MATERIALES FERROSOS

TEMA 6:
MATERIALES FERROSOS

PROFESOR: QBA MIGUEL ÁNGEL CASTRO RAMÍREZ

TEMA 6: MATERIALES FERROSOS

1. INTRODUCCIÓN

 MATERIALES FERROSOS, son aquellos cuyo constituyente principal es el
hierro. Se pueden clasificar en:

 HIERRO
 ACEROS
 FUNDICIONES
 FERROALEACIONES.


2. EVOLUCIÓN HISTÓRICA DE LA SIDERURGIA
 6000 a. C. se funden objetos de cobre.
 3000 a. C. bronce fundido al alear cobre y estaño.
 1500 a. C. Los hititas (Turquía) utilizan el hierro. Se encuentra en forma de
mineral, y así no tiene utilidad. Hay que separar la mena y la ganga;
descubierto este proceso su utilización aumenta: más abundante que el
cobre, se encuentra en la corteza terrestre, es más duro y resistente.
 1200 a. C. empieza la Edad de Hierro y se propaga por Oriente Medio.
 600 a. C. comienza Edad Hierro en China y Europa.
 s. I los romanos dominan el mundo, organizan la producción de acero y la
fabricación de armas: Damasco, España, Italia, … son centros productores
de hierro.
 700 Aparece la forja catalana, un tipo de horno con cuba de mampostería
provista de tobera lateral para mantener el carbón a mayor Tª.
 1300 Primer Horno Alto, horno de gran capacidad, recibe aire de un fuelle,
hierro en contacto con el carbón y disminuye el punto de fusión, se obtiene
el hierro colado.


 1709-1735 horno de coque, Abraham Darby sustituye el carbón vegetal por
coque, más rico en C, más limpio y menos contaminante.
 1740 acero al crisol. Benjamín Huntsman produce el primer acero al crisol.
Acero de muy buena calidad.
 1784 Horno de pudelar de Cort, el hierro colado procedente al horno alto
se refundía en un horno de reverbero, y se obtenía un hierro forjado de gran
calidad.
 1820-1828 Inyección de aire, Neilson mejora la eficacia del alto horno
haciendo pasar aire a través de una tubería al rojo vivo.
 1855 Bessemer, inventa el afinado por aire, preparación de acero sin fuego.
 1860 Cowper, inventa el recuperador de calor.
 1864 Emile y Pierre Martin funden los primeros aceros con adición de
chatarra.


 1878, Thomas, inventa el revestimiento del convertidor que permite la
desfosforación del hierro.
 1880 Siemens inventa la fabricación de acero por vía electrotérmica.
 1884 1er Horno alto en España
 1902 Heroult, patenta el horno eléctrico de arco.
 1904 1er Horno eléctrico en España
 1930 Colada continua.
 1948, fabricación de acero con convertidores soplados con oxígeno
(procedimiento LD).
 1960 instalación es España de la colada continua.
 1978, en Alemania se pone en marcha el horno eléctrico por inducción.


3. PROCESO SIDERÚRGICO

3.1. MATERIAS PRIMAS

 HIERRO
 CARBÓN DE COQUE
 FUNDENTES


HIERRO

El MINERAL DE HIERRO lleva mezclados:
 La MENA o parte útil: óxidos de hierro
 La GANGA o parte no útil: sílices, cal, alúmina, etc.

MINERAL NOMBRE CIENTÍFICO % en Fe del mineral CARACTERÍSTICAS

MAGNETITA Mineral más puro y rico. Color gris-
72%
(Fe3O4) negruzco, magnético.

HEMATITES
ÓXIDOS 70% Tiene poco fósforo. Color rojizo, gris
(Fe2O3)

LIMONITAS Color ocre. Blandas y fáciles de
60%
2Fe2O3 +3 H2O reducir. Contiene fósforo.

SIDERITA Debe calcinarse en horno de cuba
CARBONATOS 48%
Fe CO3 para pasar a óxido de hierro.

PIRITA Mineral de hierro mezclado con
SULFUROS < 48%
Fe S2 cobre. Color amarillo.


CARBÓN DE COQUE
El CARBÓN es la materia prima para obtener COQUE. Sólo son aptas las hullas
grasas y semigrasas de llama corta, con contenido en materias volátiles entre 22%
y 30%, azufre <1% y cenizas <9%

Misión del coque en el proceso siderúrgico:
 Producir por combustión el calor necesario para la reacción de reducción
(eliminar oxígeno) y fundir la mena dentro del horno.
 Soportar las cargas en el alto horno
 Producir el gas reductor (CO) que transforma los óxidos en arrabio.

¿Cómo se obtiene el coque?
 Calentando a >1000 ºC las hullas.

