Materiales ferrosos

Los metales ferrosos son aquellos que están basados en el hierro, entre los de mayor importancia son el hierro y el carbono. Estas aleaciones se dividen en dos grupos: los aceros y las fundiciones de hierro.

Los elementos metálicos, así como el resto de elementos, se encuentran ordenados en un sistema denominado tabla periódica. La mayoría de elementos en esta tabla son los metales.

Los metales se diferencian del resto de elementos, fundamentalmente en el tipo de enlace que constituyen sus átomos. Se trata de un enlace metálico y en él los electrones forman una nube que se mueve, rodeando todos los núcleos. Este tipo de enlace es el que les confiere las propiedades de condición eléctrica, brillo etc.

Hay todo tipo de metales - metales pesados, metales preciosos, metales ferrosos, metales no ferrosos... y el mercado de metales es muy importante en la economía mundial.

Definiciones de términos

Aleación: Una aleación es la mezcla de dos o más elementos, siendo uno de ellos el metal

Arrabio: Hierro líquido con menos impurezas que el hierro inicial

Escoria: Las impurezas que reaccionan con caliza

Alto horno: Horno para hacer aleaciones y fundiciones, se alcanzan temperaturas muy elevadas. Hay que construirlo con materiales refractarios, es decir muy resistentes al calor.

Metales Férricos

* Hierro

* Aceros

* Fundiciones

Básicamente los metales ferrosos son los aceros que tienen un porcentaje de carbono en su composición. Según el porcentaje se inicia su clasificación.

Clasificación de los materiales ferrosos

Hierros. Es un producto siderúrgico obtenido industrialmente, su porcentaje de hierro varía desde el 99,90% hasta el 99,99%. El hierro puro no suele tener muchas aplicaciones industriales, se emplea en electricidad y en electrónica (ferritas).

Aceros. Son aleaciones de hierro-carbono, cuyo porcentaje de carbono oscila entre el 0,03% y el 1,76%.

o Clasificación de los aceros

o Aceros no aleados

o Aceros aleados o aceros especiales

Presentación comercial del acero

Barras. Se obtienen por laminación en caliente / frío. Si el diámetro de los redondos es menor de 5mm y tiene una gran amplitud se llaman alambres. Cuando el espesor de las pletinas es muy pequeño y tiene gran longitud se denominan flejes. Todos ellos se caracterizan por ser macizos (no huecos).

Perfiles. Se obtienen por laminación. Su longitud es de 5 a 12 metros.

Palastros. Son chapas laminadas, cuyas medidas oscilan entre 1 x 2 metros y 3 x 3 metros.

Fundiciones. Es una aleación hierro-carbono en la que el contenido de carbono está entre el 2 y el 6 por 100 (aproximadamente)

Básicamente la clasificación de los materiales ferroso se estructura de la siguiente manera

1). Aceros (con un porcentaje menor al de 1,98 % de carbono)

2). Fundiciones (con un porcentaje mayor al de 1,98 % de carbono

Hierro

Es un metal maleable, de color gris plateado y presenta propiedades magnéticas; es ferromagnético a temperatura ambiente y presión atmosférica.

Se encuentra en la naturaleza formando parte de numerosos minerales, entre ellos muchos óxidos, y raramente se encuentra libre. Para obtener hierro en estado elemental, los óxidos se reducen con carbono y luego es sometido a un proceso de refinado para eliminar las impurezas presentes.

Es el elemento más pesado que se produce exotérmicamente por fusión, y el más ligero que se produce a través de una fisión, debido a que su núcleo tiene la más alta energía de enlace por nucleón (energía necesaria para separar del núcleo un neutrón o un protón); por lo tanto, el núcleo más estable es el del hierro-56 (con 30 neutrones).

Presenta diferentes formas estructurales dependiendo de la temperatura y presión. A presión atmosférica:

Hierro-α: estable hasta los 911 °C. El sistema cristalino es una red cúbica centrada en el cuerpo (bcc).

Hierro-γ: 911 °C - 1392 °C; presenta una red cúbica centrada en las caras (fcc).

