Obtención del hierro, su proceso de fabricación.

1. ING. OBED VARGAS

2. PROCESO DE OBTENCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
 UNIDAD I

3.  Conocer la diferencia entre un metal ferroso y un no ferroso y
las características entre ellos.
 Analizar el funcionamiento de un alto horno y horno de
aceración.
 Identificar las características y propiedades de las materias
primas con las que se obtiene el arabio o hierro de primera
fusión.
 Conocer el funcionamiento de los diferentes hornos de
aceración y el acero que se obtiene de ellos.

4.  EV. #1: CUADRO COMPARATIVO DE LOS MATERIALES FERROSOS Y NO FERROSOS. (10%)
 INSTRUCCIONES: Elaborar un cuadro comparativo de los materiales ferrosos y no ferrosos, incluyendo 10
características (mínimo) y una ilustración de cada una de ellas. Evidencia Individual.
 EV. #2: EXPOSICIÓN PROCESOS TECNOLÓGICOS (30%)
 INSTRUCCIONES: Investigar en distintas fuentes y presentar una exposición frente a grupo sobre un Horno para
la obtención del acero. Enfocarse principalmente en las partes y el funcionamiento del horno en cuestión.
Evidencia en Equipo.
 EV. #3: MAPA CONCEPTUAL TEMA 1.5 “PROCESOS TECNOLÓGICOS PARA LA OBTENCIÓN
DEL ACERO” (20%)
 INSTRUCCIONES: Investigar el tema 1.4 del programa de estudios y elaborar un mapa conceptual con los
resultados. Incluir: Hornos BOF, Eléctricos, Convertidores Bessemer y Thomas. Anexar: Ilustraciones. Evidencia
Individual.
 NOTA: Incluir mínimo 3 fuentes de información diferentes, con formato APA.

5.  Sistema de acciones que se encuentran interrelacionadas de forma dinámica y que se
orientan a la transformación de ciertos elementos. De esta manera, los
elementos de entrada (conocidos como materia prima) pasan a ser elementos de
salida (productos), tras un proceso en el que se incrementa su valor.

6. Continuidad en
el tiempo
• Producción
continua
• Producción
intermitente
Configuración
del proceso
productivo
• Talleres
• En línea
Gama de
productos
obtenida
• Producción simple
• Producción
múltiple

7. Lógicamente los materiales se eligen por sus propiedades
 Propiedades de los materiales: Son el conjunto de características que hacen que el
material se comporte de una manera determinada ante estímulos externos como la luz, el calor, las
fuerzas, etc.
 Pueden ser:
FÍSICAS
Eléctricas
Mecánicas
Térmicas
Ópticas
Acústicas
Magnéticas
QUÍMICAS
Oxidación
ECOLÓGICAS
Reciclables
Tóxicos
Biodegradables
Renovables

8.  FERROSOS
Se componen de un elemento Hierro, que
combinado con oxígeno dan origen al ACERO,
que es frágil a la oxidación.
Menor resistencia a la corrosión
Presentan características magnéticas
Sacan chispas cuando se desvastan
Resistencia a la tensión
Mayor dureza
Menor costo
 NO FERROSOS
Se componen de los no metales que especifica la tabla
periódica, entre los mas conocidos son el cobre, el
aluminio, entre otros y se pueden alear también con
varios para dar las propiedades requeridas.
Mayor resistencia a la corrosión
No presentan características magnéticas
No sacan chispa cuando se desvastan
Por lo general tienen menor resistencia a la tensión
Menor dureza
Costo alto.

9.  Principales productos representantes de los
materiales metálicos:
Fundición de hierro gris
Hierro maleable
Aceros
Fundición de hierro blanco
Los principales metales no ferrosos utilizados en la
manufactura son:
Aluminio
Cobre
Magnesio
Níquel
Plomo
Titanio
Zinc

11. 1.1 Proceso tecnológico del hierro de primera fusión.
1.2 Funcionamiento del proceso tecnológico y productos
obtenidos
1.3 Afino del acero
1.4 Procesos tecnológicos para la obtención del acero,
hornos BOF, Eléctricos, Convertidores Bessemer y Thomas

12.  TECNOLOGÍA DE MATERIALES: Es una disciplina técnica que trata sobre los procesos industriales que nos
permiten obtener piezas útiles para conformar las máquinas o dispositivos, a partir de las materias primas
específicas.

