UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADORFACULTAD DE INGENIERIA, CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICA

ESCUELA DE ING. CIVIL

ENSAYO DE MATERIALES I

FABRICACIÓN DEL ACERO

MULLO ALPUSIG W. PAUL

SEMESTRE: TERCERO

PARALELO: TERCERO

MARZO 2010 – AGOSTO 2010

ACEROINTRODUCCION

El acero es la aleación de hierro y carbono, donde el carbono no supera el 2,1% en peso, de la composición de la aleación, alcanzando normalmente porcentajes entre el 0,2% y el 0,3%. Porcentajes mayores que el 2% de carbono dan lugar a las fundiciones, aleaciones que al ser quebradizas y no poderse forjar a diferencia de los aceros, se moldean.

La definición anterior, sin embargo, se circunscribe a los aceros al carbono en los que éste último es el único aleante o los demás presentes lo están en cantidades muy pequeñas pues de hecho existen multitud de tipos de acero con composiciones muy diversas que reciben denominaciones específicas en virtud ya sea de los elementos que predominan en su composición (aceros al silicio), de su susceptibilidad a ciertos tratamientos (aceros de cementación), de alguna característica potenciada (aceros inoxidables) e incluso en función de su uso (aceros estructurales). Usualmente estas aleaciones de hierro se engloban bajo la denominación genérica de aceros especiales, razón por la que aquí se ha adoptado la definición de los comunes o "al carbono" que amén de ser los primeros fabricados y los más empleados, sirvieron de base para los demás. Esta gran variedad de aceros llevó a Siemens a definir el acero como «un compuesto de hierro y otra sustancia que incrementa su resistencia».

Por la variedad ya apuntada y por su disponibilidad sus dos elementos primordiales abundan en la naturaleza facilitando su producción en cantidades industriales, los aceros son las aleaciones más utilizadas en la construcción de maquinaria, herramientas, edificios y obras públicas, habiendo contribuido al alto nivel de desarrollo tecnológico de las sociedades industrializadas. Sin embargo, en ciertos sectores, como la construcción aeronáutica, el acero apenas se utiliza debido a que es un material muy denso, casi tres veces más denso que el aluminio (7850 kg/m³ de densidad frente a los 2700 kg/m³ del aluminio).

Aunque no se tienen datos precisos de la fecha en la que se descubrió la técnica de fundir mineral de hierro para producir un metal susceptible de ser utilizado, los primeros utensilios de este metal descubiertos por los arqueólogos en Egipto datan del año 3000 a. C. También se sabe que antes de esa época se empleaban adornos de hierro.

El acero era conocido en la antigüedad, y quizá pudo haber sido producido por el método de boomery, fundición de hierro y sus óxidos en una chimenea de piedra u otros materiales naturales

resistentes al calor, y en el cual se sopla aire para que su producto, una masa porosa de hierro (bloom) contuviese carbón.

Algunos de los primeros aceros provienen del Este de África, fechados cerca de 1400 a. C.

En el siglo IV a. C. armas como la falcata fueron producidas en la península Ibérica.

La China antigua bajo la dinastía Han, entre el 202 a. C. y el 220 d. C., creó acero al derretir hierro forjado junto con hierro fundido, obteniendo así el mejor producto de carbón intermedio, el acero, en torno al siglo I a. C.

Junto con sus métodos originales de forjar acero, los chinos también adoptaron los métodos de producción para la creación de acero wootz, una idea importada de India a China hacia el siglo V

El acero wootz fue producido en India y en Sri Lanka desde aproximadamente el año 300 a. C. Este temprano método utilizaba un horno de viento, soplado por los monzones.

También conocido como acero Damasco, el acero wootz es famoso por su durabilidad y capacidad de mantener un filo. Originalmente fue creado de un número diferente de materiales, incluyendo trazas de otros elementos en concentraciones menores a 1000 partes por millón o 0,1% de la composición de la roca. Era esencialmente una complicada aleación con hierro como su principal componente. Estudios recientes han sugerido que en su estructura se incluían nanotubos de carbono, lo que quizá explique algunas de sus cualidades legendarias; aunque teniendo en cuenta la tecnología disponible en ese momento fueron probablemente producidos más por casualidad que por diseño.

El acero crucible (Crucible steel) basado en distintas técnicas de producir aleaciones de acero empleando calor lento y enfriando hierro puro y carbón, fue producido en Merv entre el siglo IX y el siglo X.

En China, bajo la dinastía Song del siglo XI, hay evidencia de la producción de acero empleando dos técnicas: una de un método "berganesco" que producía un acero de calidad inferior por no ser homogéneo, y un precursor del moderno método Bessemer el cual utilizaba una descarbonización a través de repetidos forjados bajo abruptos enfriamientos (cold blast).

El hierro para uso industrial fue descubierto hacia el año 1500 a. C., en Medzamor, cerca de Ereván, capital de Armenia y del monte Ararat. La tecnología del hierro se mantuvo mucho tiempo en secreto, difundiéndose extensamente hacia el año 1200 a. C.

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.

Las características conferidas por la templabilidad no consta que fueran conocidas hasta la Edad Media, y hasta el año 1740 no se produjo lo que hoy día denominamos acero.

Los métodos antiguos para la fabricación del acero consistían en obtener hierro dulce en el horno, con carbón vegetal y tiro de aire. Una posterior expulsión de las escorias por martilleo y carburación del hierro dulce para cementarlo. Luego se perfeccionó la cementación fundiendo el acero cementado en crisoles de arcilla y en Sheffield (Inglaterra) se obtuvieron, a partir de 1740, aceros de crisol.

Fue Benjamín Huntsman el que desarrolló un procedimiento para fundir hierro forjado con carbono, obteniendo de esta forma el primer acero conocido.

En 1856, Sir Henry Bessemer, hizo posible la fabricación de acero en grandes cantidades, pero su procedimiento ha caído en desuso, porque solo podía utilizar hierro que contuviese fósforo y azufre en pequeñas proporciones.

En 1857, Sir William Siemens ideó otro procedimiento de fabricación industrial del acero, que en la actualidad ha caído en desuso, el procedimiento Martin Siemens, por descarburación de la fundición de hierro dulce y óxido de hierro, calentando con aceite, gas de coque, o una mezcla da gas de alto horno y de coque. Siemens había experimentado en 1878 con la electricidad para calentar los hornos de acero, pero fue el metalúrgico francés Paul Héroult el coinventor del método moderno para fundir aluminio quien inició en 1902 la producción comercial del acero en hornos eléctricos a arco.

El método de Héroult consiste en introducir en el horno chatarra de acero de composición conocida haciendo saltar un arco eléctrico entre la chatarra y unos grandes electrodos de carbono situados en el techo del horno.

En 1948 se inventa el proceso del oxígeno básico L-D. Tras la segunda guerra mundial se iniciaron experimentos en varios países con oxígeno puro en lugar de aire para los procesos de refinado del acero. El éxito se logró en Austria en 1948, cuando una fábrica de acero situada cerca de la ciudad de Linz, Donawitz desarrolló el proceso del oxígeno básico o L-D.

En 1950 se inventa el proceso de colada continua que se usa cuando se requiere producir perfiles laminados de acero de sección constante y en grandes cantidades. El proceso consiste en colocar un molde con la forma que se requiere debajo de un crisol, el que con una válvula puede ir dosificando material fundido al molde. Por gravedad el material fundido pasa por el molde, el que está enfriado por un sistema de agua, al pasar el material fundido por el molde frío se convierte en pastoso y adquiere la forma del molde. Posteriormente el material es conformado con una serie de rodillos que al mismo tiempo lo arrastran hacia la parte exterior del sistema. Una vez conformado el material con la forma necesaria y con la longitud adecuada el material se corta y almacena.

En la actualidad se utilizan algunos metales y metaloides en forma de ferroaleaciones, que, unidos al acero, le proporcionan excelentes cualidades de dureza y resistencia.

Actualmente, el proceso de fabricación del acero, se completa mediante la llamada Metalurgia Secundaria. En esta etapa, se otorgan al acero líquido las propiedades químicas, temperatura, contenido de gases, nivel de inclusiones e impurezas deseadas. La unidad más común de Metalurgia Secundaria es el Horno Cuchara. El acero aquí producido está listo para ser posteriormente colado, en forma convencional o en colada continua.