Hierro-δ: 1392 °C - 1539 °C; vuelve a presentar una red cúbica centrada en el cuerpo.

Hierro-ε: Puede estabilizarse a altas presiones, presenta estructura hexagonal compacta (hcp).

El hierro-α es ferromagnético hasta la temperatura de Curie (768 °C), a partir de la cual pasa a ser paramagnético. Antiguamente, al hierro-α paramagnético se le llamaba hierro-β, aunque hoy en día no se suele distinguir entre las fases α y β.

Aceros

Los aceros son aleaciones férreas con un contenido máximo de carbono del 2%, el cual puede estar como aleante de inserción en la ferrita y austenita y formando carburo de hierro. Algunas aleaciones no son ferromagnéticas. Éste puede tener otros aleantes e impurezas.

Dependiendo de su contenido en carbono se clasifican en:

Acero bajo en carbono: menos del 0,25% de C en peso. Son blandos pero dúctiles. Se utilizan en vehículos, tuberías, elementos estructurales, etcétera. También existen los aceros de alta resistencia y baja aleación, que contienen otros elementos aleados hasta un 10% en peso; tienen una mayor resistencia mecánica y pueden ser trabajados fácilmente.

Acero medio en carbono: entre 0,25% y 0,6% de C en peso. Para mejorar sus propiedades son tratados térmicamente. Son más resistentes que los aceros bajos en carbono, pero menos dúctiles; se emplean en piezas de ingeniería que requieren una alta resistencia mecánica y al desgaste.

Acero alto en carbono: entre 0,60% y 1,4% de C en peso. Son aún más resistentes, pero también menos dúctiles. Se añaden otros elementos para que formen carburos, por ejemplo, con wolframio se forma el carburo de wolframio, WC; estos carburos son muy duros. Estos aceros se emplean principalmente en herramientas.

Aceros aleados: Con los aceros no aleados, o al carbono, es imposible satisfacer las demandas de la industria actual. Para conseguir determinadas características de resilencia, resistencia al desgaste, dureza y resistencia a determinadas temperaturas deberemos recurrir a estos. Mediante la acción de uno o varios elementos de aleación en porcentajes adecuados se introducen modificaciones químicas y estructurales que afectan a la temlabilidad, características mecánicas, resistencia a oxidación y otras propiedades.

La clasificación más técnica y correcta para los aceros al carbono (sin alear) según su contenido en carbono:

Los aceros hipoeutectoides, cuyo contenido en carbono oscila entre 0.02% y 0,8%.

Los aceros Reacción_eutectoide cuyo contenido en carbono es de 0,8%. Los aceros hipereutectoides con contenidos en carbono de 0,8% a 2%

o Aceros inoxidables: uno de los inconvenientes del hierro es que se oxida con facilidad. Añadiendo un 12% de cromo se considera acero inoxidable, debido a que este aleante crea una capa de óxido de cromo superficial que protege al acero de la corrosión o

formación de óxidos de hierro. También puede tener otro tipo de aleantes como el níquel para impedir la formación de carburos de cromo, los cuales aportan fragilidad y potencian la oxidación intergranular.

El uso más extenso del hierro es para la obtención de aceros estructurales; también se producen grandes cantidades de hierro fundido y de hierro forjado. Entre otros usos del hierro y de sus compuestos se tienen la fabricación de imanes, tintes (tintas, papel para heliográficas, pigmentos pulidores) y abrasivos (colcótar).

Procesos en la fabricación

La gran mayoría de los metales los podemos encontrar en la naturaleza mezclados con otros elementos, formando minerales metálicos. Es por esto que, el primer paso es la: • Obtención del metal: esto consiste en localizar y extraer el mineral, que normalmente se encuentra en el subsuelo. A esta etapa corresponden los trabajos de minería. La extracción de los minerales se realiza practicando minas subterráneas o a cielo abierto con la ayuda de grandes máquinas. Como los minerales metálicos están mezclados con otros materiales, hay que triturar la roca extraída para separar el mineral metálico del resto de materiales. Finalizado el proceso de obtención y tratamiento del metal, podemos fabricar con él una gran variedad de piezas metálicas. Algunos de los procedimientos de trabajo más habituales son: fundición y moldeo, deformación y corte y mecanizado.

