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Este trabajo incluye diversos métodos de obtencion del acero en los cuales incluye algunas características así como bibliografías donde se puede obtener más información.
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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Nombre de la materia: Tecnologia de Materiales Nombre del profesor: Javier Rodriguez Rodriguez Hernandez Javier Eduardo Grupo:3IV7 N° de lista: Nombre del trabajo: TRABAJO DE INVESTIGACION 2DO PARCIAL “OBTENCION DEL ACERO”
El propósito principal de este trabajo es dar un conocimiento genral de los distintos tipos de procesos por los cuales pasa un mineral (hierro) para convertirse en un material mucho mas resistente, con mayor dureza y calidad. Sirviendo este como una guía sobre los distintos procesos por los que pasa el hierro y el carbon para convertirse en acero. En este veremos antecedentes asi como los procesos, temperaturas y materiales que se usan para la obtención de este material.
El hierro, el principal metal de los tiempos clásicos y modernos, es un material de gran resistencia mecánica, muy superior a la del bronce. Reemplaza rápidamente a este último en la fabricación de armas y herramientas a partir del final del II milenio a. C. En CurioSfera-Historia.com , te explicamos la historia del hierro , cuál es su origen y cómo supuso la primera era industrial de la humanidad. Cuándo el hombre descubrió el hierro El uso del hierro es muy limitado antes del II milenio a. C. Hasta hoy, sólo se han encontrado los restos de catorce objetos de hierro que se remontan más allá del IV milenio a. C. y que provienen de cuatro yacimientos arqueológicos:
El acero es uno de los materiales más extendidos hoy día. Este elemento está presente en grandes infraestructuras, edificios, vehículos y toda una serie de utensilios y aparatos que utilizamos en nuestro día a día. Esto se debe a su versatilidad y a la gran cantidad de propiedades físicas que posee. Para llegar a desarrollar este producto con todas las capacidades que hoy día conocemos han tenido que pasar más de 4.000 años. Resulta imposible determinar con exactitud cuándo comienza la historia del acero. Entre otras razones, porque su descubrimiento se produce por casualidad. Como vamos a descubrir a continuación, las primeras civilizaciones crearon acero sin querer. Realizaban otra serie de operaciones al fundir y endurecer hierro. Pero, en este proceso, y sin que lo supieran, introducían también ciertas cantidades de carbono, dando lugar a lo que hoy día conocemos como acero.
Primeros signos y trabajos Vamos a situarnos en la Egipto y Mesopotamia de hace 4.000 años. Algunos estudios señalan que ya en esta época hay signos de uso de hierro meteórico como regalo para los dioses y como elemento decorativo. Todavía no se puede hablar de acero como tal. Sin embargo, son los primeros trabajos con hierro. Prácticas que sí podrían suponer el origen o paso previo para los posteriores hallazgos históricos que sí determinan un proceso de fundición y posterior endurecimiento. En la India de los años 1.800 antes de Cristo, sí se encuentran trabajos de fundición sobre Hierro. Según el Libro Blanco del Acero, que ha sido editado por la Asociación Mundial del Acero, existen en esa época más trabajos similares y casi en paralelo en otras partes de la civilización de la época. En yacimientos hititas de Anatolia también se han encontrado restos de materiales que fueron sometidos a fundición, en torno al 1.500 antes de Cristo. Estos descubrimientos son importantes porque se considera que estas técnicas y conocimientos adquiridos fueron el germen para extender por Europa la técnica de fundición sobre Hierro. Pero, debemos insistir en que todas estas tribus y civilizaciones, si produjeron acero, lo hicieron sin saberlo. En realidad, todos estos datos históricos nos hablan del nacimiento y desarrollo de la Edad de Hierro, que supuso uno de los principales impulsos históricos de la civilización humana. Son las bases ancestrales de lo que hoy día conocemos como acero. Pero no era acero en sí mismo. Para llegar hasta lo que hoy día conocemos, todavía debemos repasar algunas fases más, como por ejemplo los trabajos más profesionales que sí se realizaron durante la mencionada Edad de Hierro. Unos trabajos en donde nacen los primeros herreros. El acero: un descubrimiento, por casualidad Los herreros que mencionábamos realizaban trabajos para ablandar el hierro. Concretamente, lo que hacían era calentar a altas temperaturas este elemento, consiguiendo una materia prima más esponjosa y deformable. Posteriormente, era martilleada para darle la forma deseada. Es lo que se conoce como trabajos de hierro en forja, o forjados. Durante estas operaciones, se percataron de que al utilizar semi-hornos con carbón vegetal, durante más tiempo, se