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PRODUCCIÓN DEL ACERO
Presentado por: JOSÉ DAVID PINILLA MANRIQUE
Cod. 701081256
JOSIMAR JOSÉ PEREZ GUETTE
Cod. 701081260
FEDERICO ARTURO LAFAURIE BARROS
Cod. 701081251
WALTER ARIZA PERTÚZ
Cod. 701081275
PROCESOS INDUSTRIALES INGENIERO MCO. JULIÁN SALAS SIADO BARRANQUILLA, COLOMBIA NOVIEMBRE 16 DE 2010
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PRODUCCIÓN DE ACERO
GÜETTE PEREZ JOSIMAR JOSÉ LAFAURIE BARROS FEDERICO ARTURO PERTÚZ ARIZA WALTER PINILLA MANRIQUE JOSÉ DAVID
PROCESOS INDUSTRIALES
UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL BARRANQUILLA 2010 3
PRODUCCIÓN DE ACERO
GÜETTE PEREZ JOSIMAR JOSÉ LAFAURIE BARROS FEDERICO ARTURO PERTÚZ ARIZA WALTER PINILLA MANRIQUE JOSÉ DAVID
COD. 701081260 COD. 701081251 COD. 701081275 COD. 7010021256
TRABAJO DE PROCESOS INDUSTRIALES PRODUCCIÓN DE ACERO
ING. MEC. M.SC. JULIÁN MIGUEL SALAS SIADO DIPLOM - INGENIEUR. MATR. ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR ZÜRICH - ETH-Z /SUIZA UNIVERSIDAD DE HANNOVER – ALEMANIA UNIVERSIDAD DE STUTTGART - ALEMANIA UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA - BOGOTÁ
UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO FACULTAD DE INGENIERÍA PROGRAMA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL BARRANQUILLA 2010 4
TABLA DE CONTENIDO
I.
INTRODUCCIÓN ...................................................................................... 12
1.
HISTORIA DEL ACERO ........................................................................ 14
1.1.
PRIMEROS USOS DEL ACERO ....................................................... 15
1.2.
USOS DEL ACERO A PARTIR DEL S.XIX ........................................ 16
2. 2.1.
FUNDAMENTOS DEL ACERO ............................................................. 17 ¿QUÉ ES EL ACERO? ...................................................................... 17
2.2. PROPIEDADES FÍSICAS, QUÍMICAS, MECANICAS Y CARACTERÍSTICAS DEL ACERO ................................................................ 18 2.3.
FASES DEL ACERO .......................................................................... 19
2.4.
COMPONENTES MICROSCÓPICOS DEL ACERO .......................... 20
2.5.
ALEANTES DEL ACERO ................................................................... 22
2.6.
IMPUREZAS EN EL ACERO ............................................................. 25
2.7 NORMAS PARA LA CLASIFICACIÓN DE ACEROS................................ 26 3.
PROCESO PRODUCTIVO DEL ACERO .............................................. 27
3.1.
DIAGRAMA DE FLUJO ...................................................................... 28
3.2.
EXTRACCIÓN Y TRATAMIENTO DE LA MATERIA PRIMA ............. 32
3.3.
EL ALTO HORNO .............................................................................. 35
3.5.
ARRABIO ........................................................................................... 38
3.9. PROCESOS DE COLADO ..................................................................... 47 4.
PRODUCTOS DE ACERO ................................................................... 53
4.1.
HOJALATA ......................................................................................... 54
4.1.
TUBOS ............................................................................................... 55
4.3.
VARILLAS .......................................................................................... 57
4.7.
ALAMBRE NEGRO ............................................................................ 58
4.8.
PLANCHAS ........................................................................................ 59
5. 5.1.
TRATAMIENTO TÉRMICO DEL ACERO ............................................. 60 RECOCIDO ........................................................................................ 60 5
5.6.
NORMALIZADO ................................................................................. 62
5.7.
TEMPLE ............................................................................................. 63
5.8.
REVENIDO ........................................................................................ 65
5.12.
TRATAMIENTOS ISOTERMICOS DE LOS ACEROS ....................... 68
6.
CLASIFICACION DEL ACERO ............................................................ 71
6.1.
ACEROS AL CARBONO .................................................................... 71
6.2.
ACEROS ALEADOS .......................................................................... 71
6.3.
ACEROS DE BAJA ALEACIÓN ULTRARESISTENTES .................... 72
6.4.
ACEROS INOXIDABLES ................................................................... 72
6.5.
ACEROS DE HERRAMIENTAS ......................................................... 74
7.
GRANDES ESTRUCTURAS DE ACERO ............................................. 75
7.1. PLATAFORMA PETROLÍFERA FLOTANTE ―PERDIDO‖, GOLFO DE MÉXICO.......................................................................................................... 75 7.2.
EL PUENTE DE EADS....................................................................... 76
7.3.
EL GRAN PUENTE DEL ESTRECHO AKASHI KAIKYO ................... 77
7.4.
LAS TORRES PETRONAS ................................................................ 78
7.5.
EL SHUN HING SQUARE .................................................................. 79
7.6.
EL PUENTE DE BROOKLYN ............................................................ 80
7.7.
MONTAÑA RUSA KINGDA KA .......................................................... 81
8. 8.1.
MERCADO DEL ACERO ...................................................................... 82 PRODUCCIÓN MUNDIAL ANUAL DEL ACERO ............................... 82
8.2. PRODUCCIÓN ANUAL DE MINERAL DE HIERRO EN AMÉRICA LATINA ........................................................................................................... 84 8.3. PRODUCCIÓN MENSUAL 2010 Y LA PARTICIPACIÓN DE COLOMBIA ..................................................................................................... 86 8.5.
GRANDES EMPRESAS DEDICADAS AL ACERO EN COLOMBIA .. 95
8.6.
COMERCIALIZADORAS DEL ACERO EN COLOMBIA .................... 96
8.7.
PRECIO MUNDIAL DEL ACERO ....................................................... 97
8.9.
IMPORTACIONES EN COLOMBIA ................................................. 101
8.10.
EXPORTACIONES EN COLOMBIA................................................. 103 6
8.11. PRINCIPALES SECTORES METALMECÁNICOS Y PRODUCTOS MÁS IMPORTANTES EN COLOMBIA ......................................................... 105 8.12. PARTICIPACIÓN Y VARIABLES IMPORTANTES DEL SECTOR EN COLOMBIA ................................................................................................... 106 8.13. BALANZA COMERCIAL DEL SECTOR EN COLOMBIA (EXPORTACIONES – IMPORTACIONES)................................................... 107 8.14.
CONSUMO DEL ACERO EN COLOMBIA ....................................... 109
9. SEGURIDAD E HIGIENE INDUSTRIAL EN LA INDUSTRIA DEL HIERRO Y EL ACERO ................................................................................. 114 9.1.
RIESGOS ......................................................................................... 114
9.2.
MEDIDAS DE SALUD Y SEGURIDAD ............................................ 117
9.3.
CUESTIONES AMBIENTALES Y DE SALUD PÚBLICA ................ 120
9.4.
DIAGRAMA DE FLUJOS DE CONTAMINANTES Y RESIDUOS..... 122
9.5.
CONTAMINANTES DE LAS AGUAS RESIDUALES ....................... 125
9.6.
RESIDUOS SÓLIDOS...................................................................... 126
10.
CONCLUSIÓN .................................................................................... 127
11.
BIBLIOGRAFÍA................................................................................... 128
7
LISTA DE FIGURAS Figura 1 100X Ferrita aumentos ........................................................................... 20 Figura 2 100X Ferrita aument. .............................................................................. 20 Figura 3 100X Cementita aumentos. ................................................................... 21 Figura 4 Cementita en matriz ferrítica 400X aumentos. ......................................... 22 Figura 5 Esferioidita 400X aumentos. .................................................................... 22 Figura 6 Diagrama de flujo que muestra procesos para convertir materias primas en las principales formas de producto. .................................................................. 29 Figura 7 Diagrama de flujo del proceso de producción del acero .......................... 30 Figura 8 Diagrama de flujo de la distribución de los procesos en una fábrica ....... 31 Figura 9 Hematita y limonita .................................................................................. 33 Figura 10 Magnetita .............................................................................................. 33 Figura 11 Extracción del mineral de hierro. ........................................................... 35 Figura 12 Esquema de un alto horno cargando la materia prima. ......................... 36 Figura 13Corte transversal de la operación general de un alto horno moderno. ... 40 Figura 14 Transporte de arrabio y transformación en el horno. ............................. 41 Figura 15 Horno de arco eléctrico. ......................................................................... 42 Figura 16 Diagrama principales partes de un arco eléctrico .................................. 43 Figura 17 Horno de crisol abierto. Vista seccional. ................................................ 44 Figura 18 Fabricación de acero en un horno básico de oxígeno. .......................... 45 Figura 19 Horno de básico de oxígeno. Vista seccional. ...................................... 46 Figura 20 Fabricación del acero, proceso de colada continua. .............................. 48 Figura 21 Proceso de colada continua. Vista seccional. ....................................... 48 Figura 22 Fabricación del acero, proceso de colada en lingotera. ......................... 49 Figura 23 Proceso de acabado. El laminado. ........................................................ 52 Figura 24 Rodillos con estrías para la conformación de las secciones en H. ....... 52 Figura 25 Principales formas de productos de acero. ............................................ 53 Figura 26 Rollos de hojalata. ................................................................................. 54 Figura 27 Proceso de reciclado de las latas y botes. ............................................. 55 Figura 28 Tubos de acero con diferentes secciones transversales. ...................... 56 Figura 29 Varilla de tipo lisa redonda..................................................................... 57 Figura 30 Varilla de tipo lisa redonda..................................................................... 58 Figura 31 Alambre negro enrollado........................................................................ 58 Figura 32 Planchas de acero laminadas. ............................................................... 59 8
Figura 33 Horno de campana en donde se puede realiza el tratamiento de normalizado. .......................................................................................................... 63 Figura 34 Plataforma petrolera Perdido ................................................................. 75 Figura 35 Puente Eads. ......................................................................................... 76 Figura 36 Puente Akashi Kaikyo ............................................................................ 77 Figura 37 Rascacielos. Las torres Petronas. ......................................................... 78 Figura 38 Arquitectura y construcción. El Shun Hing Squeare. ............................. 79 Figura 39 El puente de Brooklyn. .......................................................................... 80 Figura 40 Montaña rusa Kingda Ka. ...................................................................... 81
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Normas para la clasificación del acero................................................. 26 Tabla 2 Minerales con presencia y hierro. ......................................................... 32 Tabla 3 Utilización de la hojalata ........................................................................ 54 Tabla 4 Problemas y causas que se presentan en el temple de los aceros. .. 65 Tabla 5 Temperatura de revenido para diferentes tipos de acero. .................. 67 Tabla 6 Estadística de “World Steel Association”. Producción mundial el miles de toneladas métricas. .............................................................................. 91 Tabla 7 Importaciones Colombia. ..................................................................... 101 Tabla 8 Importaciones Colombia, Cámara Fedemetal / Andi. ....................... 103 Tabla 9 Participación y variables del sector, Cámara Fedemetal / Andi. ...... 106 Tabla 10 Comsumo de acero aparente en Colombia. ..................................... 109 Tabla 11 Consumo de acero aparente América Latina ................................... 110
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LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 Etapas del revenido ................................................................................ 65 Gráfico 2 Producción mundial del acero ................................................................ 82 Gráfico 3 Participación por continente en la producción del acero 2009 ............... 83 Gráfico 4 Producción mineral de hierro 2008 ......................................................... 84 Gráfico 5 Producción acero Vs. Producción mineral hierro 2008 ........................... 85 Gráfico 6 Exportación mineral hierro en América Latina 2008 ............................... 85 Gráfico 7Producción mundial del acero en 2010 ................................................... 86 Gráfico 8 Producción mundial ferro-aleados .......................................................... 93 Gráfico 9 Participación en la producción de ferroaleados ...................................... 93 Gráfico 10 Producción Ferroaleados América Respecto a China .......................... 94 Gráfico 11 Producción Ferroaleados América ....................................................... 94 Gráfico 12 Precio mundial del acero Camara Fedemetal / Andi. ........................... 97 Gráfico 13 Camara Fedemetal / Andi. .................................................................... 98 Gráfico 14 Camara Fedemetal / Andi. .................................................................... 99 Gráfico 15 Tipo de proceso del acero en Colombia año 2009 ............................. 100 Gráfico 16 Hornos utilizados para la producción de acero en Colombia 2009 .... 100 Gráfico 17 Origen importaciones en Colombia 2010 ........................................... 102 Gráfico 18 Exportaciones siderurgia en Colombia ............................................... 104 Gráfico 19 Exportaciones metalmecánicas .......................................................... 104 Gráfico 20Sectores metalmecánicos ................................................................... 105 Gráfico 21 Principales productos en Colombia .................................................... 106 Gráfico 22 Balanza comercial histórica ................................................................ 107 Gráfico 23 Balanza comercial, rubro. Cámara Fedemetal / Andi. ....................... 108 Gráfico 24 Balanza comercial por sector. ............................................................ 108 Gráfico 25 Uso aparente del acero (cientos de toneladas) ................................. 110 Gráfico 26 Uso aparente del acero en Colombia (cientos de toneladas) ............. 111 Gráfico 27 Uso aparente del acero en América Latina (cientos de toneladas) .... 111 Gráfico 28 Consumo aparente per cápita ............................................................ 112 Gráfico 29 Consumo aparente per cápita América Latina. .................................. 112 Gráfico 30 Consumo aparente per cápita, mayores consumidores. .................... 113
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I.
INTRODUCCIÓN
Aunque el primer metal que usaron los seres humanos fue probablemente algún tipo de aleación de cobre, tal como el bronce (hecho a base de cobre, estaño y algún otro aditivo), los avances más importantes en el desarrollo de los metales han ocurrido en la fabricación y uso del hierro y del acero. Actualmente el hierro y el acero comprenden el 95% en peso de todos los metales producidos en el mundo. A pesar de los esfuerzos de los arqueólogos durante muchas décadas, no ha sido posible descubrir cuando se usó el hierro por primera vez. Los arqueólogos encontraron una daga y un brazalete de hierro en la Gran Pirámide de Egipto y afirman que la edad de estos era de por lo menos 5000 años. El uso del hierro ha tenido una gran influencia en el avance de la civilización desde los tiempos más remotos y probablemente la seguirá teniendo en los siglos venideros. Desde el principio de la edad de hierro, alrededor del año 1000 a.C., el progreso de la civilización en la paz y en la guerra ha dependido mucho de lo que el hombre ha sido capaz de hacer con el hierro. En muchas ocasiones su uso ha decidido el resultado de enfrentamientos militares. El primer acero se obtuvo seguramente cuando los otros elementos necesarios para producirlo se encontraron presentes cuando se calentaba el hierro. Con el paso de los años, el acero se fabricó probablemente calentando hierro con carbón vegetal. La superficie del hierro absorbió algo de carbono del carbón vegetal se martilló en el hierro caliente Hoy día caminar por las calles de las principales ciudades del mundo conlleva a constatar porque con el paso del tiempo este metal se ha convertido en uno de los materiales que mayormente ha contribuido al desarrollo de la sociedad tal como hoy la conocemos. Edificaciones que parecen tocar el cielo, construcciones que desafían las leyes del mundo físico, medios de transporte cada vez más rápidos y cómodos, son algunos ejemplos del porque el acero es considerado un material fundamental para la construcción. La producción de acero ha sido un proceso evolutivo que con el correr de los años se ha perfeccionado gracias a la inclusión de nuevas y mejoradas técnicas destinadas a reducir el costo de su fabricación, incrementar las ventajas estructurales que este material presenta y reducir el impacto ambiental que conlleva su manufactura. No fue sino hasta 1740 que el mundo occidental redescubrió el método del crisol para producir acero.
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Una vez desatada la producción masiva de acero durante la revolución industrial, la producción, mundial creció vertiginosamente, impulsada por una fiebre tecnológica sin precedentes y por una demanda industrial insatisfecha. En cuanto a su venta el acero se presenta en una gran variedad de formas y tamaños que facilitan su utilización en la industria de la construcción, mostrándose ya sea como varillas, tubos, láminas, grafiles, alambres etc., que se obtienen debido a la aplicación de diferentes procesos a este material dentro de las instalaciones siderúrgicas. El proceso de fabricación del acero consume enormes cantidades de energía. Lo cual implica un impacto directo al medio ambiente. En promedio, la producción de 1 tonelada de acero primario genera alrededor de 1,7 toneladas de dióxido de carbono (CO2). Los avances tecnológicos en las últimas dos o tres décadas han conseguido una mayor eficiencia energética, así como una mayor utilización de los subproductos, gases de y materiales, y una sustancial reducción de las emisiones de dióxido de carbono por tonelada de acero producido. En resumen, dentro del presente trabajo se dan a conocer las características fundamentales del acero, su proceso de fabricación, la clasificación dada a este material debido a su composición química, los diferentes procedimientos a los que es sometido para su uso, el comportamiento de esta industria en los últimos años, mostrando como ultimo algunos ejemplos de la importancia que tiene para el hombre dentro del área de la construcción, su utilización como elemento base.
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1. HISTORIA DEL ACERO
Es imposible determinar a ciencia cierta dónde y cómo el hombre descubrió el hierro, pero es cierto que su historia está estrechamente ligada con el desarrollo de la cultura y la civilización. Los metales inician su historia cuando el hombre se siente atraído por su brillo y se da cuenta de que golpeándolos puede darles forma y fabricar así utensilios tan necesarios para su supervivencia. La humanidad se sucede en Edades, a las que se ha dado nombres de metales, y cuando se cierran las Edades del Cobre y Bronce, a las que se atribuye una duración de 500 a 2000 años, comienza la Edad del Hierro. Con la excepción del aluminio, el hierro se encuentra en la naturaleza en cantidades mayores que cualquier otro metal; se explota con métodos relativamente sencillos, y se puede trabajar y transformar tanto como se quiera. La razón del retraso en la aparición del hierro respecto al bronce hay que buscarla en el elevado punto de fusión del hierro puro, lo que hacía prácticamente imposible que una vez tratados sus minerales se pudiese ofrecer en forma líquida, separado de la escoria. Las primeras producciones se obtuvieron seguramente rodeando al mineral totalmente con carbón de leña con el que no era posible alcanzar la temperatura suficiente para fundir el metal, obteniéndose en su lugar una masa esponjosa y pastosa, mezcla de hierro y escoria, que había que martillear repetidamente al rojo vivo para eliminar la escoria y las impurezas. Este martilleo producía dos efectos, por un lado conseguía obtener un hierro puro al eliminar las escorias e impurezas, endureciéndolo por forja al mismo tiempo. Se obtenían así barras de hierro forjado resistente y maleable, que no eran otra cosa que un tipo muy primitivo de acero. La evolución tecnológica orientó sus esfuerzos en tratar de aumentar la temperatura a la que se sometía al mineral de hierro, por medio de la utilización de hornos en los que se introducía una mezcla de mineral y carbón vegetal, lo que se traducía en un aumento de producción y en la lógica economía del sistema. Sin embargo, cuando estos hornos se calentaban en exceso el mineral pasaba de la forma pastosa a la líquida pero con un contenido en carbono tan alto que no permitía la forja. Este producto era en principio no aprovechable, y requería un ―afino‖, término que se ha conservado hasta hoy en día y que se emplea para describir el proceso de transformación del hierro colado al acero. Con el paso del tiempo, se fue comprobando que la obtención accidental del hierro colado no era una desgracia, sino que por el contrario se trataba de una materia prima mejor para obtener posteriormente el acero, con todas las ventajas técnicas y económicas que implica el proceso. Para llegar a este punto fue preciso recorrer tres etapas fundamentales. La primera fue la sustitución del carbón de leña por la hulla y, más concretamente, por el coque. 14
La segunda consistió en ir aumentando la altura de los hornos, gracias a las características resistentes del coque que permitía aumentar la carga de éstos y, en consecuencia, su producción. Y la tercera etapa recogería el conjunto de mejoras e innovaciones conducentes a avivar la combustión del horno, primero mediante el aumento de la ventilación y, posteriormente, mediante el calentamiento del aire soplado. El resultado final daría paso a la tecnología de los actuales hornos altos. En 1855 se produce un hecho trascendental en la producción y el futuro del acero: el invento del convertidor ideado por Henry Bessemer, que supuso el paso revolucionario de la obtención del acero a partir del hierro producido en el alto horno. Este invento trascendental se completa por Thomas en 1873, al conseguir convertir el hierro colado, de alto contenido en fósforo, en acero de alta calidad mediante un convertidor con recubrimiento básico. A partir de entonces las innovaciones en la producción del acero se han ido sucediendo hasta nuestros días, gracias a la participación de figuras como las de Martín, Siemens, Héroult, los técnicos de Linz y Donawitz y tantos otros.
1.1.
PRIMEROS USOS DEL ACERO
3000 a. C.: Se emplean ya utensilios tales como herramientas y adornos hechos de "acero" en el antiguo Egipto. Se encuentran dagas y brazaletes de hierro en la pirámide de Keops con más de 5000 años de antigüedad.
1000 a. C.: Inicio de la edad del hierro, primeros indicios en su fabricación se cree que un incendio forestal en el monte Ide de la antigua Troya (actual Turquía) fundió depósitos ferrosos produciendo hierro. Otros creen que se comenzó a emplear a partir de fragmentos de meteoritos donde el hierro aparece en aleación con Níquel.
490 a. C.: Batalla de Maratón Grecia. Los atenienses vencen con sus armas de hierro a los persas, que aún emplean el bronce, con un balance de 6400 contra 192 muertos.
1000 a. C.: Se cree que el primer acero se fabrico por accidente al calentar hierro con carbón vegetal siendo este último absorbido por la capa exterior de hierro que al ser martillado produjo una capa endurecida de acero. De esta forma se llevó a cabo la fabricación de armas tales como las espadas de Toledo y
1779 d. C.: Se construye el puente Coal broke dale de30 m de claro, sobre el río Sueon en Shropshire. Se dice que este puente cambia la historia de la revolución industrial, al introducir el hierro como material estructural, siendo 15
el hierro 4 veces más resistente que la piedra y 30 veces más que la madera.
