Ciencia Materiales 05 Semana 11 Al 15 Mayo 2015

ING. MEC. OCTAVIO ARIAS

UNIVERSIDAD TCNICA DEL NORTE FACUTAD DE INGENIERA EN CIENCIAS APLICADAS

CARRERA DE INGENIERA INDUSTRIAL CIENCIA DE LOS MATERIALES

TEMA: Minerales del Hierro y Acero.

SEMANA: 11 al 15 mayo 2015

META DE APRENDIZAJE: Definir los requerimientos necesarios para la produccin del acero y sus productos derivados. MARCO TERICO

MATERIALES FERROSOS, son aquellos cuyo constituyente principal es el hierro. Se pueden

clasificar en:

HIERRO

ACEROS

FUNDICIONES

FERROALEACIONES.

EVOLUCIN HISTRICA DE LA SIDERURGIA

6000 a. C. se funden objetos de cobre.

3000 a. C. bronce fundido al alear cobre y estao.

1500 a. C. Los hititas (Turqua) utilizan el hierro. Se encuentra en forma de mineral, y

as no tiene utilidad. Hay que separar la mena y la ganga; descubierto este proceso su

utilizacin aumenta: ms abundante que el cobre, se encuentra en la corteza terrestre,

es ms duro y resistente.

1200 a. C. empieza la Edad de Hierro y se propaga por Oriente Medio.

600 a. C. comienza Edad Hierro en China y Europa.

s. I los romanos dominan el mundo, organizan la produccin de acero y la fabricacin

de armas: Damasco, Espaa, Italia, son centros productores de hierro.

700 Aparece la forja catalana, un tipo de horno con cuba de mampostera provista de

tobera lateral para mantener el carbn a mayor T.

1300 Primer Horno Alto, horno de gran capacidad, recibe aire de un fuelle, hierro en

contacto con el carbn y disminuye el punto de fusin, se obtiene el hierro colado.

1709-1735 horno de coque, Abraham Darby sustituye el carbn vegetal por coque,

ms rico en C, ms limpio y menos contaminante.

1740 acero al crisol. Benjamn Huntsman produce el primer acero al crisol. Acero de

muy buena calidad.


1784 Horno de pudelar de Cort, el hierro colado procedente al horno alto se refunda

en un horno de reverbero, y se obtena un hierro forjado de gran calidad.

1820-1828 Inyeccin de aire, Neilson mejora la eficacia del alto horno haciendo pasar

aire a travs de una tubera al rojo vivo.

1855 Bessemer, inventa el afinado por aire, preparacin de acero sin fuego.

1860 Cowper, inventa el recuperador de calor.

1864 Emile y Pierre Martin funden los primeros aceros con adicin de chatarra.

1878, Thomas, inventa el revestimiento del convertidor que permite la desfosforacin

del hierro.

1880 Siemens inventa la fabricacin de acero por va electrotrmica.

1884 1er Horno alto en Espaa

1902 Heroult, patenta el horno elctrico de arco.

1904 1er Horno elctrico en Espaa

1930 Colada continua.

1948, fabricacin de acero con convertidores soplados con oxgeno (procedimiento

LD).

1960 instalacin es Espaa de la colada continua.

1978, en Alemania se pone en marcha el horno elctrico por induccin.

PROCESO SIDERRGICO

MATERIAS PRIMAS

HIERRO

CARBN DE COQUE

FUNDENTES

El MINERAL DE HIERRO lleva mezclados:

La MENA o parte til: xidos de hierro

La GANGA o parte no til: slices, cal, almina, etc.


MINERAL NOMBRE CIENTFICO

% en Fe del mineral

CARACTERSTICAS

XIDOS

MAGNETITA (Fe3O4)

72% Mineral ms puro y rico. Color gris-negruzco, magntico.

HEMATITES (Fe2O3)

70% Tiene poco fsforo. Color rojizo, gris

LIMONITAS 2Fe2O3 +3 H2O

60% Color ocre. Blandas y fciles de reducir. Contiene fsforo.

CARBONATOS SIDERITA Fe CO3

48% Debe calcinarse en horno de cuba para pasar a xido de hierro.

SULFUROS PIRITA Fe S2

< 48% Mineral de hierro mezclado con cobre. Color amarillo.

