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Technical Documents - Documentos Técnicos: METALURGIA . EL ACERO Y SU INDUSTRIA .

Procedimientos de obtención . Distintos tipos .

El hierro se obtiene principalmente de los minerales magnetita (Fe304), hematita (Fe203) y siderita (FeCo3), denominados, de acuerdo con la nomenclatura química, óxido ferroso férrico , óxido férrico y carbonato de hierro, respectivamente. 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 el 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 él acero, que es hierro que contiene de 0,16 hasta casi 2 por ciento de carbono y vestigios mínimos de fósforo y azufre.

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 por cientos 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.

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 usó 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, se trata 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 antes 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

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.

Eléctricos

Son procedimientos que han alcanzado gran difusión, pues permiten obtener aceros muy puros, resistentes y uniformes. En los hornos, él 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. Obtiénense así aceros que se emplean en la fabricación de herramientas de precisión e instrumentos delicados .

Alguien afirmó, a mediados del siglo XX, que el acero estaba perdiendo importancia, posiblemente por la aparición de nuevos materiales plásticos, apropiados para la fabricación de objetos tan numerosos e importantes que resulta obvio citarlos aquí. También influían en esta opinión las aplicaciones de las aleaciones de aluminio en diversas industrias, construcciones, fabricación de utensilios, etc. No obstante ello, el acero sigue constituyendo el material básico de la industria. A tal punto que su producción mundial excede los 500 millones de toneladas por año.

Obtenido el acero por los procedimientos citados en el anteriormente, se lo vierte en una gran cuchara, movida por una grúa y se lo descarga en una lingotera, es decir, en un molde en el que se obtienen lingotes cuya longitud oscila entre uno o dos metros .

El lingote enfriado pasa a una laminadora donde es comprimido, alargado y perfilado en barras en I, L, T, U, etc., o bien en barras redondas, cuadradas, hexagonales, etc., de acuerdo con las necesidades de la industria.

De un lingote puede obtenerse un carril de 50 m de largo.

Con el acero ordinario se fabrican otros llamados, en general, aceros al carbono y, en particular, acero dulce, extradulce, duro, extraduro, etc., que se obtienen modificando ligeramente su composición, principalmente el porcentaje de carbono. Con el acero dulce, que contiene entre 0,15 y 0,30 por ciento de carbono, se fabrican alambres, barras perfiladas, armazones metálicos, etc.; con el extradulce cuyo porciento de carbono es inferior al 0,15 se obtienen tornillos, clavos, etc.; el duro, cuyo contenido en carbono está comprendido entre el 0,45 y 0,65 por ciento, se emplea para fabricar herramientas, rieles, cuchillos, etc.; con el extraduro, que tiene más de 0,65 por ciento de carbono, se hacen cables , resortes, etc.

Las propiedades del acero se pueden modificar por los tratamientos especiales ya citados y, también, por procedimientos químicos que consisten en sumar al acero ordinario ciertas cantidades de otros elementos químicos que varían notablemente sus propiedades. Así, el volframio o tungsteno, el molibdeno, el cromo, etc. aumentan su dureza y lo hacen apto para ciertos usos; el níquel lo vuelve más resistente y el vanadio aumenta su resistencia a la rotura y a la tensión. Así como el agregado de los elementos mencionados permite obtener aceros especiales, vestigios de otros elementos, tales como el fósforo, el azufre y particularmente el nitrógeno combinado, modifican la naturaleza del acero hasta hacerlo inservible para usos prácticos.

Entre los aceros especiales más importantes se cuentan los que a continuación se citan.

Aceros al cromo

Son aceros inoxidables que contienen diversos porcentajes de cromo. Se obtienen agregando este elemento al acero ordinario en forma de una aleación de hierro conocida con el nombre de ferrocromo, en cuya composición entra del 40 al 80 por ciento de cromo. El acero inoxidable contiene 13 por ciento de cromo y 0, 1 a 0,4 por ciento de carbono. En la composición del acero que se usa para construir cajas de seguridad tan duro que resiste la acción de los taladros, entra alrededor del 1,5 por ciento de carbono, y 2,5 a 4 por ciento de cromo.