1.2.
USOS DEL ACERO A PARTIR DEL S.XIX
1819: Se fabrican los primeros ángulos laminados de hierro en E.U.A.
1840: El hiero dulce más maleable, comienza a desplazar al hierro fundido en el laminado de perfiles.
1848: Willian Kelly fabrica acero con el proceso Bessenor en E.U.A.
1855: Henry Bessenor consigue una patente inglesa para la fabricación de acero en grandes cantidades Kelly y Bessenor observan que un chorro de aire a través del hierro fundido quema las impurezas del metal, pero también eliminaba el carbono y magnesio.
1870: Con el proceso Bessenor se fabrican grandes cantidades de acero al bajo carbono.
1884: Se terminan las primeras vigas IE (I estándar) de acero en E.U.A. La primera estructura reticular el edificio de la Home Insurance Company de Chicago, Illinois, es montada. William Le Baron Jerry diseña el primer "rascacielos" (10 niveles) con columnas de acero recubiertas de ladrillo. Las vigas de los seis pisos inferiores se fabrican en hierro forjado, mientras que las de los pisos restantes se fabrican en acero.
1889: Se construye la torre Eiffel de París, con 300m de altura, en hierro forjado, comienza el uso de elevadores para pasajeros operando mecánicamente.
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2. FUNDAMENTOS DEL ACERO
2.1.
¿QUÉ ES EL ACERO?
Uno de los materiales de fabricación y construcción más versátil, más adaptable y más ampliamente usado es el ACERO. A un precio relativamente bajo, el acero combina la resistencia y la posibilidad de ser trabajado, lo que se presta para fabricaciones mediante muchos métodos. Además, sus propiedades pueden ser manejadas de acuerdo a las necesidades específicas mediante tratamientos con calor, trabajo mecánico, o mediante aleaciones. El acero es una aleación de hierro y carbono, donde el carbono no supera el 2,1% en peso1 de la composición de la aleación, alcanzando normalmente porcentajes entre el 0,2% y el 0,3%. Porcentajes mayores que el 2,0% de carbono dan lugar a las fundiciones, aleaciones que al ser quebradizas y no poderse forjar —a diferencia de los aceros—, se moldean. La Ingeniería Metalúrgica trata al acero a una familia muy numerosa de aleaciones metálicas, teniendo como base la aleación hierro-carbono. El hierro es un metal, relativamente duro y tenaz, con diámetro atómico dA = 2,48 Å (1 angstrom Å = 10– 10 m), con temperatura de fusión de 1.535 °C y punto de ebullición 2.740 °C. Mientras el carbono es un metaloide, con diámetro mucho más pequeño (dA = 1,54 Å), blando y frágil en la mayoría de sus formas alotrópicas (excepto en la forma de diamante en que su estructura cristalográfica lo hace el más duro de los materiales conocidos). Es la diferencia en diámetros atómicos lo que va a permitir al elemento de átomo más pequeño difundir a través de la celda del otro elemento de mayor diámetro. El acero es el más popular de las aleaciones, es la combinación entre un metal (el hierro) y un metaloide (el carbono), que conserva las características metálicas del primero, pero con propiedades notablemente mejoradas gracias a la adición del segundo y de otros elementos metálicos y no metálicos. De tal forma no se debe confundir el hierro con el acero, dado que el hierro es un metal en estado puro al que se le mejoran sus propiedades físico-químicas con la adición de carbono y demás elementos.
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2.2.
PROPIEDADES FÍSICAS, QUÍMICAS, MECANICAS Y CARACTERÍSTICAS DEL ACERO
Las propiedades físicas de los aceros y su comportamiento a distintas temperaturas dependen sobre todo de la cantidad de carbono y de la distribución de este en su estructura. Antes del tratamiento térmico, la mayoría de los aceros son una mezcla de tres sustancias, ferrita, perlita, cementita. La ferrita, blanda y dúctil, es hierro con pequeñas cantidades de carbono y otros elementos en disolución. La cementita es un compuesto de hierro con el 7% de carbono aproximadamente, es de gran dureza y muy quebradiza. La perlita es una mezcla de ferrita y cementita, con una composición específica y una estructura características. La resistencia y dureza de un acero que no ha sido tratado térmicamente depende de la proporciones de estos tres ingredientes. Cuanto mayor es el contenido en carbono de un acero, menor es la cantidad de ferrita y mayor la de perlita: cuando el acero tiene un 0,8% de carbono, está compuesto de perlita. En general a mayor cantidad de carbono en el acero, este se torna más duro y frágil. El acero con cantidades de carbono aún mayores es una mezcla de perlita y cementita1. Aunque es difícil establecer las propiedades físicas y mecánicas del acero debido a que estas varían con los ajustes en su composición y los diversos tratamientos térmicos, químicos o mecánicos, con los que pueden conseguirse aceros con combinaciones de características adecuadas para infinidad de aplicaciones, se pueden enumerar algunas propiedades generales:
Densidad de 7850 Kg/m3. Punto de función depende de la aleación pero se puede considerar los 1500 C como un valor medio. Punto de ebullición de 3000 C. Es dúctil (maleable) y tenaz (resistente al impacto) y por lo tanto tiene a ser fácilmente maquinable con ayuda de máquinas herramientas así como soldable. La corrosión suele ser uno de los peores enemigos del acero ya que este se oxida fácilmente, por lo cual es recomendado protegerlo del contacto con el aire y la humedad mediante la aplicación de pinturas o tratamientos superficiales, o en su defecto se lo mezcla con cromo para evitar este efecto (acero inoxidable). Es un buen conductor del calor y la electricidad.
Las propiedades mecánicas del acero son las siguientes:
http://html.rincondelvago.com/el-acero-y-sus-aplicaciones.html
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Resistencia al desgaste: Es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando está en contacto de fricción con otro material.
Tenacidad: Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir Fisuras (resistencia al impacto).
Maquinabilidad: Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso de mecanizado por arranque de viruta.
Dureza: Es la resistencia que ofrece un acero para dejarse penetrar. Se mide en unidades BRINELL (HB) ó unidades ROCKWEL C (HRC), mediante test del mismo nombre.
2.3.
FASES DEL ACERO
El hierro puro presenta tres estados alotrópicos a medida que se incrementa la temperatura desde el ambiente: Hasta los 911 °C, el hierro ordinario, cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (BCC) y recibe la denominación de hierro α o ferrita. Es un material dúctil y maleable responsable de la buena forjabilidad de las aleaciones con bajo contenido en carbono y es ferromagnético hasta los 770 °C (temperatura de Curie a la que pierde dicha cualidad). La ferrita puede disolver muy pequeñas cantidades de carbono. Entre 911 y 1.400 °C cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras (FCC) y recibe la denominación de hierro γ o austenita. Dada su mayor compacidad la austenita se deforma con mayor facilidad y es paramagnética. Entre 1.400 y 1.538 °C cristaliza de nuevo en el sistema cúbico centrado en el cuerpo y recibe la denominación de hierro δ que es en esencia el mismo hierro alfa pero con parámetro de red mayor por efecto de la temperatura. A mayor temperatura el hierro se encuentra en estado líquido. Si se añade carbono al hierro, sus átomos podrían situarse simplemente en los intersticios de la red cristalina de éste último; sin embargo en los aceros aparece combinado formando carburo de hierro (Fe3C), es decir, un compuesto químico definido y que recibe la denominación de cementita de modo que los aceros al carbono están constituidos realmente por ferrita y cementita.
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2.4.
COMPONENTES MICROSCÓPICOS DEL ACERO
Ferrita: Es una solución sólida intersticial de carbono en una red cúbica centrada en el cuerpo de hierro. Admite hasta un 0,021 % C en solución a la temperatura eutectoide. Es el constituyente más blando del acero. Su resistencia es de 28 Kg/mm2 (2,7 MPa). A partir de esta temperatura hasta los 910ºC su comportamiento es paramagnético, por lo que antigua y equivocadamente se le creyó otra fase denominándosele hierro beta. La morfología y estructura granular de la ferrita es muy variada pudiéndose encontrar hasta 24 términos descriptivos de la misma.
Figura 1 100X Ferrita aumentos
Figura 2 100X Ferrita aument.
/www.esi2.us.es./IMM2/pract-html/x-28.html
Fig1: La morfología equiaxial corresponde a granos poligonales de ejes aproximadamente iguales, que resultan a veces atacados diferentemente en función de su orientación cristalográfica respecto a la superficie de observación. Fig2: En la estructura de Widmanstätten un enfriamiento rápido desde altas temperaturas obliga a un crecimiento de la ferrita según ciertas direcciones preferenciales, resultando granos alargados en dichas direcciones del grano de austenita previo. Cementita: Es el carburo de hierro Fe3C con un contenido fijo de carbono del 6,67%. Es el constituyente más duro del acero alcanzando una dureza de 68 HRC. También la morfología de la cementita es muy variada siendo destacables algunas estructuras típicas. Se consideran las siguientes en los aceros:
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· Cementita secundaria · Cementita eutectoide · Cementita terciaria En los aceros, la cementita libre, no asociada con otras fases suele aparecer en los aceros hipereutectoides, como cementita secundaria, formando una red continua enmarcando una estructura granular formada por colonias de perlita (fig3). También, aparece como consecuencia de una precipitación en estado sólido en aceros con muy poco carbono, como consecuencia de la disminución de la solubilidad del mismo por debajo de la temperatura de transformación eutectoide. Se conoce como cementita terciaria. La cementita no libre, únicamente aparece asociada a la ferrita, como láminas finas alternadas de una y otra, cuyo agregado se conoce como perlita. Son también destacables las formas que la cementita adopta como la esferoidita.
Figura 3 100X Cementita aumentos. /www.esi2.us.es./IMM2/pract-html/x-18.html
Perlita: Es un microconstituyente bifásico. Está formado por granos alargados (considerando las tres direcciones son láminas) de cementita en una matriz ferrítica (Fig4). Cuando esta estructura laminar es muy fina (las láminas son muy delgadas) la perlita se ve al microscopio óptico como negra. Sin embargo ambas fases, ferrita y cementita, en condiciones normales de ataque son blancas. El color oscuro o negro lo producen el gran número de límites de grano existentes entre la matriz ferrítica y las láminas de cementita. Se comprende que cuanto más anchas sean las láminas (se habla entonces de perlita abierta o basta) la tonalidad se irá aclarando hasta poder distinguirse las distintas láminas, no por ello la perlita pierde su carácter de microconstituyente.
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Figura 4 Cementita en matriz ferrítica 400X aumentos.
http://www.esi2.us.es/IMM2/Pract-html/x 20.html
Figura 5 Esferioidita 400X aumentos.
http://www.esi2.us.es/IMM2/Pract-html/x 20.html
Otra forma en que puede aparecer esta fina mezcla de ferrita y cementita es la esferoidita (Fig5). El nombre no está aceptado universalmente y muchos metalurgistas denominan a esta estructura cementita globular. Cuando la transformación eutectoide se realiza lentamente o cuando tras la formación de perlita se da un tratamiento de esferoidización la cementita no aparece en forma laminar, sino en forma globular de menor contenido energético (menor relación superficie/volumen).
2.5.
ALEANTES DEL ACERO
Las características de los aceros varían por muchos factores, entre los que encontramos los elementos aleantes, cada cambio en el porcentaje o porcentajes de los elementos presentes en los aceros, le dan diferentes propiedades. Los siguientes son los algunos de los aleantes más comunes encontrados en los aceros:
Estaño: es el elemento que se utiliza para recubrir láminas muy delgadas de acero que conforman la hojalata. Cromo: es uno de los elementos especiales más empleados para la fabricación de aceros aleados, se encuentra en los aceros de construcción, en los de herramientas, en los inoxidables y los de resistencia en caliente. Se emplea en 22
cantidades diversas desde 0,30% a 30%, según los casos y sirve para aumentar la dureza y la resistencia a la tracción de los aceros, mejora la templabilidad, impide las deformaciones en el temple, aumenta la resistencia al desgaste, reduce la oxidabilidad con concentraciones superiores al 12%, Forma carburos muy duros y proporciona al acero mayor dureza, resistencia y tenacidad a cualquier temperatura. Aluminio: se emplea como elemento de aleación en los aceros de nitruración, que suele tener 1% aproximadamente de aluminio. Como desoxidante se suele emplear frecuentemente en la fabricación de muchos aceros. Todos los aceros aleados en calidad contienen aluminio en porcentajes pequeñísimos, variables generalmente desde 0,001 a 0,008%. Molibdeno: es un elemento habitual del acero y aumenta mucho la profundidad de endurecimiento de acero, así como su tenacidad. El acero inoxidable austenítico contiene molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión. Nitrógeno: se agrega a algunos aceros para promover la formación de austenita. Silicio: aumenta moderadamente la templabilidad. Se usa como elemento desoxidante. Aumenta la resistencia de los aceros bajos en carbono. Titanio: se usa para estabilizar y desoxidar el acero, mantiene estables las propiedades del acero a alta temperatura. Zinc: es elemento clave para producir chapa de acero galvanizado. Tungsteno: Forma con el hierro carburos muy complejos estables y durísimos, soportando altas temperaturas. En porcentajes del 14 al 18 %, proporciona aceros rápidos con los que es posible triplicar la velocidad de corte de los aceros al carbono para herramientas. Manganeso: Los aceros ordinarios y los aceros aleados en los que el manganeso no es elemento fundamental, suelen contener generalmente porcentajes de manganeso variables de 0,30 a 0,80%. Aparece prácticamente en todos los aceros, debido a que se añade como elemento de adición para neutralizar la influencia del azufre y del oxigeno que siempre suelen contener los aceros, cuando se encuentran en estado líquido en los hornos, durante los procesos de fabricación. El manganeso actúa también como desoxidante y evita que en la solidificación del acero que se desprendan gases que den lugar a porosidades perjudiciales en el material. Si los aceros no tuvieran manganeso, no se podrían laminar ni forjar, porque el azufre que suele encontrarse formaría sulfuros de hierro, que son cuerpos de muy bajo punto de fusión de 981 °C aproximadamente que a las temperaturas de trabajo en caliente forja o laminación funden, y al 23
encontrarse contorneando los granos de acero crean zonas de debilidad y las piezas y barras se abren en esas operaciones de transformación. Boro: en muy pequeñas cantidades (del 0,001 al 0,0015%) logra aumentar la capacidad de endurecimiento cuando el acero está totalmente desoxidado, pues se combina con el carbono para formar carburos proporcionando un revestimiento duro y mejorando la templabilidad. Es usado en aceros de baja aleación en aplicaciones como cuchillas de arado y alambres de alta ductilidad y dureza superficial. Utilizado también como trampa de nitrógeno, especialmente en aceros para trefilación. Níquel: una de las mayores ventajas que reporta el empleo del níquel, es evitar el crecimiento del grano en los tratamientos térmicos, lo que sirve para producir en ellos gran tenacidad. El níquel además hace descender los puntos críticos y por ello los tratamientos pueden hacerse a temperaturas ligeramente más bajas que la que corresponde a los aceros ordinarios. Experimentalmente se observa que con los aceros aleados con níquel se obtiene para una misma dureza, un límite de elasticidad ligeramente más elevado y mayores alargamientos y resistencias que con los aceros al carbono o de baja aleación. El níquel es un elemento de extraordinaria importancia en la fabricación de aceros inoxidables y resistentes a altas temperaturas, en los que se emplean porcentajes de 8 a 20%. Plomo: el plomo no se combina con el acero, se encuentra en él en forma de pequeñísimos glóbulos, lo que favorece la mecanización por arranque de viruta, (torneado, cepillado, taladrado, etc.) ya que el plomo es un buen lubricante de corte, el porcentaje oscila entre 0,15% y 0,30% debiendo limitarse el contenido de carbono a valores inferiores al 0,5% debido a que dificulta el templado y disminuye la tenacidad en caliente. Se añade a algunos aceros para mejorar mucho la maquinabilidad. Vanadio: posee una acción desoxidante, además forma carburos complejos con el hierro, que proporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga, tracción y poder cortante en los aceros para herramientas. Cobalto: muy endurecedor, disminuye la templabilidad, también mejora la dureza en caliente. El cobalto es un elemento poco habitual en los aceros. Se usa en los aceros rápidos para herramientas, aumenta la dureza de la herramienta en caliente. Se utiliza para aceros refractarios. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros.
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Silicio: Es un elemento desoxidante. No conviene que este en una concentración superior al 0,20% ya que así puede dificultar la operación de soldadura por formación de sílice. A pesar de que no conviene que el Si este por encima del 0,20%, en algunos aceros al carbono se añade hasta un 0,30%. Esto se hace en aceros al carbono que van a ser modelados El Si da fluidez a los metales fundidos, ayudándolos a llenar los huecos del molde.
2.6.
IMPUREZAS EN EL ACERO
Las impurezas son todos los elementos indeseables en la composición de los aceros. Se procura eliminarlas o reducir su contenido debido a que son perjudiciales para las propiedades de la aleación. En los casos en los que eliminarlas resulte imposible o sea demasiado costoso, se admite su presencia en cantidades mínimas, las impurezas más dañinas don: Azufre: límite máximo aproximado: 0,04%. El azufre con el hierro forma sulfuro que, conjuntamente con la austenita, da lugar a un eutéctico cuyo punto de fusión es bajo y por lo tanto, aparece en bordes de grano. Cuando los lingotes de acero colado deben ser laminados en caliente, dicho eutéctico se encuentra en estado líquido, lo que provoca el desgranamiento del material. Se controla la presencia de sulfuro mediante el agregado de manganeso. El manganeso tiene mayor afinidad por el azufre que el hierro por lo que en lugar de FeS se forma MnS que tiene alto punto de fusión y buenas propiedades plásticas. El contenido de Mn debe ser aproximadamente cinco veces la concentración de S para que se produzca la reacción. El resultado final, una vez eliminados los gases causantes, es una fundición menos porosa, y por lo tanto de mayor calidad. Fósforo: límite máximo aproximado: 0,04%. El fósforo resulta perjudicial, ya sea al disolverse en la ferrita, pues disminuye la ductilidad, como también por formar FeP. El fosfuro de hierro, junto con la austenita y la cementita, forma un eutéctico ternario denominado esteadita, el que es sumamente frágil y posee punto de fusión relativamente bajo, por lo cual aparece en bordes de grano, transmitiéndole al material su fragilidad. Aunque se considera un elemento perjudicial en los aceros, porque reduce la ductilidad y la tenacidad, haciéndolo quebradizo, a veces se agrega para aumentar la resistencia a la tensión y mejorar la maquinabilidad.
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2.7 NORMAS PARA LA CLASIFICACIÓN DE ACEROS
Tabla 1 Normas para la clasificación del acero.
http://www.georgehernandez.com/h/xMartialArts/Gear/Metal.asp
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3. PROCESO PRODUCTIVO DEL ACERO
Este es un proceso varias de fases, primero el mineral de hierro es reducido o fundido con coque, aire y piedra caliza, produciendo hierro fundido o arrabio, el cual es conducido a la segunda fase, la de acería, tiene por objetivo reducir el alto contenido de carbono introducido al fundir el mineral y eliminar las impurezas tales como azufre y fósforo, al mismo tiempo que algunos elementos como manganeso, níquel, cromo o vanadio son añadidos en forma de ferro-aleaciones para producir el tipo de acero demandado, también se agrega chatarra de hierro al proceso para su recuperación, esta chatarra se funde con el arrabio; la chatarra se puede añadir en el alto horno, como en los hornos de conversión y se puede recuperar mucho del acero. La chatarra es sometida a unos severos controles e inspecciones por parte del fabricante de acero, tanto en su lugar de origen como en el momento de la recepción del material en fábrica y se busca que no tenga elementos residuales que sean difíciles de eliminar en el proceso del horno, que se pueda cargar al horno con facilidad y que tenga características ideales como un punto de fusión y una densidad adecuadas. Esta chatarra se puede obtener de muchas formas, como despuntes, rechazos originados en la propia fábrica, se trata de una chatarra de excelente calidad; o la llamada chatarra de recuperación que suele ser la mayor parte de la chatarra que se emplea en la acería y procede del desguace de edificios con estructura de acero, plantas industriales, barcos, automóviles, electrodomésticos, etc. En las instalaciones de colada y laminación se convierte el acero bruto fundido en lingotes o en laminados; desbastes cuadrados (gangas) o planos (flog) y posteriormente en perfiles o chapas, laminadas en caliente o en frío. El 90% de todos los metales fabricados a escala mundial son de hierro y acero.
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3.1.
DIAGRAMA DE FLUJO
Minas de mineral de hierro Mineral de hierro Plantas de beneficio de mineral de hierro Materiales con hierro de alto grado
Chatarra
Elementos de aleación y agentes agregados Moldes para lingotes
Canteras de piedra caliza
Minas de carbón Carbón
Caliza en bruto Trituración y tamizado
Hornos de coque
Caliza preparada Alto horno
Coque
Arrabio fundido (Metal caliente) Hornos siderúrgicos: Crisol abierto. Básico de oxigeno. Arco eléctrico. Acero derretido Cucharón
Acero Sólido
Máquina de fundición continua Acero Sólido
Lingotes
Hornos de termo-difusión
Trenes de lamido primario Planchas y Palanquillas
Planchas
Palanquillas 28 bloom
Palanquillas billet
Hornos de calentamiento
Tren estructural. Perfiles estructurales
Vigas, Ángulos, Tes, Zetas, Canales
Hornos de calentamiento
Hornos de calentamiento
Trenes para rieles
Tren para barras
Trenes para varillas
Trenes para tira plana
Rieles y eclisas
Barras
Varillas
Tira plana
Rieles: estándar, de grúa, eclisas
Redonda, Cuadrada, Hexagonal, Octagonal, Plana, Triangular, Media caña
Trenes para alambre
Conductos tubos
Trenes para plancha s Planchas
Plancha s
Alambre y productos de alambre
Trenes para tiras calientes Láminas y tiras laminadas Trenes de reducción en frío
Láminas y rollos
Alambre, Cable de acero, Clavos, Tela de alambre
Figura 6 Diagrama de flujo que muestra procesos para convertir materias primas en las principales formas de producto. {HASHEMI J. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales, 6ª ed., 2007, pág. 364}
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A continuación, un diagrama de flujo del proceso de producción del acero, de manera didáctica, en donde podemos observar las secuencias de producción y el acabado de productos terminados.
