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FIIS
E.A.P. INGENIERIA INDUSTRIAL
G R U P O Nº
DOCENTE :
Dr. RIVEROS VILLA, Felix
INTEGRANTES :
ALANIA CARHUARICRA, Abner
FECHA :
30 de Abril del 2015
HUANUCO 2015
PROCESOS INDUSTRIALES I
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Índice
I. INTODUCCION
II. MARCO TEORICO
1. HIERRO
1.1. DEFINICION
1.2. ESTRUCTURA
1.3. DATOS TECNICOS
1.4. PROPIEDADES
1.5. USOS
1.6. RESERVAS MUNDIALES DE HIERRO
1.7. PRINCIPALES COMPAÑÍAS PRODUCTORAS DE MINERAL DE
HIERRO
1.8. TIPOS DE HIERRO
2. ACERO
2.1. DEFINICION
2.2. COMPOSICION QUIMICA
2.3. PROPIEDADES
2.4. VENTAJAS
2.5. PRODUCCION MUNDIAL DE ACERO
2.6. TIPOS DE ACERO
III. PROCESOS TECNOLOGICOS
PROCESOS TECNOLOGICOS DE OBTENCION DE HIERRO
PROCESOS TECNOLOGICOS DE OBTENCION DE ACERO
DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESOS PARA HIERRO Y ACERO
IV. CONCLUSIONES
V. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
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I. INTODUCCION
Durante la historia el hombre ha tratado de mejorar sus materias primas para sus
construcciones, añadiendo materiales orgánicos como inorgánicos, para obtener así
los resultados ideales para sus diversas obras.
Dado el caso de que los materiales más usados en la construcción no se encuentran
en la naturaleza en estado puro, por lo que para su empleo hay que someterlos a una
serie de operaciones metalúrgicas cuyo fin es separar el metal de las impurezas u
otros minerales que lo acompañen. Pero esto no basta para alcanzar las condiciones
óptimas, entonces para que los metales tengan buenos resultados, se someten a
ciertos tratamientos con el fin de hacer una aleación que reúna una serie de
propiedades que los hagan aptos para adoptar sus formas futuras y ser capaces de
soportar los esfuerzos a los que van a estar sometidos.
El hierro se encuentra en grandes cantidades en la corteza terrestre formando parte de
diversos minerales (óxidos, minerales hidratados, carbonatos, sulfuros, silicatos, etc.).
Desde tiempos prehistóricos, el hombre ha aprendido a preparar y procesar estos
minerales por medio de operaciones de lavado, triturado y clasificado, separación de la
ganga, calcinado, sinterizado y granulado, para fundir los minerales y obtener hierro y
acero. A lo largo de la historia, muchos países han desarrollado una próspera industria
siderúrgica basada en los suministros locales de mineral y en la proximidad de
bosques para obtener carbón vegetal como combustible. A comienzos del siglo XVIII,
el descubrimiento de que se podía utilizar coque en lugar de carbón vegetal
revolucionó la industria, hizo posible un rápido desarrollo de la misma y sentó las
bases para los demás avances de la Revolución Industrial. Los países que poseían
yacimientos naturales de carbón próximos a yacimientos de mineral de hierro
disfrutaron de grandes ventajas.
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II. MARCO TEORICO
1. HIERRO
1.1. DEFINICION:
El hierro es el metal pesado más extenso y más abundante en la superficie de la tierra.
Debido a la facilidad con la cual reacciona, es raro encontrarlo en la forma de hierro
puro.
Debido a su avidez por el oxígeno, el hierro se encuentra en la naturaleza en
forma de minerales, compuestos principalmente por los óxidos.
De estos minerales, los más usados por la industrial para la extracción de
este metal son: hematita, limonita, magnetita y siderita.
La hematita es un óxido (Fe2O3) el cual, cuando es puro, contiene el 70% de
hierro, sin embargo, varía generalmente entre 40 y el 60%.
La limonita (Fe2O3) H20 es otro óxido, pero contiene cantidades variables de agua y
se deriva de la alteración de otros minerales ferrosos; su contenido de metal
varía a partir de un depósito a otro pero no sobrepasa generalmente el 50%.
Químicamente, la magnetita es un óxido (Fe3O4) y es el mineral que contiene
la mayor cantidad de hierro, en su forma pura debe contener 72.4%.
La siderita es un carbonato (FeCO3) que en su estado puro contiene el 48.3%, de
hierro, pero es raramente usada en la producción del hierro y del acero.
1.2. ESTRUCTURA:
El hierro tiene una estructura centrada en el cuerpo, a temperaturas normales. A
temperaturas más altas, tiene una estructura cúbica centrada en la cara. Este hecho
es de gran importancia practica. En su forma de acero, el hierro siempre contiene una
pequeña cantidad de carbono. Los átomos de carbono son menores que los átomos
de hierro y, a temperaturas altas, se encajan en los espacios abiertos de la estructura
centrada en la cara. Cuando el hierro se enfría, adquiere una forma cubica centrada en
el cuerpo. En esa forma, los átomos de carbono no pueden colocarse en los espacios
más pequeños. Entonces, la red cristalina del hierro se distorsiona, debido al tamaño
tan grande de los átomos de carbono, o el carbono se separa del hierro como carburo
de hierro, Fe 3C.
Los cristales del hierro y del Fe3 existen en muchos tamaños y formas. La estructura
final del cristal está determinada por el por ciento del hierro y la rapidez de
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enfriamiento. Estas diferencias en la estructura cristalina, le dan la gran versatilidad
que tiene el acero como un material industrial. También explican el hecho de que las
propiedades del acero se pueden cambiar gradualmente por el tratamiento del calor.
Químicamente el hierro es un metal activo. Se combina con los halógenos (flúor, cloro,
bromo, yodo y astato) y con el azufre, fósforo, carbono y silicio. Desplaza al hidrógeno
de la mayoría de los ácidos débiles. Arde con oxígeno formando tetróxido triférrico
(óxido ferrosoférrico), Fe3O4. Expuesto al aire húmedo, se corroe formando óxido de
hierro hidratado, una sustancia pardo-rojiza, escamosa, conocida comúnmente como
orín. La formación de orín es un fenómeno electroquímico en el cual las impurezas
presentes en el hierro interactúan eléctricamente con el hierro metal. Se establece una
pequeña corriente en la que el agua de la atmósfera proporciona una disolución
electrolítica. El agua y los electrólitos solubles aceleran la reacción. En este proceso,
el hierro metálico se descompone y reacciona con el oxígeno del aire para formar el
orín. La reacción es más rápida en aquellos lugares donde se acumula el orín, y la
superficie del metal acaba agujereándose, osea, se corroe.
Al sumergir hierro en ácido nítrico concentrado, se forma una capa de óxido que lo
hace pasivo, es decir, no reactivo químicamente con ácidos u otras sustancias. La
capa de óxido protectora se rompe fácilmente golpeando o sacudiendo el metal, que
vuelve así a ser activo.
1.3. DATOS TÉCNICOS :
El hierro es un elemento que se caracteriza por ser magnético, al
calentarse pierde su magnetismo; es blando, con brillo metálico y de color gris
acerado a negro; su punto de fusión es de 1536°C, el de ebullición de 2740°C
y tiene una densidad de 7.8 gr/ml. En estado puro es muy reactivo químicamente y
se corroe en condiciones de aire húmedo o a temperaturas elevadas.
El metal puro no se encuentra comercialmente, sino que generalmente es
aleado con el carbono u otros metales como manganeso, cromo, molibdeno,
níquel y vanadio. Entre más poroso sea, ofrecerá mayor superficie a la acción
de gases para que las reacciones se realicen con mayor rapidez.
El hierro puro tiene una dureza que oscila entre 4 y 5. Es blando, maleable y
dúctil.
Se magnetiza fácilmente a temperatura ordinaria; es difícil
magnetizarlo en caliente, y a unos 790 °C desaparecen las propiedades
magnéticas. Su masa atómica es 55.847. El metal existe en tres formas
alotrópicas distintas: hierro ordinario o hierro (hierro-alfa), hierro gamma y hierro
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delta. La disposición interna de los átomos en la red del cristal varía en la transición de
una forma a otra. Las distintas propiedades físicas de las formas alotrópicas y la
diferencia en la cantidad de carbono admitida por cada una de las formas
desempeñan un papel importante en la formación, dureza y temple del acero.
Químicamente el hierro es un metal activo. Se combina con los halógenos
(flúor, cloro, bromo, yodo y ástato) y con el azufre, fósforo, carbono y silicio. Desplaza
al hidrógeno de la mayoría de los ácidos débiles. Arde con oxígeno formando óxido
férrico (Fe3O4). Expuesto al aire húmedo, se corroe formando óxido de hierro
hidratado, una sustancia pardo-rojiza, escamosa, conocida comúnmente como
orín. La formación de orín es un fenómeno electroquímico en el cual las impurezas
presentes en el hierro interactúan eléctricamente con el hierro. Se establece
una pequeña corriente en la que el agua de la atmósfera proporciona una
disolución electrolítica. El agua y los electrolitos solubles aceleran la reacción.
En este proceso, el hierro metálico se descompone y reacciona con el oxígeno
del aire para formar el orín. La reacción es más rápida en aquellos lugares
donde se acumula el orín, y la superficie del metal acaba agujereándose.
1.4. PROPIEDADES MECÁNICAS DEL HIERRO:
Resistencia a la rotura: Resistencia que opone el material a romperse por un
esfuerzo mecánico exterior. Depende de la cohesión entre sus moléculas.
Deformabilidad:Es una propiedad que da a los materiales la posibilidad de
deformarse antes de su rotura. Esta deformación puede ser permanente (plasticidad) o
no (elasticidad).
Tenacidad: La tenacidad nos expresa el trabajo que realiza un metal cuando
es sometido a esfuerzos exteriores que lo deforman hasta la rotura. Esta característica
nos define la trabajabilidad del metal.
Dureza: Es la capacidad que presenta el metal a ser deformado en su
superficie por la acción de otro material. Distinguimos varios tipos de dureza: al
rayado, a la penetración, al corte y dureza elástica.
Soldabilidad: Propiedad que presentan algunos metales por la que dos piezas
en contacto pueden unirse íntimamente formando un conjunto rígido.
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1.5. USOS:
Los procesos industriales del siglo XIX permitieron producir hierro forjado en
grandes cantidades, de modo que se pudo utilizar este material en la construcción de
grandes estructuras de arquitectura e ingeniería.
