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Metalurgia hnos Cernni

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  • FERRO

    . .

    METALURGIA Y MATERIALES PARA CONSTRUCCiONES MECANICAS

    - ,--.,--------.- -

    . ~ - =--:- ~ - - _........ '"::.. . .

  • tNDICE

    COMBUSTION- Clculos de combustin. Poder calorfico. Combus-tibles, distintos tipos, principales caractersticas. Distintos tipos de quemadores. Hornos usados en metalurgia. Principios del clculo de hornos. Materiales refractarios. Clasificacin de los

    Pg.

    refractarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11-

    . . ll

    MINERALES DE HIERRO -Distintos tipos. Tratamiento de los mine-rales. Reduccin de los minerales. Alto horno. Arrabios. Hierro esponja

    Ili

    ACEROS -Mtodos de obtencin. Por carburacin. Pudelado. Al cri-sol. Convertidores (Bessemer, Thomas, LD). Siemen Martin. Hornos elctricos. Hornos a resistencia. Hornos de arco. Arco re-sistencia e induccin. Colada del acero: Laminacin. Colada con-tinua. Plantas siderrgicas integradas y semiintegradas. Defini-

    21

    ciones 'tiles (tocho y palanquilla) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

    IV

    ACERO FUNDIDO MOLDEADO- Fundicin gris. Fundicin malea-ble. Fundicin nodular. Moldeo. Tierras p ara moldeo. El modelo. Preparacin de noyos. Ejecucin del molde. Mquinas de moldeo. La placa modelo. Moldeo en cscara. Otros procesos de moldeo. 51

    V

    ACEROS ESPECIALES- Proceso para su obtencin. Influencia de los elementos de aleacin. Aceros para herramientas de corte. Tratamientos trmicos. Tratamientos trmicos superficiales 113

    VI

    FORJADO - Mquinas empleadas para forjar. Martillos y prensas. Prensas. Fraguas y hornos. Forja libre y con estampa cerrada. Recalcadoras. Forjadoras a rodillos. Tcnica empleada para el diseo de estampas. Eleccin de materiales para estampas y fa-bricacin de las mismas. Defectos de forja. Magnaflux y otros mtodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

  • SOLDADURA - Soldadur .J at. tu~PLASTICOS, CAUCHO, MADERAS - Conot:imtento de p!:aico:; usa-dos en la industria. Moldeo de pl!!ticos. Prensado. Inyeccin . Extrusln. Caucho natural. Caucho sinttico. Maderas usadas en la industria. Clasificacin de las maderas. Maderas nacionales y extranjeras. Tratamiento para su proteccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

    X

    C'ORROSION U OXIDACION - Tcor:a d~ ia corroswn. Proteccin contra la oxidacin. Decap:tdo. E.m;ultado. Zincado. Fosfatizado Pmtado. Distintos mtodos . T;pos de pinturas. Equipos empleados 121

    APENDICE - Nociones de metalografa. E.> trucllU'a granular de los metales. Aleaciones. Diagramas. Diagrama:; de las aleaciones de hierro con carbono. Endurecimiento por temple del acero. Tra-tamientos trmicos Tratamientos isotrmicos . . . . . 129

    TABLAS - Tabla de acero:.; ai carbono Tabla de aceros aleados para herrauuenta:; . . .. . . ..... . .. . Tabla de aceros para fabricacin :J..~ ~stampas . . .. . ...... . Tabla ejemplo de aceros especial!:!-; . . . . . .. . . .. . ... . .. .. .

    154/155 154/155 156/ 157 156/157

  • 1

    Combustin

    :.-a combustion es :.m t= l Cl:E'~C conocido en l a naturaleza que c1 esencia es una reacc:in e t xidaci0.n donde una sustancia se t:ombina con el oxgeno ormano distintos productos resultantes u e dicha combustin; l! sustanc i~ :::u e se quema se llama combusti-t le y el medio o sea ia at.ms!'-. .lnde se realiza la reaccin se .Jama comburente. Ce>mu EL toe.~ :eaccin qumica, puede me-uirse 1a \'elocidad de combu~ti(m y en base a esto se distinguen las combustiones lentas, rpid a~ y explosivas.

    Sabemos que toda reaccin qumica pone en juego una deter-:..inada cantidad de calor c ue: se llama calor de reaccin; en el caso particular de una combustin. e~ calor, o la energa calorfica :::uest.a en juego, tomar el nombre de calor de combustin. Por ejemplo. al quemarse el carbono con produccin de anhdrido carbnico se ponen en juego 97.000 rramos caloras:

    e -:- 02 = co2 -- 97.000 gramos caloras Cuando existe un exceso de oxgeno y la sustancia reacciona

    con l en forma total, se dice que la combustin es perfecta; en cambio cuando la cantidad de aire es insuficiente y el oxgeno no alcanza para quemar totalmente el combustible se dice que la combustin es jmperfecta: ejemplos: combustin perfecta del carbono :

    e+ 02 = co2 + 97 000 gramos caloras ~:ombust i n imperfecta del carbono:

    e + 1 lz 02 = co ...;.. 29.000 gramos caloras

    9

  • =----.. --------------------~ el monxido de carbono obtenido en esta ltima ecuacwn puede quemarse tambin de acuerdo a la siguiente frmula:

    co + 1f2 02 = co2 + 68.000 gramos caloras Se observa que la suma de estos dos ltimos calores de com-

    bustin es igual al calor de la combustin perfecta del carbono. A menudo en los dispositivos industriales donde se quema el

    combustible (hogares de calderas, parrillas, hornos, etc.), parte del combustible no llega a reaccionar resultando perdido junto con la ceniza, escoria, etc., una cierta proporcin y en este caso deci-mos que la combustin es incompleta. Podr haber entonces una reaccin perfecta pero incompleta, o tambin completa pero im-perfecta.

    Iguales consideraciones rigen para todos los combustibles s-:. lidos, lquidos y gaseosos; por ejemplo para la madera, papel y algodn, compuestos de celulosa cuya frmula es C5H100 ;;, la com-bustin perfecta quedar representada as:

    Para los combustibles lquidos formados por mezclas de va-rios hidrocarburos, entre los cuales se encuentra el octano, CRH1a:

    Igualmente la combustin perfecta del gas natural (metano. de frmula CH4) ser:

    Se dice que una combustin es neutra cuando las cantidades de aire y combustible sean las estequiomtricas (las indicadas por la ecuacin qumica) y se obtenga combustin perfecta; cuando hay exceso de aire la combustin es oxidante y los gases resultan-tes contendrn oxgeno; si hay exceso de combustible (o falta de aire) la combustin ser reductora, pues los gases contendrn sustancias no quemadas, carbn, CO, etc. y se depositar holln.

    Cuando hay un exceso grande de aire, o falta del mismo, se rebaja la temperatura de combustin.

    Para que haya combustin, el combustible debe ser previa-mente calentado hasta una temperatura determinada para cada combustible, que se llama temperatura de inflamacin o de igni-c-in y que ser necesario mantener en el dispositivo donde se reali-za la misma para que pueda proseguir; para la madera es de apro-ximadamente 300C y algo menos para el papel, para el petrleo unos 200C. etc.

    10

  • Clculos de combustin En primer lugar es fundamental determinar la cantidad de

    aire que requiere el combustible para quemarse en la forma ms perfecta posible.

    Supongamos que debemos quemar un carbn que tenga el 85% de elemento carbono, siendo el resto materias inertes; la com-bustin se realiza segn la siguiente ecuacin:

    e 12 grs

    + 02 22,4 lts

    donde se observa que hemos agregado los siguientes nmeros: 12 gramos es el peso atmico del carbono expresado en gramos que se saca de las tablas; 22,4 es el volumen en litros ocupado por un mol de cualquier gas a presin y temperatura normales (0C y 760 mm de mercurio) segn una ley de la Qumica.

    Tenemos que llegar a determinar cunto aire va a ser nece-sario, expresado en m 3 de aire/kg de combustible quemado, para que en base a este dato pueda seleccionarse posteriormente l~ mquina soplante.

    Decimos, pasando de gramos a kilogramos, multiplicando pol 1.000 y en igual forma de litros a m 5 :

    12 kg de e - - 22,4 ms de oxgeno 0,85 kg de e-- X m 3 de oxgeno

    (recordar que nuestro combustible tiene 85 % de carbono, o sea que 1 kg tendr 0,85 kg de1 mismo); por simple regla de tres obtenemos el valor de x que representa el oxgeno terico necesario para quemar 1 kilogramo de nuestro combustible:

    0,85 x = t = - - 22,4 = 1,5 ms de oxgeno/kg de comb.

    12 Veamos ahora un caso ms completo; vamos a suponer que

    nuestro combustible tiene la siguiente composicin: 80% de e; 5% de H; 1 % de S y 10 % de O; calcularemos el

    aire necesario para quemar todos estos elementos Para el carbono tenemos la misma ecuacin que desarrollamos

    anteriormente, o sea que ser para este caso:

    Para el H ser: H2

    2 grs

    0.80 0,1 = - -- 22 4 m8

    12 '

    + 14 02 22,4 lts

    2

    11

  • ---

    Y en forma similar a la anterior planteamos: 2 X 2 kg de H 2 --22,4 m 3 de 0 2 0,05 kg de H 2 -- X

    X 0,05

    =Otz=-- 224 4 . Anlogamente para el S ser:

    S + 02 SOz 32 grs 22.4 lts

    y planteamos: 32 kg de S --22,4 m3 de 0 2

    0,01 kg de S-- X m3 de 0:! de donde obtenemos

    ~ 0,01 L'>. = 0,3 = --- . 22,4

    32 El contenido de oxgeno existente en nuestro combustible ten-

    dr que ser restado del que debemos aportar, en la siguiente pro-porcin:

    32 kg de oxgeno --22,4 ms 0,1 kg de oxgeno --- X

    0,1 X = Ot = -- 22,~ 3~

    El total de oxgeno necesario ser la suma de O t\ 0 ,2, O,~ y 0 ,4, que expresamos sacando factor comn:

    oxigeno teonco = , = -- + -- + -- - -- .4 ' , . o ( 0,8 0,05 0,01 0,1 ) 22 12 4 32 32

    Podemos generalizar esta frmula para cualquier combustible, y as llamando e, h, S, o a los % de e , H, S , O, respectivamente. tendremos:

    ( e h s o ) O , = -- + -- + -- - -- 22.4 ' 12 4 32 32

    El oxgeno se encuentra en el a ire en la proporcin del 21 !fo (es decir que en 1 m3 de aire hay 0.21 m 3 de o~) . de modo que ne-

    cesitamos calcular el aire ter ico necesar io que nos va a aportar el oxgeno terico.

    12

    1 m3 de aire--- 0,21 m a de o~ X --- O , m 3 de o~

    o, X=A,=---

    0.21

  • reemplazando el valor de O, obtenido anteriormente, resulta:

    A,= ( e h s o ) 22,4

    12 + -4- + 32 - 32 0,21 N m3 de aire ,

    que se expresa en (*) y es el aire mnimo kg de combustible

    necesario para una combustin perfecta. En la prctica debe ase-gurarse que todas las partculas del combustible estn bien ro-deadas de suficiente aire y para asegurar esto es necesario proveer una cantidad algo superior a la terica de manera que podemos escribir la relacin:

    Aire prctico ,\ = ------- > 1

    Aire terico depender de la naturaleza del combustible que se quema y tam-bin puede ser influido por el tipo de quemador empleado; en ge~ neral. para obtener correcta relacin combustible~aire tendremos:

    para combustibles slidos, para combustibles lquidos, para combust ibles gaseosos y

    polvo de carbn,

    .\ = 1,5 a 2; >.. = 1,1 a 1,2;

    .\ = 1 a 1,1. El suministro de aire par a todo combustible puede hacerse : por tiro natural

    (con chimeneas) ; por aire a presin

    (con compresores); por aire a baja presin

    (ventiladores centrfugos) ; pero hay t ambin sistemas

    mixtos.

