PROCESOS DE CONFORMADO DE MATERIALES
III Metales ferrosos
¿Qué es un Metal ferroso?
Se denominan metales ferrosos o férricos a aquellos que
contienen como elemento base el hierro; pueden llevar
posteriormente pequeñas proporciones de otros elementos.
Minerales de Hierro.
Cuando las capas del mineral de hierro están cerca de la superficie, se quita
primero el material superficial, que consta de arena grava y pedregones, luego se
extrae el mineral con grandes palas mecánicas y se carga en camiones o vagones
de ferrocarril. A este se le conoce como minería a cielo abierto, alrededor del 75%
de minerales de hierro se extraen con este método.
Minerales de Hierro.
Hematitas (𝐹𝑒2𝑂3) Pureza: 70%
Magnetita (𝐹𝑒3𝑂4) Pureza: 75%
Minerales de Hierro.
Limonita
(FeO(OH)·nH2O)
Pureza: 60%
Siderita (FeCO3)
Pureza: 50%
Localización del mineral
Elementos Adicionales.
Para la producción de hierro y acero son necesarios 4 elementos fundamentales:
Hierro y Acero.
Piedra caliza
Mineral de
Hierro
Coque
Aire
Elementos Adicionales.
El coque es un residuo duro y poroso que resulta después de la destilación
destructiva del carbón. Contiene fundamentalmente carbono, alrededor del 92%; casi
el 8% restante es ceniza. El valor calorífico del coque es muy elevado.
El coque desempeña 2 Funciones:
a) Es un combustible que proporciona
calor para reacción química.
b) Produce monóxido de carbono para
reducir las menas de hierro
Elementos Adicionales.
La piedra caliza es una roca sedimentaria de la clase conocida como roca
sedimentaria química. Se compone principalmente de calcita (carbonato de
calcio), CaCO3, y constituye aproximadamente el 10 por ciento de todas las
rocas sedimentarias.
Esta piedra caliza se usa en procesos como fundente que reacciona con las
impurezas presentes y las remueve del hierro Fundido como Escoria
Diagrama Proceso del Hierro.
Extracción del
Material de Hierro.
Extracción del
Carbón.
Explotación de la
Piedra Caliza.
Transporte
del
mineral de
Hierro.
Transporte
del
Carbón.
Transporte
de la
Piedra
Caliza.
Preparación del
Mineral de Fe:
Lavado
Quebrado
Cribado
Preparación del
Coque:
Refinado
Calentado
Preparación del
Mineral Caliza:
Lavado
Quebrado
Cribado
Alto Horno
A
I
R
E
Arrabio y Escoria
Proceso productivo del Hierro.
1
• Se puede obtener hierro a partir de los óxidos con más o menos impurezas. Los principales minerales de hierro son óxidos, pero también otros pueden ser oxidados para lograr procesarlos.
2
• La reducción de los óxidos para obtener hierro se lleva a cabo en un horno denominado Alto horno. A partir de una reacción química de reducción se desprende el oxígeno del mineral y se libera el hierro.
3 • Para ello se añaden al horno los minerales de hierro en presencia de coque
y carbonato de calcio, CaCO3, que actúa como escorificante.
4
• El arrabio (o hierro fundido) producido en el alto horno contiene un nivel importante de carbono para la producción de acero, por lo que debe ser refinado en hornos básicos de oxígeno o convertidores para generar un acero fundido, que puede ser refinado nuevamente.
Fabricación del Arrabio . El primer paso en la fabricación de cualquier hierro o acero es la producción del arrabio o
hierro de primera fundición, en el alto horno.
Es interesante hacer notar que se requiere
aproximadamente 7 toneladas de materia
prima para producir una tonelada de hierro
.La proporción de los ingredientes es
aproximadamente 2 toneladas de mena de
hierro , 1 tonelada de coque y .5 toneladas de
piedra caliza(asombrosa estadística) y 3.5 de
gases.
