Unidad 4:

Producción del acero

2. EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LA SIDERURGIA

6000 a. C. se funden objetos de cobre.

3000 a. C. bronce fundido al alear cobre y estaño.

1500 a. C. Los hititas (Turquía) utilizan el hierro. Se encuentra en forma de mineral, y así no tiene utilidad. Hay que separar la mena y la ganga; descubierto este proceso su utilización aumenta: más abundante que el cobre, se encuentra en la corteza terrestre, es más duro y resistente.

1200 a. C. empieza la Edad de Hierro y se propaga por Oriente Medio.

600 a. C. comienza Edad Hierro en China y Europa.

s. I los romanos dominan el mundo, organizan la producción de acero y la fabricación de armas: Damasco, España, Italia, … son centros productores de hierro.

700 Aparece la forja catalana, un tipo de horno con cuba de mampostería provista de tobera lateral para mantener el carbón a mayor Tª.

1300 Primer Horno Alto, horno de gran capacidad, recibe aire de un fuelle, hierro en contacto con el carbón y disminuye el punto de fusión, se obtiene el hierro colado.

1. INTRODUCCIÓN

MATERIALES FERROSOS, son aquellos cuyo constituyente principal es el hierro. Se pueden clasificar en:

HIERRO

ACEROS

FUNDICIONES

FERROALEACIONES.

2. EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LA SIDERURGIA

1709-1735 horno de coque, Abraham Darby sustituye el carbón vegetal por coque, más rico en C, más limpio y menos contaminante.

1740 acero al crisol. Benjamín Huntsman produce el primer acero al crisol. Acero de muy buena calidad.

1784 Horno de pudelar de Cort, el hierro colado procedente al horno alto se refundía en un horno de reverbero, y se obtenía un hierro forjado de gran calidad.

1820-1828 Inyección de aire, Neilson mejora la eficacia del alto horno haciendo pasar aire a través de una tubería al rojo vivo.

1855 Bessemer, inventa el afinado por aire, preparación de acero sin fuego.

1860 Cowper, inventa el recuperador de calor.

1864 Emile y Pierre Martin funden los primeros aceros con adición de chatarra.

2. EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LA SIDERURGIA

1878, Thomas, inventa el revestimiento del convertidor que permite la desfosforación del hierro.

1880 Siemens inventa la fabricación de acero por vía electrotérmica.

1884 1er Horno alto en España

1902 Heroult, patenta el horno eléctrico de arco.

1904 1er Horno eléctrico en España

1930 Colada continua.

1948, fabricación de acero con convertidores soplados con oxígeno (procedimiento LD).

1960 instalación es España de la colada continua.

1978, en Alemania se pone en marcha el horno eléctrico por inducción.

3. PROCESO SIDERÚRGICO

HIERRO

CARBÓN DE COQUE

FUNDENTES

3.1. MATERIAS PRIMAS

HIERRO

El MINERAL DE HIERRO lleva mezclados:

La MENA o parte útil: óxidos de hierro

La GANGA o parte no útil: sílices, cal, alúmina, etc.

MINERAL NOMBRE CIENTÍFICO % en Fe del mineral CARACTERÍSTICAS

ÓXIDOS

MAGNETITA

(Fe3O4)72%

Mineral más puro y rico. Color gris-negruzco, magnético.

HEMATITES

(Fe2O3)70% Tiene poco fósforo. Color rojizo, gris

LIMONITAS

2Fe2O3 +3 H2O 60%

Color ocre. Blandas y fáciles de reducir. Contiene fósforo.

CARBONATOSSIDERITA

Fe CO3

48%Debe calcinarse en horno de cuba

para pasar a óxido de hierro.

SULFUROSPIRITA

Fe S2

< 48%Mineral de hierro mezclado con

cobre. Color amarillo.

CARBÓN DE COQUEEl CARBÓN es la materia prima para obtener COQUE. Sólo son aptas las hullas

grasas y semigrasas de llama corta, con contenido en materias volátiles entre 22% y 30%, azufre <1% y cenizas <9%

Misión del coque en el proceso siderúrgico:

Producir por combustión el calor necesario para la reacción de reducción (eliminar oxígeno) y fundir la mena dentro del horno.

Soportar las cargas en el alto horno

Producir el gas reductor (CO) que transforma los óxidos en arrabio.

¿Cómo se obtiene el coque?

Calentando a >1000 ºC las hullas.

Características de un buen coque:

Buena resistencia al aplastamiento

Baja humedad (<3%)

Bajo contenido en azufre (<1%)

Bajo contenido en cenizas (<9%)

Alto poder calorífico (6500 – 8750 kcal/kg)

Mínimo contenido en fósforo y azufre (hacen frágil la fundición)

FUNDENTES

Su misión es:

Combinarse con la ganga y bajar su punto de fusión, para hacer que la escoria se encuentre fluida.

Combinarse con las impurezas, pasándolas a ganga.

Los fundentes más utilizados: sílice, caliza (carbonato cálcico) y la dolomía (carbonato magnésico).

La cantidad de fundente y su naturaleza debe establecerse con mucho cuidado, dependiendo de la naturaleza y composición de la ganga y la proporción de impurezas.

Si ganga ácida SiO2 → fundente básico Al2O3, MgO, CaO

Si ganga básica MgO, CaO → fundente ácido SiO2

Si ganga neutra → fundente neutro CrO

La chatarra

• La chatarra de acero es otra materia utilizada para la fabricación de acero.

• Conjunto de piezas, partes metálicas, etc., de acero, inservibles y sin ninguna utilidad industrial.

• Puede ser: reciclada, de trasformación, de recuperación.

Es un horno de cuba formado por dos troncos de cono desiguales unidos por sus bases mayores.

Parte interior de mampostería de ladrillos refractarios de 60-100 cm de espesor

Parte exterior revestida de plancha de acero reforzada con zunchos.

3.2. EL ALTO HORNO

Partes del alto horno: (de arriba abajo)

a) Tragante

b) Cuba

c) Vientre

d) Etalajes

e) Crisol

En la parte superior de la cuba se produce el secado, precalentamiento y deshidratación a Tª 200 – 450ºC

En la parte inferior de la cuba, es la zona de reducción 400 – 1200ºC

En los etalajes zonas de carburación y fusión 1800ºC

La ganga se ha combinado con el fundente formando la escoria que sale por la bigotera.

Por la piquera sale el arrabio

3.2.1. PROCESO DE OBTENCIÓN DEL ARRABIO

ARRABIO, producto principal del Alto Horno. 90-95% de hierro. Puede ser de dos tipos:

a) Hematites, para piezas fundidas en molde

b) Básico, para fabricación de acero en convertidor soplado por oxígeno.

ESCORIA, material de desecho que sobrenada el arrabio en el crisol, por su menor densidad. Sus aplicaciones son:

a) Áridos para hormigón

b) Aislantes térmicos

c) cementos

3.2.2. PRODUCTOS DEL ALTO HORNO

TEMA 6: MATERIALES FERROSOS

4. PROCEDIMIENTOS DE OBTENCIÓN DEL ACERO

Para la obtención del acero se utilizan como materias primas el arrabio liquido del alto horno y la chatarra de acero.

Se diferencian en la forma y tipo de energía aportada:

MARTIN - SIEMENS

BESSEMER - THOMAS

CONVERTIDOR LD

HORNOS ELÉCTRICOS

TEMA 6: MATERIALES FERROSOS

4.1. PROCEDIMIENTO MARTIN - SIEMENS

• Permite cargas de tipo sólido, líquido o mixto.

• Permite distintos tipos de mezclas, luego se obtienen productos definidos.

• La solera puede ser ácida, básica o neutra.

• Según la proporción de gas-aire podemos tener una atmósfera oxidante (para quemar o descarburar), reductora (para eliminar el oxígeno) o neutra (para mantener la Tª).

• Los gases del horno se les hace pasar por cámaras calentándolas; luego se invierte el sentido, hacía otras cámaras frías. La corriente gaseosa atraviesa el horno en un sentido y otro alternativamente.

TEMA 6: MATERIALES FERROSOS

4.2. CONVERTIDOR BESSEMER - THOMAS

• Permite descarburar la fundición gracias a una corriente de aire comprimido que atraviesa la masa de fundición líquida contenida en el convertidor.

• Tres fases: llenado, soplado y vaciado.

•El proceso se puede detener cerrando la entrada de aire.

• Bessemer revestimiento ácido, Thomas básico.

4.3. CONVERTIDOR LD

• El oxígeno se inyecta a alta presión (10-14 at.)a través de un tubo refrigerado (lanza).

• Fases del proceso:

Carga

soplado y afino

Colada o vaciado

4.4. HORNO ELÉCTRICO

Fusión de chatarra por medio de una corriente eléctrica y posterior afino del baño fundido. Hay dos tipos de hornos:

a) DE ARCO ELÉCTRICO

b) DE INDUCCIÓN

Ventajas:

Fácilmente regulable.

Calentamiento rápido.

Se mantiene la Tª a voluntad, y muy elevadas.

No hay gases en la combustión (menos impurezas).

El revestimiento interior puede ser ácido o básico (distintos tipos de fundiciones).