Figura 7 Diagrama de flujo del proceso de producción del acero www.hytechcontrols.com-process_app.html
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Por último, tenemos un diagrama de flujo dinámico que nos da idea de la distribución de los procesos en una fábrica, teniendo así las secuencias correctas de cada una de las líneas de producción.
Figura 8 Diagrama de flujo de la distribución de los procesos en una fábrica http://html.rincondelvago.com/acero_5.html
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3.2.
EXTRACCIÓN Y TRATAMIENTO DE LA MATERIA PRIMA
3.3.
EXTRACCIÓN DEL MINERAL DE HIERRO
El mineral extraído de una mina de hierro puede requerir de un proceso de peletización para ser utilizado en la producción del acero antes de ser introducido en el alto horno, esto según sea su calidad. 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 o tiene poco contenido de hierro, se realiza también la molienda y concentración, pero requiere además de un proceso químico de peletización, donde se reducen significativamente dichas impurezas. 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
Tabla 2 Minerales con presencia y hierro.
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Figura 9 Hematita y limonita
Figura 10 Magnetita
La mena café es la mejor para la producción de hierro, existen grandes yacimientos de este mineral en Estados Unidos y en Suecia. En todo el mundo se pueden encontrar grandes cantidades de pirita, pero no es utilizable por su gran contenido de azufre. 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. Los principales yacimientos de hierro en Colombia se encuentran en Belencito y Samacá (Boyacá); Pacho, Subachoque, Nemocón, Zipaquirá (Cundinamarca); Amagá en Antioquia; La Plata en Huila. También hay yacimientos en Caldas y Tolima. En Colombia la primera fundición del mineral del hierro se realizó en La Pradera (Cundinamarca) en 1923. Hoy cuenta el país con otras siderúrgicas: 1. Acerías Paz de Río Ubicada en Belencito (Boyacá), el mineral contiene un 50% de hierro cerca de una región carbonífera y de canteras calizas y caídas de agua para generar energía eléctrica. 33
Paz de Río actualmente produce alambres, barras, rieles, estructuras para edificios, herramientas, láminas galvanizadas. 2. La Siderúrgica de Medellín Produce tuberías, hojalata, piezas para industria automotriz, maquinaria para ingenios azucareros. 3. Siderúrgica del Pacífico En Cali fabrica aceros especiales, platinas, varillas, etc. 4. La del Muña En Soacha (Cundinamarca), con producción de hierro para construcción y aceros. La peletización es un proceso que consiste en la aglomeración del mineral finamente molido o un concentrado por la adición de aglomerantes como el caso de la bentonita y determinada cantidad de agua para darle forma de partículas esféricas (Pellas verdes) las cuales son endurecidas por cocción en hornos rotatorios.
3.4.
EXTRACCIÓN DE CARBÓN Y COQUIZACIÓN
El carbón se puede obtener de dos formas: en minas de cielo abierto o de tajo y en minas subterráneas. Cuando se descubre una veta de carbón, se requiere conocer tanto el volumen del yacimiento como la profundidad, ya que estos factores determinan el hecho de que la explotación de la mina sea económicamente rentable. Una vez que se obtiene el carbón, se lava para quitarle el azufre, después se pulveriza en un molino y se transporta en ferrocarril o en tuberías, suspendido en agua y posteriormente se recupera por centrifugación. Posteriormente a su extracción, el carbón sufre un proceso llamado coquización, El coque metalúrgico es el residuo sólido que se obtiene a partir de la destilación destructiva o pirolisis, de determinados carbones minerales, como la hulla. El proceso de pirolisis consiste en un calentamiento (entre 1000 y 1200 ºC) en ausencia de oxígeno hasta eliminar la práctica totalidad de la materia volátil del carbón que se coquizan. La mayoría del coque metalúrgico se usa en los altos hornos de la industria siderúrgica para la producción del acero (coque siderúrgico).
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Figura 11 Extracción del mineral de hierro.
3.5.
EXTRACCIÓN DE CALIZA Y TRITURACIÓN
La caliza es una roca sedimentaria compuesta mayoritariamente por carbonato de calcio (CaCO3), generalmente calcita. También puede contener pequeñas cantidades de minerales como arcilla, Hematita, siderita. Las calizas se forman en los mares cálidos y poco profundos de las regiones tropicales, en aquellas zonas en las que los aportes detríticos son poco importantes.
3.3.
EL ALTO HORNO
Un alto horno es un horno especial en el que tiene lugar la fusión de los minerales de hierro y la transformación química en un metal rico en hierro llamado arrabio. Está constituido por dos troncos en forma de cono unidos por sus bases mayores. Mide de 20 a 30 metros de alto y de 4 a 9 metros de diámetro; su capacidad de producción puede variar entre 500 y 1500 toneladas diarias. Un alto horno típico está formado por una cápsula cilíndrica de acero de unos 30 m de alto forrados con un material no metálico y resistente al calor, como asbesto o ladrillos refractarios. El diámetro de la cápsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total llamado etalaje. La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire que enciende el coque. Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vacía) el alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria. La parte superior del horno contiene respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas, 35
cerradas por válvulas en forma de campana, por las que se introduce el mineral de hierro, el coque y la caliza. Una vez obtenido el acero líquido, se puede introducir en distintos tipos de coladura para obtener unos materiales determinados: la colada convencional, de la que se obtienen productos acabados; la colada continua, de la que se obtienen trenes de laminación y, finalmente, la colada sobre lingoteras, donde se obtienen lingotes.
Figura 12 Esquema de un alto horno cargando la materia prima.
/www.tecnologiaindustrial.info/index.php?main_page=document_general_info&products_id=264
3.3.1. PARTES DE UN ALTO HORNO -La cuba: Tiene forma troncocónica y constituye la parte superior del alto horno; por la zona más estrecha y alta de la cuba, llamada tragante se introduce la carga. La cual se compone de: El mineral de hierro (magnetita, limonita, siderita o hemetita) Combustible: que generalmente es carbón de coque, con alto poder calorífico, el carbón de coque, además de actuar como combustible provoca la reducción del mineral de hierro, es decir, provoca que el metal hierro se separe del oxígeno. El carbono, en su forma industrial de coque, se mezcla con el mineral, con cuyo 36
oxígeno se combina, transformándose, primero en monóxido de carbono (CO) y luego en dióxido carbónico (CO2), siguiendo las siguientes reacciones: FeO + C → Fe + CO (reducción del mineral de hierro FeO en hierro con CO) FeO + CO → Fe + CO2 (reducción del mineral de hierro FeO en hierro con CO2) Fundente: Puede ser piedra caliza. El fundente se combina químicamente con la ganga para formar escoria, que queda flotando sobre el hierro líquido, por lo que se puede separar. Además ayuda a disminuir el punto de fusión de la mezcla. El mineral de hierro, el carbón de coque y los materiales fundentes se mezclan y se tratan previamente, antes de introducirlos en el alto horno, se introducen por la parte más alta de la cuba. La mezcla arde con la ayuda de una inyección de aire caliente (oxígeno), de forma que, a medida que baja, su temperatura aumenta hasta que llega al. Las proporciones en las cantidades de material son generalmente las siguientes: Materias primas en el alto horno. Material Mineral de hierro Carbón de coque Fundente
Porción 2 Toneladas 1 Toneladas ½ Toneladas
Tabla 3 Cantidades de materias primas que se introducen en el alto horno /www.tecnologiaindustrial.info/index.php?main_page=document_general_info&products_id=264
-Etalaje: Está separada de la cuba por la zona más ancha de esta última parte, llamada vientre. El volumen del etalaje es mucho menor que el de la cuba. La temperatura de la carga es muy alta (1500 ºC) y es aquí donde el mineral de hierro comienza a transformarse en hierro. La parte final del etalaje es más estrecha. -Crisol: Bajo el etalaje se encuentra el crisol, donde se va depositando el metal líquido. Por un agujero, llamado bigotera o piquera de escoria se extrae la escoria, que se aprovecha para hacer cementos y fertilizantes. Por un orificio practicado en la parte baja del mismo, denominada piquera de arrabio sale el hierro líquido, llamado arrabio, el cual se conduce hasta unos depósitos llamados cucharas; Así pues, el producto final del alto horno se llama arrabio, también llamado hierro colado o hierro de primera fusión.
3.4.
PRODUCTOS OBTENIDOS DEL ALTO HORNO
-Humos y gases residuales: Se producen como consecuencia de la combustión del coque y de los gases producidos en la reducción química del mineral de hierro los cuales se recogen en un colector situado en la parte superior del alto horno. Esta 37
mezcla de humos y gases, denominada gas de alto horno, está constituida por unos gases inertes, como son el vapor de agua, el anhídrido carbónico y nitrógeno y otros combustibles como hidrógeno, monóxido de carbono y óxidos de azufre. El gas de alto horno se hace pasar por unos recuperadores de calor, para aprovechar su energía calorífica en el calentamiento del aire que se tiene que inyectar por las toberas. -Escoria: Es un residuo metalúrgico que a veces adquiere la categoría de subproducto, ya que se puede utilizar como material de construcción, bloques o como aislante de la humedad y en la fabricación de cemento y vidrio. Su composición es variable, aunque predominan los silicatos. Actualmente, es frecuente añadir parte de la escoria a la carga del horno para recuperar el hierro que contiene. -Fundición de hierro o arrabio: Es el producto propiamente aprovechable del alto horno y está constituido por hierro con un contenido en carbono que varía entre el 2% y el 5%. Dentro de la masa de hierro, el carbono puede encontrarse en tres formas o estados diferentes: en estado libre, formando grafito; en estado combinado, formando carburo de hierro.
3.5.
ARRABIO
Se denomina arrabio al material fundido que se obtiene en el alto horno mediante reducción del mineral de hierro. Se utiliza como materia prima en la obtención del acero en los altos hornos. La ecuación de la reacción química fundamental de un alto horno es: Fe2O3 + 3CO → 3CO2 + 2Fe La caliza de la carga del horno se emplea como fuente adicional de monóxido de carbono y como sustancia fundente. Este material se combina con la sílice presente en el mineral (que no se funde a las temperaturas del horno) para formar silicato de calcio, de menor punto de fusión. Sin la caliza se formaría silicato de hierro, con lo que se perdería hierro metálico. El silicato de calcio y otras impurezas forman una escoria que flota sobre el metal fundido en la parte inferior del horno. El arrabio producido en los altos hornos tiene la siguiente composición: un 92% de hierro, un 3 o 4% de carbono, entre 0,5 y 3% de silicio, del 0,25% al 2,5% de manganeso, del 0,04 al 2% de fósforo y algunas partículas de azufre. Los altos hornos funcionan de forma continua. 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 hierro se sangra cinco veces al día. El aire insuflado en el alto horno se precalienta a una temperatura 38
comprendida entre los 550ºC y los 900 ºC. El calentamiento se realiza en las llamadas estufas, cilindros con estructuras de ladrillo refractario. El ladrillo se calienta durante varias horas quemando gas de alto horno, que son los gases de escape que salen de la parte superior del horno. Después se apaga la llama y se hace pasar el aire a presión por la estufa. El peso del aire empleado en un alto horno supera el peso total de las demás materias primas. Después de la Segunda Guerra Mundial se introdujo un importante avance en la tecnología de altos hornos: la presurización. Estrangulando el flujo de gas de los respiraderos del horno es posible aumentar la presión del interior del horno hasta 1,7 atmósferas o más. La técnica de presurización permite una mejor combustión del coque y una mayor producción de hierro. En muchos altos hornos puede lograrse un aumento de la producción de un 25%. En instalaciones experimentales también se ha demostrado que la producción se incrementa enriqueciendo el aire con oxígeno. El proceso de sangrado consiste en retirar a golpes un tapón de arcilla del orificio del hierro cercano al fondo del horno y dejar que el metal fundido fluya por un canal cubierto de arcilla y caiga a un depósito metálico forrado de ladrillo, que puede ser una cuchara o una vagoneta capaz de contener hasta 100 toneladas de metal. Cualquier escoria o sobrante que salga del horno junto con el metal se elimina antes de llegar al recipiente. A continuación, el contenedor lleno de arrabio se transporta a la fábrica siderúrgica. Los altos hornos modernos funcionan en combinación con hornos básicos de oxígeno, y a veces con hornos de crisol abierto, más antiguos, como parte de una única planta siderúrgica. En esas plantas, los hornos siderúrgicos se cargan con arrabio. El metal fundido procedente de diversos altos hornos puede mezclarse en una gran cuchara antes de convertirlo en acero con el fin de minimizar el efecto de
39
Figura 13Corte transversal de la operación general de un alto horno moderno. {HASHEMI J. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales, 6ª ed., 2007, pág. 360}
3.6.
TRANSFORMACIÓN DEL ARRABIO
La proporción de carbono en el arrabio extraído del alto horno se encuentra en el intervalo correspondiente a las fundiciones de hierro. Se trata de un material duro y frágil, que no puede ser extendido en hilos ni en láminas. Se hace necesario, entonces, reducir el contenido en carbono del arrabio para convertirlo en acero; que es un material que sigue siendo duro, pero más elástico, dúctil, maleable y capaz de soportar impactos. Esta transformación del arrabio en acero se lleva a cabo en un recipiente llamado convertidor, y se realiza suministrando oxígeno al arrabio líquido. Los convertidores son hornos, siendo empleados hoy en día los eléctricos, donde se lleva a cabo un proceso de fusión, este proceso se denomina afino. El arrabio se transporta líquido desde el alto horno hasta la acería (donde está el convertidor). El arrabio se transporta en unos depósitos llamados torpedos, luego se introduce en el convertidor junto con chatarra, fundentes (cal) y oxígeno. El convertidor, a diferencia del alto horno, no se le proporciona calor extra, el oxígeno reacciona con las impurezas, especialmente el carbono que sobra (se oxidan) y facilita la eliminación de la escoria formada. El fundente también facilita la formación de la escoria, que flota sobre el metal fundido. Los productos obtenidos del convertidor son:
40
- Acero líquido: que será transportado por medio de otra cuchara para ser sometido a procesos siderúrgicos. Este acero ya es de calidad. - Escoria: que se recicla para otros fines, especialmente la construcción. - Gases: Especialmente monóxido de carbono y dióxido de carbono. En el convertidor también se lleva a cabo la aleación del acero con otros metales (Ni, Cr, Mo, Mn etc.) para obtener aceros aleados que mejoran las propiedades del metal original. .
Figura 14 Transporte de arrabio y transformación en el horno. http://html.rincondelvago.com/000195524.png
El proceso final consiste en extraer el acero líquido del convertidor para verterlo en moldes con la forma de la pieza que se quiere obtener, posteriormente se deja solidificar y luego se extrae la pieza. A este proceso se le llama colada. El proceso de colada más empleado hoy en día es el de colada continua, cuyo objetivo es solidificar el acero en productos de sección constante. Una vez obtenida la pieza de acero se somete a un proceso de laminación para darle la forma y características deseadas.
3.7. 3.7.1.1.
HORNOS CONVERTIDORES DE ARRABIO
HORNO DE ARCO ELÉCTRICO.
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. 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 41
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 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. 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. 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.
Figura 15 Horno
de arco eléctrico.
/www.ghihornos.com/imagenes/HornoArco-Olarra.plano-gra.jpg
42
Figura 16 Diagrama principales partes de un arco eléctrico
http://adriantecnologia2.blogspot.com/2009_11_01_archive.html
3.8.
HORNO DE CRISOL ABIERTO.
Cualquier proceso de producción de acero a partir de arrabio consiste en quemar el exceso de carbono y otras impurezas presentes en el hierro. Una dificultad para la fabricación del acero es su elevado punto de fusión, 1.400 ºC, que impide utilizar combustibles y hornos convencionales. Para superar la dificultad se desarrolló el horno de crisol abierto, que funciona a altas temperaturas gracias al precalentado regenerativo del combustible gaseoso y el aire empleados para la combustión. En el precalentado regenerativo los gases que escapan del horno se hacen pasar por una serie de cámaras llenas de ladrillos, a los que ceden la mayor parte de su calor. A continuación se invierte el flujo a través del horno, el combustible y el aire pasan a través de las cámaras y son calentados por los ladrillos. Con este método, los hornos de crisol abierto alcanzan temperaturas de hasta 1.650 ºC. 43
El horno propiamente dicho suele ser un crisol de ladrillo plano y rectangular. Una serie de puertas da a una planta de trabajo situada delante del crisol. Todo el crisol y la planta de trabajo están situados a una altura determinada por encima del suelo, y el espacio situado bajo el crisol lo ocupan las cámaras de regeneración de calor del horno. Un horno del tamaño indicado produce unas 100 toneladas de acero cada 11 horas. El horno se carga con una mezcla de arrabio (fundido o frío), chatarra de acero y mineral de hierro, que proporciona oxígeno adicional. Se añade caliza como fundente y fluorita para hacer que la escoria sea más fluida. Una vez cargado el horno, se enciende, y las llamas oscilan de un lado a otro del crisol a medida que el operario invierte su dirección para regenerar el calor. Cuando el contenido en carbono de la fundición alcanza el nivel deseado, se sangra el horno a través de un orificio situado en la parte trasera. El acero fundido fluye por un canal corto hasta una gran cuchara situada a ras de suelo, por debajo del horno. Desde la cuchara se vierte el acero en moldes de hierro colado para formar lingotes o trenes.
Figura 17 Horno de crisol abierto. Vista seccional. http://www.aprendizaje.com.mx/Curso/Proceso1/Temario1_III.html#ocho
3.8.1.1.
HORNOS BÁSICOS DE OXÍGENO.
El proceso más antiguo para fabricar acero en grandes cantidades es el proceso Bessemer, que empleaba un horno de gran altura en forma de pera, denominado convertidor Bessemer, que podía inclinarse en sentido lateral para la carga y el vertido. Al hacer pasar grandes cantidades de aire a través del metal fundido, el oxígeno del aire se combinaba químicamente con las impurezas y las eliminaba. 44
En el proceso básico de oxígeno, el acero también se refina en un horno en forma de pera que se puede inclinar en sentido lateral. Sin embargo, el aire se sustituye por un chorro de oxígeno casi puro a alta presión. Cuando el horno se ha cargado y colocado en posición vertical, se hace descender en su interior una lanza de oxígeno. A continuación se inyectan en el horno miles de metros cúbicos de oxígeno a velocidades supersónicas. El oxígeno se combina con el carbono y otros elementos no deseados e inicia una reacción de agitación que quema con rapidez las impurezas del arrabio y lo transforma en acero.
Figura 18 Fabricación de acero en un horno básico de oxígeno. {HASHEMI J. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales, 6ª ed., 2007, pág. 361}
45
Figura 19 Horno de básico de oxígeno. Vista seccional. http://www.fgg.uni-lj.si/kmk/ESDEP/master/wg02/l0200.htm
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3.9.
PROCESOS DE COLADO
La colada o vaciado es uno de los procesos más antiguos que se conocen para trabajar los metales, es el proceso que da forma a un objeto al entrar material líquido en una cavidad formada en un bloque de arena aglomerada u otro material que se llama molde y dejar que se solidifique el líquido. En casi todos los hogares y oficinas hay numerosos objetos hechos por colada o moldeo. El automóvil normal emplea una gran variedad de piezas de diferentes materiales, hechas con diversos procedimientos de colado o vaciado.
3.10. COLADA CONTINUA.
Colada continua es un procedimiento con el que se producen barras que avanzan y se solidifican a medida que se va vertiendo el metal líquido en una lingotera sin fondo, que se alimenta indefinidamente. Con este proceso se pueden formar, directamente del acero líquido, secciones semiacabadas sin tener que pasar por la fase de lingote y las etapas de recalentamiento y de laminación de desbaste. En una lingotera abierta por ambos extremos y enérgicamente refrigerada, se forma una capa sólida en la vena de la colada que se cuela por su interior, se hace descender la capa sólida llena de metal líquido que se desprende de la lingotera por contracción al enfriarse, para hacer progresar en el aire la solidificación a la totalidad de la barra. Las lingoteras Son hechas de placas de cobre ensambladas con un espesor de 6 a 7mm, con envoltura de placas de acero para perfiles grandes y medios, y de tubos de cobre de espesor de 6 a 12 mm, con camisa externa que forma el conducto para circulación del agua, estos para perfiles pequeños. Los elementos principales de una instalación de colada continua de acero son: -Cuchara de colada, de vaciado por arriba o por el fondo. -Depósito distribuidor, asegura la perfecta separación de la escoria. -Lingotera, abierta por los dos extremos, sometida a movimiento alternativo. -Sección de refrigeración, corriente de agua o agua pulverizada. -Mecanismo enderezador, Rodillos que obligan a pasar la barra entre ellos. -Mecanismo de corte, oxicorte, con varios sopletes para seccionar la barra. -Sistema de extracción, avance continuo, almacenamiento de barras.
47
Figura 20 Fabricación del acero, proceso de colada continua. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Continuous_casting_(Tundish_and_Mold)-2_NT.PNG
Figura 21 Proceso de colada continua. Vista seccional. https://agora.cs.illinois.edu/display/cs519sp09/Lance+C.+Hibbeler+Project+Page
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3.11. COLADA EN LINGOTERA Las lingoteras se colocan sobre unas placas de hierro fundido que tienen una serie de canales o ramificaciones, en donde se colocan los conductores de ladrillo refractario y el bebedero. A los lingotes de aceros especiales siempre se les pone en la parte de la cabeza la mazarota, que consiste en una pieza de cerámica revestida interiormente de un material exotérmico y a la que ese adiciona en el momento de la llegada del acero al final del llenado, nuevamente material exotérmico, con el fin de aumentar la temperatura en esa zona y ser la parte de enfriamiento lento del lingote, de manera que se concentre en esa zona el fenómeno de contracción del paso líquido a sólido (rechupe). También en esta zona es donde más concentración existe de segregación principal y donde quedan decantadas las inclusiones no metálicas más gruesas, que por ser de menor densidad que el acero, flotan en las zonas líquidas que solidifican últimamente. Durante la ascensión del caldo, para impedir el contacto de la superficie del acero con el aire, se adicionan productos llamados pielizantes, que también cumplen la labor de lubricar el contacto caldo-lingotera; formando una nueva película, que posteriormente, mejora la superficie de la piel de los lingotes, favoreciendo las transformaciones posteriores. El acero después de la colada se deja reposar durante un tiempo determinado en la lingotera para que termine de solidificar y después se desmoldan, procurando siempre que la temperatura sea superior a los 800º C, trasladándolos a continuación a los hornos de calentamiento para transformación por laminación o forja.
Figura 22 Fabricación del acero, proceso de colada en lingotera. http://www.fgg.uni-lj.si/kmk/ESDEP/master/wg02/l0200.htm
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3.12. DIFERENCIAS ENTRE LOS PROCESOS DE COLADO La colada continua es más eficiente y más usada porque:
Disminuye consumo de energía. Disminuye la mano de obra directa. Aumento de la rentabilidad de las empresas.
En la colada en lingoteras se tienen los siguientes defectos:
Rechupes, uso de mazarotas, pérdidas de metal. Segregaciones originan diferencias de composición entre cabecera y pie y entre paredes y centro de los lingotes. Es necesario producir desbastes intermedios y lingotes cada vez mayores; por consiguiente se deben aumentar tamaños de hornos y laminadores.
En la colada continua:
No hay rechupe porque el hueco que se produce a causa de la contracción se llena inmediatamente. Se reduce la importancia de segregación transversal y desaparece la longitudinal, pues las secciones de la barra son relativamente pequeñas. La colada continua es más rápida y sencilla que la colada en lingoteras, se disminuye por eso su costo de operación, se suprimen los hornos de fosa de precalentamiento de los lingotes y los trenes desbastadores.
3.13. PROCESO DE ACABADO El proceso de laminado es el proceso más usado para brindarle al acero los diferentes acabados. Además, en ocasiones, el principio del laminado de mezcla con el de forjado o con el de otro proceso por deformación plástica, para así darle un acabado especifico al material. El conformado del acero por laminado se adopta en todos los casos en que sea posible, por la rapidez de la operación y, consiguientemente, su menor costo. Las operaciones de laminado se llevan a cabo en trenes de laminación que se denominan según el tipo de producto que proporcionan. El acero se produce en una gran variedad de formas y tamaños, como chapas, varillas, tubos, raíles (rieles) de ferrocarril o perfiles en I, en H, en T, L, etc. Estas formas se obtienen en las instalaciones siderúrgicas laminando los lingotes calientes o modelándolos de 50
algún otro modo. Como ya se ha indicado, el laminado del acero mejora también su calidad al refinar su estructura cristalina y aumentar su resistencia. El método principal de trabajar el acero se conoce como laminado en caliente. En este proceso, el lingote colado se calienta al rojo vivo en un horno denominado foso de termodifusión y a continuación se hace pasar entre una serie de rodillos metálicos, colocados en pares, que lo aplastan hasta darle la forma y tamaño deseados. La distancia entre los rodillos va disminuyendo a medida que se reduce el espesor del acero. El primer par de rodillos por el que pasa el lingote, se conoce comotren de desbaste o de eliminación de asperezas. Después del tren de desbaste, el acero pasa a trenes de laminado en bruto y a los trenes de acabado que lo reducen a perfiles con la sección transversal correcta. Los rodillos para producir rieles de ferrocarril o perfiles en H, T o en L, tienen estrías para proporcionar la forma adecuada. Los trenes o rodillos de laminado continuo también producen tiras y láminas con anchuras de hasta 2,5 m. Estos laminadores procesan con rapidez la chapa de acero antes de que se enfríe y no pueda ser trabajada. Las planchas de acero caliente de más de 10 cm de espesor se pasan por una serie de cilindros que reducen progresivamente su espesor hasta unos 0,1 cm y aumentan su longitud de 4 a 370 metros. Los trenes de laminado continuo para chapa están equipados con una serie de accesorios como rodillos de borde, aparatos de decapado y dispositivos para enrollar de modo automático la chapa cuando llega al final del tren. Los rodillos de borde son grupos de rodillos verticales situados a ambos lados de la lámina para mantener su anchura. El llamado trabajo en frío es el efectuado sobre el metal por debajo del intervalo térmico crítico y se realiza generalmente a la temperatura ambiente. Mejora particularmente la resistencia a la tracción y a la fluencia, reduciendo la ductilidad. Se aplica especialmente para la producción de chapa y alambre (trefilado), mejorando muchísimo su acabado superficial.
51
Figura 23 Proceso de acabado. El laminado. http://html.rincondelvago.com/acero-y-hierro.html
Un ejemplo de las estrías que tienen los rodillos, podemos observarlo a continuación para las secciones en H.
Figura 24 Rodillos con estrías para la conformación de las secciones en H.
http://www.fgg.uni-lj.si/kmk/ESDEP/master/wg02/l0200.htm
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4. PRODUCTOS DE ACERO El acero se vende en una gran variedad de formas y tamaños, como varillas, tubos, raíles o rieles de ferrocarril, perfiles en H o en T o canales. Estas formas se obtienen en las instalaciones siderúrgicas laminando los lingotes calientes o modelándolos de algún otro modo. El acabado del acero mejora también su calidad al refinar su estructura cristalina y aumentar su resistencia.
Figura 25 Principales formas de productos de acero. {HASHEMI J. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales, 6ª ed., 2007, pág. 365}
53
4.1.
HOJALATA
Se llama hojalata a la lámina de acero de bajo carbono (metal base) recubierta en ambas caras por una capa delgada de estaño mediante un proceso electrolítico. Como el estaño se adhiere firmemente al metal base, la hojalata puede ser prensada, estampada, troquelada y doblada hasta darle formas complejas, sin que se desprenda la capa de estaño. Se trata de un material ideal para la fabricación de envases metálicos debido a que combina la resistencia mecánica y la capacidad de conformación del acero con la resistencia a la corrosión del estaño.
Figura 26 Rollos de hojalata. http://www.fivesgroup.com/FivesStein/EN/Expertise/Steel/PublishingImages/prosperity_galvanized_stri p.jpg
4.2.
USOS DE LA HOJALATA
En el sector de la alimentación y bebidas es muy utilizado por su relación coste/ calidad, duración, resistencia y protección que ofrece a los productos que contiene. En otros sectores es utilizado para envasar aerosoles, pinturas, barnices, aceites, etc. ENVASES DE ALIMENTOS Envases de bebidas Envases de pinturas, aceites, barnices, etc. Tapas Aerosoles Otros Total 54
51% 15% 13% 8% 4% 9% 100%
Tabla 3 Utilización de la hojalata Fuente: Ecoacero 1996
4.3.
RECICLADO DE LA HOJALATA
Las latas y botes de hojalata se recogen de forma selectiva a través de los contenedores para envases (si es que los hay). Si son latas que han contenido productos domésticos peligrosos se recogen en centros de recogida específica, es decir en los llamados puntos limpios. Si la recogida se realiza por contenedores para envases, se llevan a plantas de clasificación donde se separan de las demás fracciones mediante un potente electroimán. Después se prensan, se agrupan en balas y se transportan a un centro específico para su reciclado. Allí, se tritura la lata para despegar las etiquetas de papel, y se selecciona el material triturado. El acero y el estaño son separados. El acero se vuelve a utilizar para producir más latas y el estaño se usa para producir cobre.
Figura 27 Proceso de reciclado de las latas y botes. http://t0.gstatic.com/images?q=tbn:A Nd9GcQBD3F3FEWBRc5u9IkY0beiJGv7qQvhML_cg2ANliJ4uW3gs&t=1&usg=__ wrgelUcNgJTE4Zb5RnNooQM8R5k=
4.1.
TUBOS
Los tubos más baratos se moldean doblando una tira plana de acero caliente en forma cilíndrica y soldando los bordes para cerrar el tubo. En los tubos más pequeños, los bordes de la tira suelen superponerse y se pasan entre un par de rodillos curvados según el diámetro externo del tubo. La presión de los rodillos es suficiente para soldar los bordes. Los tubos sin soldaduras se fabrican a partir de barras sólidas haciéndolas pasar entre un par de rodillos inclinados entre los que está situada una barra metálica con punta, llamada mandril, que perfora las barras y forma el interior del tubo mientras los rodillos forman el exterior. 55
Figura 28 Tubos de acero con diferentes secciones transversales. http://www.ternium.com/sp/productos/files/Brochure%20Tubos%20y%20Perfiles.pdf
Los tubos de acero se producen a partir de flejes laminados en caliente, flejes laminados en frío y flejes galvanizados por inmersión en caliente. Los productos de más alta calidad se desarrollan para soportar cargas dinámicas alternativas de flexo torsión, por lo que poseen valores de resistencia mecánica superiores. Los tubos cuadrados y rectangulares poseen un diseño de radio de curvatura de vértices que minimiza la concentración de tensiones residuales y aumenta la vida útil de las piezas. Se utilizan diferentes tipos de acero para mejorar la resistencia mecánica y la resistencia a la corrosión. 4.2.
APLICACIONES
Sus aplicaciones son variadas y comprenden las siguientes industrias: Automotriz y de autopartes: carrocería y rodados. Agro ganadera: maquinaria e implementos agrícolas, avícolas y ganaderos. Artículos del hogar: muebles, iluminación, juegos infantiles. Señalización y vialidad: alumbrado, soportes Equipo hospitalario. Aparatos de gimnasia y fitness. Construcción: rejas, portones, columnas. Muebles: sillas, mesas, reposeras.
56
4.3.
VARILLAS
Una varilla es un cilindro o prisma regular sólido obtenido durante los procesos normales de laminación y que se usa no solamente como elemento estructural para el acero y el concreto armado, sino como elemento de construcción general en ornamentación y metalistería. Aunque la forma ideal para el uso estructural es la liza, las políticas de producción de las acerías nacionales han sacado del mercado la variedad, centrándose en la producción de acero corrugado. Las características propias del perfil no lo hacen recomendable como elemento estructural independiente, por lo cual siempre ser usado en combinación. 4.4.
VARILLA LISA REDONDA
La tipología específica de este material es la construcción metálica ligera, en especial correas de celosía, cerchas livianas y sus aplicaciones directas de tracción. Producidas generalmente a partir de chatarra o por trefilado por las acerías menores y por algunas trefiladoras. Generalmente corresponden a norma milimétrica aunque se vendan por norma en pulgadas.
Figura 29 Varilla de tipo lisa redonda. http://t1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRyoFpiT_xV9pVHmAPbeOt8LSh6yv1zZppxpXMzx5JOdEDy GZo&t=1&usg=__H-a9F16CmnceGq10uqazoDsJUIk=
4.5.
VARILLA CORRUGADA
Son barras de acero con núcleo de sección circular, longitud continua (rectas) en cuya superficie existen salientes llamadas corrugas, obtenidas por laminación en caliente de palanquillas y de colada continua. En construcción las barras corrugadas disponen de un alto límite de fluencia con muy buena ductilidad (altos valores de alargamiento), alta soldabilidad y excelente adherencia al concreto. 57
Figura 30 Varilla de tipo lisa redonda http://t2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcSMwLZQ 4pqBgEq9TSZDPiCrt0R9ChoGwoxVPrOfvz4ETUI9B6 o&t=1&usg=__Oo9xTIEmkkD-1VYGTkADJs3OHLQ=
4.6. VARILLAS GRAFILES Se conocen con este nombre las varillas corrugadas delgadas, de diámetro inferior a 1 cm, obtenidos a partir de varillas más gruesas y un proceso de trefilado. Poseen ensambles en bajo relieve para garantizar una mayor adherencia al concreto, su utilización más común. 4.7.
ALAMBRE NEGRO
Es un alambre de acero obtenido por trefilación y con tratamiento térmico posterior de recocido para otorgarle la debida ductilidad para su fácil utilización posterior, es también conocido como alambre dulce debido a su alta ductilidad. Su utilización va mas encaminada hacia el sector de la construcción, se usa para el amarre en el armado del acero de refuerzos.
Figura 31 Alambre negro enrollado. http://www.aguinagalde.com.uy/images/barraca/otros/alambre-recocidonegro.jpg
58
4.8.
PLANCHAS
Se laminan en forma individual a partir de planchones y corresponden a aquellas cuyo espesor final es igual a mayor a 6 mm y cuyos extremos están cortados mecánicamente o por soplete. Sus usos son variados, va desde la construcción industrial de estructuras, tubos soldados y recipientes a presión, hasta la construcción de transporte, entre los cuales encontramos a la fabricación de cascos de barcos. Todos estos productos son fabricados con altos estándares de calidad, teniendo en cuenta las normas. Es así que estos productos pueden ser entregados en su estado de laminación o decapados, cortados en guillotina o a oxicorte y pueden ser entregados en planchas recortadas o en rollos, todo dependiendo de los requerimientos del cliente y el uso que se le vaya a dar al material.
Figura 32 Planchas de acero laminadas. http://www.acesco.com/acesco/images/compacerofrio.jpg
59
5. TRATAMIENTO TÉRMICO DEL ACERO
A través de los tratamientos térmicos podemos modificar las propiedades de los metales, mediante alteraciones de su estructura, pudiendo así desempeñar con garantías los trabajos demandados. Las aleaciones de tipo ferroso son las que mejor se prestan a ello. El tratamiento térmico consiste en calentar el acero a una temperatura determinada, mantenerlo a esa temperatura durante un cierto tiempo hasta que se forme la estructura deseada y luego enfriarlo a la velocidad conveniente. Los factores temperatura-tiempo deben ser muy bien estudiados dependiendo del material, tamaño y forma de la pieza. Con el tratamiento conseguiremos modificar microscópicamente la estructura interna de los metales, produciéndose transformaciones de tipo físico, cambios de composición y propiedades. El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales está creado. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil. La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecido. Antes realizar el tratamiento térmico requerido, La pieza de acero es sometida a tres etapas de tratamiento: calentamiento, permanencia a temperatura constante y enfriamiento, con el objetivo de conseguir mejores propiedades mecánicas requeridas por cada pieza de acuerdo a su diseño y función.
5.1.
RECOCIDO
Con este nombre se conocen varios tratamientos cuyo objetivo principal es ablandar el acero; otras veces también se desea además regenerar su estructura o eliminar tensiones internas. Las diferentes clases de recocidos que se emplean en la industria lo podemos clasificar en 3 grupos:
60
5.2.
RECOCIDOS DE AUSTENIZACIÓN COMPLETA
El recocido de austenización completa o recocido total se utiliza para ablandar completamente un acero endurecido, por lo general, con el fin de maquinar con más facilidad los aceros para herramientas que tienen más de 0.8 % de carbono. Los aceros de menor contenido de carbono se recocen también con otros propósitos. El recocido total se realiza calentando la parte en un horno hasta 50 °F (28 °C) arriba de la temperatura crítica superior y luego enfriándola muy lentamente en el horno o en un material aislante. Por medio de este proceso, la micro estructura se vuelve perlita y ferrita gruesa, la cual es bastante blanda para maquinarse. Es necesario calentar a una temperatura más alta que la crítica, como en el recocido total, con el fin de recristalizar los granos que contienen los carburos de hierro (perlita y martensita) en aceros de bajo carbono y volver a formar los nuevos granos, completamente blandos a partir de los antiguos duros. Sin embargo, los granos de ferrita tensionados y deformados recristalizarán por debajo de la temperatura crítica a alrededor de 900 °F (482 °C) y se transformarán en granos completamente blandos. 5.3.
RECOCIDO DE AUSTENIZACIÓN INCOMPLETA.
Es un proceso por el cual se recalientan los aceros al bajo carbono hasta 950 °F (510 °C). Mediante este proceso se eliminan los esfuerzos de los granos de ferrita (principalmente hierro puro) debidos a operaciones de trabajo en frío del acero tales como laminado prensado, soldadura, conformado o estirado. Los granos distorsionados vuelven a formarse o recristalizan en unos nuevos más blandos. Este tratamiento no afecta a los granos de perlita y algunas otras formas de carburo de hierro, al menos que se efectúe a la temperatura de esferoidización y se mantenga el tiempo suficiente como para que se lleve a cabo la este proceso. A menudo, la eliminación de esfuerzos se utiliza sobre soldaduras porque la temperatura más baja limita la cantidad de distorsión debida al calentamiento. Estos tratamientos se suelen dar a los aceros al carbono de más de 0.50% de carbono, para ablandarlos y mejorar su maquinabilidad. 5.4.
RECOCIDO DE PROCESO
El recocido de proceso (para recristalización después del trabajo en frío) es esencialmente el mismo que el recocido de austenización incompleta. Se realiza a las mismas temperaturas y con los aceros al bajo y medio carbono. En la industria de los alambres y de las láminas de acero, el término se utiliza para designar los procesos de recocido que se usan en los procesos de laminado en frío o de estirado de alambre (trefilado) y en aquellos que se utilizan para relevar los esfuerzos residuales cuando sea necesario. El alambre y otros productos metálicos que deben conformarse y volverse a conformar en forma continua se 61
volverían demasiado frágiles para continuar después de cierto grado de conformado. El recocido, entre varias operaciones de trabajo en frío, vuelve a formar los granos hasta la condición original de blandos y dúctiles, de modo que pueda continuar el trabajo en frío. Algunas veces, el recocido de proceso se conoce como recocido brillante y se lleva a cabo usualmente en un recipiente cerrado provisto de gas inerte para prevenir la oxidación de la superficie.
5.5.
NORMALIZADO
El tratamiento térmico de normalización del acero se lleva a cabo al calentar aproximadamente a 20ºC por encima de la línea de temperatura crítica superior seguida de un enfriamiento al aire hasta la temperatura ambiente. El propósito de la normalización es producir un acero más duro y más fuerte que con el recocido total, de manera que para algunas aplicaciones éste sea el tratamiento térmico final. Sin embargo, la normalización puede utilizarse para mejorar la maquinabilidad, modificar y refinar las estructuras dendríticas de piezas de fundición, refinar el grano y homogeneizar la microestructura para mejorar la respuesta en las operaciones de endurecimiento. El hecho de enfriar más rápidamente el acero hace que la transformación de la austenita y la microestructura resultante se vean alteradas, ya que como el enfriamiento no se produce en condiciones de equilibrio, el diagrama hierrocarburo de hierro no es aplicable para predecir las proporciones de ferrita y perlita proeutectoide que existirán a temperatura ambiente. Ahora, se tendrá menos tiempo para la formación de la ferrita proeutectoide, en consecuencia, habrá menos cantidad de esta en comparación con los aceros recocidos. Aparte de influir en la cantidad de constituyente proeutectoide que se formará, la mayor rapidez de enfriamiento en la normalización también afectará a la temperatura de transformación de austenita y en la fineza de la perlita. El hecho de que la perlita (que es una mezcla eutectoide de ferrita y cementita) se haga más fina implica que las placas de cementita están más próximas entre sí, lo que tiende a endurecer la ferrita, de modo que esta no cederá tan fácilmente, aumentando así la dureza. El enfriamiento fuera del equilibrio también cambia el punto eutectoide hacia una proporción de carbono más baja en los aceros hipoeutectoides y más alta en los aceros hipereutectoides. El normalizado es algo similar al recocido, pero se efectúa con diferentes propósitos. A menudo, los aceros al carbono medio se normalizan para darles mejores cualidades para el maquinado. El acero al carbono medio (0.3 a 0.6%) puede ser "gomoso" cuando se maquina después de un recocido total, pero puede ser suficientemente blando para el maquinado por medio del normalizado. La 62
microestructura más fina, aunque más dura también producida por el normalizado le da a la pieza un mejor acabado superficial. La pieza se calienta a 100 °F (56 °C) por encima de la línea crítica superior y se enfría en aire tranquilo. Cuando el contenido de carbono está por encima o por debajo del 0.8%, se requieren temperaturas más altas.
Figura 33 Horno de campana en donde se puede realiza el tratamiento de normalizado.
Las piezas forjadas y las piezas coladas que tienen estructuras granulares grandes e irregulares se corrigen utilizando un tratamiento térmico de normalizado. Los esfuerzos se eliminan, pero el metal no es tan blando como lo sería con el recocido total. La micro estructura resultante es una de perlita más ferrita de grano fino uniforme, incluyendo otras microestructuras, según el contenido de carbono y la aleación de que se trate.
5.6.
TEMPLE
Definimos temple como el tratamiento térmico del acero en el que se le confiere mayor dureza y resistencia a la tracción y elasticidad, mediante un enfriamiento rápido con una velocidad mínima llamada "crítica" en un medio de enfriamiento, tras haberlo calentado a temperaturas superiores a la crítica. Con el calentamiento se transforma toda la masa en austenita y después, por medio del enfriamiento rápido, la austenita se convierte en martensita, que es la microestructura de mayor dureza que puede alcanzar el acero. La velocidad crítica de los aceros al carbono es muy elevada. Los elementos de aleación disminuyen en general la velocidad crítica de temple y en algunos tipos de alta aleación es posible realizar el temple al aire. A estos aceros se les denomina autotemplantes.
63
El templado del acero se realiza en tres escalones: calentamiento a temperatura de temple, detención a esta temperatura y enfriamiento rápido. El temple se consigue al alcanzar la temperatura de austenización y además que todos los cristales que componen la masa del acero se transformen en cristales de austenita. Los aceros inferiores a 0,3% de carbono no toman temple debido a que al ser enfriados rápidamente de la temperatura de austenización fijan estructuras no martensíticas como por ejemplo: Perlita y Ferrita.
