Producción del Acero

PRODUCCIÓN DEL ACERO Introducción Desde el paleolítico el ser humano no ha cesado en su intento de evolucionar y desarrollar nuevas capacidades, bien sea por necesidades fisiológicas como el llevarse comida a la boca (cazar, pescar, recolectar), o por defender su territorio de posibles amenazas fabricando armas, que en esta época se elaboraban principalmente con madera y piedra. A continuación, en el neolítico el ser humano se hizo sedentario, formando aldeas y desarrollando habilidades para el trabajo como la agricultura y la ganadería. Al establecerse en un lugar y disponer de tiempo para experimentar, daban forma al cobre nativo que encontraban, y así apareció la edad de los metales. La edad de los metales surge cuando el ser humano es capaz de usar estos materiales para fabricar las herramientas con las que cultivar o cazar su alimento y las armas con las que defenderse. La primera etapa es la edad del cobre o calcolítico, con este metal se elaboraban objetos decorativos utilizando técnicas de martillado y batido en frio resultando un metal muy blando. Cuando se ampliaron los conocimientos en la cerámica también supuso un gran avance en la metalurgia apareciendo la fundición, combinaban el cobre con otros materiales, en un principio se usó el arsénico y luego el estaño con el que se consiguió el bronce, que fue el metal más duro por muchos siglos en adelante llamando a esta etapa la edad del bronce. Cuando se produjo el colapso de la edad del bronce, las rutas comerciales se rompieron y empezó a faltar el estaño, puesto que es un mineral menos común que el cobre, los fabriles de la época se pusieron a buscar un nuevo material y optaron por el mineral de hierro, que ya se conocía, pero habían optado por el bronce ya que el hierro no es un material mucho más duro que el bronce del que se conocían sus propiedades y era más fácil trabajar. Cuando ya no pudieron utilizar estaño no les quedo otra opción que aprender a trabajar el hierro, (edad del hierro) entonces se dieron cuenta, que a veces el metal resultante de la forja era más duro y resistente de lo habitual, fijaron en que cada vez que metían la plancha de metal en el fuego añadían un poco de carbono, y así surgió el acero. Con los años se perfeccionó la maestría y se desarrollaron diversas técnicas producción den grandes cantidades de este metal dieron lugar a la siderurgia. En la actualidad el pionero de la siderurgia moderna fue Henry Bessemer (1813-1898) quien propició la revolución del acero y con ello cambiando la vida de todos los habitantes del planeta. Gracias al acero que se producía se podían construir edificios más altos, trenes, barcos, armas…etc. A un bajo coste económico pero un gran precio medioambiental en forma de polución a la atmosfera de una forma en la que nunca antes se había hecho. Extracción del mineral de hierro El hierro es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre. El mineral de hierro se forma el periodo precámbrico, es decir desde el inicio de la tierra hasta hace unos 542 millones de años, cuando las plataformas continentales estaban sumergidas en el océano, entonces un grupo de bacterias llamadas cianobacterias, desarrolló una nueva forma de hacer la fotosíntesis y les permitió usar el agua como reductor (fotosíntesis oxigénica). Al tomar el H del H2O y liberar el O2 estas bacterias hicieron que se oxidara el fondo del océano, precipitando dióxido de hierro que se fue acumulando en capas que hoy en día llamamos formaciones ferríferas en términos de geología y que con el cambio del nivel del océano afloraron a la superficie. Dependiendo del tipo de yacimiento que se nos presente se tendrá más dificultad y más costo para extraer el mineral, en los yacimientos de cielo abierto la extracción será más fácil, pero en los yacimientos cerrados hay que construir túneles con lo que dificulta la tarea y aumenta el coste. Para empezar la extracción se ejecuta un estudio geotécnico del terreno mediante sondeos y una vez seleccionada la zona, se perfora la roca para introducir los explosivos que liberan el mineral para ser transportado a la planta de molienda en camiones haul truck. En la planta se trata de aumentar la concentración de mineral de hierro separando los restos orgánicos, fósiles y demás sustancias que no se requieren (ganga) Para aumentar la concentración del mineral se pueden llevar a cabo los siguientes métodos: Después de seguir cualquiera de estos procesos es mineral de hierro es separado en dos, por un lado, la ganga y por otro la mena el mineral concentrado. El concentrado se puede introducir en el alto horno en forma de granza (63% Fe, entre 10 y 30 mm), o pellets (64% Fe, entre 10 y 16 mm). estos últimos requieren un proceso más complicado como describe la siguiente imagen; Otro ingrediente necesario es el coque, que se obtiene a partir de una destilación del carbón a altas temperaturas (500 a 1100 °C sin contacto con el aire). Este proceso se realiza en las baterías de coque pasando por el siguiente proceso; A 105ºC se separa el agua, hacia los 200ºC comienzan a desprenderse hidrocarburos parafínicos, en torno a 360ºC se inicia la fusión de la pasta, a 410ºC finaliza el reblandecimiento y empieza el hinchamiento de la masa hasta los 450ºC. (Desgasificación primaria). En los 650ºC se da la mayor pérdida de peso, a 700ºC, el desprendimiento de H, CO y ‎C2H4 ‎ es máximo. (Desgasificación secundaria). Por ultimo a los 950ºC se obtiene coque. Alto horno En este punto también se añaden fundentes como la cal, que disminuye el punto de fusión de los restos de ganga que puedan quedar y actuarán atrapando impurezas que quedan flotando en la parte superior sobre el metal fundido, la mezcla se lleva a temperaturas de 1550ºC donde el mineral de hierro se reduce mediante la reacción Fe2O3 + 3 CO => 3 CO2 + 2 Fe y se obtiene un material llamado fundición, hierro colado o arrabio con un 95% de Fe y un 3.5% de carbono y de elementos como el manganeso, el azufre, el fósforo y el silicio. Horno convertidor Para reducir la cantidad de carbono que se obtiene en la mezcla final, se traslada el arrabio en vagones torpedo a la acería donde se introduce en el horno convertidor, aquí se le inyecta oxígeno a presión para reducir el carbono de la mezcla final a la cantidad deseada y se añade chatarra y fundentes para terminar de eliminar las impurezas. La mezcla se lleva hasta los 1800ºC y se obtiene el acero. Los aceros se alean con un contenido del 0.03 y 1.76% en carbono. Aceros al carbono Hipoeutectoides: tienen matriz ferrifica, por lo que son dúctiles y tenaces; son aceros de construcción Eutectoides: son aquellos en los que la fase austenítica sólida tiene composición del eutectoide 0.77 % en carbono. Hipereutectoides: tienen matriz de cementita, por lo que es duro y frágil; son aceros de herramientas.  El horno eléctrico La principal desventaja de este horno se debe a que la producción es menor, se utiliza principalmente chatarra que se funde al entrar en contacto con un arco eléctrico que alcanza hasta los 1600ºC. La ventaja respecto al convertidor es que puede ser independiente del resto de la cadena siderúrgica puesto que puede ser alimentado solo de chatarra, otra ventaja es que se pueden conseguir aleaciones de un grado determinado de mayor calidad. Aceros aleados   Inoxidables: contienen níquel y cromo que los protegen ante la corrosión. Refractarios: aledos con wolframio, titanio, molibdeno y cobalto para resistir altas temperaturas. Eléctricos: aleados con silicio para reducir la resistencia eléctrica. Rápido: aleados con cromo y molibdeno para herramientas de corte. Enfriamiento del acero La forma mas habitual de enfriar el acero es mediante la colada continua, en la que un tren de rodillos arrastra el acero ya solidificado a medida que se vierte el acero fundido en la colada continua de planchones para productos planos o en la colada continua de palanquillas para productos largos.

Fundiciones

Las fundiciones forman parte de la producción mundial y sus aplicaciones son diversas, desde camisas para cilindros de motores que pesan toneladas hasta tapas de alcantarilla. Esta aleación con un contenido de entre 1.76 y 6.67 % de Carbono, también pueden contener otros metales como el manganeso, azufre, silicio y fósforo.

Las fundiciones tienen un punto de fusión más bajo que el acero con lo que es más fácil producirlas y abarata su precio respecto al anterior. Se pueden distinguir tres tipos de fundiciones, ordinarias, especiales y aleadas.

Fundiciones ordinarias

Se caracterizan porque solo se alean con carbono y estas se dividen en 4 grupos;

Fundiciones especiales

Se obtienen a partir de las ordinarias, por tratamientos o adición de elementos químicos. Existen tres tipos:

Fundiciones aleadas

Son fundiciones que dependiendo de la concentración en carbono que se requiera, se obtendrán unas propiedades u otras, las que superan el 5% en carbono son de denominan de alta aleación y las de baja aleación, inferior al 5% y siendo clasificadas por sus propiedades como la resistencia a la tracción, al desgaste a altas temperaturas…etc.

Enfriamiento de fundición.

La fundición, a medida que se enfría en el molde de arena, toma la forma de la pieza a fabricar, puesto que la fundición apenas tiene elasticidad las piezas que se obtienen nunca estarán destinadas a ese tipo de esfuerzos, sin embargo, adquieren propiedades mecánicas tan competentes como las del acero. Es una elaboración menos costosa que la del acero debido a que el punto de fusión es más bajo y las instalaciones son mas sencillas.