PROCESOS DE MANUFACTURA INTRODUCCIÓN A LOS PROCESOS SIDERÚRGICOS. Proceso siderúrgicos

Transcripción

1 PROCESOS DE MANUFACTURA INTRODUCCIÓN A LOS PROCESOS SIDERÚRGICOS 1 Proceso siderúrgicos Se denomina de esta manera a la serie de pasos consecutivos que nos llevarán desde una materia prima como el mineral de hierro y el carbón de coque, hasta un producto final como el acero. 1. MATERIA PRIMA DEL PROCESO SIDERÚRGICO Mineral de Hierro Mineral que contiene hierro (mena), principalmente en forma de óxido, en proporción suficiente como para ser una fuente comercialmente viable de dicho elemento para su uso en procesos siderúrgicos

2 Pellets o Pellas Aglomerados esféricos de partículas finas de mineral de hierro mezclado con diversos aglomerantes y aditivos (caliza, dolomita, combustibles sólidos, otros), para alimentación de altos hornos y hornos de reducción directa 2 COQUERÍA Sinter La coquización consiste en la destilación del carbón en ausencia de oxígeno, para obtener coque metalúrgico. El proceso de Coquización comienza con el transporte del carbón desde la playa de minerales hasta los molinos, para obtener la granulometría adecuada. El SINTER, que se utiliza como portador de hierro en la carga del Alto Horno, es en parte un material reciclado. Es un aglomerado en caliente de finos.los finos se cargan a un mezclador junto con agua y luego esa mezcla es volcada a la cadena desinterización. ALTO HORNO Al salir de la cadena de sinterización, dicho producto pasa por un quebrantador lo clasifica en dos granulometrías. Los finos que pasan la zaranda son reciclados, el resto del material es enviado al Alto Horno. El ALTO HORNO es un horno vertical, alto, ensanchado en el vientre, cuyo objetivo principal es producir arrabio líquido de composición AFINADO DEL ACERO El acero líquido, proveniente del convertidor, debe ser mejorado o acondicionado en su composición química. Este proceso se denomina afinado del acero.

3 Resumen del Proceso General El proceso comienza con la obtención de materias primas: el mineral de hierro y el carbón de coque. Prosigue con la coquización del carbón. El coque obtenido se utiliza luego en el alto horno para reducir el mineral de hierro y obtener arrabio líquido, que es una solución de hierro con alto contenido en carbono e impurezas. El arrabio se envía en vagones termo a la acería para bajarle la concentración de carbono y eliminarle las impurezas de azufre y fósforo. En un proceso de afino posterior se le adicionan los minerales y ferro-aleaciones que sean necesarios para obtener el tipo de acero que se necesita. El acero líquido que se obtiene en la aceración se solidifica en la máquina de colada continua. A la salida de la máquina se obtienen productos planos, llamados desbastes, de variadas imensiones y pesos que se exportan directamente o se envían al proceso de laminación en caliente o de laminación en frío. 3 Producción de hierro Para producir hierro se deja caer por la parte superior de un alto horno una carga de menas de hierro, coque y piedra caliza. La carga desciende lentamente desde lo alto del horno hacia la base y en el trayecto alcanza temperaturas alrededor de 1650 C. Existen gases calientes que realizan la combustión del coque conforme pasan atreves de la carga de materiales. El hierro fundido escurre hacia abajo acumulándose en la base del alto horno y se vacía periódicamente en carros cuchara. Es interesante hacer notar que se requieren aproximadamente 7 toneladas de materia prima para producir una tonelada de hierro. Productos obtenidos del alto horno Humos y gases residuales.- Se producen como consecuencia de la combustión del coque y de los gases producidos en la reducción química del mineral de hierro que, en un elevado porcentaje, se recogen en un colector situado en la parte superior del alto horno(dióxido de carbono, monóxido de carbono y óxidos de azufre) Escoria.- Es un residuo metalúrgico que a veces adquiere la categoría de subproducto, ya que se puede utilizar como material de construcción, bloques o como aislante de la humedad y en la fabricación de cemento y vidrio. Fundición, hierro colado o arrabio.- Es el producto propiamente aprovechable del alto horno y está constituido por hierro con un contenido en carbono que varía entre el 2% y el 5%. En ocasiones, a este metal se le denomina hierro de primera fusión. Partes del alto horno La cuba: Tiene forma troncocónica y constituye la parte superior del alto horno por la zona más estrecha y alta de la cuba

4 La carga la componen: Combustible: que generalmente es carbón de coque, este carbón se obtiene por destilación del carbón de hulla y tiene alto poder calorífico. 4 Fundente: Puede ser piedra caliza o arcilla. El fundente se combina químicamente con la ganga para formar escoria, que queda flotando sobre el hierro líquido, por lo que se puede separar Etalaje: Está separada de la cuba por la zona más ancha de esta última parte, llamada vientre Crisol: donde se va depositando el metal líquido. Hornos de Refinación El objetivo principal del horno para fabricación de acero es quitar al hierro de primera fusión la mayor parte del carbono. Luego se agrega una cantidad medida de carbono al acero fundido para darle las propiedades deseadas. También se utiliza desperdicio de acero y se agregan otros elementos para mejorar las propiedades del acero. Los hornos de refinación pueden ser de varios tipos, en realidad puede ser cualquier horno al que por medio de aire u oxígeno que se obtenga hierro con carbón controlado, sin embargo se pueden mencionar dos de los hornos más conocidos para este fin: Horno de Aire o Crisol y Horno de Cubilete Horno de Aire o Crisol 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. Hornos de Cubilete 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

5 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. 5 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 cual es suministrada por un sistema de moto generador.. El tiempo de fusión toma entre 50 y 90 min, fundiendo cargas de hasta 3.6 toneladas. TIPOS DE HIERRO Hierro blanco. En pocos casos estas características de dureza quebradiza son aceptables o aun deseables, en particular cuando se necesita un material resistente al desgaste de bajo costo y baja resistencia. Hierro maleable. El carburo de hierro en la ledeburita eutéctica no esta en completo equilibrio. Un tratamiento térmico adecuado del hierro blanco provoca que la mayoría del carbono combinado se disocie.

6 Hierro dúctil. Un hierro de resistencia superior y ductilidad llamado hierro fundido dúctil puede producirse mediante adiciones en cucharón de pocas centésimas de un porciento de magnesio o cerio. 6 Hierro gris. En la producción del hierro maleable es necesario producir primero hierro blanco, sin embargo si durante la solidificación intervienen grandes cantidades de carbono o silicio y si la relación de enfriamiento es baja, algo del carbono se precipitara como hojuelas de grafito. Un hierro fundido que tiene carbono en esta forma se llama hierro gris. El hierro electrolítico. Es el más puro, cerca de un 99.99% se usa en investigación y otros propósitos en los que se requiere de un metal puro. El hierro de lingote. Contiene alrededor de 0.1% de impurezas (inclusive cerca de 0.01% de carbono), se usa en aplicaciones en las que se necesitan ductilidad o resistencia a la corrosión elevadas. El hierro forjado. Contiene un 3% de escoria pero muy poco carbono, y se le da forma con facilidad en operaciones de formado en caliente, como la forja. Tiene una resistencia a la tensión de cerca de 350 Mpa. El hierro colado. Tiene un contenido de carbono por arriba de 2.1% y hasta 4% o 5% es denominado de esta manera. CLASIFICACION DE LOS ACEROS Existe una gran variedad en la forma de identificar y clasificar a los aceros. Sin embargo, la mayoría de los aceros utilizados industrialmente presentan una designación normalizada expresada por medio de cifras, letras y signos. Hay dos tipos de designaciones para cada tipo de material, una simbólica y otra numérica. La designación simbólica expresa normalmente las características físicas, químicas o tecnológicas del material y, en muchos casos, otras características suplementarias que permitan su identificación de una forma más precisa. La designación numérica expresa una codificación alfanumérica que tiene un sentido de orden o de clasificación de elementos en grupos para facilitar su identificación. En este caso, la designación no tiene un sentido descriptivo de características del material. En general, cuando se acomete el tema de hacer una clasificación de los aceros, ésta dará resultados diferentes según el enfoque que se siga. Así, se puede realizar una clasificación según la composición química de los aceros, o bien, según su calidad. También se pueden clasificar los aceros atendiendo al uso a que estén destinados, o si se quiere, atendiendo al grado de soldabilidad que presenten.

7 Dada la gran variedad de aceros existentes, y de fabricantes, ha originado el surgir de una gran cantidad de normativa y reglamentación que varía de un país a otro. 7 Para clasificar el acero se pueden utilizar varios métodos: Según el contenido de carbono: se clasifica de dos formas como hipoeutectoides, eutectoides, hipertectoides; o bien de bajo carbono, medio carbono y alto carbono. Según su utilización: Generalmente se refiere al uso final que se le dará al acero, como acero para maquinas, para recortes, para calderas, estructural o acero para herramientas. Según el método de fabricación o manufactura: Este da lugar a acero Bessemer, de hogar abierto, de horno eléctrico, de crisol, acero al oxígeno, etc. Según su composición química: Este método indica por un sistema numérico el contenido aproximado de los elementos importantes en el acero. La norma SAE (Society of Automotive Engineers) clasifica los aceros en distintos grupos, a saber: Aceros al carbono Aceros de media aleación Aceros aleados Aceros inoxidables Aceros de alta resistencia Aceros de herramienta, etc. En el sistema de SAE, el prefijo se localiza antes del código de identificación de cuatro dígitos que explica el método usado para crear el acero. Una "A" significa que el acero es una aleación hecha a partir de un núcleo abierto. La "B" significa que se trata de un acero al carbón hacho usando el proceso Bessemer. La "C" significa que se trata de un acero al carbón hecho a partir del proceso básico de núcleo abierto. La "D" significa que se trata de un acero al carbón hecho con un proceso de núcleo abierto y ácido. La "E" significa que el acero se hizo en un horno eléctrico. Aceros al Carbono Estos aceros contienen carbono como principal elemento de aleación, con solamente pequeñas cantidades de otros elementos. La resistencia de los aceros al carbono se incrementa con el contenido de carbono. De acuerdo a un esquema de especificaciones desarrollado por la American Iron and Steel Institute (AISI) y la Society of Automotive Engineers (SAE), los aceros al carbono se especifican por un sistema de numeración de cuatro dígitos: 10 XX, donde 10 indica que el acero es

8 al carbono, y XX indica el porcentaje de carbono en cientos o puntos porcentuales. Por ejemplo, el acero 1020 contiene 0.20% de carbono. