El documento describe los procesos de producción del hierro y el acero. Se extrae el hierro de minerales como la hematita y la magnetita. El hierro se funde en altos hornos con coque, caliza y aire caliente, produciendo arrabio. Luego, el arrabio se refina en hornos como Bessemer, de oxígeno básico o de arco eléctrico para producir hierro y acero comerciales.

1. Producción del hierro y el acero
El diagrama general de la fusión primaria del hierro integra a la mayoría de las actividades que se desarrollan
en el proceso productivo.
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 aC.
Los principales minerales de los que se extrae el hierro son:
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
La mena café es la mejor para la producción de hierro, existen grandes yacimientos de este mineral en
Estados Unidos y en Suecia. En todo el mundo se pueden encontrar grandes cantidades de pirita, pero no es
utilizable por su gran contenido de azufre.
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 prepararlos antes de que se introduzcan al
sistema en el que se producirá el arrabio.

2. 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.
El alto horno
En general los altos hornos tienen un diámetro mayor a 8 m y llegan a tener una altura superior de los 60 m.
Están revestidos de refractario de alta calidad.
Los altos hornos pueden producir entre 800 y 1600 toneladas de arrabio cada 24 h. La caliza, el coque y el
mineral de hierro se introducen por la parte superior del horno por medio de vagones que son volteados en
una tolva. 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.
Alto horno

3. Reducción directa del mineral de hierro
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 mena 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.
Diagrama de producción de hierro esponja
En el método de reducción directa para procesar 1000 toneladas de mineral de hierro, se requieren 491,000
metros cúbicos de metano y con ello se obtienen 630 toneladas de hierro esponja.

4. 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.
Proceso de pudelado
El hierro dulce es un metal que contienen menos del 0.01% de carbono y no más de 0.003% de escoria. Para
su obtención se requiere del proceso conocido como pudelado, el que consiste en fundir arrabio y chatarra
en un horno de reverbero de 230 kg, este horno es calentado con carbón, aceite o gas. Se eleva la
temperatura lo suficiente para eliminar por oxidación el carbón, el silicio, y el azufre. Para eliminar todos los
elementos diferentes al hierro, el horno de pudelado debe estar recubierto con refractario de la línea básica
(ladrillos refractarios con magnesita y aluminio). El material se retira del horno en grandes bolas en estado
pastoso y el material producido se utiliza para la fabricación de aleaciones especiales de metales. Existen
otros procedimientos modernos como el llamado proceso Aston, en donde en lugar del horno de reverbero
se usa un convertidor Bessemer con lo que se obtienen mayor cantidad de material.
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, el que a continuación se describe.
Horno básico de oxígeno (BOF)
Es un horno muy parecido al Bessemer con la gran diferencia 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

5. 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, el que ya fue
descrito.
Horno básico de oxígeno
Horno de hogar abierto
Es uno de los hornos más populares en los procesos de producción del acero. Un horno de este tipo puede
contener entre 10 y 540 toneladas de metal en su interior. Tiene un fondo poco profundo y la flama da
directamente sobre la carga, por lo que es considerado como un horno de reverbero. Su combustible puede
ser gas, brea o petróleo, por lo regular estos hornos tienen chimeneas laterales las que además de expulsar
los gases sirven para calentar al aire y al combustible, por lo que se consideran como hornos regenerativos.
Los recubrimientos de los hornos de hogar abrierto por lo regular son de línea básica sin embargo existen
también los de línea ácida ((ladrillos con sílice y paredes de arcilla). Las ventajas de una línea básica de
refractario, sobre una ácida son que con la primera se pueden controlar o eliminar el fósforo, el azufre, el
silicio, el magnesio y el carbono y con la línea ácida sólo se puede controlar al carbono. El costo de la línea
básica es mayor que el de la ácida.

6. Los hornos de hogar abierto son cargados con arrabio en su totalidad o con la combinación de arrabio y
chatarra de acero. El arrabio puede estar fundido o en estado sólido. La primera carga del horno tarda 10 h
en ser fundida y estar lista para la colada, pero si se agrega oxígeno se logra tener resultados en menos de 7
h, además de que se ahorra el 25% de combustible.
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 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.

