Materiales ferricos y altos hornos elaborados

DEPARTAMENTO DE

TECNOLOGÍA

MATERIALES FÉRRICOS

I.E.S Valle de Leiva Profesor: David González Curso 09/10

Índice

0. NOCIONES PREVIAS

ÍNDICE

0.1 Propiedades generales 0.2 Clasificación general 0.3 Metales ferrosos 0.4 Definiciones

1. SIDERURGIA

1.1 Inicio y desarrollo de la siderurgia

2. ALTO HORNO 2.1 Tratamientos previos con el mineral de hierro 2.2 Partes de un alto horno 2.3 Productos obtenidos del alto horno

3. TRANSFORMACIÓN DEL ARRABIO EN ACERO

3.1 Procesos para la obtención del acero

4. TIPOS DE ACEROS 4.1 Aceros al carbono 4.2 Aceros de aleación. 4.3 Aceros de baja aleación ultrarresistentes 4.4 Aceros inoxidables 4.5 Aceros de herramientas

5. PROCESOS DE ACABADO DEL ACERO 6. TRATAMIENTOS TÉRMICOS DEL ACERO

7. FUNDICIONES 8. CUESTIONARIO

Clasificación de los productos siderúrgicos

MATERIALES METÁLICOS FÉRREOS

HIERRO

ACERO Fe + C (<2%)

FUNDICIÓN Fe + C (>2%)

Fe 99,98%

Aceros aleados

Extrasuave 0,1-0,2 %C Suave 0,2-0,3 %C Semisuave 0,3-0,4 %C Semiduro 0,4-0,5 %C Duro 0,5-0,6 %C Extraduro 0,6-0,7 %C

Fe + C + Cr + Mn + Ni + V + ...

Fundiciones ordinarias • Blanca (Fe3C cementita) • Gris (Fe + grafito) • Atruchada (blanca + gris)

Aceros no aleados Fe + C

Fundiciones aleadas

Fundiciones especiales Fundiciones ordinarias

+ Tratamientos térmicos

Fundiciones ordinarias +

Elementos de aleación

DAVID GONZÁLEZ - DEPARTAMENTO DE TECNOLOGÍA - I.E.S VALLE DE LEIVA

TECNOLOGÍA INDUSTRIAL I – MATERIALES FÉRRICOS 1

METALES

0.

NOCIONES PREVIAS

0.1 Propiedades generales

- Todos los metales, excepto el mercurio poseen una estructura interna común. - Tienen elevada conductividad térmica y eléctrica. - Tienen considerable resistencia mecánica. - Suelen ser maleables. - Se pueden fundir, conformar y reciclar.

0.2 Clasificación general

Los metales se clasifican como

- Metales ferrosos o férricos: Son aquellos que contienen como elemento base el hierro.

- Metales no ferrosos o no férricos: Son aquellos metales que no contienen hierro como uno de sus componentes.

0.3 Metales ferrosos

0.3.1 Características del hierro puro

- Es un material magnético (ferromagnético). - Color blanco azulado. - Muy dúctil y maleable. - Punto de fusión: aproximadamente 1500 ºC - Densidad alta (7,87 g/cm3.) - Buen conductor del calor y la electricidad. - Se corroe y oxida con mucha facilidad. - Bajas propiedades mecánicas (al corte, limado, conformado, etc). - Es un metal más bien blando.

Es precisamente, por lo que tiene bajas propiedades mecánicas por lo que el hierro puro, prácticamente no se emplea en la industria (salvo para hacer imanes), por lo que se emplea aleado con carbono (que es un no metal) y otros metales.

0.4 Definiciones Aleación: Es la mezcla de dos o más materiales, donde al menos uno, de forma mayoritaria es un metal. Los metales ferrosos son los más utilizados a nivel industrial. Representan aproximadamente el consumo del 80% de todos los metales. Encontramos los siguientes tipos de metales ferrosos: 1. Hierro industrial: cuando el contenido en carbono es menor al 0,03%. 2. Acero: Cuando el contenido en carbono está comprendido entre el 0’03 y el 1’67%. 3. Fundición: El porcentaje de carbono está comprendido entre el 1’67 y el 6’67%.