conseguía un elemento final más fuerte. Y, en consecuencia, más valioso. Bien es cierto que resulta difícil establecer qué porcentaje exacto de carbono se introducía en el hierro con esta técnica. Sin embargo, aquí sí se puede hablar de aleaciones de acero. Esta aleación no era intencionada. Pero el carbono entraba en contacto con el Hierro y se formaba un nuevo material. El germen del acero, que ya era muy valorado en la época. Aunque no sabían que estaban creando un nuevo material, sí que se percataron de que el nuevo componente en base a hierro que conseguían era más duro y resistente. Y su proceso de formación le permitía dotarlo de diferentes formas. Con ello, conseguían elementos con un aspecto exterior muy diferente, pero con una durabilidad asombrosa para la época. Incluso, podemos decir que se tuvo acceso a los primeros trabajos de investigación y desarrollo del acero. Lógicamente, alejados de los que hoy día conocemos. Sin embargo, sí se han encontrado datos que certifican que se llevaron a cabo técnicas de enfriamiento
El acero alcanza una posición dominante como elemento base con el que se fabrican utensilios de guerra. Destacan especialmente las espadas de la mencionada Damasco, pero también los elementos que se fabricaban en Toledo, en España. Paralelamente, Japón se posiciona con fuerza con la fabricación de las famosas espadas de los samuráis de la época. Sin embargo, había un problema para la industria. Todos estos procesos de fabricación eran largos y costosos. Lo cual limitaba el avance de la producción y desarrollo de nuevos formatos o variedades basadas en acero. En este escenario, nacen los altos hornos. Grandes instalaciones que buscaban la producción a gran escala de aceros bases. Es lo más parecido a los altos hornos que hoy día conocemos. En este caso, Europa toma la manija quedando todavía evidencias de las grandes instalaciones que se utilizaron en Suecia, y que todavía hoy pueden ser visitadas. Este es el foco del inicio de lo que se puede llamar ‘industria siderúrgica’. En este momento, surgen diferentes procesos químicos relevantes para fabricar mejores aceros. Todos ellos fruto de investigaciones e innovaciones que se realizan en Europa. Por ejemplo, se produce una aceleración de la producción, mediante cementación. A las barras de hierro forjado se les añadía carbón en polvo, consiguiendo una aleación de acero muy valiosa, que era calentada posteriormente para aumentar el contenido carbónico. Otro ejemplo de los avances europeos proviene del inventor Benjamin Hustman, que crea una técnica de crisol en barro, que permite alcanzar altas temperaturas de fundición. Con esta metodología, se crean barras a partir de acero líquido. Son los primeros antecedentes de los lingotes de acero de alta calidad, y con una presentación física realmente uniforme. Un paso más hacia una producción industrial de alta calidad, pero también mucha cantidad. Este avance resulta fundamental en la Revolución Industrial. Y convierte al acero en el metal más utilizado del planeta, llegando a principios del siglo XX por delante del hierro. El desarrollo de acero se acelera A partir de aquí sí se puede hablar de una expansión excepcional de la industria acerera. Se multplican los procesos de investigación y desarrollo de nuevos formatos de fabricación. Pequeñas variaciones derivadas de necesidades concretas, como la escasez de carbono vegetal, o inundaciones en los siglos XVIII y XIX que paralizaron la extracción de carbón de las minas. Por otro lado, aumenta la demanda de acero, para industrias inexistentes hasta ese momento, como por ejemplo la del ferrocarril o la textil, que demandaban determinadas piezas basadas en este componente. En consecuencia, se desarrollan métodos basados en el arrabio o la coca. También nacen conceptos como el del inventor Henry Cort, que creó el proceso de laminación de chapa de hierro y acero. Y encontramos en este momento las primeras grandes
infraestructuras que hoy día se mantienen en buen estado, como por ejemplo el puente de Shropshite, en Inglaterra. El primer puente de arco del mundo. Se desarrollan también las primeras variaciones del acero, con manipulaciones patentadas, para fines muy concretos. Por ejemplo, a finales del Siglo XXVIII encontramos nuevas técnicas de fundición en hornos que buscan restar presencia de carbono base. De este modo, se consigue un acero final más resistente y menos quebradizo, que sirvió para satisfacer las necesidades de la industria naval. Europa era un productor en masa y a gran escala, y comenzaron las tareas de exportación. Una especie de evangelización del acero, que llegó hasta Estados Unidos. Con su habitual espíritu emprendedor, los americanos comenzaron también a innovar en el ámbito de la acería. Dando casos como el del emporio John Deere. Lo que hoy día es una importante multinacional, nace de