    Clculos similar es p ueden aplicarse para determinar el vo-lumen de los gases de combustin (humos) .

    El con t rol de la combustin se realiza con el aparato de Orsat (fig. 1) que permite analizar los gases y determinar los porcenta-jes de co~. o~ ;.' co presentes. para lo cual los f rascos se llenan con soluciones absorbentes de hi-drato de potasio. solucin alcali-na de pirogalol y solucin amo-niacal de clorurn cuproso, respec-ti \amente.

    FIG. l.

    ~Normales m etros cbicos de aire; es decir el voiurnen referido a p resin y t emperatura normales co y 760 mm de mercurial.

    13

  • ...

    Accionando el frasco de nivel que se ve arriba, se aspira un volumen de 100 ce. de los gases en la bureta graduada, filtrando previamente por lana de vidrio para eliminacin de polvo y ho-lln, y se va haciendo pasar sucesivamente por las tres soluciones de absorcin, cada una de las cuales retiene el volumen corres-pondiente, el que luego puede leerse en la bureta graduada. Para el llenado completo de los recipientes de absorcin se opera con peras de goma conectadas a los tubos acodados que aparecen en la figura; las peras no aparecen.

    Poder calorfico Se denomina poder calorfico de un combustible a la cantidad

    de calor que puede ceder 1 kilogramo de ese combustible, y se expresa para slidos y lquidos en kg caloras/kg de combustible, y para gases en kg caloras/m11 de gas.

    Existen aparatos denominados calormetros que permiten de-terminar este valor caracterstico. Para los lquidos y slidos se usa el calormetro de Mahler y para gases el de Junkers. Tambin hay frmulas que permiten el clculo del poder calorfico cono-ciendo la composicin qumica elemental.

    Hay que distinguir el llamado poder calorfico superior del llamado inferior. Poder calorfico superior (PCS) es aquel que considera al agua que tiene el combustible en estado condensado, y es el valor que nos dan los calormetros. En cambio industrial-mente interesa el poder calorfico inferior (PCI), pues el agua que contiene el combustible se considera en este caso al estado de vapor, lo que implica la absorcin de cierta cantidad de calor; es el caso del clculo del hogar de una caldera, por ejemplo. El agua del combustible puede provenir, aparte de la humedad na-tural, de la combustin del hidrgeno que contenga el combus-tible. Es decir que si del poder calorfico superior deducimos la cantidad de calor necesaria para vaporizar el agua contenida (W) . obtendremos el poder calorfico inferior:

    PCS-W=PCI Es necesario conocer los poderes calorficos para poder eva-

    luar los distintos combustibles y para efectuar los clculos tc-nicos de combustin.

    Combustibles. Distintos tipos. Principales caractersticas Un combustible industrial es una sustancia capaz de reaccio-

    nar con el oxgeno, produciendo calor aprovechable. Para clasificarlos tendremos en cuenta su estado fsico {s-

    lido, lquido o gaseoso) y su mtodo de obtencin (naturales y artificiales o fabricados).

    En la composicin de todos ellos se encuentra fundamental-mente el carbon~ y el hidrgeno.

    14

  • Combustibles slidos

    Naturales

    l Artificiales {

    Antracita Hulla Lignito Turba Lea

    Coque Carbn de lea Aglomerados

    (briquetas)

    Poder calorfico

    8.500 kg cal/kg 8.000 kg cal/kg 6.000 kg cal/kg 5.000 kg cal/kg 3.500 kg cal/k~

    7.500 kg calfkg 6.500 kg cal/kg

    Los combustibles slidos en general son abundantes y de costo reducido, encontrndoselos listos para su utilizacin a los natu-rales, pero todos tienen serias desventajas representadas princi-palmente por su elevado costo de transporte y manipuleo para regular el fuego y para eliminar residuos y cenizas. A veces re-quieren costosas parrillas y mecanismos de transporte si se quiere evitar mano de obra para tales labores.

    Algunos de estos combustibles pueden ser utilizados previa pulverizacin (polvo de carbn) con lo cual se eliminan muchos inconvenientes y se mejora su eficiencia.

    Combustibles lquidos

    r Natural

    1 l

    Artificiales

    ~ l

    Poder calorico Petrleo 10.500 kg cal/kg Naftas 11.200 kg cal/kg Kerosene 11.100 kg cal/kg Gas oil 10.900 kg cal/kg Diesel oil 10.700 kg caljkg Fuel oil 10.300 kg cal/kg Alcohol 9.000 kg cal/kg

    Los combustibles lquidos son de manipuleo ms fcil y eco-nmico (bombeo) y se introducen pulverizados en los hogares de los hornos metalrgicos de fusin, forja y tratamiento trmico permitiendo elevadas temperaturas y un satisfactorio control de la combustin. Con excepcin del alcohol, que es de origen ve-getal, todos son derivados del petrleo.

    f Natural

    Combustibles gaseosos Artificiales

    l

    { Gas natural Poder calorfico

    9.300 kg cal/m8

    ~ Gas de destilera 11.600 kg cal/m3 Gas de agua 2.500 kg cal/m3 Gas de aire 1.000 kg cal/m1 Gas mixto 1.500 kg cal/m1 Gas de alto horno 900 kg cal/m' Acetileno 13.000 kg cal/m1

    15

  • (El gas natural se extrae de los yacimientos petrolferos; e1 gas de destilera se obtiene all como producto gaseoso del proce-samiento del petrleo; el gas de agua se obtiene haciendo actuar vapor de agua sobre carbn a 1.000C; el gas de aire se obtiene haciendo pasar aire por carbn a 1.000C; el gas mixto es unz. mezcla de los dos anteriores; -el gas de alto horno se obtiene en este horno y lo veremos en el prximo captulo; al acetileno lo estudiaremos en el captulo referente a soldaduras.)

    .Los combustibles gaseosos se estn aplicando en forma cre-ciente en nuestro pas, especialmente el gas natural (gas metano: CH4 ) en calderas y hornos de forja y tratamiento trmico, aparte de las aplicaciones domsticas. Su alimentacin es continua, re-quiriendo escasa mano de obra; permite muy buen control de su combustin y de temperaturas.

    Didintos tipos de quemadores

    Los combustibles slidos se queman sobre parrillas construi-das de fundicin de hierro; pueden ser rectas, inclinadas o es-calonadas.

    FJG. 2. - Corte esquemat1co de una parrilla indicando la forma e lus barrotes para evitar obstnrcciones por las cenizas, escoria s, etc.

    Los combustibles lquidos deben ser bien atomizados y mez-clados con el aire en movimiento de torbellino. Se proveen com-bustibles lquidos pesados (fuel oil) o mezclas menos densas para facilitar el manipuleo (fuel oil con 30 % de diesel oil), pero debe evitarse en lo posible el empleo del diesel oil por su elevado precio

    comb. ..:::--~- - -- - - - -=::--. --~- ... -

    aire

    F1c. 3.- Es,1uema de un quemador para combustible liqUido.

    16

  • con respecto al fuel oil. Los combustibles pesados son previamente calentados por vapor o agua a presin. La atomizacin puede lograrse por aire, por vapor y tambin mecnicamente.

    El atomizado por aire puede hacerse a baja presin o a alta presin; en el primer caso el aire es suministrado por un vent)-lador centrfugo y en el segundo por un compresor.

    FIG. 4. -- Vista de un quemador en funcionamiento (baja presin).

    A fin de mejorar la atomizacin, en algunos casos se coloca en el punto de salida del combustible, una pastilla que hace quE' el combustible salga en direccin transversal al camino del ai:t: y con cierto movimiento circular o espiral :

    :om/:'ust :.ble ~L--------:::m~- -- - (~ _o_ir_e __ ~-- -~- ~---- -- l

    FrG. 5.

    El aire empleado para pulverizar o atomizar generalmente no constituye la totalidad del aire necesario para la combustin. por lo cual de inmediato a la salida del combustible debe in-gresar el resto o aire secundario.

    Los sistemas de vapor se usan donde hay calderas, consu-miendo para este fin una pequea parte del vapor producido en el generador.

    Los quemadores industriales para combustibles gaseosos pue-den funcionar segn el tipo Venturi o bien a aire insuflado por

    17

  • un ventilador centrfugo. En el primer caso el aire entra inducido por el gas que se encuentra a mayor presin:

    fluido inductor gas --- - -

    aire inducido FIG. 6. - Quemador para gas del tipo venturi.

    El mechero bunsen de laboratorio sera el tipo mas sencillo, pero tambin hay quemadores indust'riales de este tipo.

    Para quemadores industriales de mayor potencia calorfica se usan los de aire insuflado, existiendo diversos tipos (fig. 7) .

    gas a pr('sin

    cmara de mezcla

    FIG. i.

    En todos estos quemadores se agregan siempre dispositivos de seguridad, as como llama piloto o encendedores automticos.

    18

    filtro

    oKc o Pfn On 1" (atOf'T'IIizaCfcin)

    F IG. 8.- Esquema de una ins-talacin de combustin para

    combustible lquido.

  • Hornos usados en metalurgia

    Un horno es un dispositivo donde se realizan transformacio-nes fsicas y qumicas a elevada temperatura, pudiendo decir como primera descripcin que se trata de un recipiente donde se colocan minerales o metales para su tratamiento con el aporte de .calor proveniente de un combustible adecuado que se quema, o de la energa elctrica. Fundamentalmente estn constituidos por una estructura resistente metlica recubierta interiormente con un material destinado a estar en contacto con el contenido y capaz de soportar dicho contacto y las elevadas temperaturas (material refractario).

    En todas las operaciones metalrgicas est siempre presente algn tipo de horno; veremos su clasificacin:

    r

    De cuba (combus- f tibie y mineral l Alt~ horno juntos) Cubilote

    1

    (el r Reverbero sin

    1 rcuperacin 1

    i De reverbero de calor com~u,tible arde 1 Con recupera-

    A combustible -1 en camara sepa- cin de calor 1 rada; para fusin 1 (Siemens-1 y tostacin) l Martn) 1 1

    Crisol

    Hornos ~ Convertidom ('< { Bessemer 1 carga metal bru-l Thornas 1 to y se afina su composicin) LD '

    1

    r J Por conduccin 1

    A resistencia Por irradiacin 1 l Por conveccin

    1 ! j A { Indirecto arco Directo Elctricos < 1

    A arco resistencia

    ( Frecuencia alta A induccin i Frecuencia baja Frecuencia

    l de red 19

  • Segn la naturaleza de la energa utilizada los hemos clasi-ficado en hornos a combustible y hornos elctricos. En los prime-ros el combustible es empleado directamente transfiriendo su ca-lor; en los hornos elctricos la corriente elctrica se transforma ~n energa calrica, ya sea por medio de una resistencia indepen-diente (efecto Joule), o haciendo saltar el arco elctrico, o por el efecto Joule de una corriente inducida en el seno del metal a tratar (hornos a induccin).

