Introducción : En la actualidad, el acero, una forma purificada del mineral del hierro, se ha convertido en uno de los servidores más útiles de la humanidad. La naturaleza proporcionó las materias primas como son: mineral de hierro, el carbón mineral y la piedra caliza y el ingenio humano lo convirtió en un incontable número de productos. El acero puede hacerse lo suficientemente duro como para cortar el vidrio, plegable como el que se encuentra en el sujetapapeles, flexible como el de los muelles, o lo bastante fuerte como para soportar un esfuerzo unitario de 3445 MPa. Puede estirarse para formar alambres de 0.02 mm de espesor o usarse para fabricar vigas gigantescas para construir edificios y puentes. También es posible hacer que el acero sea resistente al calor, al frio, a la oxidación y a la acción de sustancias químicas.
Objetivos : Objetivo general:
Elaborar un escrito informativo informativo sobre el proceso de obtención del hierro y del acero.
Objetivos específicos:
Investigar el proceso de obtención del hierro y del acero. Conceptuar diversos diversos temas relacionados con el proceso de obtención del hierro y del acero. Mencionar principales elementos utilizados utilizados en la producción del hierro y el acero. Destacar la la aplicación de las distintas aleaciones de acero existentes.
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Desarrollo El hierro es un elemento químico de número atómico 26 situado en el grupo 8, periodo 4
de
la tabla
periódica
de
los
elementos.
Su
símbolo
es Fe (del latín fĕrrum) de peso atómico de 55,85 g/mol y punto de fusión de 1536 C. Es el segundo metal más abundante en la corteza terrestre y el cuarto más abundante de todos los elementos. Además, el núcleo de la tierra está formado principalmente por hierro y níquel. El hierro también abunda en todo el universo ya que se han encontrado meteoritos que lo contienen. Obtención del hierro: El hierro se encuentra formando parte de ciertos minerales extraídos de minas entre los que destacan: la hematita, magnetita, limonita, siderita, pirita, ilmenita, entre otros. De los minerales mencionados, los principales de los que se extrae hierro, considerando el porcentaje de concentración del mismo que contienen son los mostrados en la siguiente tabla:
Nota: En la actualidad se usa ampliamente la chatarra como materia prima para la
obtención del hierro y del acero.
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Para la producción del hierro son necesarios 4 elementos fundamentales:
Mineral de hierro
Coque
Piedra caliza
Aire
Procesamiento de las materias Primas Las 3 materias primas se extraen de minas y son transportadas y preparadas antes de ser introducidas al sistema donde se producirá el arrabio. El arrabio es un hierro de poca calidad, su contenido de carbón no está controlado y la cantidad de azufre rebasa los mínimos permitidos en los hierros comerciales. Sin embargo es el producto de un proceso conocido como la fusión primaria del hierro y del cual todos los hierros y aceros comerciales proceden. La caliza, el coque y el mineral de hierro se preparan antes de introducirse al alto horno para que tengan la calidad, el tamaño y la temperatura adecuada. Esto se logra por medio del lavado, triturado y cribado de los tres materiales. El
Coque.
El coque, es el residuo sólido, duro y poroso que resulta después de la destilación destructiva de determinados carbones minerales.
El coque se emplea como agente reductor para la fundición de hierro y como combustible. Tiene un color gris negruzco y un brillo metálico.Sustituyó al carbón vegetal como reductor y fuente de energía en los altos hornos debido a su poder calorífico
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La Piedra Caliza. La piedra caliza es la forma sólida de roca del carbonato de calcio. En la naturaleza, la piedra caliza se forma cuando pequeños fragmentos de roca, coral, conchas y esqueletos de animales marinos minutos caen juntos para formar enormes pilas de sedimentos en el océano. Éstos se comprimen y aglomeran a través de miles de años, creando capas a lo largo del tiempo. Para que una roca se clasifique como piedra caliza, debe contener al menos el 50 por ciento de calcita. Altos Hornos El objetivo de un horno alto es la obtención de arrabio (hierro con un contenido de carbono
entre
2,6% y
6,7%) a
partir de
hierro
mineral
con
impurezas.