las manos de un joven herrero, que crea un arado con hoja de acero que revoluciona el sector de la agricultura norteamericana. En Alemania nace Krupp, base de lo que hoy día es el grupo ThyssenKrupp. En Asia, destaca la industrialización y fabricación en masa con empresas de un tamaño considerable, como por ejemplo Nippon Steel. Más avances e innovaciones del acero Resulta difícil destacar todos los avances que se han realizado en los últimos 200 años en torno al acero. Uno de los más significativos es el convertidor de Bessemer, que consiguió acelerar el proceso de conversión del arrabio en acero. Todo un avance para la producción en masa y en grandes cantidades que requería la industria. Por otro lado, también hay que destacar la tecnología Siemens-Martin, que permitió mejorar la calidad. Se consigue fabricar un acero de mucha calidad en tiempo récord. Gracias a los mencionados avances, el acero llega a grandes infraestructuras, rascacielos y ferrocarriles. Nacen algunas edificaciones mundialmente reconocidas, como por ejemplo la estación central de Amberes, o el puente de Brooklyn. América del Norte gana la partida a Gran Bretaña como mayor fabricante del mundo, y llega lo que se puede denominar como la era del acero. Se desarrollan infinidad de aleaciones y variables, y llegamos al punto más alto de aprovechamiento de las ventajas de este material. Se afianzan los procesos de investigación, para obtener variaciones que permitan satisfacer las demandas de todo tipo de industrias. La construcción también entra de lleno en el mercado del acero, y la demanda no deja de crecer en todo el siglo XX. Se patenta el acero inoxidable, se popularizan los procesos de fabricación a cielo abierto y se logran aleaciones cada vez más ligeras y flexibles. Incluso las Guerras Mundiales sirven de acicate a esta industria, ya que se continúa trabajando con mucha precisión, en busca de desarrollos que respondan a las necesidades de la industria armamentística. Concluyendo, podemos afirmar que el último gran avance significativo de la industria llega con los hornos eléctricos. La versatilidad del acero resultante la permite la entrada en los
Esta inyección de aire a través del hierro fundido elimina las impurezas que contiene por la oxidación de los materiales, a medida que el aire pasa a través del metal licuado las moléculas de oxígeno interactúan con minerales y moléculas de carbono en el metal, permitiendo obtener un acero de mejor calidad, capaz de ser utilizado para la fabricación de dispositivos grandes como maquinaria militar y cañones. Antes de este proceso la producción del acero se limitaba a piezas pequeñas como balas y utensilios de cocina.
Este proceso se estuvo utilizando durante el siglo XVIIII y fue sustituido por otras metodologías para producir el acero de manera más conveniente y económica, las cuales veremos en siguientes blogs. Para obtener acero mediante este método, se hace uso del convertidor Bessemer, básicamente se trata de un enorme deposito en el que se vierte el arrabio producido en los altos hornos. El convertidor Bessemer está fabricado de acero y con revestimiento interior de ladrillos de sílice. Convertidor de acero bessemer Imagen de convertidor Bessemer En la parte inferior el convertidor cuenta con una unión a una caja de aire, la misma que sirve para el ingreso de aire por una multitud de orificios. El convertidor puede girar sobre un eje, de tal manera que para cargar el arrabio se le debe clocar en forma horizontal con el fin de evitar obstruir a los orificios del fondo; una vez cargada el convertidor se gira de tal manera que queda verticalmente con boca arriba. Cuando el convertidor Bessemer se encuentra cargada y en posición vertical, se da la entrada de aire, la misma que oxida las impurezas del arrabio. El CO (monóxido de carbono) que se produce en este proceso, arde a altas temperaturas en la boca del convertidor desprendiendo fuerte luminosidad. Observando el color de las llamas se puede determinar aproximadamente la cantidad de carbono restante; por otro lado cabe señalar que durante este proceso se pierde una cantidad considerable de hierro en forma de óxido. Una vez que las impurezas han sido eliminadas se va midiendo la composición y de acuerdo a ello se va agregando carbón, manganeso, y otros metales necesarios para obtener el tipo de acero deseado. Finalmente el acero líquido es vertido en moldes. Tiempo estimado para el proceso de Bessemer El proceso de Bessemer es rápida a comparación con otros métodos de obtención de acero, aproximadamente entre 10 y 145 minutos por carga; sin embargo es difícil llevar una regulación cuidadosa, tal motivo conlleva a la producción de aceros de baja calidad comparándolo con otros métodos. Las aplicaciones de aceros obtenidos mediante este método van desde aceros de construcción para edificios, puentes, etc.
