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Materiales metálicos
Tecnología Industrial
Materiales: Materiales metálicos
1. Estructuras cristalinas. Defectos cristalinos
Las propiedades y aspecto de los materiales, está relacionado con la disposición que tengan en su"interior" las partículas que lo componen. Es necesario mirar adentro para aprender de ellos.
¿Qué veremos?¿Habrá estructuras ordenadas, desordenadas?¿Por qué están colocadas de esa forma los átomos?Etc.
Como ejemplo comparativo tienes arriba: "Una pequeña fracción de una minúscula gota de aguapuede convertirse en un pequeño planeta...(Proyecto Agua)". Igual pasa con los materiales , seconvierten en un universo por descubrir.(Imagen en Flickr de microagua bajo CC)
1.1. Sólidos cristalinos
Un material puede solidificar como:
Sólido cristalino, cuando los átomos, iones o moléculas que lo constituyense empaquetan siguiendo posiciones espaciales predeterminadas formandocristales.
Sólido amorfo, cuando los elementos que constituyen el sólido no ocupanposiciones espaciales predeterminadas, por lo que no presentan estructurasordenadas y no forman redes cristalinas: El vidrio y la cera son claros ejemplosde este tipo de sólidos.
Imagen en Wikimedia Commons de Jurema Oliveira bajo Dominio Público Imagen en
Los sólidos cristalinos tienden a adoptar estructuras internas geométricas siguiendo líneas rectas yplanos paralelos. Aunque, el aspecto externo de un cristal no es siempre completamente regular,ya que depende de una serie de factores:
Composición química. El sólido puede ser una sustancia simple o un compuesto, y puedecontener impurezas que alteren la estructura cristalina y otras propiedades, como el color o laconsistencia.
Temperatura y presión. Ambas influyen en la formación de los cristales y en sucrecimiento; en general, los cristales se forman a altas presiones y elevadas temperaturas.
Espacio y tiempo. El crecimiento tridimensional de un cristal puede verse limitado por elespacio y el tiempo. A menudo la falta de espacio es responsable del aspecto imperfecto dealgunos cristales en su forma externa.
Aquí tienes algúnos ejemplos de sólidos cristalinos.
Actividad
Imagen en Wikimedia Commons
de Jeronimo2412 bajo CC
Imagen en Wikimedia Commons
de VikSl bajo RC
Imagen en Wikimedia Commons
de Paginazero bajo Dominio Público
El sólido cristalino se diferencia del amorfo en que:
Sus átomos ocupan posiciones fijas en el espacio y los del amorfo no.
Tiene una forma determinada y el amorfo no la tiene determinada.
Es transparente y el amorfo no.
El aspecto externo de un cristal no suele ser regular porque:
Es transparente y el amorfo no.
Se forma a temperaturas muy elevadas.
Se forma en un lugar muy espacioso.
AV - Pregunta de Elección Múltiple
1.2. Estructuras cristalinas
En general los sólidos de la naturaleza son cristalinos lo que implica que los iones, átomos omoléculas que los constituyen se ordenan geométricamente en el espacio. En ocasiones estaestructura ordenada no es apreciable a simple vista porque están formados por una agrupación demicrocristales orientados de formas diversas dando lugar a estructuras policristalinas,aparentemente amorfas.
Las redes o estructuras cristalinas se caracterizan fundamentalmente por un ordeno periodicidad. La estructura interna de los cristales viene representada por lallamada celdilla unidad o elemental que es el menor conjunto de átomos quemantienen las mismas propiedades geométricas de la red y que al expandirse en lastres direcciones del espacio constituyen una red cristalina. El tamaño de estaceldilla viene determinado por la longitud de sus tres aristas (a, b, c), y la formapor el valor de los ángulos entre dichas aristas ( α, β , γ ).
Imagen en ELUE de Willy bajo GFDL
Auguste Bravais, en el siglo XIX fue el primero en proponer la hipótesis de la estructura reticularde los minerales. En la actualidad se han podido describir catorce redes cristalinas, llamadasredes de Bravais. Estos catorce tipos de celdillas elementales son los que vemos a continuación:
Actividad
Imagen en ELUE de Willy bajo GFDL
De las catorce redes de Bravais, casi todos los metales elementales y aleaciones metálicas,cistalizan en los siguientes tres tipos:
BCCFCCHCP
Imagen en Wikimedia Commons de Cdang bajo CC
Red Cúbica Centrada en el Cuerpo(BCC, Body Centred Cubic)
La red representa un cubo cuyoparámetros son:
aristas: a = b = cángulos entre aristas: α = β = γ =
90°cantidad de átomos: 8 átomos en
los vértices del cubo y 1 átomo en elcentro del cubo.
EJEMPLOS: Feα, Mo, Na, ...
Actividad
Imagen en Wikimedia Commons de Cdang bajo CC
Red Cúbica centrada en las Caras(FCC, Face Centred Cubic)
La red tiene forma de cubo, cuyosparámetros son:
aristas: a = b = cángulos entre aristas: α = β = γ =
90°cantidad de átomos: 8 átomos en
los vértices del cubo y 6 en loscentros de cada una de las caras.
EJEMPLOS: Feγ, Ni, Co, Cu, Al, Ti, ...
Imagen en Wikimedia Commons
de Cdang bajo CC
Red Hexagonal Compacta (HCP, Hexagonal ClosePacking)
La red tiene forma de prisma recto de base es unhexaedro, cuyos parámetros son:
Aristas: a = b ≠ cÁngulos entre aristas: α = β = 90°; γ = 120°Cantidad de átomos: 12 átomos están dispuestos
en los vértices de la red, 2 átomos en el centro de labase y 3 átomos en el interior de la red.
EJEMPLOS: Ti, Co, Cd, Mg, ...
A continuación se muestra una serie de animaciones en vídeo (procedentes de McMasterUniversity) de las tres redes o sistemas cristalinos comentados:
Animación de una red BCC.Animación de una red FCC.Animación de una red HCP.
Actividad
Actividad
Las redes cristalinas están formadas por:
Celdillas unidad.
Redes de Bravais.
Microcristales.
AV - Pregunta de Elección Múltiple
Verdadero Falso
Verdadero Falso
Verdadero Falso
Fíjate en la estructura de la red cúbica centrada en el cuerpo, y contesta a estaspreguntas.
Los átomos de los vértices son 8 en total.
En el centro del cubo, hay 2 o más átomos.
Esta estructura cristalina se abrevia como FCC.
1.3. Defectos cristalinos
Podemos afirmar que no existen cristales perfectos sino que en general contienenalgún tipo de imperfección o defecto. Estas alteraciones influyen en las cualidadesde los materiales, alterando las propiedades estudiadas en temas anteriores como:físicas, mecánicas, etc.
Según su dimensión podemos clasifica los siguientes tipos de defectos:
Defectos puntuales. Afectan a un único punto en la red, afectando a los átomos próximos.Dentro de este grupo de imperfecciones tendríamos:
Vacancias, son puntos vacíos en la estructura de la red que tiene el material, que deberíanhaber estado ocupados por átomos.
Átomo intersticial, es un átomo que se ha colocado en los huecos o intersticios de la red.Suelen ser de menor tamaño que los átomos que componen la red.
Átomo sustitucional, es un átomo diferente que sustituye en la red a uno de los originales.
Imagen en Flickr de IedaTecnología bajo CC
Defectos puntuales. Son los que se propagan en una dirección afectando a una fila de la redcristalina.
Dislocaciones, consisten en líneas adicionales de átomos insertadas en la estructuracristalina.
Defectos de superficie. Son aquellos que se propagan a través de un plano o dos dimensiones.
