1.1Proceso de Obtención del Hierro y del acero
El diagrama general de la
fusión primaria del hierro integra a la mayoría de las actividades que se
desarrollan en el proceso productivo. No se debe olvidar que los diagramas de
flujo son una de las herramientas más utilizadas por los ingenieros
industriales y que de manera automática los deben utilizar o elaborar.
El 90% de todos los metales
fabricados a escala mundial son de hierro y acero. Los procesos para la
obtención de hierro fueron conocidos desde el año 1200 AC.
Los principales minerales de
los que se extrae el hierro son:
Hematita
(mena roja)
|
70%
de hierro
|
Magnetita
(mena negra)
|
72.4%
de hierro
|
Siderita
(mena café pobre)
|
48.3%
de hierro
|
Limonita
(mena café)
|
60-65%
de hierro
|
Para la producción
de hierro y acero son necesarios cuatro elementos fundamentales:
- Mineral de hierro
- Coque
- Piedra caliza
- Aire
Los tres primeros
se extraen de minas y son transportados y prepararlos antes de que se
introduzcan al sistema en el que se producirá el arrabio.
El arrabio es un
hierro de poca calidad, su contenido de carbón no está controlado y la cantidad
de azufre rebasa los mínimos permitidos en los hierros comerciales. Sin embargo
es el producto de un proceso conocido como la fusión primaria del hierro y del
cual todos los hierros y aceros comerciales proceden.
A la caliza, el
coque y el mineral de hierro se les prepara antes de introducirse al alto horno
para que tengan la calidad, el tamaño y la temperatura adecuada, esto se logra
por medio del lavado, triturado y cribado de los tres materiales.
Algunos elementos
químicos en la fundición del hierro
Existen muchos
elementos químicos que dan las características de ingeniería a las aleaciones
ferrosas, sin embargo hay algunos que se destacan por sus efectos muy
definidos, a continuación se presentan algunos de estos elementos.
Carbono. Arriba del 4% baja
la calidad del hierro, sin embargo se debe decir que es el elemento que da la
dureza al hierro y por medio de sus diferentes formas en las que se presenta,
se pueden definir varias propiedades de las aleaciones y su grado de
maquinabilidad. Con base a la cantidad de carbono en el hierro las aleaciones
se pueden definir o clasificar como se observó en los temas anteriores.
Silicio. Este elemento
hasta un 3.25% es un ablandador del hierro y es el elemento predominante en la
determinación de las cantidades de carbono en las aleaciones de hierro. El
silicio arriba de 3.25% actúa como endurecedor. Las fundiciones con bajo
contenido de silicio responden mejor a los tratamientos térmicos.
Manganeso. Es
un elemento que cuando se agrega a la fundición arriba del 0.5% sirve para
eliminar al azufre del hierro. Como la mezcla producto del azufre y el
manganeso tiene baja densidad flota y se elimina en forma de escoria. También
aumenta la fluidez, resistencia y dureza del hierro.
Azufre. No
sirve de nada en el hierro, debe ser eliminado y controlado.
En general los
altos hornos tienen un diámetro mayor a 8 m y llegan a tener una altura
superior de los 60 m. Están revestidos de refractario de alta calidad.
Los altos hornos
pueden producir entre 800 y 1600 toneladas de arrabio cada 24 h. La caliza, el
coque y el mineral de hierro se introducen por la parte superior del horno por
medio de vagones que son volteados en una tolva. Para producir 1000 toneladas
de arrabio, se necesitan 2000 toneladas de mineral de hierro, 800 toneladas de
coque, 500 toneladas de piedra caliza y 4000 toneladas de aire caliente.
Con la inyección
de aire caliente a 550°C, se reduce el consumo de coque en un 70%. Los
sangrados del horno se hacen cada 5 o 6 horas, y por cada tonelada de hierro se
produce 1/2 de escoria.
1.3
Afino del Acero
AFINO DEL
ARRABIO
El arrabio que se obtiene en el alto horno lleva disueltas muchas
impurezas, es preciso quemar estas impurezas, al proceso de quemado se le llama
afino.
