforo, azufre y silicio sirve para preparar, hierro dulce y acero. Prácticamente, la mayor proporción de arrabio se utiliza en la industria moderna para obtener el acero, que es hierro que contiene de 0,16 hasta casi 2 por ciento de carbono y vestigios mínimos de fósforo y azufre. El coque se obtiene de grados especiales de carbón bituminoso, que se calienta en hornos verticales hasta temperaturas de 1150°C (2100°F) y luego se enfría con agua en torres de enfriamiento. El coque tiene varias funciones en la fabricación del acero. Otra es generar el elevado nivel de calor requerido para que ocurran las reacciones químicas en la fabricación del acero. Un segundo es producir monóxido de carbono (un gas reductor, elimina el oxígeno), el cual es utilizado para reducir el óxido de hierro a hierro. Los subproductos químicos del coque se utilizan en la fabricación de plásticos o de compuestos químicos. Los gases que han sido emitidos durante la conversión de carbón a coque se utilizan como combustible para las operaciones de la planta. La función de la piedra caliza (carbonato de calcio) es remover impurezas del hierro fundido. La caliza reacciona químicamente con las impurezas, actuando como fundente (lo que significa, que fluye como fluido) lo que hace que las impurezas se fundan a baja temperatura. La caliza se combina con las impurezas y forma una escoria, que es ligera, flota sobre el metal fundido, y que subsecuentemente es eliminada. La dolomita (un mineral de carbonato de magnesio y calcio) se utiliza como fundente. Posteriormente la escoria es utilizada en la fabricación de cemento, fertilizantes, vidrio, materiales para construcción, aislamiento de lana mineral y de balastre para carreteras. Fabricación de hierro Las tres materias primas son llevadas a la parte superior de un alto horno y lanzado dentro del mismo; este proceso se conoce como cargar el horno. El principio de este horno fue desarrollado en Europa Central; el primer alto horno que se construyó en Estados Unidos empezó a operar en 1621. El alto horno es básicamente un gran cilindro de acero recubierto con tabique refractario resistente al calor; tiene la altura de aproximadamente un edificio de 10 pisos. La mezcla de la carga se funde en una reacción a 1650°C (3000°F) con aire precalentado a aproximadamente 1100°C (2000°F) y soplado en el horno (de ahí el término en inglés de blast furnace) a través de toberas (tuyeres). Aunque ocurre un cierto número de reacciones, la reacción básica es la del oxígeno con el carbono, para producir monóxido de carbono, que a su vez reacciona con el óxido de hierro y lo reduce a hierro. El precalentamiento del aire de entrada es necesario, porque la sola combustión del coque no produce temperaturas suficientemente elevadas para que ocurran las reacciones. El metal fundido se acumula en la parte inferior del alto horno, en tanto que las impurezas flotan hacia la parte superior del metal. A intervalos de 4 a 5 horas, el metal fundido es vaciado en cubas o carros torpedo, cada una de ellas con 160 toneladas de hierro. El metal fundido en esta etapa se conoce como hierro cochino, o simplemente arrabio caliente. Tiene una composición típica de 4% de carbono, 1.5% de silicio, 1 % de manganeso, 0.04% de azufre y 0.04% de fósforo, siendo el resto de hierro. El uso de la palabra cochino en inglés, proviene de las primeras prácticas de vaciar el hierro fundido en pequeños moldes en la arena, organizados como una anidada de cochinos alrededor de un canal principal. El metal solidificado (cochino) se utiliza después en la fabricación de hierros y aceros.