La dificultad de realizar uniones de elementos de hierro forjado
mediante soldadura ha relegado el empleo de este material a usos decorativos o
secundarios en la construcción, tales como enrejados y otras piezas.
1.6. RESERVAS MUNDIALES DE HIERRO:
El Servicio Geológico de Estados Unidos, señala que las reservas mundiales de
mineral de hierro ascienden a 150 millones de toneladas, lo que equivale a 73
millones de toneladas de hierro contenido. La ley del mineral resulta de gran
importancia al momento de identificar los países con mayor cantidad de recursos
de hierro, ya que el total de reservas difiere en calidad, según sea el
porcentaje de ley que presenta, no coincidiendo necesariamente el monto de
reservas de aquellos países con más riqueza mineral, con aquellos con un mejor
porcentaje de ley
Ranking de países productores de acuerdo a su ley estimada promedio.
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1.7. PRINCIPALES COMPAÑÍAS PRODUCTORAS DE MINERAL DE HIERRO:
Se presenta un ranking con las diez mayores empresas productoras de mineral de
hierro en el mundo. Destaca el importante nivel de concentración de la industria, ya
que estas diez principales compañías producen un 49% del total del mineral de hierro
Se destaca la elevada tasa de crecimiento que ha tenido la producción
mundial, que en promedio ha mostrado un incremento anual de 9,5% en los
últimos diez años. Sin embargo, la mayor tasa de crecimiento se ha registrado
en los precedentes cinco años, periodo en que el nivel de producción se incrementó
un 76%.
La mayor aportación al crecimiento de la producción mundial proviene de los
países emergentes, entre los que destaca China, economía que entre los años
2004 y 2008 aumentó en un 175% el nivel de producción. Le siguen avances
de India que para este mismo periodo registró un crecimiento de 83%, mientras
que Brasil lo hizo en un 77%.
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1.8. TIPOS DE HIERRO
HIERRO DULCE O HIERRO FORJADO
Es un material que al contener un alto porcentaje de azufre, no es un elemento
depurado. Es muy manejable y por tanto adecuado para trabajos de forja complicados,
pero tiene poca resistencia y no permite soportar grandes esfuerzos.
Se utilizaba para la elaboración de piezas ornamentales en rejas, barandillas,
balconeras.
Este tipo de material es el que se emplea en el circo, en el espectáculo del forzudo
que dobla con sus manos una barra de hierro.
CARACTERISTICAS
Se caracteriza por el bajo contenido de carbono (entre 0,05% y 0,25%), siendo una de
las variedades, de uso comercial, con más pureza en hierro. Es duro, maleabley
fácilmente aliable con otros metales, sin embargo es relativamente frágil, y poco apto
para ser utilizado en la confección de láminas, tales como espadas, etc. El hierro
forjado ha sido empleado durante miles de años, y ha sido la composición más
habitual del "hierro" tal como se ha conocido a lo largo de la historia.
El hierro dulce es hierro prácticamente puro, su contenido en carbón se encuentra por
debajo del 0,1%
PROPIEDADES FÍSICAS
Presenta un color blanco plateado, tiene una densidad7870kg/m3 y un punto de fusión
de 1538c.resulta un buen conductor de la electricidad y se magnetiza fácilmente
propiedades mecánicas: es tenaz, dúctil y maleable, por lo que admite la forja por lo
que también se llama hierro forjado, se oxida con facilidad y se combina con el hierro
para mejorar sus propiedades y aplicaciones
Tradicionalmente, el hierro forjado ha sido obtenido a partir del mineral de hierro
calentado a altas temperaturas en una forja. Luego, se procedía a golpearlo, en un
proceso en el que se buscaba eliminar las impurezas y escorias contenidas en el
mineral.
USOS
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Los procesos industriales del siglo XIX permitieron producir hierro forjado en grandes
cantidades, de modo que se pudo utilizar este material en la construcción de grandes
estructuras de arquitectura e ingeniería.
La dificultad de realizar uniones de elementos de hierro forjado mediante soldadura ha
relegado el empleo de este material a usos decorativos o secundarios en la
construcción, tales como enrejados y otras piezas.
HIERRO FUNDIDO
El hierro fundido, hierro colado, más conocido como fundición gris, es un tipo
de aleación, cuyo tipo más común es el conocido como hierro fundido gris.
El hierro gris es uno de los materiales ferrosos más empleados y su nombre se debe a
la apariencia de su superficie al romperse. Esta aleación ferrosa contiene en general
más de 2% de carbono y más de 1% de silicio, además
de manganeso,fósforo y azufre. Una característica distintiva del hierro gris es que el
carbono se encuentra en general como grafito, adoptando formas irregulares descritas
como “hojuelas”. Este grafito es el que da la coloración gris a las superficies de ruptura
de las piezas elaboradas con este material.
La composición típica para obtener una microestructura grafitica es de 2.5 a 4%
de carbono y de 1 a 3% de silicio, el silicio juega un papel importante en diferenciar a
la fundición gris de la fundición blanca, esto es debido a que el silicio es
unestabilizador de grafito, esto significa que ayuda a precipitar el grafito desde
los carburos de hierro. Otro factor importante que ayuda a la formación de grafito es la
velocidad de solidificación de la colada, una velocidad lenta tenderá a producir más
grafito y una matriz ferritica, una velocidad moderada tenderá a producir una mayor
matriz perlitica, para lograr una matriz 100% ferritica, se debe someter la fundición a
un tratamiento térmico de recocido.