Defectos volumétricos. Son aquellos que se propagan en 3 dimensiones, provocando una granalteración en la red.
Importante
2. Aleaciones
La industria demanda materiales de propiedades específicas, con el menor coste posible, engeneral estas propiedades no son capaces de aportarlas los materiales simples por lo que espreciso que se sometan a determinados procesos, con el fin de mejorar estas características, porello se recurre, entre otros métodos, a las aleaciones.
Se llama aleación a la mezcla homogénea en estado fundido un metal con almenos otro elemento que puede ser metálico o no, pero el producto final obtenidodebe presentar características metálicas.
El componente principal de una aleación metálica será siempre un elementometálico, que hará prevalecer su estructura cristalina tras la aleación. Al elementoque está presente en mayor proporción en la aleación se le llama disolvente, ysoluto al que está en menor proporción.
La estructura de una aleación resulta más compleja que la de un metal puro.
Las aleaciones se obtienen fundiendo los diversos metales en un mismo crisol y dejando luegosolidificar la solución líquida formando una estructura granular cristalina constituida por diferentesmicros constituyentes.
Imagen en Wikimedia Commons
de Jan Arkesteijn bajo Dominio Público
Imagen en Wikimedia Commons
de Jan Arkesteijn bajo Dominio Público
Actividad
Actividad
clasificar en:
SOUCIONESSÓLIDAS
PORSUSTITUCIÓN
El metal A tienepor ejemplo laredrepresentada(BCC). Ladisolución delcomponente Ben el metal A seefectúa porsustituciónparcial deátomos de Apor átomos deB.
Las solucionessólidas porsustituciónpueden serlimitadas eilimitadas.
Cuando lasolubilidad estotal en estadosólido cualquiercantidad deátomos de Apuede sersustituida porátomos de B.
Para esto debencumplirse doscondiciones.
Queambosmetalestengan lamisma redcúbica.
Que ladiferenciaentre lasdimensionesde losátomos dedisolvente ysoluto seamuypequeña ysobre todoque loselementosque seencuentranmuy cercaen la tablaperiódica.
Imagen elaboración propia
Imagen elaboración propia
PORINSERCIÓN
soluto C sesitúan entre losintersticios delos átomos deA.
Es necesarioque el tamañode los átomosde soluto C seamucho menorque los deldisolvente A.
Imagen elaboración propia
Verdadero Falso
Verdadero Falso
Verdadero Falso
¿Has entendido las aleaciones y sus tipos?
Una aleación tiene como objeto obtener materiales con mayor dureza.
Una aleación es la mezcla de dos elementos metálicos.
En la solución sólida por inserción, los átomos del soluto deben ser muchomás pequeños que los del disolvente.
AV - Pregunta Verdadero-Falso
3. Modificación de las propiedades de unmaterial
Las propiedades de las aleaciones dependen de su composición y del tamaño, forma y distribuciónde sus fases o microconstituyentes.
La adición de un componente aunque sea en muy pequeñas proporciones, incluso inferior al 1 %pueden modificar enormemente las propiedades de dicha aleación.
Imagen en Wikimedia Commons
de Julo bajo Dominio Público
Imagen en Wikimedia Commons
de MGA73bot2 bajo CC
Imagen en Wikimedia Commons
de Atapi bajo Dominio Público
En comparación con los metales puros, las aleaciones presentan algunas ventajas:
Mayor dureza y resistencia a la tracción.Menor temperatura de fusión por lo menos de uno de sus componentes.Menor ductilidad, tenacidad y conductividad térmica y eléctrica.
3.1. Tratamientos térmicos y termoquímicosde los aceros
El hierro puro es un material sin aplicaciones constructivas, sus cualidades mecánicas son muymalas. La aleación de hierro y carbono, el acero, es uno de los materiales más usado en laindustria. Es por esta razón por la que vamos a estudiar los tratamientos térmicos referidos alacero.
Tratamiento térmico:
Proceso realizado sobre distintos metales u otros sólidos, que consiste básicamente,en calentarlos y posteriormente enfriarlos.
Dependiendo de la temperatura a la que se calientan y la velocidad a la que seenfrían, se consigue modificar la estructura cristalina, por lo tanto, las variables quecontrolamos son la temperatura y el tiempo.
Es importante tener claro que en estos procesos no se modifica la constituciónquímica de los materiales.
La finalidad de este proceso es mejorar las propiedades mecánicas del material,sobre todo, la dureza, la resistencia, la tenacidad y la maquinabilidad.
Existen fundamentalmente cuatro tratamientos térmicos:
TempleRevenidoRecocidoNormalizado
Imagen en Wikimedia Commons de Ichudov bajo CC
Importante
Temple
Tratamiento térmico al que se somete a piezas ya conformadas de acero paraaumentar su dureza, resistencia a esfuerzos y tenacidad.
El tratamiento térmico del templado consiste en calentar hasta una temperaturasuperior a la de austenización (formación de la austenita), seguido de unenfriamiento lo suficientemente rápido para obtener una estructura martensítica.De esta manera, se obtiene un material muy duro y resistente mecánicamente. Porregla general, la forma de realizar el enfriamiento consiste en sumergir la pieza enagua, aceite o aire frío controlando en todo momento la temperatura del fluido.Para conseguir un mejor temple se agita el fluido refrigerante.
En las piezas obtenidas mediante el proceso de temple aparecen grietas debidas alas tensiones internas a la que se ha sometido el material. Para evitar este defectoes necesario aplicar un tratamiento térmico posterior llamado revenido.
El revenido, es un tratamiento térmico que consiste en calentar el acero templadohasta temperaturas por debajo de la austenización (formación de la austenita opunto eutéctico), manteniendo la temperatura el tiempo necesario, para despuésenfriar a la velocidad adecuada.
Su objetivo es eliminar las tensiones internas y estabilizar la estructura y aumentarla plasticidad. Permite que, en los diversos volúmenes, las deformaciones elásticasse conviertan en plásticas, disminuyendo la tensión.
Recocido
Tratamiento térmico que consiste en calentar la pieza hasta una temperatura dada.Posteriormente el acero es sometido a un proceso de enfriamiento lento en elinterior del horno apagado. De esta forma, se obtienen estructuras de equilibrio.Son generalmente tratamientos iniciales mediante los cuales se ablanda el acero.
Importante
Importante
Importante
Se denomina normalizado por que se entiende que con este tratamiento los acerosobtienen sus propiedades normales.
Consiste en un calentamiento del acero, 50 grados por encima de la temperatura deaustenización, seguido de un enfriamiento al aire. La velocidad de enfriamiento nopuede ser elevada evitando la formación de martensita y confiriendo al acero unaestructura perlítica y ferrita o cementita de grano fino.
Objetivos del normalizado.
Mediante este proceso se consigue:
Subsanar defectos de las operaciones anteriores de la elaboración en caliente (colada, forja,laminación,…) eliminando las posibles tensiones internas.
Preparar la estructura para las operaciones tecnológicas siguientes (por ejemplomecanizado o temple). Se consigue que la estructura interna del acero sea más uniforme yaumentando la tenacidad.
El normalizado se utiliza como tratamiento previo al temple y al revenido, aunque en ocasionespuede ser un tratamiento térmico final.
Verdadero Falso
Verdadero Falso
Verdadero Falso
¿Lo sabes todo acerca del temple?
En calentar hasta una temperatura superior a la de austenización.
Sirve para aumentar la propiedad mecánica de dureza.
Cuanto más espesor tenga la pieza más hay que disminuir el tiempo deduración del proceso de templado.
El revenido:
Soluciona los problemas de grietas originados en el temple.
Importante
AV - Pregunta Verdadero-Falso
AV - Pregunta de Selección Múltiple
Mostrar retroalimentación
Verdadero Falso
Verdadero Falso
Verdadero Falso
¿Qué has aprendido del recocido?
Con el recocido se obtienen estructuras de equilibrio porque el enfriamientose realiza dentro del horno y con éste apagado.
Con el recocido se consigue aumentar la dureza del acero.
Si queremos reducir tensiones en un material le realizaremos un recocidode recristalización.
El normalizado tiene como finalidad:
El afino de la perlita.
El afino de la martensita.
El afino de la austenita.
Con el normalizado conseguimos:
Preparar el material para un mecanizado posterior.
Disminuir la dureza de la martensita.
Disminuir la dureza para luego utilizar el material en procesos de forja.
AV - Pregunta Verdadero-Falso
AV - Pregunta de Elección Múltiple
3.2. Tratamientos mecánicos ytermomecánicos
Tratamientos Mecánicos. La forja
Es un tratamiento mecánico ayudado de calor y aplicado a las aleaciones o metales.Se deforma el metal, previamente calentado a temperaturas elevadas, golpeándolopor encima de la recristalización.
Con este procedimiento se mejora la microestructura del material, consiguiendoaumentar la dureza, la resistencia mecánica y reducir la plasticidad.
Imagen en Wikimedia Commons de Fir0002 bajo CC
Tratamientos Termomecánicos
Son combinaciones de los tratamientos térmicos, junto a las deformacionesmecánicas del material a tratar.
El más utilizados en la industria del acero es el ausforming, que consiste enaplicar un tratamiento térmico de temple deformando del 60 % al 90 % del acero, yposteriormente enfriando de manera rápida.
Importante
Importante
3.3. Tratamientos termoquímicos
Entenderemos por tratamientos termoquímicos aquellos en los que, además delos cambios en la estructura del acero, también se producen cambios en lacomposición química de su capa superficial, añadiendo distintos productos químicoshasta una profundidad determinada.
Mediante estos tratamientos se modifica la composición química superficial delmaterial, por lo tanto, las variables que controlamos son la temperatura, el tiempoy la composición química.
En general el procedimiento consiste en meter la pieza en un horno en el que controlamos laatmósfera que rodea a la pieza, calentamos hasta una temperatura determinada, mantenemos esatemperatura el tiempo necesario para que se produzca una difusión atómica en la superficie de lapieza con una profundidad determinada y enfriamos.
Imagen en Wikimedia Commons de Graibeard bajo CC
Los objetivos que se persiguen mediante estos procesos son variados pero entre ellos podemosdestacar:
Mejorar la dureza superficial de las piezas, dejando el núcleo más blando y tenaz.Aumentar la resistencia al desgaste debido al rozamiento aumentando el poder lubrificante.Aumentar la resistencia a la fatiga y/o la corrosión. sin modificar otras propiedades
esenciales tales como ductilidad.
Entre los procedimientos más habituales tenemos:
Los tratamientos más importantes son:
Cementación (C): Consite en incrementar la dureza superficial de una pieza de acerodulce, aumentando la concentración de carbono en su superficie. Obteniendo, una gran durezasuperficial, resistencia al desgaste, buena tenacidad en el núcleo y aumento de la resiliencia.
Importante
Imagen elaboración propia
Nitruración (N): En este caso se incorpora nitrógeno a la composición superficial de lapieza. Al igual que la cementación este método también aumenta la dureza superficial delacero, aunque lo hace en mayor medida. Los aceros tratados por este procedimientoadquieren una alta resistencia a la corrosión.
Imagen elaboración propia
Cianuración (C+N): Este proceso permite el endurecimiento superficial de pequeñaspiezas de acero. Utiliza baños con cianuro, carbonato y cianato sódico. Es una mezcla decementación y nitruración.
Carbonitruración (C+N): Al igual que la cianuración, introduce carbono y nitrógeno enuna capa superficial, sin embargo estos elementos estan en forma de hidrocarburos comometano, etano o propano; amoniaco (NH3) y monóxido de carbono (CO). En el proceso serequieren temperaturas de 650 a 850 C. Es necesario realizar un temple y un revenidoposterior.
Sulfinización (S+N+C): En este proceso se incrementa la resistencia al desgaste obtenidaen los procesos de cianuración y carbonitruración mediante la acción del azufre. Se aumentala resistencia al desgaste, favorece la lubricación y disminuye el coeficiente de rozamiento.
En un tratamiento termoquímico:
Se producen cambios en la composición química del material.
Se producen cambios en la estructura del material.
Se producen cambios en la estructura y en la composición química delmaterial.
AV - Pregunta de Selección Múltiple
Mostrar retroalimentación
Mostrar retroalimentación
Se aumenta la dureza superficial del acero.
Se aumenta la concentración de carbono en la superficie de la pieza.
Se añade cemento al acero.
La cianurización y la carbonitruración de diferencian en que:
Ambas aumentan la concentración de nitrógeno y de carbono en la superficiede la pieza, pero en la carbonitruración estos elementos están en forma dehidrocarburos.
Ambas aumentan la concentración de nitrógeno y de carbono en la superficiede la pieza, pero en la carbonitruración estos elementos están en forma deamoniaco y monóxido de carbono.
En la cianurización se aumenta la concentración de cianuro en la superficie dela pieza, y en la carbonitruración se aumenta la concentración de nitrógeno yde carbono.
4. Metales y aleaciones férreas
Los metales han estado presentes en el desarrollo de la humanidad desde laantigüedad. Entre todos ellos, y aún a pesar de la facilidad con que se oxida, losderivados del hierro fueron y continúan siendo los más abundantemente empleados.
Llamaremos material ferroso a todo material que en su composición contenga unaproporción de hierro.
Imagen en Intef
de Javier Trabadela Robles bajo CC
La producción mundial de metales ferrosos es más de veinte veces superior a la del resto de losmetales juntos. Esto es debido por un lado a su abundancia y por otro a la gran cantidad yvariedad de productos que se pueden obtener a partir del hierro.
Un poco de historia.
El acero era bien conocido en la antigüedad. Los primerosaceros pudieron ser producidos fundiendo mineral de hierro enuna chimenea de materiales naturales resistentes al calor(arcilla y piedra), empleando como combustible primero leña ymás tarde carbón vegetal y soplando aire en el hogar paraenriquecer la combustión, así el hierro se convertía enauténtico acero. En estos aceros se expulsaba la escoria pormedio de la forja con martilleo en caliente. Los primeros acerosprovienen de Armenia, datados antes de 1400 a.c. Latecnología del hierro fue mantenida mucho tiempo en secretopor los pueblos que la poseían, lo que les convertía enenormemente poderosos y temidos.
En la península ibérica. Hay constancia de producción de acerodesde el siglo IV a.c., pues los arqueólogos han encontradoespadas utilizadas por los iberos, fabricadas con este material.
Sin embargo, no es hasta 1700 cuando se considera que secomenzó a producir acero tal como lo conocemos hoy en día.En este sentido, hay que destacar varias innovaciones muyimportantes:
En 1856, Bessemer, posibilitó la fabricación de acero en grandes cantidades, pero solopodía utilizarse su método para hierro con poco contenido en fósforo y azufre.
En 1857, Siemens puso en marcha otro procedimiento de obtención industrial de acero, enla actualidad es un método en desuso.
En 1902 comienza la producción comercial de acero en hornos de arco eléctrico.En 1948 se desarrolla el proceso del oxígeno básico o L-D.En 1950 se comienza a utilizar el proceso de colada continua para fabricar grandes
cantidades de perfiles de acero de sección constante.
El hierro es un metal y como tal no se encuentra en estado puro en la naturaleza sino que estáformando parte de numerosos minerales. Existen muchos minerales que contienen hierro. Paraque un mineral pueda ser utilizado para la obtención de hierro metálico ha de cumplir doscondiciones:
Ha de ser un mineral muy abundante.Ha de presentar una elevada concentración de hierro puro.
Importante
Los minerales más utilizados en la actualidad son dos óxidos, la hematita (Fe2O3) y magnetita(Fe304) , la limonita, que es un hidróxido de hierro de fórmula (FeO·OH nH2O) y la siderita ocarbonato de hierro (FeCO3).
Imagen en Wikimedia Commons de Transpassive bajo CC Imagen en Intef de Félix Vallés Calvo bajo CC
Imagen en Intef de Ashok Beera bajo CC Imagen en Intef de Félix Vallés Calvo bajo CC
Una vez extraídas estas rocas tal cual están en la naturaleza han de ser sometidas a numerososprocesos para poder obtener el hierro que tienen en su estructura.
¿Qué mineral contiene hierro formando parte de un óxido de composición Fe3O4?
Hematita
Magnetita
Limonita
Siderita
AV - Pregunta de Elección Múltiple
4.1. Fabricación, proceso de obtención delacero
Se conoce por siderurgia al conjunto de procesos que debe sufrir el mineral dehierro hasta que se obtiene el metal utilizable.
La primera etapa de este proceso consiste en la extracción en las minas de los distintos mineralesque contienen hierro. En ellas el mineral, al que llamaremos mena, se encuentra formando partede las rocas, las cuales además de la mena contienen componentes no útiles llamadas gangas.Ambas partes deben ser separadas, para lo que habitualmente se pueden emplear dos métodos:
Imantación: en primer lugar se tritura la roca y se hace pasar por un campo magnéticoaquellos productos que contengan hierro se separarán de las otras rocas.
Separación por densidad: una vez triturada, la roca se sumerge en agua. Al tener lamena distinta densidad que la ganga, esta se separa del mineral de hierro.
Independientemente de cual sea el método utilizado, una vez realizada la separación del mineralde hierro, se le somete a un proceso por el que se forman una especie de aglomerado de mineralllamado pelets. Estos se transportan a la planta siderúrgica donde se procesarán en el alto horno.
Un alto horno es una instalación industrial en la que la mena contenida en elmineral de hierro es transformada en arrabio, también llamado hierro bruto.
Estas instalaciones reciben este nombre por su gran alturaque suele estar en torno a los 30 metros.
Un alto horno es un horno de cuba, formado por dostroncos de cono unidos por sus bases mayores. El troncosuperior recibe el nombre de cuba, y el inferior se llamaetalajes, la zona intermedia se llama vientre. La parteinterior del horno está recubierta por material refractarioy la exterior es de chapa de acero, entre ambas capas sedispone un circuito de refrigeración.
El horno es alimentado con una mezcla de mineral dehierro, carbón de coque y fundente, generalmentepiedra caliza. La proporción entre estas tres sustancias hade ser: 2 Tm de mineral - 0,5 Tm de coque - 1 Tm defundente. Mediante una cinta transportadora esta mezclase lleva hasta una tolva situada en la parte superior delhorno.
Actividad
Actividad
Imagen en Wikimedia Commons de
Josu P bajo CCLa mezcla se va alimentando al horno a través de la partesuperior, llamada tragante. En ella un mecanismo detrampillas permite la entrada de la materia prima evitando
que escapen al exterior gases, humos y sustancias contaminantes.
Los altos hornos operan en continuo. Esto quiere decir que la forma de trabajo no consiste enintroducir la mezcla con los reactivos dejar que el horno funcione durante un determinado tiempoy que haya que detenerlo para extraer los productos. En un alto horno se introducen las materiasprimas solidas por la parte superior y los productos, más densos, se extraen por la parte inferiorde forma continua. Esto hace que la mezcla de entrada vaya cayendo hacia zonas más bajas delhorno y que sucesivamente vaya pasando por la cuba, el vientre y el atalajes.
¿Qué función tienen los otros dos componentes de la mezcla?
El coque cumple tres papeles durante el proceso.
Combustible, aportando el calor necesario para la fusión de la escoria y del metal.Soporte de la carga y responsable de la permeabilidad de la misma, dada su gran porosidad.Reductor de los óxidos de hierro.
El fundente cumple una doble función:
Reduce la temperatura de fusión del hierro.Reacciona con los elementos que acompañan al mineral para formar la escoria.
Por la parte inferior del horno se inyecta por unas toberas aire caliente. Este aire reacciona en lazona de etalajes con el coque, el coque se transforma en CO generando una temperatura de 1800ºC. Con esta temperatura la carga llega en la zona inferior del horno a la temperatura de fusióndel hierro y debido a la diferencia de densidades entre el hierro y la escoria estos quedanseparados en el fondo del horno, en una zona llamada crisol.
El hierro fundido queda en la capa inferior del crisol y la escoria en la superior. Posteriormente serompe (pincha) el tapón cerámico que obtura la piquera de arrabio y es sangrado el horno,extrayéndose el hierro de primera fusión, hierro colado o arrabio y a continuación la escoria.
Imagen en Wikimedia Commons de Tosaka bajo CC
1: El mineral de hierro
sinterizado + calcáreas
2: Coque
3: Cinta transportadora
4: Alimentación
5: Capa de coque
6: Sinterizado, pellets de
óxido de hierro, mineral
7: El aire caliente (alrededor
de 1200 ° C)
8: Escoria
9: Arrabio líquido
10: Mezcladores
11: Toque de arrabio
12: Ciclón de polvo
13: Calentador de aire
14: Salida de humo
15: Aire de alimentación para
calentadores
de aire Cowper
16: Carbón en polvo
17: Horno de coque
18: Bin coques
19: Tubos de gas de alto
horno
El arrabio se vierte en grandes recipientes llamados cucharas, estas pueden ser abiertas ocerradas (torpedo), que es un vagón semicerrado recubierto en su interior por ladrillosrefractarios que mantienen el arrabio fundido, mientras es transportado hasta el horno de afinoLD, donde le quitarán al arrabio las impurezas que todavía contiene y que lo hacen poco adecuado
para el uso industrial.
Las escorias obtenidas son empleadas en la fabricación de abonos agrícolas, como materia primaen la producción de cemento y en la fabricación de aislantes térmicos y acústicos.
Hasta ahora hemos comentado como se separa el arrabio por la parte inferior del horno una vezque ya se ha formado. Pero recuerda que lo que alimenta el horno no es el arrabio acompañadode escoria, por la parte superior del horno se ha alimentado un mineral de hierro.
Lo que ocurre en las zonas superiores del horno (vientre y cuba) son procesos químicoscomplejos por los que el CO producido en la zona de etalajes reacciona con el mineralreduciéndolo y transformándolo a medida que la carga baja a través del horno en hierrometálico.
Por la parte superior de la cuba salen unos gases provenientes de la combustión que tras serfiltrados, para quitarle impurezas, son empleados como combustibles en unos cambiadores decalor llamados recuperadores Cowper.
Colado:
Proceso por el que se eliminan las impurezas y se reduce la cantidad de carbonopresente en el arrabio para transformarlo en un acero apto para la actividadindustrial. Las impurezas eliminadas generan una escoria.
El hierro colado o arrabio obtenido del alto horno es un producto que todavía no está listo paraser utilizado industrialmente.
Por un lado contiene impurezas de elementos como azufre o silicio.Por otro lado contiene un porcentaje demasiado alto de carbono y por último todavía
arrastra restos de óxidos de hierro.