    A los hornos a resistencia los hemos clasificado segn la for-ma en que el calor pasa desde la resistencia al metal: contacto directo (conduccin), calor irradiado, o calor que se transporta por corriente de fluido, aire (conveccin).

    Iremos describiendo los hornos separadamente en cada tema 3. tratar.

    Principios del clculo de hornos

    En general podemos sealar los siguientes factores como in-tervinientes en el proyecto de hornos:

    -Estudio tcnico-econmico. -Combustible a emplear. - Magnitud de la combustin e instalacin necesaria para

    la misma. -Forma de utilizacin del calor producido, es decir su trans-

    ferencia de la fuente calrica al producto o material en tratamiento.

    -Forma y dimensiones del horno. -Temperatura deseada. -Recuperacin de calor. - Materiales refractarios. -Conductos de aire y mquinas soplantes. - Detalles constructivos de la estructura resistente, puertas

    y chimenea.

    El clculo de un horno requiere estudios tcnico-econmicos. P ara su dimensionamiento hay que tener en cuenta las necesi-dades de produccin, ntimamente Ugadas con la demanda del mercado.

    El clculo fundamental que se hace es el clculo calrico para poder deducir el combustible ~' el aire o energa elctrica nece-sarios, y en consecuencia seleccionar los quemadores, las instala-ciones de combustin, las mquinas soplantes, etctera.

    Supongamos tener que calcular un horno para fundir dos toneladas de acero. El calor necesario que debemos aportar para llevar el horno desde la temperatura ambiente hasta la tempera-tura de colada, 1.650C, estar compuesto por los siguientes calores

    20

  • 19 Calor necesano para llevar el acero desde la tempera-tura ambiente hasta la temperatura de fusin, que supondremos 1.480C:

    QI = C. m D., siendo Q1 el calor necesario en kg cal

    C. el calor especfico del acero (entre O y 1.400C) = kg cal

    = 0,167 (de tablas) oc . k.g m la masa = 2.000 kg t la diferencia de temperaturas = 1.480- 20 = 1.460

    Reemplazando valores, ten emos:

    kg cal 0 Q = 0,167 X 2.000 k g X 1.460 C = 487.640 kg cal. oc. kg

    29 Ya tenemos el acero a la temperatura de fusin y es ne-cesario hacerlo pasar del estado sUdo al lquido, o sea el calor necesario para el cambio de estado:

    siendo Cr el calor de fusin que, al igual que c., lo encontramos en tablas, y reemplazando valores tenemos :

    kg cal Q2 = 49 X 2.000 kg = 98.000 kg cal kg

    3 El acero no slo debe estar fundido sino suficientemente fluido como para permitir el llenado de los moldes; entonces ten-dremos que calentarlo desde la temperatura de fusin hasta la temperatura que se considere conveniente para colar, supondre-mos 1.650C:

    reemplazando valores y operando, tenernos : kg cal Qa = 0,167 X 2.000 kg X (1.650-1.480) = oc. k g

    = 56.780 kg cal

    49 Debe tenerse en cuenta que tambin es necesario calentar el m;:,terial refractario hasta la temperatura de fusin:

    21

    ,

  • kg cal donde Ce, es el calor especfico del refractario = 0,3 -::-:::o---:---0C kg

    m, = peso total de ladrillos o material refractario de otro tipo que supondremos = 7.000 kg

    reemplazando valores y operando, obtenemos:

    kg cal Q4 = 0,3 -=-=--::--X 7.000 kg X (1.650-20) C = oc. kg = 3.423.000 kg cal

    (Cuando hay refractarios de dist ir.ltas clases, o una capa de aislante, habr que considerar separadamente cada capa.)

    El calor invertido hasta ac ser:

    Qacoro = Ql + Q2 + Qa + Q. = 487.64p + 98.000 -'-+ 56.780 + 3.423.000 = 4.065.420 kg cal

    Pero debe tenerse en cuenta que el horno, mientras trabaja, pierde calor por conduccin, por irradiacin y por conveccin. En los hornos grandes ser imprescindible efectuar este tipo de clculo detallado. Aqu estimaremos las prdidas en un 20% del valor calculado, de modo que el calor necesario deber ser incre-mentado en esta cifra:

    Q to tat = 4.065.420 + 0,2 X 4.065.420 = 4.878.504 kg cal

    Por otra parte si se trata de un horno a combustible, n o apro-vecha este calor en su totalidad sino que hay una parte que se pierde junto con los gases que van a la chimenea, y en este caso este aprovechamiento, es decir el rendimiento, depender de1 tipo de horno empleado; en nuestro caso supondremos un 65 %, de modo que el valor que finalmente deberemos aportar ser de

    Q -- _Qt -- 4.878.504 ----= 7.505.390 kg cal 'f) 0,65

    El horno emplear fuel oil, cuyo poder calorfico es de

    10.300 kg cal y en consecuencia el combustible que deberemos kg gastar ser de:

    22

    7.505.390 kg cal -:-:""-:---:-:----::-::-------:- = 730 kg de fu el oil 10.300 kg cal/kg comb.

  • Con este dato calcularemos despus el aire necesario, adopta-mos el quemador conveniente, el ventilador, etctera.

    Si en cambio pensramos trabajar con un horno elctrico, te-nemos que contar con un aprovechamiento calrico mucho ms elevado, puesto que no est conectado a chimeneas y no hay sa-lida de gases; consideraremos un rendimiento del 95 %; en este caso resultar:

    Q = Qtotal 1]

    4.878.504 0,95

    = 5.135.267 kg cal

    La energa elctrica consumida por el horno podr calcularse 9abiendo que 1 KWh = 864 kg cal:

    5.135.267 ----= 5.943 KWh

    Q kg cal p = ----...,-----

    864 kg cal/KWh 864

    y con esto podrn calcularse los otros elementos del horno, trans-formador, electrodos, etctera.

    Pero es fundamental previamente decidirnos por uno de los dos hornos, o el a combustible o el elctrico, y para eso debemos hacer amplias consideraciones sobre la calidad (es muy superior el elctrico), precios que se pueden obtener en la venta de uno u otro tipo del acero obtenido (precio de mercado), costo y dispo-nibilidad de la energa elctrica, etc., es decir decidir la conve-niencia de uno u otro tipo de horno.

    n1ateriales refractarios

    Son aquellos materiales empleados para revestir interiormente los hornos con el propsito de resistir las temperaturas elevadas que hay en el interior; tambin deben ser capaces de resistir el ataque de aquellos materiales que se encuentran en contacto con ellos y tambin de sus gases y vapores.

    Por consiguiente la primera condicin de un refractario es que debe tener un punto de fusin elevado, mayor que la tempe-ratura de trabajo del horno. Esta caracterstica se determina por comparacin con otros refractarios conocidos, empleando para ello los llamados conos Seger: son pequeas pirmides triangulares hechas con sustancias refractarias bien dosificadas, de manera que se los numera y a cada nmero corresponde uria tempera-tura de ablandamiento y as se confecciona una tabla (ver manua-les); con el refractario en examen tambin se hace una pirmide similar y luego se lleva a un horno a varios conos Seger, de nme-ros seleccionados. Se procede a calen tar hasta que se observa que

    23

  • el cono en examen se dobla y su punta toca la placa sobre la que se encuentran todos. La temperatura de ablandamiento ser eqlli-\'alente a la del nmero del cono que se dobl en forma :>imilar

    A A /\ A antqs des pues

    Frc. 9.

    Adems del punto de fusin adecuado, los refractarius deben reunir otras caractersticas, las que en cada caso deben seleccio-narse cuidadosamente. Porosidad; a menor porosidad, mayor com-pacidad, el ladrillo es ms resistente a las cargas y tambin al ataque qumico, puesto que no penetran los gases y materiales fundidos.

    Los ladrillos porosos se usan corno aislantes por su baja coD-ductibilidad trmica.

    La resistencia al resquebrajamiento o "spalling" provocado por las contracciones y dilataciones, debe ser lo mejor posible, para lo cual debe tenerse en cuenta no slo la composicin qurnic ~l sino tambin la forma de la pieza de refractario.

    Clasificacin de los refractarios

    Dijimos que el refractario debe soportar el ataque qumico de la sustancia que est en contacto con l y esto quiere decir que no deben combinarse; por consiguiente, el refractario debe ser del mismo carcter qumico que dicha sustancia, o sea que si la sustancia es cida, el refractario tambin deber serlo, y si es bsica, tambin debe procurarse lo mismo en el refractario, y si ste es de carcter neutro, podr contener sin combinarse cual-quier tipo de material.

    Los revestimientos refractarios cidos estn constituidos prin-cipalmente por slice (Si02 ) y la principal materia prima es el cuarzo molido que contiene hasta un 98 %-

    Pueden hacerse mezclas de cuarzo y materiales que contengan almina (Al20 3 ) corno la arcilla, la caolinita, bauxita, etctera, de manera que de acuerdo al contenido de almina podernos clasi-ficar a estos refractarios en silicosos (con alta Si02 ) , aluminosos (con ms del 47 % de Alz03) y slicoaluminosos los intermedios.

    Los refractarios bsicos se l1aman as cuando contienen prin-cipalmente magnesia (MgO) y cal (CaO). Las materias primas principales son la magnesita (carbonato de magnesio, C03Mg) y la dolomita, que es un carbonato doble de calcio y magnesio (C03Ca C03Mg).

    24

  • i...os refractarios neutros principales e::;tn hechos sobre la b~.:>e de xido de cromo y almina fundida (alundum), grafito. carburo de silicio (carborundum).

    Lo::; materiales destinados a trabajat a muy altas temperaturas se denr>minan super refractarios.

    El IRAM clasifica as a los refractarios segn su carcter qu-mic,)

    Jl Acidos: los silicos y silic:oaluminosos; ~

  • 11

    Minerales de hierro

    Distintos tipos

    Pocas Yeces el hierro se encuentra en estado nativo, por ejem-plo en los meteoritos que lo contienen en un 90 %. Son abundan-tes, en cambio, los compuestos naturales o minerales de hierro, esparcidos abundantemente sobre la tierra, pero de todos ellos no es econmicamente conveniente la extraccin industrial del metal.

    En estos minerales, adems del compuesto til de hierro, exis-te una cierta cantidad de otros compuestos minerales que consti-tuyen en conjunto lo que se conoce con el nombre de ganga, y est constituido por arena, arcilla y compuestos de cal; es la parte intil que acompaa al mineral y debe tratarse de separar pre-viamente. Adems existen compuestos de azufre y de fsforo que portan estos elementos y que luego pasan al hierro como impu-u zas perjudiciales.

    Los minerales son:

    - Hematita (Fe203), xido frrico, contiene hasta el 70 % de hierro . Se presenta en masas terrosas de color rojo.

    - Limonita (Fe20 3 3H20), xido frrico hidratado con un 60% de hierro; masas terrosas de color variable del pardo al amarillo.

    -Magnetita (Fe30.), se le llama xido magntico; por su magnetismo se le llama piedra imn; 70 ro de hierro.

    -Siderita (C03Fe) , carbonato ferroso, con un contenido de hierro del 48 %. de color blanco.

    27

  • -Pirita (SFe2) . disulfuro de hierro, no utilizable para la extraccin del hierro, pero s para la industria de la obten-cin del azufre.

    Los yacimientos argentinos aprovechables son los de Zapla, en Jujuy, formados por hematita con elevado contenido de fsforo y un contenido de hierro del 40 al 70 %, y los de Sierra Grande, en la Patagonia, cerca del Golfo de San Matas, costa Atlntica, en vas de ser explotados, formados principalmente por magne-tita y hematita con 55 % de hierro y adems impurezas indesea-bles de fsforo y azufre. Los yacimientos de Zapla se encuentran en plena explotacin desde hace muchos aos.

    Tratamiento de los minerales Para que un mineral sea aprovechable es necesario que su ley

    mnima (contenido mnimo de hierro) sea del 30 %. Los yacimientos pueden ser a cielo abierto (cuando estn sobre

    la superficie o cerca de sta), de donde se los extrae con palas mecnicas, o bien yacimientos profundos, en cuyo caso es necesa-rio excavar tneles y galeras ele\'ando el mineral con monta-cargas hasta la superficie.

    Para que puedan ingresar al horno donde se va a separar el hierro, son necesarias varias condiciones previas: que los trozos tengan tamao adecuado y que se encuentren al estado de xidos y pnvados de agua.

    A tales fines se les hace seguir un proceso que comprende varias etapas:

    l

  • 29 Reduccin de tamao (molido), de acuerdo con lo reque-rido para el buen funcionamiento del horno. En esta ope-racin pueden intervenir cilindros trituradores, estriados o con dientes, trituradores a mandbula, trituradoras a tam-bor excntrico (fig. 10).

    39 Separacin magntica. Se aplica especialmente cuando el mineral es pobre. Hay un tambor electromagntico que atrae las partculas de mineral dejando caer en A (fig. 11) las porciones con mucha ganga. Hay un rodillo rascador R que separa las porciones ricas que continan adheridas cayendo en D, mientras en compartimientos intermedios caen minerales de contenido medio.

    miniZrol + e

    Flc. 1 J. Fic. 12.

    49 El mineral muy pulverulento puede aglomerarse con un cemento adecuado (cal o coque) y calentando forma tro-zos o briquetas.

    5c Los minerales de hierro formados por carbonato, C03Fe, deben calcinarse en presencia de aire (tostacin) par2 transformarlo en xido:

    Esta operacin se hace en hornos de cuba (fig. 12) .

    Finalmente el material as preparado es depositado en una gran playa desde donde ser luego cargado para alimentar al alto horno. En esta playa tambin se encuentran los otros materiales necesarios, el carbn de coque o de lea; y la piedra caliza (C03Ca! .

  • Reduccin de los minerales El mineral preparado como se ha descripto debe ser reducido,

    es decir, se le debe eliminar oxgeno para dejar el metal en liber-tad y esto se logra hacindolo reaccionar con carbn en distintos tipos de hornos (hornos altos y hornos bajos) pero el ms usado en la actualidad es el alto horno que pasamos a ver. Los procesos metalrgicos de obtencin del hierro se renen bajo el nombre de siderurgia.

    el carbono del gas CO se com bina con el ox ge-no dei minera!

    la mezcla de hierro, coque. y fundente se calienta y el carbn se di-suelve en el hierro hierro y es-coria se funden

    Jo - --- - - - - - - --- -

    combustin del coque

    CARGA (TRAGANTE)

    FIG. 13.

  • Alto horno Tiene la forma de dos troncos de cono unidos por sus bases,

    y est formado por una envoltura metlica revestida interiormente de gruesas paredes de ladrillos refractarios slicoaluminosos (70 ro de Si02 y 30 % de Al208). Su altura es de aproximadamente 30 m y su dimetro mximo interior de 7 m (fig. 13), en los hornos cl-sicos, pero en Japn y Alemania empezaron a construirse de al-rededor de 14m de dimetro, llegando su altura, con accesorios, a cerca de 90 m.

    La forma cnica superior se justifica porque as se facilita el descenso de las cargas evitando obstrucciones y se mantiene la velocidad de ascenso de los gases que van disminuyendo su volu-men al disminuir la temperatura; la forma cnica inferior, a su vez, se justifica porque all ya todo lo que fluye se ha licuado (escorias y hierro), y, en consecuencia, hay disminucin de volu-men que debe compensarse de manera que el descenso no resulte demasiado rpido para que haya el tiempo y contacto necesarios para que se efecten las reacciones.

    Por el tragante se cargan el mineral y el carbn y fundente (piedra caliza) en capas alternadas. El carbn (de coque o de lea) tiene dos misiones: como combustible para el calentamiento, o como elemento activo para la reduccin del mineral. El fundente se llama as porque se combina con la ganga rebajando su punto de fusin y formando las escorias, de fcil eliminacin.

    El proceso se inicia con la combustin del carbn en la parte superior del crisol, que se realiza con el aire precalentado que ingresa por las toberas, a cerca de 600 C:

    se form anhdrido carbnico que al ascender a trava de las capas de carbn forma CO:

    co2 +e = 2co que es el gas activo para producir la reduccin.

    El mineral, combustible y fundente una vez introducidos en la parte superior del horno, se secan, van descendiendo y, en contracorriente, ascienden los gases ricos en CO; en la parte .supe-rior de la cuba reaccionan producindose la reduccin del mineral:

    : _

    los minerales de Mn que hay presentes, aqu se reducen tambin a MnO.

  • En las partes bajas de la cuba se produce la reduccin directa de los xidos por el carbn:

    Fe~03 + 3 e = 2 Fe + 3 eo la piedra caliza se disocia as por el calor:

    e03ea = eaO + eo2 lo;; xidos de calcio y de manganeso reaccionan con la slice para f:Jr mar la escoria:

    SiO~ + eaO = SiOaea SiO:? + MnO = Si03Mn

    Hasta ac el hierro producido se encuentra en estado pastoso; en el vientre y en el etalage se produce la fusin final y adems el hierro absorbe carbono. En esta zona tambin se reducen los xi-dos de manganeso. Si, P y S pasando al hierro:

    MnO + e = Mn + eo SiO~ + 2 e = Si + 2 CO

    P 205 + 5 e = 2 P + 5 e o ei azufre tiene ms afinidad por el manganeso y forma preferen-temente SMn, y el resto reacciona con el hierro formando SFe; con el xido de calcio se produce la desulfuracin:

    FIG. 14.

    excedente (se quema)

    t 1

    9-3sometro

    r------- -- ---chim~n~

    1 turbO soplantz (turbio~ a 9d~)

  • SMn + ea O + e = eo + Sea+ Mn SFe + eaO + e = eo + Sea + Fe

    y los sulfuros de calcio formados se eliminan con la escoria; la desulfuracin no es total.

    El metal fundido cae al crisol y se separa de la escoria que sobrenada; de tanto en tanto se extrae la escoria lquida por el escoriadero o bigotera, situada en la parte superior del crisol, y el arrabio lquido por la parte inferior o piquera (sangrado del horno) dirigindose a huecos practicados en la tierra para hacer los lingotes (o tambin a lingoteras metlicas continuas) o se lleva en vagones termos para fabricar el acero.

    El gas que sale del alto horno se lleva a las torres eowper formadas por conductos construidos con ladrillos refractarios; all, en la cmara anterior se inyecta aire para la combustin del gas, y luego de recorrer los conductos sale a la chimenea; pueden ha-cerse trabajar en serie. Una vez que los conductos se han calen-tado, se pasa el gas por la otra torre, en tanto que el aire fro se hace circular por la torre ya calentada y as ingresa precalenta-do, por las toberas al alto horno, como vimos. En la figura 14 tenemos un esquema de la instalacin completa de un alto horno.

    Existen tambin altos hornos elctricos, especialmente donde hay energa elctrica barata (Suecia, Noruega), pero moderna-mente se tiende a reemplazar el alto horno por el horno de cuba baja, elctrico del tipo a arco resistencia. Este tipo de horno, elctricamente es como el de arco, pero el calentamiento se realiza por la resistencia que ofrece la carga al pasaje de la corriente (fig. 15).

    odectroes

    1 i \ ' '

    1 ' ,,

    1 \ ' 1 : - . '

    carga ( min~ral y cOl' bOl'\)

    ~orrabio Frc. 15.

    L ' .

    ..

    .

    . ' .. .

    En estos hornos la energa elctrica que se emplea reemplaza 33

  • solamente al carbn que se usa como combustible para el ca-lentamiento, pero debe mantenerse el agregado del carbn ne-cesario para la reduccin del mineral.

    Arrabios

    El producto del alto horno se llama arrabio y, segn su com-posicin qumica se distinguen varios tipos. En general tienen un contenido alto de carbono (entre 3 y 4,5 %) y contenidos va-riables de Si (hasta 3 %) , Mn (hasta 1,5 %) , S (hasta 0,07 %) y P (hasta 1,5 %) . Se le llama tambin hierro fundido de primera fusin o fundicin de hierro y se destina a fabricar el acero en la misma planta, o a fabricar piezas de hierro colado en los cubilotes.

    El arrabio gris se llama as por el aspecto de su fractura, cau-sado porque el carbono se encuentra como grafito. Se produce con altos contenidos de silicio y poco manganeso y tambin con en-friamiento lento.

    El arrabio blanco debe su aspecto a la presencia de cementib (CFe3), un carburo de hierro que se forma cuando hay poco silicio o mucho manganeso, o se enfra bruscamente; es duro '!--' frgil.

    . El arrabio atruchado es el que tiene una composicin inter-media, presentando zonas grises y blancas entremezcladas.

    Segn el contenido de silicio se clasifican en arrabios de bajo. medio y alto silicio (alrededor del 0,5, 1,5 y 3 % respectivamente) .

    Tambin existen los arrabios fosforosos, con elevado conte-nido de este elemento y los arrabios con muy poco fsforo (lla-mados hematites) con alrededor de 0,03 %.

    Hierro esponja Se llama as al producto de un procedimiento moderno que

    obtiene el acero directamente del mineral. Primitivamente ste se obtena en las llamadas forjas catalanas mezclando el minera1 aprovechable con carbn vegetal, e insuflando aire con un fuelle para la combustin; de esta manera, el mineral, que era un xido de hierro, era reducido por el carbn liberndose, por consi-guiente, el hierro, que as se obtena en forma de grnulos o trozos con muchas cavidades pequeas (esponja); no se llegaba al estado de fluidez . Posteriormente el hierro fue obtenido al estado lquido, con mayor cantidad de carbono, en los altos hornos, y sobre el producto aqu obtenido se han fundado los otros m-todos para la obtencin del acero .

    En el alto horno, la temperatura elevada sobrepasa el punto de fusin del hierro, obtenindose ste en estado lquido, absor-biendo con facilidad todas las impurezas: carbono, silicio, man-ganeso, azufre y fsforo; adems es necesario agregar .tunq.ente

    34

  • (piedra caliza) y se consume mucho combustible para lograr las elevadas temperaturas, lo cual representa mayores costos.

    Por otra parte notamos que en cierto modo se tratara de un proceso absurdo, ya que para fabricar el acero (un producto con poco carbono), primero obtenemos un hierro que sale muy car-burado del alto horno, al que luego debemos descarburar para obtener el acero.

    Por estas objeciones se buscan hoy procesos ms directos de obtencin, similares al viejo proceso de las forjas catalanas que hoy parece resurgir, habindose logrado procedimientos eficientes de reduccin de minerales por medio de gases reductores como el CO (monxido de carbono), mezclado con una cierta proporcin de hidrgeno.