La temperatura de austenización es variable, dependiendo del porcentaje de carbono que contenga el acero. De acuerdo con un diagrama de nombre Hierro Carbono se distingue una zona llamada hipoeutectoide a la cual pertenecen los aceros de porcentajes de carbono inferiores al 0,83% hasta 0,008% y otra superior a estas de nombre hipereutectoide. Factores que influyen en la práctica del temple
El tamaño de la pieza: cuanto más espesor tenga la pieza más hay que aumentar el ciclo de duración del proceso de calentamiento y de enfriamiento.
La composición química del acero: en general los elementos de aleación facilitan el temple.
El tamaño del grano: influye principalmente en la velocidad crítica del temple, tiene mayor templabilidad el de grano grueso.
El medio de enfriamiento: el más adecuado para templar un acero es aquel que consiga una velocidad de temple ligeramente superior a la crítica. Los medios más utilizados son: aire, aceite, agua, baño de Plomo, baño de Mercurio, baño de sales fundidas y polímeros hidrosolubles.
PROBLEMA Ruptura durante el enfriamiento
Baja dureza después del temple
CAUSA
Enfriamiento muy drástico Retraso en el enfriamiento Aceite contaminado Mala selección del Acero Diseño inadecuado Temperatura de temple muy baja Tiempo muy corto de mantenimiento Temperatura muy alta o tiempos muy largos Descarburación del Acero 64
Deformación durante el temple
Fragilidad excesiva
Baja velocidad de enfriamiento Mala selección del acero (Templabilidad) Calentamiento disparejo Enfriamiento en posición inadecuada Diferencias de tamaño entre sección y continuas Calentamiento a temperatura muy alta Calentamiento irregular
Tabla 4 Problemas y causas que se presentan en el temple de los aceros.
5.7.
REVENIDO
Los aceros, después del proceso de temple, suelen quedar frágiles para la mayoría de los usos al que van a ser destinados. Además, la formación de martensita da lugar a considerables tensiones en el acero. Por esta razón, las piezas después del temple son sometidas casi siempre a un revenido (al conjunto de los dos tratamientos también se le denomina "bonificado"), que es un proceso que consiste en calentar el acero a una temperatura inferior a la temperatura crítica seguido de un enfriamiento controlado que puede ser rápido cuando se pretenden resultados altos en tenacidad, o lento, para reducir al máximo las tensiones térmicas que pueden generar deformaciones. Cuando se pretenden los dos objetivos, se recurre al doble revenido, el primero con enfriamiento rápido y el segundo con enfriamiento lento hasta -300ºC.
Gráfico 1 Etapas del revenido
65
Recientemente, con ayuda del microscopio electrónico y de los rayos X, se han podido estudiar con más detalle todos éstos fenómenos. Se han dado nuevas interpretaciones y se concluye que el revenido se produce en tres etapas principales: 1) Primera etapa.- Se realiza a bajas temperaturas, inferiores a 300° y en ella se precipita un carburo de hierro (épsilon) y el contenido en carbono de la martensita baja a 0.25% y su red tetragonal se transforma en red cúbica. 2) Segunda etapa.-Sólo se presenta cuando aparece austerita retenida en la microestructura del acero templado y en ésta etapa la austerita retenida se transforma en bainita, que al ser calentada en el revenido a altas temperaturas, sufre también una precipitación de carburo de hierro con formación final de cementita y de ferrita. 3) Tercera etapa.-El carburo épsilon que apareció en la primera etapa, se transforma en cementita y ferrita. En el revenido la martensita que es en realidad hierro alfa sobresaturado con carburo de hierro, sufre en el revenido un verdadero proceso de precipitación. En general los fines que se consiguen con este tratamiento son los siguientes:
Mejorar los efectos del temple, llevando al acero a un estado de mínima fragilidad.
Disminuir las tensiones internas de transformación, que se originan en el temple.
Modificar las características mecánicas, produciendo los siguientes efectos:
en
las
piezas
templadas
Disminuir la resistencia a la rotura por tracción, el límite elástico y la dureza. Aumentar las características de ductilidad y las de tenacidad
Los factores que influyen en el revenido son los siguientes:
La temperatura de revenido sobre las características mecánicas.
El tiempo de revenido (a partir de un cierto tiempo límite la variación es tan lenta que se hace antieconómica su prolongación, siendo preferible un ligero aumento de temperatura de revenido).
La velocidad de enfriamiento (es prudente que el enfriamiento no se haga rápido). 66
Las dimensiones de la pieza (la duración de un revenido es función fundamental del tamaño de la pieza recomendándose de 1 a 2 horas por cada 25mm de espesor o diámetro).
La duración del revenido es de gran importancia para que las transformaciones deseadas puedan producirse con seguridad. Generalmente es de 1 a 3 hrs. La temperatura de revenido varía con el tipo de acero y el empleo y tipo de solicitaciones que haya de soportar la pieza. De una manera general cabe indicar los intervalos siguientes: TEMPERATURA DE REVENIDO Aceros de cementación
140º a 200ºC
Aceros de herramientas
200º a 300ºC
Aceros para temple y revenido
350º a 650ºC
Aceros rápidos
550º a580ºC
Tabla 5 Temperatura de revenido para diferentes tipos de acero.
Los revenidos pueden ser homogéneos y heterogéneos: 5.8. HOMOGÉNEOS: La pieza en su totalidad esta a una temperatura uniforme, se realiza después del temple, con baños de aceite, sales, hornos de circulación de aire y de recocido, cuando las temperaturas son altas. Estas se usan en piezas de construcción, de fabricación en serie y herramientas.
5.9. HETEROGÉNEO: La pieza es sometida a diferentes temperaturas de revenido en diferentes partes; para que sea esto correcto la temperatura ha de estimarse generalmente sobre la base de los colores del revenido. Se emplean 2 procedimientos: Auto revenido: se sumerge en el medio de temple la superficie de trabajo, se la esmerila brillante, con rapidez, después de extraerla del baño. Revenido externo: se calienta la pieza templada de manera parcial y no uniforme.
67
5.10.
TRATAMIENTOS ISOTERMICOS DE LOS ACEROS
Reciben este nombre algunos tratamientos, en los que el enfriamiento de las piezas no se hace de una forma regular y progresiva, sino que se interrumpe o modifica a diversas temperaturas durante ciertos intervalos, en los que permanece el material a temperatura constante durante un tiempo, que depende de la composición del acero de la masa de las piezas y de los resultados que se quieren obtener. Estos tratamientos se han desarrollado mucho, y se usan en la actualidad para el temple de troqueles, herramientas, engranes, muelles, etc. Se obtiene de esta forma una gran tenacidad, muy pequeñas deformaciones y se elimina el peligro de grietas y roturas. También se emplea con gran éxito un tratamiento de esta clase, que recibe el nombre de recocido isotérmico, par el ablandamiento de los aceros. 5.11. RECOCIDO ISOTÉRMICO En la práctica para ahorrar tiempo, con frecuencia se efectúa el recocido isotérmico. Son tratamientos de ablandamiento que consiste en calentar el acero por encima de la temperatura critica superior o inferior (generalmente de 740° a 880°) y luego enfriar hasta una temperatura de 600°-700° que se mantiene constante durante varias horas, para conseguir la completa transformación isotérmica de la austenita y finalmente, se enfría al aire. Este tratamiento es muy rápido y se obtienen durezas muy bajas, tiene la ventaja de ser mucho más rápido que los recocidos ordinarios de enfriamiento lento, el recocido isotérmico es muy interesante para los aceros de herramientas de alta aleación.
5.12. AUSTEMPERING El austemplado o templado austenítico, convierte la austenita en una estructura dura llamada bainita. En el austemplado el acero se templa en sales fundidas a una temperatura de entre 232°C y 426°C (450 y 800°F). Esta temperatura produce una estructura con el grado de tenacidad y ductilidad deseadas. Cuando se mantiene una temperatura constante durante un tiempo suficiente para completar la transformación de la austenita, la estructura resultante es bainita. La bainita es más tenaz que la martensita de revenido. Es menos probable que ocurran el agrietamiento porque el descenso de temperatura en el austemplado es menos severo que en el temple ordinario o en el martemplado. Una desventaja del austemplado es que sólo se pueden someter a este proceso metales con áreas transversales delgadas; por 68
ejemplo, hojas de cuchillo, hojas de afeitar y alambres. Los aceros que contiene 0.6% o más de carbono se austemplan con facilidad. El austemplado depende de la temperatura del baño de templar y del tiempo que permanece el metal austenítico en el baño. Los baños de austemplar son por lo común mezclas de sales fundidas que contienen carbonato de sodio y cloruro de bario. Este baño de sal se mantiene comúnmente a una temperatura específica por medio de un quemador controlado por un termostato. Por ejemplo, si un acero en particular se debe templar a 343 °C (650 °F), ésta será la temperatura del baño. El acero se sumerge en la sal fundida y permanecerá en el baño durante un número determinado de segundos. A continuación se retira el metal del baño de sales y se deja enfriar en aire calmado. El tiempo y la temperatura del baño son importantes porque el metal tiene que permanecer en el baño el tiempo suficiente para que se forme por completo la bainita y la temperatura debe ser la adecuada para controlar el tipo de bainita formada. El austemplado es capaz de crear un artículo más tenaz que cualquier otro que haya sido templado y revenido en forma convencional o bien martemplado. 5.13. MARTEMPERING Es un procedimiento que consiste en calentar el acero a la temperatura de austenitización y enfriarlo bruscamente, en un baño de sal o de aceite caliente, hasta una temperatura levemente superior a la crítica, manteniéndose constante para uniformizar la temperatura de la pieza, (el tratamiento isotérmico se detiene antes de que comience la transformación bainítica), luego se enfría hasta producir 100% de martensita, con este tratamiento se produce martensita con menor riesgo de distorsiones y fracturas por choque térmico. El objetivo de este tratamiento es alcanzar altas cotas de endurecimiento debido a un drástico cambio en su estructura perlítica hasta alcanzar la martensita. El ámbito de aplicación se tiene en las aleaciones eutectoides. El proceso de transformación martensítica es de una sola etapa, si bien, la velocidad de enfriamiento es el parámetro importante. 5.14. VARIABLES DE LA TRANSFORMACIÓN MARTENSÍTICA La temperatura es la variable que controla la cantidad de martensita transformada y, por tanto, del grado de endurecimiento alcanzado. La transformación martensítica es una transformación independiente del tiempo y solo dependiente del valor absoluto de las temperaturas, lo que se define como transformación atérmica. 69
La velocidad de enfriamiento, Ve que es tangencial a las curvas de transformación isotérmica, determina la velocidad mínima requerida para conseguir la total transformación martensítica. Esta velocidad Vc, se denomina velocidad crítica de temple. 5.15. CARACTERÍSTICAS DE LA MARTENSITA Se observa un crecimiento en características de la martensita hasta alcanzar el contenido en carbono del eutectoide que corresponde al máximo. Las características residentes aumentan con el contenido en carbono de la austenita, que es idéntico al de la martensita resultante. El empapar debe ser suficientemente largo para evitar la formación del bainita. La ventaja de martempering es la reducción de las tensiones termales, esto evita el agrietarse y reduce al mínimo la distorsión.
70
6. CLASIFICACION DEL ACERO
Hay miles de composiciones diferentes de acero disponibles en todo el mundo en la actualidad. Para el metalógrafo principiante, la variedad y la terminología al principio puede ser abrumadora. De hecho, la manera que los aceros se clasifican puede ser muy confusa incluso para los expertos y experimentados. Sin embargo, en muchos casos, los aceros se dividen en un número limitado de clases bien definidas. Generalmente, el carbono y aceros de baja aleación son objeto de un sistema de clasificación basado en la composición. La mayor aleación de aceros (el inoxidable, resistente al calor, resistentes al desgaste, aceros, etc.) pueden ser clasificados de acuerdo con muchos sistemas diferentes, incluyendo la composición, microestructura, la aplicación o especificación. La forma más fácil de clasificar los aceros es por sus componentes químicos. Varios elementos de aleación se añaden al hierro con el fin de alcanzar determinadas propiedades y características específicas. Los diferentes tipos de acero se agrupan en cinco clases principales: aceros al carbono, aceros aleados, aceros de baja aleación ultrarresistentes, aceros inoxidables y aceros de herramientas.
6.1.
ACEROS AL CARBONO
El acero al carbono, constituye el principal producto de los aceros que se producen, estimando que un 90% de la producción total producida mundialmente corresponde a aceros al carbono y el 10% restante son aceros aleados. La composición química de los aceros al carbono es compleja, además del hierro y el carbono que no supera el 2%, hay en la aleación otros elementos necesarios para su producción, tales como silicio y manganeso, y hay otros que se consideran impurezas por la dificultad de excluirlos totalmente –azufre, fósforo, oxígeno, hidrógeno. El aumento del contenido de carbono en el acero eleva su resistencia a la tracción y su dureza, incrementa el índice de fragilidad en frío y hace que disminuya la tenacidad y la ductilidad.
6.2.
ACEROS ALEADOS
Este grupo de aceros aleados cubre toda la gama de materiales endurecidos, estos aceros contienen una proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales. 71
El tratamiento térmico se realiza a una temperatura específica con el fin de dejar un pequeño coeficiente de ductilidad al material, aunque el objetivo principal del tratamiento es aportar al material una alta resistencia al desgaste y un aumento de la dureza. Este grupo de aceros presentan una buena estabilidad dimensional combinada con una alta resistencia a la temperatura. El mecanizado de estos materiales es muy difícil, es por ello necesario prestar especial atención en la selección de los parámetros de corte. La influencia que ejercen esos elementos es muy variada, y empleados en proporciones convenientes, se obtienen aceros con ciertas características que no se pueden alcanzar con los aceros ordinarios al carbono. Utilizando aceros aleados es posible fabricar piezas de gran espesor, con resistencias muy elevadas en el interior de las mismas. En elementos de máquinas y motores se llegan a alcanzar grandes durezas con gran tenacidad. Es posible fabricar mecanismos que mantengan elevadas resistencias, aún a altas temperaturas. Este tipo de materiales son típicamente usados para la fabricación de engranajes, cajas de cambios, levas y diferentes componentes de la máquina-herramienta.
6.3.
ACEROS DE BAJA ALEACIÓN ULTRARESISTENTES
Es la familia más reciente de las cinco grandes clases. Este tipo de acero es más barato que los aceros aleados convencionales, ya que contiene menores cantidades 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.
6.4.
ACEROS INOXIDABLES
El acero inoxidable fue inventado por Harry Brearley. En 1912, Brearley comenzó a investigar, a petición de los fabricantes de armas, en una aleación que presentara mayor resistencia al desgaste que la experimentada hasta el momento por el interior de los cañones de las pequeñas armas de fuego como resultado del calor despedido por los gases. 72
Buscando un metal que resistiera la erosión, Brearley encontró un metal resistente a la corrosión. Su invento no tuvo mayor interés inmediato y fue destinado a la fabricación de cuberterías. El acero inoxidable es una aleación de hierro y carbono que contiene por definición un mínimo de 10,5% de cromo. Algunos tipos de acero inoxidable contienen además otros elementos aleantes. Los principales son el níquel y el molibdeno. Es un tipo de acero resistente a la corrosión, el cromo que contiene posee gran afinidad por el oxígeno y reacciona con él formando una capa pasivadora que evita la corrosión del hierro contenido en la aleación. Sin embargo, esta película puede ser afectada por algunos ácidos dando lugar a un ataque y oxidación del hierro por mecanismos ínter granulares o picaduras generalizadas. Existen muchos tipos de acero inoxidable y no todos son adecuados para aplicaciones estructurales, particularmente cuando se llevan a cabo operaciones de soldadura. Hay cinco grupos básicos de acero inoxidable clasificados de acuerdo con su estructura metalúrgica: austeníticos, ferríticos, martensíticos, dúplex y de precipitación-endurecimiento (endurecimiento por precipitación). Los aceros inoxidables que contienen solamente cromo, se llaman "ferríticos", ya que tienen una estructura metalográfica formada básicamente por ferrita. Son magnéticos, y se distinguen porque son atraídos por un imán. Estos aceros, con elevados porcentajes de carbono, son templables y, por tanto, pueden endurecerse por tratamiento térmico pasando a llamarse aceros inoxidables "martensíticos", por tener martensita en su estructura metalográfica. Los aceros inoxidables que contienen más de un 7% de níquel, se llaman "austeníticos", ya que tienen una estructura metalográfica en estado recocido, formada básicamente por austenita. No son magnéticos en estado recocido, y por tanto no son atraídos por un imán. Estos aceros austeníticos se pueden endurecer por deformación, pasando su estructura metalográfica a contener "martensita". En esta situación se convierten en parcialmente magnéticos. Los aceros inoxidables austeníticos y dúplex son, en general, los grupos más empleados en aplicaciones estructurales. Los aceros inoxidables austeníticos proporcionan una buena combinación de resistencia a la corrosión y de las propiedades de fabricación. Los aceros inoxidables dúplex tienen una resistencia elevada y también una alta resistencia al desgaste, con una muy buena resistencia a la corrosión bajo tensión. A todos los aceros inoxidables, se les puede añadir un pequeño porcentaje de molibdeno, para mejorar su resistencia a la corrosión por cloruros. 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 73
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.
6.5.
ACEROS DE HERRAMIENTAS
Los aceros para herramientas se utilizan convencionalmente en la fabricación de artículos empleados en aplicaciones de utillaje tanto de corte como de no corte. Esto incluye la fabricación de mandriles y fresas, así como rodillos, punzones y componentes de molde. En dichas aplicaciones de utillaje, es necesario que el acero para herramientas tenga suficiente resistencia, tenacidad y resistencia al desgaste para resistir las condiciones de servicio que se encuentren en dichas aplicaciones típicas. Además, deben tener adecuada maquinabilidad y molturabilidad para facilitar la producción de los componentes de utillaje deseados.
Los aceros para herramientas se entregan normalmente en estado blando (alrededor de 200 a 250 Brinell) para facilitar el maquinado. En esta condición, la mayoría del contenido de la aleación está en forma de carburos dispersos a través de una matriz suave. Estos aceros deben ser tratados térmicamente para obtener sus propiedades características. El tratamiento térmico altera la distribución de la aleación transformando la matriz suave en una matriz dura, capaz de soportar presión, abrasión e impactos inherentes al conformado metálico. Cada proceso del ciclo de tratamiento térmico realiza una función específica. Aunque representa menos del diez por ciento del costo de la herramienta, el tratamiento térmico puede ser el factor más importante para determinar el desempeño de la herramienta. Es sabido que la presencia de azufre en aceros para herramientas mejora su maquinabilidad y molturabilidad formando sulfuros que actúan como lubricante entre las herramientas de corte usadas para formar el componente de herramienta y las virutas quitadas del acero durante esta operación. Los sulfuros también promueven la rotura de las virutas durante la operación de corte inherente a la fabricación de herramientas, facilitando por ello aun más esta operación.
74
7. GRANDES ESTRUCTURAS DE ACERO
El acero es uno de los más importantes materiales estructurales. Entre sus propiedades de particular importancia en los usos estructurales, están la alta resistencia, comparada con cualquier otro material disponible, y la ductilidad. Otras ventajas importantes en el uso del acero son su amplia disponibilidad y durabilidad, particularmente con una modesta cantidad de protección contra el intemperismo. A continuación se mostraran algunos ejemplos del uso del acero en la construcción de grandes estructuras. 7.1.
PLATAFORMA PETROLÍFERA FLOTANTE “PERDIDO.
La estructura de barras de acero, con una altura que ronda los 324 metros y un peso semejante al de 10.000 vehículos familiares, es parte de un ambicioso proyecto llevado a cabo por la multinacional anglo-holandesa Shell para la prospección de petróleo y gas en aguas profundas en alta mar. La estructura llamada ―Perdido‖, operará en las profundas aguas del golfo de México flotando aproximadamente a 220 millas de Galveston (Texas). Extraerá petróleo situado en yacimientos bajo el lecho marino, situado a unos 2.400 metros bajo el agua. Technip, Kiewit, FMC Technologies y Heerema Marine Contractors son algunas de las principales empresas contratistas que participan en el desarrollo del proyecto.
Figura 34 Plataforma petrolera Perdido
. http://urbanity.blogsome.com/2008/05/30/plataforma-petrolifera-flotante-perdido-golfo-de-mexico/
75
7.2.
EL PUENTE DE EADS
El Puente de Eads es un camino combinado y un puente ferroviario sobre Río de Mississippi en St. Louis, St. que conecta Louis y St. del este Louis, Illinois. El puente se nombra para su diseñador y constructor, capitán James B. Eads. Cuando estaba terminado en 1874, el puente de Eads era el puente más largo del arco del mundo, con una largura total de 6.442 pies (1.964 m). Los palmos de acero acanalados del arco eran considerados atrevidos, al igual que el uso del acero como material estructural primario: Es el ejemplo del primer uso del acero en un proyecto de puente principal. El Puente de Eads fue también el primer puente que se construyó utilizando métodos de apoyo en voladizo exclusivamente, y uno de los primeros en hacer uso de cajones neumáticos. Los cajones de aire comprimido del puente de Eads, aún entre los más profundos jamás hundidos, fueron responsables de uno de los primeros brotes importantes de la enfermedad de cajón (también conocido como enfermedad de descompresión). 15 trabajadores murieron, otros dos trabajadores quedaron incapacitados permanentemente, y 77 fueron afectados severamente. Datos Curiosos
Figura 35 Puente Eads. http://www.worldlingo.com/ma/enwiki/es/E ads_Bridge
Transporta
4 carriles de la autopista 2 MetroLink
Cruces Lugar
Rio Mississippi St. Louis Missouri y St Louis del Este, Illinois James B. Eads Arco de puente 6442 pies (1964 m) 46 pies (14 m) 88 pies (27 m) E.E.U.U.
Diseñador Diseño Longitud Ancho Separación abajo País
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7.3.
EL GRAN PUENTE DEL ESTRECHO AKASHI KAIKYO
El Gran Puente del Estrecho Akashi es el puente colgante que une Honshu con la Isla de Awaji, cruzando uno de los estrechos más transitados del mundo (más de 1.000 embarcaciones diarias). Tiene una longitud de 3.911 m y su vano central de 1.991 m es actualmente el más largo del mundo (los puentes colgantes, son la única solución a muy grandes vanos). Es soportado por dos cables que son considerados como los más resistentes y pesados del mundo. Cuando se empezó a construir el puente, este mediría 3.910 metros, pero cuando ya estaban construidas las torres y estaban los cables principales instalados, sucedió el Gran Terremoto de Hanshin (1995), que separó ambas torres casi un metro, tras estudiar el problema, se continuó la construcción con ligeras modificaciones en el proyecto, continuando con lo que ya estaba construido, quedando la longitud final en los 3.911 metros actuales, los 1991 metros del tramo central lo convierten en el puente colgante más largo del mundo. Los cables que sostienen el puente flotante están formados por cables acero cuya longitud, si los juntásemos cada uno detrás de otro, daríamos 7 vueltas y media a la Tierra.
Datos Curiosos País Localidad Construcción Longitud
Japón Kobe - Awaji 1988-1998 3911 m en total, 1991 m en el vano principal Gálibo de 282,8 m (altura navegación total) Material Acero
Figura 36 Puente Akashi Kaikyo http://www.cosasexclusivas.com/2009/03/puente-de-akashi-kaikyo-en-japon.html
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7.4.
LAS TORRES PETRONAS
Las Torres Petronas son dos torres de pisos gemelas localizadas en Kuala Lumpur, Malasia. Fueron diseñadas por el arquitecto Argentino-Americano Cesar Pelli. y construidas entre los años 1992 y 1997. Cada una de las Torres tiene 88 pisos y 1,483 pies (452 m) de altura. Las Torres fueron certificadas como las más altas del mundo en 1996, basándose en su cima estructural. Éstas mantuvieron el título hasta el 2004 cuando el Taipéi 101 las sobrepaso. La construcción de las torres comenzó en Abril de 1994 con la Torre Uno comenzando un mes más temprano que la Torre Dos. La superestructura sería construida con concreto reforzado en vez de acero debido a que Malasia carecía de una industria siderúrgica e importarlo sería muy costoso. También, el concreto reforzado tiene el doble de la capacidad del acero para soportar vibraciones. El uso de concreto de tan alto grado fue una transferencia de tecnología de los Estados Unidos, quienes utilizan concreto de hasta grado 110 en la industria de la construcción. La construcción de la torres Petronas necesitó 16 pilares de concreto, cada uno midiendo 19 pies (5.8 m) de grosor, para ir con la longitud de las torres. Enlazados por una serie de vigas, los pilares podían soportar 270,000 toneladas.
Datos Curiosos Ubicación Kuala Lumpur (Malasia) Altura 452 m Plantas 88 Área total 341760 m² Uso Mixto, alberga oficinas de la compañía Petronas y la sede en Malasia de Microsoft Materiales Acero, vidrio y hormigón Figura 37 Rascacielos. Las torres Petronas. http://eled ificio.wordpress.com/tag/rascacielos/
78
7.5.
EL SHUN HING SQUARE
El Shun Hing Square Es un alto edificio o rascacielos en Shenzhen, China. Su altura estructural es 384 metros, y tiene 69 pisos. Fue completado en 1996 y por un año (1996 a 1997), fue el edificio más alto hasta que el CITIC Plaza en Guangzhou fue completado. Ahora está en el quinto lugar en China, por detrás de Shanghai World Financial Center (Shanghai), Nanjing Groenlandia Financial Center (Nanjing), Edificio Jin Mao (Shanghai) y el ya mencionado CITIC Plaza (Guangzhou), además es el noveno a nivel mundial. Es el edificio más alto de acero en China, y fue construido a un paso rápido, 4 niveles en 9 días. El edificio provee de oficinas, apartamentos, parqueos y un complejo comercial de 5 niveles. Está revestido de laminas de acero y cristales que reflejan la luz directa del sol así manteniendo los niveles adecuado de temperatura, y destacándose a la vez por su emblemático color verde azulado, reconocible desde cualquier punto de la ciudad.
Datos Curiosos Construcción 1993 - 1996 Ubicación Shenzhen (China) Altura 384 m Uso Oficinas, tienda, vivienda Plantas 69 Área total 273349 m² Materiales Acero Arquitecto K.Y. Cheung Design Associates
Figura 38 Arquitectura y construcción. El Shun Hing Squeare. http://www.arqhys.com/construccion/shun-square.html
79
7.6.
EL PUENTE DE BROOKLYN
El Puente de Brooklyn (conocido inicialmente como "Puente de Nueva York y Brooklyn") une los barrios de Manhattan y de Brooklyn en la ciudad de Nueva York. Fue construido entre 1870 y 1883 y, en el momento de su inauguración era el puente colgante más grande del mundo (mide 1825 metros de largo, y la luz entre pilas es de 486,3 metros. Desde entonces, se ha convertido en uno de los símbolos más reconocibles de Nueva York. Es un emblema de la ingeniería del siglo XIX por lo innovador que fue en aquel entonces el uso del acero como material constructivo a gran escala. Está tan bien construido, que actualmente todavía se encuentra en uso. El Puente está construido con piedra caliza, granito y cemento. Su estilo arquitectónico es neogótico, con sus característicos arcos apuntados en las dos torres laterales. Pese a que en la época en que se construyó no se realizaban pruebas de aerodinámica a los puentes, la estructura abierta del puente evitó que hubiera problemas de estabilidad debido al viento. Además, se había calculado que con los soportes de cable metálico el puente era seis veces más resistente de lo estrictamente necesario, lo que explica que todavía se mantenga en pie cuando gran parte de los puentes colgantes construidos en la misma época han tenido que ser sustituidos. Por otra parte, durante la construcción se descubrió que J. Lloyd Haigh, encargado de proporcionar el cable para el Puente, había sustituido el elegido originalmente por otro de inferior calidad. Cuando se descubrió el trueque, era demasiado tarde para desmontar la parte ya construida, con lo cual su resistencia se redujo. Actualmente, el puente dispone de seis carriles para vehículos (excepto camiones y autobuses, y una pasarela independiente para bicicletas y peatones. Desde los años ochenta, está iluminado por las noches para acentuar su silueta. Datos Curiosos Localidad New York Cruza Rio Este Inauguración 24 de mayo de 1883 Longitud 1825 m Ancho 26 m Galibo de 41 m nave. Tipo Colgante/atirantado Figura 39 El puente de Brooklyn. http://rutanomada.com/el-puente-de-brooklyn-en-nueva-york
80
7.7.
MONTAÑA RUSA KINGDA KA
Kingda Ka es una montaña rusa ubicada en Six Flags Great Aventure en Jackson, Nueva Jersey, EEUU. El día de su apertura, el 21 de mayo de 2005, se convirtió en la más alta y más rápida montaña rusa del mundo. El tren es lanzado por un mecanismo hidráulico a 206 km/h en 3,5 segundos. Debido a preocupaciones de seguridad de la aviación, la torre está equipada con tres estroboscopios dobles: 2 a mitad de camino y uno en la parte superior. Kingda Ka fue anunciada oficialmente el 29 de septiembre de 2004, en un acto celebrado para los medios de comunicación y aficionados. Se reveló que la atracción se convertiría en "la más alta y más rápida montaña rusa de la tierra", llegando a alcanzar los 139 m de altura y acelerando hasta los 206 km/h en 3,5 segundos. El 13 de enero de 2005, Kingda Ka fue al fin terminada, y cuatro meses más tarde se abrió al público. El motor hidráulico que acelera el tren es capaz de producir 20.800 caballos de potencia máxima. Debido a la alta velocidad y al diseño de los trenes, la atracción no funciona cuando llueve Figura 40 Montaña rusa Kingda Ka. http://concreto.somosemprendedores. com/montana-rusa-kingda-ka-megaestructuras.html
81
8. MERCADO DEL ACERO
8.1.
PRODUCCIÓN MUNDIAL ANUAL DEL ACERO
Producción mundial del acero Cientos de toneladas métricas (100 ton)
1400000 1200000 1000000 800000 600000 400000 200000 0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Gráfico 2 Producción mundial del acero
http://www.worldsteel.org/?action=publicationdetail&id=104
En la gráfica anterior notamos que la producción mundial anual del acero se ha mantenido en alza entre los años 2000 y 2007. La producción mundial disminuyó un poco en 2008 y 2009 debido a la utilización de aleaciones de acero más resistentes, y que requieren de menos volumen, y a las disminuciones de participación de la industria de la construcción en algunos países.
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Participación por continente en la producción del acero 2009
Union Europea Otra Europa C.I.S. Norte America Sur America Africa Medio Este Asia Oceania
Gráfico 3 Participación por continente en la producción del acero 2009
http://www.worldsteel.org/?action=publicationdetail&id=104
La gráfica anterior nos muestra contundentemente que Asia comanda la producción del acero a nivel global, seguido por la Unión Europea, C.I.S. (Commonwealth of Independent States) y USA respectivamente.
83
8.2.
PRODUCCIÓN ANUAL DE MINERAL DE HIERRO EN AMÉRICA LATINA
Producción mineral de hierro America Latina respecto a China año 2008 900
Colombia
8400
Chile Venezuela
21500
Canada
32100 346000
Brasil 53000
USA
824011
China 0
100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000 800000 900000 Cientos de toneladas métricas
Gráfico 4 Producción mineral de hierro 2008
http://www.worldsteel.org/?action=publicationdetail&id=104
Al ser el mineral de hierro la principal materia prima de la producción del acero, es necesario conocer los países que más la producen y como es la producción de este en América Latina, para así estableces comparaciones con la producción de acero.
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Producción Acero Vs. Producción Mineral Hierro 2008 América Latina 1400000 1200000 1000000 800000 600000 400000 200000 0
Acero Mineral Hierro
Gráfico 5 Producción acero Vs. Producción mineral hierro 2008
http://www.worldsteel.org/?action=publicationdetail&id=104
La anterior grafica nos muestra la relación entre la producción de mineral de hierro y la producción de acero. Estas son directamente proporcionales; China produce más mineral de hierro, y consecuentemente, mas acero. Ese mismo comportamiento se presenta en el resto del mundo.
Exportación de mineral de hierro en América Latina 2008 (toneladas métricas) 5446
7231 5471 Brasil Chile Peru Venezuela
281683
Gráfico 6 Exportación mineral hierro en América Latina 2008
http://www.worldsteel.org/?action=publicationdetail&id=104
85
8.3.
PRODUCCIÓN MENSUAL 2010 Y LA PARTICIPACIÓN DE COLOMBIA
La producción del acero en el mundo en 2010 se ha mantenido dentro de un rango entre los 100 millones de toneladas métricas, y los 130 millones de toneladas métricas al mes. Esta producción satisface todas las necesidades del hombre actual respecto a la industria, construcción y demás áreas de trabajo. Producción mundial del Acero a lo largo del año 2010
Gráfico 7Producción mundial del acero en 2010 http://www.worldsteel.org/?action=stats&type=steel&period=latest
La producción del acero se distribuye de la siguiente manera, por países: Steel Unidades: Miles de toneladas métricas statistics 2010 Country
Jan
Feb
Mar
Apr
May
Jun
Jul
Austria
524
503
592
632
659
636
581
Belgium
623
540
680
708
815
710
650
Bulgaria
65
58
64
65
64
58
65
Czech Republic
412
419
489
476
461
464
394
Finland
349
318
363
289
291
340
332
France
1,136
1,127
1,476
1,451
1,573
1,457
1,45
86
Germany
3,497
3,399
4,021
3,883
4,073
3,857
3,492
Greece
64
148
171
132
215
210
190
Hungary
125
121
139
149
165
149
150
Italy
1,876
2,164
2,377
2,352
2,471
2,264
2,2
Latvia
0
0
0
0
0
0
0
Luxembourg
228
209
252
221
274
175
180
Netherlands
578
492
465
441
604
559
532
Poland
603
536
696
775
827
660
680
Portugal
0
0
0
0
0
0
0
Romania
250
225
250
310
350
360
370
Slovakia
340
366
442
430
460
394
276
Slovenia
47
47
51
48
55
52
55
Spain
1,358
1,343
1,581
1,541
1,646
1,433
1,1
Sweden
390
382
430
452
439
448
281
United Kingdom
984
763
813
899
894
793
782
Other E.U. (27)
170
154
195
166
173
162
165
Total European Union (27)
13,619 13,314 15,548 15,419 16,509 15,18
13,926
Albania
0
0
0
0
0
0
0
Bosnia and Herzegovina
46
48
64
53
53
48
47
Croatia
6
5
4
5
5
3
3
87
Macedonia
10
11
30
30
30
20
35
Norway
60
37
43
45
50
52
20
Serbia
136
136
82
61
83
155
93
Switzerland
99
110
121
91
121
120
65
Turkey
2,059
1,821
2,194
2,402
2,526
2,495
2,376
Total - Other Europe
2,416
2,168
2,538
2,686
2,868
2,893
2,639
Azerbaijan
0
0
0
0
0
0
0
Byelorussia
170
202
216
217
241
236
222
Kazakhstan
400
274
305
307
492
405
412
Moldova
15
38
47
50
56
0
0
Russia
5,19
4,952
5,588
5,64
5,885
5,43
5,595
Ukraine
2,726
2,343
2,995
2,974
2,85
2,47
2,406
Uzbekistan
52
58
62
60
62
60
65
Total - C.I.S. (6)
8,553
7,867
9,213
9,248
9,586
8,601
8,7
Canada
1
1,05
1,15
1,1
1,135
1,03
975
Cuba
24
25
25
25
25
25
25
Dominican Republic
0
0
0
0
0
0
0
El Salvador
6
5
7
7
7
5
5
Guatemala
22
20
25
25
25
22
22
Mexico
1,3
1,3
1,466
1,389
1,484
1,336
1,38
Trinidad and
51
46
55
55
54
57
60
88
Tobago United States
6,234
6,243
7,112
6,955
7,264
7,09
6,699
Total - North America
8,637
8,689
9,841
9,557
9,993
9,565
9,166
Argentina
337
381
443
428
438
421
437
Brazil
2,751
2,446
2,829
2,707
2,856
2,85
2,95
Chile
133
120
0
0
0
50
50
Colombia
61
55
85
85
90
95
100
Ecuador
16
15
20
20
20
30
30
Paraguay
5
5
7
7
7
6
6
Peru
72
65
75
75
80
70
75
Uruguay
6
5
7
7
7
6
6
Venezuela
316
285
200
195
200
105
110
Total - South America
3,697
3,376
3,665
3,524
3,698
3,633
3,764
Algeria
35
35
40
40
45
40
45
D.R. Congo (former Zaire)
0
0
0
0
0
0
0
Egypt
508
449
498
523
553
513
557
Ghana
0
0
0
0
0
0
0
Kenya
0
0
0
0
0
0
0
Libya
60
57
71
70
65
67
70
Mauritania
0
0
0
0
0
0
0
Morocco
41
39
59
52
58
14
8
89
Nigeria
0
0
0
0
0
0
0
South Africa
710
640
710
690
715
690
720
Tunisia
0
0
0
0
0
0
0
Uganda
0
0
0
0
0
0
0
Zimbabwe
0
0
0
0
0
0
0
Total –
1,354
1,22
1,378
1,375
1,436
1,324
1,401
Iran
947
1
935
1,033
1,027
1
857
Israel
0
0
0
0
0
0
0
Jordan
0
0
0
0
0
0
0
Qatar
160
150
170
165
178
165
160
Saudi Arabia
471
440
419
468
444
410
400
Syria
0
0
0
0
0
0
0
United Arab Emirates
0
0
0
0
0
0
0
Total - Middle East
1,578
1,591
1,524
1,665
1,65
1,575
1,417
China
52,535 50,357 54,968 55,403 56,143 53,766 51,743
India
5,43
5,125
5,532
5,35
5,53
5,462
5,75
Indonesia
0
0
0
0
0
0
0
Japan
8,724
8,445
9,341
8,987
9,724
9,356
9,222
North Korea
0
0
0
0
0
0
0
South Korea
4,512
3,943
4,767
5,116
5,173
4,784
4,76
Malaysia
0
0
0
0
0
0
0
Africa
90
Mongolia
0
0
0
0
0
0
0
Myanmar
0
0
0
0
0
0
0
Pakistan
0
0
0
0
0
0
0
Philippines
0
0
0
0
0
0
0
Singapore
0
0
0
0
0
0
0
Sri Lanka
0
0
0
0
0
0
0
Taiwan, China
1,71
1,545
1,569
1,52
1,57
1,52
1,57
Thailand
0
0
0
0
0
0
0
Vietnam
0
0
0
0
0
0
0
Total –
72,911 69,415 77,808 76,376 78,14
74,888 73,045
Australia
606
525
610
574
612
616
665
New Zealand
70
69
72
73
75
72
71
Total Oceania
676
594
682
647
687
688
736
Total Countries
66
66
66
66
66
66
66
Total
113,44 108,24 122,2
120,5
124,57 118,35 114,79
Asia
Tabla 6 Estadística de “World Steel Association”. Producción mundial el miles de toneladas métricas. http://www.worldsteel.org/?action=stats&type=steel&period=latest
Al detallar estos datos, se hace evidente que hay muchos países de África, Medio Oriente y Asia que no producen acero, y esto puede considerarse por la no disponibilidad de recursos o materia prima en el país/región, o simplemente porque el país está en situación de pobreza extrema. Dentro de las proporciones, se puede analizar y concluir que:
91
En un mes, Estados Unidos de América produce el doble de lo que produce toda Sur América en un mes. China, en un mes, produce aproximadamente 566 veces más de lo que produce Colombia en un mes. Es decir, China en 90 minutos, produce lo que produce Colombia en un mes. Estados Unidos de América, en un mes, produce en promedio 74 veces más lo que produce Colombia en un mes. La producción en Asia es aproximadamente un 63% de la producción mundial. Sudáfrica produce en un mes aproximadamente 7 veces más lo que produce Colombia en un mes. La producción del Medio Oriente es tan solo un 1.3%, aproximadamente, de la producción mundial. Brasil produce en 1 día, lo que Colombia produce en un mes, ya que en un mes, Brasil produce 30 veces lo que produce Colombia, en promedio.
Estas proporciones nos muestran lo atrasados que estamos, incluso, respecto a países de nuestro mismo continente, como lo es Brasil. Es necesario que la industria colombiana se modernice y socialice con la atmosfera mundial, y así aplicar nuevos métodos de trabajo y de producción que permita a nuestro país ser mucho más competitivo, por lo menos, en el mercado continental.
92
8.4.
PRODUCCIÓN MUNDIAL DE FERROALEADOS
Toneladas Métricas (ton)
Producción Mundial Ferroaleados 40000000 35000000 30000000 25000000 20000000 15000000 10000000 5000000 0 2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
Gráfico 8 Producción mundial ferro-aleados
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/ferroalloys/myb1-2008-feall.pdf
Participación en la producción de ferroaleados Otros
100%
Chile 80%
Venezuela Argentina
60%
Colombia 40%
Brasil
20%
Sudafrica Ucrania
0% 2004
2005
2006
2007
2008
China
Gráfico 9 Participación en la producción de ferroaleados
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/ferroalloys/myb1-2008-feall.pdf
93
Toneladas Métricas (ton)
Producción Ferroaleados América Respecto a China 20000000 18000000 16000000 14000000 12000000 10000000 8000000 6000000 4000000 2000000 0 2003
Argentina Brasil Chile China Colombia Mexico USA 2004
2005
2006
2007
2008
2009
Gráfico 10 Producción Ferroaleados América Respecto a China
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/ferroalloys/myb1-2008-feall.pdf
Producción Ferroaleados América 1600000 1400000 Argentina
1200000
Brasil
1000000
Chile 800000
Colombia
600000
Mexico
400000
USA Venezuela
200000 0 2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
Gráfico 11 Producción Ferroaleados América
http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/ferroalloys/myb1-2008-feall.pdf
94
8.5.
GRANDES EMPRESAS DEDICADAS AL ACERO EN COLOMBIA
Acería Primaria: Se llama primaria porque parte desde el mineral en bruto y su proceso incluye todas las etapas de fusión, tratamiento laminación y proceso de afinado del material. Solamente se puede hablar de una instalación de este tipo que es la de Acerías Paz del Río, Localizada en Belencito, en las vecindades de Sogamoso (Boyacá), aprovecha la producción de minas localizadas dentro de un radio de 40 km. y la calidad del carbón coquizable disponible en forma abundante en la región. Produce láminas, redondos y perfiles especiales, como son los rieles y perfiles para soporte de socavones. Hace algunos años suspendió la producción de pequeños perfiles estructurales y angulares. Hace mercadeo directo, vendiendo al por mayor (más de 7 ton del mismo producto) o a distribuidores ferreteros.
Acería Secundaria: Se les llaman secundarias porque no incluyen el proceso de producción de materia refinada a partir del mineral. Operan sobre sub-productos básicos de la acería primaria (Tochos o palanquillas) y se suplementan con un porcentaje de chatarras. En el país hay varias de estas, algunas de las cuales han generado una distribuidora común (DIACO) para atender a su propio mercadeo. Todas operan con el proceso de horno eléctrico. Son estas:
Siderúrgica de Medellín (Simesa): Localizada en Medellín, utiliza materia prima de Paz de Río e importada de distintas fuentes. También usa chatarra. Produce primordialmente varilla de refuerzo y alambres. Fue la primera en producir acero para construcción sismo resistente. Siderúrgica del Pacífico (Sidelpa): Localizada en Yumbo (valle). Trabaja con palanquillas importada del Japón y chatarra seleccionada. Produce acero redondo y perfiles. Mercadeo a través de DIACO. Siderúrgica Boyacá (Sideboyacá): Localizada en las cercanías de Paipa (Boyacá), utiliza materia prima de Paz del río y chatarra. Produce acero redondo y perfiles pequeños. Mercadeo a través de DIACO. Siderúrgica del Muña (Simuña): Localizada en las cercanías del embalse del Muña, opera fundamentalmente en base a chatarra, produce aceros lisos y algo de láminas. Fuera del grupo de DIACO. Laminados Andinos: Actual versión de la Siderúrgica de la Sabana y otras empresas que trataron de organizarse en las vecindades de Cajicá. También 95
existen algunas laminadoras, que usando materia prima de las otras acerías, tratan de producir varillas, con muy poca incidencia en el mercado. Siderúrgica Del Caribe: Situada cerca de Cartagena produce acero para refuerzo de concreto. Siderúrgica Sogamoso: Nueva acería situada en Duitama (Boyacá) produce en principio varillas y planea incursionar el mercado de la lámina. Siderúrgica del Norte: Situada cerca de Barranquilla, de propiedad del grupo industrial de Corpacero, produce varillas.
