1.- Introducción
Los metales han estado siempre presentes en la historia de la humanidad desde tiempos muy antiguos, hasta el punto de que su utilización preferente en distintas épocas ha servido de pauta para la denominación de largos periodos de tiempo prehistóricos, tales como la "Edad de Bronce" o la "Edad del Hierro".
Además de los metales usados tradicionalmente como el plomo, el estaño, el níquel o el magnesio, en la industria metalúrgica moderna han hecho aparición, como consecuencia del avance tecnológico, nuevos metales como el titanio o el boro que hasta hace pocos años se consideraban una mera curiosidad científica. Un buen ejemplo de ello es el avance de las aleaciones de titanio y boro utilizadas en la exploración espacial.
Los metales ferrosos (derivados del hierro) han ocupado y ocupan en la actualidad un lugar preferente en el conjunto de los materiales metalúrgicos, tal como se pone de manifiesto con el hecho de que su producción mundial sea 20 veces superior a la del resto de metales. Esta supremacía del hierro se debe a la gran diversidad de materiales que podemos obtener a partir de el mediante distintos procesos y operaciones.
2.- Los Metales Ferrosos
Los metales ferrosos o férricos son aquellos que contienen hierro (Fe) como elemento base. El hierro técnicamente puro es una material metálico magnético, de color blanco azulado, muy dúctil y maleable. Si punto de fusión es de aproximadamente 1535ºC aunque disminuye cuando forma aleación con carbono. Es un buen conductor del calor y de la electricidad. Es muy activo químicamente al punto que al exponerse al aire se oxida fácilmente, dando origen a un compuesto (Fe2O3-H2O) de color pardo rojizo denominado orín.
El hierro en estado puro tiene aplicaciones muy limitadas (electroimanes, láminas galvanizadas) a causa de sus bajas propiedades mecánicas, de manera que suele usarse en aleaciones con carbono o con carbono y otros metales en diferentes proporciones a saber:
2.1 Hierro Industrial
3.- El Proceso Siderúrgico
El conjunto de operaciones empleadas en la extracción, elaboración y tratamiento de los metales se llama Metalurgia. Cuando nos referimos al hierro hablamos de la Siderurgia, existiendo tres procesos relevantes:
El hierro es uno de los metales más abundantes en la naturaleza (4,7% de la corteza terrestre) ocupando el segundo lugar después del aluminio. Sin embargo, rara vez se encuentra en estado puro, sino formando óxidos, carbonatos o sulfuros (Mena) acompañada de sustancias no ferrosas (Ganga). El primer paso para obtener productos siderúrgicos es transformar el mineral de hierro metálico en los llamados altos hornos, en los cuales se introducen cinco elementos:
El Arrabio de hierro es un producto frágil y quebradizo con muchas impurezas, y como tal no tiene aplicaciones industriales, por lo que es necesario someterlo a diversos procesos a fin de transformarlo en otros productos siderúrgicos como los aceros y las fundiciones.
3.2.- Obtención de los Aceros
Para obtener acero es preciso eliminar la impurezas que tiene el arrobio, principalmente fósforo y azufre, así como reducir el porcentaje de carbono, que suele estar en torno al 4%. Esto se consigue mediante el Afino que reducirá el porcentaje hasta un máximo del 1,7%. El método de afino más empleado es el sistema de Inyección de Oxígeno (LD) realizado en un Convertidor.
En el convertidor se añaden:
La función de la Metalurgia Secundaria es modificar la composición del acero para acomodarlo a unas determinadas condiciones. Consiste en introducir el fundido de acero en unos depósitos cilíndricos denominados Cucharas y someterlos uno o varios de los siguientes tratamientos:
2.- Los Metales Ferrosos
Los metales ferrosos o férricos son aquellos que contienen hierro (Fe) como elemento base. El hierro técnicamente puro es una material metálico magnético, de color blanco azulado, muy dúctil y maleable. Si punto de fusión es de aproximadamente 1535ºC aunque disminuye cuando forma aleación con carbono. Es un buen conductor del calor y de la electricidad. Es muy activo químicamente al punto que al exponerse al aire se oxida fácilmente, dando origen a un compuesto (Fe2O3-H2O) de color pardo rojizo denominado orín.
El hierro en estado puro tiene aplicaciones muy limitadas (electroimanes, láminas galvanizadas) a causa de sus bajas propiedades mecánicas, de manera que suele usarse en aleaciones con carbono o con carbono y otros metales en diferentes proporciones a saber:
2.1 Hierro Industrial
- Bajo contenido de carbono 0,03%
- Características mecánicas poco adecuadas, por lo que apenas se utiliza industrialmente.
- Contenido en carbono entre 0,03% y 1,67%.
- Son dúctiles y maleables.
- Se oxidan fácilmente.
- A mayor es el contenido en carbono menor será su solubilidad y mayor será su dureza, su fragilidad y resistencia a la tracción, por lo que se clasifican en una escala que va desde los Aceros extradulces (mínimo contenido en carbono), dulces, semidulces, semiduros, muy duros, duros y a los aceros extraduros (alto contenido en carbono).