10m de largo por 5 m de ancho y de una altura de 35 - 50 m. Son de placas de acero remachadas sobre traviesas metálicas. A los dos lados de la solera se encuentran los tubos que conducen el gas y el aire, que desembocan en el laboratorio por aberturas conocidas como quemadores, a la salida de los cuales arde el gas. Las cámaras de recuperación colocadas debajo, y que en general son cuatro para cada horno, calientan el aire y el gas de la combustión mediante el aprovechamiento del calor perdido en el horno, al salir al ambiente los gases calientes del laboratorio. Cada media hora se invierte el paso de la mezcla gaseosa combustibles, de modo que cada pareja de cámaras actúan alternativamente como recuperadores y precalentadores, es decir, los precalentadores se convierten en recuperadores de calor al invertir el paso de la mezcla gas-aire, y viceversa. Los hornos más empleados, por los de mayores dimensiones, son los de gasógeno separado. La particularidad del método Martin-Siemens de poder utilizar despuntes de chatarra para fabricar acero es de gran importancia en la industria siderúrgica. ¿Cómo se realiza el proceso de afino en un horno Martin-Siemens? Horno Martin-Siemens básico Es de revestimiento magnesiano del horno se emplea una escoria básica que permite la desfoforacion. En este el silicio se elimina mas rápido que en la marcha acida, porque la sílice formada se fija en la escoria. Se produce una oxidación del carbono arrabio liquido, la mayor parte del oxigeno necesario para la descarburación precede del mineral y el resto de la atmosfera del horno. Este proceso se llama arrabio-mineral. El horno Siemens básico tiene paredes y fondo de gran espesor, de magnesita o dolomita sinterizada, con una bóveda en arcos construida con ladrillo silicioso. La solera de los hornos ácidos se hace con arena. El frontis del horno situado en la plataforma de carga, tiene de 3 a 7 puertas, refrigeradas con agua y accionadas hidráulicamente, a través de las cuales se carga el horno y se observa el proceso de fusión y afino. En el centro de la parte posterior del horno se haya el orificio de sangrado, taponado firmemente en los hornos fijos y cerrados ligeramente en los basculantes. Los hornos básicos tienen otro orificio al nivel de la escoria, a cuyo través se evacua parte de la escoria formada.