El hierro sangrado(vaciado) de la base de
alto horno(arrabio)contiene sobre 4% de
carbono, mas otras impurezas de .3 a1.1 de
silicio de .5 a 2% de manganeso .Para
convertir el arrabio en hierro colado gris se
usan comúnmente un horno llamado cubilete
Fabricación del Arrabio.
Alto Horno. Un alto horno es un horno especial en el que tienen lugar la fusión de los minerales de
hierro y la transformación química en un metal rico en hierro llamado arrabio. Está
constituido por dos troncos en forma de cono unidos por sus bases mayores. Mide de 20 a
30 metros de alto y de 4 a 9 metros de diámetro; su capacidad de producción puede variar
entre 500 y 1500 toneladas
diarias.
Partes del Alto Horno. Tragante: Es la parte superior
del horno, ahí es donde se
cargan los materiales.
Cuba: Es de forma tronco
cónica y su diámetro es mayor a
la parte inferior, es la zona mas
grande donde las cargas se van
secando y comienza la
reducción de estas.
Vientre o Cilindro: Es la parte
que sirve como conexión a
Etalaje.
Etalaje: Es la parte donde se
encuentran las toberas que
suministran el aire caliente.
Crisol: Es la parte Bajo del
Etalaje donde se va depositando
el metal liquido.
Horno de Cubilote. Es un horno cilíndrico vertical que consiste en una carcaza grande de plancha de
acero revestida con refractario. Se carga con hierro (arrabio + chatarra), coque,
fundente y otros elementos de aleación por una puerta localizada a mitad de altura.
Partes del Horno de Cubilote. Camisa exterior: consta de varios anillos
de chapa de 10 milímetros de espesor,
remachados entre sí, hasta llegar a una
altura de 5 veces su diámetro. Este cilindro
descansa sobre cuatro columnas de
fundición de hierro, que a su vez apoyan
sobre una plancha nivelada en el suelo.
Revestimiento interior: esta formado por
una o dos hileras de ladrillos refractarios que
alcanzan de 15 a 25 centímetros según el
diámetro del cilindro. Estos ladrillos tienen
forma radial y se recubren con una malta
refractaria bien diluida y pueden durar de 4 a
6 meses.
Caja o Cámara de viento: anillo de
chapa que rodea el
cubilote distribuyendo por medio de las
toberas el aire insuflado que recibe el
ventilador. Estas toberas tienen un
determinado declive que les impide
obstruirse y además evita que el aire
tenga posibilidad de subir a la zona de
fusión, una vez dentro del horno.
Partes del Horno de Cubilote. Base del cubilote: por lo general esta
provista de bisagras para poder realizar el
vacío del horno por volteo del mismo,
después de las coladas. Es una plancha
gruesa sobre la cual se apisonan unos 30
cm de tierra refractaria con pendiente hacia
la salida.
Ventilador: es centrífugo para dar una
presión de aire constante, pues, cuando
aumenta la resistencia por la entrada del
aire por las toberas, disminuye por sí
mismo el volumen del aire aspirado, y por
el contrario, si la resistencia disminuye, el
ventilador aspira mayor cantidad de aire.
Por esto la regulación del aire es
automática y se necesitan válvulas de
seguridad.
Carga del cubilote: se puede hacer a
mano desde la plataforma de la boca de
carga o mecánicamente por medio de
montacargas que se deslizan por un plano
inclinado.
Horno de Crisol. Utilizan un recipiente o crisol, hecho de material refractario (arcilla y grafito) o de
acero aleado a alta temperatura para contener la carga a fundir. Se utilizan para la
fundición de aleaciones no ferrosas tales como latón, bronce, aleaciones de zinc y
aluminio.
Partes y Tipos de Horno de Crisol. Los hay de tres tipos:
Crisol móvil: el crisol se coloca dentro del horno y una vez fundida la carga el crisol se
levanta y saca del horno y se usa como cuchara de colada.
Crisol estacionario: posee un quemador integrado y el crisol no se mueve. Una vez
fundida la carga esta se saca con cucharas fuera del recipiente.
Crisol basculante: también posee generalmente el quemador integrado y el dispositivo
entero se inclina o bascula para vaciar la carga.