Todas estas sustancias hacen que las propiedades del producto no sean las deseables. Es necesariopues tratar este hierro, el proceso por el que esto se lleva a cabo se llama colado.
En la actualidad existen dos métodos diferentes para realizar el colado del arrabio. Por un ladoestá el método convertidor LD y por otro el horno eléctrico.
Convertidor LD u Horno de afino de oxígeno básico.
Este sistema está formado por en una olla de acero recubierta en su interior con materialrefractario en la que se deposita el arrabio a tratar. A través de una lanza situada en la partesuperior se inyecta oxígeno al recipiente. Debido a las altas temperaturas de trabajo, la lanza seenfría continuamente a través de serpentines de agua interiores para evitar que se funda. Lacarga y la descarga de la olla se hacen por la parte superior por lo que la olla está montada enejes rotatorios que permiten su volcado.
Horno eléctrico.
En estos hornos el calor aportado procede de un arco eléctrico que se hace saltar entre unoselectrodos de grafito y la superficie de la chatarra con que se carga el horno, la resistencia delmetal al flujo de corriente genera calor, que junto con el producido por el arco eléctrico funde elmetal con rapidez. Las condiciones de afinado pueden ser estrictamente reguladas.
Importante
¿Cómo se llama la parte de un mineral que se utilizará para obtener el metal?
Metallica
Ganga
Mena
Fundente
La mezcla sólida que se alimenta a un alto horno por su parte superior estácompuesta por:
Arrabio, coque y fundente
Mineral de hierro, coque y escoria.
Mineral de hierro, coque y fundente
Mineral de hierro, coque, fundente y aire caliente.
En un alto horno las reacciones en las que el mineral de hierro se transforma enhierro metálico tienen lugar en:
En la parte inferior del horno, llamada etalajes.
En la cuba y en el vientre.
En el crisol
En la tragante
AV - Pregunta de Elección Múltiple
Pregunta de Elección Múltiple
4.2. Aceros y fundiciones
Acero:
Aleación de hierro y carbono en la que el porcentaje de carbono no supera el 1,76%.
Imagen en Intef bajo CC
Clasificación de los aceros
Los aceros se pueden clasificar en función de varios criterios, esto da lugar a varias clasificaciones,la más utilizada de todas ellas es la clasificación en función del porcentaje de carbonodisuelto. El porcentaje de carbono disuelto en el acero condiciona las propiedades del mismo. Asícuanto mayor sea el porcentaje de carbono disuelto en el acero, éste presenta más dureza y másresistencia a la tracción. Teniendo esto presente es posible clasificar los aceros en:
Nombre del acero % de carbonoResistencia a tracción
(kg/mm2)
Extrasuave 0,1 a 0,2 35
Suave 0,2 a 0,3 45
Semisuave 0,3 a 0,4 55
Semiduro 0,4 a 0,5 65
Duro 0,5 a 0,6 75
Extraduro 0,6 a 0,7 85
Por otro lado es posible hablar de aceros aleados y aceros no aleados. Se consideran aceros no
Importante
aleados aquellos en los cuales el porcentaje de elementos químicos que forman el acero nosupera el valor indicado en la siguiente tabla:
Elemento Contenido en C (%) Elemento Contenido en C (%)
Aluminio 0,10 Níquel 0,30
Bismuto 0,10 Plomo 0,40
Boro 0,0008 Silicio 0,60
Cobalto 0,10 Titanio 0,05
Cobre 0,40 Vanadio 0,10
Cromo 0,30 Wolframio 0,10
Manganeso 1,60 Lantánidos 0,05
Molibdeno 0,08 Otros excepto
(P,C, N, yO)0,05
Novio 0,05
Aquellos aceros que tienen mayor porcentaje de los indicados en las tablas son requeridos parautilizaciones especiales, y están recogidos en las normas UNE.
Clasificación de los aceros según NORMA UNE 36010
Serie Grupo Propiedades/Aplicacione
Finos para construcción
1. Finos al carbono.2 y 3. Aleados de granresistencia.4. Aleados de granelasticidad.5 y 6. De cementación.7. De nitruración.
Propiedades: No aleados,más duros cuanto máscarbono, pero resistenmejor los choques.Aplicaciones: enconstrucción
Para usos especiales
1. De fácil mecanización.2. De fácil soldadura.3. Con propiedadesmagnéticas.4. Con dilatación térmicaespecial.5. Resistentes a lafluencia.
Propiedades: Son acerosaleados o tratadostérmicamente.Aplicaciones: 1 y 2.Tortillería, tubos y perfiles.3. Núcleos detransformadores y motoreseléctricos.4. Uniones entre materialesdistintos sometidos aelevadas temperaturas.5. Instalaciones químicas yrefinerías.
Resistentes a laoxidación y la corrosión
1. Inoxidables.2 y 3. Resistentes al calor.
Propiedades: Las debidasa la adición de cromo yníquel.Aplicaciones: 1.Cuchillería, máquinashidráulicas, instalacionessanitarias, piezas enambientes corrosivos.2 y 3. Hornos, piezas demotores de explosión, engeneral piezas sometidas acorrosión y temperatura.
Para herramientas
1. Al carbono.2,3 y 4. Aleados paraherramientas.5. Rápidos.
Propiedades: Acerosaleados y sometidos atratamientos térmicos,dureza, tenacidad,resistencia al desgaste y ala deformación por calor.Aplicaciones: 1.Maquinaría de trabajosligeros, carpintería yagrícola.2, 3 y 4. Para maquinaríade trabajos más pesados.5 Para trabajos de desbastey mecanización rápida.
De moldeo1. De usos generales.2. de baja radiación.3. De moldeo inoxidables.
Propiedades: Maleables,para poder ser vertidos enmoldes de arena.Aplicaciones: Piezas deforma geométrica tortuosa,solo se distinguen de losdemás aceros por sumoldeabilidad
Fundiciones:
Aleación de hierro y carbono pudiendo contener otros elementos, en la que elporcentaje de carbono está entre el 1,76 y 6,67 % de carbono.
Imagen en Wikimedia Commons de FlickrLickr bajo CC
Por su aspecto se clasifican en:
Fundición blanca. El carbono que contiene se presenta en mayor medida en forma delcompuesto cementita (CFe3).
Fundición gris. El carbono que contiene se presenta en mayor medida en forma de láminas
Importante
de grafito mezcladas con el hierro.
5. Metales y aleaciones no férreas
Los metales no ferrosos son aquellos materiales que no poseen o tienen un escasocontenido de hierro.
Según su nivel de utilización los metales no ferrosos serían: cobre y sus aleaciones,aluminio, estaño, plomo, cinc, níquel, cromo, titanio, magnesio.
Estos metales, a pesar de tener características específicas, presentan una serie de propiedadesfísicas generales que los identifican:
Estado sólido a temperatura normal, excepto el mercurio que es líquido.Opacidad, excepto en capas de muy pequeño espesor.Buenos conductores eléctricos y térmicos.Brillantes, una vez pulidos.Estructura cristalina en estado sólido.
Imagen en Wikimedia Commons de Liftarn bajo CC Imagen en Flickr de Diablo azul bajo CC
Se pueden clasificar de acuerdo a su densidad en:
Pesados, si su densidad es mayor de 5 kg/dm3.Ligeros, si su densidad está comprendida entre 2 y 5 kg/dm3. Ultraligeros, si su densidad es menor de 2 kg/dm3.
En general los metales no ferrosos suelen ser blandos y presentan una reducida resistenciamecánica, por lo que se suelen alear para mejorar éstas y otras propiedades.