Aceros al cromo níquel

Entre éstos, que se caracterizan por su elevada resistencia a la tracción y al choque, como así también, por su dureza, se cuenta el micromo, nombre de una marca comercial de acero con un contenido de 11 a 25 por ciento de cromo y 50 a 70 por ciento de níquel. Es muy resistente a la corrosión atmosférica, aún a temperaturas de unos 1.100°C. Se emplea para fabricar las resistencias de los calentadores eléctricos, aparatos y tuberías para la industria química, en construcciones navales, etc.

Aceros rápidos

Contienen cromos, volframio, molibdeno, etc., se caracterizan por conservar su gran dureza a elevadas temperaturas, motivo por el cual se usan en la fabricación de los instrumentos cortantes de las máquinas herramientas. La composición de estos aceros resulta variable. Una, que se da a título de ejemplo, es la siguiente: volframio, 8 a 24 por ciento; cromo, 5 a 6 por ciento, y vanadio, 1 a 1,5 por ciento.

Aceros al vanadio

Material que contienen: 0,15 a 0,20 por ciento de vanadio. Se los emplea en piezas de automóviles .

Existe un importante número de aceros especiales pues continuamente se obtienen nuevas aleaciones, cada una de ellas con propiedades adecuadas par los usos a que se las destina .

Los Hornos .

Fábrica o aparato destinado a producir el calor necesario para secar, cocer o recocer materiales, fundir metales, descomponer minerales, etc. El dispositivo que se usa en el hogar para la calefacción doméstica puede también recibir el nombre de horno. Pero los más importantes son los que se emplean en la industria, particularmente en la metalúrgica.

Hay dos tipos fundamentales: la cámara de combustión de una caldera de vapor y el horno de "cámara cerrada", en el cual se funden y tratan metales . La primera es generalmente un horno revestido de ladrillos rodeados por agua . El combustible es coque, carbón de piedra o petróleo . Al quemarse, el calor pasa de los ladrillos a la envoltura de agua y el vapor generado se retira por un sistema de cañerías. El agua consumida se reemplaza instantáneamente con agua fría, que afluye a la envoltura como resultado de las corrientes de convección .

Los hornos utilizados para tratar metales y minerales deben operar a temperaturas mucho más elevadas .

En la producción de acero y otros procesos metalúrgicos se emplean ciertos hornos en los cuales el material por tratar está separado del combustible, pero las llamas "reverberan” sobre el mineral metálico depositado en una artesa o cubeta revestida de material refractario. Está reflexión intensa de las radiaciones caloríficas originó el nombre de "horno de reverbero". En éstos, gran parte del calentamiento proviene del efecto de radiación del techo del horno.

Se utilizan hornos de reverbero de baja temperatura, llamados "hornos de secar", con el fin de calcinar minerales, es decir, calentarlos con el propósito de eliminar de ellos sustancias volátiles, el agua o el anhídrido carbónico.

Este tipo de trabajo generalmente exige agitar de un modo u otro el mineral mismo, de forma que se exponga constantemente una superficie o cara distinta de las partes trituradas del material a las llamas calcinantes. En algunos hornos industrialmente importantes, los gases, que llegan calientes a las chimeneas, porque fueron producidos en abundancia y a elevadas temperaturas en los hogares, disiparían su energía calorífica al salir al medio ambiente exterior, lo que significa una pérdida de índole económica. Por ello, mediante dispositivos especiales se recupera su calor, antes de que lleguen a las chimeneas, para utilizarlo con diversos fines industriales.