13. El hierro de primera fusión se le conoce como ARRABIO, el cual es producido en un horno
llamado ALTO HORNO, en el cual se introduce el mineral ya preparado y acompañado
de otros materiales que facilitarán su obtención.

14.  El 90% de todos los metales fabricados a escala mundial son de hierro y acero. Los
procesos para la obtención de hierro fueron conocidos desde el año 1200 a.C.
Los principales minerales de los que se extrae el hierro son:
Hematita (mena roja) Fe03 70% de hierro
Magnetita (mena negra) (Fe3O4) 72.4% de hierro
Siderita (mena café pobre) (Fe2CO3) 48.3% de hierro
Limonita (mena café) (Fe2O3H2O3) 60-65% de hierro

15. HEMATITA MAGNETITA
SIDERITA LIMONITA

16.  Para la producción de hierro y acero son necesarios cuatro elementos fundamentales:
 Mineral de hierro
 Coque
 Piedra caliza
 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.
La grafica siguiente nos muestra el esquema de preparación del mineral de hierro, para elaborar las
“BRIQUETAS” de mineral que serán usadas como carga mineral en el ALTO HORNO.

19.  ALTO HORNO: Máquina encargada de la reducción de los materiales de hierro y la obtención del hierro líquido de
primera fase, sin afinar, denominado arrabio. Esta constituido por chapa de acero revestida interiormente de material
refractario. Las partes que lo componen son:
Diámetro: de 9
a 15 m en su
parte más
ancha
Altura:
CO2 C 2 CO
Fe2O3 CO 2FeO CO2
FeO CO CO2 Fe
AGENTE
REDUCTOR
CO2 C 2 CO

20. Para obtener las fundiciones se deja solidificar el arrabio y después se vuelve a fundir en un
horno de cubilote. Para obtener el acero, el arrabio líquido se mezcla con chatarra y mineral de
hierro en un mezclador y se envía a diferentes hornos de afino, según el tipo de acero que se
quiera conseguir.

21. Los altos hornos pueden producir entre 800 y 1600 toneladas de arrabio cada 24 h.
Para producir 1000 toneladas de arrabio, se necesitan 2000 toneladas de mineral de hierro, 800 toneladas de coque, 500
toneladas de piedra caliza y 4000 toneladas de aire caliente.
Con la inyección de aire caliente a 550°C, se reduce el consumo de coque en un 70%. Los sangrados
del horno se hacen cada 5 o 6 horas, y por cada tonelada de hierro se produce 1/2 de escoria.
El producto útil del alto horno se denomina arrabio. El arrabio es un líquido que posee una riqueza del orden del
93 % Fe, con carbono disuelto en un orden del 4 %. Otros componentes del arrabio son el silicio, manganeso e impurezas,
fósforo y azufre, que condicionarán los procesos de afino posteriores.
En la década de los sesenta del siglo pasado se introdujo un importante avance en la tecnología de altos hornos: la
presurización de los hornos. Estrangulando el flujo de gas de los respiraderos del horno es posible
aumentar la presión del interior del horno hasta 1,7 atmósferas o más. La técnica de presurización permite una mejor
combustión del coque y una mayor producción de hierro. En muchos altos hornos puede lograrse un aumento de la
producción de un 25%.
 DATOS CURIOSOS:

22.  El siguiente dibujo nos muestra las partes funcionales del horno (el proceso que se realiza en
esa parte) y la temperatura a la que se realiza el proceso.