Un enfriamiento veloz suprimirá parcial o totalmente la formación de grafito y en
cambio propiciará la formación decementita, lo cual se conoce como Fundición Blanca
La composición típica para obtener una microestructura grafitica es de 2.5 a 4%
de carbono y de 1 a 3% de silicio, el siliciojuega un papel importante en diferenciar a la
fundición gris de la fundición blanca, esto es debido a que el silicio es un estabilizador
de grafito, esto significa que ayuda a precipitar el grafito desde los carburos de hierro.
Otro factor importante que ayuda a la formación de grafito es la velocidad de
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solidificación de la colada, una velocidad lenta tenderá a producir más grafito y una
matriz ferritica, una velocidad moderada tenderá a producir una mayor matriz perlitica,
para lograr una matriz 100% ferritica, se debe someter la fundición a un tratamiento
térmico de recocido.
Un enfriamiento veloz suprimirá parcial o totalmente la formación de grafito y en
cambio propiciará la formación decementita, lo cual se conoce como Fundición Blanca
VENTAJAS Y DESVENTAJAS
La Fundición gris es una aleación común en la ingeniería debido a su relativo bajo
costo y buena maquinabilidad, lo que es resultado de las bandas de grafito que
lubrican el corte y la viruta. También tiene buena resistencia al desgaste, debido a que
las "hojuelas" de grafito sirven de auto lubricante. La fundición gris posee una rotura
frágil, es decir, no es dúctil, por lo que no presenta deformaciones permanentes
importantes antes de llevarla a su tensión de rotura: no es tenaz. Al tener una alta
tensión de rotura, pero baja ductilidad, casi toda su curva de tensión alargamiento
presente muchas zonas en donde las tensiones son proporcionales a las
deformaciones: tiene mucha resiliencia, es decir, capacidad de absorber trabajo en el
período elástico o de deformaciones no permanentes. El silicio promueve una buena
resistencia a la corrosión e incrementa la fluidez de la colada de fundición, la fundición
gris es considerada, generalmente, fácil de soldar.
Comparada con otras aleaciones de hierro modernas, el hierro gris tiene una baja
resistencia a la tracción y ductibilidad; por lo tanto su resistencia al impacto es casi
inexistente.
2. EL ACERO
2.1. DEFINICIÓN:
El acero es una aleación de hierro con pequeñas cantidades de otros elementos, es
decir, hierro combinado con un 1% aproximadamente de carbono, y que hecho ascua
y sumergido en agua fría adquiere por el temple gran dureza y elasticidad. Hay aceros
especiales que contienen además, en pequeñísima proporción, cromo, níquel, titanio,
volframio o vanadio. Se caracteriza por su gran resistencia, contrariamente a lo que
ocurre con el hierro. Este resiste muy poco la def0rmacion plástica, por estar
constituida solo con cristales de ferrita; cuando se alea con carbono, se forman
estructuras cristalinas diferentes, que permiten un gran incremento de su resistencia.
Ésta cualidad del acero y la abundancia de hierro le colocan en un lugar preeminente,
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constituyendo el material básico del S.XX. Un 92% de todo el acero es simple acero al
carbono; el resto es acero aleado: aleaciones de hierro con carbono y otros elementos
tales como magnesio, níquel, cromo, molibdeno y vanadio.
2.2. COMPOSICIÓN QUÍMICA:
En el acero, además de hierro y carbono como elementos fundamentales, intervienen
elementos accidentales, entre ellos el azufre y el fósforo, que dada su afinidad con el
acero, son difíciles de eliminar, no obstante se reducen a proporciones inofensivas (<
0.05 %); otros elementos facilitan la obtención, como el silicio y el manganeso que
adicionados en pequeñas proporciones (0.2 a 0.9 %) evitan la oxidación del metal
fundido, el resto (97.5 a 99.5%) es hierro. Los aceros con esta composición se llaman
aceros al carbono. Atendiendo al porcentaje de contenido en carbono, estos aceros
suelen denominarse como se indica en el siguiente cuadro:
Porcentaje de Carbono Denominación
Resistencia
0.1 a 0.2 Aceros extrasuaves 38 -48 Kg / mm2
0.2 a 0.3 Aceros suaves 48 -55 Kg / mm2
0.3 a 0.4 Aceros sem¡suaves 55 -62 Kg / mm2
0.4 a 0.5 Aceros semiduros 62 -70 Kg / mm2
0.5 a 0.6 Aceros duros 70 -75 Kg / mm2
0.6 a 0.7 Aceros extraduros 75 -80 Kg / mm2
2.3. PROPIEDADES DE ACERO:
Resistencia a comprensión y tracción.
Dureza
Resistencia al desgaste
Ductilidad
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2.4. VENTAJAS DEL ACERO:
El Acero es un material de construcción de superior calidad, es 100% reciclable
e inorgánico.
No se tuerce, raja, rompe o cambia de forma, longitud; tiene el mas alto ratio
de fuerza a peso de cualquier material de construcción.
Es invulnerable a termitas o cualquier tipo de fungí u organismo. Su alto nivel
de fuerza resulta en estructuras más seguras; requiere menor mantenimiento y un
proceso más despacioso en su larga vida económica.