Producción de materiales ferrosos (hierro y acero)

Hierro

La mena* principal usada en la producción de hierro y acero es la hematita (Fe2O3), otras menas pueden ser la magnetita (Fe3O4), la siderita (FeCO3) y la limonita (Fe2O3-1.5H20), generalmente estas menas contienen untre un 50 a un 70% de hierro.

Otras materias primas que utilizan para extraer el hierro de sus menas, son el coque y la piedra caliza. El coque es un combustible con alta concentración de carbono que desempeña dos funciones en el proceso de reducción: 1) proporciona calor para la reacción química y 2) produce monóxido de carbono para  reducir las menas de hierro. La piedra caliza se destaca por contener altas proporciones de carbonato de calcio sirve de reactivo para remover el hierro de su mena.

¿Cómo se produce el hierro?

Para producir el hierro, se deja caer por la parte superior de un gran horno, una carga de menas de hierro, coque y piedra caliza. En este horno se hace pasar una corriente de gases calientes a gran velocidad desde la parte baja de la cámara para realizar la combustión y la reducción del hierro. La carga desciende lentamente desde lo alto del horno hacia la base alcanzando temperaturas de hasta 3000 °F, este calor realiza la combustión del coque en su proceso de bajada. El hierro se funde y se va almacenando en la base del horno.

 

Acero

En pocas palabras el acero es una aleación de hierro y carbono, en varias ocasiones se añaden otros elementos como manganeso, cromo, níquel y molibdeno para que tenga otras propiedades, pero el principal elemento es el carbono, este es el que transforma el hierro en acero.

Siderurgia

Siderurgia es la tecnología relacionada con la producción del hierro y sus aleaciones, en especial las que contienen un pequeño porcentaje de carbono, que constituyen los diferentes tipos de acero. A veces, las diferencias entre las distintas clases de hierro y acero resultan confusas por la nomenclatura empleada. En general, el acero es una aleación de hierro y carbono a la que suelen añadirse otros elementos. Algunas aleaciones denominadas `hierros' contienen más carbono que algunos aceros comerciales. El hierro de crisol abierto y el hierro forjado contienen un porcentaje de carbono de sólo unas centésimas. Los distintos tipos de acero contienen entre el 0,04 y el 2,25% de carbono. El hierro colado, el hierro colado maleable y el arrabio contienen entre un 2 y un 4% de carbono. Hay una forma especial de hierro maleable que no contiene casi carbono alguno. Para fabricar aleaciones de hierro y acero se emplea un tipo especial de aleaciones de hierro denominadas ferroaleaciones, que contienen entre un 20 y un 80% del elemento de aleación, que puede ser manganeso, silicio o cromo.

Obtención del mineral de hiero

Fuentes de obtención

Para la obtención del hierro, a partir del mineral que se extrae de los yacimientos, es la reducción de estos por carbón.

Para ello de trata el oxido de hierro con el carbonato formándose óxido de carbonato y hierro libre.

El mineral de hierro se extrae de las minas. Se puede extraer en estado puro o combinado con otros elementos químicos.

De todo el mineral de hierro sólo se aprovecha para la industria dos tipos: los óxidos y el carbonato.

El primer tratamiento al que se debe someter el mineral de hierro es el llamado tratamiento preliminar, consiste en una trituración y molienda, seguida de una separación de la parte útil (mena), de la despreciable (ganga).

Acero

Cuando el contenido en carbono es superior a un 2% en peso, la aleación se denomina fundición. Este carbono puede encontrarse disuelto, formando cementita o en forma libre. Son muy duras y frágiles. Hay distintos tipos de fundiciones:

Gris Blanca Atruchada Maleable americana Maleable europea Esferoidal o dúctil

Sus características varían de un tipo a otra; según el tipo se utilizan para distintas aplicaciones: en motores, válvulas, engranajes, etc.