4.5. COLADA DEL ACERO

• El ACERO sale del horno en estado líquido, hay que solidificarlo, varios métodos:

Vertiendo el acero sobre moldes de forma establecida (acero moldeado)

Colar el acero líquido sobre moldes prismáticos (lingoteras), para transformarlo luego por laminación o forja.

Colada continua del acero obteniendo directamente el semiproducto deseado.

4.6. OBTENCIÓN DE PRODUCTOS COMERCIALES

• Hay distintos caminos para obtener el acero sólido, pero es necesario transformarlo en productos comerciales. Se realiza por los siguientes procedimientos:

Laminación

Forja

Estampación

Moldeo

La laminación consiste en hacer pasar un material entre dos rodillos o cilindros que giran a la misma velocidad y en sentidos opuestos, y reducen la sección transversal mediante la presión ejercida por éstos.

Puede realizarse en frío o en caliente (800 – 1250º C)

5. ESQUEMA DE UNA SIDERÚRGIA INTEGRAL

6. PRODUCTOS SIDERÚRGICOS

HIERRO DULCE (cuando C entre 0.008 – 0.025 %)

ACEROS (0.025 – 2.1 %)

FUNDICIONES (2.1 – 6.67 %)

GRAFITO (>6.67 %)

FERROALEACIONES

CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS

• COMPOSICIÓN

• DESIGNACIÓN NUMÉRICA

UNE 36000

ACEROS AL CARBONO O NO ALEADOS

ACEROS ESPECIALES O ALEADOS

Presencia de otros elementos < 0.7%

De baja aleación: 1 – 5 %

De alta aleación: > 5%

F significa producto ferroso

1ª cifra indica la serie

2ª cifra indica el grupo

3º cifra indica el individuo

4º cifra numeración cronológica

ALEACIONES

• Ni > Resistencia < Oxidación• Cr > Resistencia > Dureza • Cr-Ni >> Resistencia< Oxidación > Dureza 18% Cr- 8% Ni – Inox

2% Cr- 5% Ni• Si > 0,3% > Elasticidad Resortes• Mg Neutraliza al azufre para temple p/alto desgaste• Al 1,5% > dureza superficial• Mo > Resistencia tracción para temple• V < Fragilidad Resortes y

herramientas• W > Dureza  Herramientas• Co -W >> Dureza  Herramientas• Ti < Oxidación

PRESENTACIÓN COMERCIAL DEL ACERO

Productos planos, planchas y chapas de 0.5 – 3 mm

Productos largos, sección pequeña y gran longitud, barras de distintas secciones:

Cuadrada

Rectangular (pletina)

Redonda

Exagonal

Media caña

Triangular

Alambre

Perfiles, formas variadas y longitud variable: angular de lados iguales (L), angular de lados desiguales (L), angular en I, H (o doble T), en U, en T, perfiles tubulares (redondo, cuadrado, perfilado)

FUNDICIONES

• FUNDICIÓN GRIS, presenta el C en forma de grafito laminar: Funde a 1200º C Tenaz, pero poca dureza Soporta altas presiones y temperaturas sin dilatarse

FUNDICIÓN BLANCA, presenta el carbono en forma de carburo de hierro Fe3C (cementita) de color blanco. Funde a 1150º C Es muy dura, pero frágil Difícil de mecanizar por su dureza.

FUNDICIÓN ATRUCHADA, propiedades mezcla de las anteriores. FUNDICIÓN MALEABLE PERLÍTICA, mediante recocido a 900º C de la fundición

blanca se produce a su descarburación (de 2-4% a 1-1.5%), eliminando la fragilidad, aumentando la resistencia a tracción.

FUNDICIÓN MALEABLE BLANCA, el C de la cementita, ha desaparecido total o parcialmente.

FUNDICIÓN MALEABLE NEGRA, C de la cementita precipita en copos de grafito. FUNDICIÓN DE GRAFITO ESFEROIDAL O NODULAR, por adición de Cerio o Mg

FERROALEACIONES

PRODUCTOS SIDERÚRGICOS QUE CONTIENEN ADEMÁS DEL HIERRO, UNO O VARIOS ELEMENTOS QUE LO CARACTERIZAN. Se emplean como materia prima para procesos metalúrgicos: Ferromanganesos, Ferrocromos, Ferrosilicios, Ferrovanadios, Ferroníquel, Ferrovolframio.

CONGLOMERADOS FÉRREOS

Formados por la unión entre sí de distintos tipos de polvos metálicos. Se pueden comprimir en un molde a altas presiones y temperaturas, obteniéndose una masa compacta solidificada. El proceso se llama siterizado o metalúrgia de polvos.