Fig. (1) Ilustración esquemática de un alto horno Fabricación de acero
El acero se produjo por primera vez en China y Japón aproximadamente en 600 - 800 a.C. El proceso de fabricación de acero es esencialmente el de refinar el hierro cochino, mediante la disminución del porcentaje de manganeso, silicio, carbono y otros elementos, y de controlar la composición del resultado mediante la adición de varios elementos. Para obtener el acero se descarbura el arrabio, es decir, se elimina de éste el carbono, y después se vuelve a carburar el hierro obtenido con la cantidad necesaria de carbono para que el porcentaje de éste quede comprendido entre los extremos arriba citados, pues de tales porcientos dependen las propiedades específicas del acero ordinario. La fabricación del acero puede realizarse por los siguientes procedimientos: de cementación; al crisol; de Bessemer; de hogar abierto, o de Siemens-Martin, y eléctricos. El metal fundido del alto horno se transporta a uno de tres tipos de hornos: de hogar abierto, eléctrico, o de oxígeno básico. También se deben considerar métodos mas antíguos como la cementación , al crisol o el convertidor de Bessemer . Cementación Prácticamente abandonado en la actualidad, consistía en enriquecer superficialmente el hierro dulce, o hierro casi puro con el porcentaje de carbono requerido para transformarlo en acero. En este procedimiento, que es el más antiguo, y se uso en Damasco, y en Toledo, se calientan barras de hierro dulce, rodeadas de carbón de leña en polvo, en cajas cerradas de ladrillos refractarios, a unos 1.000°C durante varios días. Al crisol Como el anterior, tratase de un procedimiento anticuado. Se realiza fundiendo hierro dulce, con la cantidad necesaria de carbón de leña, en crisoles de tierra refractaria. Se obtiene un acero de buena calidad que sirve para fabricar, por ejemplo, tijeras. De Bessemer Este sistema, ideado por el ingeniero inglés Enrique Bessemer (1813-1898), revolucionó la industria del acero, pues abarató este producto al permitir obtenerlo en grandes cantidades. Consiste en descarburar el arrabio en un gran recipiente de hierro, en forma de pera, revestido interiormente de material refractario, y conocido en la industria metalúrgica con el nombre de convertidor de Bessemer. En este aparato, que puede girar alrededor de su eje, y está provisto de orificios en su fondo, se introduce por su boca, inclinándola, 10 o más toneladas de arrabio fundido. El metal se trae en este estado directamente del alto horno. Después, vuelto el convertidor a su posición inicial, la vertical, se hace penetrar en él por sus orificios inferiores una corriente de aire comprimido que atraviesa la masa fundida. Por la oxidación del carbono y otras impurezas del arrabio y por la acción del oxígeno contenido en el aire inyectado, se eleva, fuertemente la temperatura. Como consecuencia de esto se produce la combustión del óxido de carbono formado y por la boca del convertidor salen llamaradas que dan al aparato un impresionante aspecto. Las llamas se observan con un espectroscopio para saber, por el espectro que producen, cuándo el arrabio está completamente descarburado, es decir, exento de carbono. Después de este proceso, que dura de 10 a 20 minutos, se suspende el soplado de aire y se agrega a la masa fundida la cantidad necesaria de carbono para transformarla en acero. Esto se logra agregando ferromanganeso, que es una aleación de hierro y manganeso cuyo contenido de carbono se conoce, y agitando la masa con un chorro de aire. El acero así obtenido se vierte en moldes apropiados haciendo girar el convertidor. El convertidor de Bessemer está revestido interiormente de material refractario, como más arriba se expresó. Pero como este material posee naturaleza ácida, por estar constituido por cuarzo y arena silícea amasada con arcilla, sólo puede utilizarse cuando el arrabio no contiene como impureza fósforo. En caso contrario éste no es eliminado, pues al reaccionar con el material del revestimiento origina fosfatos ácidos que, al ser reducidos por el hierro, vuelven a incorporar el fósforo a la masa líquida que origina así un acero quebradizo e inutilizable. Tal inconveniente se elimina utilizando el convertidor Thomas, semejante al anterior, pero revestido interiormente con material refractario básico, constituido por dolomita amasada con alquitrán. La dolomita, que es un carbonato de calcio y magnesio, reacciona con el fósforo y origina fosfato de calcio, que se separa en forma de escoria y tiene, además, la ventaja de servir como excelente abono químico, conocido con el nombre de escoria Thomas. De hogar abierto La etiqueta “hogar abierto" deriva del hogar poco profundo directamente abierto a las flamas que funden al metal. También conocido con el nombre de Siemens-Martin, este procedimiento tiene la ventaja de producir un acero de