Importante
5.1. Metales pesados: Cobre, bronce, latones...
Cobre
Símbolo Cu. Número atómico es 29. Densidad 8,9 kg/dm3. Punto de fusión 1083 ºC.Resistencia a la tracción 18 kg/mm2. Alargamiento 20 %. Resistividad 0,017 Ωmm2/m.
Obtención. Estado natural.
El cobre puede encontrarse en estado puro. El cobre en bruto se tritura, y se separa por flotacióny se concentra en barras. Los concentrados se funden en un horno de reverbero que producecobre metálico con una pureza aproximada del 98 %. Este cobre en bruto se enriquece porelectrólisis, hasta alcanzar una pureza que supera el 99,9 %. Los óxidos y carbonatos se reducencon carbono. Las menas más importantes, las formadas por sulfuros, no contienen más de un 12% de cobre.
El cobre puro es blando
El principal mineral de cobre es la calcopirita sulfuro de hierro y cobre, se encuentra en Chile,México, Estados Unidos y la antigua URSS; la azurita, carbonato de cobre, en Francia y Australia,y la malaquita, otro carbonato de cobre, la cuprita, un óxido de cobre que se encuentra enEspaña.
Imagen en Intef bajo CC Imagen en Intef de Ashok Beera bajo
Propiedades
Elevada conductividad del calor y electricidad, resistente a la corrosión, dúctil y maleable.
Aplicaciones
Actividad
Era conocido en épocas prehistóricas, se han encontrado objetos de este metal en las ruinas de lascivilizaciones antiguas.
El cobre tiene una gran variedad de aplicaciones a causa de sus ventajosas propiedades, como sonsu elevada conductividad del calor y electricidad, la resistencia a la corrosión, así como sumaleabilidad y ductilidad. Debido a su extraordinaria conductividad, sólo superada por la plata, eluso más extendido del cobre se da en la industria eléctrica. Por se ductilidad se puede transformaren cables de cualquier diámetro, desde 0,025 mm.
Imagen en Intef de Alessandro Quisi bajo CC
Aleaciones
Las aleaciones de cobre, mucho más duras que el metal puro, pierden conductividad eléctrica,presentan una mayor resistencia a la tracción, gran resistencia a la corrosión y fácil mecanización.A lo largo de la historia, el cobre se ha utilizado para acuñar monedas y confeccionar útiles decocina, tinajas y objetos ornamentales.Las aleaciones más importantes y profusamente utilizadas son:
Bronce, una aleación con estaño, se emplea en la fabricación de campanas, engranajes,esculturas.
Latón, una aleación con cinc, se emplea en grifería, bisutería, envases...
A menor escala se emplean otras aleaciones como son:
Cuproaluminio, se emplea para fabricar hélices de barco, tuberías.Alpaca, es una aleación con níquel y cinc de color plateado, se emplea en la fabricación de
cuberterías y joyería barata.Cuproníquel, se emplea para la fabricación de monedas y de contactos eléctricos.
Imagen en Intef de Javier Penela García bajo CC Imagen en Intef de Ángel Bravo Rincón bajo
Indica las diferencias más apreciables entre el latón y el bronce. Enumera quecaracterísticas se refuerzan en el caso de las aleaciones de cobre, frente al cobrepuro.
Estaño
Símbolo Sn. Número atómico 50. Densidad 7,28 kg/dm3. Punto de fusión 231 ºC.Resistencia a la tracción 5 kg/mm2. Alargamiento 40 %. Resistividad 0,115 Ωmm2/m.
Obtención. Estado natural
Es un metal muy escaso en la corteza terrestre, su principal mineral es la casiterita (SnO2), quetiene una riqueza muy baja.
El proceso de obtención parte de triturar la casiterita hasta convertirla en polvo y se baña encubas que se agitan, para que por decantación el estaño ocupe la parte baja del depósito, secompacta tras eliminar la ganga. Después se somete a tostación, para reducir los óxidos deestaño, si se tiene que depurar su riqueza hasta alcanzar valores del orden de 99%, es necesariosometerlo a procesos electrolíticos.
Imagen en Intef de Ashok Beera bajo CC Imagen en Intef bajo CC
Propiedades
A temperatura ambiente es blando y maleable, es fácil obtener papel de escaso espesor.
Actividad
AplicacionesSus principales aplicaciones es en la fabricación de hoja de lata recubriendo un alma de acero dedos capas muy finas de estaño puro. En aleación con plomo para emplearse como metal deaportación en la soldadura blanda eléctrica. En aleaciones especiales de muy bajo punto de fusión,en las proporciones adecuadas con plomo, bismuto, cadmio e indio se consigue una aleación quefunde a 47º C.
Cinc
Símbolo Zn. Número atómico 30. Densidad 7,13 kg/dm3. Punto de fusión 419 ºC.Resistencia a la tracción según sean piezas moldeadas o forjadas 3-20 kg/mm2.Alargamiento 20 %. Resistividad 0,057 Ω mm2/m.
Propiedades
Es muy frágil a temperatura ambiente, pero se vuelve maleable entre los 120 y los 150 °C, por loque se lamina fácilmente en rodillos caliente. No es atacado por el aire seco, pero en aire húmedose oxida, cubriéndose con una película carbonada que lo protege de una posterior corrosión.Reacciona mal en presencia de ácidos.
Obtención. Estado natural
No se encuentra puro en la naturaleza y hasta el siglo XVII no se consiguió sintetizar. Losminerales más importantes son la blenda, sulfuro de cinc y sulfuro de plomo, con una riqueza del50 % de cinc y la calamina, silicato y carbonato de cinc, con riqueza inferior al 40 %.
Aplicaciones
El metal puro se usa principalmente como capa recubrimiento para producir acerogalvanizado, en las placas de las pilas eléctricas secas, y en las fundiciones a troquel. Se usacomo pigmento en pintura de exteriores, por sus propiedades antioxidantes, se utiliza comoelemento de relleno en llantas de goma y como pomada antiséptica en medicina.
Aleado con el cobre para obtener latón.El cloruro de cinc se usa para preservar la madera y como fluido soldador.El sulfuro de cinc es útil en electroluminiscencia, fotoconductividad, semiconductividad y
otros usos electrónicos; se utiliza en los tubos de las pantallas de televisión y en losrecubrimientos fluorescentes.
Actividad
Imagen en Intef bajo CC Imagen en Intef de Francisco Javier Martínez Adrados
5.2. Aleaciones ligeras
Aluminio
De símbolo Al, es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre.Número atómico 13. Densidad 2,69 kg/dm3. Punto de fusión 660 ºC. Resistencia ala tracción 10 kg/mm . Alargamiento 50 %. Resistividad 0,026 Ω mm2/m.
Obtención. Estado natural
Se obtiene de la bauxita, mineral que puede encontrarse en minas a cielo abierto, se tritura y selava para eliminar otros materiales y sustancias orgánicas. Posteriormente se refina para obtenerla alúmina, lo que ya es un material comercial de aluminio con el que se pueden obtener lingotespor fundición.
Imagen en Wikimedia Commons de Saperaud bajo Dominio Público
Para obtener 1 kg de aluminio se requiere 2 kg de alúmina, los que son producto de 4 kg debauxita y 8 kwh de energía eléctrica.
Aplicaciones
Debido a su baja densidad es muy útil para construir aviones, vagones ferroviarios yautomóviles, y para las aplicaciones en las que es importante la movilidad y la conservaciónde energía.
Por su elevada conductividad térmica, el aluminio se emplea en utensilios de cocina y enpistones de motores de combustión.