Las aleaciones con un contenido de carbono superior carecen de interés industrial porque son

demasiado frágiles.

El hierro industrial apenas se emplea.

1.

SIDERURGIA

La Siderurgia es la tecnología relacionada con la producción del hierro y sus aleaciones, en especial las que contienen un pequeño porcentaje de carbono, que constituyen los diferentes tipos de acero. A veces, las diferencias entre las distintas clases de hierro y acero resultan confusas por la nomenclatura empleada. En general, el acero es una aleación de hierro y carbono a la que suelen añadirse otros elementos. Algunas aleaciones denominadas hierros contienen más carbono que algunos aceros comerciales. El hierro de crisol abierto y el hierro forjado contienen un porcentaje de carbono de sólo unas centésimas. Los distintos tipos de acero contienen entre el 0,04 y el 2,25% de carbono. El hierro colado, el hierro colado maleable y el arrabio contienen entre un 2 y un 4% de carbono. Hay una forma especial de hierro maleable que no contiene casi carbono alguno. Para fabricar aleaciones de hierro y acero se emplea un tipo especial de aleaciones de hierro denominadas ferroaleaciones, que contienen entre un 20 y un 80% del elemento de aleación, que puede ser manganeso, silicio o cromo.

1.1 Inicio y desarrollo de la siderurgia

No se conoce con exactitud la fecha en que se descubrió la técnica de fundir mineral de hierro para producir un metal susceptible de ser utilizado. Los primeros utensilios de hierro descubiertos por los arqueólogos en Egipto datan del año 3000 a.C., y se sabe que antes de esa época se empleaban adornos de hierro. Los griegos ya conocían hacia el 1000 a.C. la técnica, de cierta complejidad, para endurecer armas de hierro mediante tratamiento térmico.

Las aleaciones producidas por los primeros artesanos del hierro (y, de hecho, todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV d.C.) se clasificarían en la actualidad como hierro forjado. Para producir esas aleaciones se calentaba una masa de mineral de hierro y carbón vegetal en un horno o forja con tiro forzado. Ese tratamiento reducía el mineral a una masa esponjosa de hierro metálico llena de una escoria formada por impurezas metálicas y cenizas de carbón vegetal. Esta esponja de hierro se retiraba mientras permanecía incandescente y se golpeaba con pesados martillos para expulsar la escoria y soldar y consolidar el hierro. El hierro producido en esas condiciones solía contener un 3% de partículas de escoria y un 0,1% de otras impurezas. En ocasiones esta técnica de fabricación producía accidentalmente auténtico acero en lugar de hierro forjado. Los artesanos del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro forjado y carbón vegetal en recipientes de arcilla dejándolo secar durante varios días, con lo que el hierro absorbía suficiente carbono para convertirse en acero auténtico.

Después del siglo XIV se aumentó el tamaño de los hornos utilizado para la fundición y se incrementó el tiro para forzar el paso de los gases de combustión por la carga o mezcla de materias primas. En estos hornos de mayor tamaño el mineral de hierro de la parte superior del horno se reducía a hierro metálico y a continuación absorbía más carbono como resultado de los gases que lo atravesaban. El producto de estos hornos era el llamado



arrabio, una aleación que funde a una temperatura menor que el acero o el hierro forjado. El arrabio se refinaba después para fabricar acero.

2.

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.

2.1 Tratamientos previos con el mineral de hierro

La inmensa mayoría de los metales no se encuentran en estado puro en la naturaleza, sino combinados con otros elementos químicos formando los minerales, los cuales se encuentran en yacimientos y se extraen en las minas.

El hierro no es una excepción y se encuentra en los siguientes minerales: 1. Magnetita, hematites y limonitas (los cuales son óxidos de hierro). 2. Siderita (el cual es un carbonato de hierro). Una vez extraído el mineral de hierro se procede a: 1. Triturar y moler el mineral. 2. Separar la parte útil, llamada mena, que es la que contiene el hierro, de la parte inútil y

desechable, llamada ganga. Normalmente este proceso se hace empleando agua, pues la mena es más densa y la ganga flota.

+ 3. Posteriormente, la mena se somete a altas temperaturas sin la presencia de oxígeno. Con

este se persigue eliminar el oxígeno de los minerales A este proceso se le llama reducir el mineral.

