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METALES. Metales férreos Tecnología industrial

I.E.S. “Cristóbal de Monroy”. Dpto. de Tecnología Página 1 de 10

LOS MATERIALES: ORIGEN Y CLASIFICACIÓN

Para poder llevar a cabo un estudio sistemático de los materiales que el ser humano utiliza para satisfacer sus necesidades, hemos de distinguir entre materia prima y material elaborado.

- Denominamos materia prima al material natural que se obtiene de la naturaleza y que puede ser aprovechado directamente o bien ser sometido a diversas transformaciones.

- El material elaborado es el que se obtiene después de someter la materia prima a las transformaciones oportunas.

Para estudiar los materiales pueden hacerse diferentes. Clasificaciones atendiendo a distintas características.

Desde el punto de vista de su composición, se agrupan en dos grandes categorías: los materiales metálicos y los no metálicos.

- Los materiales metálicos son aquellos cuya base fundamental está constituida por un metal, como el hierro, el cobre, el cinc, el aluminio, el plomo, el estaño y otros.

Por su especial utilidad en el campo industrial, distinguiremos dos tipos: los materiales férricos, o materiales derivados del hierro, y los materiales no férricos, derivados del resto de los metales.

- Los materiales no metálicos están formados por aquellos en cuya composición no intervienen los metales como componente básico.

Dependiendo de su origen, distinguiremos los materiales naturales, como la seda o el cuarzo, lo sintéticos, como el hormigón o el vidrio, y los materiales auxiliares, en los que se incluyen los pulimentos, las pinturas, los lubricantes, los insecticidas y otros.

Los materiales cumplen funciones muy distintas, dependiendo de la necesidad que se pretende satisfacer: la alimentación, la vivienda, el vestido y calzado, la ornamentación, la obtención de energía, la fabricación de herramientas, el transporte, la comunicación, etc.

GENERALIDADES ACERCA DE LOS METALES

Todos los metales, excepto el mercurio (líquido a temperatura ambiente), poseen unas características comunes derivadas de su estructura interna, que a su vez es consecuencia de la particularidad propia del enlace metálico.



Algunas de estas características son las siguientes:

- Elevada conductividad térmica y eléctrica.

- Considerable resistencia mecánica.

- Gran plasticidad; es decir, considerable capacidad de deformación antes de la rotura.

- Elevada maleabilidad (capacidad de laminación).

- Carácter reciclable, ya que se pueden fundir y conformar de nuevo.

2.1. Estructuras cristalinas

Los cuerpos sólidos se pueden presentar en dos estados fundamentales:

- Cristalino. Cuando están constituidos por átomos perfectamente ordenados en el espacio. En este grupo se encuentran englobados los meta les, los materiales cerámicos y algunos polímeros que poseen regularidad suficiente.

- Amorfo. Cuando solamente presentan una ordenación espacial a corta distancia. Es el caso de los vidrios y de los polímeros vítreos.

La estructura espacial de un sólido cristalino se construye a partir de una unidad repetitiva o celda unidad.

En los vértices de estas celdas unidad se sitúan los átomos. La repetición de las celdas en el espacio da lugar a las llamadas redes cristalinas simples.

También existe la posibilidad de situar átomos en los centros de las celdas (red cristalina centrada) o de las caras (red cristalina de caras centradas).

Conviene destacar que la mayor parte de los metales de interés industrial únicamente cristalizan en tres tipos de redes:

2.1.1. Soluciones sólidas

En los distntos tipos de redes cristalinas frecuentes en los metales existen una serie de huecos en los que se pueden introducir átomos extraños a la red. De esta forma, se pueden originar las llamadas soluciones sólidas de inserción.

También se pueden formar otro tipo de soluciones sólidas, llamadas de sustitución, en las que los átomos extraños desplazan a los originales de sus posiciones.

Ambos tipos de soluciones no son más que aleaciones de dos metales.



Se dice que dos metales en estado sólido son solubles entre sí cuando en la red cristalina de uno de ellos algunos de sus átomos se pueden sustituir por átomos del otro metal (sustitución) o se pueden insertar en los huecos interatómicos de la red (inserción).

Para que dos metales se puedan alear por sustitución en cualesquiera proporciones, es preciso que se cumplan una serie de requisitos; por ejemplo, que los tamaños de los átomos de los dos metales sean semejantes y que ambos cristalicen en la misma red.

2.1.2. Defectos en la red cristalina

En las redes cristalinas de los metales existen una serie de imperfecciones o defectos de distinto tipo:

? Imperfecciones puntuales debidas a átomos del mismo o de otro metal situados en un punto que no pertenece a la red (átomos intersticia les), o a lugares vacantes, que son puntos de la red vacíos.

? Imperfecciones lineales (denominadas también dislocaciones), que disminuyen la resistencia mecánica de los metales. Estas imperfecciones son las causantes de la deformación plástica en los metales.