Es fácilmente moldeable por lo que se usa en carpintería de aluminio.Dada su escasa absorción de neutrones, se utiliza en reactores nucleares.Es muy maleable por lo que se obtiene papel de aluminio de 0,002 mm de espesor, utilizado
Actividad
para proteger alimentos y otros productos perecederos, por su compatibilidad con comidas ybebidas se usa en envases, envoltorios flexibles, botellas y latas de fácil apertura. El recicladode estos recipientes supone un gran ahorro de energía.
La resistencia a la corrosión por agua del mar, lo hace útil para fabricar cascos de barco yelementos que estén en contacto con el agua.
Debida a su resistividad eléctrica es el material de elección para sustituir al cobre comoconductor eléctrico.
Imagen en Flickr de kristin-and-adam bajo CC Imagen en Wikimedia Commons de Mike1024 bajo
Titanio
De símbolo Ti. Número atómico 22. Densidad 4,45 kg/dm3. Punto de fusión 1800ºC. Resistencia a la tracción 100 kg/mm2.Alargamiento 5 %. Resistividad eléctrica0,8 Ω mm2/m.
Obtención. Estado Natural
No se encuentra puro en la naturaleza. Constituye los minerales ilmenita (FeTiO3), rutilo (TiO2)y esfena (CaO • TiO2 • SiO2).
Para obtener el óxido de titanio se tritura el mineral y se mezcla con carbonato de potasio y ácidofluorhídrico produciendo fluorotitanato de potasio (K2TiF6). Éste se destila con agua caliente y sedescompone con amoniaco. Así se obtiene óxido hidratado amoniacal, que se inflama en unrecipiente de platino produciendo dióxido de titanio. Se trata el óxido con cloro, obteniéndosetetracloruro de titanio; que se reduce con magnesio para producir titanio metálico, que se funde ymoldea en lingotes.
Actividad
Imagen en Wikimedia Commons de RKBot bajo CC Imagen en Wikimedia Commons de RKBot bajo CC
Aplicaciones
Es muy maleable y dúctil en caliente, debido a su resistencia y su densidad, el titanio se usaen aleaciones ligeras, aleado con aluminio y vanadio, se utiliza en aeronáutica para fabricarlas puertas de incendios, el fuselaje, los componentes del tren de aterrizaje. Los cuadros delas bicicletas de carreras. Los álabes del compresor y los revestimientos de los motores areacción.
Se usa ampliamente en misiles y cápsulas espaciales; las cápsulas Mercurio, Gemini y Apolofueron construidas casi totalmente con titanio.
Es eficaz como sustituto de los huesos y cartílagos en cirugía.Se usa en los intercambiadores de calor de las plantas de desalinización debido a su
capacidad para soportar la corrosión del agua salada.
Imagen en Wikimedia Commons de JoJan bajo CC Imagen en Wikimedia Commons de Xshadow bajo Dominio Público
5.3. Metales Ultraligeros
Magnesio
De símbolo Mg. Número atómico 12. Densidad 1,74 kg/dm3. Punto de fusión 650ºC. Resistencia a la tracción 18 kg/mm2. Resistividad eléctrica 0,8 Ω mm2/m.
Aplicaciones
El magnesio aleado con aluminio se usa para piezas de aeronáutica, en fuegos artificiales,aspiradoras, esquíes, carretillas, cortadoras de césped, muebles de exterior e instrumentosópticos. También como desoxidante en la fundición de metales.
El magnesio puro se utiliza en flashes fotográficos, bombas incendiarias y señales luminosas ypólvora para fuegos artificiales, porque su combustión da una luz blanca muy intensa.
Formando distintos compuestos químicos tiene diferentes utilidades es diverso.
El carbonato de magnesio (MgCO3), se usa como material refractario y aislante.El cloruro de magnesio (MgCl2•6H2O), se emplea como material de relleno en los tejidos
de algodón y lana, en la fabricación de papel y de cementos y cerámicas.El citrato de magnesio (Mg3(C6H5O7)2•4H2O), se usa en medicina y en bebidas
efervescentes.El hidróxido de magnesio (Mg(OH)2), se utiliza en medicina como laxante, "leche de
magnesia", y para refinar azúcar.
Imagen en Wikimedia Commons de Firetwister bajo CC Imagen en Flickr de Lubrio bajo CC
Actividad
¿Qué metales o aleaciones escogerías si tuvieses que fabricar?Campana de una iglesia.Monedas.Fuselaje de un avión.Canalones de desagüe de lluvia.Prótesis óseas.Líneas de distribución eléctrica.Latas de refrescos.Pasamanos de barandillas.Planchas de hojalata.Vallas de acero galvanizado para trabajar a la intemperie.
6. Apéndice
6.1. Curiosidades
TU MICROSCOPIO CASERO
¿Tienes cámara de fotos digital?, o ¿tiénes cámara de fotos en el móvil?
Pues si quieres ver tu mismo, como es la estructura de algunos materiales, puedesconstruirte un microscopio digital casero
¿Como?
Acopla una lente al objetivo de tu cámara digital, y con un poco de paciencia yfunción macro, podrás captar espacios impensables.
La lente a acoplar:
Si tienes un ordenador viejo, puedes usar la lente (cristal), del lector CD-Rom,también podrías usar una canica transparante, una lupa, ....
Imagen en Wikimedia Commons de Izmir2 bajo CC
Ejemplos de grabaciones con este tipos de microscopio:
Pre-conocimiento
Tienes alguna foto de este artilugio, en el siguiente video: Foto microscopio casero
Visita los siguientes vídeos sobre altos hornos.
El primero contiene una animación que explica de forma muy simple elfuncionamiento de un alto horno, está en portugués pero se entiende muy bien.
Pre-conocimiento
El segundo es una animación de peor calidad gráfica pero está explicado elproceso con más detalle.
Reproduce los siguientes vídeos en ellos se explica el proceso de fabricación devarios objetos metálicos.
Fabricación de cubiertos de plata Fabricación de rodamientos
Fabricación de serruchos Fabricación de vallas de obra
Pre-conocimiento
Fabricación de cadenas de acero Fabricación del bloque de un mo
La chatarra, el reciclado del acero.
Una vez que el acero ha concluido su vida útil pasa a ser un residuo que recibe elnombre de chatarra.
Sin embargo la chatarra es un recurso importante, puede ser reciclada utilizándoseparar producir nuevos aceros. La finalidad del reciclado de acero es doble:
Se reduce el consumo de materias primas.Se consigue un ahorro energético pues el proceso de obtención de acero a
partir del mineral de hierro supone un elevadísimo gasto de energía.
La chatarra generada se prensa formando grandes paquetes compactos. Estospaquetes son transportados a las industrias que van a reciclar el metal y allí sonfundidos en hornos especiales, a continuación son incorporados al procesosiderúrgico de producción de acero.
Se estima que en la actualidad la chatarra reciclada representa más del 40% de lasnecesidades de acero en el mundo, producido en hornos eléctricos.
En el proceso de reciclado es necesario respetar las normas sobre prevenciónde riesgos laborales y las de carácter medioambiental.
Al ser muy alto el consumo de electricidad, el funcionamiento del horno defundir debe tratar de programarse en las horas valle de consumo, siempre quesea posible.
En la entrada de las plantas de reciclaje, los camiones que transportan lachatarra a las industrias tienen que pasar por arcos detectores de radiactividad.
Reproduce este interesante vídeo, en el se explica de una forma muy sencilla y conimágenes de mucha calidad el proceso de reciclado del acero.
Curiosidad
Proceso de fabricación de acero inoxidable.
Curiosidad
Sabías que...
El estaño tiene la característica de cuando la temperatura desciende de -18 ºC sufreun proceso degenerativo llamado la peste del estaño que provoca el que sedescomponga en polvo.