El proceso de reducción del mineral de hierro se lleva a cabo en los altos hornos

2.2 Partes de un alto horno La cuba: Tiene forma troncocónica y constituye la parte superior del alto horno; por

la zona más estrecha y alta de la cuba (llamada tragante) se introduce la carga. La carga la componen:

- El mineral de hierro: magnetita, limonita, siderita o hematite.

Mineral de hierro

Ganga (parte despreciable)

Mena (parte útil)



- Combustible: que generalmente es carbón de coque. Recuerda que este carbón se obtiene por destilación del carbón de hulla y tiene alto poder calorífico. El carbón de coque, además de actúar como combustible provoca la reducción del mineral de hierro, es decir, provoca que el metal hierro se separe del oxígeno

.

- El carbono, en su forma industrial de coque, se mezcla con el mineral, con cuyo oxígeno se combina, transformándose, primero en monóxido de carbono (CO) y luego en dióxido carbónico (CO2).

FeO + C → Fe + CO (reducción del mineral de hierro – FeO – en metal hierro con CO) FeO + CO → Fe + CO2 (reducción del mineral de hierro – FeO – en metal hierro con CO2).

- Fundente: Puede ser piedra caliza

o arcilla. El fundente se combina químicamente con la ganga para formar escoria, que queda flotando sobre el hierro líquido, por lo que se puede separar. Además ayuda a disminuir el punto de fusión de la mezcla.

El mineral de hierro, el carbón de coque y los materiales fundentes se mezclan y se tratan previamente, antes de introducirlos en el alto horno. El resultado es un material poroso llamado sínter. Las proporciones del sínter son:

Mineral de hierro .........2 Toneladas.

Carbón de coque ..........1 Tonelada.

Fundente........................½ Tonelada Se introducen por la parte más alta de la cuba. La mezcla arde con la ayuda de una inyección de aire caliente (oxígeno), de forma que, a medida que baja, su temperatura aumenta hasta que llega al etalaje: Está separada de la cuba por la zona más ancha de esta última parte, llamada vientre. El volumen del etalaje es mucho menor que el de la cuba. La temperatura de la carga es muy alta (1500 ºC) y es aquí donde el mineral de hierro comienza a transformarse en hierro.La parte final del etalaje es más estrecha. El etalaje. También de forma troncocónica. En esta parte del horno se produce una

notable disminución del volumen de los materiales, como consecuencia de las transformaciones químicas que tienen lugar en él. La zona inferior es de menor diámetro, a causa de esta disminución de volumen y, también, por el hecho de que la fusión de la carga hace que ésta fluya sin dejar espacios libres.

Crisol: Bajo el etalaje se encuentra el crisol, donde se va depositando el metal

líquido. Por un agujero, llamado bigotera o piquera de escoria se extrae la escoria, que se aprovecha para hacer cementos y fertilizantes. Por un orificio practicado en la parte baja del mismo, denominada piquera de arrabio sale el hierro líquido, llamado arrabio, el cual se conduce hasta unos depósitos llamados cucharas.

Así pues, el producto final del alto horno se llama arrabio, también llamado hierro colado o hierro de primera fusión.



2.3 Productos obtenidos del alto horno Humos y gases residuales.- Se producen como consecuencia de la combustión del

coque y de los gases producidos en la reducción química del mineral de hierro que, en un elevado porcentaje, se recogen en un colector situado en la parte superior del alto horno. Estos gases son, principalmente, dióxido de carbono, monóxido de carbono y óxidos de azufre.

Escoria.- Es un residuo metalúrgico que a veces adquiere la categoría de

subproducto, ya que se puede utilizar como material de construcción, bloques o como aislante de la humedad y en la fabricación de cemento y vidrio. La escoria, como se comentó anteriormente, se recoge por la parte inferior del alto horno por la piquera de escoria.

Fundición, hierro colado o arrabio.- Es el producto propiamente aprovechable del

alto horno y está constituido por hierro con un contenido en carbono que varía entre el 2% y el 5%. Se presenta en estado líquido a 1800 ºC. En ocasiones, a este metal se le denomina hierro de primera fusión.