Procesadoras: Existen otras industrias que transforman los productos finales de las acerías y producen perfiles que en su momento pueden tener utilización estructural. Entre ellas se pueden citar:
Productoras de tuberías. (Colmena, Corpacero , Tissot). Procesan lámina para elaborar tubería, redonda y cuadrada, con costura: Corpacero produce además la Corpolosa (lámina colaborante para entrepisos) material en lámina corrugada para formaleta de pisos en edificios de estructuras metálicas. Procesadores de lámina delgada (Acesco): Procesa lámina CR para producir perfiles doblados por laminación. También produce tejas y laminas plegadas para cubiertas y cerramientos. Esta fábrica absorbió a Sidelán, que hizo varios intentos por convertirse en alternativa de producción. También produce una versión de lámina colaborante, bajo la denominación de Metaldeck.
8.6.
COMERCIALIZADORAS DEL ACERO EN COLOMBIA
DIACO: La Distribuidora de Aceros Colombianos, es la distribuidora general de la producción de las acerías y procesadoras menores. Controla el mercado y regula alzas periódicas, que en los últimos años se han reducido a una o dos al año. Anteriormente, podían ser hasta 5 alzas anuales. Tramita compras de más de 20 ton. PAZ DEL RÍO: Distribuye directamente sus productos, en cantidades superiores a 7 toneladas de cada perfil. Para el resto se debe recurrir al comercio ferretero. COOPERATIVAS: Algunas Cooperativas de tipo Gremial (COPIME) actúan como distribuidoras de las anteriores con precios y condiciones favorables para sus socios. 96
FERRETERÍAS: Distribuyen al detal, con un recargo que va del 20% al 50% respecto a los costos de productor o importador. DEPÓSITOS: Existen algunos muy buenos depósitos (Stecker, [Barranquilla] Tissot [Cali]) (Peclar [Bogotá]). IMPORTADORAS: Existen algunas casas representantes de las principales acerías mundiales para tramitar las operaciones especiales.
8.7.
PRECIO MUNDIAL DEL ACERO
Gráfico 12 Precio mundial del acero Camara Fedemetal / Andi. http://www.andi.com.co/pages/comun/infogeneral.aspx?Id=27&Tipo=2
Hasta el momento, la regulación de los precios en el mercado ha logrado que los precios a nivel mundial se mantengan estables, y relativamente similares en todo el mundo, tanto en América Latina, como en Turquía y en la Organización de Estados Independientes (Antes Repúblicas Soviéticas). El precio de una tonelada de barras de refuerzo, hoy en día, en el mercado mundial, se encuentra entre 600 y 700 USD FOB (FOB es una cláusula de comercio internacional, que se utiliza 97
para operaciones de compraventa en que el transporte de la mercancía se realiza por barco). Sin embargo, a lo largo de la historia reciente, América Latina y Turquía han sido los mercados con mayor precio de venta de esta variedad de aceros.
Gráfico 13 Camara Fedemetal / Andi. http://www.andi.com.co/pages/comun/infogeneral.aspx?Id=27&Tipo=2
Al igual que con las barras de refuerzo, actualmente, los precios se mantienen estables a nivel mundial. Hoy en día, esta variedad de acero tiene un precio de venta un poco más elevado en Turquía. Este producto es alambrón fabricado a partir de laminación en caliente en medio y alto carbono. Por sus características puede ser sometido al proceso de trefilación, estiramiento mecánico, obteniendo propiedades específicas para usos en la industria de la construcción y metalmecánica. En Abril del presente año, el precio en el mercado internacional del alambre Mesh varió entre los 500 y los 700 USD FOB (FOB es una cláusula de comercio 98
internacional, que se utiliza para operaciones de compraventa en que el transporte de la mercancía se realiza por barco).
Gráfico 14 Camara Fedemetal / Andi. http://www.andi.com.co/pages/comun/infogeneral.aspx?Id=27&Tipo=2
Respecto a planos en caliente, el precio a nivel mundial fluctúa de acuerdo al origen de la producción. En China, el precio de venta es el más alto de todo el mundo, hablando de esta variedad de acero. En América Latina y en Turquía los precios son similares, llegando casi a los 600 USD FOB por tonelada métrica. Este acabado del acero puede ser usado en la fabricación de tuberías no estructurales, en la ornamentación y en la fabricación de auto-partes y carrocerías. Acerías Paz del Rio es fabricante, en Colombia, de este tipo de aceros acabados.
99
8.8.
TIPO DE PROCESO DEL ACERO EN COLOMBIA
Tipo de proceso del acero en Colombia año 2009 28.5
Lingotes (%) Colada continua (%) 71.3
Gráfico 15 Tipo de proceso del acero en Colombia año 2009 http://www.worldsteel.org/?action=publicationdetail&id=104
Hornos utilizados para la producción de acero en Colombia 2009 29.4
Hornos básicos oxigeno (%) Hornos electricos (%) 70.6
Gráfico 16 Hornos utilizados para la producción de acero en Colombia 2009
http://www.worldsteel.org/?action=publicationdetail&id=104
100
8.9.
IMPORTACIONES EN COLOMBIA
Tabla 7 Importaciones Colombia. http://www.andi.com.co/pages/comun/infogeneral.aspx?Id=27&Tipo=2
Colombia es un país que no ha logrado autoabastecerse con su producción de acero, por lo que ha necesitado incursionar en otros mercados, para poder importar, o comprarle a otras industrias ubicadas en el exterior, el acero necesario para desarrollar todas las actividades en el país. La tabla anterior nos muestra el comportamiento de las importaciones durante el año 2008, y podemos detallar que las industrias colombianas, gastaron alrededor de COP$2.700.000.000 (COP se refiere a pesos colombianos) en el transcurso de todo el 2008, solamente en siderurgia y manufacturas de acero. Así como también analizamos las importaciones del acero, también notamos en la tabla anterior que ha habido un incremento en la importación de maquinas, aparatos y artefactos mecánicos, lo cual nos podría ayudar a concluir que las empresas siderúrgicas en Colombia le apuestan a aumentar la producción, al aumentar la maquinaria disponible.
101
Nuestros principales proveedores de acero, es Venezuela, con más de 35 mil toneladas, solamente en Enero del presente año. La activación de la economía con los países orientales ha llevado a que Japón sea nuestro tercer principal proveedor de aceros, así como también podemos resaltar la presencia de Corea del Sur y China, ambos países orientales, en los principales 10 proveedores de acero para Colombia.
Gráfico 17 Origen importaciones en Colombia 2010 http://www.andi.com.co/pages/comun/infogeneral.aspx?Id=27&Tipo=2
102
8.10. EXPORTACIONES EN COLOMBIA
Tabla 8 Importaciones Colombia, Cámara Fedemetal / Andi. http://www.andi.com.co/pages/comun/infogeneral.aspx?Id=27&Tipo=2
Fiel reflejo de nuestras necesidades, nuestras exportaciones están muy debajo de nuestras importaciones, y eso se debe a la baja producción de acero en Colombia, que no logra siquiera satisfacer el mercado interno. Aproximadamente COP$600.000.000 (COP es la sigla internacional usada para referirse a pesos colombianos) se obtuvieron debido a las exportaciones (Siderurgia y Manufacturas de acero) en el año 2008, aunque, respecto a los dos años anteriores, muestra un alza significativa, pues en el año 2007 tan solo se obtuvieron COP$450.000.000 aproximadamente gracias a las exportaciones de la siderurgia y las manufacturas de acero. Colombia, a pesar de sus inconvenientes de tecnología, está tratando cada día de competir con mercados, y en especial, con mercados no explorados por el país, ya que así pueden generar nexos ms fuertes con empresas que ayuden a la solidificación de las exportaciones. Los principales países destino de las exportaciones de las industrias siderúrgicas y de manufactura del acero en Colombia, en el año 2010: 103
Gráfico 18 Exportaciones siderurgia en Colombia
http://www.andi.com.co/pages/comun/infogeneral.aspx?Id=27&Tipo=2
Gráfico 19 Exportaciones metalmecánicas
http://www.andi.com.co/pages/comun/infogeneral.aspx?Id=27&Tipo=2
104
8.11.
PRINCIPALES SECTORES METALMECÁNICOS Y PRODUCTOS MÁS IMPORTANTES EN COLOMBIA
Gráfico 20Sectores metalmecánicos
http://www.andi.com.co/pages/comun/infogeneral.aspx?Id=27&Tipo=2
105
Gráfico 21 Principales productos en Colombia
http://www.andi.com.co/pages/comun/infogeneral.aspx?Id=27&Tipo=2
8.12. PARTICIPACIÓN Y VARIABLES IMPORTANTES DEL SECTOR EN COLOMBIA
Tabla 9 Participación y variables del sector, Cámara Fedemetal / Andi. http://www.andi.com.co/pages/comun/infogeneral.aspx?Id=27&Tipo=2
106
8.13. BALANZA COMERCIAL DEL SECTOR EN COLOMBIA
(EXPORTACIONES – IMPORTACIONES) Gráfico 22 Balanza comercial histórica
http://www.andi.com.co/pages/comun/infogeneral.aspx?Id=27&Tipo=2
Como se ha venido estableciendo, Colombia es un país que puede ser considerado como un país importador, refiriéndose al sector siderúrgico y metalmecánico. A lo largo de la historia, podemos observar que ha sido mucho mayor la importación que la exportación, y jamás Colombia, en los últimos 14 años plasmados en la grafica, ha logrado exportar, más que importar. En general, a medida como crece la demanda del acero en Colombia, crecen también las exportaciones, y eso solo se debe a la clase de material que es exportado, y que no satisface las necesidades del mercado nacional. A continuación, la balanza comercial por rubro y la balanza comercial de los últimos años.
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Gráfico 23 Balanza comercial, rubro. Cámara Fedemetal / Andi. http://www.andi.com.co/pages/comun/infogeneral.aspx?Id=27&Tipo=2
Gráfico 24 Balanza comercial por sector. http://www.andi.com.co/pages/comun/infogeneral.aspx?Id=27&Tipo=2
108
8.14. CONSUMO DEL ACERO EN COLOMBIA
Tabla 10 Comsumo de acero aparente en Colombia. Articulo Aceros Ferrasa. http://ferrasa.com.co/corporativo/el-mundo-del-acero/colombia-como-protagonista
El consumo aparente de Colombia representa el 8% del consumo aparente de América Latina, siendo Brasil el país de mayor consumo (58%), seguido de Argentina (12%) y Venezuela (10%). De otro lado, el consumo per cápita de acero en Colombia es uno de los más bajos de Latinoamérica, en el 2008 fue de 69 Kg por habitante mientras que en la región en promedio es de 98 Kg por año y en países como Chile es de 162 Kg/Habitante, en Brasil es de 124 Kg/Habitante, en Argentina e 120 Kg/Habitante y en Venezuela es de 118 Kg/Habitante.
109
Tabla 11 Consumo de acero aparente América Latina. Articulo Aceros Ferrasa. http://ferrasa.com.co/corporativo/el-mundo-del-acero/colombia-como-protagonista
USO APARENTE DEL ACERO (CIENTOS DE TONELADAS) Cientos de toneladas (100 Ton)
600000 Argentina
500000
Brazil Chile
400000
Colombia 300000
Venezuela Peru
200000
Mexico 100000 0 1998
United States China 2000
2002
2004
2006
Gráfico 25 Uso aparente del acero (cientos de toneladas) http://www.worldsteel.org/?action=publicationdetail&id=104
110
2008
2010
Uso aparente del acero en Colombia Cientos de toneladas (100 Ton)
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 1998
2000
2002
2004
2006
2008
2010
Gráfico 26 Uso aparente del acero en Colombia (cientos de toneladas) http://www.worldsteel.org/?action=publicationdetail&id=104
Uso aparente del acero en América Latina Cientos de toneladas (100 Ton)
30000 25000
Argentina Brazil
20000
Chile 15000
Colombia Venezuela
10000
Peru 5000 0 1998
Mexico
2000
2002
2004
2006
2008
2010
Gráfico 27 Uso aparente del acero en América Latina (cientos de toneladas)
http://www.worldsteel.org/?action=publicationdetail&id=104
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Consumo aparente del acero per capita 1400 1200 Kilogramos per capita
Brazil 1000
Chile Colombia
800
Venezuela 600
United States China
400
South Korea 200
Czech Republic
0 1998
2000
2002
2004
2006
2008
2010
Gráfico 28 Consumo aparente per cápita http://www.worldsteel.org/?action=publicationdetail&id=104
Consumo aparente per capita del acero en América Latina Kilogramos per capita
500
Argentina
400
Brazil
300
Chile
200
Colombia Paraguay
100 0 1998
Peru 2000
2002
2004
2006
2008
Gráfico 29 Consumo aparente per cápita América Latina. http://www.worldsteel.org/?action=publicationdetail&id=104
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2010
Venezuela
Consumo aparente per capita del acero (Relación entre mayores consumidores) 1400
Kilogramos per capita
1200 1000 800
China South Korea
600
Czech Republic 400 200 0 1998
2000
2002
2004
2006
2008
Gráfico 30 Consumo aparente per cápita, mayores consumidores. http://www.worldsteel.org/?action=publicationdetail&id=104
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2010
9. SEGURIDAD E HIGIENE INDUSTRIAL EN LA INDUSTRIA DEL HIERRO Y EL ACERO
9.1.
RIESGOS
9.1.1. Accidentes En la industria del hierro y el acero, se transforman y transportan grandes cantidades de material utilizando enormes equipos en la mayoría de las industrias. Normalmente, las acerías aplican complejos programas de salud y seguridad para reducir los riesgos en un entorno que puede resultar implacable. Para controlar los riesgos suele ser necesario un enfoque integrado que combine prácticas técnicas y de mantenimientos adecuados, procedimientos de trabajo seguros, formación laboral y el empleo de equipos de protección personal (EPP). En muchos puntos del proceso de fabricación del acero pueden producirse quemaduras: delante del horno, durante el sangrado, por metal fundido o escoria; por derrames, salpicaduras o explosiones de metal caliente de crisoles o cubas durante su transformación, colada (vertido) o transporte; y por contacto con el metal caliente mientras se está formando el producto final. El agua retenida por el metal fundido o la escoria puede generar fuerzas explosivas que hagan saltar metal o material caliente en una amplia zona. Introducir una herramienta húmeda en el metal fundido también puede provocar violentas explosiones. El transporte mecánico es fundamental en la fabricación de hierro y acero, pero expone a los trabajadores a un riesgo de atropello o aplastamiento. En casi todas las zonas de las acerías hay puentes-grúa. Además, en la mayoría de las grandes plantas se utilizan mucho los equipos de vía fija y grandes tractores industriales para el transporte de materiales. Un aspecto fundamental de los programas de seguridad de uso de grúas es impartir una formación que garantice el correcto manejo de la grúa y una fijación segura de las cargas; una buena comunicación y utilización de las señas manuales normalizadas entre los conductores de las grúas y quienes preparan la carga para evitar heridas provocadas por movimientos inesperados de las grúas; programas de inspección y mantenimiento de piezas de grúas, aparejos, eslingas y ganchos para evitar que se caigan las cargas; y medios seguros de acceso a las grúas para evitar caídas y accidentes en las vías transversales.
114
Los programas de seguridad para vías férreas también requieren una buena comunicación, especialmente durante las operaciones de desvío y acoplamiento, a fin de evitar que algún trabajador quede atrapado entre vagones. Es fundamental mantener una distancia de seguridad adecuada para el paso de grandes tractores industriales y otros equipos y evitar arranques y movimientos inesperados a fin de eliminar los riesgos de atropello y aplastamiento de los operarios de los equipos, los peatones y los operarios de otros vehículos. También es necesario implantar programas de inspección y mantenimiento de las zonas de paso y de los aparatos de seguridad de los equipos. El orden y la limpieza son la piedra angular de la seguridad en las plantas siderúrgicas y las acerías. Los suelos y zonas de paso pueden quedar rápidamente obstruidos por materiales y útiles capaces de provocar tropiezos. Se utilizan grandes cantidades de grasas, aceites y lubricantes que, si se derraman, pueden provocar fácilmente resbalones en las superficies de paso o de trabajo. Las herramientas sufren un desgaste muy grande y se deterioran rápidamente, lo que hace peligroso su uso. Aunque la mecanización ha disminuido notablemente el número de operaciones manuales en esta industria, todavía se producen en muchas ocasiones problemas de carácter ergonómico. Las partes afiladas de los motores o las rebabas de los productos de acero o bandas metálicas pueden provocar laceraciones y pinchazos a los trabajadores encargados de las operaciones de acabado, expedición y manipulación de chatarra. A fin de eliminar el riesgo de este tipo de lesiones se suelen utilizar muñequeras y guantes anticortes. Los programas de protección ocular son especialmente importantes en las acerías y plantas siderúrgicas. En muchas zonas existe el riesgo de que entren cuerpos extraños en los ojos, especialmente en las operaciones de manipulación de materias primas y acabado del acero, que comprende labores de amolado, soldadura y quema. El mantenimiento programado es especialmente importante para prevenir accidentes. Su finalidad es garantizar la eficiencia de los equipos y mantener las defensas en perfecto estado, porque un fallo puede provocar accidentes. También es muy importante atenerse a las prácticas y normas de seguridad por la complejidad, dimensiones y velocidad de los equipos y maquinaria de proceso.
9.1.2. Intoxicación por monóxido de carbono Los altos hornos, los convertidores y los hornos de coque producen grandes cantidades de gases durante la fabricación de hierro y acero. Una vez separado el polvo, estos gases se emplean como combustible en las distintas instalaciones, y 115
una parte se suministra a industrias químicas para su utilización como materia prima. Estos gases contienen una gran cantidad de monóxido de carbono (el gas de altos hornos del 22 al 30 %; el gas de hornos de coque del 5 al 10 %; y el gas de convertidores del 68 al 70 %). A veces se producen emanaciones o fugas de monóxido de carbono por los tragantes o las cubas de los altos hornos o por las muchas tuberías de gas existentes en el interior de las instalaciones, provocando de forma accidental intoxicaciones agudas por monóxido de carbono. La mayoría de las intoxicaciones se producen mientras se trabaja en las inmediaciones de los altos hornos, especialmente durante las reparaciones. En las acerías o plantas de laminación también pueden producirse intoxicaciones por gases desprendidos de válvulas o depósitos estancos; por la parada repentina de equipos soplantes, cuartos de calderas o ventiladores; por fugas; por no ventilar o purgar correctamente las cubas, tuberías o equipos de proceso antes de empezar a trabajar; y durante el cierre de válvulas de tuberías.
9.1.3. Polvo y vapores Durante la fabricación de hierro y acero se generan polvo y vapores en muchos puntos. Se encuentran en los procesos de preparación, especialmente la sinterización, delante de los altos hornos y hornos acereros y en la fabricación de lingotes. El polvo y los vapores derivados del mineral de hierro o de metales ferrosos no provocan fácilmente fibrosis pulmonar y la neumoconiosis es infrecuente. Se cree que algunos tipos de cáncer de pulmón están relacionados con los productos cancerígenos que contienen las emisiones de los hornos de coque. Los densos vapores emitidos por las lanzas de oxígeno y por el uso de oxígeno en los hornos de hogar abierto pueden afectar especialmente a los operarios de grúas. La exposición a sílice representa un riesgo para los trabajadores encargados de la colocación y reparación de los revestimientos de altos hornos y hornos acereros y sus cubas, compuestos de materiales refractarios que pueden contener hasta un 80 % de sílice. Los crisoles van revestidos de ladrillos refractarios o de sílice triturada y aglomerada, y estos revestimientos requieren una reparación frecuente. La sílice de los materiales refractarios está parcialmente presente en forma de silicatos, que no causan silicosis, sino más bien neumoconiosis. Los trabajadores rara vez se ven expuestos a nubes densas de polvo. Los aditivos de aleación para los hornos de fabricación de aceros especiales conllevan a veces posibles riesgos de exposición al cromo, manganeso, plomo y cadmio.
116
9.1.4. Riesgos diversos Las tareas que se realizan en el tragante como parte de las operaciones de coquización, delante de los altos hornos como parte del proceso siderúrgico y las operaciones de moldeo de lingotes y de colada continua que se realizan delante del horno como parte de la fabricación del acero requieren todas ellas intensas actividades en un ambiente caluroso. Deberán implantarse programas de prevención de las indisposiciones debidas al calor. Los hornos pueden producir resplandores que pueden lesionar los ojos a menos que se disponga de una protección ocular adecuada. Las operaciones manuales, como el revestimiento del horno con ladrillos y la vibración de manos y brazos que produce el uso de desbarbadoras y rectificadoras, pueden provocar problemas ergonómicos. Las instalaciones de soplado, las de oxígeno, los ventiladores para descarga de gases y los hornos eléctricos de alta potencia pueden ocasionar un deterioro auditivo. Hay que proteger a los operarios de los hornos aislándolos del foco de ruido por medio de material insonorizante o facilitándoles cabinas insonorizadas. También puede resultar eficaz reducir el tiempo de exposición.
9.2.
