TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCION
TECNOLOGIA DE LOS MATERIALES DE CONSTRUCCIONEl Acero.Escuela
Profesional de Ingeniera Civil
EL ACERO
I. INTRODUCCION
El acero como material de construccin es un poco mas actual en
comparacin con la roca y la madera que se utilizan desde hace mucho
tiempo pero con el descubrimiento del hierro primero no como
material de construccin sino como un objeto para hacer utensilios
de mayor durabilidad como puntas, cuchillos y otros; pero con el
paso del tiempo se fue descubriendo que tena caractersticas
especiales; ahora es muy comn el uso del acero y por decirlo as es
indispensable ya que da flexibilidad a las estructuras y aumenta la
resistencia a la flexin por ejemplo en columnas .El estudio
tecnolgico del acero es muy realizado en estos tiempos no solo por
sus propiedades mecnicas sino fsicas ya que se puede utilizar como
un material de cavado como gradas entre otros.
Se presentara un breve resumen acerca del acero su fabricacin,
usos, comportamiento y lo que ms interesa como un material de
construccin civil.
II. OBJETIVOS
Investigar acerca de la fabricacin del acero Averiguar el uso
que se le da Estudiar las propiedades fsicas mas importantes
Investigar algunos tipos de acero.
El ACERO
El acero es la aleacindehierroque contiene entre un 0,04 y un
2,25% de carbono y puede tener ms aleaciones como el azufre,
fsforo, manganeso, etc. en la produccin del acero se tiene el
producto final cuando se le elimina todo el xido que trae de su
estado natural siendo el material ms importante para la
construccin.
El acero es una aleacin de hierro y carbono, donde el carbono no
supera el 2,1% en peso [ ]de la composicin de la aleacin,
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.
FABRICACIN
El acero se puede obtener a partir de dos materias primas
fundamentales: el arrabio, obtenido a partir de mineral en
instalaciones dotadas de horno alto (proceso integral); las
chatarras frricas, que condicionan el proceso de fabricacin. En
lneas generales, para fabricar acero a partir de arrabio se utiliza
el convertidor con oxgeno, mientras que partiendo de chatarra como
nica materia prima se utiliza exclusivamente el horno elctrico
(proceso electrosiderrgico).
PROCESO: El proceso siderrgico incluye un gran nmero de pasos
hasta la obtencin final del acero.
En primer lugar, y con el fin de eliminar las impurezas, el
mineral de hierro se lava y se somete a procesos de trituracin y
cribado. Con ello, se logra separar la ganga de la mena.
A continuacin, se mezcla el mineral de hierro (mena) con carbn y
caliza y se introduce en un alto horno a ms de 1500 C. As se
obtiene el arrabio, que es mineral de hierro fundido con carbono y
otras impurezas.
El arrabio obtenido es sometido a procesos posteriores con
objeto de reducir el porcentaje de carbono, eliminar impurezas y
ajustar la composicin del acero, aadiendo los elementos que
procedan en cada caso: cromo, nquel, manganeso, y otros en menor
proporcin.
a. La ChatarraEn este proceso, la materia prima es la chatarra,
a la que se le presta una especial atencin, con el fin de obtener
un elevado grado de calidad de la misma. Para ello, 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 recepcin del material en fbrica.
La calidad de la chatarra depende de tres factores: de su
facilidad para ser cargada en el horno; de su comportamiento de
fusin (densidad de la chatarra, tamao, espesor, forma, etc.); de su
composicin, siendo fundamental la presencia de elementos residuales
que sean difciles de eliminar en el proceso del horno.
b. Principios bsicos para la obtencin del acero.La obtencin del
acero pasa por la eliminacin de las impurezas que se encuentran en
el arrabio o en las chatarras, y por el control, dentro de unos
lmites especificados segn el tipo de acero, de los contenidos de
los elementos que influyen en sus propiedades.
Las reacciones qumicas que se producen durante el proceso de
fabricacin del acero requieren temperaturas superiores a los 1000 C
para poder eliminar las sustancias perjudiciales, bien en forma
gaseosa o bien trasladndolas del bao a la escoria.Principales
reacciones CarbonoAl combinarse con el oxgeno se quema dando lugar
a y (g) que se elimina a travs de los humos.