A partir de la primera fusión, se obtienen todos los productos ferrosos restantes:

otras fundiciones, hierro dulce, acero...



3.TRANSFORMACIÓN DEL ARRABIO EN ACERO

La proporción de carbono en el arrabio extraído del alto horno se encuentra en el intervalo correspondiente a las fundiciones. Así pues, se trata de un material duro y frágil, que no puede ser extendido en hilos ni en láminas; por este motivo apenas tiene aplicación industrial. Se hace necesario, pues, reducir el contenido en carbono del arrabio

Proceso básico de oxígeno

para convertirlo en acero; que es un material que sigue siendo duro, pero más elastico, dúctil, maleable y capaz de soportar impactos. 3.1 Procesos para la obtención del acero

El proceso más antiguo para fabricar acero en grandes cantidades, es el proceso Bessemer, que empleaba un horno de gran altura en forma de pera, denominado convertidor Bessemer, que podía inclinarse en sentido lateral para la carga y el vertido. Al hacer pasar grandes cantidades de aire a través del metal fundido, el oxígeno del aire se combinaba químicamente con las impurezas y las eliminaba.

En el proceso básico de oxígeno, el acero también se refina en un horno en forma de pera que se puede inclinar en sentido lateral. Sin embargo, el aire se sustituye por un chorro de alta presión de oxígeno casi puro. Cuando el horno se ha cargado y colocado en posición vertical, se hace descender en su interior una lanza de oxígeno. La punta de la lanza, refrigerada por agua, suele estar situada a unos 2 m por encima de la carga, aunque esta distancia puede variarse de acuerdo las necesidades. A continuación se inyectan en el horno miles de metros cúbicos de oxígeno a velocidades supersónicas. El oxígeno se combina con el carbono y otros elementos no deseados e inicia una reacción de agitación que quema con rapidez las impurezas del arrabio y lo transforma en acero. El proceso de refinado tarda 50 minutos o menos, y es posible fabricar unas 275 toneladas de acero en una hora.

Esta transformación del arrabio en acero se lleva a cabo en un recipiente llamado convertidor, y se realiza suministrando oxígeno al arrabio líquido. Veamos como es este proceso llamado afino. Los convertidores son hornos, siendo empleados hoy en día los eléctricos, donde se lleva a cabo un proceso de fusión.

1. El arrabio se transporta líquido desde el alto horno hasta la acería (donde está el

convertidor). El arrabio se transporta en unos depósitos llamados torpedos. 2. Se introduce en el convertidor, además del arrabio, chatarra, fundentes (cal) y

oxígeno. El convertidor, a diferencia del alto horno, no se le proporciona calor extra. 3. El oxígeno reacciona con las impurezas, especialmente el carbono que sobra (se

oxidan) y facilita la eliminación de la escoria formada. El fundente también facilita la formación de la escoria, que flota sobre el metal fundido.



Los productos obtenidos del convertidor son:

Acero líquido: que será transportado por medio de otra cuchara para ser sometido a procesos siderúrgicos. Este acero ya es de calidad.

Escoria: que se recicla para otros fines, especialmente la construcción.

Gases: Especialmente monóxido de carbono y dióxido de carbono, resultantes de la combustión de carbono.

En el convertidor también se lleva a cabo la aleación del acero con otros metales (Ni, Cr, Mo, etc.) para obtener aceros aleados que mejoran las propiedades del metal original. Producción por hornada: Entre 100 y 300 toneladas, dependiendo del tipo de convertidor.

Acero de horno eléctrico

En algunos hornos el calor para fundir y refinar el acero procede de la electricidad y no de la combustión de gas. Como las condiciones de refinado de estos hornos se pueden regular más estrictamente que las de los hornos de crisol abierto o los hornos básicos de oxígeno, los hornos eléctricos son sobre todo útiles para producir acero inoxidable y otros aceros de aleación que deben ser fabricados según unas especificaciones muy exigentes. El refinado se produce en una cámara hermética, donde la temperatura y otras condiciones se controlan de forma estricta mediante dispositivos automáticos. En las primeras fases de este proceso de refinado se inyecta oxígeno de alta pureza a través de una lanza, lo que aumenta la temperatura del horno y disminuye el tiempo necesario para producir el acero. La cantidad de oxígeno que entra en el horno puede regularse con precisión en todo momento, lo que evita reacciones de oxidación no deseadas.