El uso intensivo que tiene y ha tenido el acero para la construcción de estructuras metálicas ha conocido grandes éxitos y rotundos fracasos que al menos han permitido el avance de la ciencia de materiales. Así, el 7 de noviembre de 1940 el mundo asistió al colapso del puente Tacoma Narrows al entrar en resonancia con el viento. Ya durante los primeros años de la Revolución Industrial se produjeron roturas prematuras de ejes de ferrocarril que llevaron a William Rankine a postular la fatiga de materiales y durante la Segunda Guerra Mundial se produjeron algunos hundimientos imprevistos de los cargueros estadounidenses Liberty al fragilizarse el acero por el mero descenso de la temperatura, problema inicialmente achacado a las soldaduras.

En muchas regiones del mundo, el acero es de gran importancia para la dinámica de la población, industria y comercio.

MATERIAS PRIMAS PARA LA FABRICACIÓN DEL ACERO

Los tres materiales básicos que se utilizan en la fabricación del hierro y del acero son el mineral de hierro, la piedra caliza y el coque. Aunque no existe en estado libre en la naturaleza, el hierro es uno de los elementos de mayor abundancia en el mundo, formando aproximadamente 5% de la corteza terrestre (bajo forma de varios minerales). Los principales minerales de hierro son la taconita (una roca negra de tipo pedernal), la hematita (un

mineral de óxido de hierro), la limonita (un óxido de hierro que contiene agua), magnetita (Fe304), hematita (Fe203) y siderita (FeC03), denominados estos últimos, de acuerdo con la nomenclatura química, óxido ferroso férrico, óxido férrico y carbonato de hierro, respectivamente.

Una vez extraído de la mina, el mineral es triturado en partículas finas, las impurezas son eliminadas utilizando varios métodos como la separación magnética, y el mineral se forma en pelets o bolas, utilizando aglutinantes y agua. Comúnmente, las pastillas son de aproximadamente 65% de hierro puro y de casi 25 milímetros (1 pulgada) de diámetro. El mineral de hierro concentrado se conoce como beneficiado (como otros minerales concentrados). Algunos minerales ricos en hierro se utilizan directamente sin hacerlo en pelets. El mineral empleado se mezcla con carbón , coque por ejemplo, y un fundente, en un alto horno en el cual, por combustión incompleta del carbón, se forma del gas reductor llamado monóxido de carbono (CO) o simplemente óxido de carbono, que reduce al mineral y deja en libertad al hierro. Éste, fundido, se recoge en el pozo del horno, o crisol de donde se retira la escoria, por una abertura superior, y la masa líquida de hierro bruto o arrabio, por otra más baja, dejando que se derrame en moldes de arena, o en moldes enfriados, donde solidifica. El arrabio, que contiene 1,5 a 4 por ciento de carbono, en parte libre en forma de grafito y en parte combinado con el hierro con el que constituye el carburo de hierro (Fe3C), junto con otras impurezas, entre ellas, fósforo, azufre y silicio sirve para preparar, hierro dulce y acero. Prácticamente, la mayor proporción de arrabio se utiliza en la industria moderna para obtener el acero, que es hierro que contiene de 0,16 hasta casi 2 por ciento de carbono y vestigios mínimos de fósforo y azufre.

El coque se obtiene de grados especiales de carbón bituminoso, que se calienta en hornos verticales hasta temperaturas de 1150°C (2100°F) y luego se enfría con agua en torres de enfriamiento. El coque tiene varias funciones en la fabricación del acero. Otra es generar el elevado nivel de calor requerido para que ocurran las reacciones químicas en la fabricación del acero. Un segundo es producir monóxido de carbono (un gas reductor, elimina el oxígeno), el cual es utilizado para reducir el óxido de hierro a hierro. Los subproductos químicos del coque se utilizan en la fabricación de plásticos o de compuestos químicos. Los gases que han sido emitidos durante la conversión de carbón a coque se utilizan como combustible para las operaciones de la planta.

La función de la piedra caliza (carbonato de calcio) es remover impurezas del hierro fundido. La caliza reacciona químicamente con las impurezas, actuando como fundente (lo que significa, que fluye como fluido) lo que hace que las impurezas se fundan a baja temperatura. La caliza se combina con las impurezas y forma una escoria, que es ligera, flota sobre el metal fundido, y que subsecuentemente es eliminada. La dolomita (un mineral de carbonato de magnesio y calcio) se utiliza como fundente. Posteriormente la escoria es utilizada en la fabricación de cemento, fertilizantes, vidrio, materiales para construcción, aislamiento de lana mineral y de balastre para carreteras.

Fabricación de hierro

Las tres materias primas son llevadas a la parte superior de un alto horno y lanzado dentro del mismo; este proceso se conoce como cargar el horno. El principio de este horno fue desarrollado en Europa Central; el primer alto horno que se construyó en Estados Unidos empezó a operar en 1621. El alto horno es básicamente un gran cilindro de acero recubierto con tabique refractario resistente al calor; tiene la altura de aproximadamente un edificio de 10 pisos.

La mezcla de la carga se funde en una reacción a 1650°C (3000°F) con aire precalentado a aproximadamente 1100°C (2000°F) y soplado en el horno (de ahí el término en inglés de blast furnace) a través de toberas (tulleres). Aunque ocurre un cierto número de reacciones, la reacción básica es la del oxígeno con el carbono, para producir monóxido de carbono, que a su vez reacciona con el óxido de hierro y lo reduce a hierro. El precalentamiento del aire de entrada es necesario, porque la sola combustión del coque no produce temperaturas suficientemente elevadas para que ocurran las reacciones.

El metal fundido se acumula en la parte inferior del alto horno, en tanto que las impurezas flotan hacia la parte superior del metal. A intervalos de 4 a 5 horas, el metal fundido es vaciado en cubas o carros torpedo, cada una de ellas con 160 toneladas de hierro.

El metal fundido en esta etapa se conoce como hierro cochino, o simplemente arrabio caliente. Tiene una composición típica de 4% de carbono, 1.5% de silicio, 1 % de manganeso, 0.04% de azufre y 0.04% de fósforo, siendo el resto de hierro. El uso de la palabra cochino en inglés, proviene de las primeras prácticas de vaciar el hierro fundido en pequeños moldes en la arena, organizados como una anidada de cochinos alrededor de un canal principal. El metal solidificado (cochino) se utiliza después en la fabricación de hierros y aceros.

Hasta los 911 °C, el hierro ordinario, cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (BCC) y recibe la denominación de hierro α o ferrita. Es un material dúctil y maleable responsable de la buena forjabilidad de las aleaciones con bajo contenido en carbono y es ferro magnético hasta los 770 °C (temperatura de Curie a la que pierde dicha cualidad). La ferrita puede disolver muy pequeñas cantidades de carbono.

Entre 911 y 1400 °C cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras (FCC) y recibe la denominación de hierro γ o austenita. Dada su mayor compacidad la austenita se deforma con mayor facilidad y es paramagnética.

Entre 1400 y 1538 °C cristaliza de nuevo en el sistema cúbico centrado en el cuerpo y recibe la denominación de hierro δ que es en esencia el mismo hierro alfa pero con parámetro de red mayor por efecto de la temperatura.

A mayor temperatura el hierro se encuentra en estado líquido.

Si se añade carbono al hierro, sus átomos podrían situarse simplemente en los intersticios de la red cristalina de éste último; sin embargo en los aceros aparece combinado formando carburo de hierro (Fe3C), es decir, un compuesto químico definido y que recibe la denominación de cementita de modo que los aceros al carbono están constituidos realmente por ferrita y cementita.

Otros elementos en el acero

Elementos aleantes del acero y mejoras obtenidas con la aleación

Aunque la composición química de cada fabricante de aceros es casi secreta, certificando a sus clientes solo la resistencia y dureza de los aceros que producen, sí se conocen los compuestos agregados y sus porcentajes admisibles.

• Aluminio: se emplea como elemento de aleación en los aceros de nitruración, que suele tener 1% aproximadamente de aluminio. Como desoxidante se suele emplear frecuentemente en la fabricación de muchos aceros. Todos los aceros aleados en calidad contienen aluminio en porcentajes pequeñísimos, variables generalmente desde 0,001 a 0,008%. También se utiliza como elemento desoxidante.

• Boro: en muy pequeñas cantidades (del 0,001 al 0,0015%) logra aumentar la capacidad de endurecimiento cuando el acero está totalmente desoxidado, pues se combina con el carbono para formar carburos proporcionando un revestimiento duro y mejorando la templabilidad. Es usado en aceros de baja aleación en aplicaciones como cuchillas de arado y alambres de alta ductilidad y dureza superficial. Utilizado también como trampa de nitrógeno, especialmente en aceros para trefilación, para obtener valores de N menores a 80 ppm.