Horno de Arco Eléctrico. La carga se funde por el calor generado por un arco eléctrico, normalmente dispone
de configuraciones con dos o tres electrodos. Tienen un consumo de potencia alto
(altos costos) pero también grandes capacidades de fusión, se cargan con chatarra
de hierro, elementos aleantes y piedra caliza (fundente). El acero fundido es vertido
con la inclinación del horno.
Partes del Horno de Arco Eléctrico.
Se usan principalmente en la fusión de aceros de calidad: inoxidables, aleados,
aceros de herramientas.
Horno de Inducción.
Usa corriente alterna a través de una bobina que genera un campo magnético en el
metal. El horno de inducción se comporta como un transformador pasa corriente en
una bobina que induce un campo magnético alternado en el material metálico que
uno quiere calentar . Se provoca entonces una corriente en el metal que aumenta
su temperatura.
Esta corriente existe en el núcleo metálico de
los transformadores y es un fenómeno
negativo, se pierde energía en forma de calor.
Recién se pensó de usar este fenómeno en
hornos de inducción . Esto genera una
fundición de alta calidad y pureza. Se utilizan
para fundir cualquier material de altos
requerimientos de calidad: aceros, hierro,
aluminio, etc.
Metales y Aleaciones Ferrosas. En virtud de su amplia gama de propiedades mecánicas, físicas y químicas, los
metales y sus aleaciones ferrosas son los mas útiles de todos los metales. Los
metales y las aleaciones ferrosas contienen hierro como metal base.
Clasificación de
Metales Ferrosos.
Aceros al carbón y Aleaciones.
Hierros.
Grafitos.
Hierros de Fundición.
Clasificación de
Metales Ferrosos.
Aceros al carbón y Aleaciones.
Hierros.
Grafitos.
Hierros de Fundición.
Clasificación de
Metales Ferrosos.
Aceros al carbón y Aleaciones.
Hierros.
Grafitos.
Hierros de Fundición.
• El hierro es un material maleable, ferromagnético, y blando.
• Debido a su poca resistencia su única aplicación es en la fabricación de imanes.
• Después del aluminio es el segundo metal mas abundante en la corteza de la tierra
• Sus principales aleaciones son aquellas de la familia de los ferro-carbonos.
Hierro.
A Temperatura ambiente los granos obtenidos por enfriamiento lento del
arrabio o 1ª colada:
Ferrita: Contiene 0,008% de C. Blando, dúctil y baja resistencia a rotura.
Perlita: Contiene 0,89 % de C. Dureza, resistencia y ductilidad media.
Cementita: Contiene 6,67 % de C. Duro y muy frágil.
Constituyentes del Acero.
Constituyente a alta Temperatura: Austenita: Tiene gran plasticidad, es
dúctil y maleable y permite un alargamiento del 30%. Por estas
características, la Austenita permite ser trabajada con facilidad y es la razón
de que el acero caliente al rojo para fabricar piezas por estampación,
forja…
Constituyente al enfriar rápidamente desde la Austenita: Martensita: Tiene
gran dureza y resistencia pero es poco dúctil y maleable.
Constituyentes del Acero.
Aceros al Carbono. Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen diversas
cantidades de carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de
cobre. Entre los productos fabricados con aceros al carbono figuran máquinas, carrocerías de
automóvil, la mayor parte de las estructuras de construcción de acero, cascos de buques,
somieres y horquillas. Aceros al carbón.
Aceros Dulces. Aceros Semidulces. Aceros Semiduros. Aceros Duros.
El porcentaje de carbono es
de 0,25%, tiene una
resistencia mecánica de 48-
55 kg/mm2 y una dureza de
135-160 HB. Se puede
soldar con una técnica
adecuada.
Aplicaciones: Piezas de
resistencia media de buena
tenacidad, deformación en
frío, embutición, plegado,
herrajes, etc.
.
El porcentaje de carbono es
de 0,35%. Tiene una
resistencia mecánica de 55-
62 kg/mm2 y una dureza de
150-170 HB. Se templa
bien, alcanzando una
resistencia de 80 kg/mm2 y
una dureza de 215-245 HB.