En la mayoría de los casos, la carga está formada casi exclusivamente por material de chatarra. Antes de poder utilizarla, la chatarra debe ser analizada y clasificada, porque su contenido en aleaciones afecta a la composición del metal refinado. También se añaden otros materiales, como pequeñas cantidades de mineral de hierro y cal seca, para contribuir a eliminar el carbono y otras impurezas. Los elementos adicionales para la aleación se introducen con la carga o después, cuando se vierte a la cuchara el acero refinado.



Una vez cargado el horno se hacen descender unos electrodos hasta la superficie del metal. La corriente eléctrica fluye por uno de los electrodos, forma un arco voltaico hasta la carga metálica, recorre el metal y vuelve a formar un arco hasta el siguiente electrodo. La resistencia del metal al flujo de corriente genera calor, que —junto con el producido por el arco voltaico— funde el metal con rapidez. Hay otros tipos de horno eléctrico donde se emplea una espiral para generar calor.

4. Los diferentes tipos de acero se agrupan en cinco principales clases.

TIPOS DE ACEROS

4.1 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 u horquillas o pasadores para el pelo.

4.2 Aceros de aleación Estos aceros contienen una proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales. Estos aceros se emplean, por ejemplo, para fabricar engranajes y ejes de motores, patines o cuchillos de corte.

4.3 Aceros de baja aleación ultrarresistentes Esta familia es la más reciente de las cinco grandes clases de acero. Los aceros de baja aleación son más baratos que los aceros de aleación convencional ya que contienen cantidades menores de los costosos elementos de aleación. Sin embargo, reciben un tratamiento especial que les da una resistencia mucho mayor que la del acero al carbono. Por ejemplo, los vagones de mercancías fabricados con aceros de baja aleación pueden transportar cargas más grandes porque sus paredes son más delgadas que lo que sería necesario en caso de emplear acero al carbono. Además, como los vagones de acero de baja aleación pesan menos, las cargas pueden ser más pesadas. En la actualidad se construyen muchos edificios con estructuras de aceros de baja aleación. Las vigas pueden ser más delgadas sin disminuir su resistencia, logrando un mayor espacio interior en los edificios.

4.4 Aceros inoxidables Los aceros inoxidables contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación, que los mantienen brillantes y resistentes a la herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la humedad o de ácidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos periodos a temperaturas muy rigurosas. Debido a sus superficies brillantes los arquitectos los emplean muchas veces con fines decorativos. El acero inoxidable se emplea para las tuberías y tanques de refinerías de petróleo o plantas químicas, para los fuselajes de los aviones o para cápsulas espaciales. También se usa para fabricar instrumentos y equipos quirúrgicos, o para fijar o sustituir huesos rotos, ya que resiste a la acción de los fluidos corporales. En cocinas y zonas de preparación de alimentos los utensilios son a menudo de acero inoxidable, ya que no oscurece los alimentos y pueden limpiarse con facilidad.



4.5 Aceros de herramientas Estos aceros se emplean para fabricar muchos tipos de herramientas y cabezales de corte y modelado de máquinas empleadas en diversas operaciones de fabricación. Contienen volframio, molibdeno y otros elementos de aleación, que les proporcionan mayor resistencia, dureza y durabilidad.

5. El acero se vende en una gran variedad de formas y tamaños, como varillas, tubos, raíles o rieles de ferrocarril, perfiles en H o en T o canales. Estas formas se obtienen en las instalaciones siderúrgicas laminando los lingotes calientes o modelándolos de algún otro modo. El acabado del acero mejora también su calidad al refinar su estructura cristalina y aumentar su resistencia.

PROCESOS DE ACABADO DEL ACERO

El proceso básico de elaboración del acero se conoce como laminado en caliente. En este proceso, el lingote colado se calienta al rojo vivo en un horno denominado foso de termodifusión y a continuación se hace pasar entre una serie de rodillos metálicos colocados en pares que lo aplastan hasta darle la forma y tamaño deseados. La distancia entre los rodillos va disminuyendo a medida que se reduce el espesor del acero.