MEDIDAS DE SALUD Y SEGURIDAD
9.2.1. Organización de la seguridad La organización de la seguridad es de primordial importancia en la industria del hierro y el acero, ya que en ella la seguridad depende en gran medida de la reacción de los trabajadores ante los posibles peligros. La primera responsabilidad de la dirección es crear unas condiciones físicas lo más seguras posible, pero suele ser necesario conseguir la cooperación de todos en los programas de seguridad. Los comités de prevención de accidentes, los delegados de seguridad de los trabajadores, los incentivos a la seguridad, los concursos, los programas de sugerencias, y los lemas y letreros de advertencia pueden desempeñar un importante papel en los programas de seguridad. Hacer que todo el personal participe en ejercicios de evaluación de riesgos, observación de comportamientos y retroinformación puede favorecer actitudes positivas ante la seguridad y orientar las actividades de los grupos de trabajo dedicados a evitar lesiones y enfermedades. Las estadísticas de accidentes ponen de relieve las áreas de peligro y la necesidad de mejorar la protección física e insistir más en el orden, la limpieza y el 117
mantenimiento. Permiten determinar la validez de las distintas prendas de protección y comunicar sus ventajas a los trabajadores afectados.
9.2.2. Formación La formación debe comprender información sobre riesgos, métodos de trabajo más seguros, evitación de riesgos y utilización de EPP. Si se introducen nuevos métodos o procesos, puede ser necesario re-adiestrar incluso a aquellos trabajadores con mayor experiencia en los tipos de hornos más antiguos. Los cursos de formación y perfeccionamiento para todos los niveles de personal son especialmente valiosos. Dichos cursos deberán servir para familiarizar al personal con los métodos de trabajo más seguros, los actos inseguros que es preciso evitar, las normas de seguridad y las principales disposiciones legales en materia de prevención de accidentes. Los cursos de formación deberán estar dirigidos por especialistas y utilizar medios audiovisuales eficaces. Se organizarán contactos o reuniones periódicas de seguridad para que todo el personal refuerce su formación y concienciación en la materia. 9.2.3. Medidas técnicas y administrativas Todas las partes peligrosas de la maquinaria y los equipos, incluidos los ascensores, transportadores, árboles de largo recorrido y engranajes de puentesgrúa, deberán estar bien protegidas. Es necesario organizar un sistema regular de inspección, comprobación y mantenimiento para todas las máquinas y equipos de la instalación, especialmente grúas, aparejos, cadenas y ganchos. Deberá existir un programa eficaz de identificación y bloqueo de las máquinas y equipos que precisen mantenimiento o reparación. Los aparejos defectuosos deberán desecharse. Se marcarán claramente las cargas de trabajo seguras y se guardarán ordenadamente los aparejos que no se utilicen. Siempre que sea posible, se accederá a los puentes-grúa por una escalera. Si es preciso utilizar una escalerilla, se zunchará a intervalos. Se tomarán medidas eficaces para limitar el recorrido de los puentes-grúa cuando haya personas trabajando en sus inmediaciones. Puede que sea necesario, tal como exige la ley en ciertos países, instalar un aparellaje adecuado para evitar colisiones si dos o más grúas se desplazan por los mismos carriles. Las locomotoras, vías, vagonetas, bogies y enganches deberán ser de diseño adecuado y mantenerse en buen estado, y se dispondrá de un sistema eficaz de señalización y alarma. Estará prohibido subirse a los enganches o pasar entre vagones. No deberá realizarse tarea alguna sobre las vías de equipos ferroviarios 118
si no se han tomado medidas para restringir el acceso o el movimiento de los equipos. Es necesario actuar con mucho cuidado en las instalaciones de almacenamiento de oxígeno. El suministro a las distintas dependencias de la planta deberá realizarse por tuberías e identificarse claramente. Todas las lanzas se mantendrán limpias. Existe una necesidad continua de orden y limpieza. Las caídas y tropiezos en zonas obstruidas o provocados por dejar útiles y herramientas tirados de forma descuidada no sólo pueden producir lesiones, sino que pueden hacer caer a una persona contra material caliente o fundido. Hay que apilar todos los materiales cuidadosamente y disponer estanterías, adecuadamente situadas, para guardar las herramientas. Todo derrame de grasa o aceite deberá limpiarse inmediatamente. La iluminación de todas las zonas de los talleres y las defensas de las máquinas deberán ser de la mejor calidad. 9.2.4. Higiene industrial Es necesaria una buena ventilación general en toda la planta y ventilación por extracción localizada (VEL) en las zonas en que se generen cantidades importantes de polvo y vapores o puedan producirse desprendimientos de gases, todo ello con el máximo nivel posible de orden y limpieza. Los equipos de gas deberán inspeccionarse periódicamente y estar bien conservados para evitar posibles fugas. Siempre que haya que realizar un trabajo en un ambiente que pueda contener gases, se utilizarán detectores de monóxido de carbono para garantizar la seguridad. Cuando sea imprescindible trabajar en una zona peligrosa, se emplearán respiradores independientes o con alimentación de aire. Es necesario que las botellas de oxígeno se encuentren siempre en perfectas condiciones de uso y los operarios estén perfectamente adiestrados para utilizarlas. A fin de mejorar el ambiente de trabajo, se instalará ventilación forzada que suministre aire fresco. Pueden emplazarse ventiladores locales para aliviar a los trabajadores, especialmente en lugares de trabajo calurosos. Es posible conseguir una buena protección contra el calor instalando pantallas aislantes entre los trabajadores y los focos de calor, como los hornos o el metal caliente, disponiendo cortinas de agua o de aire delante de los hornos o colocando telas metálicas termorresistentes. La mejor protección para los trabajadores de los hornos es un traje de material termorresistente provisto de capucha y de un aparato de respiración con conducciones de oxígeno. Como el trabajo en los hornos es sumamente caluroso, también pueden conectarse al traje conducciones de enfriamiento. Es esencial establecer mecanismos que proporcionen un tiempo de enfriamiento antes de entrar en los hornos. La aclimatación comprende el ajuste natural del contenido de sal del sudor corporal. La incidencia de las afecciones debidas al calor puede reducirse mucho 119
ajustando la carga de trabajo y estableciendo períodos de descanso bien espaciados, especialmente si estos últimos se pasan en una habitación fría, con aire acondicionado si es necesario. Como paliativo, deberá proporcionarse agua en abundancia y otras bebidas adecuadas y garantizar la posibilidad de ingerir comidas ligeras. Las bebidas no deberán estar excesivamente frías y se indicará a los trabajadores que no beban demasiado líquido frío de una sola vez; durante las horas de trabajo es preferible consumir comidas ligeras. En los trabajos que provocan mucho sudor es necesario reponer la sal perdida y la mejor manera de conseguirlo es aumentar la ingestión de sal con las comidas normales. En climas fríos, hay que evitar los efectos perjudiciales de una exposición prolongada al frío o a cambios de temperatura repentinos y violentos. Es preferible que la cantina, los aseos y los sanitarios estén cerca. Las instalaciones de aseo deberán disponer de duchas y de vestuarios y armarios en condiciones de limpieza e higiene. Siempre que sea posible, se aislarán los focos de ruido. Los cuadros centrales de mando a distancia permiten reducir el número de operarios en las zonas ruidosas; en las peores zonas será necesario utilizar protecciones auditivas. Además de cerrar la maquinaria ruidosa con material insonorizante o proteger a los trabajadores con barreras antirruido, los programas de protección auditiva han demostrado ser medios eficaces para controlar las pérdidas auditivas.
9.2.5. Ergonomía
El enfoque ergonómico (es decir, la investigación de la relación trabajadormáquina-ambiente) es de especial importancia en determinadas operaciones de la industria del hierro y el acero. Hay que realizar un estudio ergonómico adecuado no sólo para investigar las condiciones existentes mientras un trabajador está realizando diversas operaciones, sino también para explorar el efecto de las condiciones ambientales sobre el trabajador y el diseño funcional de la maquinaria utilizada.
9.3.
CUESTIONES AMBIENTALES Y DE SALUD PÚBLICA
AMBIENTALES Y DE SALUD PUBLICA Debido al gran volumen y complejidad de las operaciones y al elevado consumo de energía y materias primas, la industria del hierro y el acero, al igual que otras industrias ―pesadas‖, puede tener importantes repercusiones para el medio ambiente y la población de las comunidades vecinas. 120
Históricamente, las investigaciones sobre las repercusiones de la industria del hierro y el acero para la salud pública se han centrado en los efectos localizados en áreas densamente pobladas, y especialmente en regiones concretas donde se registraron episodios graves de contaminación del aire, como en los valles de Donora y Meuse y en el triángulo comprendido por Polonia, la antigua Checoslovaquia y la antigua República Democrática Alemana (OMS 1992).
9.3.1. Contaminantes atmosféricos Los contaminantes procedentes de las operaciones de fabricación de hierro y acero han constituido un problema ecológico desde siempre. Entre ellos se encuentran sustancias gaseosas como óxidos de azufre, dióxido de nitrógeno y monóxido de carbono. Además, las partículas de hollín y polvo, que pueden contener óxidos de hierro, han sido el principal objeto de control. Las emisiones de los hornos de coque y de las plantas de recuperación de los subproductos de hornos de coque han sido problemáticas, pero las constantes mejoras en la tecnología de fabricación del acero y en el control de las emisiones durante los dos últimos decenios, junto con reglamentaciones gubernamentales más restrictivas, han reducido significativamente su volumen en Norteamérica, Europa occidental y Japón. Se ha estimado que los costes totales del control de la contaminación, más de la mitad de los cuales están relacionados con las emisiones atmosféricas, oscilan entre el 1 y el 3 % de los costes totales de producción; las instalaciones de control de la contaminación atmosférica constituyen aproximadamente de un 10 a un 20 % de las inversiones totales de las plantas. Estos costes representan una barrera para la aplicación global de controles de tecnología punta en los países en desarrollo y en las empresas más antiguas, económicamente marginales. Los contaminantes atmosféricos varían dependiendo del proceso, el diseño técnico y la construcción de la planta, de las materias primas empleadas, de las fuentes y las cantidades de energía necesarias, del grado de reciclaje de los productos de desecho dentro del proceso y de la eficiencia de los controles anticontaminantes. Por ejemplo, la introducción de la fabricación de acero con inyección de oxígeno ha permitido recuperar y reciclar los gases residuales de forma controlada, reduciendo las cantidades aspiradas al exterior, mientras que el proceso de colada continua ha disminuido el consumo de energía y, por tanto, las emisiones. De este modo, se ha aumentado el rendimiento del producto y mejorado la calida
121
9.4.
DIAGRAMA DE FLUJOS DE CONTAMINANTES Y RESIDUOS
122
9.4.1. Dióxido de azufre La cantidad de dióxido de azufre, que se forma principalmente en los procesos de combustión, depende fundamentalmente del contenido de azufre del combustible fósil empleado. Tanto el coque como los gases de los hornos de coque utilizados como combustibles son importantes focos de dióxido de azufre. En el ambiente, el dióxido de azufre puede reaccionar con los radicales del oxígeno y con el agua para formar un aerosol de ácido sulfúrico y, en combinación con amoníaco, puede formar un aerosol de sulfato de amonio. Los efectos para la salud atribuidos a los óxidos de azufre no sólo se deben al dióxido de azufre sino también a su tendencia a formar estos aerosoles respirables. Además, el dióxido de azufre puede adsorberse en partículas, muchas de las cuales se encuentran en el rango respirable. Es posible reducir las exposiciones no sólo empleando combustibles con un bajo contenido en azufre sino también reduciendo la concentración de las partículas. El uso de los hornos eléctricos ha reducido las emisiones de óxidos de azufre al eliminar la necesidad del coque, pero no se ha hecho más que pasar la responsabilidad del control de la contaminación a las plantas generadoras de electricidad. La desulfuración de los gases de los hornos de coque se consigue eliminando los compuestos de azufre reducidos, principalmente el sulfuro de hidrógeno, antes de la combustión. 9.4.2. Óxidos de nitrógeno Al igual que los óxidos de azufre, los óxidos de nitrógeno, principalmente el óxido de nitrógeno y el dióxido de nitrógeno, se forman en procesos de combustión de combustible. Reaccionan con el oxígeno y con los compuestos orgánicos volátiles (COV) en presencia de radiación ultravioleta (UV) para formar ozono. También se combinan con el agua para formar ácido nítrico, que a su vez se combina con el amoníaco para formar nitrato de amonio. Pueden formar aerosoles respirables que se eliminan del ambiente mediante deposición húmeda o seca. 9.4.3. Partículas Las partículas, la forma más visible de contaminación, constituyen una mezcla compleja y variable de materiales orgánicos e inorgánicos. El polvo puede ser aventado de montones de mineral de hierro, carbón, coque y caliza, o puede pasar al aire durante su carga y transporte. Los materiales gruesos generan polvo por frotamiento o al ser machacados por vehículos. Las partículas finas se generan en los procesos de sinterización, fundición y licuefacción, especialmente cuando el hierro fundido entra en contacto con el aire para formar óxido de hierro. Los hornos de coque producen emisiones de finas partículas de coque y alquitrán.
123
Sus posibles efectos para la salud dependen del número de partículas que se encuentren en el rango respirable, de la composición química del polvo y de la duración y concentración de la exposición. Se han registrado importantes logros en la reducción de los niveles de contaminación por partículas. Por ejemplo, una acería alemana instaló precipitadores electrostáticos para limpiar los gases residuales secos producidos en la fabricación de acero con inyección de oxígeno y consiguió bajar el nivel de polvo emitido de 9,3 kg/t de acero en bruto en 1960 a 5,3 kg/t en 1975 y algo menos de 1 kg/t en 1990. 9.4.4. Metales pesados Un horno puede emitir metales como cadmio, plomo, zinc, mercurio, manganeso, níquel y cromo en forma de polvo, humos o vapores, o pueden ser adsorbidos por partículas. Los efectos para la salud, dependen del nivel y duración de la exposición. 9.4.5. Emisiones orgánicas Las emisiones orgánicas de las principales operaciones de fabricación del acero incluyen: benceno, tolueno, xileno, disolventes, hidrocarburos PAH, dioxinas y fenoles. La chatarra de acero utilizada como materia prima puede contener varias de estas sustancias, dependiendo de su origen y de la forma en que se utilizase (p. ej., pintura y otros revestimientos, otros metales y lubricantes). No todos estos contaminantes orgánicos son capturados por los sistemas depuradores de gases convencionales. 9.4.6. Radiactividad En los últimos años, se han registrado casos de inclusión inadvertida de materiales radiactivos en la chatarra de acero. Las propiedades fisicoquímicas de los nucleidos (p. ej., temperaturas de fusión y ebullición y afinidad al oxígeno) determinarán lo que ocurrirá en el proceso de fabricación del acero. Su cantidad puede ser suficiente para contaminar los productos de acero, los subproductos y los distintos tipos de desechos, por lo que se requieren costosos métodos de limpieza y vertido. También existe la posibilidad de que se contaminen los equipos de fabricación, lo que acarrearía la exposición de los trabajadores. Sin embargo, en muchas operaciones se han instalado detectores sensibles a la radiación para inspeccionar toda la chatarra de acero que se compra. 9.4.7. Dióxido de carbono Aunque no produce efecto alguno sobre la salud humana ni los ecosistemas a los niveles atmosféricos normales, el dióxido de carbono es importante por su contribución al ―efecto invernadero‖, que se asocia al calentamiento global. La 124
industria del acero es una importante generadora de dióxido de carbono, más por el empleo del carbón como agente reductor en la producción de hierro a partir de mineral de hierro que por su uso como fuente de energía. En 1990, las emisiones de dióxido de carbono de la industria del hierro y el acero se habían reducido al 47 % de los niveles existentes en 1960 gracias a diversas medidas encaminadas a reducir el porcentaje de coque en los altos hornos, recuperar el calor residual y ahorrar energía. 9.4.8. Ozono El ozono, un importante componente del ―smog” atmosférico cerca de la superficie de la tierra, es un contaminante secundario formado en el aire por la reacción fotoquímica de la luz del sol sobre los óxidos de nitrógeno, facilitada en distinta medida, en función de su estructura y reactividad, por diversos COV. La principal fuente de precursores del ozono la constituyen los escapes de los automóviles, pero algunos también son generados por las plantas de hierro y acero, así como por otras industrias. A consecuencia de las condiciones topográficas y atmosféricas, la reacción del ozono puede tener lugar a gran distancia de la fuente. 9.5.
CONTAMINANTES DE LAS AGUAS RESIDUALES
Las plantas de acero descargan un gran volumen de agua a ríos, arroyos y lagos, vaporizándose volúmenes adicionales durante el enfriamiento del coque o del acero. Las aguas residuales almacenadas en estanques no herméticos o con fugas pueden filtrarse y contaminar la capa freática y las corrientes subterráneas. Éstas también pueden contaminarse por la lixiviación de las aguas pluviales a través de pilas de materias primas o acumulaciones de residuos sólidos. Entre los contaminantes cabe citar los sólidos en suspensión, los metales pesados y los aceites y grasas. Los cambios de temperatura en las aguas naturales como consecuencia del vertido de aguas de proceso a mayor temperatura (el 70 % de las aguas de proceso se utilizan como medio de enfriamiento) pueden afectar a los ecosistemas. En consecuencia, es esencial aplicar un tratamiento de enfriamiento antes del vertido, lo que puede conseguirse con la tecnología disponible.
9.5.1. Sólidos en suspensión Los sólidos en suspensión (SS) son los principales contaminantes del agua que se descargan durante la producción de acero. Comprenden principalmente óxidos de hierro procedentes de la formación de cascarilla durante el proceso; también puede haber carbón, lodos biológicos, hidróxidos metálicos y otros sólidos. Su presencia a mayores niveles puede dar lugar a la decoloración de las corrientes, la desoxigenación y la sedimentación. 125
9.5.2. Metales pesados Las aguas de proceso de la fabricación de acero pueden contener altos niveles de zinc y manganeso, mientras que los vertidos de las áreas de laminación en frío y revestimientos pueden contener zinc, cadmio, aluminio, cobre y cromo. Estos metales están presentes naturalmente en el entorno acuático, pero su presencia a concentraciones superiores a las normales es preocupante por los posibles efectos para el hombre y los ecosistemas. Esta preocupación se ve aumentada por el hecho de que, a diferencia de muchos contaminantes orgánicos, los metales pesados no se biodegradan en productos finales inocuos y pueden concentrarse en sedimentos y en los tejidos de los peces y demás vida acuática. Además, al combinarse con otros contaminantes (p. ej., amoníaco, compuestos orgánicos, aceites, cianuros, álcalis, disolventes y ácidos), aumenta su toxicidad potencial. 9.5.3. Aceites y grasas Las aguas residuales pueden contener aceites y grasas en formas solubles e insolubles. La mayoría de los aceites y grasas pesados son insolubles y relativamente fáciles de eliminar. Sin embargo, pueden emulsionarse por contacto con detergentes o álcalis o por agitación. Los aceites emulsionados se utilizan como parte del proceso de laminación en frío. Excepto porque provocan decoloración de la superficie del agua, la mayoría de los compuestos oleaginosos alifáticos son inocuos en pequeñas cantidades. Sin embargo, los compuestos oleaginosos aromáticos pueden ser tóxicos. Además, los componentes de los aceites pueden contener sustancias tóxicas como PCB, plomo y otros metales pesados. Aparte de la cuestión de la toxicidad, la demanda biológica y química de oxígeno (BOD y COD) de los aceites y de otros compuestos orgánicos puede reducir el contenido de oxígeno del agua, afectando de este modo a la viabilidad de la vida acuática.
9.6.
RESIDUOS SÓLIDOS
Es posible reutilizar la mayoría de los residuos sólidos producidos en la fabricación de acero. Por ejemplo, el proceso de producción de coque da lugar a derivados del carbón que son materias primas importantes en la industria química. Muchos subproductos (p. ej., coque pulverizado) pueden realimentarse en los procesos productivos. La escoria que se produce cuando las impurezas presentes en el carbón y el mineral de hierro se funden y se mezclan con la cal utilizada como fundente en los procesos de fundición pueden utilizarse de varias maneras: como material de fertilización de suelos áridos, con grava para carreteras y como materia prima para plantas de sinterización para el suministro de altos hornos. El acero, con independencia de su calidad, tamaño, uso o permanencia en servicio, 126
10. CONCLUSIÓN El acero se ha convertido en el material de mayor uso en el área de la construcción, desde grandes edificios, puentes, embarcaciones, sistemas de transporte, tuberías, y estructuras que van más allá de la imaginación del hombre presentan, dentro de su composición, grandes cantidades de este metal, cuyas características nos han permitido dar magnánimos avances en nuestro proceso evolutivo. El proceso de fabricación del acero, ha sufrido de igual manera drásticos cambios a causa de la búsqueda incesante, de una mejora en la calidad de este metal, partiendo desde su manufactura manual por parte de acereros, hasta su producción en grandes cantidades bajo el denominado proceso Bessemer. Son múltiples las necesidades que el hombre debe cubrir dentro del proceso de producción del acero, partiendo, como se mencionó anteriormente, de la idea primaria de ofrecer un producto de calidad que presente todas las ventajas que convierten a este metal en el predilecto para las constructoras, así como el requerimiento de minimizar los costos de producción, una tarea que comenzó desde el instante mismo en que se dio inicio a esta labor, puesto que históricamente el primer obstáculo que impedía la elaboración del acero era justamente el elevado precio que implicaba su manufactura. Así mismo las implicaciones ambientales que esta labor representa se han convertido en los últimos años en una problemática a analizar, para la cual el hombre ha implementado procesos que permiten destinar de manera adecuada todos aquellos residuos no aprovechables que derivan de los procedimientos llevados a cabo en la fabricación del acero. Es Estado Unidos el país que a nivel mundial produce anualmente la mayor cantidad de acero, generando cantidades que superan a las de América del Sur. En nuestro país la producción del acero es una labor que debe contar a futuro con la implementación de modernos procesos que permitan ubicarnos en puestos de prestigio dentro de esta industria, por lo menos en América del Sur, donde actualmente estamos por debajo de países como Brasil. Actualmente es imposible concebir el mundo tal cual como lo conocemos, sin el acero, su utilización se ha convertido en algo cotidiano y somos testigos frecuentemente de las ventajas que representa su uso. Son muchos los beneficios que esta aleación ha traído consigo para el hombre y sin duda alguna serán muchos los años en que seguiremos requiriendo este valioso metal.
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11. BIBLIOGRAFÍA
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