23. En los procesos de fabricación del acero, ¿se obtiene en la colada la calidad, pureza y composiciones
deseadas?. La respuesta a esta pregunta, en general, es no.
Cualquiera que sea el proceso de obtención del acero, siempre trae consigo la presencia de impurezas, gases,
incrustaciones y segregaciones que hacen necesario la implementación de procesos de refinación posterior,
comúnmente conocidos como “afino” del acero.

24. Los modernos métodos de producción del acero utilizan el arrabio como materia prima. Principales
procesos de fabricación de los hierros y aceros comerciales.

25. 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.

26. El proceso consta de tres periodos:
De las
chispas
• Se produce la combustión del manganeso y
silicio, eliminándose con gran desprendimiento de
chispas; dura de cinco a diez minutos.
De las
llamas
• Comienza a quemarse el carbono con llama
blanca y larga, debido al óxido de carbono,
terminando a los 15 minutos con una humareda
amarilla por el óxido de hierro.
De los
humos
• Se acorta la llama y aparecen solamente humos rojos y
espesos que arrastran aún óxido de hierro y de
manganeso; tiene una duración de 2 minutos, con lo cual
ha terminado el afinado.

27.  Volteando el convertidor se extrae la masa líquida, a la cual se le agrega los
materiales de adición necesarios para obtener la aleación final deseada; a estos
materiales se les conoce con el nombre de “fundición reactiva”, y
generalmente son aleaciones de ferromanganeso (para aceros al manganeso),
ferrosilicio (aceros al silicio), ferrocromo, etc.
 Este procedimiento se aplica para los hierros que no contengan fundiciones
fosforosas, debido a que el revestimiento interior del horno Bessemer está
construido con materiales refractarios ácidos (de alto contenido de silicatos y
alumina [mínimo 50% de alumina] lográndose una resistencia excelente a
temperaturas mayores de 1600ºC).

28. La siguiente figura nos muestra una instalación de un horno Bessemer antigua:

29. Este horno es también un convertidor de arrabio
en acero. En 1877, el inglés Sydney Gilchrist
Thomas tuvo la idea de sustituir el revestimiento
ácido del convertidor Bessemer por un
revestimiento básico (mineral de dolomita), lo
que permitía obtener escorias básicas; por
consiguiente, se podía convertir fundición con altos
contenidos de fósforo en aceros. La forma y los
procedimientos de operación de este horno son
similares a los de Bessemer por lo que también se
les conoce como “Bessemer Básico”

30. Piquero de
sangrado
Cámara de fusión
de la mezcla de
metales (arrabio +
chatarra)
Se les conoce como Horno Thomas o Método Thomas de aceración. Para evitar el inconveniente
del convertidor Bessemer, en el cual el fósforo permanece unido al hierro haciéndolo agrio en frío, Thomas ideó su
convertidor basado en el de Bessemer, sustituyendo el revestimiento interior ácido por uno básico formado por dolomita
(carbonato de cal y magnesio).
Con este procedimiento el fósforo es eliminado con las escorias, bajo la forma de
fosfato de cal. La cal necesaria puede suministrarla el revestimiento, y se agrega al
baño líquido como reactivo. Procedimiento Martín Siemens. Consiste en
fundir el acero por fusión de arrabio (hierro bruto en lingotes), con desperdicio de
hierro dulce (chatarra de fierro), disminuyendo así la cantidad de carbono a
eliminar. El horno es el llamado a reverbero, en el cual la cubeta se reviste de
ladrillos ácidos o básicos, según la naturaleza del lingote a tratar; en su fondo tiene
una abertura para la sangría o colada. En estos hornos la temperatura es elevada
en forma económica, pues constan de dos cámaras que tienen un enrejado de
ladrillos refractarios. A medida que la cámara de la derecha, se calienta con los
gases de salida, el combustible gaseoso y el aire (a temperaturas altas) penetran a
través de la cámara de la izquierda y se ponen en contacto con los materiales
cargados y de esta manera se alcanzan temperaturas de fusión muy elevadas.

31. Conocidos generalmente por sus iniciales en inglés, los convertidores BOF (basic oxygen furnace) logran la refinación del
arrabio empleando la misma idea de Bessemer para eliminar las impurezas y el exceso de carbono por oxidación, además
de aprovechar el calor de la oxidación como fuente de energía para la fusión. En lugar del soplo de aire que utilizaba
Bessemer, en los BOF la oxidación (para quemar el exceso de carbono del arrabio) se hace directamente con
oxígeno. Esta idea también la tuvo Bessemer porque el aire contiene solamente un 21%, de oxígeno contra un 78%
de nitrógeno. Lo que pasó fue que en los tiempos de Bessemer el oxígeno puro era muy caro, de modo que no era
accesible ni para hacer experimentos en el laboratorio. Cien años después la situación era otra porque se desarrollaron
métodos baratos para producir oxígeno y en la escala necesaria para abastecer a las grandes siderúrgicas.

32.  Un esquema del convertidor BOF se presenta en la siguiente figura. Consiste en una olla de acero recubierta en su interior con material
refractario del tipo básico (óxidos de magnesio). A diferencia del convertidor de Bessemer donde se soplaba el aire por la parte inferior, en el BOF
se inyecta el oxígeno por una lanza que entra por la parte superior. La lanza se enfría con serpentines de agua, interiores para evitar que se
funda. La carga y la descarga de la olla se hacen también por la parte superior y por eso la olla está montada en chumaceras que le permiten
girar.
Mediante un chorro de oxígeno con polvo de piedra caliza, el
arrabio es convertido en acero en un BOF, El oxígeno
reacciona con el carbono del arrabio y lo elimina en forma de
bióxido (o monóxido) de carbono. La caliza sirve para
eliminar impurezas, entre las que destaca el fósforo.
 Una de las grandes ventajas que desde un principio se observó en los convertidores BOF fue su capacidad para aceptar hasta un
20% de "chatarra” junto con la carga de arrabio líquido. La diferencia de precios entre la chatarra fría y el arrabio líquido ha
motivado la búsqueda de tecnologías para incrementar lo más posible la carga de chatarra, ya que si se agrega mucha chatarra a la
temperatura ambiente, se corre el peligro de que se “cuaje” el metal haciendo imposible el insuflado del oxigeno. Algunos éxitos en esta
dirección se han obtenido al adicionar al oxígeno que entra por la lanza, combustóleo y carburos de silicio y calcio que elevan la temperatura
de la olla.

33. Este tipo de hornos funden el metal usando como fuente de energía calórico la
corriente eléctrica. Los hay de dos tipos: de inducción y de arco.
La fotografía nos muestra una batería de 5 hornos de inducción sin núcleo, que
producen 11 toneladas métricas. Este tipo de hornos pueden fundir directamente
chatarra de fierro o pueden afinar el arrabio o también la fundición de fierro gris
procedente del cubilote.
Cinco hornos eléctricos de induc-
ción sin núcleo de 11 toneladas
métricas proporcionan los ajustes
finales en temperatura y análisis
químicos.
PUERTA DE C ARGA DE MATERI ALES
P
I
Q
U
E
R
A

34.  La chatarra es hoy una materia prima nada despreciable para la fabricación de acero, que suele aprovecharse en plantas
pequeñas conocidas como miniacerías, donde la chatarra se funde en hornos de arco eléctrico.
 Técnicamente, su sistema de operación es muy sencillo. La materia prima se consigue con un buen comprador de chatarra
capaz de asegurar un suministro regular. Esto no es nada fácil porque las fuentes de chatarra son muy irregulares. Un buen
"chatarrero" debe además distinguir entre los distintos tipos de chatarra disponible. La chatarra de primera es aquella, que
viene en trozos chicos en relación con el tamaño del horno, de buen grosor con pocos elementos indeseables como el cinc de
los galvanizados, por ejemplo. Las piezas de acero grandes no son tan atractivas para los chatarreros porque su manejo es
difícil y porque dejan mucho espacio vacío entre una y otra pieza.
 La chatarra se carga al horno de arco eléctrico y se funde al exponerse al paso de una enorme corriente eléctrica. La corriente
eléctrica llega a la chatarra a través de electrodos de carbono (grafito). Cuando la chatarra se pasa al estado líquido, lo cual
ocurre en algunos minutos, los operadores toman una muestra y la llevan al laboratorio de análisis. En cuestión de segundos,
con la ayuda de espectrómetros modernos, se determina la composición química del acero. En particular, son de interés los
siguientes elementos: carbono, manganeso, fósforo, azufre, silicio y cromo. El hierro, la base de la aleación, se determina por
balance (100% - la suma de todos los demás elementos de aleación = %Fe).
 Generalmente es necesario hacer algún ajuste a la aleación mediante la adición de otros elementos necesarios o de
formadores de escoria para retirar elementos indeseables como el fósforo o el azufre.