El primer par de rodillos por el que pasa el lingote se conoce como tren de desbaste o de eliminación de asperezas, y las barras cuadradas que produce se denominan tochos. Después del tren de desbaste, el acero pasa a trenes de laminado en bruto y a los trenes de acabado que lo reducen a la sección transversal correcta. Los rodillos para producir raíles o rieles de ferrocarril o perfiles en H, en T o en L tienen estrías para proporcionar la forma adecuada.

Los procesos modernos de fabricación requieren gran cantidad de chapa de acero delgada. Los trenes o rodillos de laminado continuo producen tiras y láminas con anchuras de hasta 2,5 m. Estos laminadores procesan con rapidez la chapa de acero antes de que se enfríe y no pueda ser trabajada. Las planchas de acero caliente de más de 10 cm de espesor se pasan por una serie de cilindros que reducen progresivamente su espesor hasta unos 0,1 cm y aumentan su longitud de 4 a 370 metros.

Los trenes de laminado continuo están equipados con una serie de accesorios como rodillos de borde, aparatos de decapado o eliminación y dispositivos para enrollar de modo automático la chapa cuando llega al final del tren. Los rodillos de borde son grupos de rodillos verticales situados a ambos lados de la lámina para mantener su anchura.



Los aparatos de decapado eliminan la costra que se forma en la superficie de la lámina apartándola mecánicamente, retirándola mediante un chorro de aire o doblando de forma abrupta la chapa en algún punto del recorrido. Las bobinas de chapa terminadas se colocan sobre una cinta transportadora y se llevan a otro lugar para ser recocidas y cortadas en chapas individuales.

Una forma más eficiente para producir chapa de acero delgada es hacer pasar por los rodillos planchas de menor espesor. Con los métodos convencionales de fundición sigue siendo necesario pasar los lingotes por un tren de desbastado para producir planchas lo bastante delgadas para el tren de laminado continuo.

Los sistemas de colado ininterrumpido, en cambio, producen una plancha continua de acero con un espesor inferior a 5 cm, lo que elimina la necesidad de trenes de desbaste y laminado en bruto.

Los tubos más baratos se moldean doblando una tira plana de acero caliente en forma cilíndrica y soldando los bordes para cerrar el tubo. En los tubos más pequeños, los bordes de la tira suelen superponerse y se pasan entre un par de rodillos curvados según el diámetro externo del tubo. La presión de los rodillos es suficiente para soldar los bordes. Los tubos sin soldaduras se fabrican a partir de barras sólidas haciéndolas pasar entre un par de rodillos inclinados entre los que está situada una barra metálica con punta, llamada mandril, que perfora las barras y forma el interior del tubo mientras los rodillos forman el exterior.

Tubos

El producto de acero recubierto más importante es la hojalata estañada que se emplea para la fabricación de latas y envases. El material de las latas contiene más de un 99% de acero. En algunas instalaciones, las láminas de acero se pasan por un baño de estaño fundido (después de laminarlas primero en caliente y luego en frío) para estañarlas. El método de recubrimiento más común es el proceso electrolítico. La chapa de acero se desenrolla poco a poco de la bobina y se le aplica una solución química. Al mismo tiempo se hace pasar una corriente eléctrica a través de un trozo de estaño puro situado en esa misma solución, lo que hace que el estaño se disuelva poco a poco y se deposite sobre el acero. Con este sistema, medio kilogramo de estaño basta para recubrir 20 metros cuadrados de acero. En la hojalata delgada, la chapa recibe un segundo laminado en frío antes de recubrirla de estaño, lo que aumenta la resistencia de la chapa además de su delgadez. Las latas hechas de hojalata delgada tienen una resistencia similar a las ordinarias, pero contienen menos acero, con lo que se reduce su peso y su coste. También pueden fabricarse envases ligeros adhiriendo una delgadísima lámina de acero estañado sobre papel o cartón.

Hojalata



6. El proceso básico para endurecer el acero mediante tratamiento térmico consiste en calentar el metal hasta una temperatura a la que se forma austenita, generalmente entre los 750 y 850 ºC, y después enfriarlo con rapidez sumergiéndolo en agua o aceite. Estos tratamientos de endurecimiento, que forman martensita, crean grandes tensiones internas en el metal, que se eliminan mediante el temple o el recocido, que consiste en volver a calentar el acero hasta una temperatura menor.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS DEL ACERO

El temple reduce la dureza y resistencia y aumenta la ductilidad y la tenacidad.