Acero es mas liviano que cualquier otro material para enmarcados o paneles.
Produce hasta un 20% menos desperdicio o material no aceptable.
Su calidad es consistente y constante, es producido dentro de estrictos
estandartes nacionales, no variaciones regionales.
2.5. PRODUCCION MUNDIAL DE ACERO:
El acero es un insumo clave en la construcción, ingeniería mecánica y transporte,
todos sectores que estuvieron dentro de los más golpeados por la recientemente
ocurrida crisis económica global. Por tratarse de un material muy versátil, que
está involucrado en gran parte de las fases productivas, el crecimiento o
decrecimiento de la industria, se encuentra fuertemente correlacionado con el
comportamiento de los sectores manufactureros.China fue el principal exportador de
acero en el mundo durante los años 2006 a 2008, no obstante, en los seis primeros
meses del año 2009, China descendió a la séptima posición en el ranking de
exportadores, con una baja en los embarques, de 68% respecto al año anterior.
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2.6. TIPOS DE ACERO:
2.6.1. ACEROS AL CARBON
Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen
diversas cantidades de carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio
y el 0,60% de cobre. Entre los productos fabricados con aceros al carbono figuran
máquinas, carrocerías de automóvil, la mayor parte de las estructuras de construcción
de acero, cascos de buques, somieres y horquillas
CARACTERISTICAS
Maleable
El acero al carbono, también denominado acero forjado, es maleable. Esto significa
que es flexible y puede tener cualquier forma. El acero al carbono en bruto se vierte en
bloques que son laminados en caliente en una forma deseada y luego el carbono
permite que el compuesto se endurezca.
Alta resistencia, baja aleación
El acero al carbono está clasificado como de alta resistencia, baja aleación (HSLA) de
metal. El acero al carbono tiene un contenido bajo, medio o alto de carbono. Cuando
es bajo en carbono (con una proporción de 0,05 por ciento de carbono a 0,25) el acero
al carbono es fácil de formar y soldar.
Más altos niveles de manganeso
El acero al carbono con un nivel medio de contenido de carbono tiene niveles más
altos de manganeso. Esto permite que sea templado y revenido (que es un proceso de
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calentamiento). En este estado, el acero al carbono se utiliza para hacer ejes,
acoplamientos y forjados.
LA COMPOSICIÓN QUÍMICA
La composición química de los aceros al carbono es compleja, además del hierro y
el carbono que generalmente no supera el 1%, hay en la aleación otros elementos
necesarios para su producción, tales como silicio y manganeso, y hay otros que se
consideran impurezas por la dificultad de excluirlos totalmente –
azufre, fósforo, oxígeno, hidrógeno. El aumento del contenido de carbono en el acero
eleva su resistencia a la tracción, incrementa el índice de fragilidad en frío y hace que
disminuya la tenacidad y la ductilidad.
APLICACIONES
Construcción civil:
Una parte importante del acero producido se dirige a la construcción civil. Dentro de
este rubro pueden determinarse dos utilizaciones principales: hormigón
armado y construcción en acero. La primera usa el hierro redondo como refuerzo del
hormigón, trabajando el primero en general a la tracción y el segundo a la compresión.
En el caso de la construcción en acero1 se usan elementos tales como perfiles unidos
mediante conexiones empernadas o soldadas. Una utilización que está teniendo
crecimiento importante es la construcción mixta2 que combina las estructuras de acero
embebidas en hormigón armado ó el hormigón armado dentro de un tubo estructural.
Otras aplicaciones:
Además de la construcción civil existen diversas aplicaciones del acero en
la construcción mecánica tales como máquinas, partes móviles de automóviles o
camiones ( ejes, parantes) Otro uso importante son los cascos de los buques, los
tubos de las bicicletas, los clavos, alfileres, las cerraduras de las puertas, los asientos
de las clases y muchos objetos más que utilizamos diariamente. En la mayoría de los
casos se utiliza el acero tal como viene de las acerías, sin darle ningún tratamiento
térmico especial.
2.6.2. ACEROS ALEADOS
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Todo acero es en realidad una aleación, pero no todos los aceros son "aceros
aleados". Los aceros más simples son hierro (Fe) (alrededor del 99 %) aleado
con carbono (C) (alrededor del 0,1 -1 %, dependiendo del tipo).
Sin embargo, el término "acero aleado" es el término estándar referido a aceros
con otros elementos aleantes además del carbono, que típicamente son
el manganeso (el más común).La mejora de propiedades de los aceros aleados se
muestra a continuación, con respecto a los aceros al carbono:
resistencia, dureza, tenacidad, resistencia al desgaste, templabilidad, y resistencia en
caliente. Para alcanzar esas mejores propiedades el acero puede necesitar
un tratamiento térmico.
Algunos de estos aceros aleados encuentran aplicaciones altamente exigentes, como
en los álabes de turbina de un motor de reacción, en vehículos espaciales, y
en reactores nucleares. Debido a las propiedades ferromagnéticas del hierro, algunos
aceros aleados tiene aplicaciones en donde su respuesta al magnetismo es muy
importante, como puede ser un motor eléctrico o un transformador.Estos aceros
contienen un proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos,
además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al
carbono normales.