• Cobalto: muy endurecedor. Disminuye la templabilidad. Mejora la dureza en caliente. El cobalto es un elemento poco habitual en los aceros. Se usa en los aceros rápidos para herramientas, aumenta la dureza de la herramienta en caliente. Se utiliza para aceros refractarios. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros.

• Cromo: es uno de los elementos especiales más empleados para la fabricación de aceros aleados, usándose indistintamente en los aceros de construcción, en los de herramientas, en los inoxidables y los de resistencia en caliente. Se emplea en cantidades diversas desde 0,30% a 30%,

según los casos y sirve para aumentar la dureza y la resistencia a la tracción de los aceros, mejora la templabilidad, impide las deformaciones en el temple, aumenta la resistencia al desgaste, la inoxidabilidad (con concentraciones superiores al 12%). Forma carburos muy duros y comunica al acero mayor dureza, resistencia y tenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos, proporciona a los aceros características de inoxidables y refractarios; también se utiliza en revestimientos embellecedores o recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste, como émbolos, ejes.

• Estaño: es el elemento que se utiliza para recubrir láminas muy delgadas de acero que conforman la hojalata.

• Manganeso: aparece prácticamente en todos los aceros, debido, principalmente, a que se añade como elemento de adición para neutralizar la perniciosa influencia del azufre y del oxigeno, que siempre suelen contener los aceros cuando se encuentran en estado líquido en los hornos durante los procesos de fabricación. El manganeso actúa también como desoxidante y evita, en parte, que en la solidificación del acero que se desprendan gases que den lugar a porosidades perjudiciales en el material. Si los aceros no tuvieran manganeso, no se podrían laminar ni forjar, porque el azufre que suele encontrarse en mayor o menor cantidad en los aceros, formarían sulfuros de hierro, que son cuerpos de muy bajo punto de fusión (981º aprox.) que a las temperaturas de trabajo en caliente (forja o laminación) funden, y al encontrarse contorneando los granos de acero crean zonas de debilidad y las piezas y barras se abren en esas operaciones de transformación. Los aceros ordinarios y los aceros aleados en los que el manganeso no es elemento fundamental, suelen contener generalmente porcentajes de manganeso variables de 0,30 a 0,80%.

• Molibdeno: es un elemento habitual del acero y aumenta mucho la profundidad de endurecimiento de acero, así como su tenacidad. Los aceros inoxidables austeníticos contienen molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión.

• Nitrógeno: se agrega a algunos aceros para promover la formación de austenita.

• Níquel: una de las mayores ventajas que reporta el empleo del níquel, es evitar el crecimiento del grano en los tratamientos térmicos, lo que sirve para producir en ellos gran tenacidad. El níquel además hace descender los puntos críticos y por ello los tratamientos pueden hacerse a temperaturas ligeramente más bajas que la que corresponde a los aceros ordinarios. Experimentalmente se observa que con los aceros aleados con níquel se obtiene para una misma dureza, un límite de elasticidad ligeramente más elevado y mayores alargamientos y resistencias que con los aceros al carbono o de baja aleación. En la actualidad se ha restringido mucho su empleo, pero sigue siendo un elemento de aleación indiscutible para los aceros de construcción empleados en la fabricación de piezas para máquinas y motores de gran responsabilidad, se destacan sobre todo en los aceros cromo-níquel y cromo-níquel-molibdeno. El níquel es un elemento de extraordinaria importancia en la fabricación de aceros inoxidables y resistentes a altas temperaturas, en los que además de cromo se emplean porcentajes de níquel variables de 8

a 20%. Es el principal formador de austenita, que aumenta la tenacidad y resistencia al impacto. El níquel se utiliza mucho para producir acero inoxidable, porque aumenta la resistencia a la corrosión.

• Plomo: el plomo no se combina con el acero, se encuentra en él en forma de pequeñísimos glóbulos, como si estuviese emulsionado, lo que favorece la fácil mecanización por arranque de viruta, (torneado, cepillado, taladrado, etc.) ya que el plomo es un buen lubricante de corte, el porcentaje oscila entre 0,15% y 0,30% debiendo limitarse el contenido de carbono a valores inferiores al 0,5% debido a que dificulta el templado y disminuye la tenacidad en caliente.se añade a algunos aceros para mejorar mucho la maquinabilidad.

• Silicio: aumenta moderadamente la templabilidad. Se usa como elemento desoxidante. Aumenta la resistencia de los aceros bajos en carbono.

• Titanio: se usa para estabilizar y desoxidar el acero, mantiene estables las propiedades del acero a alta temperatura.

• Tungsteno: también conocido como wolframio. Forma con el hierro carburos muy complejos estables y durísimos, soportando bien altas temperaturas. En porcentajes del 14 al 18 %, proporciona aceros rápidos con los que es posible triplicar la velocidad de corte de loa aceros al carbono para herramientas.

• Vanadio: posee una enérgica acción desoxidante y forma carburos complejos con el hierro, que proporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga, tracción y poder cortante en los aceros para herramientas.

• Zinc: es elemento clave para producir chapa de acero galvanizado.

Los porcentajes de cada uno de los aleantes que pueden configurar un tipo determinado de acero están normalizados.

PROCESOS DE FABRICACIÓN DEL ACERO

El hierro en estado puro no posee la resistencia y dureza necesarias para las aplicaciones de uso común. Sin embargo, cuando se combina con pequeñas cantidades de carbono se obtiene un metal denominado acero, cuyas propiedades varían en función de su contenido en carbono y de otros elementos en aleación, tales como el manganeso, el cromo, el silicio o el aluminio, entre otros.

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 férricas.

Que condicionan el proceso de fabricación. En líneas generales, para

fabricar acero a partir de arrabio se utiliza el convertidor con oxígeno, mientras que partiendo de chatarra como única materia prima se utiliza exclusivamente el horno eléctrico (proceso electro siderúrgico).

La chatarra

Tras el proceso de reconversión industrial de la siderurgia en España se abandona la vía del horno alto y se apuesta de forma decidida por la obtención de acero a través de horno eléctrico.

En este proceso, la materia prima es la chatarra, a la que se le presta una especial atención, 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 recepción del material en fábrica.

La calidad de la chatarra depende de tres factores:

• De su facilidad para ser cargada en el horno;

• De su comportamiento de fusión (densidad de la chatarra, tamaño, espesor, forma, etc.);

• De su composición, siendo fundamental la presencia de elementos residuales que sean difíciles de eliminar en el proceso del horno.

Atendiendo a su procedencia, la chatarra se puede clasificar en tres grandes grupos:

a) Chatarra reciclada: formada por despuntes, rechazos, etc. originados en la propia fábrica. Se trata de una chatarra de excelente calidad.

b) Chatarra de transformación: producida durante la fabricación de piezas y componentes de acero (virutas de máquinas herramientas, recortes de prensas y guillotinas, etc.).

c) Chatarra de recuperación: suele ser la mayor parte de la chatarra que se emplea en la acería y procede del desguace de edificios con estructura de acero, plantas industriales, barcos, automóviles, electrodomésticos, etc.

Los controles a los que se somete la chatarra se producen en tres niveles:

1) Inspección en origen por parte de personal especializado.

2) Inspección visual en el momento de la descarga en puerto para material importado.

3) Control de recepción en fábrica de forma exhaustiva por unidad de transporte, con independencia de la procedencia del material (nacional o importado), con el fin de eliminar todo elemento nocivo, materias explosivas o inflamables, material radiactivo, así como de todos aquellos metales no férreos, tierras, cuerpos extraños, etc.

Principios básicos para la obtención del acero

La obtención del acero pasa por la eliminación de las impurezas que se encuentran en el arrabio o en las chatarras, y por el control, dentro de unos límites especificados según el tipo de acero, de los contenidos de los elementos que influyen en sus propiedades.

Las reacciones químicas que se producen durante el proceso de fabricación del acero requieren temperaturas superiores a los 1000 ºC para poder eliminar las sustancias perjudiciales, bien en forma gaseosa o bien trasladándolas del baño a la escoria.

Fabricación en horno eléctrico

La fabricación del acero en horno eléctrico se base en la fusión de las chatarras por medio de una corriente eléctrica, y al afino posterior del baño fundido.

El horno eléctrico

El horno eléctrico consiste en un gran recipiente cilíndrico de chapa gruesa (15 a 30 mm de espesor) forrado de material refractario que forma la solera que alberga el baño de acero líquido y escoria. El resto del horno está formado por paneles refrigerados por agua. La bóveda es desplazable para permitir la carga de la chatarra a través de unas cestas adecuadas.

La bóveda está 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 diámetro.

