miércoles, 19 de octubre de 2011

Unidad 1

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:
  1. Mineral de hierro
  2. Coque
  3. Piedra caliza
  4. 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.

El alto horno    
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.
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:
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.






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