? Imperfecciones superficiales. Si bien la estructura de un material cristalino es una red tridimensional homogéneamente ordenada, la de un metal o aleación está compuesta por múltiples zonas ordenadas, dispuestas de tal forma

que sus ejes cristalográficos respectivos no coinciden entre sí. A estas zonas se las denomina cristales o granos, y a la zona límite entre dos de ellos (imperfección a nivel superficial) se la conoce como junta de grano.

La formación de granos en el interior de los metales se produce durante el proceso de solidificación. Cuando se enfría un metal en estado líquido,llega un momento en que los átomos comienzan a ordenarse en el espacio; es decir, comienza la cristalización, verificándose simultáneamente desde varios puntos en el interior del material. De ahí que, una vez concluida la cristalización, existan diversas zonas ordenadas que están separadas por juntas de grano.

La forma de los granos en un metal es habitualmente equiáxica; es decir, no existe ninguna dimensión que prevalezca sobre las demás. Aunque si el material se ha deformado en frío, por ejemplo mediante laminación, los granos pueden adoptar

formas alargadas.

LOS MATERIALES FÉRRICOS

Se denominan materiales férricos aquellos cuyo componente principal es el hierro, asociado con otras sustancias, tanto metálicas como no metálicas.



Entre la gran variedad de materiales metálicos empleados por la industria, merecen especial atención el hierro y sus derivados, denominados genéricamente materiales férricos.

No se conoce con exactitud la fecha en que se descubrió la técnica de fundir mineral de hierro para producir un metal susceptible de ser utilizado. Los primeros utensilios de hierro descubiertos por los arqueólogos en Egipto datan del año 3.000 a.C., y se sabe que antes de esa época se empleaban adornos de hierro. Los griegos ya conocían hacia el 1.000 a.C. la técnica, de cierta complejidad, para endurecer armas de hierro mediante tratamiento térmico.

Las aleaciones producidas por los primeros artesanos del hierro (y, de hecho, todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV d.C.) se clasificarían en la actualidad como hierro forjado. Para producir esas aleaciones se calentaba una masa de mineral de hierro y carbón vegetal en un horno o forja con tiro forzado.

Ese tratamiento reducía el mineral a una masa esponjosa de hierro metálico llena de una escoria formada por impurezas metálicas y cenizas de carbón vegetal. Esta esponja de hierro se retiraba mientras permanecía incandescente y se golpeaba con pesados martillos para expulsar la escoria y soldar y consolidar el hierro. El hierro producido en esas condiciones solía contener un 3% de partículas de escoria y un 0,1% de otras impurezas. En ocasiones esta técnica de fabricación producía accidentalmente auténtico acero en lugar de hierro forjado. Los artesanos del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro forjado y carbón vegetal en recipientes de arcilla durante varios días, con lo que el hierro absorbía suficiente carbono para convertirse en

acero auténtico.

Después del siglo XIV se aumentó el tamaño de los hornos utilizados para la fundición y se incrementó el tiro para forzar el paso de los gases de combustión por la carga o mezcla de materias primas. En estos hornos de mayor tamaño el mineral de hierro de la parte superior del horno se reducía a hierro metálico y a continuación absorbía más carbono como resultado de los gases que lo atravesaban. El producto de estos hornos era el llamado arrabio, una aleación que funde a una temperatura menor que el acero o el hierro forjado. El arrabio se refinaba después para fabricar acero.

La producción moderna de acero emplea altos hornos que son modelos perfeccionados de los usados antiguamente. El proceso de refinado del arrabio mediante chorros de aire se debe al inventor británico Henry Bessemer, que en 1855 desarrolló el horno o convertidor que lleva su nombre. Desde la década de 1960 funcionan varios minihornos que emplean electricidad para producir acero a partir de chatarra. Sin embargo, las grandes instalaciones de altos hornos continúan siendo esenciales para producir acero a partir de mineral de hierro.

Aunque la palabra hierro designa, en sentido estricto, al elemento químico en estado puro, suele aplicarse también a



multitud de productos elaborados en los que éste se presenta como componente básico mez-clado con otros elementos en distintas proporciones.

El consumo de estos productos en la industria representa más del 90 % del consumo total de materiales metálicos, debido a su resistencia y a su coste de obtención, relativamente bajo.

Minerales del hierro

El elemento químico hierro forma parte de la corteza terrestre en un porcentaje del 5 %. Nunca se presenta en estado puro, sino combinado en forma de óxidos, hidróxidos, carbonatos y sulfuros. Los principales minerales de los que forma parte son la magnetita, la hematites roja, la siderita, la limonita y la pirita.

. La magnetita es una mezcla de óxidos de hierro. Es de color oscuro, casi negro, y resulta una excelente mena de hierro, ya que posee el 60-70 % de este elemento. Sin embargo, es poco abundante en la na turaleza.