buena calidad y, además, la de permitir la utilización de los desperdicios de hierro viejo y acero. Su principal desventaja, con respecto al de Bessemer está representada por tiempo empleado para obtener el acero, que es de unas 10 horas. En este procedimiento se emplea un horno de reverbero, en el cual las llamas y los productos de combustión lamen el baño metálico y después se dirigen a la chimenea. Los hornos de esta clase tienen una capacidad de unas 200 toneladas, y un revestimiento refractario ácido o básico según la composición del material empleado en la obtención del acero.Desarrollado en los años de 1860, el horno de hogar abierto sigue siendo importante industrialmente, pero rápidamente está siendo reemplazado por hornos eléctricos y por el proceso de oxígeno básico, ya que estos últimos dos son más eficientes y producen aceros de mejor calidad. Horno eléctrico. El horno eléctrico se introdujo por primera vez en Estados Unidos en 1906. Son procedimientos que han alcanzado gran difusión, pues permiten obtener aceros muy puros, resistentes y uniformes. En los hornos, el calor se genera mediante el arco eléctrico, por la resistencia que la masa de hierro presenta al paso de la corriente o por la producción en aquella masa de las llamadas corrientes de Foucault. En uno de estos procedimientos, se funde en un crisol de arcilla refractaria, hierro dulce de elevada pureza, con cantidades perfectamente medidas de fundición de hierro. Obteniéndose así aceros que se emplean en la fabricación de herramientas de precisión e instrumentos delicados. La fuente de calor es un arco eléctrico continuo, que se forma entre los electrodos y el metal cargado . En este tipo de hornos se generan temperaturas tan altas como 1925°C (3500°C). Existen normalmente tres electrodos de grafito, que pueden ser de hasta 750 mm (30 pulg) de diámetro y de 1.5 a 2.5 m (5 a 8 pies) de longitud. Su altura dentro del horno se puede ajustar en respuesta a la cantidad de metal presente y al desgaste de los electrodos. En el horno eléctrico se introduce chatarra de acero y una pequeña cantidad de carbono y de cal a través del techo abierto. (Los hornos eléctricos también se pueden cargar con 100% de chatarra.) El techo se cierra y se bajan los electrodos. Se establece la conexión y dentro de un periodo de aproximadamente 2 horas, el metal se funde. La corriente entonces es desconectada, se elevan los electrodos, el horno es inclinado y el metal fundido es vaciado en una olla de traslado, que es un recipiente utilizado para la transferencia y vaciado del metal fundido. Las capacidades de los hornos eléctricos van de 60 a 90 toneladas de acero por día. La calidad del acero producido es mejor que el de hogar abierto o del proceso de oxígeno básico. Para cantidades más pequeñas, los hornos eléctricos pueden ser del tipo de inducción. El metal se coloca en un crisol, que es un recipiente grande, fabricado de material refractario y rodeado por una bobina de cobre, a través de la cual se hace pasar una corriente alterna . La corriente inducida en la carga, funde el metal. Estos hornos también se utilizan para volver a fundir el metal para su colado.
Figura (c) : Horno eléctrico de inducción
Figura(a): Horno eléctrico de arco indirecto
Figura (b): Horno eléctrico de arco directo Horno de oxígeno básico. El horno de oxígeno básico (BOF, por sus siglas en Inglés: ( Basic Oxigen Furnace) es el proceso de fabricación de acero más reciente y más rápido. Típicamente, se cargan en un recipiente 200 toneladas de hierro fundido de primera fusión y 90 toneladas de chatarra . Entonces se sopla oxígeno puro en el horno durante aproximadamente 20 minutos a través de una lanza (un tubo largo) enfriada por agua a una presión de aproximadamente 1250 kPa (180 psi) . A través de una tolva de alimentación se agregan productos fundentes, como la cal. La vigorosa agitación del oxígeno refina el metal fundido mediante un proceso de oxidación, en el cual se produce óxido de hierro. El óxido entonces reacciona con el carbono en el metal fundido , produciendo monóxido y dióxido de carbono. La lanza es retraída y el horno es vaciado inclinándolo ; observe la apertura de la figura para el metal fundido. La escoria es eliminada inclinando el horno e dirección opuesta. El proceso BOF es capaz de refinar 250 toneladas de acero en 35 o 50 minutos. La mayor parte de los aceros BOF , tienen bajos niveles de impurezas, por lo tanto son de mejor calidad que los aceros de los hornos de hogar abierto, se procesan a placas, hojalata y varias formas estructurales, como vigas en I y canales . Horno de vacío: El acero también puede ser fundido en hornos de inducción iguales o similares al de la figura, en que se ha eliminado el aire. Debido a que el proceso elimina impurezas gaseosas del metal fundido, la fundición en vacío produce aceros de alta calidad .