35.  Del horno eléctrico, el acero líquido se pasa a una olla donde en ocasiones se pasa a una máquina de
colada continua para producir barras de acero de sección cuadrada de 10 a 15 centímetros por lado y de 6 a 8
metros de longitud, llamadas palanquillas. Hay otras formas que se producen en función del proceso que se
seguirá.
 El acero líquido de la olla se vacía en un recipiente de donde, a velocidad controlada, pasa a un molde de sección cuadrada.
Las paredes del molde se lubrican para que el acero no se adhiera y se mantienen "frías" refrigerándolas con serpentines de
agua. El molde además, se hace vibrar para ayudar a que el acero se deslice.
 El molde no tiene tapa inferior porque el acero que ha solidificado en el extremo inferior, sirve como tapa. Después de pasar
por el molde, el acero, ya sólido pero al rojo vivo, pasa por una serie de rodillos que lo jalan hasta llegar a una plancha donde,
con sopletes, la sección cuadrada se corta en tramos de la longitud deseada.

36.  La palanquilla (también llamada
PLANCHA) es la materia prima para los
trenes de laminación donde, a base de rodillos,
se conforman productos como varillas
corrugadas, alambrones y barras de secciones
cuadradas, hexagonales o redondas. En el
esquema siguiente se ilustra los diferentes
productos obtenidos en los trenes de laminación.

37. 1. Es la propiedad que tienen los materiales para transmitir corriente
eléctrica.
( ) MALEABILIDAD
2. Es la resistencia que presenta un material ante fuerzas externas. ( ) DUCTILIDAD
3. Propiedad de los materiales para recuperar su forma original cuando
deja de actuar sobre ellos la fuerza que los deformaba. ( ) CONDUCTIVIDAD
4. Propiedad de los cuerpos para adquirir deformaciones permanentes. ( ) PLASTICIDAD
5. Facilidad de un material para extenderse en láminas o planchas ( ) ELASTICIDAD
6. Propiedad de un material para extenderse formando cables o hilos. ( ) RESISTENCIA
MECÁNICA
 INSTRUCCIONES: Relacione ambas columnas, colocando en el paréntesis la
respuesta correcta:

38. 1. Es la resistencia que opone un material a dejarse rayar por
otro.
2. Es la resistencia que ofrece un material a romperse cuando es
golpeado.
3. Sería lo contrario a tenaz. Es la propiedad que tienen los
cuerpos de romperse fácilmente cuando son golpeados.
4. Es la propiedad de los materiales de transmitir el calor,
produciéndose, lógicamente una sensación de frío al tocarlos.
5. Facilidad que tiene un material para fundirse (pasar de líquido a
sólido o viceversa).
6. Es el aumento de tamaño que experimenta un material cuando
eleva su temperatura.
7. Es la propiedad de los materiales de transmitir el sonido.
8. Es la capacidad de atraer a otros materiales metálicos.
9. Es la facilidad con que un material se oxida, es decir, reacciona
en contacto con el oxígeno del aire o del agua.
 INSTRUCCIONES: Responda las siguientes preguntas, resaltando la respuesta
correcta dentro de la sopa de letras: