TEMA 6:

1. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS

2. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS 1. INTRODUCCIÓN • MATERIALES FERROSOS, son aquellos cuyo constituyente principal es el hierro. Se pueden clasificar en: • HIERRO • ACEROS • FUNDICIONES • FERROALEACIONES.

3. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS 2. EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LA SIDERURGIA • 6000 a. C. se funden objetos de cobre. • 3000 a. C. bronce fundido al alear cobre y estaño. • 1500 a. C. Los hititas (Turquía) utilizan el hierro. Se encuentra en forma de mineral, y así no tiene utilidad. Hay que separar la mena y la ganga; descubierto este proceso su utilización aumenta: más abundante que el cobre, se encuentra en la corteza terrestre, es más duro y resistente. • 1200 a. C. empieza la Edad de Hierro y se propaga por Oriente Medio. • 600 a. C. comienza Edad Hierro en China y Europa. • s. I los romanos dominan el mundo, organizan la producción de acero y la fabricación de armas: Damasco, España, Italia, … son centros productores de hierro. • 700 Aparece la forja catalana, un tipo de horno con cuba de mampostería provista de tobera lateral para mantener el carbón a mayor Tª. • 1300 Primer Horno Alto, horno de gran capacidad, recibe aire de un fuelle, hierro en contacto con el carbón y disminuye el punto de fusión, se obtiene el hierro colado.

4. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS 2. EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LA SIDERURGIA • 1709-1735horno de coque, Abraham Darby sustituye el carbón vegetal por coque, más rico en C, más limpio y menos contaminante. • 1740 acero al crisol. Benjamín Huntsman produce el primer acero al crisol. Acero de muy buena calidad. • 1784 Horno de pudelar de Cort, el hierro colado procedente al horno alto se refundía en un horno de reverbero, y se obtenía un hierro forjado de gran calidad. • 1820-1828 Inyección de aire, Neilson mejora la eficacia del alto horno haciendo pasar aire a través de una tubería al rojo vivo. • 1855 Bessemer, inventa el afinado por aire, preparación de acero sin fuego. • 1860 Cowper, inventa el recuperador de calor. • 1864 Emile y Pierre Martin funden los primeros aceros con adición de chatarra.

5. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS 2. EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LA SIDERURGIA • 1878, Thomas, inventa el revestimiento del convertidor que permite la desfosforación del hierro. • 1880 Siemens inventa la fabricación de acero por vía electrotérmica. • 1884 1er Horno alto en España • 1902 Heroult, patenta el horno eléctrico de arco. • 1904 1er Horno eléctrico en España • 1930 Colada continua. • 1948, fabricación de acero con convertidores soplados con oxígeno (procedimiento LD). • 1960 instalación es España de la colada continua. • 1978, en Alemania se pone en marcha el horno eléctrico por inducción.

6. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS 3. PROCESO SIDERÚRGICO 3.1. MATERIAS PRIMAS • HIERRO • CARBÓN DE COQUE • FUNDENTES

7. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS HIERRO El MINERAL DE HIERRO lleva mezclados: • La MENA o parte útil: óxidos de hierro • La GANGA o parte no útil: sílices, cal, alúmina, etc.

8. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS CARBÓN DE COQUE El CARBÓN es la materia prima para obtener COQUE. Sólo son aptas las hullas grasas y semigrasas de llama corta, con contenido en materias volátiles entre 22% y 30%, azufre <1% y cenizas <9% Misión del coque en el proceso siderúrgico: • Producir por combustión el calor necesario para la reacción de reducción (eliminar oxígeno) y fundir la mena dentro del horno. • Soportar las cargas en el alto horno • Producir el gas reductor (CO) que transforma los óxidos en arrabio. ¿Cómo se obtiene el coque? • Calentando a >1000 ºC las hullas. Características de un buen coque: • Buena resistencia al aplastamiento • Baja humedad (<3%) • Bajo contenido en azufre (<1%) • Bajo contenido en cenizas (<9%) • Alto poder calorífico (6500 – 8750 kcal/kg) • Mínimo contenido en fósforo y azufre (hacen frágil la fundición)

9. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS FUNDENTES Su misión es: • Combinarse con la ganga y bajar su punto de fusión, para hacer que la escoria se encuentre fluida. • Combinarse con las impurezas, pasándolas a ganga. Los fundentes más utilizados: sílice, caliza (carbonato cálcico) y la dolomía (carbonato magnésico). La cantidad de fundente y su naturaleza debe establecerse con mucho cuidado, dependiendo de la naturaleza y composición de la ganga y la proporción de impurezas. Si ganga ácida SiO2→ fundente básico Al2O3, MgO, CaO Si ganga básica MgO, CaO → fundente ácido SiO2 Si ganga neutra → fundente neutro CrO

10. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS La chatarra • La chatarra de acero es otra materia utilizada para la fabricación de acero. • Conjunto de piezas, partes metálicas, etc., de acero, inservibles y sin ninguna utilidad industrial. • Puede ser: reciclada, de trasformación, de recuperación.

11. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS 3.2. EL ALTO HORNO • Es un horno de cuba formado por dos troncos de cono desiguales unidos por sus bases mayores. • Parte interior de mampostería de ladrillos refractarios de 60-100 cm de espesor • Parte exterior revestida de plancha de acero reforzada con zunchos. • Partes del alto horno: (de arriba abajo) • Tragante • Cuba • Vientre • Etalajes • Crisol

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14. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS 3.2.1. PROCESO DE OBTENCIÓN DEL ARRABIO • En la parte superior de la cuba se produce el secado, precalentamiento y deshidratación a Tª 200 – 450ºC • En la parte inferior de la cuba, es la zona dereducción 400 – 1200ºC • En los etalajes zonas de carburación y fusión 1800ºC • La ganga se ha combinado con el fundente formando la escoria que sale por la bigotera. • Por la piquera sale el arrabio

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16. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS 3.2.2. PRODUCTOS DEL ALTO HORNO • ARRABIO, producto principal del Alto Horno. 90-95% de hierro. Puede ser de dos tipos: • Hematites, para piezas fundidas en molde • Básico, para fabricación de acero en convertidor soplado por oxígeno. • ESCORIA, material de desecho que sobrenada el arrabio en el crisol, por su menor densidad. Sus aplicaciones son: • Áridos para hormigón • Aislantes térmicos • cementos

17. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS 4. PROCEDIMIENTOS DE OBTENCIÓN DEL ACERO Para la obtención del acero se utilizan como materias primas el arrabio liquido del alto horno y la chatarra de acero. Se diferencian en la forma y tipo de energía aportada: • MARTIN - SIEMENS • BESSEMER - THOMAS • CONVERTIDOR LD • HORNOS ELÉCTRICOS

18. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS 4.1. PROCEDIMIENTO MARTIN - SIEMENS • Permite cargas de tipo sólido, líquido o mixto. • Permite distintos tipos de mezclas, luego se obtienen productos definidos. • La solera puede ser ácida, básica o neutra. • Según la proporción de gas-aire podemos tener una atmósfera oxidante (para quemar o descarburar), reductora (para eliminar el oxígeno) o neutra (para mantener la Tª). • Los gases del horno se les hace pasar por cámaras calentándolas; luego se invierte el sentido, hacía otras cámaras frías. La corriente gaseosa atraviesa el horno en un sentido y otro alternativamente.

20. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS 4.2. CONVERTIDOR BESSEMER - THOMAS • Permite descarburar la fundición gracias a una corriente de aire comprimido que atraviesa la masa de fundición líquida contenida en el convertidor. • Tres fases: llenado, soplado y vaciado. • El proceso se puede detener cerrando la entrada de aire. • Bessemer revestimiento ácido, Thomas básico.

22. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS 4.3. CONVERTIDOR LD • El oxígeno se inyecta a alta presión (10-14 at.)a través de un tubo refrigerado (lanza). • Fases del proceso: • Carga • soplado y afino • Colada o vaciado

23. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS 4.4. HORNO ELÉCTRICO • Fusión de chatarra por medio de una corriente eléctrica y posterior afino del baño fundido. Hay dos tipos de hornos: • DE ARCO ELÉCTRICO • DE INDUCCIÓN • Ventajas: • Fácilmente regulable. • Calentamiento rápido. • Se mantiene la Tª a voluntad, y muy elevadas. • No hay gases en la combustión (menos impurezas). • El revestimiento interior puede ser ácido o básico (distintos tipos de fundiciones).

26. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS 4.5. COLADA DEL ACERO • El ACERO sale del horno en estado líquido, hay que solidificarlo, varios métodos: • Vertiendo el acero sobre moldes de forma establecida (acero moldeado) • Colar el acero líquido sobre moldes prismáticos (lingoteras), para transformarlo luego por laminación o forja. • Colada continua del acero obteniendo directamente el semiproducto deseado.

27. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS 4.6. OBTENCIÓN DE PRODUCTOS COMERCIALES • Hay distintos caminos para obtener el acero sólido, pero es necesario transformarlo en productos comerciales. Se realiza por los siguientes procedimientos: • Laminación • Forja • Estampación • Moldeo La laminación consiste en hacer pasar un material entre dos rodillos o cilindros que giran a la misma velocidad y en sentidos opuestos, y reducen la sección transversal mediante la presión ejercida por éstos. Puede realizarse en frío o en caliente (800 – 1250º C)

29. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS 5. ESQUEMA DE UNA SIDERÚRGIA INTEGRAL

31. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS 6. PRODUCTOS SIDERÚRGICOS • HIERRO DULCE (cuando C entre 0.008 – 0.025 %) • ACEROS (0.025 – 2.1 %) • FUNDICIONES (2.1 – 6.67 %) • GRAFITO (>6.67 %) • FERROALEACIONES

33. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS • COMPOSICIÓN • DESIGNACIÓN NUMÉRICA UNE 36000 ACEROS AL CARBONO O NO ALEADOS Presencia de otros elementos < 0.7% ACEROS ESPECIALES O ALEADOS De baja aleación: 1 – 5 % De alta aleación: > 5% F significa producto ferroso 1ª cifra indica la serie 2ª cifra indica el grupo 3º cifra indica el individuo 4º cifra numeración cronológica

34. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS ALEACIONES • Ni > Resistencia < Oxidación • Cr > Resistencia > Dureza  • Cr-Ni >> Resistencia< Oxidación > Dureza 18% Cr- 8% Ni – Inox 2% Cr- 5% Ni • Si > 0,3% > Elasticidad Resortes • Mg Neutraliza al azufre para temple p/alto desgaste • Al 1,5% > dureza superficial • Mo > Resistencia tracción para temple • V < Fragilidad Resortes y herramientas • W > Dureza  Herramientas • Co -W >> Dureza  Herramientas • Ti < Oxidación

35. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS PRESENTACIÓN COMERCIAL DEL ACERO • Productos planos, planchas y chapas de 0.5 – 3 mm • Productos largos, sección pequeña y gran longitud, barras de distintas secciones: • Cuadrada • Rectangular (pletina) • Redonda • Exagonal • Media caña • Triangular • Alambre • Perfiles, formas variadas y longitud variable: angular de lados iguales (L), angular de lados desiguales (L), angular en I, H (o doble T), en U, en T, perfiles tubulares (redondo, cuadrado, perfilado)

36. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS FUNDICIONES • FUNDICIÓN GRIS, presenta el C en forma de grafito laminar: • Funde a 1200º C • Tenaz, pero poca dureza • Soporta altas presiones y temperaturas sin dilatarse • FUNDICIÓN BLANCA, presenta el carbono en forma de carburo de hierro Fe3C (cementita) de color blanco. • Funde a 1150º C • Es muy dura, pero frágil • Difícil de mecanizar por su dureza. • FUNDICIÓN ATRUCHADA, propiedades mezcla de las anteriores. • FUNDICIÓN MALEABLE PERLÍTICA, mediante recocido a 900º C de la fundición blanca se produce a su descarburación (de 2-4% a 1-1.5%), eliminando la fragilidad, aumentando la resistencia a tracción. • FUNDICIÓN MALEABLE BLANCA, el C de la cementita, ha desaparecido total o parcialmente. • FUNDICIÓN MALEABLE NEGRA, C de la cementita precipita en copos de grafito. • FUNDICIÓN DE GRAFITO ESFEROIDAL O NODULAR, por adición de Cerio o Mg

37. TEMA 6: MATERIALES FERROSOS FERROALEACIONES PRODUCTOS SIDERÚRGICOS QUE CONTIENEN ADEMÁS DEL HIERRO, UNO O VARIOS ELEMENTOS QUE LO CARACTERIZAN. Se emplean como materia prima para procesos metalúrgicos: Ferromanganesos, Ferrocromos, Ferrosilicios, Ferrovanadios, Ferroníquel, Ferrovolframio. CONGLOMERADOS FÉRREOS Formados por la unión entre sí de distintos tipos de polvos metálicos. Se pueden comprimir en un molde a altas presiones y temperaturas, obteniéndose una masa compacta solidificada. El proceso se llama siterizado o metalúrgia de polvos.