Los elementos que sobran son: Carbono,
Silicio, Magnesio, Azufre y Fosforo que forman el 7% del arrabio. El fosforo y
el azufre hay que quemarlos lo mas posible porque son perjudiciales para el
hierro, el silicio y el magnesio no tanto porque en pequeñas cantidades mejoran
el hierro.
Aceros y fundiciones:
Las aleacciones de hierro y carbono se
clasifican en aceros y fundiciones.
ACEROS - Aleacciones con proporcion de
carbono inferior al 1%
FUNDIONES - Aleacciones con proporcion
de carbono superior al 1.8% e inferior al 5%.
Las aleacciones con carbono inferior
al 1.7% tienen caracteristicas que ambian si la proporcion es mayor.
Al afinar el arrabio se mantiene el
contenido de carbono dentro de unos limites para conseguir el producto deshecho
METODOS DE AFINO
a) Afino del acero:
·
Afino en convertidor: El arrabio recogido en las cucharas se lleva hasta la mezcladora donde se mantiene en estado liquido hasta meterlo en los convertidores.
Afino en convertidor: El arrabio recogido en las cucharas se lleva hasta la mezcladora donde se mantiene en estado liquido hasta meterlo en los convertidores.
El convertidor es un recipiente enorme
con una cubierta exterior en chapa de acero y un revestimiento interior de
material reflactario. El aire entra por el conducto lateral y entra x el fondo
del convertidor. Alli esta la parrilla, que perforada por unos agujeros permite
que el aire entre en contacto con la masa liquida del arrabio para poner
atravesar esta masa e impedir que entre los agujeros de la parrilla el acero
llega a gran presion.
·
Afino en horno Martin_Siemens: Se utiliza como materia prima el arrabio olidificado en lingotes y mezclado con chatarra de piezas y maquinas que ya no se usan:
Afino en horno Martin_Siemens: Se utiliza como materia prima el arrabio olidificado en lingotes y mezclado con chatarra de piezas y maquinas que ya no se usan:
Funcionamiento: Se funde la mezcla
cargada a traves de las puertas de carga debido al calor que se produce al
quemarse el combustible que mezclado con el aire llega a los quemadores pasados
por las bocas de entrada, estas bocas se comunican con los recuperadores unas
valvulas permiten distribuir los gases y el aire, los gases sobrantes calientan
los recuperadores mientras el gas y el aire absorben el calor de los
recuperadores.Cuando los recuperadores se enfrian con lo que unos recuperadores
se calientan y otros les dan el calor adquirido.
· Afino en horno electrico: Para
transformar la energia electrica en calor hay dos tipos electricos:
Hornos electricos de arco: La carga se
funde debido al calor que desprende el arco electrico que salta entre los
electrodos
Hornos electricos de induccion: El
crisol refractorio lleva un tubo de cobre rectangular, por este circula una
corriente electrica que induce otra corriente en la carga.
b) Afino de la fundición:
·Afino en cubilote
UNIDAD
2.- Tratamiento térmico del acero
El proceso básico para endurecer el
acero mediante tratamiento térmico consiste en calentar el metal hasta una
temperatura a la que se forma austenita, generalmente entre los 750 y
850 ºC, y después enfriarlo con rapidez sumergiéndolo en agua o aceite.
Estos tratamientos de endurecimiento, que forman martensita, crean grandes
tensiones internas en el metal, que se eliminan mediante el temple o el
recocido, que consiste en volver a calentar el acero hasta una temperatura
menor. El temple reduce la dureza y resistencia y aumenta la ductilidad y la
tenacidad.
El objetivo fundamental del proceso de
tratamiento térmico es controlar la cantidad, tamaño, forma y distribución de
las partículas de cementita contenidas en la ferrita, que a su vez determinan
las propiedades físicas del acero.
Hay muchas variaciones del proceso
básico. Los ingenieros metalúrgicos han descubierto que el cambio de austenita
a martensita se produce en la última fase del enfriamiento, y que la
transformación se ve acompañada de un cambio de volumen que puede agrietar el
metal si el enfriamiento es demasiado rápido.
2.3
Recocido
Recocido. Consiste básicamente en un calentamiento hasta temperatura de
austenización (800-925ºC) seguido de un enfriamiento lento. Con este
tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza.
Tambien facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura,
afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el
trabajo en frío y las tensiones internas.