Ordinariamente para fabricar los aceros Siemens se emplea una gran cantidad de chatarra de acero. El proceso de fabricación en un horno siemens básico suele durar de 5 a 8 horas. Según sea la capacidad del horno y la clase de acero que se fabrica. Se divide en 9 etapas: Carga del horno
baño (es la oxidación de carbono porque facilita el contacto entre el metal y la escoria, acelerando las reacciones y la transmisión de las llamas al acero fundido). Para que la escoria desempeñe durante el periodo de trabajo su función oxidante, debe contener durante todo el proceso suficiente cantidad de oxigeno en forma de oxido de hierro, si en cualquier momento su poder oxidante no es suficiente para continuar rebajando el contenido de carbono hasta el límite deseado a una velocidad conveniente, debe añadirse mineral de hierro o cascarilla de laminación. Oxidación de ciertos elementos que contiene el baño metálico En los hornos siemens se puede considerar que el hierro es el primer elemento que se oxida, debido a la gran abundancia que hay en este metal, sirviendo luego el oxido de hierro de vehículo al oxigeno para la oxidación de los demás elementos. El oxigeno también contribuye a la oxidación del hierro y de los demás elementos, el vapor de agua y el anhídrido carbónico que contienen los gases o humos que hay en la cámara del horno. Después cuando avanza el proceso, la oxidación del hierro del baño se produce por la acción del mineral y del FeO que hay disuelto en la escoria Esta es la fase más delicada del proceso en donde se completa la oxidación de los elementos carbono, silicio y manganeso y se procura eliminar el mayor porcentaje posible de fosforo y del azufre. La oxidación de los diversos elementos comienza cuando se ha fundido completamente la carga y se ha formado la primera escoria, suele ser conveniente sacar parte de la escoria con una alta basicidad y muy fluida que es la más adecuada para eliminar las impurezas del acero P y S (trabajo del baño). Existen 4 preocupaciones que se deben tener en cuenta en ese momento:
para que se produzca el afino en la debida forma.
del acero es la conveniente, su temperatura sea unos 150 ° C superior a la de fusión del acero. Al no conseguirse la temperatura es un grave contratiempo el baño comienza a espesarse y no trabaja y su calentamiento solo por la superficie es difícil. Oxidación de ciertos elementos que contiene el baño metálico En los hornos siemens se puede considerar que el hierro es el primer elemento que se oxida, debido a la gran abundancia que hay en este metal, sirviendo luego el oxido de hierro de vehículo al oxigeno para la oxidación de los demás elementos. El oxigeno también contribuye a la oxidación del hierro y de los demás elementos, el vapor de agua y el anhídrido carbónico que contienen los gases o humos que hay en la cámara del
horno. Después cuando avanza el proceso, la oxidación del hierro del baño se produce por la acción del mineral y del FeO que hay disuelto en la escoria Esta es la fase más delicada del proceso en donde se completa la oxidación de los elementos carbono, silicio y manganeso y se procura eliminar el mayor porcentaje posible de fosforo y del azufre. La oxidación de los diversos elementos comienza cuando se ha fundido completamente la carga y se ha formado la primera escoria, suele ser conveniente sacar parte de la escoria con una alta basicidad y muy fluida que es la más adecuada para eliminar las impurezas del acero P y S (trabajo del baño). Existen 4 preocupaciones que se deben tener en cuenta en ese momento:
para que se produzca el afino en la debida forma.
del acero es la conveniente, su temperatura sea unos 150 ° C superior a la de fusión del acero. Al no conseguirse la temperatura es un grave contratiempo el baño comienza a espesarse y no trabaja y su calentamiento solo por la superficie es difícil. Desoxidación y carburación El proceso Siemens en su primera parte es una operación oxidante al final de la operación hay disuelto en el baño de acero un porcentaje de oxigeno muy elevado que impide la obtención de lingotes sanos. Ese oxigeno en exceso, disuelto en acero en forma de oxido de hierro, al solidificarse el acero reacciona con el carbono y se desprende CO originando ese desprendimiento burbujas y poros en el metal, para evitar este problema es necesario hacer adiciones de desoxidantes como son el ferromanganeso y el silicio que reaccionan con el oxigeno formando óxidos respectivamente y sílice que son sustancias solidas inertes quedando muy reducido el porcentaje de oxigeno. El ferromanganeso no solo desoxida el acero también sirve para impedir que el azufre que se encuentra en el baño aparezca luego solidificado en forma de sulfuro de hierro que es muy perjudicial, hace que el acero se agriete al forjar y laminar. Colada Cuando el baño metálico tiene la composición adecuada y la temperatura conveniente se perfora el agujero de colada situado en la parte más baja de la solera del horno. El metal y la escoria pasan a la cuchara de colada, la escoria se acumula en la parte superior y se deja rebosar y caer a un cono de fundición que esta junto a la cuchara. En la cuchara solo se conserva la cantidad de escoria necesaria para cubrir el metal y evitar su oxidación. Los aceros aleados además de los cinco elementos: carbono, silicio, manganeso, fósforo y azufre, también contienen cantidades importantes de otros elementos como molibdeno, cromo, níquel, que sirven para mejorar algunas de sus características fundamentales. Los elementos más