Los electrodos se desplazan de forma que se puede regular su distancia a la carga a medida que se van consumiendo.

Los electrodos están conectados a un transformador que proporciona unas condiciones de voltaje e intensidad adecuadas para hacer saltar el arco, con intensidad variable, en función de la fase de operación del horno.

Otro orificio practicado en la bóveda permite la captación de humos, que son depurados convenientemente para evitar contaminar la atmósfera.

El horno va montado sobre una estructura oscilante que le permite bascular para proceder al sangrado de la escoria y el vaciado del baño.

Proceso de fabricación del acero

El proceso de fabricación se divide básicamente en dos fases: la fase de fusión y la fase de afino.

Fase de fusión

Una vez introducida la chatarra en el horno y los agentes reactivos y escorificantes (principalmente cal) se desplaza la bóveda hasta cerrar el horno y se bajan los electrodos hasta la distancia apropiada, haciéndose 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 composición del baño fundido y se procede a la eliminación de impurezas y elementos indeseables (silicio, manganeso, fósforo, etc.) y realizar un primer ajuste de la composición química por medio de la adición de ferroaleaciones que contienen los elementos necesarios (cromo, níquel, molibdeno, vanadio, titanio, etc.).

El acero obtenido se vacía en una cuchara de colada, revestida de material refractario, que hace la función de cuba de un segundo horno de afino en el que termina de ajustarse la composición del acero y de dársele la temperatura adecuada para la siguiente fase en el proceso de fabricación.

El control del proceso

Para obtener un acero de calidad el proceso debe controlarse en todas sus fases empezando, como ya se ha comentado, por un estricto control de las materias primas cargadas en el horno.

Durante el proceso se toman varias muestras del baño y de las escorias para comprobar la marcha del afino y poder ir ajustando la composición del acero. Para ello se utilizan técnicas instrumentales de análisis (espectrómetros) que permiten obtener resultados en un corto espacio de tiempo, haciendo posible un control a tiempo real y la adopción de las correcciones precisas de forma casi instantánea, lográndose así la composición química deseada.

Los dos elementos que más pueden influir en las características y propiedades del acero obtenido, el carbono y el azufre, se controlan de forma adicional mediante un aparato de combustión LECO. Pero además de la composición del baño y de la escoria, se controla de forma rigurosa la temperatura del baño, pues es la que determina las condiciones y la velocidad a la que se producen las distintas reacciones químicas durante el afino.

La colada continúa

Finalizado el afino la cuchara de colada se lleva hasta la artesa receptora de la colada continua donde vacía su contenido en una artesa receptora dispuesta al efecto.

La colada continua es un procedimiento siderúrgico en el que el acero se vierte directamente en un molde de fondo desplazable, cuya sección transversal tiene la forma geométrica 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 líquido en varias líneas de colada, cada una de las cuales dispone de su lingotera o molde, generalmente de cobre y paredes huecas para permitir su refrigeración 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 sólida que se va formando durante el enfriamiento.

Posteriormente se aplica un sistema de enfriamiento controlado por medio de duchas de agua fría primero, y al aire después, cortándose 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 número de referencia de la colada a la que pertenecen, como parte del sistema implantado para determinar la trazabilidad del producto, vigilándose la cuadratura de su sección, la sanidad interna, la ausencia de defectos externos y la longitud obtenida.

La laminación

Las palanquillas no son utilizables directamente, debiendo transformarse en productos comerciales por medio de la laminación o forja en caliente.

De forma simple, podríamos describir la laminación 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 sección transversal gracias a la presión ejercida por éstos. En este proceso se aprovecha la ductilidad del acero, es decir, su capacidad de deformarse, tanto mayor cuanto mayor es su temperatura. De ahí que la laminación en caliente se realice a temperaturas comprendidas entre 1.250 ºC, al inicio del proceso, y 800 ºC al final del mismo.

La laminación sólo permite obtener productos de sección constante, como es el caso de las barras corrugadas.

El horno de recalentamiento

El proceso comienza elevando la temperatura de las palanquillas hasta un valor óptimo para ser introducidas en el tren de laminación. Generalmente estos hornos son de gas y en ellos se

distingues tres zonas: de precalentamiento, de calentamiento y de homogeneización. El paso de las palanquillas de una zona a otra se realiza por medio de distintos dispositivos de avance.

La atmósfera en el interior del horno es oxidante, con el fin de reducir al máximo la formación de cascarilla.

El tren de laminación

Alcanzada la temperatura deseada en toda la masa de la palanquilla, ésta es conducida a través de un camino de rodillos hasta el tren de laminación.

El tren de laminación está formado, como se ha indicado, por parejas de cilindros que van reduciendo la sección de la palanquilla. Primero de la forma cuadrada a forma de óvalo, y después de forma de óvalo a forma redonda. A medida que disminuye la sección, aumenta la longitud del producto transformado y, por tanto, la velocidad de laminación. El tren se controla de forma automática, de forma que la velocidad de las distintas cajas que lo componen va aumentando en la misma proporción en la que se redujo la sección en la anterior.

El tren de laminación se divide en tres partes:

• Tren de desbaste: donde la palanquilla sufre una primera pasada muy ligera para romper y eliminar la posible capa de cascarilla formada durante su permanencia en el horno.

• Tren intermedio: formado por distintas cajas en las que se va conformando por medio de sucesivas pasadas la sección.

• Tren acabador: donde el producto experimenta su última pasada y obtiene su geometría de corrugado.

Las barras ya laminadas se depositan en una gran placa o lecho de enfriamiento, de donde es trasladado a las líneas de corte a medida y empaquetado, de donde pasa a la zona de almacenamiento y expedición.

En el caso de la laminación de rollos, éstos salen del tren acabador en forma de espira, siendo transportados por una cinta enfriadora, desde la que van siendo depositadas en un huso, donde se compacta y se ata para su expedición, o bien se lleva a una zona de encarretado, donde se forman bobinas en carrete.

Durante la laminación se controlan los distintos parámetros que determinarán la calidad del producto final: la temperatura inicial de las palanquillas, el grado de deformación de cada pasada para evitar que una deformación excesiva de lugar a roturas o agrietamientos del material, así como el grado de reducción final, que define el grado de forja, y sobre todo el sistema Temcore de enfriamiento controlado.

Del producto final se toman las muestras necesarias para ser sometidas a los ensayos de caracterización mecánica (tracción, doblado-desdoblado, fatiga y carga cíclica) y geométrica que

les son de aplicación en función de las especificaciones establecidas por la norma conforme a la que ha sido fabricado.

TIPOS DE ACERO QUE SE FABRICAN

Acero al carbono (0,03-2,1% C)

Acero corten (para intemperie)

Acero inoxidable (aleado con cromo)

Acero microaleado («HSLA», baja aleación alta resistencia)

Acero rápido (muy duro, tratamiento térmico)

Acero aleado de gran elasticidad.

Aceros para cementación.

Aceros para nitruración.

Aceros de fácil mecanización.

Aceros para soldadura.

Aceros magnéticos.

Aceros de dilatación térmica.

Aceros resistentes a la fluencia.

Aceros resistentes al calor.

Acero al carbono para herramientas.

Acero aleado para herramientas.

Aceros rápidos.

Aceros de baja radiación.

Aceros para moldeo inoxidables.

Acero corrugado

ACEROS PARA LA INDUSTRIA DE LA CONSTRUCCIÓN

ACEROS ESTRUCTURALES

Acero estructural. Se conoce como acero

estructural al resultado de la aleación de hierro,

carbono y pequeñas cantidades de otros

elementos como silicio, fósforo, azufre y oxígeno,

que le tributan características específicas. El

acero laminado en caliente, fabricado con fines

estructurales, se denomina como acero

estructural al carbono, con límite de fluencia de

doscientos cincuenta (250) mega pascales (2.549

Kg. /cm2).

Según su forma el acero estructural, se clasifica

en:

• Perfiles estructurales: son Piezas de acero laminado cuya sección transversal puede ser en

Forma de H, T, I, ángulo o canal.

• Barras: estas son Piezas de acero laminado, en donde su sección transversal en todos los

tamaños puede ser hexagonal, cuadrada o circular; su ancho es de 150 milímetros como máximo y

soleras con espesor de 5 milímetros o mayor.

• Planchas: es un producto plano de acero laminado en caliente con anchos de 203

milímetros y 1219 milímetros, y espesores mayores de 5,8 milímetros y mayores de 4,5

milímetros, respectivamente.

Entre sus propiedades ubicamos:

• Oxidación: este se oxida por la acción de oxigeno del aire.

• Ductilidad: es la capacidad de convertirse en hilos, por esfuerzo de tracción.

• Tenacidad: es la resistencia a la rotura por tracción.

• Elasticidad: es cuando el acero al dejar de aplicársele alguna fuerza, se recupera a su

forma original.

• Flexibilidad: es la capacidad de doblarse y recuperarse al aplicarle un momento flector.

• Plasticidad: es la propiedad que tiene los aceros de fluir, al dejar de aplicársele cargas no

se recupera.

• Resistencia: capacidad de formular energía al deformarse.

• Fundibilidad: aquí llega a estado líquido.

• Resistencia: viene siendo el esfuerzo máximo que resiste un material antes de romperse.

El acero estructural es el material estructural más usado para construcción de estructuras en el

mundo. Es fundamentalmente una aleación de hierro (mínimo 98 %), con contenidos de carbono

menores del 1 % y otras pequeñas cantidades de minerales como manganeso, para mejorar su

resistencia, y fósforo, azufre, sílice y vanadio para mejorar su soldabilidad y resistencia a la

intemperie. Es un material usado para la construcción de estructuras, de gran resistencia,

producido a partir de materiales muy abundantes en la naturaleza. Entre sus ventajas está la gran

resistencia a tensión y compresión y el costo razonable.

A pesar de la susceptibilidad al fuego y a la intemperie es el material estructural más usado, por su

abundancia, facilidad de ensamblaje y costo razonable; en Colombia su mayor uso como material

estructural ha correspondido a las varillas usadas en el concreto reforzado y a los perfiles livianos

usados en estructuras de techos.

Solo a partir de 1991 con la Apertura Económica se han empezado a construir, de nuevo, edificios

con perfilería de acero de alto peso, los cuales se habían dejado de construir en el país en los años

sesenta.

La industria de la construcción ha desarrollado diferentes formas de secciones y tipos de acero

que se adaptan más eficientemente a las necesidades de la construcción de edificios.

Las aplicaciones comunes del acero estructural en la construcción incluyen perfiles estructurales

de secciones: I, H, L, T, [, 0, usadas en edificios e instalaciones para industrias; cables para puentes

colgantes, atirantados y concreto preesforzado; varillas y mallas electrosoldadas para el concreto

reforzado; láminas plegadas usadas para techos y pisos.

Como el acero tiene propiedades prácticamente idénticas a tensión y compresión, por ello su

resistencia se controla mediante el ensayo de probetas pequeñas a tensión. Los elementos de

acero pueden unirse fácilmente, mediante soldadura, pernos o remaches.

La “fatiga” puede reducir la resistencia del acero a largo plazo, cuando se lo somete a gran número

de cambios de esfuerzos y aún fallarlo frágilmente, por lo que en estos casos deben limitarse los

esfuerzos máximos. El acero más comúnmente usado es el denominado A-36, que tiene un punto

fluencia de 36000 psi (2530 kgf/cm2), aunque modernamente la tendencia es hacia un acero de

resistencia superior, el A-572 de punto de fluencia de 50.000 psi.

Las características estructurales del acero estructural tipo A-36 se pueden apreciar en las curvas

“esfuerzo-deformación unitaria” a tensión, mostradas. En ella se muestran, también, los aceros

estructurales A572 y A-36 fabricados por Acerías de Caldas (ACASA) en la región.

En la figura se pueden ver varias zonas:

Un comportamiento elástico hasta un esfuerzo alto. Se aplican las relaciones lineales entre el

esfuerzo y la deformación, definidas por la Teoría de la Elasticidad. Los parámetros básicos son el

Esfuerzo de Fluencia (fy) y la deformación unitaria de fluencia (Ey).

Una zona de comportamiento plástico, en la cual el esfuerzo permanece prácticamente constante,

pero aumenta continuamente la deformación unitaria.

Un punto de falla o de ruptura. La deformación unitaria en la falla es de 0,20 (curva inferior de la

figura) para el acero estructural usado corrientemente en la construcción de estructuras.

Los aceros de "alta resistencia" como los usados para los cables de preesforzado (fig.2.9 parte alta)

y aceros especiales, no presentan la fluencia definida que se muestra en la figura para los aceros

tipo A-36 (curva inferior de la figura), ni tienen el grado de ductilidad del acero estructural. En

ellos, el esfuerzo de fluencia no se presenta tan claro como en los tipo A-36 y debe definirse. El

acero para preesforzado tiene la resistencia más alta de las mostradas: fpu = 240 ksi (240.000 psi =

17.500 kgf/cm2). Su comportamiento puede compararse con el de los plásticos reforzados con

fibras (FRP).

La deformación del acero a partir de la fluencia es denominada ductilidad. Esta es una cualidad

muy importante en el acero como material estructural y es la base de los métodos de diseño

plástico. Permite, que la estructura absorba grandes cantidades de energía por deformación,

circunstancia muy importante en zonas sísmicas, en las cuales es necesario que la estructura libere

la energía introducida en su base por los terremotos.

El Módulo de Elasticidad es prácticamente independiente del tipo de acero está alrededor de

2000000 kgf/cm2.

ACERO DE REFUERZO

Las varillas de refuerzo serán suministradas por el Contratista libres de

defectos, dobladuras y curvas que no puedan ser enderezadas. Se

utilizarán barras redondas lisas con un esfuerzo de cedencia de 2.820

Kg/cm2, grado 40 y barras redondas corrugadas con esfuerzo de

cedencia de 4.200 Kg/cm2 grado 60, de acuerdo con los planos, los

cuales se ajustarán a las normas del Código Colombiano de Construcciones Sismo-resistentes en su

capítulo C.3, sección C.3.5, o en su defecto las normas ASTM-1562 y ASTM-615-68

respectivamente. Listas y Diagramas de Despiece. Cuando los planos no incluyan listas o diagramas

de despiece, el Contratista las preparará y someterá a la aprobación del Interventor con una

anticipación no menor de quince (15) días, antes de ordenar el corle y doblado de las barras. Dicha

aprobación, no eximirá al Contratista de su responsabilidad por la exactitud de las listas y

diagramas de despiece, ni de su obligación de suministrar, doblar y colocar el refuerzo en forma

correcta de acuerdo con estas especificaciones.

Colocación del Refuerzo. Las barras de refuerzo se doblarán en frío de acuerdo con los detalles y

dimensiones mostrados en los planos. No podrán doblarse en la obra barras que estén

parcialmente embebidas en el concreto, salvo cuando así se indique en los planos o lo autorice el

Interventor. Todo el acero de refuerzo se colocará en la posición exacta mostrada en los planos y

deberá asegurarse firmemente, en forma aprobada por el Interventor, para impedir su

desplazamiento durante la colocación del concreto. Para el amarre de las varillas se utilizará

alambre y en casos especiales soldadura. La distancia del acero a las formaletas se mantendrá por

medio de bloques de mortero prefabricados, tensores, silletas de acero u otros dispositivos

aprobados por el Interventor. Los elementos metálicos de soporte que vayan a quedar en contacto

con la superficie exterior del concreto no serán corrosibles. En ningún caso se permitirá el uso de

piedras o bloques de madera para mantener el refuerzo en su lugar. La separación mínima

recomendable para varillas redondas debe ser de una (1) vez el diámetro de las mismas, pero no

menor de 25 mm. Ni de 1-1/3 veces el tamaño máximo del agregado. Las varillas de refuerzo,

antes de su colocación en la obra e inmediatamente antes de la colocación del concreto, serán

revisadas cuidadosamente y estarán libres en lo posible de óxido, tierra, escamas, aceites,

pinturas, grasas y de cualquier otra sustancia extraña que pueda disminuir su adherencia con el

concreto. Durante la colocación del concreto se vigilará en todo momento, que se conserven

inalteradas las distancias entre las varillas y la de éstas a las caras internas de la formaleta. No se

permitirá el uso de ningún elemento metálico o de cualquier otro material que aflore de las

superficies del concreto acabado, distinto a lo indicado expresamente en los planos o en las

especificaciones adicionales que ellos contengan. Recubrimiento para el Refuerzo. El

recubrimiento mínimo para los refuerzos será el indicado en los planos, y donde no se especifique,

será como sigue: Cuando el concreto se coloque directamente sobre el terreno, en contacto con el

suelo: 8 cm. En superficies formaleteadas que han de quedar en contacto con el suelo y en sus

superficies que han de quedar expuestas a la intemperie o permanentemente sumergidas: 5 cm.