Production of Iron and Steel By virtue of their wide range of mechanical physical and chemical properties ferrous metals and alloys are among the most useful of all metals. Ferrous metals and alloys contain iron as their base metal the general categories are carbon and alloy steels stainless steels tool and die steels cast irons and cast steels. Ferrous alloys are produced as (a) sheet steel for automobiles appliances and containers (b) plates for boilers ships and bridges (c) structural members such as I-beams bar products axles crankshafts and railroad rails (d) gears as stock for tools and dies (e) music wire and ( f) fasteners such as bolts rivets and nuts. A typical U. S. passenger car contains about 800 kg 1750 Ib of steel accounting for ahout 55% to 60% of its weight. As an example of their widespread use ferrous materials make up 70% to 85% by weight of structural members and mechanical components. Carbon steels are the least expensive of all structural metals. The use of iron and steel as structural materials has been one of the most important technological developments. Primitive ferrous tools first appeared in about 4000 - 3000 B. C. They were made from meteoritic iron obtained from meteorites that had struck the earth. True ironworking began in Asia Minor in about 1100 B. C. and signaled the advent of the iron age. Invention of the blast furnace in ahout 1340 A. D. made possible the production of large quantities of iron and steel. Raw Materials The three basic materials used in iron- and steelmaking are iron ore limestone and coke. Although it does not occur in a free state in nature iron is one of the most abundant elements in the world making up ahout 5% of the earth s crust in the form of various ores . The principal iron ores are taconite a black flintlike rock hematite an iron oxide mineral and limonite an iroon oxide containing water. After it is mined the ore is crushed into fine particles the impurities are removed by various means such as magnetic separation and the ore is formed into pellets balls or briquettes using binders and water. Typically pellets are about 65% pure iron and about 25 mm 1 in. in diameter. The concentrated iron ore is referred to as beneficiated as are other concentrated ores . Some iron -rich ores are used directly without pelletizing. Coke is obtained from special grades of bituminous coal which are heated in veltical ovens to temperatures of up to 1150 °C 2100 °F and then cooled with water in quenching towers. Coke has several functions in steelmaking. One is to generate the high level of heat required for the chemical reactions in ironmaking to take place. A second is to produce carbon monoxide a reducing gas meaning that it removes oxygen which is then used to reduce iron oxide to iron. The chemical byproducts of coke are used in the making of plastics and of chemical compounds. Gases evolved during the conversion of coal to coke are used as fuel for plant operations. The function of limestone calcium carbonate is to remove impurities from the molten iron. The limestone reacts chemically with impurities acting like a flux meaning to flow as a fluid that causes the impurities to melt at a low temperature. The limestone comhines with the impurities and forms a slag which is light floats over the molten metal and is subsequently removed. Dolomite an ore of calcium magnesium carbonate is used as a flux. The slag is later used in making cement fertilizers glass building materials rock-wool insulation and road ballast. Ironmaking The three raw materials are carried to the top of the blast furnace and dumped into it Fig. (1) this process is called charging the furnace. The principle of this furnace was developed in Central Europe the first blast furnace built in the United States began operating in 1621 . The hlast furnace is hasically a large steel cylinder lined with refractory heat-resistant brick it has the height of about a ten -story building. The charge mixture is melted in a reaction at 1650 DC 3000 OF with air preheated to about 1100 °C 2000 °F and blasted into the furnace hence the term blast furnace through nozzles tuyeres . Although a number of reactions may take place the basic reaction is that of oxygen with carbon to produce carbon monoxide which in turn reacts with the iron oxide and reduces it to iron. Preheating the incoming air is necessary because the burning coke alone does not produce sufficiently high temperatures for the reactions to occur. The molten metal accumulates at the hottom of the blast furnace while the impurities float to the top of the metal. At intervals of four to five hours the molten metal is drawn off tapped into ladle cars each holding as much as 160 tons of molten iron. The molten metal at this stage is called pig iron or simply hot metal. It has a typical composition of 4% carhon 1.5% silicon 1% manganese 0.04% sulfur and 0.4% phosphorus with the rest being pure iron. Use of the word pig comes from the early practice of pouring the molten iron into small sand molds arranged like a litter of small pigs around a main channel. The solidified metal pig is then used in making iron and steels. Steelmaking Steel was first produced in China and Japan in about 600 800 A. D. The steelmaking process is essentially one of refining the pig iron by the reduction of the percentage of manganese silicon carbon and other elements and of controlling the composition of the output by the addition of various elements. The molten metal from the blast furnace is transported into one of three types of furnaces open-hearth electric or basic oxygen. The label open-hearth derives from the shallow hearth shape that is directly open to the flames that melt the metal. Developed in the 1860s the open-hearth furnace is still important industrially but it is heing replaced rapidly by electric furnaces and by the basic-oxygen process because the latter two are more efficient and produce steels of better quality.
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