    El procedimiento consiste en mezclar mineral y carbn pul-verizados y calentarlos en un horno rotativo (fig. 16) donde se hace circular una corriente de esos gases reductores. Debe mante-nerse la temperatura entre 850 y 900 C.

    Hay plantas modernas que emplean hornos fijos verticales (proceso Midrex) .

    La mezcla de gases reductores es obtenida por combustin del gas natural y se le hace cumplir un ciclo completo que comprende un tratamiento para la regeneracin de parte de los gases que ya actuaron en el horno.

    En esencia, el CO y el H2 dentro del horno quitan el oxgeno. del mineral formando C02 y H20 , y parte de estos gases son rege-nerados nuevamente a CO a H2

    FIG. 16.

    CO H2 ---

    qsponjas

    Las esponjas de hierro as obtenidas se muelen y se separan de la ganga mediante un separador magntico; este producto, que sale con proporciones variables de C (0,2 a 0,4 %) , se emplea poste-riormente para refundirlo en hornos elctricos, y con las adiciones correspondientes, preparar cualquier tipo de acero comn o aleado.

    35

  • 111

    Aceros

    Vimos que el arrabio que sala del alto horno fundamental-mente estaba constituido por metal hierro, el que haba absorbido de un 3 a un 4,5 % de carbono; si por cualquier procedimiento eliminamos a ste en su mayor parte, obtendremos lo que se llama un acero, considerndose como tal cuando este porcentaje llega hasta el 1,7 %. Cuando el contenido es muy bajo, 0,15 %, o me-nos, suele llamarse hierro dulce, pero en realidad la denominacin correcta es de acero extra dulce. A medida que aumenta el con-tenido de carbono se van obteniendo los llamados aceros semidulce, semiduro, duro, muy duro y extraduro (ver clasificacin en pg. 159 aceros al carbono) .

    Mtodos de obtencin Para la obtencin de un tipo determinado de acero pueden

    seguirse dos caminos: descarburando el arrabio o bien carburando el hierro esponja o cualquier acero con contenido de carbono menor que el que se desea obtener:

    Mtodos de obtencin del acero

    r Por carburacin (cementacin)

    Jl Por desear- ~~!~~~~,~~so {{ ] buracin Obtenido en

    estado lquido

    Veremos cada uno.

    Pudelado

    Crisol Convertidor . Siemens Mar"tin Horno elctrico.

    37

  • PoT carburacin: llamado tambin de cementacin carburante. Se parte de un acero o hierro dulce con menos de 0,2 % de carbono y se lo coloca en cajas rodeadas de carbn vegetal con agregado de acelerantes (carbonato de bario, carbonato de sodio, sal comn); se tapa la caja y se rejunta con barro, introducindola des-pues en un horno a 950 C, donde se mantiene el tiempo necesario para que penetre el carbn, siendo necesario mayor tiempo cuanto mayor es el espesor de las piezas; generalmente se requieren mu-chas horas para una penetracin de 1 mm y varios das para de 1 O a 20 mm.

    Se aplica para la fabricacin de aceros para algunas herra-mientas, pero es un procedimiento ms usado como tratamiento termoqumico para endurecimiento superficial de piezas que deben resistir rozamientos, como por ejemplo para ejes.

    Pudelado: es muy poco usado; su nombre proviene del ingls "to puddle", que significa remover; en la actualidad este removido se logra en hornos de reverbero especiales giratorios como el de la figura 17 en el horno se introduce hierro fundido con mineral de

    FIG. 17.

    hierro (xidos). Las llamas del combustible empleado (hulla) oxi-dantes y el mineral, van eliminando el carbono y, finalmente, se obtiene una masa de hierro con bajo carbono, esponjoso, que se usa como materia prima para los hornos Siemens Martn, que veremo!! luego.

    Proceso de obtencin al estado lquido. Es el mtodo de ob-tencin de la mayor parte de los aceros. Puede obtenerse partiendo de hierro fundido (lquido), o bien de una mezcla de hierro fun-dido y chatarra de hierro y acero, o solamente chatarra de hierro y acero. En el primer caso es indispensable el convertidor.

    Fundamentalmente el proceso qumico consiste primero en e.liminar de la masa metlica los elementos silicio, manganeso, fs-foro y azufre, y tambin del carbono, y despus en la recarbura-cin o sea adicin de carbono en forma exactamente dosificada para obtener el tipo de acero deseado.

  • Segn la naturaleza del revestimiento refractario del horno que se usa, cido o bsico, se distinguen dos procesos: cido y basico. El primero requiere el empleo de materiales muy puros, pues el medio cido no permite qumicamente desfosforar ni desul-furar; el segundo permite eliminar fsforo y azufre y en conse-cuencia se pueden obtener buenos aceros an partiendo de ma-teriales no selecciO'nados.

    Mtodo al crisol. Se llama as por el empleo del crisol de forma caracterstica. Es muy poco usado. En el crisol se carga fun-dicin de hierro y mineral, o bien acero de bajo contenido de carbono (chatarra) y se carbura con aleaciones de alto carbono. Se obtiene lquido y se cuela en moldes. El acero obtenido es de muy buena calidad.

    Mtodo al convertidor. Ya dijimos que los convertidores son dispositivos donde se carga el metal bruto, obtenindose el metal afinado, es decir de composicin regulada o ajustada. Estn cons-tituidos por una envoltura resistente de chapa, con un grueso re-vestimiento refractario interior. El fondo es perforado para per-mitir la entrada de aire proveniente de los compresores. El con-vertidor puede bascular para permitir su carga y operacin (fi-gura 18).

    Fza. 18.

    lanza dll -olli~no

    FIG. 19.

    El convertidor Bessemer tiene revestimiento refractario acl-do. Una vez cargado con el arrabio lquido, se sopla aire a pre-sin , el que atraviesa toda su masa oxidando los elementos que acompaan al hierro, comenzando por el silicio y manganeso y terminando por el carbono; primero se oxida el hierro:

    Fe + 1!2 0 2 = F eO + 64 kg caloras (reaccin exotrmica)

    este xido ferroso reacciona con el silicio y el manganesia: Si + 2 FeO = Si02 + 2 Fe + 66 kg cal Mn +FeO= MnO + Fe+ 26 kg cal

    39

  • el Si02 y el MnO pasan a la escoria que sobrenada en forma de silicatos:

    Si02 + FeO = Si03Fe + 6 kg cal Si02 + MnO = Si03Mn + 8 kg cal

    Luego viene la descarburacin: e+ FeO = eo +Fe- 35 kg cal (reaccin endotrmica)

    y as se va eliminando el carbono. Al final del proceso se elimina el oxgeno en exceso (se desoxida) por agregado de FeSi y FeMn, (ferrosilicio y ferromanganeso) y luego se recarbura hasta los con-tenidos deseados de carbono.

    Si el arrabio contiene porcentajes elevados de fsforo (que se encuentra como fosfuro de hierro, PFe8), debe emplearse el con-vertidor Thomas, que difiere del anterior en que su revestimien-to refractario es bsico y lo mismo la escoria. Adems de las reac-ciones anteriores, se produce la eliminacin del fsforo de la si-guiente manera:

    2 PFe3 + 5 FeO = P 20 5 + 11 Fe + 40 kg cal el anhdrido fosfrico formado reacciona con la cal que se agrega: P2011 + 3 eao = (P04 )2 ea3, fosfato triclcico que va a la escoria (en este proceso la cal, eaO, tambin escarifica a los silicatos de Fe y de Mn).

    Estas ltimas reacciones comienzan lentamente desde el prin-cipio, y se activan luego que el carbono se ha quemado por com-pleto.

    El azufre, que se encuentra como sulfuro, se elimina con eaO:

    SFe + eao = Sea + FeO + 5 kg cal

    (el sulfuro de calcio pasa a la escoria) . La eliminacin del azufre es difcil y se realiza mejor cuando se trabaja en hornos elctricos bsicos, por la temperatura ms elevada que se consigue en stos.

    Del balance trmico de los procesos descriptos, resulta una elevacin suficiente de temperatura en el metal fundido, no re-quirindose por consiguiente inyeccin de combustible.

    Convertidor LD: Existe un procedimiento moderno empleando convertidores pero con la diferencia de que en lugar de soplar aire a presin a travs de la masa lquida, se sopla oxgeno con una lanza especial sobre la superficie. Las reacciones son similares, pero el tiempo de operacin se disminuye mucho. Adems, puede prescindirse de la costosa instalacin de la planta de compresores, y el convertidor es de construccin ms sencilla, ya que se evita el fondo perforado (fig. 19) .

    ~--- =~

  • Siemens Martin: Es un procedimiento predominante en la ac-tualidad; permite la utilizacin de gran cantidad de chatarra o desechos de hierro y de acero, pudiendo trabajar tambin con fundicin lquida y mineral de hierro.

    Se lleva a cabo en hornos de reverbero cuya caracterstica fundamental consiste en la recuperacin del calor de los gases de la combustin, contando para ello con cmaras donde hay un enrejado de ladrillos refractarios, los cuales trabajan alternativa-mente, primero calentndose con los gases de escape y luego in-virtiendo el proceso y haciendo circular por ellos el aire que ingresa para la combustin. En los hornos calentados a gas como combustible, ste tambin es precalentado en cmaras similares (hay una cmara ms a cada lado), y de este modo se logran ele-vadas temperaturas dentro del horno, que pueden llegar a los 1.800 c.

    fue\ oil

    (\ {i\

    aire a la dmenea

    FIG. 20.

    Para la operacin e inversin de los procesos hay vlvulas y compuertas especiales.

    Estos hornos pueden ser de revestimiento cido o bsico y el p1oceso qumico metalrgico una vez fundida la carga es . el mismo que vimos en los convertidores, pero ac las reacciones son menos enrgicas puesto que el aire no atraviesa la masa lquida sino solamente lame la superficie. Para acortar el proceso, el aire puede ser enriquecido con oxgeno. Ac las reacciones se ha-cen ms por medio de la escoria; la materia prima no debe tener un porcentaje promedio tan alto como en los convertidores, si no la operacin se prolongara mucho. Al igual que en los convert-

    41

  • dores, el proceso cido se usa cuando la materia prima empleada no hace necesario eliminar las impurezas de fsforo y azufre; en cambio, cuando stas son muy elevadas, se usa el proceso bsico.

    Hornos eldricos

    En vez de los combustibles quemados directamente en los hornos tradicionales, se utiliza la energa elctrica y sta se trans-forma en calor de varios modos, lo que permite clasificarlos.

    Los hornos elctricos da a da van ganando terreno y puede decirse que en los mismos se encuentra el verdadero porvenir de la metalurgia. Como consecuencia de su introduccin se han ob-tenido muchas ventajas tcnico-econmicas en los procesos exis-tentes y, por otro lado, se posibilit la obtencin de otros pro-ductos que antes no se podan lograr industrialmente, como el aluminio, lo que hizo posible su enorme desarrollo actual. Los productos obtenidos son ms puros, ms homogneos y en general de mejor calidad que los obtenidos en hornos a combustible, y los procesos son de mejor rendimiento, requieren menos mano de obra, siendo posible un ms exacto control de temperaturas. Sus instalaciones ocupan menos espacio, ya que no son necesarios de-psitos y accesorios para el combustible. Por todas estas ventajas, en general son preferidos a pesar del elevado costo de la energa elctrica; generalmente el rpejor precio de los productos compensa los mayores costos. Adems no debe olvidarse que el rendimiento calrico de un horno elctrico es mucho mayor que el de un horno a combustible, ya que no hay escape de gases a la chimenea y porque el calor se produce precisamente en el mismo sitio en quE: es requerido. La eleccin, entonces, debe ser precedida de un cuidadoso estudio tcnico-econmico.