Acero de Preesfuerzo

Existen tres formas comunes en las cuales se emplea el acero como tendones en concreto

presforzado: alambres redondos estirados en frío, torón y varillas de acero de aleación. Los

alambres y los cables trenzados tienen una resistencia a la tensión de más o menos 17600 kg/cm2,

en tanto que la resistencia de las varillas de aleación está entre los 10,200 y 11250 kg/cm2

dependiendo del grado. En México casi no se usan las varillas de acero para el presfuerzo.

Alambres redondos

Los alambres individuales se fabrican laminando en caliente lingotes de acero hasta obtener

varillas redondas. Después del enfriamiento, las varillas se pasan a través de troqueles para reducir

su diámetro hasta su tamaño requerido. En el proceso de esta operación de estirado, se ejecuta

trabajo en frío sobre el acero, lo cual modifica notablemente sus propiedades mecánicas e

incrementa su resistencia. A los alambres se les libera de esfuerzo después de estirado en frío

mediante un tratamiento continuo de calentamiento hasta obtener las propiedades mecánicas

prescritas

También se puede conseguir alambres de bajo relajamiento, a veces conocidos como

estabilizados. Se emplean cuando se quiere reducir al máximo la pérdida de presfuerzo.

Los tendones están compuestos normalmente por grupos de alambres, dependiendo el número

de alambres de cada grupo del sistema particular usado y de la magnitud de la fuerza pretensora

requerida. Los tendones para prefabricados postensados típicos pueden consistir de 8 a 52

alambres individuales. Se pueden emplear tendones múltiples, cada uno de ellos compuesto de

grupos de alambres para cumplir con los requisitos.

Torones

El torón se usa casi siempre en miembros pretensados, y a menudo se usa también en

construcción postensada. El torón es fabricado con siete alambres, 6 firmemente torcidos

alrededor de un séptimo de diámetro ligeramente mayor. El paso de la espiral de torcido es de 12

a 16 veces el diámetro nominal del cable, teniendo una resistencia a la ruptura garantizada de 17

590 kg/cm2 conocido como grado 250K. Se ha estado produciendo un acero más resistente

conocido como grado 270K, con una resistencia mínima a la ruptura de 270,000 lb/pulg2 (18,990

kg/cm2).

Para los torones se usa el mismo tipo de alambres relevados de esfuerzo y estirados en frío que los

que se usan para los alambres individuales de presfuerzo. Sin embargo, las propiedades mecánicas

se evidencian ligeramente diferentes debido a la tendencia de los alambres torcidos a enderezarse

cuando se les sujeta a tensión, debido a que el eje de los alambres no coincide con la dirección de

la tensión. Al torón se le releva de esfuerzos mediante tratamiento térmico después del trenzado.

Los torones de bajo relajamiento se pueden conseguir mediante pedido especial.

Los torones pueden obtenerse entre un rango de tamaños que va desde 0.25 pulgadas hasta 0.6

pulgadas de diámetro.

Varillas de acero de aleación.

En el caso de varillas de aleación de acero, la alta resistencia que se necesita se obtiene mediante

la introducción de ciertos elementos de ligazón, principalmente manganeso, silicón y cromo

durante la fabricación de acero. Adicionalmente se efectúa trabajo en frío en las varillas al fabricar

estas para incrementar aún más su resistencia. Después de estirarlas en frío, a las varillas se les

releva de esfuerzos para obtener las propiedades requeridas.

Las varillas de acero de aleación se consiguen en diámetros que varían de ½ pulgada hasta 13/8 de

pulgada.

En México las varillas casi no se usan para la fabricación de elementos presforzados, siendo los

torones de baja relajación los más utilizados.

QUÍMICA DEL ACERO

Por ser un material de producción industrializada y controlada, las propiedades estructurales del

acero tienen generalmente poca variabilidad. Coeficientes de variación del orden de 10 por ciento

son típicos para la resistencia y las otras propiedades. Otra ventaja del acero es que su

comportamiento es perfectamente lineal y elástico hasta la fluencia, lo hace más fácilmente

predecible la respuesta de las estructuras de este material. La alta ductilidad del material permite

redistribuir concentraciones de esfuerzos.

Las extraordinarias cualidades estructurales del acero, y especialmente su alta resistencia en

tensión, han sido aprovechadas estructuralmente en una gran variedad de elementos y materiales

compuestos, primero entre ellos el concreto reforzado y el presforzado; además en combinación

con madera, plásticos, mampostería y otros. La posibilidad de ser atacado por la corrosión hace

que el acero requiera protección y cierto mantenimiento en condiciones ambientales severas.

Lo primero es comprender que un metal está internamente ordenado en celdas cristalinas como

por ejemplo la celda cúbica simple, y otras de mayor complejidad como la celda cúbica centrada

en el cuerpo que se muestra en la figura 1.

Cuando el metal fundido solidifica, en varios puntos se comienzan a reunir moléculas y forman un

núcleo ordenado que crece en todas direcciones. Las figuras 2 y 3 ilustran la asociación de dos

celdas vecinas en un diagrama simple y en una maqueta.

Las agrupaciones de celdas que comienzan a solidificar, crecen tridimensionalmente hasta toparse

unas con otras, deteniendo el crecimiento.

Esto produce zonas en las cuales la red cristalina está ordenada las que llamaremos granos y zonas

denominadas límites de grano o fronteras de grano, en donde no existe orden alguno. En la figura

4 se muestra una micrografía obtenida con un microscopio electrónico, donde se aprecian granos

y sus fronteras.

Para observar esto en un microscopio, se pule una superficie plana, lo que corta los granos en

cualquier dirección. Para mejorar la visualización se aplica sobre la superficie una solución ácida

denominada ataque, la cual corroe los granos en mayor o menor grado, dependiendo de su

orientación cristalina. En la figura 5 se muestra una metalografía con granos de acero ampliada

175 veces.

Los cambios que ocurren en las aleaciones a distintas temperaturas dependen de la cantidad

presente de cada elemento aleante. Esto se puede graficar en los llamados diagramas de fases,

que indican las posibles combinaciones en función de la composición química de la aleación y de la

temperatura. Estos diagramas sirven para seleccionar los tratamientos térmicos y optimizar la

composición de la aleación en función a la microestructura que se desea obtener.

Figura 6

En la figura 6 se muestra el diagrama de fases de la aleación Hierro Carbono, que muestra en el eje

vertical la temperatura y en el eje horizontal la composición química. En el extremo izquierdo se

encuentra la composición 100% Fe y 0% C y en el extremo derecho se encuentra la composición

100% C y 0% Fe. En la figura se muestra solamente hasta 5% C y 95% Fe por ser la zona de mayor

interés ya que contiene los aceros y las fundiciones de mayor uso.

Este verdadero mapa de ordenamientos cristalinos nos muestra cómo el metal al solidificar se

dispone en diversas formas. Al variar la temperatura, los cristales ganan o pierden energía y

buscan una nueva ordenación tratando siempre de permanecer estables.

PAÍSES QUE PRODUCEN MAS ACERO EN EL MUNDO

Producción y consumo de acero

Evolución del consumo mundial de acero

El consumo mundial de productos de acero acabados en 2005 registró un aumento de

aproximadamente un 6% y supera actualmente los mil millones de toneladas. La evolución del

consumo aparente resulta sumamente dispar entre las principales regiones geográficas. El

consumo aparente, excluida China, experimentó una caída del 1,0% debida, fundamentalmente, a

la notable disminución observada en Europa (EU25) y Norteamérica. China, por el contrario,

registró un incremento del consumo aparente del 23% y representa en la actualidad

prácticamente un 32% de la demanda mundial de acero. En Europa (UE25) y Norteamérica, tras un

año 2004 marcado por un significativo aumento de los stocks motivado por las previsiones de

incremento de precios, el ejercicio 2005 se caracterizó por un fenómeno de reducción de stocks,

registrándose la siguiente evolución: -6% en Europa (UE25), -7% en Norteamérica, 0,0% en

Sudamérica, +5% en CEI, +5% en Asia (excluida China), +3% en Oriente Medio.

Producción mundial de acero (2005)

Europa

UE-25

UE-15

CEI

331

186

115

113

Norteamérica y Centroamérica

EE. UU.

134

99,7

Sudamérica

Brasil

45

32,9

Asia

China

508

280

112

Japón

Resto del mundo 39,3

- Datos en millones de toneladas.