. La hematites roja es óxido de hierro. Se presenta en forma de masas compactas de color rojo. Contiene un 40-60 % de hierro y es mucho más abundante que el mineral anterior.

. La siderita es carbonato de hierro. Tiene color amarillento y algunos fragmentos presentan brillo como de vidrio. Es la mena fundamental de hierro -de ahí su nombre-, aunque su porcentaje de riqueza oscila en torno al 30-40 %.

. La limonita es hidróxido de hierro. Procede de la alteración de otros minerales de hierro. En ocasiones se presenta en forma de masas compactas de color pardo o negruzco. Otras veces impregna Las arcillas y las tierras de cultivo dándoles un color amarillo característico. Puede aprovecharse como mena de hierro, aunque su rendimiento es escaso debido a su bajo contenido de este metal.

. La pirita es sulfuro de hierro mezclado con compuestos de cobre. Es un mineral muy abundante en nuestro país y presenta un color amarillo característico, con brillo metálico. A pesar de su abundancia, apenas se utiliza como mena de hierro

OBTENCIÓN DE HIERRO: EL HORNO ALTO

El dispositivo habitual para obtener hierro a partir de sus minerales es el denominado horno alto. Se trata de una instalación compleja cuyo principal objetivo es la obtención de arrabio, es decir, hierro con un contenido en carbono que oscila entre el 2,6 % Y el 6,7 % Y que contiene otras cantidades de silicio, manganeso, azufre y fósforo que oscilan en torno al 0,05 %.



El cuerpo central de la instalación denominada horno alto está formado por dos troncos de cono colocados uno sobre otro y unidos por su base más ancha. Su altura oscila entre los 30 y los 80 m y su diámetro máximo está comprendido entre los 10 y los 14 m.

La pared interior está construida de ladrillo refractario y la exterior es de acero. Entre ambas pasan los canales de refrigeración.

La parte superior del horno alto se denomina tragante. Se compone de dos tolvas en forma de campana, provistas de un dispositivo de apertura y cierre que evita que se escapen los gases en el momento de la carga del material.

Producción del carbón de cok

En el proceso siderúrgico, el carbón de cok actúa como: combustible y reductor de los óxidos de hierro.

Se obtiene a partir de carbones de hulla con un bajo contenido en azufre (menor del 1 %) y cenizas (por debajo del 8%); son las llamadas hullas grasas y semigrasas, que poseen un contenido en materias volátiles de entre el 22 y el 30%.

El carbón de cok siderúrgico se obtiene industrialmente eliminando la materia volátil del carbón de hulla y aglutinándolo poste riormente. Para ello, se introduce la pasta de carbón (mezcla de diferentes tipos de hullas trituradas finamente) en las llamadas baterías de hornos de cok. En estos hornos se somete la pasta de carbón a un proceso de coquizado, consistente en calentar el carbón por encima de 1000 ºC, en ausencia de aire y durante 16 horas aproximadamente. El calentamiento se realiza en hornos cerrados, que reciben el calor a través de las paredes laterales. Como consecuencia de este proceso, la materia volátil de la hulla se desprende y los granos de hulla se aglutinan.

Cuando termina el proceso se extrae el carbón de cok siderúrgico de las baterías y se rocía con agua para evitar su combustión, ya que arde espontáneamente al entrar en contacto con el oxígeno del aire.

El cok siderúrgico es un material duro y poroso, con un contenido en carbono superior al 90%.

La materia volátil que se desprende en el proceso de coquizado, una vez depurada, se utiliza como combustible en

los mismos hornos de cok -para continuar el proceso- o en otras insta laciones.



Los hornos de cok se llenan de pasta de carbón por su parte superior. Una vez finalizado el proceso de coquizado, para proceder al vaciado del cok, se abren las dos compuertas la terales del horno y, mediante una máquina deshornadora, se empuja hacia fuera; luego, se transporta por medio de una vagoneta hasta la torre de apagado, con el fin de evitar su combustión espontánea.

Los materiales se introducen en el interior del alto horno en capas alternadas

Una capa formada por una mezcla de minerales de hierro. Antes de introducirlo, el mineral es sometido a una serie de tratamientos de lavado (para eliminar la mayor cantidad posible de impurezas, como tierra, rocas, cal y sílice) y desmenuzado (para facilitar los procesos de transformación que van a tener lugar).

El mineral extraído de una mina de hierro puede ser de carga directa a los altos hornos o puede requerir de un proceso de peletización para ser utilizado en la producción.

Es importante destacar que si el mineral posee bajo contenido de impurezas (principalmente fósforo y azufre), puede ser utilizado para carga directa, requiriendo sólo tratamientos de molienda y concentración.

Si, por el contrario, el contenido de impurezas es relativamente alto, se realiza también la molienda y concentración, pero requiere además de un proceso químico de peletización, donde se reducen significativamente dichas impurezas.

Una capa de carbón de cok.

Una capa de material fundente, formado básicamente por caliza, que se encarga de arrastrar la ganga del mineral y las cenizas. Con todo este material se forma la escoria.

En la cuba se produce el primer calentamiento En esta zona se elimina la humedad del mineral y se calcina la caliza, con desprendimiento de dióxido de carbono y formación de cal. El monóxido de carbono producido por la combustión del cok en la parte inferior se encarga de reducir los óxidos de hierro hasta obtener una masa esponjosa de hierro metálico.

La parte más ancha se denomina vientre y en ella tiene lugar el proceso de fusión del hierro y de la escoria.



Bajo el vientre están las toberas, encargadas de insuflar el aire necesario para la combustión. Este aire procede de unas instalaciones denominadas recuperadores de calor, que aprovechan la energía térmica del gas que sale del horno alto para precalentar el aire. De este modo se consigue que la temperatura del horno alto sobrepase los 1.500 ºC, con lo que se logra un importante ahorro del carbón de cok.

La parte inferior del horno se llama etalaje y su forma compensa la disminución de volumen del material, que se produce como consecuencia de su reducción y de la pérdida de materias volátiles. En esta zona se depositan el hierro y la escoria fundidos. Como la escoria es de menor densidad que el hierro, queda flotando sobre él. De este modo se protege el hierro de la oxidación.



Carga típica en Alto Horno Composición química del Arrabio Componentes kg/t kg/carga Mineral de Hierro 490 9.600 Pellets 995 19.600 Chatarra 15 300 Mineral de Mn 22 450 Caliza 112 2.300 Cuarzo 12 250 Cok 451 9.200 Petróleo + Alquitrán 44 899

Aire Insuflado 1.530 m3/min

Temperatura Aire Insuflado 1.030ºC

Elementos % Hierro (Fe) 93,70 Carbono (C) 4,50 Manganeso (Mn) 0,40 Silicio (Si) 0,45 Fósforo (P) 0,110 Azufre (S) 0,025 Vanadio (V) 0,35 Titanio (Ti) 0,06 Temperatura en Alto Horno : 1.460ºC

Las materias primas se cargan en la parte superior del horno. El aire, que ha sido precalentado hasta los 1.030 ºC aproximadamente, es forzado dentro de la base del horno para quemar el cok. El cok en combustión genera el intenso calor requerido para fundir el mineral y produce los gases necesarios para separar el hierro del mineral. En forma muy simplificada las reacciones son:

Carbono (Cok)

2C

+

Oxígeno (aire)

O2

Calor

Calor

+

Monóxido de Carbono Gaseoso

2CO

Oxido de Hierro

Fe2O3

+

Monóxido de Carbono

3CO

Hierro Fundido

2Fe Hierro

+

Dióxido de Carbono Gaseoso

3CO2

Impurezas en el Mineral Fundido + Piedra Caliza

ESCORIA

La extracción de la escoria y el hierro fundido se lleva a cabo a través de dos orificios situados en la parte inferior, denominados bigotera y piquera.

. Por la bigotera se extrae la escoria que sobrenada. Ésta suele emplearse como subproducto para la obtención de abonos y cementos especiales, llamados de clinquerización.

. Por la piquera sale el hierro fundido, que se denomina arrabio, hierro colado o fundición de primera fusión.

El arrabio fundido se vierte directamente en torpedos y se transporta a las lingoteras, para obtener lingotes de hierro o a los convertidores, donde se transformará en acero.



Una vez iniciado el proceso, los hornos altos funcionan de manera continua y sólo se apagarán cuando sea necesario efectuar reparaciones, como consecuencia del desgaste del material refractario del recubrimiento de sus paredes.

La materia prima que se va a introducir en el horno se divide en un determinado número de pequeñas cargas que se introducen a intervalos de entre 10 y 15 minutos. La escoria que flota sobre el metal fundido se retira una vez cada dos horas, y el arrabio se sangra cinco veces al día , aunque éste período de tiempo puede modificarse controlando la inyección de aire por las toberas.

Para reducir el consumo energético del proceso se emplean diversas técnicas, como la sinterización del mineral, la inyección de gases combustibles por las toberas o la mejora de la calidad del cok, disminuyendo su contenido en humedad y empleando granos de hierro y tamaño. De este modo se ha conseguido pasar de 1.000 a 500 kg la cantidad de cok necesario para obtener una tonelada de arrabio.

Productos siderúrgicos

Los distintos productos que se obtienen a partir de los minerales de hierro se denominan, en general, productos siderúrgicos y pueden clasificarse en tres grandes grupos, dependiendo de su contenido en carbono: el hierro dulce, las fundiciones y los aceros

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