Por otra parte, los óxidos de hierro tienen variadas aplicaciones: en pinturas, obtención de hierro, la magnetita (Fe3O4) y el óxido de hierro III en aplicaciones magnéticas, etc. El Fe (OH)3, se utiliza en radioquímica para concentrar los actínidos mediante co-precipitación.

Procesos de fundición y transformación

Método del carbón de coque

La misión del carbón de coque es:

Producir, por combustión, el calor necesario para las reacciones químicas de reducción (eliminación del oxígeno) así como fundir la mena dentro del horno alto.

Soportar las cargas dentro del horno alto Producir un gas reductor (CO) que transforme los óxidos en arrabio. Dar permeabilidad a la carga del horno alto y facilitar el paso del gas.

Preparación de los fundentes

En el mineral de hierro siempre quedan impurezas unidas al mineral que es preciso eliminar. Estas impurezas van a reaccionar químicamente con el fundente y formar la escoria, que flotará sobre el metal fundido.

La función principal del fundente, formado por piedra caliza, es la siguiente:

Bajar el punto de fusión de la ganga haciendo que la escoria se mantenga líquida.

Reaccionar químicamente con las impurezas (ganga) que contiene la mena, en el momento en que se encuentra en estado líquido dentro del horno alto, arrastrándolas hacia la parte superior, y formando lo que se denomina escoria.

Preparación de la carga

Las proporciones de materia prima que se introducen en el horno alto son:

· Mineral de hierro.......................... 2Tm

· Carbón de coque........................... 1Tm

· Fundente (piedra caliza)............... 1/2Tm

Funcionamiento del horno alto

Los hornos altos, una vez encendidos, están funcionando ininterrumpidamente hasta que sea necesario hacerles una reparación. Para evitar el escape de humos a la atmósfera en el momento de introducir las cargas por la parte superior, disponen de unos sistemas de apertura especiales.

A medida que baja la carga, su temperatura aumenta hasta que llega al etalaja donde se llegan a producir temperaturas del orden de 1650 ºC, suficientes para que el mineral de hierro (mena)se transforme en gotas de hierra que se depositan en el fondo (crisol), cuya temperatura ronda los 1600 ºC.

La caliza (fundente) reacciona químicamente con las impurezas formando la escoria, que flota sobre el hierro fundido, por el agujero, llamado bigotera o piquera de escoria, se extrae. Esta escoria se utiliza como fertilizante, ya que es muy rica en potasio, y en la fabricación de cementos.

Periódicamente se vacía el crisol por un orificio practicado en la parte baja del mismo, la piquera de arrabio. El hierro líquido (arrabio) se conduce por unas regueras de arena hasta colarlo en las cucharas que permiten conservar el calor del caldo durante el transporte o durante los tiempos de espera.

El arrabio posee exceso de impurezas tale como el azufre, el fósforo, el sicilio, etc. que lo hacen demasiado frágil.

La solución consiste en eliminar esas impurezas en hornos especiales, los hornos de afinado.

Transporte del arrabio

E1 arrabio se vierte en la cuchara torpedo para conducirlo a dos sitios posibles:

A los hornos de afinado. A la zona de lingoteras. Si no interesase transformar el arrabio en acero

se llevaría aquí para solidificarlo.

Existen dos tipos de lingoteras:

o Máquinas de colar. Consiste en una cinta transportadora de acero, con recipientes, en los que se van vertiendo el arrabio.

La cinta es larga y avanza lentamente, poco tiempo después el arrabio estará solidificado.

o Lingoteras permanentes. Consisten en moldes en tronco de pirámide de base cuadrada, sin tapa ni fondo, en los que se introduce, por la parte superior, el arrabio y se deja solidificar. Para extraer el molde se tira de él hacia arriba.

Obtención del acero a partir de la chatarra

Además de chatarra es necesario la aportación de fundentes y ferro aleaciones, cuya misión es la de aportar nuevas propiedades a los aceros a obtener.

Para poder transformar la chatarra en acero es necesario fundirla en hornos especiales.