CARBN DE COQUE

El CARBN es la materia prima para obtener COQUE. Slo

son aptas las hullas grasas y semigrasas de llama corta, con

contenido en materias voltiles entre 22% y 30%, azufre


Misin del coque en el proceso siderrgico:

Producir por combustin el calor necesario para la reaccin de reduccin

(eliminar oxgeno) y fundir la mena dentro del horno.

Soportar las cargas en el alto horno

Producir el gas reductor (CO) que transforma los xidos en arrabio.

Cmo se obtiene el coque?

Calentando a >1000 C las hullas.

Caractersticas de un buen coque:

Buena resistencia al aplastamiento

Baja humedad (


La chatarra

La chatarra de acero es otra materia utilizada

para la fabricacin de acero.

Conjunto de piezas, partes metlicas, etc., de

acero, inservibles y sin ninguna utilidad

industrial.

Puede ser: reciclada, de trasformacin, de

recuperacin.

EL ALTO HORNO

Es un horno de cuba formado por dos troncos de cono desiguales unidos por sus bases

mayores.

Parte interior de mampostera de ladrillos refractarios de 60-100 cm de espesor

Parte exterior revestida de plancha de acero reforzada con zunchos.

Partes del alto horno: (de arriba abajo)

a) Tragante

b) Cuba

c) Vientre

d) Etalajes

e) Crisol


PRODUCTOS DEL ALTO HORNO

ARRABIO, producto principal del Alto Horno. 90-95% de hierro. Puede ser de dos tipos:

Hematites, para piezas fundidas en molde

Bsico, para fabricacin de acero en convertidor soplado por oxgeno.

ESCORIA, material de desecho que sobrenada el arrabio en el crisol, por su menor

densidad. Sus aplicaciones son:

ridos para hormign

Aislantes trmicos

cementos

PROCESO DE OBTENCIN DEL ARRABIO

En la parte superior de la cuba se produce el

secado, precalentamiento y deshidratacin

a T: 200 450C

En la parte inferior de la cuba, es la zona de

reduccin 400 1200C

En los etalajes zonas de carburacin y fusin 1800C

La ganga se ha combinado con el fundente formando la escoria que sale por la

bigotera.

Por la piquera sale el arrabio

PROCEDIMIENTOS DE OBTENCIN DEL ACERO

Para la obtencin del acero se utilizan como materias primas el arrabio liquido del alto horno y

la chatarra de acero.

Se diferencian en la forma y tipo de energa aportada:

MARTIN - SIEMENS

BESSEMER - THOMAS

CONVERTIDOR LD

HORNOS ELCTRICOS


PROCEDIMIENTO MARTIN - SIEMENS

Permite cargas de tipo slido, lquido o mixto.

Permite distintos tipos de mezclas, luego se

obtienen productos definidos.

La solera puede ser cida, bsica o neutra.

Segn la proporcin de gas-aire podemos

tener una atmsfera oxidante (para quemar o

descarburar), reductora (para eliminar el

oxgeno) o neutra (para mantener la T).

Los gases del horno se les hace pasar por cmaras calentndolas; luego se invierte el

sentido, haca otras cmaras fras. La corriente gaseosa atraviesa el horno en un

sentido y otro alternativamente.

CONVERTIDOR BESSEMER THOMAS

Permite descarburar la fundicin gracias a una corriente de aire comprimido que

atraviesa la masa de fundicin lquida contenida en el convertidor.

Tres fases: llenado, soplado y vaciado.

El proceso se puede detener cerrando la entrada de aire.

Bessemer revestimiento cido, Thomas bsico.

CONVERTIDOR LD

El oxgeno se inyecta a alta presin (10-14 at.)a travs de un tubo refrigerado (lanza).

Fases del proceso:

Carga

soplado y afino

Colada o vaciado


HORNO ELCTRICO

Fusin de chatarra por medio de una corriente elctrica y posterior afino del bao fundido.

Hay dos tipos de hornos:

a) DE ARCO ELCTRICO

b) DE INDUCCIN

Ventajas:

Fcilmente regulable.

Calentamiento rpido.

Se mantiene la T a voluntad, y muy elevadas.

No hay gases en la combustin (menos impurezas).

El revestimiento interior puede ser cido o bsico (distintos tipos de fundiciones).