Aplicaciones: Ejes,
elementos de maquinaria,
piezas resistentes y
tenaces, pernos, tornillos,
herrajes.
El porcentaje de carbono es
de 0,45%. Tiene una
resistencia mecánica de 62-
70 kg/mm2 y una dureza de
280 HB. Se templa bien,
alcanzando una resistencia
de 90 kg/mm2, aunque hay
que tener en cuenta las
deformaciones.
Aplicaciones: Ejes y
elementos de máquinas,
piezas bastante resistentes,
cilindros de motores de
explosión, transmisiones,
etc.
El porcentaje de carbono
es de 0,55%. Tiene una
resistencia mecánica de
70-75 kg/mm2, y una
dureza de 200-220 HB.
Templa bien en agua y
en aceite, alcanzando
una resistencia de
100 kg/mm2 y una dureza
de 275-300 HB.
Aplicaciones: Ejes,
transmisiones, tensores y
piezas regularmente
cargadas y de espesores
no muy elevados.
Aceros especiales o aleados. Además del Fe y C, contienen otros elementos en distintas proporciones. Cada
uno de esos elementos mejora las propiedades mecánicas y térmicas de los aceros.
Por ejemplo los aceros inoxidables son aleaciones de cromo y el acero galvanizado
se obtiene aleándolo con cinc. Algunas aportaciones de elementos químicos al acero
son las siguientes:
· Níquel: Aporta gran resistencia a tracción y a la corrosión.
· Cromo: Aporta gran dureza, tenacidad y resistencia a corrosión y a la abrasión.
· Tungsteno: Aporta gran dureza a altas y bajas temperaturas.
· Vanadio: Aporta dureza y resistencia a la tracción y al desgaste.
Aceros especiales o aleados.
Existe una normalización que agrupa los aceros en familias o clases según su
utilización. Se utiliza la letra F seguida de cuatro cifras, de las cuales la primera indica
uno
de los siguientes grupos:
· F-1000. Aceros finos de construcción en general.
Tornillos, ejes, engranajes, muelles, cadenas, etc…
· F-2000. Aceros para usos especiales:
- Aceros de fácil mecanización, útiles para la fabricación de grandes series.
- Aceros de fácil soldadura, para tubos, perfiles, etc…
- Aceros de buenas propiedades magnéticas, para chapas de transformadores,
motores, electroimanes…
· F-3000. Aceros inoxidables de uso general.
· F-4000. Aceros de emergencia. Aceros de alta resistencia para usos muy
especiales.
· F-5000. Aceros para herramientas.
· F-6000 y F-7000. Aceros para uso general o comunes. En construcción: barras
corrugadas para hormigón armado, viguetas…
· F-8000. Aceros para moldeo. Usado en piezas obtenidas por moldeo.
Hierros de Fundición. Las fundiciones de uso más frecuente suelen tener entre un 2,5 y un 4,5 % de Carbono y
pequeñas cantidades de silicio, manganeso, azufre y fósforo. Sin embargo, no es la cantidad
de carbono lo que caracteriza las fundiciones, sino la forma en que dicho elemento se
encuentra. La propiedad más importante de las fundiciones es la de ser fácilmente fusibles y
permiten obtener piezas sumamente complicadas a través de moldes. A diferencia del acero
no puede ser trabajado por forja o laminación.
Grafito.
• El grafito como producto férrico puede ser
confundido a menudo con el grafito como compuesto
del carbono puro. Sin embargo si hablamos del
grafito como producto férrico hablamos de una
aleación Fe-C que supera el 6.67% en peso de
carbono.
• En la actualidad debido a su fragilidad el grafito no
tiene ningún uso significativo
Productos Obtenidos. Lamina
Placa
Tubería ornamental
PTR
Barra redonda
Angulo
Solera
Pipe
Malla
Fin de la Presentación
Thanks for Watching
Ing. David Antonio Córdoba Jáquez.
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