ManganesoSe oxida y pasa a la escoria. Combinado con slice da
lugar a silicatos.
SilicioSe oxida y pasa a la escoria.Forma silicatos
FsforoEn una primera fase se oxida y pasa a la escoria. En
presencia de carbono y altas temperaturas puede revertir al bao.
Para fijarlo a la escoria se aade cal formndose fosfato de
calcio.
AzufreSu eliminacin debe realizarse mediante el aporte de cal,
pasando a la escoria en forma de sulfuro de calcio. La presencia de
manganeso favorece la desulfuracin.
c. FABRICACIN EN HORNO ELCTRICO
La fabricacin del acero en horno elctrico se base en la fusin de
las chatarras por medio de una corriente elctrica, y al afino
posterior del bao fundido.
1. El horno elctricoEl horno elctrico consiste en un gran
recipiente cilndrico de chapa gruesa (15 a 30 mm de espesor)
forrado de material refractario que forma la solera que alberga el
bao de acero lquido y escoria. El resto del horno est formado por
paneles refrigerados por agua. La bveda es desplazable para
permitir la carga de la chatarra a travs de unas cestas
adecuadas.
La bveda est dotada de una serie de orificios por los que se
introducen los electrodos, generalmente tres, que son gruesas
barras de grafito de hasta 700 mm de dimetro. Los electrodos se
desplazan de forma que se puede regular su distancia a la carga a
medida que se van consumiendo.
Los electrodos estn conectados a un transformador que
proporciona unas condiciones de voltaje e intensidad adecuadas para
hacer saltar el arco, con intensidad variable, en funcin de la fase
de operacin del horno.
Otro orificio practicado en la bveda permite la captacin de
humos, que son depurados convenientemente para evitar contaminar la
atmsfera.
El horno va montado sobre una estructura oscilante que le
permite bascular para proceder al sangrado de la escoria y el
vaciado del bao. 2. Proceso de fabricacin del acero.El proceso de
fabricacin se divide bsicamente en dos fases:
la fase de fusin la fase de afino.
Fase de fusin
Una vez introducida la chatarra en el horno y los agentes
reactivos y escorificantes (principalmente cal) se desplaza la
bveda hasta cerrar el horno y se bajan los electrodos hasta la
distancia apropiada, hacindose saltar el arco hasta fundir
completamente los materiales cargados. El proceso se repite hasta
completar la capacidad del horno, constituyendo este acero una
colada.
Fase de afino
El afino se lleva a cabo en dos etapas. La primera en el propio
horno y la segunda en un horno cuchara.
En el primer afino se analiza la composicin del bao fundido y se
procede a la eliminacin de impurezas y elementos indeseables
(silicio, manganeso, fsforo, etc.) y realizar un primer ajuste de
la composicin qumica por medio de la adicin de ferroaleaciones que
contienen los elementos necesarios (cromo, nquel, molibdeno,
vanadio, titanio, etc.).
El acero obtenido se vaca en una cuchara de colada, revestida de
material refractario, que hace la funcin de cuba de un segundo
horno de afino en el que termina de ajustarse la composicin del
acero y de drsele la temperatura adecuada para la siguiente fase en
el proceso de fabricacin.
La Colada Continua
Finalizado el afino la cuchara de colada se lleva hasta la
artesa receptora de la colada continua donde vaca su contenido en
una artesa receptora dispuesta al efecto.
La colada continua es un procedimiento siderrgico en el que el
acero se vierte directamente en un molde de fondo desplazable, cuya
seccin transversal tiene la forma geomtrica del semiproducto que se
desea fabricar; en nuestro caso la palanquilla.
La artesa receptora tiene un orificio de fondo, o buza, por el
que distribuye el acero lquido en varias lneas de colada, cada una
de las cuales disponen de su lingotera o molde, generalmente de
cobre y paredes huecas para permitir su refrigeracin con agua, que
sirve para dar forma al producto. Durante el proceso la lingotera
se mueve alternativamente hacia arriba y hacia abajo, con el fin de
despegar la costra slida que se va formando durante el
enfriamiento.
Posteriormente se aplica un sistema de enfriamiento controlado
por medio de duchas de agua fra primero, y al aire despus,
cortndose el semiproducto en las longitudes deseadas mediante
sopletes que se desplazan durante el corte.