Los hornos de mufla no permiten que el combustible o sus llamas entren en contacto con el material en procesamiento. El calor pasa alrededor de una envoltura separada, fuera de la cámara del horno. Los pequeños hornos de mufla se utilizan para refinar la plata en un proceso denominado de copelación. Se utiliza una modificación de la forma de actuar del horno de mufla, cuando se deposita un crisol refractario cerrado dentro del combustible que arde. Aquí, la ventaja consiste en que se obtiene una temperatura interna más elevada. Este tipo de horno se llama horno de crisol. Si la zona de combustión está bajo el nivel del suelo , se lo llama horno de foso. El cinc se refina en un horno de retorta de sección elíptica de 20 por 28 cm y un metro y medio de largo. Los convertidores que pueden considerarse como tipos particulares de hornos, reciben sus cargas de metal ya fundido. En ellos se inyecta aire u oxígeno a través de una placa refractaria situada en el fondo del convertidor y provista de orificios. La reacción de oxidación obtenida produce calor. Los convertidores Besserner son de esta clase; en otros tipos el aire o el oxígeno se inyecta desde los costados del convertidor o desde arriba.

Hornos eléctricos: Los hornos calentados eléctricamente están muy difundidos, sobre todo para refinaciones de alta calidad. Hay tres tipos principales, de acuerdo con el modo de producir calor: de resistencia, de arco y de inducción. En el primero se usan ciertos metales para generar calor (por ejemplo, en una cocina doméstica). El metal elegido depende de la temperatura requerida. Las aleaciones de cromo - níquel se utilizan hasta temperaturas de unos 1.000°C. Para temperaturas más altas, pueden usarse el tungsteno, el molibdeno, el grafito y el carborundo. Para impedir la oxidación y así prolongar la vida de los elementos calefactores, generalmente en estos hornos se mantiene un ambiente vacío que contiene un gas enrarecido, helio o nitrógeno .

Los hornos de arco aprovechan la propiedad de que la electricidad puede pasar de un electrodo a otro, situado a una cierta distancia, creando un arco eléctrico o voltaico de elevada temperatura. En los hornos de arco indirecto, los electrodos se disponen sobre la carga, sobre la cual irradian calor. Los de arco directo usan la carga misma como uno de los electrodos. En este caso el electrodo se acerca hasta tocar la carga y luego se retira en forma gradual, para obtener el arco eléctrico entre el electrodo y la carga.

Otro tipo de horno de arco directo es el de arco sumergido. También aquí la carga constituye un electrodo, pero el otro, a su vez, se sumerge en la carga. Se forman entonces arcos de corta distancia entre el electrodo y las partes más próximas de la carga .

Las Aleaciones .

Pocos metales se usan en su estado puro. Aunque pueden poseer algunas propiedades convenientes, tales corno ligereza o resistencia a la corrosión , los metales puros son generalmente demasiado débiles como para ser útiles en la vida diaria. A menudo se pueden mejorar sus propiedades mezclando uno o más metales para formar aleaciones. Así, el aluminio puro es liviano pero débil; cuando se le agrega un poco de cobre y manganeso se vuelve muy resistente. También se le agrega un poco de cobre al oro con el mismo fin. El cobre y el estaño son, por separado, débiles, pero . forman la aleación bronce , que es bastante fuerte y dura. Lo mismo se aplica al cobre y al cinc , que juntos forman el latón. El cobre es un metal muy empleado en aleaciones; se usa también para el cuproniquel, que sirve en la fabricación de cospeles para estampar monedas.

Las aleaciones pueden también formarse agregando un elemento no metálico, tal como el carbono o el silicio , a un metal. La aleación más útil de todas, el acero , es una aleación de hierro con una pequeña cantidad de carbono, generalmente también con ciertos porcentajes de otros metales. El hierro por sí mismo es débil, como lo es el carbono; sin embargo, al unirse ambos se obtendrá acero, que es duro y resistente. Sólo una pequeña porción de carbono es necesaria para producir tal efecto. El acero ordinario contiene menos del 0,25 % de carbono. La resistencia y la dureza no son los únicos beneficios que pueden ser obtenidos agregando un metal a otro. Un elemento de aleación puede ser agregado a un metal para variarle otras propiedades, tales como la durabilidad, elasticidad y resistencia a la corrosión. Cuando el cromo y el níquel se agregan al acero, obtenemos el acero inoxidable; de esta forma, la resistencia natural a la corrosión del cromo y el níquel ha sido aportada al acero, que tiende a herrumbrarse. Seleccionando elementos convenientes, las aleaciones pueden ser hechas prácticamente para cualquier aplicación. El acero inoxidable es solamente una de las muchas aleaciones de acero en uso.