El objetivo fundamental del proceso de tratamiento térmico es controlar la cantidad, tamaño, forma y distribución de las partículas de cementita contenidas en la ferrita, que a su vez determinan las propiedades físicas del acero.

Hay muchas variaciones del proceso básico. Los ingenieros metalúrgicos han descubierto que el cambio de austenita a martensita se produce en la última fase del enfriamiento, y que la transformación se ve acompañada de un cambio de volumen que puede agrietar el metal si el enfriamiento es demasiado rápido. Se han desarrollado tres procesos relativamente nuevos para evitar el agrietamiento.

En el templado prolongado, el acero se retira del baño de enfriamiento cuando ha alcanzado la temperatura en la que empieza a formarse la martensita, a continuación se enfría despacio en el aire. En el martempering, el acero se retira del baño en el mismo momento que el templado prolongado y se coloca en un baño de temperatura constante hasta que alcanza una temperatura uniforme en toda su sección transversal. Después se deja enfriar el acero en aire a lo largo del rango de temperaturas de formación de la martensita, que en la mayoría de los aceros va desde unos 300 ºC hasta la temperatura ambiente. En el austempering, el acero se enfría en un baño de metal o sal mantenido de forma constante a la temperatura en que se produce el cambio estructural deseado, y se conserva en ese baño hasta que el cambio es completo, antes de pasar al enfriado final.

Hay también otros métodos de tratamiento térmico para endurecer el acero. En la cementación, las superficies de las piezas de acero terminadas se endurecen al calentarlas con compuestos de carbono o nitrógeno. Estos compuestos reaccionan con el acero y aumentan su contenido de carbono o forman nitruros en su capa superficial. En la carburización la pieza se calienta cuando se mantiene rodeada de carbón vegetal, coque o de gases de carbono como metano o monóxido de carbono.

La cianurización consiste en endurecer el metal en un baño de sales de cianuro fundidas para formar carburos y nitruros.

La nitrurización se emplea para endurecer aceros de composición especial mediante su calentamiento en amoníaco gaseoso para formar nitruros de aleación.



7. Aunque se denomina fundición a la aleación de hierro y carbono con un porcentaje entre el 1’67% y el 6’67%, en la práctica, el contenido de carbono de las fundiciones oscila entre el 2’5% y el 4,5%, encontrándose presentes, normalmente, otros elementos.

FUNDICIONES

Las fundiciones, como su nombre indica, son fácilmente fusibles, es decir, su punto de fusión es bajo. Por lo que se emplean para la obtención de piezas de moldeo. Diferencias con el acero

- Como ya mencionamos, su punto de fusión es más bajo. - Son ligeramente más ligeras. - Son más duras, pero más frágiles. - Tienen buena resistencia al desgaste. - Mayor resistencia a la oxidación. - Las piezas fabricadas con función son más baratas y, normalmente, de mayor

volumen.

Clasificación a) Fundiciones ordinarias: Sólo están constituidas por acero y carbono. Se pueden

subdividir en: - Fundición blanca: Contiene un constituyente férrico llamado cementita, que

confiere a la fundición una gran dureza, pero a la vez mucha fragilidad. Por lo que es casi imposible de mecanizar.

- Fundición gris: Contiene un constituyente férrico llamado grafito, que hace que la fundición no sea tan dura como la fundición blanca, pero es más tenaz. Por lo tanto se puede mecanizar mejor.

b) Fundición aleada: Además de hierro y carbono, estas aleaciones presentan cantidades de otros elementos que modifican las propiedades de las ordinarias.

c) Fundición especial: Además de hierro y carbono, se añaden otros elementos y se somete el conjunto a tratamientos térmicos. Destaca:

- Fundición maleable o dúctil: Se obtienen a partir de las fundiciones blancas, que tras un tratamiento térmico, se vuelve más maleable.



8.

