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07 - Aceros
Año 2017
19/09/2017 Aceros 1
Contenido
• Definiciones• Fabricación del acero• Clasificación
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Definiciones
• Acero: son aleaciones Fe-C, “deformable plásticamente”, con contenido de C menor a 1,9% y que además contiene otros elementos agregados de forma accidental (impurezas) o deliberada(aleantes). (IRAM-IAS U 500-01)
• Steel: a material that conforms to a specification that requires, by
mass percent, more iron than any other element and a maximum
carbon content of generally less than 2. (ASTM A 941)
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Fabricación
Planta de fabricación de acero
Materias primasMineral de hierroCarbónFundentes (caliza, dolomita)ChatarraHierro esponja (HRD)Gas naturalArrabioAire caliente¡¡¡Energía!!!
Producto terminadosLargos: barras, perfiles, alambrónPlanos: chapas, flejeHuecos: caño, tubo
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Productos finalesbarra maciza, perfil, tubo, caño, hojalata, chapa cincada, alambre, cable
Fabricación
Reducción del mineral
Acondicionamiento de la composición química
Solidificación
Conformado(semiterminados y
terminados)
aglomerado de mineral de hierro + C + (H)
Arrabio (Fe – 4%C)Hierro de reducción directa (hierro esponja) (Fe – 1,5%)
ArrabioHierro de reducción directa (hierro esponja)ChatarraO2 + desulfurantes + ArEnergía
Acero líquido con una determinada composición química
Acero líquido con una determinada composición química
Lingote de aceroAcero de colada continua
Lingote de aceroAcero de colada continua
Semiterminadostocho, planchón, llantónpalanquilla, redondoTerminadoschapa fina o gruesa, barra, perfil, tubo, caño, alambrón
19/09/2017
ENTRADAS SALIDAS
Reducción
• Alto horno- más clásico- Alto: ~50 m ~Diámetro de 10 m- C (coke) + aire caliente � CO
(agente reductor)- C � fuente de S- CaCO3 � forma escoria que
elimina SiO2, Al2O3 y otras impurezas
- mayor volumen de producción
• Arrabio- Fe + ~4%C + Mn + Si +
>0,05%S + 0,5%P- líquido (puede colarse)
• Reducción directa- alternativa al alto horno- inversión menor- menor volumen producción- CO o H2 (agentes reductores)- reducción en estado sólido a
600 °C – 1000 °C- gran variedad de tecnología- se utiliza junto con hornos
eléctricos
• Hierro de reducción directa (DRI)- Fe + Fe2O3 + 1,5%C + 0,005-
0,03%S + SiO2 + Al2O3
- Sólido (caliente) � riesgo de oxidación
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Alto horno
Coque
CaCO3
CO, CO2
Fe +4%C +S+P+Mn+SiCaSiO3 y Ca(AlO2)2
Fe2O3
Fe3O4 + impurezas (Al2O3 y SiO2
3Fe2O3(s) + CO(g) � 2F3O4(s) + CO2(g)
Fe3O4 (s) + CO(g) � 3FeO(s) + CO2(g)
FeO(s) + CO(g) � Fe(l) + CO2(g)
7
Reducción directa: Midrex
Utilizado por Tenaris (400.000 t/año) y Acindar (600.000 t/año)
Gas naturalCarbón
pelet briqueta8
Acondicionamiento de la composición química
• Acondicionado del %C � +O2 � CO, CO2
• Acondicionado del %Mn y %Si � +O2 � MnO, SiO2
• Eliminación de impureza � S y P (eliminados con Ca), minerales no reducidos
Ácido � SiO2, P2O5Básico � CaO, MgO
Acondicionamiento de la composición química
• Convertidores Básicos de Oxígeno (BOF)• C, Mn, Si + O2 � energía � no es necesario calentar para
mantener el metal líquido• Revestimiento básico (CaO) � S y P bajos niveles• Materia prima: arrabio líquido + chatarra (25-35%)
Acondicionamiento de la composición química
• ¿Qué función cumple el oxígeno en los convertidores básicos de oxígeno?
• ¿Por qué se denominan “básicos”?
Acondicionamiento de la composición química
• Horno de arco eléctrico
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Acondicionamiento de la composición química
• Horno de arco eléctrico– funde HRD y chatarra– en algunas acerías solo funde chatarra– utiliza energía de un arco eléctrico para fundir– puede estar asistido por la combustión de un
gas – electrodos de grafito
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Acondicionamiento de la composición química
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Acondicionamiento de la composición química
• ¿Qué corriente circula por los electrodos en un horno por arco eléctrico de una acería?
