METALES FERROSOS

1. ANTECEDENTES. El procesado moderno del hierro comenz en Europa central a partir de la mitad del siglo XIV.Los mtodos antiguos para la fabricacin del acero consistan en obtener hierro dulce en el horno, con carbn vegetal y tiro de aire. Una posterior expulsin de las escorias por martilleo y carburacin del hierro dulce para cementarlo.Luego se perfeccion la cementacin fundiendo el acero cementado en crisoles de arcilla y en Sheffield (Inglaterra) se obtuvieron, a partir de 1740, aceros de crisol.En 1950 se inventa el proceso de colada continua que se usa cuando se requiere producir perfiles laminados de acero de seccin constante y en grandes cantidades. El proceso consiste en colocar un molde con la forma que se requiere debajo de un crisol, el que con una vlvula puede ir dosificando material fundido al molde.En 2007 se utilizan algunos metales y metaloides en forma de ferroaleaciones, que, unidos al acero, le proporcionan excelentes cualidades de dureza y resistencia.

2. DEFINICIN. El hierro es un metal de color gris, dctil, maleable, tenaz y magntico. Conocido desde la prehistoria y el ms utilizado para uso industrial, casi siempre con cierto contenido de carbono y en forma de aleaciones con otros metales, aceros y fundiciones. Es un elemento simple perteneciente al grupo VIII de la tabla peridica. Smbolo Fe, nmero atmico 26 y masa atmica 55,847.El acero es la aleacin de hierro y carbono, donde el carbono no supera el 2,1% en peso de la composicin de la aleacin, alcanzando normalmente porcentajes entre el 0,2% y el 0,3%. Porcentajes mayores que el 2% de carbono dan lugar a las fundiciones, aleaciones que al ser quebradizas y no poderse forjar a diferencia de los acero, se moldean.La definicin anterior, sin embargo, se refiere a los aceros al carbono en los que ste ltimo es el nico aleante o los dems presentes lo estn en cantidades muy pequeas pues de hecho existen multitud de tipos de acero con composiciones muy diversas que reciben denominaciones especficas en virtud ya sea de los elementos que predominan en su composicin (aceros al silicio), de su susceptibilidad a ciertos tratamientos (aceros de cementacin), de alguna caracterstica potenciada (aceros inoxidables) e incluso en funcin de su uso (aceros estructurales).Usualmente estas aleaciones de hierro se engloban bajo la denominacin genrica de aceros especiales, razn por la que aqu se ha adoptado la definicin de los comunes o "al carbono" que amn de ser los primeros fabricados y los ms empleados, sirvieron de base para los dems.El metal ms empleado hoy en da es el hierro, pues es abundante y tiene buenas propiedades.Los metales frricos ms importantes son: Hierro puro: Que apenas es utilizado. Acero: Es una aleacin de hierro y carbono (que no es un metal), de modo que el porcentaje de carbono es de menos de un 1,7% Fundicin: Es una aleacin de hierro y carbono, de modo que el porcentaje de carbono est entre un 1,7% y un 6,7%.Fjate que el acero y la fundicin tienen los mismos componentes, pero la fundicin tiene ms carbono que el acero.

Diferencias entre el carbono y la fundicin1. La fundicin tiene ms carbono que el acero2. La fundicin es ms dura que el acero, es decir, es ms difcil de rayar.3. La fundicin es ms resistente a la oxidacin y al desgaste que el acero.4. La fundicin es muy frgil. Si se intenta deformar se fractura.

3. EXTRACCIN. El hierro es el principal metal utilizado en la industria moderna. Representa un 5% de la corteza terrestre aunque desde el punto de vista de la explotacin slo tienen inters los lugares donde el acumulamiento de este metal va desde el 20 al 65 por ciento.La localizacin y las caractersticas qumicas influyen decisivamente en la viabilidad del contenido del hierro, que hacen de la roca un yacimiento explotable.Aunque se explotan algunos yacimientos con contenidos de un 30 por ciento, la mayora de las minas importantes tienen contenidos de este elemento que exceden el 50 por ciento.El carbono est entre el 0,02% y el 2%, presenta gran dureza y tiene distintas aplicaciones en funcin de la cantidad de Carbono. Adems, se puede mejorar aadindole Cromo, Nquel.