CUESTIONARIO

1. Describe el proceso de obtención del acero (a partir del arrabio o de la chatarra) 2. Describe el proceso para obtener el arrabio (a partir de sus materias primas) 3. Describe un alto horno y su funcionamiento 4. A qué se debió la buena aceptación y rápida difusión del hierro en los comienzos de

su utilización. 5. ¿En qué consiste la colada contínua? ¿Qué ventajas tiene? 6. ¿En qué consiste la laminación? (tipos) 7. Realiza un cuadro resumen de los diferentes tipos de fundiciones, indicando sus

características principales. 8. Describe el proceso que sigue el arrabio hasta convertirse en un fino alambre

comercial. 9. ¿Qué son las ferroaleaciones? ¿Para qué se usan? 10. ¿Qué es el sinterizado? Describe su proceso.

Cuestiones sobre materiales férricos.

1. ¿Qué diferencia hay entre estado cristalino y amorfo? 2. ¿Qué diferencia hay entre las soluciones sólidas de sustitución y las soluciones

sólidas intersticiales? 3. ¿Qué entiendes por "grano cristalino"? 4. El hierro puro tiene muy pocas aplicaciones. ¿Por qué? 5. ¿Qué es el hierro dulce? 6. Explica someramente el proceso de obtención de acero a partir del mineral,

indicando todas las materias que intervienen en el proceso. 7. Dibuja esquemáticamente un alto horno e indica sus partes principales. Explica

el funcionamiento del alto horno. 8. ¿Qué función tiene el coque en el alto horno?¿y los fundentes? ¿qué tipo de

sustancias son los fundentes? 9. ¿Qué se entiende por escoria? ¿Y por arrabio? 10. ¿Qué son los etalajes? ¿Qué es la piquera de arrabio? ¿Por qué se sitúa por

debajo de la piquera de escoria? 11. ¿Qué es un horno convertidor? Explica su funcionamiento. 12. ¿Qué se entiende por colada continua? ¿Qué productos se obtienen en este

proceso? 13. ¿Qué tipo de acero al carbono utilizarías para construir la carrocería de un

coche? ¿Y el eje del motor de un camión? 14. ¿Cómo varían la dureza, resistencia a la tracción, ductilidad y fragilidad

cuando aumenta el porcentaje de carbono en el acero? 15. Cita cuatro características que consideres importantes de los aceros. 16. ¿En qué se diferencian los aceros aleados de los aceros al carbono? 17. ¿Qué es el acero inoxidable?¿Cuál es su composición? ( pregunta de

investigación) 18. ¿Qué es la hojalata? ¿es una aleación? ¿por qué? ( pregunta de investigación) 19. Realiza un cuadro resumen de los diferentes tipos de fundiciones, indicando sus

características principales. 20. Describe el proceso que sigue el arrabio hasta convertirse en un fino alambre

comercial.



21. Un alto horno consume 500 kg de coque por cada tonelada de arrabio que produce.

a. ¿Qué cantidad de coque se necesitará y qué masa de arrabio puede obtenerse a partir de 250 toneladas de un mineral de hierro con un contenido en ese metal del 22%?

b. ¿Qué cantidad de CO2 se emitirá a la atmósfera por cada tonelada de arrabio producido?

Solución: 57,9 toneladas de arrabio; 28,95 toneladas de coque; (las toneladas de CO2 ya si eso las vemos en clase…).

22. En las fundiciones, ¿en qué porcentaje podemos encontrar el carbono? ¿en qué forma?

23. ¿Cuáles son las principales características de las fundiciones? 24. Indica qué material férrico utilizarías para fabricar cada uno de estos

elementos e indica por qué: a. Una tapa de alcantarillado. b. Una viga c. Una llave inglesa d. El cárter de un motor de gasolina

25. ¿Qué ventajas tienen las fundiciones frente al acero? 26. ¿Qué desventajas tienen las fundiciones frente al acero? 27. Respecto a sus características mecánicas, ¿en qué se diferencia la fundición

blanca de la gris? 28. En el proceso siderúrgico, ¿qué operación se realiza en el convertidor? ¿cómo se

realiza? 29. ¿Por qué, después de realizar un laminado en frío del acero, es preciso

someterlo a un proceso de recocido?

Materiales ferricos y altos hornos elaborados

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