2.6.3. ACEROS DE BAJA ALEACION ULTRARRESISTENTES
Esta familia es la más reciente de las cuatro grandes clases de acero. Los aceros de
baja aleación son más baratos que los aceros aleados convencionales ya que
contienen cantidades menores de los costosos elementos de aleación. Sin embargo,
reciben un tratamiento especial que les da una resistencia mucho mayor que la del
acero al carbono. Por ejemplo, los vagones de mercancías fabricados con aceros de
baja aleación pueden transportar cargas más grandes porque sus paredes son más
delgadas que lo que sería necesario en caso de emplear acero al carbono. Además,
como los vagones de acero de baja aleación pesan menos, las cargas pueden ser más
pesadas. En la actualidad se construyen muchos edificios con estructuras de aceros
de baja aleación. Las vigas pueden ser más delgadas sin disminuir su resistencia,
logrando un mayor espacio interior en los edificios.
Se emplean estos aceros para alcanzar una templabilidad mayor, lo cual mejora otras
propiedades mecánicas. También se usan para aumentar la resistencia a la corrosión
en ciertos condiciones ambientales.
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Los aceros de baja aleación con contenidos medios o altos en carbono son difíciles
de soldar. Bajar el contenido en carbono hasta un 0,10 % o 0,30 %, acompañada de
una reducción en elementos aleantes, incrementa la soldabilidad yformabilidad del
acero manteniendo su resistencia. Dicho metal se clasifica como un HSLA steel (acero
de baja aleación de alta resistencia).
2.6.4. ACEROS INOXIDABLES
Los aceros inoxidables contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación, que los
mantienen brillantes y resistentes a la herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la
humedad o de ácidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros;
otros son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos periodos a
temperaturas extremas. Debido a sus superficies brillantes, en arquitectura se
emplean muchas veces con fines decorativos. El acero inoxidable se utiliza para las
tuberías y tanques de refinerías de petróleo o plantas químicas, para los fuselajes de
los aviones o para cápsulas espaciales. También se usa para fabricar instrumentos y
equipos quirúrgicos, o para fijar o sustituir huesos rotos, ya que resiste a la acción de
los fluidos corporales. En cocinas y zonas de preparación de alimentos los utensilios
son a menudo de acero inoxidable, ya que no oscurece los alimentos y pueden
limpiarse con facilidad
CARACTERISTICAS
Un metal muy diferente
Como todos los tipos de aceros, el acero inoxidable es un material simple. Lo que
tienen en común todos los aceros es que el principal componente (elemento que forma
la aleación) es el hierro, al que se añade una pequeña cantidad de carbono. El acero
inoxidable fue inventado a principios del siglo XX cuando se descubrió que una
pequeña cantidad de cromo (el mínimo para conseguir propiedades inoxidables es del
12 %) añadido al acero común, le daba un aspecto brillante y lo hacía altamente
resistente a la suciedad y a la oxidación. Esta resistencia a la oxidación, denominada
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«resistencia a la corrosión», es lo que hace al acero inoxidable diferente de otros tipos
de acero
No es un revestimiento
El acero inoxidable es un material sólido y no un revestimiento especial aplicado al
acero común para darle características "inoxidables". Aceros comunes, e incluso otros
metales, son a menudo cubiertos o “bañados” con metales blancos como el cromo,
níquel o zinc para proteger sus superficies o darles otras características superficiales.
Mientras que estos baños tienen sus propias ventajas y son muy utilizados, el peligro
radica en que la capa puede ser dañada o deteriorarse de algún modo, lo que anularía
su efecto protector. La apariencia del acero inoxidable puede, sin embargo, variar y
dependerá de la manera en que esté fabricado y de su acabado superficial.
TIPOS DE ACEROS INOXIDABLES
Los aceros inoxidables que contienen cromo y Ni equivalente inferior al 8 % se
llaman ferríticos, ya que tienen una estructura metalográfica formada por ferrita, y con
contenidos superiores de Ni equivalente, este será de composición ferrítica en
disminución. Los aceros ferríticos son magnéticos (se distinguen porque son atraídos
por un imán). Con porcentajes de carbono inferiores al 0,1 % de C, estos aceros no
son endurecibles por tratamiento térmico. En cambio, aceros entre 0,1 % y 1 % en C sí
son templables (tienen martensita dura, pues con porcentajes inferiores hay muy poco
C como para lograr endurecimiento). Se llaman aceros inoxidables "martensíticos", por
tener martensita en su estructura metalográfica siendo magnéticos, para aceros
altamente aleados inoxidables, el acero martensítico puro (sin mezcla con austenítico
y ferrítico) con Ni equivalente inferior al 18 % (Cr equivalente de 0 %) a "13 % de Cr
equivalente y 7 % de Ni equivalente", y hasta 8 % de Cr equivalente y 0 % de Ni
equivalente (esto puede ser fácilmente seguido en el diagrama de Schaeffler de Cr-Ni
equivalentes).
% Ni equivalente = % Ni + 30 * (C + N) + 0,5 Mn
% Cr equivalente = % Cr + Mo + 1,5 * Si + 0,5 * (Ti + Nb)
Los aceros inoxidables que contienen:
más de un 12 % de Ni equivalente al 17 % de Cr equivalente,
más de un 25 % de Ni equivalente a 0 % de Cr equivalente, y
menos de un 34 % de Cr equivalente a 30 % de Ni equivalente,
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se llaman Aceros austeníticos, ya que tienen una estructura formada básicamente
por austenita a temperatura ambiente (el níquel es un elemento "gammágeno" que
estabiliza el campo de la austenita). No son magnéticos.