    Segn la forma como se utilice la energa, clasificaremos a los hornos elctricos de la siguiente manera:

    Hornos elctricos

    42

    A resistencia

    A arco

    A arco-resistencia

    A induccin

    { Por conduccin Por irradiacin Por conveccin

    ( A arco indirecto

    i A arco directo De solera conductora f A baja frecuencia ~l A frecuencia de red

    A alta frecuencia

  • Los hornos a resistencia producen el calor utilizando el efecto Joule de una corriente elctrica que pasa a travs de una resis-tencia que Sft coloca en la cmara donde se encuentran los mate-riales a calentar, y segn cul sea la forma en que el calor pasa de la resistencia al material, se distinguen tres tipos que tienen aplicaciones especficas: por conduccin: hay contacto directo y se aplican, por ejemplo, en la fabricacin de abrasivos (carburo de silicio); irradiacin, por energa radiante: se aplica en hornos para la fusin de metales y tratamiento trmico; por conveccin: el calor se transmite por corrientes de aire (o de otro fluido) y se aplica en estufas y hornos para secado y tratamiento trmico.

    En todos los casos pueden emplearse resistencias metlicas o no metlicas; las metlicas generalmente se usan hasta 1.200 C; son alambres constituidos por distintas combinaciones de nquel, cromo, aluminio, con hierro. Para muy altas temperaturas se usa el tungsteno. Como resistencias no metlicas se usan el grafito y el carburo de silicio.

    Los hornos de arco utilizan el calor producido por el arco elc-trico que salta entre dos o ms electrodos cuya temperatura es superior a los 3.000C. Se distinguen distintos tipos:

    Horno a arco indirecto (fig. 21); se usa para fundir no frreos y tambin acero en cantidades limitadas, hasta naos 500 kg.

    FIG. 21. .

    Horno de arco directo tipo Heroult (fig. 22); el arco salta entre electrodo y metal; el primario del transformador se conecta a la lnea de alta tensin.

    oc ...

    FrG. 22. Fra. 23.

    43

  • L.

    Horno de solera conductora tipo Girod o Fat (trifsico) (fig. 23) ; el arco salta entre electrodos y metal y la corriente atraviesa ste saliendo por el electrodo empotrado en el piso, refrigerado por agua .

    . Estos dos ltimos tipos pueden emplearse para capacidades muy grandes, 50 toneladas de acero y an ms. Los electrodos son de carbn aglomerado o apisonado y su altura puede regularse automticamente mediante dispositivos hidrulicos o elctricos.

    Estos hornos pueden revestirse con refractario cido o bsico, y debe tenerse en cuenta que aqu no se introduce aire como en los hornos Siemens y, por lo tanto, debe partirse de cargas menos carburadas, debiendo estar el porcentaje de carbono slo un poco por encima del que se desea obtener en el acero. Cuando se re-quiere quemar el carbono, el oxgeno necesario es introducido en forma de mineral de hierro o batiduras de forja o laminacin (xidos de hierro) al igual que en los hornos Siemens. General-mente trabajan con carga slida y las etapas de trabajo seran: 1 o fusin, 29 descarburacin, 3 escorificacin de fsforo y azufre (en hornos bsicos solamente), 49 desoxidacin (con ferrosilicio y ferromanganeso), 59 ajuste de la composicin final (recarburacin).

    Ya vimos que los hornos de arco-resistencia (fig. 15) para la obtencin del hierro, elctricamente son como los de arco, pero la carga se calienta por efecto Joule de la corriente que la atraviesa.

    Hornos a induccin. El calor se produce en el seno mismo del material a calentar, teniendo aproximadamente un 10 % ms de rendimiento calrico que los hornos de arco.

    Los de baja frecuencia trabajan segn el principio del trans-formador esttico y por consiguiente tienen ncleo magntico, y el secundario, constituido por el metal a calentar, debe estar en cortocircuito; el fujo variable que circula por el ncleo magntico induce en el secundario una corriente elctrica grande Y lo funde (fig. 24). Se utiliza para metales no frreos, bronces, aluminio, etctera.

    F:!G. 24. FtG. 25.

    Los hornos de alta frecuencia consisten fundamentalmente en un cri6ol donde se coloca el material a calentar; ste est rodeado por una bobina hecha de tubos de cobre por donde circula agua

    44

  • para refrigerarla. Se trabaja con frecuencias de 500 a 2.000 cps y por consiguiente requieren generadores . especiales. Se emplean principalmente para la fabricacin de aceros aleados. Son hornos sin ncleo magntico y se caracterizan por el gran movimiento de la carga fundida producido por efectos electrodinmicos de las corrientes inducidas.

    Existe un horno a induccin de baja frecuencia que trabaja con la frecuencia de la red urbana, 50 cps, sin ncleo magntico, que sirve para fundir cualquier metal aunque no se logran tem-peraturas tan elevadas.

    Los hornos a induccin pueden revestirse con refractario cido. o bsico para permitir el agregado de elementos de aleacin que son corrosivos para los cidos (Cr, Ni, Mn), pero no puede reali-. zarse en ellos reacciones de afino; prcticamente se obtiene el. promedio de lo que se carga en composicin qumica.

    Colada del acero

    Cuando tenemos el acero al estado lquido en los hornos, para !':U utilizacin podemos llenar con l directamente moldes de for-mas determinadas (piezas de mquinas, etctera), que luego de-bern ser ajustadas y terminadas con mquinas herramientas, o bien pueden llenarse con l formas standard que posteriormente, y mediando ciertos proceso (laminacin y forjado) servirn para aplicar a usos industriales diversos, construcciones industriales, etctera.

    FH; :!f; - V ista ril' l o~

  • El primer procedimiento de colado en moldes constituye lo que !e llama el acero colado y ser objeto de estudio en el prximo .captulo. Veremos ahora los procesos de colada y laminacin .

    .El acero en estado lquido debe ser sacado del horno y trans-!portado para llenar unos moldes de forma y tamao standardizados (lingoteras) de donde se obtendrn los lingotes, que luego ser n

    !laminados, etctera. Este transporte se hace volcando el metal del horno (sangrado del horno) sobre un recipiente de chapa revestido de ladrillos r efractarios cidos (slicoaluminosos), llamado cu-chara. El sangrado se produce haciendo bascular el horno o rom-piendo un tapn de barro colocado ex profeso, segn sea el tipo de horno con que se trabaje.

    La cuchara es transportada por gras hasta donde se encuen-tran las lingoteras y procede a su llenado, ya sea por volcamiento de la misma, vertiendo el acero por su parte superior, o por un agujero en el fondo, que lleva un tapn refractario (buza) ac-cionado por una palanca.

    Las lingoteras de mayor tamao se llenan directamente por arriba, o bien, especialmente las ms chicas, pueden disponerse sobre una placa con canales para el llenado simultneo de muchas d ellas; todas se construyen de fundicin de hierro y t ienen forma troncocnica (fig. 27}.

    F:ro. 27.

    Una vez hecho el llenado y solidificado el acero, se procede al desmoldeo, levantando las lingoteras. Los lingotes as obtenidos pueden pasar an calientes a la laminacin o bien dejarse enfriar y almacenarse.

    Colada al vaco

    La presencia de gases en el acero es causa de disminucin de sU. resistencia. En algunos casos se necesitan aceros de muy bajo .oontenido de nitrgeno e hidrgeno; para ello, el caldero o cucha-ra donde se ha recogido el acero luego del sangrado del horno, se

  • introduce rpidamente en una cmara donde se hace el vaco a 60-70 mm de Hg, mantenindoselo all 10 minutos:

    =---vac:o

    los gases se desprenden de la masa fundida y los aceros r.esultan ms resistentes y con menores defectos de poros etc., meJorando tambin la resistencia al choque.

    Laminacin . Los lingotes fros deben calentarse en hornos adecuados, y

    los que pasan calientes slo deben calentarse para igualar el calor en hornos abiertos llamados hornos igualadores o "pit", y de all se extraen uno a uno para pasarlos por la instalacin de laminacin, cuyo conjunto se denomina tren laminador y la operacin se hace en varias etapas. Primero tenemos el tren "blooming" o desbastador, donde a los grandes lingotes se les hace la primera reduccin trans-formndolos en tochos (un lingote de forma regular y de menor tamao) , y luego este tocho pasa a los trenes laminadores pro-piamente dichos, que pueden ser trenes para obtener palan-quillas (un producto intermedio), trenes para perfiles grandes, para perfiles chicos, para rieles, para chapas, etctera.

    En general un tren laminador est constituido fundamental-mente de los cilindros y de sus soportes (telares o j;:mlas), accio-nados por motores elctricos directamente acoplados con comando a distancia. Los cilindros tienen acanaladuras de tamao progresi-vamente decreciente, que aproxima cada vez ms al hierro que pasa a su forma final; ste es introducido como palanquilla, por ejemplo, y es arrastrado por los cilindros y se hacen sucesivas pasadas hasta obtener la forma final: hierros redondos de distintos dimetros, perfiles L, doble T, U, etctera. Cada pasada debe pro-ducir una deformacin no superior al 15 % de la seccin (fig. 28).

    he. 28.

    47

  • ~a figura 29 nos muestra las sucesivas etapas de reduccin, partiendo de un tocho para conformar rieles.

    Frc. 29.

    Las pasadas sucesivas se hacen segn distintos modos de dis-poner los rodillos (fig. 30).

    1 /---~~--' ~~--~- _ __::,._ ,~~-&--~_: do tro doble do

    FIG. 30.

    En los trenes tro y doble do se hace retroceso con pasada por laminador; en el do la barra retrocede sin pasar por los ro-dillos laminadores.

    Colada continua Es un oroceso moderno que se est difundiendo y que tiene

    la caracterstica de que elimina la operacin de la colada en }in-goteras. Con este proceso se puede pasar directamente desde la colada al tren laminador sin la obtencin previa del lingote, con lo cual se ahorra calor, evitndose tambin todas las operaciones intermedias y por consiguiente es ms econmico .

    . En la figura 31 puede observarse cmo se produce el pasaje directo desde la colada al laminador y por eso este proceso se llama de colada continua y se comprende que se tienda a adoptarlo por sus menores costos respecto de los procedimientos clsicos.

    Plantas siderrgicas integradas y semi-integradas Ya hemos visto los distintos procesos de obtencin del hierro

    partiendo de los minerales que lo contienen, despus la obtencin rlel acero y finalmente el proceso de laminacin para la obtencin de productos . terminados. Cuando un establecimiento o planta in-dustrial rene todos estos procesos, es decir, que parte del mineral y obtiene los productos terminados, se dice que es una planta

    integrad~. Hay aceras que fabrican el acero y obtienen productos lami-

    nados partiendo exclusivamente de la chatarra como materia pri-ma para sus hornos (Siemens Martn o elctricos).

    Puede ocurrir tambin que una empresa compre la palanqui-

    48

  • lla y tenga una planta de laminacin, en cuyo caso tampoco ser integrada. Cosa similar podemos decir de aquellas plantas que fabrican el acero en lingotes o en palanquillas para su venta.

    F.n el pas hay solamente dos plantas integradas: Altos Hornos Zapla, en Jujuy, y Sociedad Mixta Siderurgia Argentina ( Somisa), en San Nicols de los Arroyos (Provincia de Buenos Aires). La primera, Zapla, explota su propio mineral; en cambio Somisa pro-cesa mineral que se importa de Brasil principalmente.

    En cambio hay muchas plantas no integradas o semi integra-das.

    FIG. 31.

    Definiciones tiles

    Tocho: Es el producto obtenido reduciendo la seccin del lin-gote hasta 125 mm de lado aproximadamente, destinado a la venta o almacenado para su utilizacin posterior en los laminadores o en forja pesada. Para la laminacin de chapas se parte de un tocho chato, similar al anterior pero de seccin rectangular.

    Palanquilla: Es un producto intermedio que se obtiene la-minando el tocho; es una barra de seccin cuadrada con ngulos redondeados, de lados variables desde 35 a 125 mm. De ella se parte para laminar barras de distintas medidas y otros productos ter-minado como flejes, perfiles, etctera.

  • IV

    Aceros y fundiciones moldeadas

    Acero fundido moldeado

    Ya. hemos sealado que el acero obtenido al estado lquido, poda llevarse para llenar las lingoteras y luego laminar los lingo-tes, o bien poda ser vertido en moldes previamente preparados para la obtencin de piezas o partes de mquinas. El acero obte-nido por este ltimo sistema es el que se denomina fundido mol--deado y es necesario especialmente cuando las piezas son de formas complicadas; es un procedimiento econmico.

    51

  • ...

    En general, corno el consumo de acero para estos fines es mucho menor que el de acero que se destina a ser laminado, para la obtencin exclusiva de acero moldeado se usan hornos de menor capacidad. Algunos establecimientos que tienen grandes hornos para alimentar a su laminacin, tambin trabajan produciendo piezas de acero moldeado, destinando para este fin parte del acero lquido producido.

    El horno preferido para este trabajo es el elctrico de arco , de capacidad variable de acuerdo con la demanda, y tambin el horno a induccin, con los cuales se pueden obtener productos de buena calidad. La capacidad o tamao del horno lo decide no slo la demanda sino tambin el peso de la pieza ms grande a moldear; son usuales de 700 a 4.000 kgs.

    La descripcin de estos hornos ya la hicimos en el captulo anterior. Todava quedan en uso algunos hornos a fuel oil o a carbn pulverizado que antes eran muy usados. Son del tipo de llama directa con recuperacin del calor de los humos; hoy se usan ms para la fabricacin de fundicin maleable (fotografa).

    Fundicin gris Ya vimos que el arrabio tambin se designa corno ft~ndiciP

    de primer:a fusin y que serva para fabricar el acero o para corn

    boca de carga

    \ tob

  • poner las cargas de los clsicos hornos llamados cubilotes, donde obtenemos la llamada fundicin de hierro o fundicin de segunda fusin. Este horno es un simple tubo de chapa revestido interior--mente con ladrillos refractarios (fig. 32).

    La fundicin gris debe contener alrededor del 2,8 a 3,5 % de C, 1 a 2,5 % de silicio, 0,4 a 0,8 % de Mn, menos del 0,1 % de azufre y menos del 0,6% de. P. Para lograr la composicin adecua-da, de acuerdo con cada tipo de pieza, se componen las cargas con arrabio, chatarra de hierro fundido y de acero, ferromanganeso y ferrosilicio. De la composicin resultante dependern las caracte-rsticas mecnicas (resistencia, etctera) y tambin influye la velocidad de enfriamiento (espesor).

    En el cubilote se cargan capas alternadas de metal con otras de carbn de coque y piedra caliza (fundente).

    Para fundiciones de mayor calidad puede emplearse el horno de llama directa de la fotografa. Modernamente suele hacerse trabajar el cubilote en sistema "Duplex" con un horno de induc-cin a frecuencia industrial (50 cps); la fundicin se pasa del cubilote al horno de induccin donde se le eleva la temperatura en breve tiempo, y de este modo se obtienen piezas ms sanas y de mejor calidad.

    Como ejemplo de una fundicin gris, consignamos la compo-sicin qumica resultante del anlisis de un aro de pistn: C: 3,11%; Si: 1.77 %; Mn: 0,6 %; S: 0,072 %; P: 0,56 %.

    En toda fundicin gris, el efecto de los diferentes elementos es el siguiente:

    -El silicio es grafitizante: si su porcentaJe fuera. muy bajo no se producira grafito que da el aspecto gris, y en cambio se produce fundicin blan~a de gran fragilidad y dureza. Lo mismo ocurre por enfriamiento demasiado rpido.

    -El manganeso tiene efecto contrario al silicio, pero adems neutraliza los efectos nocivos del azufre.

    - El azufre es nocivo, da dureza y fragilidad.

    - El fsforo es nocivo, comunica fragilidad, pero a veces se mantiene alto porque da mucha fluidez para el llenado de ciertos moldes delgados.

    Fundicin maleable La fundicin gris tiene baja resistencia a los choques y por

    este motivo no puede ser empleada en piezas que trabajen en esta forma; esto es debido a la presencia de las lminas de grafito que forman como un gran nmero de grietas en su interior. Para evitar esta desventaja se han conseguido mtodos de obtencin de ]a llamada fundicin maleable, que no tiene este inconveniente.

    53

  • :.

    Hay dos tipos de fundiciones maleables: ~La maleable blanca o europea. Se funde en horno rotativo;

    las cargas se dosifican con poco silicio para que las piezas resulten de fundicin blanca. Luego stas son colocadas en cajas de hierro, se rodean de grnulos de mineral de hierro y se colocan en horno a 900-1.000 e durante muchas horas y hasta das, y de este modo el carbono de la llamada ce-mentita (eFe3) que constituye la fundicin blanca, se va quemando hasta eliminarse, y esto puede ocurrir hasta es-pesores de aproximadamente 4 mm.

    '-La fundicin maleable americana o negra, se obtiene ro-deando las piezas fundidas en fundicin blanca en forma similar a la anterior, con arena y llevando al horno a 900-l.0000e durante muchas horas y luego dejando enfriar len-tamente; a esa temperatura elevada, la cementita se des-compone as:

    eFe3 e + 3 Fe + Q caloras y el carbono se precipita como grafito pero agrupndose en formas esferoidales, de modo que ya no forma grietas continuas como cuando se encontraba como lminas.

    Fundicin nodular Los mismos fines perseguidos con las fundiciones maleables pueden conseguirse hoy directamente con hierro que sale del cu-bilote, mediante la inoculacin en la cuchara de pequeas canti-dades de magnesio que tiene la propiedad de hacer que el grafito se agrupe en esferas o ndulos con todas las ventajas sealadas. A esta fundicin se la designa como fundicin nodular, esferoidal o dctil.

    Moldeo

    El elemento fundamental para designar a estos procesos como moldeados, es la presencia y utilizacin del molde dentro del cual se va a colar el metal lquido para la obtencin de la pieza re-querida.

    Los moldes pueden ser transitorios o permanentes. Los pri-meros se hacen de tierras especialmente preparadas y su utiliza-cin se limita a un solo llenado, debiendo luego romperse para la extraccin de la pieza. Los moldes permanentes, en cambio, sirven para un nmero grande de coladas, y generalmente son metlicos.

    Para preparar los moldes transitorios o de tierra, se requieren los siguientes elementos y operaciones:

    19 Preparacin de la tierra para hacer el molde; 29 El modelo;

  • 3 Preparacin de los noyos, 49 Ejecucin del molde. Veremos cada punto separadamente.

    l. Tierras para moldeo La tierra empleada para la ejecucwn del molde de};ler res-

    ponder a exigencias que aseguren la obtencin de una pieza sana y sin defectos. Debe ser plstica, es decir, permitir su conforma-cin, reproduciendo fielmente las formas del modelo; debe ser suficientemente refractaria para resistir la temperatura del metal lquido que va a contener, sin fundirse ni ablandarse; debe permi-tir la salida del aire y de los gases o sea que debe ser permeable; deber tener suficiente resistencia para soportar el manipuleo del molde y la presin del metal liquido, y finalmente, una vez fun-dido el molde, deber ser suficientemente colapsable como para permitir que el metal se contraiga sin roturas en la pieza, y un fcil desmoldeo y limpieza.

    Hay laboratorios especialmente equipados con instrumental adecuado para evaluar cuantitativamente todas estas propiedades de una tierra para moldeo. .

    Hay dos tipos clsicos de tierras segn que sean destinadas a moldes en seco, es decir, los que sern secados en estufa antes de su llenado y a moldes en verde, llamando as a los que se funden sin previo secado, con la humedad del moldeo.

    Hay tierras naturales que renen las condiciones antedichas por su composicin qumica y estado fsico, pero generalmente es necesario proceder a prepararlas partiendo fundamentalmente de arena clasificada y seca y de un aglutinante; el ms comn y eco-nmico es la arcilla que se agrega en proporciones variables, 5 a 10 %, pero debe limitarse su empleo a los lmites mnimos com-patibles con la resistencia del molde, pues cierra los poros e im-permeabiliza impidiendo la evacuacin de gases. Para moldes en verde se emplea como aglutinante la bentonita, que es una arcilla especial. Las tierras para moldes en verde tienen un agregado de aproximadamente un 5 % de polvo de carbn mineral cuya misin es formar una capa gaseosa en contacto con el hierro, evitando que la arena se pegue.

    Flc. 33. FIG. 34.

    55

  • Para permitir el moldeo, todas las tierras clsicas deben tener un agregado suficiente de agua, aproximadamr:!nte 5 %.

    Para preparar la tierra para el moldeo generalmente se mezcla un 70 a 80 % de tierra vieja, ya utilizada, y el resto tierra nueva. La mezcla se hace en molinos de rodillos no apoyados (para no romper los granos de arena) (fig. 33) , y una vez lograda buena homogeneidad se pasa a un desintegrador centrfugo que acondi-ciona la tierra ya mezclada, desarmando todos los terrones (fig. 34).

    Hay instalaciones mecanizadas que preparan la tierra ya usa- . da, zarandeando la misma, eliminando los trozos metlicos ( elec-troimn), mezclado y luego conduciendo la tierra ya preparada a ws lugares de empleo (fig. 35).

    Mm:! usada

    Frc. 3~.

    2. El modelo Es la forma que nos va a reproducir en el molde a la pieza a .

    obtener; puede construirse en madera (pino) o metlico (bronce o aluminio) y debe tenerse en cuenta que el metal se contrae al fundir y por consiguiente el modelo debe tener medidas mayores que la pieza, de acuerdo con la contraccin propia de cada metal (fundicin 1 %, acero 1,7 %) ; adems la pieza fundida debe ser posteriormente maquinada por lo cual debe dejarse un sobrees-pesor conveniente donde haga falta (hasta 3 mm) .

    Para facilitar su extraccin del molde una vez que ste ha sido confeccionado, se le debe dar al modelo una "salida", o sea una inclinacin en las paredes de aproximadamente 2.

    La pieza a fabricar puede ser maciza o contener huecos; en este ltimo caso deber llevar un ncleo o noyo, y el modelo deber contenerlo, de manera que al terminar el moldeo y retirar el modelo, debe quedar el espacio conveniente para la colocacin de los noyos con sus apoyos (portadas).

    Por otra parte, cuando las piezas tienen entrantes y salientes, el modelo debe ser dividido en dos o ms partes para poderle:> sa-car (ver fig. 37). Los modelos se pintan con barniz de goma laca pigmentado con colores convencionales para facilitar la com-prensin de su utilizacin durante el moldeo.

    58

  • 3. Preparacin de los noyos Sern rodeados completamente por el metal lquido de manera

    que deben tener las mejores condiciones refractarias. Se preparan con arenas silicosas pobres en arcilla. Como aglutinante se emplea fundamentalmente el aceite de lino cocido (3-5 %) ; si se desea aumentar su indeformabilidad antes del secado, puede agregarse un 1 % de harina o dextrina. Existen productos preparados completos.

    Una vez preparada la tierra en un mezclador a paletas, el noyo se moldea en la caja de noyos, que es el molde que permite fabri-carlos, tambin de madera o metlico, compuesto de dos o ms par-tes separables. Si es muy grande se agrega un armadura metlica interiormente para darle rigidez.

    Los noyos formarn los vacos de las piezas y debern llevar sus apoyos o portadas. Una vez preparados se llevan a las estufas de secado, calentadas a lea, gas o fue! oil.

    Hay mquinas para la fabricacin en serie de noyos perfilados o de forma determinada.

    4. Ejecucin del molde Puede hacerse manual o mecnicamente. Para el moldeo a

    mano debe colocarse la caja de moldeo sobre un tablero y all se ubica el modelo procedindose al agregado de tierra de moldeo en porciones y a su apisonado con herramientas adecuadas (batos); terminado esto se da vuelta la caja, se alisa y se espolvorea con arena, se coloca la caja superior, se encaja la otra parte del modelo y la colada para el llenado, se agrega tierra y se apisona como antes; se separan las dos cajas y se extraen los modelos.

    FIG. 36. - Moldeo de una barra maciza, modelo y molde terminado.

    F1G. 37. - Moldeo de una barra hueca, modelo y molde terminado.

    Si la ndole del modelo o el tamao de la pieza lo exigen, se agregan cajas intermedias entre bajo y sobre, llamadas fajas.

    57

  • chimen~a

    L..- -

    a la chim~n~a FIG. 38. - Estufa

    Una vez terminado el molde se arreglan las imperfecciones .Y si va a ser secado se pinta con una pintura sobre la base de plombagina (grafito) ; los moldes para fundir en verde pueden es-polvorearse con plombagina en polvo.

    Los moldes para secar se llevan a estufas calentadas a lea, gas o combustible lquido (fig. 38) . El moldeo en verde se emplea cuando las piezas a fundir son de mediano espesor; si son delgadas o muy gruesas, los moldes se secan previamente en estufa.

    Finalmente se arma el molde completo engrampndose las ca-jas, quedando listo para recibir el metal lquido.

    FIG. 39. 58

  • Mquinas de moldeo Se aplican para produccin en grandes series, preferiblemente

    para moldeo en verde. . Hay mquinas que trabajan por prensado: se coloca la caja

    de moldeo sobre una placa que lleva el o los modelos (la placa modelo), se llena de tierra de moldeo y se prensa. Este sistema se

    airll comprimido

    membrana

    cojo de moldqo .. .

    . .

    Fic. 40.

    aplica cuando el modelo no es muy alto; si esto ocurre se emplea el sistema por sacudidas: hay un pistn accionado por aire que levanta y deja caer repetidamente la placa y caja de moldeo con

    esptgos levantan placo peine y cojo de moldeo

    FIG. 41.

    Moq. de mol dilo

    lo cual, debido a los golpes, la tierra de moldeo se reparte en todos los recovecos del modelo.

    Generalmente hay sistemas combinados por prensado y sacu-

    59

  • didas (fig. 39). Hay un tipo moderno que moldea por la pres10n de una membrana de caucho accionada por aire a presin (fig. 40).

    Otro sistema proyecta la tierra sobre la caja que contiene al modelo de manera que se mecaniza el llenado y la compactacin a la vez (moldeo por proyeccin) .

    La placa modelo En las mquinas de moldeo se utiliza el modelo colocado en

    una placa sobre la que apoyar la caja de moldeo. Esta placa lleva uno o varios modelos segn su tamao. Generalment e se interpone entre caja de moldeo y placa modelo, la llamada placa peine que facilita el desmoldeo evitando r oturas en el molde (fig. 41) .

    FIG. 42.

    Moldeo en cscara

    Es un sistema moderno conocido tambin con el nombre de "shell moldirrg". Emplea arenas revestidas por mezclado con una resina plstica que se endurece por calentamiento. Se moldea so-bre moldes metlicos, los cuales son luego calentados y la capa que est en contacto con l se endurece formando una costra dura o cscara y el resto de la arena puede volver a utilizarse. Unense las dos cscaras de bajo y sobre para formar el molde con un ad-hesivo sinttico, y se procede a su colado .

    . Como se observa, no se requiere estufado y es un proceso alta-mente mecanizado en la actualidad para produccin en grandes.se-res usndose para fabricar moldes y noyos.

    60

  • Otros procesos modernos de mold,.o Para la fabricacin de moldes y noyos evitando estufados y ca-

    lentamientos, existe hoy un aglutinante plstico que se agrega a la arena y que se endurece por reaccin qumica de sus componentes (autocurado) en media hora; por consiguiente, las piezas pueden ser moldeadas y fundidas de inmediato.

    Anterior es el proceso de f:abricacin de noyos con silicato df! sodio (vidrio soluble) que se agrega a la arena mezclndolo bien, y una vez apisonada dentro de la caja de noyos se le hace pasar una corriente de co2, con lo cual el endurecimiento es instantneo.

    Limpieza

    U na vez que los moldes han sido llenados y el metal se ha soli-.c.i.ificado y enfriado, debe procederse al desmoldeo, o sea a separar la caja y la tierra de la pieza fundida. El desmoldeo puede ser he cho a mano o con mquinas; stas consisten en una rejilla vibrato-ria sobre la que se coloca el m olde con la pieza fundida; la vibra

    FIG. 43.

    cin produce el desprendimiento de la tierra, la que atraviesa la rejilla y cae sobre una cinta transportadora que la lleva para ser usada nuevamente, como ya vimos.

    A las piezas se les debe eliminar la tierra adherida, lo que se hace en tambores que se llenan y se hacen girar, desprendindose la tierra por los golpes mutuos (fig. 42).

    Tambin puede terminarse la limpieza por chorro de arena (fig. 43), chorro de agua a presin o chorro de perdigones.

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  • Rebabado e inspeccin de piezas fundidas

    Una vez limpias las piezas, deben ser rebabadas, es decir que se les debe eliminar las babas o chorreaduras; esto se hace con buriles o cinceles manuales o neumticos y con tijeras mecnicas, para finalmente terminar con la piedra de amolar.

    FtG. 44. - - Pieza fundida, con todas las rebabas y colada, y luego de rebabada.

    La operacin final, antes de que las piezas sean entregadas al maquinado o al comprador, es la inspeccin, es decir, la revisin individual para reconocer los defectos y separar las piezas inser-vibles; es una operacin que requiere criterio y conocimiento del trabajo a que ser destinada la pieza.

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  • V

    Aceros especiales

    Cuando estudiamos los aceros vimos que en estos siempre se encontraban presentes los elementos carbono (hasta 1,7 %) , silicio, manganeso, azufre y fsforo, siendo el carbono el elemento fundamental, el silicio y manganeso secundarios, y el fsforo y el azufre impurezas inevitables. A estos tipos de aceros los llamamos aceros comunes y su resistencia y otras caractersticas mecnicas dependen del porcentaje de carbono que contengan.

    Para la mayor parte de las aplicaciones industriales son utili-zables satisfactoriamente estos aceros, pero para algunas cons-trucciones mecnicas a veces se requieren cualidades superiores en lo que se refiere a mayor resistencia a la traccin, mayor du-reza, mayor resistencia a los choques y a la oxidacin, etctera. Para satisfacer estas exigencias se hacen agregados de ciertos ele-mentos llamados especiales o aleantes, cada uno de los cuales con-fiere al acero una propiedad bien definida. Tales elementos son: nquel, cromo, silicio, manganeso, aluminio, molibdeno, vanadio, tungsteno, cobalto, titanio y boro. Los aceros que resultan se lla-man aceros especiales o aleados y pueden llevar un solo elementC1 o ms de uno de los citados simultneamente.

    Proceso para su obtencin

    La masa de los elementos especiales agregados es muy pequea en relacin con la masa total de hierro, por lo cual para su fabrica-cin debe buscarse un horno que asegure un buen mezclado. Si bien pueden ser empleados los hornos de crisol y el Siemens Martin, el que ms se adapta para este fin es el horno de induccin . de

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  • alta frecuencia que, como vimos, tiene la propiedad de producir una intensa agitacin del metal fundido, debido al efecto electro-dinmico de las corrientes inducidas.

    El aporte de los elementos aleantes se hace por agregado de las llamadas ferroaleaciones que los contienen en elevado porcenta-je. El nquel puede agregarse puro o en forma de ferronquel que contiene hasta un 20 %; el cromo se adiciona como ferro cromo al 20 %; el silicio como ferrosilicio, que contiene hasta un 80 %; el man-ganeso como ferromanganeso, que contiene hasta un 80 %.

    Influencia de los elementos de aleacin

    El nquel aumenta la resistencia a la traccin sin disminuir la ductilidad; tambin aumenta la resistencia a la oxidacin. Se usa para ejes y bielas poco cargadas.

    El cromo aumenta la resistencia y dureza y las cualidades de resistencia a la oxidacin; ejemplo, para cojinetes a bolillas.

    Juntos el nquel y el cromo forman un grupo importante de aceros llamados aceros al cromo nquel, caracterizados por su ele-vada resistencia y dureza y tambin por su resistencia a la oxida-cin; o sea que las propiedades de cada uno se combinan en este grupo. Se usan para construccin de piezas de mecnica con conte-nidos de nquel de hasta 5 % y de cromo hasta 2 %. En los que deben cementarse (para dureza superficial) el porcentaje de carbono es inferior a 0,2, y los que deben templarse solamente, pueden lle-var hasta 0,6 % de C. Se emplean para engranajes, ejes, cigeales, bielas. Se emplean tambin para fabricar aceros inoxidables de varios tipos, segn el medio en que actan, pero el ms conocido es el llamado 18-8 (18 % de Cr y 8 % de Ni) .

    El silicio se considera elemento aleante cuando se encuentra en contenidos superiores al que corrientemente tiene el acero (aproximadamente 0,3 %, emplendose en tal caso como desoxidan-te); tiene la propiedad de elevar el lmite de elasticidad y por eso se emplea hasta el 1,5% en los aceros para resortes. Hasta el 5 % se emplea en chapas para motores elctricos, pues mejora las propiedades magnticas disminuyendo las prdidas.

    El manganeso neutraliza los efectos nocivos del azufre y ade-ms confiere mejores cualidades para el templado, por eso se usa junto al silicio en los aceros al silicio manganeso para elsticos. Tambin se usa el manganeso al 12 % en aceros que deben resistir fuertes desgastes, como en molinos (acero Hadfield) .

    El aluminio se agrega como un buen d~soxidante y afinador del grano metlico. Para aceros que se van a endurecer superficial-mente por nitruracin, se agrega aproximadamente 1 %.

    El molibdeno me