Los hornos más antiguos son:

El cubilete. En la actualidad ya casi no se emplean. La materia prima que se emplea es la chatarra.

El horno Martin-Siemens. El convertidor Thomas y Bessemer. Se alimenta exclusivamente de

arrabio. Para eliminar las impurezas, se suministra aire y / o oxígeno por la parte inferior del horno, que atraviesa todo el hierro líquido en sentido ascendente. La reacción química del oxígeno con las impurezas (oxidación) produce grandes desprendimientos de calor y fuertes llamaradas.

El horno más empleado en la actualidad para obtención de acero a partir de chatarra es el horno eléctrico.

Estos son los hornos de afinados de los aceros más empleados en la actualidad.

Convertidor o Procedimiento LD: utiliza como materia prima el arrabio procedente del horno alto.

Horno eléctrico: cuya materia prima siempre es chatarra seleccionada.

Colada del acero

Existen tres métodos:

Colada convencional

Consiste en verter el acero líquido sobre moldes con la forma de la pieza que se quiere obtener, se deja solidificar el metal y luego se extrae la pieza.

Colada sobre lingoteras

El acero líquido se introduce en el interior de lingoteras y una vez solidificado, el acero se extrae y se almacena hasta que se vaya a utilizar.

El llenado de las lingoteras se puede realizar de dos maneras posibles:

De manera directa (por arriba). La cuchara se coloca encima de la lingotera y se abre una boquilla que deja caer un chorro de acero líquido sobre la lingotera

Mediante sifón (por el fondo). La cuchara se sitúa sobre un conducto central y vertical del que parten unos canales horizontales de distribución a cada lingotera.

Colada continua

Se trata del procedimiento siderúrgico de más reciente invención y aplicación.

El proceso consiste en verter el acero líquido sobre un molde de fondo desplazable, cuya sección transversal tiene la forma geométrica del producto que se desea fabricar.

Las ventajas que aporta la colada continua son:

Eliminación de gastos tan importantes como lingoteras, preparación de desmoldeo, etc.

Importante reducción del consumo de energía, al no ser necesarios los hornos de recalentar los lingotes.

Disminución de la mono de obra necesaria respecto a la colada sobre lingoteras.

El proceso de colada continua implica menores costes de producción.

Horno de fosa

Como los lingotes se enfrían rápidamente en la superficie pero no en el interior, se colocan en hornos especiales donde se recalientan hasta conseguir que toda la masa se solidifique de forma uniforme.

Trenes de laminación

Una vez que el líquido se ha solidificado se lleva a una serie de trenes de laminación en caliente para darles la forma adecuada.

La laminación consiste en hacer pasar el material (acero al rojo vivo, pero solidificado) entre dos rodillos o cilindros que giran a la misma velocidad pero en sentido contrario. De esta manera se reduce la sección transversal, mediante la presión ejercida por éstos, alargando su longitud.

En la laminación se aprovecha la ductilidad y maleabilidad del acero, que aumenta a medida que lo hace la temperatura.

Se distinguen dos tipos de laminación:

Laminación en caliente: la temperatura del material a laminar está entre 800 y 1250 ºC.

Laminación en frío: cuando se hace a temperatura ambiente.

Dependiendo del producto a obtener cabe destacar los siguientes trenes de laminación:

Tren devastador

Este tren convierte los lingotes en:

Bloom (sección transversal cuadrada y de gran longitud) Slab (sección transversal rectangular y gran longitud)

Tren de perfiles estructurales

Se utilizan blooms para obtener diferentes tipos de perfiles que serán empleados en la fabricación de maquinaria, estructuras de barcos y naves industriales, torres de transmisión eléctrica, etc.

Tren de bandas en caliente

Aquí se emplean los slabs para obtener chapa de distintos tamaños y espesores. Con objeto de mejorar las características de la chapa fabricada, se suele introducir en un tren de laminación en frío.