- Se pueden crear múltiples aleaciones con diferentes proporciones de otros compuestos, cada uno de los cuales le confieren al acero una serie de características diferentes y todas ellas muy interesantes desde el punto de vista industrial.
- Son aleaciones de hierro con carbono de entre el 1,67% y el 6,87%, encontrándose presentes también otros elementos como el silicio, el manganeso, el azufre o el fósforo.
- Funden fácilmente y suelen emplearse para obtener piezas por moldeo en moldes de arena o metálicos.
- Son menos densos que el Acero
- No son dúctiles ni maleables
- no se pueden forjar ni soldar facilmente
- Su fabricación es más sencilla que la del Acero y por ello más baratas.
3.- El Proceso Siderúrgico
El conjunto de operaciones empleadas en la extracción, elaboración y tratamiento de los metales se llama Metalurgia. Cuando nos referimos al hierro hablamos de la Siderurgia, existiendo tres procesos relevantes:
- Obtención del Arrabio
- Obtención de los Aceros
- Obtención de las Fundiciones
- El Mineral de hierro: El mineral se introduce en forma de óxido, sometido previamente a un Lavado (para eliminar la tierra y otras posibles impurezas), a un Triturado (para hacer más pequeños los trozos grandes de mineral) y a Sinterizado (para aglomerar los pedazos pequeños y el mineral en polvo en trozos de tamaño medio que harán el proceso mucho más rentable).
- Fuel: Actua como combustible calentando el conjunto.
- Aire Caliente: Aporta el oxígeno para realizar la combustión del coque y del fuel, además de que sostiene el conjunto para evitar que los materiales precipiten sobre el crisol.
- El Reductor: Es el carbono de coque que, además, proporciona con su combustión el calor necesario para alcanzar la temperatura de fusión del mineral.
- El Fundente: Su misión es combinarse con la ganga que acompaña al mineral de hierro para eliminar impurezas.
El Arrabio de hierro es un producto frágil y quebradizo con muchas impurezas, y como tal no tiene aplicaciones industriales, por lo que es necesario someterlo a diversos procesos a fin de transformarlo en otros productos siderúrgicos como los aceros y las fundiciones.
3.2.- Obtención de los Aceros
En el convertidor se añaden:
- Arrabio: esto es, hierro con alto contenido en carbono e impuerzas
- Chatarra: que actuará como refrigerante al absorber el calor
- Fundentes: materiales destinados a formar escoria
- Oxígeno: Se inyecta a presión a través de un tubo vertical denominado Lanza
- Acero Líquido: Será transportado por medio de unos depósitos cilíndricos denominados Cucharas hacia las siguientes etapas del proceso siderúrgico que se conocen con la denominación de Metalurgia Secundaria.
- Escoria: Útil para el firme de las carreteras y regular el pH de los campos de cultivo.
- Gases: Se aprovechan como combustible debido a su alto poder calorífico.
3.3.- Obtención de las Fundiciones
La Fundición, al igual que el acero, está formada por hierro y carbonos, pero el contenido de este es mucho mayor, estando comprendido entre el 1,7% y el 6,7%. El proceso se realiza en un horno denominado Cubilote.
En el cubilote se añaden:
- Arrobio: esto es, hierro con alto contenido en carbono e impurezas
- Coque: Para enriquecer la mezcla en carbono
- Fundente: Piedra caliza
- Oxígeno: Se inyecta aire a través de unas Toberas para facilitar la combustión
4.- Metalurgia Secundaria
- Ajuste de Composición: Se añade al acero los elementos necesarios para alcanzar la composición especificada, mientras se sopla con gas inerte para homogeneizar el baño.
- Desulfuración: El azufre hace que el acero sea frágil, por lo que hay que eliminarlo unyectándole un desulfurante mientras se sopla con gas inerte.
- Desgasificación: Se conecta a la cuchara una bomba de vacío que elimina los gases que podrían ocasionar sopladuras indeseables.
- Calentamiento: Se eleva la temperatura mediante un arco eléctrico entre dos electrodos a través del baño de acero.
- Colada Convencional: Su función es trasvasar el acero fundido a unos moldes o lingoteras de forma troncopiramidal, cuadrada o rectangular para su solidificación. Esto se puede hacer rellenando las lingoteras sucesivamente, una tras otra o bien rellenarlas con un sifón de vasos comunicantes que facilita el trasvase de material de una lingotera o las otras y permite que se rellenen todas simultáneamente.
- Colada Continua: Su función es presentar el acero solidificado en productos de sección constante. El acero pasa por un molde refrigerante que solidifica el exterior del molde y luego sale del mismo para su laminación a través de un sistema de rodillos y chorros de agua que continúan refrigerando y aumentando el grosor solidificado. Se procede a cortar la plancha de acero hasta alcanzar el producto final como desbastes cuya forma dependerá de la forma del molde: Desbastes Planos (para chapas planas), Desbastes de Sección Cuadrada (para perfiles cuadrados) y Palanquitas de Sección Cuadrada (para perfiles redondos).