COLADA DEL ACERO

El ACERO sale del horno en estado lquido, hay que solidificarlo, varios mtodos:

Vertiendo el acero sobre moldes de forma establecida (acero moldeado)

Colar el acero lquido sobre moldes prismticos (lingoteras), para

transformarlo luego por laminacin o forja.

Colada continua del acero obteniendo directamente el semiproducto

deseado.

OBTENCIN DE PRODUCTOS COMERCIALES

Hay distintos caminos para obtener el acero slido, pero es necesario transformarlo en

productos comerciales. Se realiza por los siguientes procedimientos:

Laminacin

Forja

Estampacin

Moldeo

La laminacin consiste en hacer pasar un material entre dos rodillos o cilindros que

giran a la misma velocidad y en sentidos opuestos, y reducen la seccin transversal

mediante la presin ejercida por stos.

Puede realizarse en fro o en caliente (800 1250 C)


ESQUEMA DE UNA SIDERRGIA INTEGRAL

PRODUCTOS SIDERRGICOS HIERRO DULCE (cuando C entre 0.008 0.025 %)

ACEROS (0.025 2.1 %)

FUNDICIONES (2.1 6.67 %)

GRAFITO (>6.67 %)

FERROALEACIONES

Seor estudiante revise: Procesos de fundicin: http://es.slideshare.net/vanesa201007/procesos-de-fundicin-27306877?related=1 Proceso de transformacin de metales por fundicin y colada v.2014: http://es.slideshare.net/betorossa/proceso-de-transfromacin-de-metales-por-fundicin-y-colada-v2014?related=2 Procesos de funcin de metales: http://materias.fcyt.umss.edu.bo/tecno-II/PDF/cap-22.pdf Fundicin: http://www.escuelaing.edu.co/uploads/laboratorios/9627_fundicion.pdf


PROCESO DE FUNDICIN

La fundicin incluye: la fundicin de lingotes y la fundicin de formas. El lingote es una fundicin

en grande de forma simple (barras rectangulares largas), diseada para volver a formarse en

otros procesos subsiguientes como laminado o forjado. La fundicin de formas involucra la

produccin de piezas complejas que se aproximan ms a la forma final deseada del producto.

Este captulo se ocupa de estas formas de fundicin ms que de los lingotes.

Las posibilidades y ventajas son las siguientes:

La fundicin se puede usar para crear partes de compleja geometra, incluyendo formas

externas e internas.

Algunos procesos de fundicin pueden producir partes de forma neta que no requieren

operaciones subsecuentes para llenar los requisitos de la geometra y dimensiones de la

parte.

Se puede usar la fundicin para producir partes de unos cuantos gramos hasta formas que

pesan ms de 100 toneladas (coronas dentales, joyera, estatuas, bloques y cabezas para

motores automotrices, bases para mquinas, ruedas para ferrocarril, tubos, carcasas para

bombas, etc.).

El proceso de fundicin puede realizarse en cualquier metal que pueda calentarse y pasar

al estado lquido.

Algunos mtodos de fundicin son altamente adaptables a la produccin

Desventajas asociadas con el proceso de fundicin.

Las limitaciones de algunos procesos

Se pueden obtener piezas con propiedades mecnicas no homogneas

Piezas con porosidad

Baja precisin dimensional

Acabado deficiente de la superficie

Los riesgos que los trabajadores corren durante el procesamiento

Problemas ambientales.


TECNOLOGA DE FUNDICIN

El proceso de fundiciones realiza en una fundidora. Una

fundidora es una fbrica equipada para hacer moldes,

fundir y manejar el metal en estado lquido, desempear

los procesos de fundicin y limpieza de las piezas

terminadas. Los trabajadores que realizan estas

operaciones se llaman fundidores.

El primer paso que se da en el proceso de fundicin es la

fabricaron del molde.


Modelos El modelo es una forma usada para preparar y producir la cavidad en el molde. El

diseo debe ser lo ms simple que sea posible para facilitar el retiro del molde.

Tolerancias en el Modelo El modelo con el cual se fabrica la cavidad del molde debe ser un tanto

diferente de la pieza a producir tanto en forma como en dimensiones.

Material: madera, poliestireno, poliuretano o pasta epoxi sobre ncleo de poliestireno o

poliuretano.

EVALUACUIN FORMATIVA

}}}


Calentamiento del metal para fundicin

Para desarrollar la operacin de fundicin, el metal se calienta hasta una temperatura

ligeramente mayor a su punto de fusin y despus se vaca en la cavidad del molde para que se

solidifique. En esta seccin consideramos varios aspectos de estos dos pasos en la fundicin.


Vaciado del metal fundido

La introduccin del metal fundido en el molde y su flujo

dentro del sistema de vaciado y de la cavidad es un paso

crtico en el proceso. Para que este paso tenga xito, el metal

debe fluir antes de solidificarse a travs de todas las regiones

del molde, incluida la regin ms importante que es la

cavidad principal. Los factores que afectan la operacin de

vaciado son la temperatura de vaciado, la velocidad de

vaciado y la turbulencia.

Anlisis ingenieril del vaciado


Tiempo requerido para llenar una cavidad de volumen V como sigue:


Fluidez

Las caractersticas del metal fundido se describen

frecuentemente con el trmino fluidez, una medida de la

capacidad del metal para llenar el molde antes de enfriar.

Existen mtodos normales de ensayo para valorar la fluidez,

como el molde espiral de prueba que se muestra en la figura

2.2, donde la fluidez se mide por la longitud del metal

solidificado en el canal espiral. A mayor longitud, mayor fluidez

del metal fundido.

SOLIDIFICACIN Y ENFRIAMIENTO

Despus de vaciar el metal fundido en el molde, ste se enfra y solidifica

Tiempo de solidificacin

Este tiempo depende del tamao y de la forma de la fundicin expresada por una relacin

emprica conocida como regla de Chvorinov que establece:


Dado que n = 2, las unidades de Cm son (min/m2), su valor depende de las condiciones

particulares de la operacin de fundicin.

Contraccin

La contraccin ocurre en tres pasos:

1) contraccin lquida durante el enfriamiento anterior

a la solidificacin;

2) contraccin durante el cambio de fase de lquido a

slido, llamada contraccin de solidificacin, y

3) contraccin trmica de la fundicin solidificada

durante el enfriamiento hasta la temperatura

ambiente.

Diseo de la mazarota


Seor estudiante revise: Procesos de fundicin de metales (Groover, 1997): https://books.google.com.ec/books?id=tcV0l37tUr0C&pg=PA260&dq=procesos+de+fundici%C3%B3n+groover&hl=es-419&sa=X&ei=k9pUVcKFMMSpNtXugLAI&ved=0CBsQ6AEwAA#v=onepage&q=procesos%20de%20fundici%C3%B3n%20groover&f=false Fundicin bsica del acero: https://www.youtube.com/watch?v=NmCxReKfW0M


PRIMERA PARTE: Seores estudiantes, como parte del proceso de formacin realice el siguiente

cuestionario:

1. Cul es el factor ms importante que gobierna las propiedades del acero?

2. Cul es la diferencia entre el arrabio y la escoria?

3. Cules son los principales elementos del hierro colado?

4. Nombrar las impurezas corrientes del mineral de hierro

5. Qu importancia tiene la chatarra en la fabricacin del acero?

6. Qu dificultades se presentan con su uso de la chatarra?

7. Qu combustible se emplea en el alto horno?

8. Cmo se extrae el hierro de un horno alto?

9. Cmo se carga un horno alto?

10. Qu aplicacin tiene el xido de carbono saliente de un horno alto?

11. Cmo se fabrica el acero en un horno Siemens ?

12. Cmo se aprecia el contenido de carbono del acero?

13. Por qu se aade ferromanganeso y ferrosilicio a la cuchara ?

14. Para qu tipo de acero se emplea el procedimiento del crisol?

15. Por qu se utilizan los hornos elctricos para fabricar acero?

16. Qu importancia tiene la escoria en el hierro forjado?

17. Principales propiedades del acero.

18. Describir un molde de arena y la manera de usarlo.

19. Qu es fundicin maleable?

20. En qu consiste el colado centrfugo? ventajas que tiene sobre el colado en molde de

arena.

SEGUNDA PARTE: Seores estudiantes, como parte del proceso de formacin realice las

preguntas del 1 al 20 del siguiente documento: http://materias.fcyt.umss.edu.bo/tecno-

II/PDF/ejer2.pdf

Nota: Enviarlo al aula virtual: www.edmodo.com

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