Uso en la ingeniería

Es importante destacar que metales se utilizan en infinidad de aplicaciones. El hierro por, ejemplo, es uno de los más abundantes en la naturaleza, y con él se obtiene el acero. En las construcciones se utilizan hierro y acero de distintos tipos. Utilizamos el cobre para cables, el estaño lo usamos para soldar, etc. La mayor parte del hierro se utiliza luego de ser sometido a tratamientos especiales, como el hierro forjado, el hierro colado o el acero (tal vez la más usada en construcción en la actualidad por sus características especiales). Los metales son unos materiales de enorme interés. Se usan muchísimo en la industria, pues sus excelentes propiedades de resistencia y conductividad son de gran utilidad en la construcción de máquinas, estructuras, mecanismos, circuitos y herramientas.

Impacto ambiental

Laminación de aceros en caliente y frio

Molestas Fabricación de recipientes metálicos Ruido

Construcciones metálicas y cardería

Fabricación de acero

Nocivas Fundición de hierro y acero Desprendimiento

Fabricación de aceros finos o especiales de

Insalubres Producción de carcasa de cobre gases tóxicos

La quema de carbón, petróleo, etc. para calentar las piezas emiten gases tóxicos, éstos producen:

Lluvia acida:

Efecto invernadero:

Materiales ferrosos en Venezuela

En Venezuela el procesamiento y la obtención de materiales ferrosos es muy variara es decir nuestro país posee gran abundancia de metales ferrosos especialmente en el estado bolívar donde se encuentra la mayor reserva de hierro del país.

La principal industria del país donde se transforma y estructura el hierro es en la corporación venezolana de Guayana la cual es una institución estatal descentralizada, ubicada en el sureste del país, asume el reto de aprovechar racional y sosteniblemente cuantiosos recursos hídricos, forestales, hierro, bauxita, oro, diamantes y otros minerales existentes en la región, además de singulares bellezas naturales, para impulsar el desarrollo nacional a partir de la diversificación económica, y basada en una política de alianzas estratégicas con capitales públicos y privados, nacionales y extranjeros. Un total de 15 empresas y más de 18.000 empleados integran la Corporación que es eje económico y social en una región que incluye 5 estados y más del 50% del territorio venezolano

Compañías que funcionan en la corporación venezolana de Guayana

ALCASA,VENALUM,CARBONORCA,BAUXILUM,ALUNASACABELUM,FUNDEPORTE,ALUCASA,CVGINTERNACIONAL,FERROCASA,TECMIN,CONACAL,PROFORCA,FERROMINERIA,MINERVEN.

Empresa encargada de procesar materiales ferrosos en Venezuela

FERROMINERIA ORINOCO

Es una empresa del Estado, tutelada por la Corporación Venezolana de Guayana (CVG) y adscrita al Ministerio de Industrias Básicas y Minería del Gobierno de la República Bolivariana de Venezuela.

  Nos dedicamos a la extracción, procesamiento, comercialización y venta de mineral de hierro y sus derivados en el territorio venezolano, donde proveemos a una acería y cinco plantas de reducción directa y exportamos a diversos países ubicados en Europa, Asia y América Latina.

  Tiene una capacidad instalada de producción de 25 millones de toneladas por año y una explotación constante en nuestras minas a cielo abierto, ubicadas en el Estado Bolívar.

Cuenta con una Estación de Transferencia de mineral ubicada en Boca de Serpientes, frente al delta del río Orinoco en el océano Atlántico, que puede almacenar hasta 180 mil toneladas métricas de mineral, lo cual le permite una capacidad de transferencia anual del orden de 6,5 millones de toneladas. Asimismo, operamos una red ferroviaria de 320 kilómetros.

  Se marca con una experiencia de calidad y responsabilidad social lo que hace de CVG Ferrominera Orinoco pilar fundamental de la industria ferro siderúrgica nacional, garantizando el crecimiento de la cadena productiva del acero y propiciando la generación de productos de valor agregado, para impulsar el desarrollo endógeno de nuestro país.

[Diagrama de materiales ferrosos]

Minería (extracción material)

Procesamiento del material

Transformación del material

Resultado Final

ANEXOS

Hierro en estado natural

Hierro transformado

Acero galvanizado

Vigas de acero

Corporación venezolana de Guayana