El horno se divide en varias partes:
El cuerpo central del horno alto está formado por dos troncos de cono unidos por su base más ancha, que se denomina vientre. La altura del horno puede estar entre los 30 y los 80 metros y y el diámetro máximo entre los 10 m y los 14 m.
La parte interior (denominada etalaje) está hecha de material refractario, y la exterior de acero. Entre ambas pasan los canales de refrigeración.
La parte superior del horno alto se denomina tragante, y está formado por dos tolvas con un sistema de apertura y cierre que permite que no se escapen los gases durante la carga del material.
Este es introducido en el horno en capas alternadas: Una capa formada por mineral de hierro, que ha sido sometido previamente a varios procesos como el lavado y el desmenuzado.
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1. Una capa de carbón de coque, combustible usado para la fusión y reducción del mineral. 2. Una capa de material fundente, formado básicamente por caliza, que arrastra la ganga del mineral y las cenizas para formar la escoria. En la cuba se produce el primer calentamiento. En esta zona se elimina la humedad al mineral y se calcina la caliza, formándose dióxido de carbono y cal. A continuación tiene lugar el proceso de fusión del hierro y de la escoria en el vientre. Bajo el vientre están las toberas, que inyectan el aire necesario para la combustión. Este aire procede de los recuperadores de calor, que aprovechan el calor de los gases de salida del horno para precalentar el aire, lo que permite ahorrar carbón de coque. La forma del etalaje compensa la reducción del volumen de material como consecuencia de su reducción y de la pérdida de materiales volátiles. En esta zona se depositan el hierro y la escoria fundidos. La escoria, al tener menor densidad que el hierro,
queda
flotando
sobre
éste,
evitando
que
se
oxide.
La extracción de la escoria y del hierro se hace por dos orificios en la parte inferior llamados
bigotera
(salida
de
la
escoria)
y
piquera
(salida
de
arrabio)
Una vez iniciado el proceso, los hornos altos solo se apagan para ser reparados.
Descripción de las etapas: En general los altos hornos tienen diámetro mayor a 8 m y llegan a tener una altura superior de los 60 m. Están revestidos de refractario de alta calidad. Los altos hornos pueden producir entre 800 y 1600 toneladas de arrabio cada 24 h. La caliza, coque y el mineral de hierro se introducen por la parte superior del horno por medio de vagones que son volteados en una tolva. Para producir 1000 toneladas de arrabio, se necesitan 2000 toneladas de mineral de hierra, 800 toneladas de coque, 500 toneladas de piedra caliza y 4000 toneladas de aire caliente.
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Con la inyección de aire caliente a 500 °C, se reduce de coque en un 70%. Los sangrados del horno se hacen cada 5 a 6 horas, y por cada tonelada de hierro se produce ½ de escoria. Tipos de hornos
Horno de Oxigeno Básico Horno Eléctrico Horno de Hogar Abierto Horno de Cubilote Horno de Arco electrónico Horno de Refinación Horno de Inducción Horno de aire o Crisol
Horno Siemens-Martin Fue el primer dispositivo que permitió la obtención de acero a través de chatarra. Consiste en un gran horno de reverbero de forma rectangular y techo abovedado capaz de albergar 400 toneladas de material. El revestimiento interior es de carácter básico y dispone de cámaras para el precalentamiento del combustible empleado, que suele ser gas. La carga del material se realiza por la parte superior del horno mediante dispositivos especiales. La carga puede ser arrabio líquido o sólido o arrabio junto a chatarra (hasta un máximo del 70%) y mineral de hierro. En todos los casos se añade cal para la formación y arrastre de la escoria. El proceso de afino consiste en quemar el combustible precalentado en el interior del horno, hasta alcanzar temperaturas de 1800 ºC, temperatura a la cual las impurezas se oxidan y se eliminan, como el monóxido de carbono. Los óxidos de silicio y fósforo son arrastrados por la cal y forman la escoria. Cuando se estima que el contenido de carbono es el adecuado, se añaden los aleantes apropiados y se extrae la colada de acero. Los aceros obtenidos por este procedimiento admiten forja, temple y soldadura. Su principal inconveniente es su elevado consumo energético y en la baja calidad del producto.