Características de un buen coque:
 Buena resistencia al aplastamiento
 Baja humedad (<3%)
 Bajo contenido en azufre (<1%)
 Bajo contenido en cenizas (<9%)
 Alto poder calorífico (6500 – 8750 kcal/kg)
 Mínimo contenido en fósforo y azufre (hacen frágil la fundición)


FUNDENTES

Su misión es:
 Combinarse con la ganga y bajar su punto de fusión, para hacer
que la escoria se encuentre fluida.
 Combinarse con las impurezas, pasándolas a ganga.
Los fundentes más utilizados: sílice, caliza (carbonato cálcico) y la dolomía
(carbonato magnésico).
La cantidad de fundente y su naturaleza debe establecerse con mucho
cuidado, dependiendo de la naturaleza y composición de la ganga y la
proporción de impurezas.

Si ganga ácida SiO2 → fundente básico Al2O3, MgO, CaO
Si ganga básica MgO, CaO → fundente ácido SiO2

Si ganga neutra → fundente neutro CrO


La chatarra

• La chatarra de acero es otra materia utilizada para la fabricación
de acero.
• Conjunto de piezas, partes metálicas, etc., de acero, inservibles
y sin ninguna utilidad industrial.
• Puede ser: reciclada, de trasformación, de recuperación.


3.2. EL ALTO HORNO

 Es un horno de cuba formado por dos troncos de cono desiguales unidos
por sus bases mayores.
 Parte interior de mampostería de ladrillos refractarios de 60-100 cm de
espesor
 Parte exterior revestida de plancha de acero reforzada con zunchos.

Partes del alto horno: (de arriba abajo)
a) Tragante
b) Cuba
c) Vientre
d) Etalajes
e) Crisol


3.2.1. PROCESO DE OBTENCIÓN DEL ARRABIO

 En la parte superior de la cuba se produce el secado, precalentamiento y
deshidratación a Tª 200 – 450ºC
 En la parte inferior de la cuba, es la zona de reducción 400 – 1200ºC
 En los etalajes zonas de carburación y fusión 1800ºC
 La ganga se ha combinado con el fundente formando la escoria que sale
por la bigotera.
 Por la piquera sale el arrabio


3.2.2. PRODUCTOS DEL ALTO HORNO

 ARRABIO, producto principal del Alto Horno. 90-95% de hierro. Puede ser
de dos tipos:
a) Hematites, para piezas fundidas en molde
b) Básico, para fabricación de acero en convertidor soplado por oxígeno.

 ESCORIA, material de desecho que sobrenada el arrabio en el crisol, por
su menor densidad. Sus aplicaciones son:
a) Áridos para hormigón
b) Aislantes térmicos
c) cementos


4. PROCEDIMIENTOS DE OBTENCIÓN DEL ACERO

Para la obtención del acero se utilizan como materias primas el arrabio
liquido del alto horno y la chatarra de acero.
Se diferencian en la forma y tipo de energía aportada:

 MARTIN - SIEMENS
 BESSEMER - THOMAS
 CONVERTIDOR LD
 HORNOS ELÉCTRICOS


4.1. PROCEDIMIENTO MARTIN - SIEMENS
• Permite cargas de tipo sólido, líquido o mixto.
• Permite distintos tipos de mezclas, luego se obtienen
productos definidos.
• La solera puede ser ácida, básica o neutra.
• Según la proporción de gas-aire podemos tener una
atmósfera oxidante (para quemar o descarburar), reductora
(para eliminar el oxígeno) o neutra (para mantener la Tª).
• Los gases del horno se les hace pasar por cámaras
calentándolas; luego se invierte el sentido, hacía otras cámaras
frías. La corriente gaseosa atraviesa el horno en un sentido y
otro alternativamente.


4.2. CONVERTIDOR BESSEMER - THOMAS
• Permite descarburar la fundición gracias a una corriente de
aire comprimido que atraviesa la masa de fundición líquida
contenida en el convertidor.
• Tres fases: llenado, soplado y vaciado.
•El proceso se puede detener cerrando la entrada de aire.
• Bessemer revestimiento ácido, Thomas básico.


4.3. CONVERTIDOR LD
• El oxígeno se inyecta a alta presión (10-14 at.)a través de un
tubo refrigerado (lanza).
• Fases del proceso:
 Carga
 soplado y afino
 Colada o vaciado


4.4. HORNO ELÉCTRICO

Fusión de chatarra por medio de una corriente eléctrica y
posterior afino del baño fundido. Hay dos tipos de hornos:
a) DE ARCO ELÉCTRICO
b) DE INDUCCIÓN
Ventajas:
 Fácilmente regulable.
 Calentamiento rápido.
 Se mantiene la Tª a voluntad, y muy elevadas.
 No hay gases en la combustión (menos impurezas).
 El revestimiento interior puede ser ácido o básico (distintos
tipos de fundiciones).