Los aceros inoxidables austeníticos se pueden endurecer por deformación, pasando
su estructura metalográfica a contener martensita (el carbono estabilizado de manera
metaestable en forma de hierro gamma, se transforma a la forma estable de hierro alfa
y martensita, pues el carbono es menos soluble en la matriz de hierro alfa, y este
expulsa el C). Se convierten en parcialmente magnéticos (tanto como porcentaje de
carbono haya sido convertido en martensita), lo que en algunos casos dificulta el
trabajo en los artefactos eléctricos.
También existen los aceros dúplex (20 % < Cr < 30 %), (5 % < Ni < 8 %), (C < 0,03 %),
no endurecibles por tratamiento térmico, muy resistentes a la corrosión por picaduras y
con buen comportamiento bajo tensión. Estructura de ferrita y austenita.
A todos los aceros inoxidables se les puede añadir un pequeño porcentaje
de molibdeno, para mejorar su resistencia a la corrosión por cloruros y otras
propiedades.
USOS DEL ACERO INOXIDABLE
Los aceros inoxidables se utilizan principalmente en cuatro tipos de mercados:
Electrodomésticos: grandes electrodomésticos y pequeños aparatos para el
hogar.
Automoción: especialmente tubos de escape.
Construcción: edificios y mobiliario urbano (fachadas y material).
Industria: alimentación, productos químicos y petróleo.
Vestimenta: fabricación de joyas (Cadenas, Aretes, etc.)
Su resistencia a la corrosión, sus propiedades higiénicas y sus propiedades estéticas
hacen del acero inoxidable un material muy atractivo para satisfacer diversos tipos de
demandas, como lo es la industria médica.
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III. PROCESOS TECNOLOGICOS
PROCESO TECNOLÓGICO DE LA OBTENCIÓN DEL HIERRO
1. Metalurgia extractiva: Producción del hierro y el acero
Hace muchísimos años, el hierro era un metal raro y precioso. En la actualidad, el
acero, una forma purificada del mineral del hierro, se ha convertido en uno de los
servidores más útiles de la humanidad. La naturaleza proporcionó las materias primas
como son: mineral de hierro, el carbón mineral y la piedra caliza y el ingenio humano lo
convirtió en un incontable número de productos.
El acero puede hacerse lo suficientemente duro como para cortar el vidrio, plegable
como el que se encuentra en el sujetapapeles, flexible como el de los muelles, o lo
bastante fuerte como para soportar un esfuerzo unitario de 3445 MPa. Puede estirarse
para formar alambres de .02 mm de espesor o usarse para fabricar vigas gigantescas
para construir edificios y puentes.
También es posible hacer que el acero sea resistente al calor, al frio, a la oxidación y a
la acción de sustancias químicas.
2. Fabricación del arrabio (hierro de primera fundición)
El primer paso en la fabricación de cualquier hierro o acero es la producción del
arrabio o hierro de primera fundición, en el alto horno. Con aproximadamente 40 m de
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altura, es un enorme cascarón de acero recubierto con ladrillo resistente al calor. Una
vez encendido, el alto horno es de producción continua, hasta que necesite renovarse
la capa de ladrillo, o hasta que disminuya la demanda de arrabio.
El mineral de hierro, el coque y la piedra caliza se miden con todo cuidado y se
transportan hasta la parte superior del horno en una vagoneta de concha. Cada
ingrediente se descarga por separado en el horno a través del sistema de campana,
formando capas de coque, piedra caliza y mineral de hierro, en la parte superior del
horno. Una corriente continua de aire caliente,, que proviene de las estufas cuyas
temperaturas son de 650°C pasa por el tubo atizador y las toberas para hacer que el
coque arda vigorosamente.
La temperatura en el fondo del horno alcanza los 1650°C o más. El carbono del coque
se combina con el oxígeno del aire para formar monóxido de carbono, con lo que se
elimina el oxigeno que contiene el mineral de hierro y se libera el hierro metálico. Éste
fundido, escurre por la carga y se recoge en el fondo del horno.
El intenso calor funde también la piedra caliza, la cual se combina con las impurezas
del mineral y del coque para formar una nata llamada escoria. Ésta también se cuela
hasta el fondo de la carga y flota sobre al arrabio fundido.
Cada cuatro o cinco horas se sangra el horno y el hierro fundido, hasta 315 toneladas
fluye hacia una vagoneta para el metal fundido o de botella y se lleva a los hornos de
aceración. A veces el arrabio se moldea directamente en lingotes cortos que se utilizan
en las fundiciones para hacer piezas de hierro fundido.La escoria se extrae a
intervalos más frecuentes y se vierte en una vagoneta para escoria o cazo de colada y
finalmente se utiliza para fabricar aislamiento de lana mineral, bloques para
construcción y otros productos.
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Figura 1. Vista esquemática de un Alto horno
Principales minerales extraídos del hierro
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 preparados 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.
PROCESOS TECNOLOGICOS DE OBTENCION DE ACERO
1. Hornos Bessemer
Es un horno en forma de pera que está forrado con refractario de línea ácida o básica.