Recocido Cuando un material se
somete a trabajo en frío o en caliente, se inducen esfuerzos remanentes o
residuales y, además, el material generalmente adquiere una gran dureza debida
a estas operaciones de labrado.
Se mantiene a esta temperatura por un tiempo suficiente
para que el carbono quede disuelto y difundido a través del material. El objeto
tratado se deja enfriar luego lentamente, por lo general en el mismo horno en
el que fue tratado. Si la transformación es completa, se dice entonces que se
tiene un recocido total. El recocido se emplea para suavizar un material y
hacerlo más dúctil, para eliminar esfuerzos remanentes y para refinar la
estructura del grano.
2.4
Temple
Temple. El temple
tiene por objeto endurecer y aumentar la resistencia de los aceros. Para ello,
se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica
superior Ac (entre 900-950ºC) y se enfría luego más o menos rápidamente (según
características de la pieza) en un medio como agua, aceite, etc.
Se han desarrollado tres procesos
relativamente nuevos para evitar el agrietamiento. En el templado prolongado,
el acero se retira del baño de enfriamiento cuando ha alcanzado la temperatura
en la que empieza a formarse la martensita, y a continuación se enfría despacio
en el aire. En el martemplado, el acero se retira del baño en el mismo momento
que el templado prolongado y se coloca en un baño de temperatura constante
hasta que alcanza una temperatura uniforme en toda su sección transversal.
Después se deja enfriar el acero en aire a lo largo del rango de temperaturas
de formación de la martensita, que en la mayoría de los aceros va desde unos
300 ºC hasta la temperatura ambiente. En el austemplado, el acero se
enfría en un baño de metal o sal mantenido de forma constante a la temperatura
en que se produce el cambio estructural deseado, y se conserva en ese baño
hasta que el cambio es completo, antes de pasar al enfriado final.
Templado la rapidez de
enfriamiento es el factor que determina la dureza. Una rapidez de enfriamiento
controlada en un material caldeado constituye el proceso que recibe el nombre
de templado. Las dos sustancias más utilizadas para templar son el agua y el
aceite.
La eficacia del endurecimiento depende del hecho de
que cuando la austenita se enfría no se transforma instantáneamente en perlita,
sino que se requiere tiempo para iniciar y completar el proceso. Cuando el
material es enfriado rápidamente hasta 200 C° o menos, la austenita se
transforma en una estructura llamada martensita. Ésta es una solución sólida
sobresaturada de carbono en ferrita, y es la clase de acero más dura y
resistente.
2.5
Revenido
Revenido. Es un tratamiento habitual a las
piezas que han sido previamente templadas. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los
aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la
tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue
basicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de
enfriamiento.
Revenido cuando una probeta de
acero ha sido endurecida totalmente resulta ser dura y frágil en extremo y con
esfuerzos resultantes altos. El acero queda inestable y tiende a contraerse al
envejecer. Esta tendencia aumenta cuando la probeta se somete a cargas aplicadas
exteriormente debido a que los esfuerzos resultantes contribuyen aún más a la
inestabilidad. Dichos esfuerzos internos pueden ser eliminados por un proceso
de calentamiento ligero llamado de alivio de esfuerzos.
Después de que la probeta ha sido endurecida
totalmente por el templado desde arriba de la temperatura crítica, se
recalienta a una temperatura inferior a la crítica durante cierto tiempo y
luego se deja enfriar al aire tranquilo.
2.6
Tratamiento Termoquímicos
TRATAMIENTOS
TERMO QUIMICOS DEL ACERO
En el caso de los tratamientos térmicos, no
solo se producen cambios en la Estructura del Acero, sino también en su COMPOSICION QUIMICA, añadiendo
diferentes productos químicos durante el proceso del tratamiento. Estos
tratamientos tienen efecto solo superficial en las piezas tratadas.
- Cementación. Mediante este tratamiento se producen cambios, en la composición química del acero. Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. Lo que se busca es aumentar el contenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el núcleo.
- Nitruración. Este tratamiento TermoQuímico busca endurecer superficialmente un acero con nitrógeno, calentándolo a temperaturas comprendidas entre 400-525ºC, dentro de una corriente de gas amoníaco, más nitrógeno.
No hay comentarios:
Publicar un comentario