Pre-conocimiento
6.2. Para saber más
Estados alotrópicos
Algunos metales tienen la característica de que cambian de red de cristalizacióndependiendo de la temperatura a que se encuentren, entonces se dice que el metales politrópico, y a cada uno de los sistemas en que cristaliza el metal se le llamanestados alotrópicos.
En el hierro puro se distinguen cuatro estados alotrópicos:
1. Hierro Alfa (cristaliza en sistema BCC)2. Hierro Beta (cristaliza en sistema BCC)3. Hierro Gamma (cristaliza en sistema FCC)4. Hierro Delta (cristaliza en sistema BCC)
Imagen elaboración propia
Hierro alfa. Feα.A temperaturas inferiores a los 768 ºC, el hierrocristaliza en el sistema cúbico centrado enel cuerpo (BCC). En estas condiciones, no disuelve el carbono ytiene carácter magnético. La máxima cantidad de carbono que puedendisolver el Fea es de 0.025 % y tiene muy pocacapacidad para constituir soluciones sólidas yaque los huecos interatómicos disponibles sonmuy pequeños. A este microconstituyente estable se llama
ferrita.
Para saber más
Objetivos
Imagen elaboración propia
Hierro beta. Feβ.
Es muy similar al Fea. Se genera entre 768 ºC y 900 ºC, cristalizandoen el sistema cúbico centrado de cuerpo(BCC). Tiene carácter no magnético, por este motivo enalgunos textos al Feb se le llama Fea nomagnético. Mecánicamente presenta muy poco interés.
Imagen elaboración propia
Hierro gamma. Feγ.
Se forma entre los 900 y los 1400 ºC. Cristaliza en el sistema cúbico centrado decaras (FCC). Tiene gran facilidad para formar solucionessólidas, puesto que dispone de espaciosinteratómicos grandes, y es capaz de disolverhasta un 2 % de carbono. Este microconstituyente estable es llamadoaustenita.
Objetivos
Imagen elaboración propia
Hierro delta. Feδ.
Se forma entre los 1400 y 1539 ºC. Cristaliza en red cúbica centrada de cuerpo(BCC). Debido a que aparece a muy elevadastemperaturas, tiene poca trascendencia en elestudio de los tratamientos térmicos y no seemplea en siderurgia.
Factores que influyen en el templado
El tamaño de la pieza: cuanto más espesor tenga la pieza más hay queaumentar el tiempo de duración del proceso de calentamiento y deenfriamiento.
La composición química del acero: en general los aceros aleados son másfácilmente templables.
El tamaño del grano: influye principalmente en la velocidad crítica del temple,tiene más templabilidad el de grano grueso.
El medio de enfriamiento: El más adecuado para templar un acero es aquelque consiga una velocidad de temple ligeramente superior a la crítica. Losmedios más utilizados son: aire, aceite, agua, baño de sales fundidas ypolímeros hidrosolubles.
Tipos de Recocido
Este es un tratamiento térmico muy utilizado y según las temperaturas que sealcanzan en el proceso se pueden distinguir las siguientes variantes:
Recocido Completo: Afina el grano cuando ha crecido producto de un mal
Objetivos
Objetivos
Recocido de Globulización: Mejora la mecanibilidad en los aceroseutectoides e hipereutectoides.
Recocido de Recristalización: Reduce tensiones y elimina la acritud.Recocido de Homogenización: Elimina la segregación química y cristalina.
Se obtiene grano grueso por lo que es necesario un recocido completo posterior.
DIAGRAMA TTT
Es un hecho experimental que cuando un acero es calentado o enfriado se puedenllegar a producir cambios en su estructura, cambios de fase.
El estudio de estas transformaciones tenemos que considerar también la cinética(la velocidad) del proceso, es decir, el estado que realmente alcanza el sistemaen función de la velocidad a la que se realiza el enfriamiento. Para ello utilizaremoslos diagramas TTT.
Estos diagramas T.T.T. (Transformación-Tiempo-Temperatura) tienen en cuentauna variable determinante en el proceso y que los diagramas de fase Fe-C no tienenen cuenta, el tiempo que dura el proceso.
Estos diagramas representan las curvas de enfriamiento respecto a las coordenadastemperatura-tiempo. Para este análisis emplearemos el diagrama T.T.T.correspondiente al acero denominado eutectoide (0.8%C). En estos gráficos serepresenta en el eje de abscisas el tiempo en escala logarítmica y en el eje deordenadas la temperatura.
Objetivos
Las curvas rojas indican el tiempo requerido para que, fijada una temperaturaconstante cualquiera (proceso isotermo), la austenita se transforme en otra fase.Las estructuras que se forman también se indican sobre el diagrama.
Las curvas azules se obtienen utilizando una serie de probetas de un cierto tipode acero calentadas hasta que han alcanzado la temperatura ligeramente superior ala de temperatura de austenización y mantenidas en esa temperatura el tiemposuficiente como para que toda la probeta se haya austenizado completamente. Acontinuación se comienza a enfriar cada una de las probetas a distintas velocidadesy se van observando los microconstituyentes que se van obteniendo.
Cada enfriamiento dará lugar a una curva diferente, y a un microconstituyentediferente:
La línea V1: Se corresponde con un enfriamiento lento.La línea V2: Corresponde a un enfriamiento más rápido.Si aumentamos la rapidez de enfriamiento, llegamos a las curvas: línea V3,
V4, V5 y la V6
Esquema de Alto horno.
En el siguiente enlace tienes una muy buena infografía sobre el esquema defuncionamiento de un Alto horno. Está publicada en el aula.elmundo.es
Descarga de la infografía.
Elementos de aleación del acero
Los elementos más habituales y la forma en que modifican las propiedades del aceroson:
Aluminio: se emplea como desoxidante en la fabricación de muchos aceros.Boro: aumenta la capacidad de endurecimiento superficial, proporcionando
un revestimiento duro y mejorando la templabilidad.Cobalto: disminuye la templabilidad. Mejora la dureza en caliente. Se usa en
los aceros rápidos para herramientas. Se utiliza para aceros refractarios.
Para saber más
Para saber más
que aumenta la dureza y la resistencia a la tracción y la tenacidad de losaceros, mejora la templabilidad, aumenta la resistencia al desgaste, lainoxidabilidad. Se utiliza en revestimientos embellecedores o recubrimientosduros de gran resistencia al desgaste, como émbolos, ejes,...
Estaño: es el elemento empleado para conformar la hojalata, recubriendoláminas delgadas.
Manganeso: se añade para neutralizar la negativa influencia del azufre y deloxigeno, actúa como desoxidante. De no tener manganeso, los aceros no sepodrían laminar ni forjar.
Molibdeno: aumenta la profundidad de endurecimiento del acero, y sutenacidad, mejorando la resistencia a la corrosión.
Níquel: produce gran tenacidad, es un elemento de gran importancia en laproducción de aceros inoxidables, porque aumenta la resistencia a la corrosión.
Plomo: favorece la mecanización por arranque de viruta, (torneado,cepillado, taladrado,...) ya que el plomo es un buen lubricante de corte, seañade a los aceros porque mejora la maquinabilidad.
Silicio: se usa como elemento desoxidante.Titanio: se usa para estabilizar y desoxidar el acero.Tungsteno o volframio: mejora muy significativamente la dureza y la
resistencia al desgaste, produce aceros rápidos con los que es posible triplicar lavelocidad de corte de las herramientas.
Vanadio: desoxidante, proporcionan al acero una buena resistencia a lafatiga, tracción y poder cortante en los aceros para herramientas.
cinc: es elemento empleado para producir acero galvanizado.