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Horno Bessemer-Thomas Se trata de un recipiente metálico basculante de gran tamaño cuyo interior está recubierto de material refractario, y tenía tres fases: 1. Llenado: Se inclina el convertidor para un llenado más fácil del arrabio, procedente del horno alto. 2. Soplado: El horno se pone en posición vertical. Se inyecta aire a presión al arrabio por unos orificios realizados en la parte el fondo. El aire pasa por la masa fundida y oxida el carbono, manganeso y silicio desprendiendo calor y manteniendo la temperatura de fusión del arrabio. 3. Vaciado: Se realizaba una vez quemadas las impurezas. Se inclinaba el convertidor y se vertía el acero en las lingoteras. La principal ventaja de este convertidor era que se podía parar el proceso deteniendo la entrada del aire para obtener aceros con diferentes cantidades de Si, Mn y C. El inconveniente principal era que solo se podía usar con arrabios con bajo contenido en fósforo, ya que éste no era eliminado. La modificación aportada por Thomas fue la de añadir un fundente, la cal, que permitía eliminar el exceso de fósforo. Al finalizar el proceso se vertía primero el acero y posteriormente la escoria. El principal inconveniente de añadir el fundente era que no se podía detener el proceso. Hornos eléctricos Se utilizan para procedimientos de afino. Entre sus ventajas están el rápido calentamiento que permiten, el buen control de la temperatura y la inexistencia de gases combustibles que puedan dar origen a impurezas. El mayor inconveniente es el elevado coste de la energía eléctrica. Mediante estos hornos, aceros especiales muy puros y de alta aleación como los inoxidables. Los hornos eléctricos son:
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1. Horno eléctrico de arco. Recipiente de acero de forma cilíndrica, recubierto en su interior de material refractario y provisto de circuito de refrigeración. La cubierta superior puede separarse para facilitar la carga, y está atravesada por 2 o 3 electrodos de carbón. El horno, una vez cargado con el acero a afinar, se cierra y se hacen saltar potentes altos voltaicos entre el material y los electrodos, alcanzando temperaturas de hasta unos 3800ºC, que permiten fundir materiales de elevado punto de fusión. 2. Horno de inducción: Consiste en un recipiente cilíndrico de altura superior a 4 metros y de diámetro superior a los 7 m. y en su parte exterior lleva una bobina. El interior está recubierto de material refractario. Una vez cargado el material se hace circular una corriente eléctrica de alta frecuencia por la bobina. Esta corriente induce en el interior del material del horno las corrientes de Foucault, que produce un enorme aumento de temperatura capaz de fundirlo. Diagrama de flujo
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Obtención de productos
Obtención de productos por extrusión La extrusión es un proceso utilizado para crear objetos con sección transversal definida. El material se empuja o se extrae a través de un troquel de una sección transversal deseada. Hay varios tipos para la extrusión de productos pero el tipo de extrusión utilizada para el acero es extrusión en caliente debido a que se hace a elevadas temperaturas para evitar el trabajo forzado y hacer más fácil el paso del material a través del troquel. Extrusión en caliente para el acero (1200-1300 grados Celcius) Ventajas sobre un proceso manufacturado: •
Habilidad para crear secciones transversales muy complejas.
•
Las piezas finales se forman con una terminación superficial excelente.
Obtención de productos por laminación
El proceso de laminación consiste en la reducción del espesor de una lámina de metal o de materiales semejantes mediante el cual se le aplica presión.
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Obtención de productos por colada El acero líquido obtenido a través del horno eléctrico o utilizando el convertidor, se solidifica empleando alguno de los siguientes métodos de colada: •
Colada convencional.
Consiste en verter el acero líquido sobre moldes con la forma de la pieza que se desea obtener. Posteriormente se deja enfriar el metal y más tarde extraer la pieza.
•
Colada sobre lingoteras
Se debe solidificar el material en el interior de lingoteras que son moldes prismáticos de fundición con forma troncocónica y sección transversal cuadrada y dejarlo enfriar. Este proceso se realiza cuando la demanda de productos es baja y no tienen salida comercial.