Las aleaciones se hacen mezclando los metales cuando están fundidos. La mayoría de los metales se disuelven uno en otro hasta cierto punto. El cobre y el níquel pueden mezclarse juntos en cualquier proporción. Otros pares de metales son sólo parcialmente miscibles, mientras que unos pocos, incluyendo el plomo y el aluminio, son completamente inmiscibles uno en el otro. Al enfriarse, las aleaciones se comportan de modo diverso que los metales puros, excepto en casos muy especiales. Esto se manifiesta sobre todo en el punto de fusión , que en los metales ocurre a una temperatura determinada. Sobre esa temperatura son líquidos , y por debajo, son sólidos. La mayoría de las aleaciones se comportan de modo diferente, pues aquel punto varía en algunos grados. Una aleación de cobre y níquel de un 50 por ciento de cada uno, por ejemplo, forma una masa pastosa a partir de los 1.248°C y recién funde a los 1.312°C.

Estructura de la aleación

Cuando se enfría la mezcla fundida de dos metales es posible que sucedan dos cosas: que raramente los metales puedan permanecer completamente disueltos uno en otro para dar una masa homogénea, y que generalmente se trate de una aleación binaria o de sólo dos metales, y está hecha de dos clases de cristales . En el primer caso tenemos un metal con un poquito del otro disuelto en él, en el segundo, en cambio, un compuesto de los dos metales. Cuando en estado sólido un metal está disuelto en otro, estamos frente a lo que se denomina una solución sólida. Las dos clases de soluciones sólidas que existen han sido denominadas sustitucionales o intersticiales, según el comportamiento que adoptan los átomos en la aleación. En una, cuando los átomos son parecidos y de peso aproximado, se sustituyen átomos de uno de los componentes por los del otro metal de la aleación; en la otra, los átomos del elemento de aleación se apretujan dentro de los intersticios que dejan los átomos del elemento principal. Esto es sólo posible con átomos pequeños como los de nitrógeno, carbono y boro .

Ambas formas de aleación causan la distorsión de la red principal del metal cristalino y le confieren mayor fuerza .

La otra clase de cristal presente en aleaciones, que mencionáramos anteriormente, es un compuesto de los dos metales de aleación; se denomina compuesto intermetálico. Tiene una composición definida y los átomos de los dos metales están ordenados en una estructura regular. La presencia de compuestos intermetálicos en una aleación le confieren dureza. Las propiedades mecánicas de una aleación están dadas por su estructura cristalina. A menudo esta estructura puede ser modificada y muy mejorada por medio de varias formas de tratamiento por calor. Esto significa calentar la aleación a una cierta temperatura y luego enfriarla ya sea bruscamente o a un ritmo controlado. Las distintas formas de tratamiento por calor permiten el desarrollo de diferentes clases de cristales, que confieren diversas propiedades convenientes a las aleaciones .

Aleaciones importantes
  • Aleaciones ferrosas (principalmente hierro)
  • Aceros especiales y aceros inoxidables.
  • Aceros dúctiles
  • Hierro colado
  • Aleaciones no ferrosas ( Poco o nada de hierro)
  • Aleaciones de aluminio
  • Bronce al aluminio
  • Bronce al manganeso
  • Bronce fosforado
  • Bronce
  • Latón naval
  • Latón cobrizo o latón rojo
  • Aleación de cobre y níquel
  • Aleación de níquel y cobre
  • Aleación de níquel y cromo
  • Aleación de níquel y molibdeno
  • Aleación de plomo
  • Peltre
  • Metal blanco (metal antifricción)
  • Aleación de magnesio
  • Aleación de titanio

 

 

 

 

 

 
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