En todo momento el semiproducto se encuentra en movimiento
continuo gracias a los rodillos de arrastre dispuestos a los largo
de todo el sistema.
Finalmente, se identifican todas las palanquillas con el nmero
de referencia de la colada a la que pertenecen, como parte del
sistema implantado para determinar la trazabilidad del producto,
vigilndose la cuadratura de su seccin, la sanidad interna, la
ausencia de defectos externos y la longitud obtenida.
La Laminacin
Las palanquillas no son utilizables directamente, debiendo
transformarse en productos comerciales por medio de la laminacin o
forja en caliente.De forma simple, podramos describir la laminacin
como un proceso en el que se hace pasar al semiproducto
(palanquilla) entre dos rodillos o cilindros, que giran a la misma
velocidad y en sentidos contrarios, reduciendo su seccin
transversal gracias a la presin ejercida por stos. En este proceso
se aprovecha la ductilidad del acero, es decir, su capacidad de
deformarse, tanto mayor cuanto mayor es su temperatura. De ah que
la laminacin en caliente se realice a temperaturas comprendidas
entre 1.250C, al inicio del proceso, y 800 C al final del
mismo.
La laminacin slo permite obtener productos de seccin constante,
como es el caso de las barras corrugadas.
Procesos de acabado.El acero se vende en una gran variedad de
formas y tamaos, como varillas, tubos, rieles de ferrocarril o
perfiles en H o en T. estas formas se obtienen en las instalaciones
siderrgicas laminando con lingotes calientes o modelndolos de algn
otro modo. El acabado del acero mejora tambin su calidad al refinar
su estructura cristalina y aumentar su resistencia.
El mtodo 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 termodifusin y a continuacin se
hace pasar entre una serie de rodillos metlicos colocados en pares
que lo aplastan hasta darle la forma y tamao 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
como tren de desbaste o de eliminacin de asperezas. Despus del tren
de desbaste, el acero pasa a trenes de laminado en bruto y a los
trenes de acabado que lo reducen a lminas con la seccin transversal
correcta. Los rodillos para producir rieles de ferrocarril o
perfiles en H, en T o en L tienen estras para proporcionar a forma
adecuada.
CLASIFICACIN DEL ACERO
Los diferentes tipos de acero se agrupan en cinco clases
principales: aceros al carbono, aceros aleados, aceros de baja
aleacin ultrarresistentes, aceros inoxidables y aceros de
herramientas. Aceros al carbono. Ms del 90% de todos los aceros son
aceros al carbono. Estos aceros contienen diversas cantidades de
carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el
0,60% de cobre.
Entre los productos fabricados con aceros al carbono figuran
mquinas, carroceras de automvil, la mayor parte de las estructuras
de construccin de acero, cascos de buques, somieres y horquillas o
pasadores para el pelo.
a) Aceros Aleados
Estos aceros contienen una proporcin determinada de vanadio,
molibdeno y otros elementos, adems de cantidades mayores de
manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales.
Estos aceros se emplean, por ejemplo, para fabricar engranajes y
ejes de motores, patines o cuchillos de corte.
b) Aceros De Baja Aleacin Ultrarresistentes Esta familia es la
ms reciente de las cinco grandes clases de acero. Los aceros de
baja aleacin son ms baratos que los aceros aleados convencionales
ya que contienen cantidades menores de los costosos elementos de
aleacin. Sin embargo, reciben un tratamiento especial que les da
una resistencia mucho mayor que la del acero al carbono. En la
actualidad se construyen muchos edificios con estructuras de aceros
de baja aleacin. Las vigas pueden ser ms delgadas sin disminuir su
resistencia, logrando un mayor espacio interior en los
edificios.
c) Los Aceros Inoxidables
Contienen cromo, nquel y otros elementos de aleacin, que los
mantienen brillantes y resistentes a la herrumbre y oxidacin a
pesar de la accin de la humedad o de cidos y gases corrosivos.
Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros son muy resistentes
y mantienen esa resistencia durante largos periodos a temperaturas
extremas. Debido a sus superficies brillantes, en arquitectura se
emplean muchas veces con fines decorativos.d) Aceros De
Herramientas
Estos aceros se utilizan para fabricar muchos tipos de
herramientas y cabezales de corte y modelado de mquinas empleadas
en diversas operaciones de fabricacin. Contienen volframio,
molibdeno y otros elementos de aleacin, que les proporcionan mayor
resistencia, dureza y durabilidad.