4. PROCESO DE FABRICACIN. El acero se fabrica partiendo de la fundicin o hierro colado; ste es muy impuro, pues contiene excesiva cantidad de carbono, silicio, fsforo y azufre, elementos que perjudican considerablemente la resistencia del acero y reducen el campo de sus aplicaciones.

a) Fbrica de aglomeracin: Para preparar el mineral de hierro, este se tritura y calibra en granos que se aglomeran (se aglutinan) entre ellos. El aglomerado as obtenido se compacta, cargndolo despus en el alto horno junto con el coque. El coque es un potente combustible, que se obtiene como residuo slido de la destilacin de la hulla (una clase de carbn muy rico en carbono).b) Alto horno: Se extrae el hierro de su mineral. El mineral y el coque slidos se introducen por la parte superior del horno. El aire caliente (1200C) inyectado en la base produce la combustin del coque (carbono casi puro). El xido de carbono as formado reduce los xidos de hierro, es decir, extrae su oxgeno, aislando el hierro de ese modo. El calor desprendido por la combustin funde el hierro y la ganga en una masa lquida en que la ganga, de menor densidad, flota sobre una mezcla a base de hierro, denominada "fundicin". Los residuos formados por la ganga fundida (escorias) son aprovechados por otras industrias: construccin de carreteras, fabricacin de cementos. Aqu se convierte la fundicin en acero. La fundicin en fusin se vierte sobre un lecho de chatarra. Se queman los elementos indeseables (carbono y residuos) contenidos en la fundicin, inyectando oxgeno puro. Se recuperan los residuos (escoria de acero). Se obtiene acero lquido "bruto", que se vierte en una cuchara. Se denomina acero bruto porque, en esa etapa, est todava inacabado.

c) Convertidor de oxgeno: Aqu se convierte la fundicin en acero. La fundicin en fusin se vierte sobre un lecho de chatarra. Se queman los elementos indeseables (carbono y residuos) contenidos en la fundicin, inyectando oxgeno puro. Se recuperan los residuos (escoria de acero). Se obtiene acero lquido "bruto", que se vierte en una cuchara. Se denomina acero bruto porque, en esa etapa, est todava inacabado.

d) Coquera: El coque es un combustible obtenido mediante destilacin (gasificacin de los componentes no deseados) de la hulla en el horno de la fbrica de coque. El coque es carbono casi en estado puro, dotada de una estructura porosa y resistente a la rotura. Al arder en el alto horno, el coque aporta el calor necesario para le fusin del mineral y los gases necesarios para su reduccin.

e) Procedimiento elctrico: La materia prima introducida en el horno puede incluir desde material en bruto (por ejemplo, piezas de maquinaria) debidamente seleccionado, hasta chatarra entregada en forma preparada, clasificada, triturada y calibrada con un contenido mnimo de hierro del 92%. La chatarra se funde en un horno elctrico.

f) El acero lquido obtenido de esa manera, se somete a continuacin a las mismas operaciones de afinado y de matizacin que en el procedimiento de fundicin. La chatarra procede de envases desechados, edificaciones, maquinaria y vehculos desguazados o desechos de fundicin o acero recuperados en la planta siderrgica o de sus clientes transformadores. Cada matiz de acero requiere una eleccin rigurosa de la materia prima, especialmente en funcin de las "impurezas" que un metal determinado u otro mineral contenido en la chatarra pueda representar para un matiz.

g) Estacin de afino: Afino (descarburacin) y adiciones qumicas Las operaciones se producen en un recipiente al vaco, haciendo que gire el acero entre la cuchara y el recipiente con la ayuda de un gas inerte (argn). Se inyecta oxgeno a fin de activar la descarburacin y calentar el metal. Este procedimiento permite una gran precisin en el ajuste de la composicin qumica del acero ("matizacin").

h) Colada continua moldeo de piezas en bruto: (semiprocesados): El acero fundido se vierte en continuo en un molde sin fondo. Al atravesar este molde, comienza a solidificarse en contacto con las paredes refrigeradas por agua. El metal moldeado baja, guiado por un conjunto de rodillos, y contina enfrindose. Al llegar a la salida, est solidificado hasta el ncleo. En ese momento se corta inmediatamente en las longitudes deseadas.

i) La extrusin: Una vez fundido, el material es obligado a pasar de forma continua a travs de una boquilla y es recogido a la salida de la misma por un sistema de arrastre. Al enfriarse, por contacto con el aire ambiente o mediante circulacin forzada de aire fro, se obtiene un perfil cuya seccin tiene la forma de la boquilla.Esta tcnica se utiliza en termoplsticos para fabricar tuberas, varillas y otros perfiles de seccin constante.

A continuacin se muestra un Flujograma que resumen del proceso de fabricacin del acero:

4. CLASIFICACIN. Los aceros se clasifican en cinco grupos principales: aceros al carbono, aceros aleados, aceros de baja aleacin ultra resistente, aceros inoxidables y aceros de herramientas.

Aceros al carbono: El 90% de los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen una cantidad diversa de carbono, menos de un 1,65% de manganeso, un 0,6% de silicio y un 0,6% de cobre. Con este tipo de acero se fabrican maquinas, carroceras de automvil, estructuras de construccin, pasadores de pelo, etc.

Aceros aleados: Estos aceros estn compuestos por una proporcin determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos; adems de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono. Estos aceros se emplean para fabricar engranajes, ejes, cuchillos, etc. Aceros de baja aleacin ultra resistentes: Es la familia de aceros ms reciente de las cinco. Estos aceros son ms baratos que los aceros convencionales debido a que contienen menor cantidad de materiales costosos de aleacin. Sin embargo, se les da un tratamiento especial que hace que su resistencia sea mucho mayor que la del acero al carbono. Este material se emplea para la fabricacin de vagones porque al ser ms resistente, sus paredes son ms delgadas, con lo que la capacidad de carga es mayor. Adems, al pesar menos, tambin se pueden cargar con un mayor peso. Tambin se emplea para la fabricacin de estructuras de edificios.

Aceros inoxidables: Estos aceros contienen cromo, nquel, y otros elementos de aleacin que los mantiene brillantes y resistentes a la oxidacin. Algunos aceros inoxidables son muy duros y otros muy resistentes, manteniendo esa resistencia durante mucho tiempo a temperaturas extremas. Debido a su brillo, los arquitectos lo emplean mucho con fines decorativos. Tambin se emplean mucho para tuberas, depsitos de petrleo y productos qumicos por su resistencia a la oxidacin y para la fabricacin de instrumentos quirrgicos o sustitucin de huesos porque resiste a la accin de los fluidos corporales. Adems se usa para la fabricacin de tiles de cocina.

Aceros de herramientas: Estos aceros se emplean para fabricar herramientas y cabezales de corte y modelado de mquinas. Contiene wolframio, molibdeno y otros elementos de aleacin que le proporcionan una alta resistencia, dureza y durabilidad.

Otros tipos de aceros:

Acero auto templado: Acero que adquiere el temple por simple enfriamiento en el aire, sin necesidad de sumergirlo en aceite o en agua.

Acero calmado o reposado: Acero que ha sido completamente desoxidado antes de colarlo, mediante la adicin de manganeso, silicio o aluminio.

Acero de construccin: Acero con bajo contenido de carbono y adiciones de cromo, nquel, molibdeno y vanadio.

Acero de rodamientos: Se obtiene a partir de aleaciones del 1% de carbono y del 2% de cromo, a las que se somete a un proceso de temple y revenido. Se emplea en la construccin de rodamientos a bolas y en general.

Acero dulce: Denominacin general para todos los aceros no aleados, obtenidos en estado fundido.

Acero duro: Es el que una vez templado presenta un 90% de martensita. Acero efervescente: Acero que no ha sido desoxidado por completo antes de verterlo en los moldes.

Acero fritado: El que se obtiene fritando una mezcla de hierro pulverizado y grafito, o tambin por carburacin completa de una masa de hierro fritado.

Acero indeformable: El que no experimenta prcticamente deformacin geomtrica tanto en caliente (materias para trabajo en caliente) como en curso de tratamiento trmico de temple (piezas que no pueden ser mecanizadas despus del templado endurecedor).

Acero magntico: Aquel con el que se fabrican los imanes permanentes.

Acero no magntico: Tipo de acero que contiene aproximadamente un 12% de manganeso y carece de propiedades magnticas.

Acero moldeado: Acero de cualquier clase al que se da forma mediante el relleno del molde cuando el metal esta todava lquido.

Acero para muelles: Acero que posee alto grado de elasticidad y elevada resistencia a la rotura. Aunque para aplicaciones corrientes puede emplearse el acero duro, cuando se trata de muelles que han de soportar fuertes cargas y frecuentes esfuerzos de fatiga se emplean aceros al sicilio con temple en agua o en aceite y revenido.

Acero pudelado: Acero no aleado obtenido en estado pastoso.

Acero rpido: Acero especial que posee gran resistencia al choque y a la abrasin. Los ms usados son los aceros tungsteno, al molibdeno y al cobalto, que se emplean en la fabricacin de herramientas corte.

Acero refractario: Tipo especial de acero capaz de soportar agentes corrosivos a alta temperatura.

Acero suave: Acero dctil y tenaz, de bajo contenido de carbono.

Aceros comunes: Los obtenidos en convertidor o en horno Siemens bsico.

Aceros finos: Los obtenidos en horno Siemens cido, elctrico, de induccin o crisol.

Aceros forjados: Los aceros que han sufrido una modificacin en su forma y su estructura interna ante la accin de un trabajo mecnico realizado a una temperatura superior a la de recristalizacin.

6. APLICACIONES Y USOS. El acero detiene una amplia gama de aplicaciones en ingeniera civil.

Acero de refuerzo: Barras de acero para refuerzo del hormign: Se utilizan principalmente como barras de acero de refuerzo en estructuras de hormign armado. A su vez poseen su propia clasificacin generalmente dada por su dimetro, por su forma, por su uso: Barra de acero liso. Barra de acero corrugado. Barra de acero helicoidal se utiliza para la fortificacin y el reforzar rocas, taludes y suelos a manera de perno de fijacin. Malla de acero electrosoldada o mallazo Perfiles de Acero estructural laminado en caliente ngulos de acero estructural en L Perfiles de acero estructural tubular: a su vez pueden ser en forma rectangular, cuadrada y redonda. Perfiles de acero Liviano Galvanizado: Estos a su vez se clasifican segn su uso, para techos, para tabiques, etc.

Edificacin: Estructuras, Carpintera, Escaleras, Barandillas, Vallados, Condiciones, Andamios.

Grandes estructuras: Puentes, tneles, torres.

Armaduras galvanizadas para hormign: Construcciones portuarias, tableros de puentes, paneles de Fachada, Prefabricados de Hormign.

Aplicaciones de los metales ferrosos:

OBTENCION DEL ACEROEl proceso de obtencin del acero es un proceso siderrgico que consta de varios pasos.1. Extraer de la mina el mineral de hierro2. Se Lava y tritura el mineral para separar la mena de la ganga. La mena se aprovechar y la ganga se desecha.3. Se mezcla la mena de hierro con carbn de coque y caliza y se introduce en el llamado alto horno a una temperatura de 1500C. El carbn de coque hace de combustible y la caliza ayuda a fundir la mezcla. El alto horno mide ms de 30 m de altura.4. Del fondo del alto horno se obtiene un material lquido llamado arrabio, el cual tiene mucho hierro. Aparte del arrabio sale otra sustancia que se desecha, llamada escoria.