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•
Colada continua.
Consiste en hacer pasar el acero fundido sobre un molde sin fondo ni tapadera, con forma curva y sección transversal con la forma geométrica del producto a obtener. A medida que se va desplazando se va enfriando.
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Obtención Del Acero. El proceso de obtención del acero es un proceso siderúrgico que consta de varios procesos:
Extraer de la mina el mineral de hierro.
Se lava y tritura el mineral para separar la mena de la ganga.
Se mezcla la mena de hierro con carbón de coque y caliza a 1500 C.
Del fondo del alto horno se obtiene un material líquido arrabio y escoria.
El arrabio tiene un alto contenido en carbono que hay que eliminar. Esto se hace en unos recipientes llamados convertidores.
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El Acero. Es un metal compuesto mediante aleaciones fundamentalmente de Hierro y Carbono. En ingeniería metalúrgica, a una aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,03 % y el 1,075 % en peso de su composición, dependiendo del grado. Aleaciones De Acero. El Acero ofrece diferentes resultados en función de la presencia o ausencia de otros metales: la adición de manganeso le confiere una mayor resistencia frente al impacto, el tungsteno, le permite soportar temperaturas más altas.
Elementos de aleación específicos tales como el Cr (Cromo) o Ni (Níquel) se agregan con propósitos determinados. Los Efectos De La Aleación. •
Mayor resistencia y dureza
•
Mayor resistencia al impacto
•
Mayor resistencia al desgaste
•
Mayor resistencia a la corrosión
•
Mayor resistencia a altas temperaturas
•
Penetración de Temple (Aumento de la profundidad a la cual el Acero puede ser endurecido)
En aleación con Aluminio: Actúa como desoxidante para el Acero Fundido y produce un Acero de Grano Fino. Azufre: Normalmente es una impureza y se mantiene a un bajo nivel. Pero al agregarle grandes cantidades (0,06 a 0,30%) para habilidad para ser trabajado mediante cortes de los aceros de aleación y al carbono.
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Boro: Aumenta la templabilidad (la profundidad a la cual un acero puede ser endurecido). Cromo: Aumenta la profundidad del endurecimiento y mejora la resistencia al desgaste y corrosión. Cobre: Mejora la resistencia a la corrosión. Manganeso: Elemento básico en todos los aceros comerciales. Actúa como un desoxidante y también neutraliza los efectos nocivos del azufre, facilitando la laminación, moldeo y otras operaciones de trabajo en caliente. Aumenta también la penetración de temple y contribuye a su resistencia y dureza. Molibdeno: Mejora las propiedades del tratamiento térmico. Aumenta también la dureza y resistencia a altas temperaturas. Níquel: Mejora las propiedades del tratamiento térmico reduciendo la temperatura de endurecimiento y distorsión al ser templado. Al emplearse conjuntamente con el Cromo, aumenta la dureza y la resistencia al desgaste. Silicio: Se emplea como desoxidante y actúa como endurecedor en el acero de aleación. Titanio: Se emplea como un desoxidante y para inhibir el crecimiento granular. Aumenta también la resistencia a altas temperaturas. Tungsteno: Se emplea en muchos aceros de aleación para herramientas, impartiéndoles una gran resistencia al desgaste y dureza a altas temperaturas. Vanadio: Imparte dureza y ayuda en la formación de granos de tamaño fino. Aumenta la resistencia al impacto (resistencia a las fracturas por impacto) y a la fatiga
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Conclusiones
El acero tiende a ser más frágil que el hierre por su contenido de carbono. Se pueden fabricar un sin número de piezas de acero con una forma determinada con los métodos explicados como la extrusión y colada que son los más utilizados Es de suma importancia conocer las diferentes aleaciones con las que puede contar el acero para ser un material optimo en la actividades industriales que se utilice. En la actualidad se usan más que todo los hornos eléctricos para la fundición del acero. Es importante que la materia prima sea procesada de manera muy cuidadosa debido a que de esta dependerá la calidad del material obtenido.