TIPOS DE ACEROS
Acero de construccinAcero con bajo contenido de carbono y
adiciones de cromo, nquel, molibdeno y vanadio.
Acero dulce Denominacin general para todos los aceros no
aleados, obtenidos en estado fundido
Acero fundido o de herramientasTipo especial de acero que se
obtiene por fusin al crisol.
Acero inoxidableAcero resistente a la corrosin, de una gran
variedad de composicin, pero que siempre contiene un elevado
porcentaje de cromo (8-25%). Se usa cuando es absolutamente
imprescindible evitar la corrosin de las piezas.
Acero para muellesAcero que posee alto grado de elasticidad y
elevada resistencia a la rotura. Aunque para aplicaciones
corrientes puede emplearse el acero duro, cuando se trata de
muelles que han de soportar fuertes cargas y frecuentes esfuerzos
de fatiga se emplean aceros al sicilio con temple en agua o en
aceite y revenido.
Acero refractarioTipo especial de acero capaz de soportar
agentes corrosivos a alta temperatura.
Acero suaveAcero dctil y tenaz, de bajo contenido de carbono
Aceros forjadosLos aceros que han sufrido una modificacin en su
forma y su estructura interna ante la accin de un trabajo mecnico
realizado a una temperatura superior a la de recristalizacin.
ACERO ESTRUCTURAL
Se conoce como acero estructural al resultado de la aleacin de
hierro, carbono y pequeas cantidades de otros elementos como
silicio, fsforo, azufre y oxgeno, que le tributan caractersticas
especficas. Composicin del acero estructural:
Propiedades y cualidades del acero estructural: Su alta
resistencia, homogeneidad en la calidad y fiabilidad de la misma,
soldabilidad, ductilidad, incombustible, pero a altas temperaturas
sus propiedades mecnicas fundamentales se ven gravemente afectadas,
buena resistencia a la corrosin en condiciones normales.
Clasificacin del acero estructural o de refuerzo:
El acero estructural, segn su forma, se clasifica en:
a. Perfiles Estructurales: Los perfiles estructurales son piezas
de acero laminado cuya seccin transversal puede ser en forma de I,
H, T, canal o ngulo.
b. Barras: Las barras de acero estructural son piezas de acero
laminado, cuya seccin transversal puede ser circular, hexagonal o
cuadrada en todos los tamaos.
c. Planchas: Las planchas de acero estructural son productos
planos de acero laminado en caliente con anchos de 203 mm y 219 mm,
y espesores mayores de 5,8 mm y mayores de 4,5 mm,
respectivamente.
Aceros Para Hormign Acero De Refuerzo Para Armaduras
Barras corrugadas Alambrn Alambres trefilados ( lisos y
corrugados) Mallas electro soldables de acero Mallazo Armaduras
bsicas en celosa. Alambres, torzales y cordones para hormign
pretensado. Armaduras pasivas de acero Redondo liso para Hormign
Armado Aceros para estructuras en zonas de alto riesgo ssmico.
Para estructuras de hormign se utilizan barras lisas y
corrugadas, con dimetros que oscilan entre los 6mm y los 40mm,
aunque lo comn en una armadura de hormign es que difcilmente
superen los 32mm. Adems el acero de refuerzo se utiliza en las
mallas electro soldadas o mallazo constituidos por alambres de
dimetros entre 4mm a 12mm.
PROPIEDADES MECNICAS Y FISICAS DEL ACERO.
a) PROPIEDADES MECNICAS:
Resistencia: Es la oposicin al cambio de forma y a la fuerzas
externas que pueden presentarse como cargas son traccin, compresin,
cizalle, flexin y torsin.
Elasticidad: Corresponde a la capacidad de un cuerpo para
recobrar su forma al dejar de actuar la fuerza que lo ha
deformado
Plasticidad: Es la capacidad de deformacin de un metal sin que
llegue a romperse si la deformacin se produce por alargamiento se
llama ductilidad y por compresin maleabilidad.
Fragilidad: Es la propiedad que expresa falta de plasticidad y
por lo tanto tenacidad los metales frgiles se rompen en el lmite
elstico su rotura se produce cuando sobrepasa la carga del lmite
elstico.
Tenacidad: Se define como la resistencia a la rotura por
esfuerzos que deforman el metal; por lo tanto un metal es tenaz si
posee cierta capacidad de dilatacin.
Dureza: Es la propiedad que expresa el grado de deformacin
permanente que sufre un metal bajo la accin directa de una fuerza
determinada. Existen dos Dureza fsica y dureza tcnica.
Ductilidad: es la capacidad que tienen los materiales para
sufrir deformaciones a traccin relativamente alta, hasta llegar al
punto de fractura.
Resistencia: Es la capacidad que presentan los materiales para
absorber energa por unidad de volumen en la zona elstica.
b) PROPIEDADES FSICAS
Propiedades de los cuerpos: Encontramos entre otras Materia,
Cuerpo, Estado de agregacin, peso, masa, volumen, densidad, peso
especifico (m/v)
Propiedades Trmicas: Estn referidas a los mecanismos de calor
existen tres mecanismos:
Conduccin: Se produce cuando la fuente emisora est en contacto
directo con el que se desea aumenta T
Conveccin: Para que ocurra transferencia de calor por conveccin
es necesario que exista un fluido quien sea el encargado de
transmitir el calor de la fuente emisora hacia el cuerpo o
ambiente
Radiacin: Se produce porque la fuente de calor se encuentra en
contacto en forma directa con el ambiente. Esta fuente emisora
genera rayos infrarrojos que sirven de medio de transferencia de
calor.
Propiedades Elctricas: Estn relacionadas con la capacidad de
conducir la corriente elctrica.
Propiedades pticas: Estn referidos a la capacidad que poseen los
materiales para reflejar o absorber el calor de acuerdo a las
siguientes caractersticas: Color-Brillo-Pulido.
Propiedades Magnticas: Estn referidas a la capacidad que poseen
los materiales metlicos para inducir o ser inducidos por un campo
electromagntico, es decir actuar como imn o ser atrados por un
imn.
USOS DEL ACEROEn La Construccin De Puentes O De Edificios El
acero puede tener mltiples papeles. Sirve para armar el hormign,
reforzar los cimientos, transportar el agua, el gas u otros
fluidos.Permite igualmente formar el armazn de edificios, sean
estos de oficinas, escuelas, fabricas, residenciales o
polideportivos. Y tambin vestirlos (fachadas, tejados).En una
palabra, es el elemento esencial de la arquitectura y de la esttica
de un proyecto. En El Sector De La AutomocinEste sector constituye
el segundo mercado acero, despus de la construccin y las obras
publicas.Chasis y carroceras, piezas de motor, de la direccin o de
la transmisin, instalaciones de escape, carcasas de neumticos,....
el acero representa del 55 al 70% del peso de un automvil.En lo
cotidiano: latas, botes, bidones.Numerosos envases son fabricados a
partir de hojas de acero, revestidas en ambas caras de una fina
capa de estao que les hace inalterables.Denominados durante largo
tiempo hierro blanco (debido al blanco del estao), los aceros para
envase se convierten en latas de conserva o de bebidas y tambin en
botes de aerosol para laca, tubos para carmn de labios, botes, y
latas o bidones para pinturas, grasas, disolventes u otros
productos que requieren un medio hermtico de conservacin.En El
Corazn De La Conservacin AlimentaraEl acero no aleado, llamado al
carbono, requiere una proteccin contra la corrosin: una capa de
zinc y pintura para las carroceras de automvil, una capa de estao y
barniz para las latas de conserva o de bebidas.El inox, acero
aleado al nquel y al cromo, puede permanecer desnudo: es
inalterable en la masa. Platos, cazos, cuberteras, etc. el acero
inoxidable resiste indefinidamente al agua y a los detergentes, es
perfectamente sano y no altera ni el sabor ni el color de los
alimentos.
En La EnergaEl petrleo y la industria nuclear requieren
infraestructuras, equipos y redes de conductos de fluidos muy
especficos.El acero se muestra como un material clave en este mundo
que, como la industria qumica, debe hacer frente a numerosos
desafos: medios altamente corrosivos, altas temperaturas,
condiciones mecnicas altamente exigentes.
Universidad Nacional de CajamarcaPgina 12