El convertidor se carga con chatarra fría y se le vacía arrabio derretido, posteriormente
se le inyecta aire a alta presión con lo que se eleva la temperatura por arriba del punto
de fusión del hierro, haciendo que este hierva. Con lo anterior las impurezas son
eliminadas y se obtiene acero de alta calidad. Este horno ha sido substituido por el
BOF.
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Figura 4. Horno Bessemer
2. Horno básico de oxígeno (BOF)
Es un horno muy parecido al Bessemer con la gran diferencia de que a este horno en
lugar de inyectar aire a presión se le inyecta oxígeno a presión, con lo que se eleva
mucho más la temperatura que en el Bessemer y en un tiempo muy reducido. El
nombre del horno se debe a que tiene un recubrimiento de refractario de la línea
básica y a la inyección del oxígeno. La carga del horno está constituida por 75% de
arrabio procedente del alto horno y el resto es chatarra y cal. La temperatura de
operación del horno es superior a los 1650°C y es considerado como el sistema más
eficiente para la producción de acero de alta calidad. Este horno fue inventado por Sir
Henrry Bessemer a mediados de 1800, sólo que como en esa época la producción del
oxígeno era cara se inició con la inyección de aire, con lo que surgió el convertidor
Bessemer.
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Figura 5. Funcionamiento del horno básico de oxígeno
3. Horno de arco eléctrico
Por lo regular son hornos que sólo se cargan con chatarra de acero de alta calidad.
Son utilizados para la fusión de aceros para herramientas, de alta calidad, de
resistencia a la temperatura o inoxidables. Considerando que estos hornos son para la
producción de aceros de alta calidad siempre están recubiertos con ladrillos de la línea
básica.
Existen hornos de arco eléctrico que pueden contener hasta 270 toneladas de material
fundido. Para fundir 115 toneladas se requieren aproximadamente tres horas y 50,000
kwh de potencia. También en estos hornos se inyecta oxígeno puro por medio de una
lanza. Los hornos de arco eléctrico funcionan con tres electrodos de grafito los que
pueden llegar a tener 760mm de diámetro y longitud de hasta 12m. La mayoría de los
hornos operan a 40v y la corriente eléctrica es de 12,000 A. Estos equipos tienen un
crisol o cuerpo de placa de acero forrado con refractario y su bóveda es de refractario
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también sostenida por un cincho de acero, por lo regular enfriado con agua. Para la
carga del horno los electrodos y la bóveda se mueven dejando descubierto al crisol, en
el que se deposita la carga por medio de una grúa viajera.
Estos equipos son los más utilizados en industrias de tamaño mediano y pequeño, en
donde la producción del acero es para un fin determinado, como varilla corrugada,
aleaciones especiales, etc.
Figura 6. Horno de arco eléctrico
DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESOS PARA HIERRO Y ACERO
Para la producción del hierro también se puede utilizar el método de reducción directa,
el que emplea agentes reactivos reductores como gas natural, coque, aceite
combustible, monóxido de carbono, hidrógeno o grafito. El procedimiento consiste en
triturar la merma de hierro y pasarla por un reactor con los agentes reductores, con lo
que algunos elementos no convenientes para la fusión del hierro son eliminados. El
producto del sistema de reducción directa es el hierro esponja que consiste en unos
pelets de mineral de hierro los que pueden ser utilizados directamente para la
producción de hierro con características controladas.
La producción del hierro y del acero empieza con las menas de hierro y otros
materiales requeridos
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(mena = mineral metalífero, principalmente el de hierro, tal como se extrae del
yacimiento y antes de
limpiarlo).
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.
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Figura 2. Producción del hierro y el acero.
Diferentes procesos de producción de hierro y acero
Una vez obtenido el arrabio o el hierro esponja es necesario refinar al hierro para que
se transforme en material útil para diferentes objetos o artefactos, o sea en hierro o
acero comercial. A continuación se presentan los principales procesos de fabricación
de los hierros y aceros comerciales.
IV. CONCLUSIONES
La industria de acero es una de las más importantes en los países
desarrollados y los que están en vías de desarrollo. En los últimos, esta industria, a
menudo, constituye la piedra angular de todo el sector industrial. Su impacto
económico tiene gran importancia, como fuente de trabajo, y como proveedor de los
productos básicos requeridos por muchas otras industrias: construcción, maquinaria y
equipos, y fabricación de vehículos de transporte y ferrocarriles.
Durante la fabricación de hierro y acero se producen grandes cantidades de
aguas servidas y emisiones atmosféricas. Si no es manejada adecuadamente, puede
causar mucha degradación de la tierra, del agua y del aire En los siguientes párrafos,
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se presenta una descripción breve de los desperdicios generadas por los procesos de
fabricación de hierro y acero.
La fabricación de hierro y acero implica una serie de procesos complejos,
mediante los cuales, el mineral de hierro se extrae para producir productos de acero,
empleando coque y piedra caliza. Los procesos de conversión siguen los siguientes
pasos: producción de coque del carbón, y recuperación de los subproductos,
preparación del mineral, producción de hierro, producción de acero, y fundición,
laminación y acabado.
V. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Ciencia e Ingenieria de los Materiales, Donald R. Askeland, Ed. Thompson,