7. Horno de arco eléctrico
Horno de refinación
Estos hornos pueden ser de varios tipos, en realidad puede ser cualquier horno al que por medio de aire u
oxígeno se obtenga hierro con carbón controlado, sin embargo se pueden mencionar dos de los hornos más
conocidos para este fin.
Horno de inducción
Utilizan una corriente inducida que circula por una bovina que rodea a un crisol en el cual se funde la carga.
La corriente es de alta frecuencia y la bovina es enfriada por agua, la corriente es de aproximadamente
1000Hz, la cual es suministrada por un sistema de motogenerador. Estos hornos se cargan con piezas sólidas
de metal, chatarra de alta calidad o virutas metálicas. El tiempo de fusión toma entre 50 y 90 min, fundiendo
cargas de hasta 3.6 toneladas. Los productos son aceros de alta calidad o con aleaciones especiales.
Horno de aire o crisol
Es el proceso más antiguo que existe en la fundición, también se le conoce como horno de aire. Este equipo
se integra por un crisol de arcilla y grafito, los que son extremadamente frágiles, los crisoles se colocan
dentro de un confinamiento que puede contener algún combustible sólido como carbón o los productos de
la combustión.
Los crisoles son muy poco utilizados en la actualidad excepto para la fusión de metales no ferrosos, su
capacidad fluctúa entre los 50 y 100 kg.

8. Hornos de crisol para metales no ferrosos
Horno de cubilote
Son equipos muy económicos y de poco mantenimiento, se utilizan para hacer fundición de hierros colados.
Consisten en un tubo de más de 4 metros de longitud y pueden tener desde 0.8 a 1.4 m de diámetro, se
cargan por la parte superior con camas de chatarra de hierro, coque y piedra caliza. Para la combustión del
coque se inyecta aire con unos ventiladores de alta presión, este accede al interior por unas toberas
ubicadas en la parte inferior del horno. También estos hornos se pueden cargar con pelets de mineral de
hierro o pedacería de arrabio sólido.
Por cada kilogramo de coque que se consume en el horno, se procesan de 8 a 10 kilogramos de hierro y por
cada tonelada de hierro fundido se requieren 40kg de piedra caliza y 5.78 metros cúbicos de aire a 100 kPa a
15.5°C.
Los hornos de cubilote pueden producir colados de hasta 20 toneladas cada tres horas. Este tipo de equipo
es muy parecido al alto horno, sólo sus dimensiones disminuyen notablememnte. El mayor problema de
estos hornos es que sus equipos para el control de emisiones contaminantes es más costoso que el propio
horno, por ello no se controlan sus emisiones de polvo y por lo tanto no se autoriza su operación.

9. Clasificación de los aceros
Con el fin de estandarizar la composición de los diferentes tipos de aceros que hay en el mercado la Society
of Automotive Engineers (SAE) y el American Iron and Steel Institute (AISI) han establecido métodos para
identificar los diferentes tipos de acero que se fabrican. Ambos sistemas son similares para la clasificación.
En ambos sistemas se utilizan cuatro o cinco dígitos para designar al tipo de acero. En el sistema AISI
también se indica el proceso de producción con una letra antes del número.
Primer dígito. Es un número con el que se indica el elemento predominante de aleación. 1= carbón, 2=
níquel, 3=níquel cromo, 4=molibdeno, 5=cromo, 6=cromo vanadio, 8=triple aleación, 9 silicio magnesio.
El segundo dígito. Es un número que indica el porcentaje aproximado en peso del elemento de aleación,
señalado en el primer dígito. Por ejemplo un acero 2540, indica que tiene aleación de níquel y que esta es
del 5%.
Los dígitos 3 y 4. Indican el contenido promedio de carbono en centésimas, así en el ejemplo anterior se
tendría que un acero 2540 es un acero con 5% de níquel y .4% de carbón.
Cuando en las clasificaciones se tiene una letra al principio esta indica el proceso que se utilizó para elaborar
el acero, siendo los prefijo los siguientes:
A = Acero básico de hogar abierto
B = Acero ácido de Bessemer al carbono
C= Acero básico de convertidos de oxígeno
D = Acero ácido al carbono de hogar abierto
E = Acero de horno eléctrico
Ej: A10XXX
A= Proceso de fabricación
10 = Tipo de acero
X = % de la aleación del tipo de acero
X X= % de contenido de carbono en centésimas.
Lingotes y colada continua
Para fabricar los diferentes objetos útiles en la industria metal metálica, es necesario que el hierro se
presente en barras, láminas, alambres, placas, tubos o perfiles estructurales, los que se obtienen de los
procesos de rolado. El proceso de rolado consiste en pasar a un material por unos rodillos con una forma
determinada, para que al aplicar presión el material metálico adquiera la forma que se necesita. El material
metálico que se alimenta a los rodillos debe tener una forma determinada, esta forma se obtiene al colar en
moldes el metal fundido que será procesado, a estos productos se les llama lingotes o lupias y pueden ser
secciones rectangulares, cuadradas o redondas. Los lingotes (cilindros con un extremo menor que el otro) o
lupias (lingotes de gran tamaño con secciones rectangulares) pueden tener desde 25 kg hasta varias
toneladas, todo dependerá de para qué se van a utilizar y para con qué tipo de rodillos se van a procesar.
Colada continua

10. Cuando se requiere un material de sección constante y en grandes cantidades se puede utilizar el método de
la colada continua, el cuan consiste en colocar un molde con la forma que se requiere debajo de un crisol, el
que con una válvula puede ir dosificando material fundido al molde. Por gravedad el material fundido pasa
por el molde, el que está enfriado por un sistema de agua, al pasar el material fundido por le molde frío se
convierte en pastoso y adquiere la forma del molde. Posteriormente el material es conformado con una
serie de rodillos que al mismo tiempo lo arrastran hacia la parte exterior del sistema. Una vez conformado el
material con la forma necesaria y con la longitud adecuada el material se corta y almacena. Por este medio
se pueden fabricar perfiles, varillas y barras de diferentes secciones y láminas o placas de varios calibres y
longitudes. La colada continua es un proceso muy eficaz y efectivo para la fabricación de varios tipos de
materiales de uso comercial.
Colada continua
Ilustración de colada continua del libro Operación de Máquinas Herramientas de Krar.

11. Algunos elementos químicos en la fundición del hierro
Existen muchos elementos químicos que dan las características de ingeniería a las aleaciones ferrosas, sin
embargo hay algunos que se destacan por sus efectos muy definidos, a continuación se presentan algunos
de estos elementos.
Carbono: Arriba del 4% baja la calidad del hierro, sin embargo se puede decir que es el elemento que da la
dureza al hierro y por medio de sus diferentes formas en las que se presenta, se pueden definir varias
propiedades de las aleaciones y su grado de maquinabilidad. Con base a la cantidad de carbono en el hierro
las aleaciones se pueden definir o clasificar como se observó en los temas anteriores.
Silicio: Este elemento hasta un 3.25% es un ablandador del hierro y es el elemento predominante en la
determinación de las cantidades de carbono en las aleaciones de hierro. El silicio arriba de 3.25% actúa
como endurecedor. Las fundiciones con bajo contenido de silicio responden mejor a los tratamientos
térmicos.
Manganeso: Es un elemento que cuando se agrega a la fundición arriba del 0.5% sirve para eliminar al
azufre del hierro. Como la mezcla producto del azufre y el manganeso tiene baja densidad flota y se elimina
en forma de escoria. También aumenta la fluidez, resistencia y dureza del hierro.
Azufre: No sirve de nada en el hierro, debe ser eliminado y controlado.
Fósforo: Es un elemento que aumenta la fluidez del metal fundido y reduce la temperatura de fusión.