- La CEI está compuesta por Rusia, Ucrania,

Bielorrusia, Moldavia, Kazajistán y

Uzbekistán

La producción mundial de acero bruto en 2005 ascendió a 1.129,4 millones de toneladas, lo que

supone un incremento del 5,9% con respecto a 2004. Esa evolución resultó dispar en las diferentes

regiones geográficas. El aumento registrado se debe fundamentalmente a las empresas

siderúrgicas chinas, cuya producción se incrementó en un 24,6%, situándose en 349,4 millones de

toneladas, lo que representa el 31% de la producción mundial, frente al 26,3% en 2004. Se observó

asimismo un incremento, aunque más moderado, en India (+16,7%). Asia produce actualmente la

mitad del acero mundial, a pesar de que la contribución japonesa se ha mantenido estable.

Paralelamente, el volumen de producción de las empresas siderúrgicas europeas y

norteamericanas se redujo en un 3,6% y un 5,3% respectivamente.

CUBA

También conocida como Antillana de Acero, la mayor siderúrgica cubana lleva adelante, desde

hace más de un año, trabajos de modernización, dirigidos a duplicar la capacidad productiva de

esa entidad, hasta alcanzar las 500.000 toneladas en un período de cinco años. Las acciones

emprendidas incluyen una propuesta de especialistas cubanos, lo que permite al país un ahorro

considerable de divisas, además de aportar productos con alto valor agregado.

Cuando la fábrica produjo su primera colada de acero al carbono, contaba con dos hornos Martin

Siemens y tres laminadores para la producción de barras corrugadas y perfiles. Con el transcurso

de los años se hicieron algunas modificaciones y modernizaciones tecnológicas; sin embargo, la

que se ejecuta en la actualidad tiene la vista fija en el futuro y la eficiencia.

La instalación de un nuevo horno trajo asociadas otras mejoras en junio y agosto pasados y se

proyectan otras. Según el directivo, este año está en proceso de adquisición el nuevo horno

cuchara, mientras que para 2009 se ha solicitado la mejora del horno de colada continua, lo cual

redunda en mayor eficiencia, productividad y ahorro.

De acuerdo con Martínez, con el nuevo horno de arco eléctrico, que entró en fase de puesta en

marcha hace casi un año, la productividad del acero se ubicó por encima de 35 toneladas por hora.

Esto es considerado una muestra de la eficiencia del proceso de asimilación de la nueva

tecnología.

Las producciones de la Empresa Siderúrgica “José Martí” están destinadas a diferentes programas

de salud, vivienda, defensa, montaje de grupos electrógenos y recuperación porcina y avícola,

entre otros, explica el director de producción. En abril pasado se superó en dos por ciento la cifra

prevista para el mes, en algunos renglones con crecimientos muy significativos, que pudieron

contrarrestar los déficit de otros.

Todo lo que el país pueda producir en sus industrias, en condiciones competitivas desde el punto

de vista de los costos, redunda en ahorros y beneficios para la fuerza laboral de las industrias y

empresas que se adentran en la sustitución de importaciones. Para esta acería, esto constituye un

reto, toda vez que realiza producciones únicas, lo que entraña grandes responsabilidades en

surtidos como el alambrón, que es considerado la tarea primordial en la sustitución de compras al

exterior. De acuerdo con Martínez, el alambrón se emplea tanto para trefilar —disminuir calibre—

como para ventas directas. En el caso del primero, va dirigido a la industria metalúrgica de

Camagüey, donde fabrican alambre de púas, grapas de techo, puntillas, así como a la fábrica “30

de Noviembre”, en la oriental provincia de Santiago de Cuba. Estos renglones les añaden un valor

agregado superior a las producciones de Antillana.

Sólo la continuidad oportuna del proceso inversionista garantizará el incremento de la producción

de acero en la capital cubana. Según expertos, en la actualidad el horno está en condiciones de

hacer 400.000 toneladas, pero la máquina sólo puede colar 250.000 toneladas. Ese fondo de

tiempo, que no se está utilizando, posibilitará incrementar el volumen productivo.

EXPORTACIONES

Además de garantizar un alto porcentaje del acero que necesita el país para los programas de

desarrollo, esta industria tiene compromisos exportables en momentos en que el acero alcanza

precios favorables en el mercado mundial. Hasta el cierre de abril, Antillana exportó 38 por ciento

más que en igual etapa anterior, en productos como palanquillas, barras de acero y perfiles.

De acuerdo con directivos de la entidad perteneciente al Grupo Acinox, del Ministerio de la

Industria Sideromecánica, han aumentado los países hacia donde exportan acero y se realizaron

las primeras exportaciones para Europa. Para este año se prevén ingresos por alrededor de 40

millones de dólares por concepto de exportación, lo que convertiría a la empresa en una de las

que más aportaría a las ventas externas de este organismo.

Esta entidad fabrica 70 por ciento de las cabillas, barras y perfiles destinados a los hospitales,

viviendas, agricultura y defensa, entre otros destinos, y exporta 50 por ciento de todo el acero que

se procesa en la isla. No obstante los incrementos productivos, la isla dista mucho de los grandes

productores. El pasado año, se ubicó entre los más importantes exportadores del sector.

Según fuentes comerciales, los productores de acero del mundo generan casi 1.000 millones de

toneladas al año, cantidad que se quedaría corta en cinco por ciento, con la demanda actual. Los

analistas calculan que sólo en Estados Unidos, Japón y los países de la Unión Europea se

necesitarán más de 200 millones de toneladas adicionales de acero para 2013. Sin embargo, las

cifras indican que sólo habrá disponibles unos 175 millones de toneladas.

Las siderúrgicas están tomando medidas para reducir sus propios costos. Cada vez más

productores están comprando mineral de hierro y reservas de carbón para protegerse de los

precios más altos de las materias primas. También están adquiriendo plantas energéticas para

mantener bajos los costos de la electricidad y tratan de colaborar con sus clientes para idear

procesos y productos de acero más baratos.

PROPIEDADES FÍSICAS Y MECÁNICAS DE LOS ACEROS

Aunque es difícil establecer las propiedades físicas y mecánicas del acero debido a que estas varían

con los ajustes en su composición y los diversos tratamientos térmicos, químicos o mecánicos, con

los que pueden conseguirse aceros con combinaciones de características adecuadas para infinidad

de aplicaciones, se pueden citar algunas propiedades genéricas:

• Su densidad media: es de 7850 kg/m³.

• En función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir.

• El punto de fusión: del acero depende del tipo de aleación y los porcentajes de elementos

aleantes. El de su componente principal, el hierro es de alrededor de 1510 ºC en estado puro (sin

alear), sin embargo el acero presenta frecuentemente temperaturas de fusión de alrededor de

1375 ºC, y en general la tempera necesaria para la fusión aumenta a medida que se funde

(excepto las aleaciones eutécticas que funden de golpe). Por otra parte el acero rápido funde a

1650 ºC.17

• Su punto de ebullición: es de alrededor de 3000 ºC.18

• Es un material muy tenaz: especialmente en alguna de las aleaciones usadas para fabricar

herramientas.

• Relativamente dúctil: Con él se obtienen hilos delgados llamados alambres.

• Es maleable: Se pueden obtener láminas delgadas llamadas hojalata. La hojalata es una

lamina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor, recubierta, generalmente de forma

electrolítica, por estaño.

• Permite una buena mecanización en máquinas herramientas antes de recibir un

tratamiento térmico.

• Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayor memoria, y se deforman al

sobrepasar su límite elástico.

• La dureza: de los aceros varía entre la del hierro y la que se puede lograr mediante su

aleación u otros procedimientos térmicos o químicos entre los cuales quizá el más conocido sea el

templado del acero, aplicable a aceros con alto contenido en carbono, que permite, cuando es

superficial, conservar un núcleo tenaz en la pieza que evite fracturas frágiles. Aceros típicos con un

alto grado de dureza superficial son los que se emplean en las herramientas de mecanizado,

denominados aceros rápidos que contienen cantidades significativas de cromo, wolframio,

molibdeno y vanadio. Los ensayos tecnológicos para medir la dureza son Brinell, Vickers y

Rockwell, entre otros.

• Se puede soldar con facilidad.

• La corrosión: es la mayor desventaja de los aceros ya que el hierro se oxida con suma

facilidad incrementando su volumen y provocando grietas superficiales que posibilitan el progreso

de la oxidación hasta que se consume la pieza por completo. Tradicionalmente los aceros se han

venido protegiendo mediante tratamientos superficiales diversos. Si bien existen aleaciones con

resistencia a la corrosión mejorada como los aceros de construcción «corten» aptos para

intemperie (en ciertos ambientes) o los aceros inoxidables.

• Posee una alta conductividad eléctrica: Aunque depende de su composición es

aproximadamente de19 3 • 106 S/m. En las líneas aéreas de alta tensión se utilizan con frecuencia

conductores de aluminio con alma de acero proporcionando éste último la resistencia mecánica

necesaria para incrementar los vanos entre la torres y optimizar el coste de la instalación.

• Se utiliza para la fabricación de imanes permanentes artificiales, ya que una pieza de acero

imantada no pierde su imantación si no se la calienta hasta cierta temperatura. La magnetización

artificial se hace por contacto, inducción o mediante procedimientos eléctricos. En lo que respecta

al acero inoxidable, al acero inoxidable ferrítico sí se le pega el imán, pero al acero inoxidable

austenítico no se le pega el imán ya que la fase del hierro conocida como austenita no es atraída

por los imanes. Los aceros inoxidables contienen principalmente níquel y cromo en porcentajes

del orden del 10% además de algunos aleantes en menor proporción.

• Un aumento de la temperatura en un elemento de acero provoca un aumento en la

longitud del mismo. Este aumento en la longitud puede valorarse por la expresión: δL = α δ t° L,

siendo a el coeficiente de dilatación, que para el acero vale aproximadamente (es decir

α = 0,000012). Si existe libertad de dilatación no se plantean grandes problemas subsidiarios, pero

si esta dilatación está impedida en mayor o menor grado por el resto de los componentes de la

estructura, aparecen esfuerzos complementarios que hay que tener en cuenta. El acero se dilata y

se contrae según un coeficiente de dilatación similar al coeficiente de dilatación del hormigón, por

lo que resulta muy útil su uso simultáneo en la construcción, formando un material compuesto

que se denomina hormigón armado. El acero da una falsa sensación de seguridad al ser

incombustible, pero sus propiedades mecánicas fundamentales se ven gravemente afectadas por

las altas temperaturas que pueden alcanzar los perfiles en el transcurso de un incendio.

NORMAS RELACIONADAS CON EL ACERO ESTRUCTURAL

NORMAS PARA CONSTRUCCIÓN E INSTALACIÓN ACERO PARA CONCRETO HIDRÁULICO.

A.01.- Varillas, barras, cables, mallas, metal desplegado y otros perfiles de acero, que colocados

dentro o fuera del concreto Hidráulico, en ductos o sin ellos, sirven para ayudar a este a absorber

cualquier clase de esfuerzos.

A.02.- Los aceros para concreto Hidráulico a que se refiere esta norma, son los que utilizan en la

construcción de elementos estructurales colados en obra, prefabricados normales y concretos

postensados y pretensados.

MATERIALES

B.01.- El acero que se utilice deberá ser preferentemente de una marca de reconocida calidad.

Ningún acero de marca nueva, o sin antecedentes de buena calidad, será autorizado hasta que se

haya hecho, en forma continua y durante 6 meses por lo menos, el contratista deberá indicar cuál

es el lote de acero que se va a emplear en la obra, para hacer el muestreo y ensaye del mismo,

antes de que se empiece a usar dicho acero.

B.02.- Cuando existan circunstancias que hagan presumir que se han modificado las

características del acero para el concreto hidráulico deberán hacerse nuevas pruebas de

laboratorio, para que se decida sobre su utilización o rechazo.

B.03.- El acero para concreto hidráulico deberá llegar a la obra sin oxidación perjudicial, exento de

aceites a grasas, quiebres, escamas, hojeaduras y deformaciones de la sección.

B.04.- El acero para refuerzo deberá almacenarse bajo cobertizos, clasificado según su tipo y

sección, debiendo protegerse cuidadosamente contra la humedad y alteración química.

B.05.- El acero para concreto hidráulico que no cumpla con la calidad estipulada, deberá ser

rechazado, marcado y retirado de la obra. B.06.- Los electrodos que se utilicen en los empalmes

soldados se deberán almacenar cuidadosamente conservando las cajas o empaques de fabrica, en

lugares secos y limpios. Los electrodos que se saquen de sus envases, deberán utilizarse dentro de

un periodo de 4 horas. Los electrodos que no se usen dentro de ese lapso o los que hayan estado

expuestos durante 1 hora deberán secarse en hornos a temperatura de 260 grados centígrados,

antes de ser utilizados. Se desecharan los electrodos que se hayan mojado.

REQUISITOS DE EJECUCIÓN.

C.01.- Las varillas de refuerzo se doblaran lentamente en frío, para darles la forma que fije el

proyecto, cualquiera que sea su diámetro.

C.02.- Los dobleces o ganchos de anclaje deberán hacerse de acuerdo con lo siguiente:

a) En estribos los dobleces se harán alrededor de una pieza cilíndrica que tenga un diámetro igual

o mayor de 2 veces el de la varilla.

b) en varillas menores de 2.5 cm. de diámetro, los ganchos de anclaje deberán hacerse alrededor

de una pieza cilíndrica que tenga un diámetro igual o mayor a 6 veces el de la varilla, ya sea que se

trate de ganchos doblados a 180 grados o a 90 grados.

c) En todas las varillas de 2.5 cm. de diámetro a mayores, los ganchos de anclaje deberán hacerse

alrededor de una pieza cilíndrica que tenga un diámetro igual o mayor de 8 veces el de la varilla,

ya sea que se trate de ganchos doblados a 180 o a 90 grados.

C.03.- Todas las varillas de refuerzo deberán colocarse con las longitudes que fije el proyecto y no

se usaran empalmes.

C.04.- Los empalmes serán de dos tipos: Traslapados o soldados, y deberá usarse el tipo que fije el

proyecto. Salvo indicación en contrario, en una misma sección no se permitirá empalmar más de

33 % de las varillas de refuerzo, y se evitaran empalmes en secciones de máximo esfuerzo de

tensión.

C.05.- Cuando el proyecto no fije otra cosa, los empalmes traslapados tendrán una longitud

mínima de 40 veces el diámetro o lado, de la varilla corrugada. Se colocaran en los puntos de

menor esfuerzo de tensión; no se autorizara su colocación en lugares donde la sección no permita

una separación mínima libre de una vez y medio el tamaño máximo del agregado grueso, entre el

empalme y la varilla más próxima.

C.06.- En los empalmes soldados, los extremos de las varillas o barras se unirán mediante

soldadura del arco eléctrico y electrodos metálicos. La mano de obra de los soldadores deberá ser

calificada previamente para las condiciones en que se ejecutara el trabajo. Los electrodos se

usaran en la posición indicada para su tipo y deberán ser de una clasificación tal, que sean capaces

de transmitir 1.25 veces la fuerza de fluencia de tensión de las varillas o barras, sin necesidad de

exceder la resistencia máxima de estas. La preparación y colocación de los extremos de las varillas

o barras será como se indica a continuación:

a) Las superficies por soldar y las adyacentes a ellas, hasta 5 cm. a uno y otro lado de la junta,

deberán estar limpias, sin escamas de laminado y libres de oxido, pintura, grasa, cemento o

cualquier otro material extraño. Se tolerara la presencia de escamas de laminado que resistan un

cepillado vigoroso con cepillo de alambre, así como una ligera capa de aceite secador o de

recubrimiento antioxidante.

b) Las superficies en las que se vaya a depositar la soldadura en juntas a tope con penetración

completa, deberán ser lisas y uniformes, sin irregularidades, rebabas, desgarraduras, grietas u

otros defectos que afecten desfavorablemente la calidad o resistencia de la soldadura.

c) Los cortes necesarios para preparar los biseles deberán hacerse con soplete oxiacetilénico o con

segueta; cuando se utilice soplete deberá eliminarse la escoria producida por el corte, y el acabado

final de las superficies en las que se vaya a depositar la soldadura debiera ser semejante al que se

obtiene en cortes con segueta. En caso de ser necesario, los cortes con soplete se corregirán con

segueta, esmeril o maquinándolos.

d) Los detalles y la secuela de elaboración de juntas se planearan de manera que se tenga siempre

acceso cómodo a las superficies en las que se depositara la soldadura, y que esta pueda colocarse

en todos los casos, aun en la posición más desfavorable posible.

e) las partes por unir y los elementos auxiliares, deberán alinearse adecuadamente para reducir

las excentricidades al mínimo.

f) Cuando se utilicen soldaduras de filete, las dos barras o la barra y la placa de empalme deberá

colocarse en contacto completo. La separación entre las dos partes que van a recibir el cordón no

deberá ser mayor de 5 milímetros, ni de ¼ de diámetro de la barra.

g) En uniones a tope la barras deberán alinearse cuidadosamente, antes de empezar a depositar

la soldadura, de manera que coincidan los ejes de los tramos por unir. Se tendrá especial cuidado

en que las aristas de los biseles coincidan exactamente, tanto en tamaño como en alineamiento.