4.5. COLADA DEL ACERO

• El ACERO sale del horno en estado líquido, hay que
solidificarlo, varios métodos:
 Vertiendo el acero sobre moldes de forma establecida
(acero moldeado)
 Colar el acero líquido sobre moldes prismáticos
(lingoteras), para transformarlo luego por laminación o
forja.
 Colada continua del acero obteniendo directamente el
semiproducto deseado.


4.6. OBTENCIÓN DE PRODUCTOS COMERCIALES

• Hay distintos caminos para obtener el acero sólido, pero es
necesario transformarlo en productos comerciales. Se realiza
por los siguientes procedimientos:
 Laminación
 Forja
 Estampación
 Moldeo

La laminación consiste en hacer pasar un material entre dos rodillos
o cilindros que giran a la misma velocidad y en sentidos opuestos, y
reducen la sección transversal mediante la presión ejercida por éstos.
Puede realizarse en frío o en caliente (800 – 1250º C)


5. ESQUEMA DE UNA SIDERÚRGIA INTEGRAL


6. PRODUCTOS SIDERÚRGICOS

 HIERRO DULCE (cuando C entre 0.008 – 0.025 %)
 ACEROS (0.025 – 2.1 %)
 FUNDICIONES (2.1 – 6.67 %)
 GRAFITO (>6.67 %)
 FERROALEACIONES


CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS

ACEROS AL CARBONO Presencia de otros
O NO ALEADOS elementos < 0.7%

• COMPOSICIÓN

ACEROS ESPECIALES De baja aleación: 1 – 5 %
O ALEADOS
De alta aleación: > 5%

F significa producto ferroso
• DESIGNACIÓN NUMÉRICA 1ª cifra indica la serie
UNE 36000 2ª cifra indica el grupo
3º cifra indica el individuo
4º cifra numeración cronológica


ALEACIONES

• Ni > Resistencia < Oxidación
• Cr > Resistencia > Dureza
• Cr-Ni >> Resistencia< Oxidación > Dureza 18% Cr- 8% Ni – Inox
2% Cr- 5% Ni
• Si > 0,3% > Elasticidad Resortes
• Mg Neutraliza al azufre para temple p/alto desgaste
• Al 1,5% > dureza superficial
• Mo > Resistencia tracción para temple
• V < Fragilidad Resortes y herramientas
• W > Dureza Herramientas
• Co -W >> Dureza Herramientas
• Ti < Oxidación


PRESENTACIÓN COMERCIAL DEL ACERO

 Productos planos, planchas y chapas de 0.5 – 3 mm
 Productos largos, sección pequeña y gran longitud, barras de
distintas secciones:
 Cuadrada
 Rectangular (pletina)
 Redonda
 Exagonal
 Media caña
 Triangular
 Alambre

 Perfiles, formas variadas y longitud variable: angular de lados iguales (L),
angular de lados desiguales (L), angular en I, H (o doble T), en U, en T, perfiles tubulares
(redondo, cuadrado, perfilado)


FUNDICIONES
• FUNDICIÓN GRIS, presenta el C en forma de grafito laminar:
 Funde a 1200º C
 Tenaz, pero poca dureza
 Soporta altas presiones y temperaturas sin dilatarse
 FUNDICIÓN BLANCA, presenta el carbono en forma de carburo de hierro Fe3C
(cementita) de color blanco.
 Funde a 1150º C
 Es muy dura, pero frágil
 Difícil de mecanizar por su dureza.
 FUNDICIÓN ATRUCHADA, propiedades mezcla de las anteriores.
 FUNDICIÓN MALEABLE PERLÍTICA, mediante recocido a 900º C de la fundición
blanca se produce a su descarburación (de 2-4% a 1-1.5%), eliminando la fragilidad,
aumentando la resistencia a tracción.
 FUNDICIÓN MALEABLE BLANCA, el C de la cementita, ha desaparecido total o
parcialmente.
 FUNDICIÓN MALEABLE NEGRA, C de la cementita precipita en copos de grafito.
 FUNDICIÓN DE GRAFITO ESFEROIDAL O NODULAR, por adición de Cerio o Mg


FERROALEACIONES
PRODUCTOS SIDERÚRGICOS QUE CONTIENEN ADEMÁS DEL HIERRO, UNO O VARIOS
ELEMENTOS QUE LO CARACTERIZAN. Se emplean como materia prima para procesos
metalúrgicos: Ferromanganesos, Ferrocromos, Ferrosilicios, Ferrovanadios, Ferroníquel,
Ferrovolframio.

CONGLOMERADOS FÉRREOS

Formados por la unión entre sí de distintos tipos de polvos metálicos. Se
pueden comprimir en un molde a altas presiones y temperaturas, obteniéndose
una masa compacta solidificada. El proceso se llama siterizado o metalúrgia
de polvos.

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