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Acondicionamiento de la composición química
• Metalurgia de cuchara (refinación secundaria)• Del BOF u HE se obtiene un acero base, en esta etapa se alcanza
la composición final del acero– Al � desoxidación (Al2O3) y reductor de grano austenítico (AlN)– Si � desoxidación (SiO2)– Mn � desulfuración (MnS) – Ar � desgasificación (O2, N2, H2)– Vacío � desgasificación (O2, N2, H2)– Ca � tratamiento de inclusiones y desulfuración (CaS)– aleantes (por ejemplo Cr, Ni, Mo, V, Ti, V, Nb)– ajuste de la temperatura
• Es una de las instalaciones más complejas y sofisticadas de la acería
• El diseño es de acuerdo a las necesidades de la planta � “pulmón”entre BOF u HE y el proceso de colada
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Acondicionamiento de la composición química
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Acondicionamiento de la composición química
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Acondicionamiento de la composición química
¿En qué clase de equipo se acondiciona la composición química del arrabio?
1. horno eléctrico2. horno cuchara3. horno BOF4. reactor de reducción directa5. alto horno
Solidificación
• Lingotes– se cuelan cantidades
finitas de material– pueden colarse aceros
efervescentes o calmados– menor inversión – más trabajo intensivo
(confección de moldes)
• Colada continua– se cuela el acero de
manera continua (teóricamente sin limitación)
– no se pueden colar aceros sin desoxidar (efervescentes)
– menor segregación química
– productos más homogéneos
– menor desperdicio por despuntes
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Solidificación
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Ejemplos de fabricación de acero
• http://www.tenaris.com/es-ES/AboutUs/ProductionProcesses.aspx
• http://www.ternium.com.ar/productos-proceso-productivo/
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Preguntas
• ¿Qué productos fabrica...?– Tenaris– Aceros Bragado– Acindar– Siderar– Sidersa
Clasificación
• IRAM-IAS U 500-01 Parte 2, según– composición química– proceso de fabricación– grado de desoxidación– estructura metalográfica– características específicas– conformación por colado
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Clasificación según composición química
• IRAM-IAS U 500-01 Parte 2– acero al carbono (valores menores a los de la tabla)
• de bajo carbono � %C < 0,25• de medio carbono � 0,25 ≤ %C < 0,6• de alto carbono � %C ≥ 0,6
– acero aleado (valores mayores a los de la tabla)• de baja aleación � ∑ %aleantes < 2• media aleación � 2 ≤ ∑ %aleantes < 5• alta aleación � ∑ %aleantes ≥ 5
– acero microaleado� %Nb, %Ti y %V como formadores de carburo y refinadores
de grano19/09/2017 Aceros 25
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Clasificación según composición química
• Clasifique según su composición química a los siguientes aceros:
Acero %C %Mn %Si %S %P %Ni %Cr %Mo %otros
SAE 1020 0,19 0,5 --- 0,04 0,03 --- --- --- ---
15B27 0,28 1,3 0,2 0,04 0,04 --- --- --- B=0,009
ASTM A36 0,18 1,2 0,3 0,03 0,04 --- --- --- Cu=0,25
ASTM A234 WPB
0,30 1,00 0,25 0,03 0,05 0,3 0,2 0,1 ---
UNS S30400
0,05 1,5 0,3 0,02 0,01 9,0 19,5 --- ---
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Clasificación según el proceso de fabricación
• Aceros Siemens-Martin (solera abierta)• Acero de horno eléctrico
– arco eléctrico– inducción � la masa metálica es el circuito secundario
• Acero de convertidor• Acero de horno de crisol• Acero de laminación controlada (fuera de la
norma) o microaleados (Nb, Ti, V � bajos contenidos para
control de tamaño de grano y endurecimiento por precipitación)
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Clasificación según el grado de desoxidación
• Acero calmado � desoxidado
• Acero efervescente � con oxígeno que al momento de solidificar genera CO
• Acero semicalmado� desoxidación intermedia
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Clasificación según su estructura metalográfica
• Acero eutectoide• Acero hipoeutectoide• Acero hipereutectoide• Acero ferrítico• Acero austenítico• Acero martensítico• Acero bainítico• Acero ledeburítico
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Clasificación según sus características específicas
• Acero de baja aleación y alta resistencia (HSLA)• Acero para herramientas
– matrices, estampas, elementos de corte y mecanizado
• Acero rápido – acero de alto carbono y alta aleación, especialmente formadores
de carburos (Cr, W, Mo, V)
• Acero inoxidable – %Cr > 11 y %C < 1,2
• Acero refractario – resistente a la oxidación a alta temperatura
• Acero magnético – ferromagnético
Aceros 31
Clasificación según sus características específicas
• Acero para herramientas – IRAM/IAS U 500-669
Aceros 32H21 – resistente al desgaste a temperaturas elevadas
Medio carbono y aleados
H13 – resistente al choque térmicoHAcero al CrAceros para trabajo en caliente
P420 – inox martensíticoInoxidables
P20 – para cementaciónPAl carbono y de baja aleación
Aceros para moldes
De mínima deformabilidadDAlto carbono y alta aleación
Templables en aguaWAl carbonoAceros para trabajado en frío
ObservacionesDesignaciónClaseGrupo
Clasificación según sus características específicas
• Acero amagnético� no ferromagnético
• Acero de corte libre � S o P como aleantes � mejora el mecanizado
• Acero soldable• Acero resistente al desgaste• Acero patinable
� %Cu > 0,4 � resistente a la corrosión atmosférica
• Acero estructural
• Acero para construcciones mecánicas
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Clasificación de aceros
• ¿Cómo puede clasificar un acero que responde a la especificación ASTM A 249 TP 316?
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Aceros estructurales vs acero para construcciones mecánicas
• Estructurales– composición química– propiedades
mecánicas– estructura
metalográfica (a veces)
– tipo de producto (geometría y forma)
– ¡listos para cortar, conformar y soldar!
• Construcciones mecánicas– composición química– sus propiedades
mecánicas las obtiene el usuario luego de tratamiento térmico
– se suelen mecanizar
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Aceros estructurales vs acero para construcciones mecánicas
• Estructurales– IRAM-IAS U 500– ASTM– API– EN– ISO– GB
• Construcciones mecánicas– SAE– AISI– IRAM-IAS U 500-600
• Ejemplo– 1010, 1020, 1045– 15B20– 4140– 4340– 862019/09/2017 Aceros 36
Aceros estructurales vs acero para construcciones mecánicas
• Clasificación de aceros de construcciones mecánicas (IRAM-IAS U 500-600)– Aceros al carbono
• 10XX, 11XX, 12XX, 14XX, 15XX
– Aceros aleados• 13XX � Mn• 41XX � Cr + Mo• 43XX � Ni + Cr + Mo• 86XX � Ni + Cr + Mo• XXBXX � B• XXLXX � Pb• XXSXX � S 37
Aceros estructurales vs acero para construcciones mecánicas
• Estructurales típicos– ASTM A36 chapa estructural– IRAM-IAS U 500-207 barras
para construcción– API 5L caños y tubos para
industria del petróleo– IRAM-IAS U 500-42 chapa
laminada en caliente– IRAM-IAS U 500-503
propiedades mecánicas– ASTM A 516 recipientes a
presión– IRAM-IAS U 500-214 chapa
cincada– IRAM-IAS U 500-231 chapa
laminada en caliente
• Construcciones mecánicas típicos (según IRAM-IAS U 500-600)– 1010, 1020, 1040, 1045, 1080– 1140, 12L13, 15B24– 3115, 4130, 4140, 4340, 5140,
8620,
38
Aceros - Conclusiones
Es el grupo de aleaciones metálica más utilizado, su producción mundial es de unas 15 veces la producción de todo el resto de aleaciones metálicas.
– bajo costo (abundancia del mineral, facilidad de reducción, alta capacidad de reciclado)– alta rigidez (Eacero»3EAl; 1,7ETi; 1,7ECu; 4,6EMg; 1,3 a 3EFundición; 0,9ENi; 0,5Ew; 0,24EDiamante)– versatilidad: gran variedad de propiedades obtenible por aleación y/o tratamiento térmico– rango de resistencia: desde 150 MPa hasta 2700 MPa– aceros magnéticamente blandos, magnéticamente duros, amagnéticos– aceros altamente resistentes a la corrosión– aceros de uso a alta T, aceros de uso criogénico– se puede cortar fácilmente con oxi-corte (acero al carbono)– respaldo de la experiencia en servicio
Preguntas
1. Defina acero ¿Qué diferencias hay entre la definición de IRAM-IAS U 500-01 y la de ASTM A941?
2. ¿Cuáles son las principales materias primas para la fabricación de acero?
3. ¿Cuáles son los productos de salida de una acería? ¿Qué familia de productos de aceros fabrican las principales acerías de Argentina?
4. ¿Cuáles son las principales etapas del proceso “fabricación de acero”?
5. Describa brevemente las dos modalidades que se utilizan industrialmente para la reducción del mineral de hierro.
6. ¿Cuáles son los agentes reductores en el proceso de alto horno y cuáles en el de reducción directa?
7. Plantee las ecuaciones químicas en cada uno de los procesos.8. ¿Qué función cumple la caliza en la reducción por alto horno? 40
Preguntas
9. ¿Qué diferencias hay entre el producto de salida del alto horno y el del horno de reducción directa?
10. ¿Cuál es la etapa siguiente a la reducción del mineral en la fabricación de acero? Mencione los principales métodos con los que se lleva a cabo esta etapa.
11. ¿Qué ocurre en los convertidores básicos de oxígeno (BOF)?12. ¿Qué diferencias hay entre un convertidor Bessemer y uno BOF?13. Describa el funcionamiento del horno eléctrico ¿Cuáles son sus
características y funciones?14. ¿Qué ocurre en el horno cuchara? Mencione tres items que se
lleven a cabo en el horno cuchara.15. ¿Cuáles son las dos formas de solidificar al acero?16. Mencione los productos semiterminados de acero.
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Preguntas
17. Mencione tres maneras de clasificar un acero.18. ¿Cuándo un acero se debe considerar de medio carbono y baja
aleación?19. Clasifique según su composición química al acero de
construcción mecánica AISI o SAE 5160 ¿Cuál es su uso más habitual? (buscar en www.matweb.com )
20. ¿Qué es un acero microaleado?21. ¿Qué se entiende por acero eutectoide? ¿Qué contenido de
carbono debería de tener?22. ¿Qué significa que un acero sea inoxidable austenítico?23. ¿Qué diferencia hay entre un acero para herramienta y un acero
rápido?24. ¿Qué diferencia hay entre un acero estructural y un acero para
construcciones mecánicas?19/09/2017 Aceros 42
Preguntas
25. ¿Cuáles de los siguientes son elementos agregados en un acero de forma accidental?
a. C y B
b. Mn y Sic. S y Pd. Todos son agregados a propósito
26. De acuerdo a la IRAM-IAS U 500-600, ¿cuánto es el contenido de carbono que puede tener un acero designado 1020?
a. 0,15% - 0,20%b. 0,22% - 0,28%c. 0,20%
d. 0,18% - 0,23%e. 2,00%
19/09/2017 Aceros 43
Preguntas
27. ¿Cuáles de los siguientes aceros están listos para cortar, conformar y soldar?
a. aceros para herramientas
b. aceros Siemens-Martinsc. aceros de bajo carbonod. aceros estructurales
e. aceros para construcciones mecánicas
28. ¿Cuáles de los siguientes elementos de aleación no es característico de un acero microaleado?
a. Crb. Nb
c. Tid. Ve. Cb
19/09/2017 Aceros 44
Preguntas
29. El arrabio líquido es el producto de qué etapa en un proceso siderúrgico
a. Horno Siemens-Martín
b. Convertidor Básico de Oxígenoc. Horno eléctricod. Colada continua
e. Alto horno
30. ¿Cuál es la diferencia entre acero y fundición de hierro?a. el proceso de conformado de la pieza, los aceros no se fundenb. el contenido de carbono
c. los aceros se sueldan y las fundiciones nod. las fundiciones no son metalese. el contenido de Mn
19/09/2017 Aceros 45
Preguntas
31. ¿Qué tipo de acero se caracteriza por el alto contenido de Cr en su composición?
a. aceros magnéticamente blandos
b. aceros de bajo carbonoc. aceros soldablesd. aceros inoxidables
e. aceros austeníticos
32. Un acero fuertemente desoxidado es un acero...a. mecanizableb. calmado
c. semicalmadod. efervescentee. microaleado
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Preguntas
33. ¿Cuál de los siguientes elementos de aleación no es requerido en un acero 8620 según IRAM-IAS U 500-600?
a. C
b. Mnc. Nid. Cr
e. V
34. ¿De los siguientes cuál no es materia prima del proceso de reducción directa tipo Midrex?
a. chatarra de acerob. gas natural
c. carbónd. pellets de FeOe. todas las anteriores son incorrectas
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Preguntas
35. ¿Cuál es típico valor de %C que utilizan las normas para definir “acero”?
a. 0,25b. 2,00c. 0,80d. 4,00e. 0,07
36. ¿Cuál es la clasificación según, la composición química, de un acero designación 1524 según IRAM/IAS U 500-600?
a. acero de medio carbonob. acero de baja aleaciónc. acero al carbonod. acero de alta aleacióne. todas las anteriores son incorrectas
19/09/2017 Aceros 48
Preguntas
37. ¿Cuál de los siguiente aceros es más apropiado para un matriz de trabajado en caliente?
a. H13b. 1020c. W1d. cualquiera es apropiadoe. 15L20
38. ¿Qué tipo de acero es uno que cumple la IRAM/IAS U 500-42 designación F-24?
a. acero de medio carbonob. acero de baja aleaciónc. acero para herramientad. acero estructurale. acero para construcción mecánica
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Bibliografía adicional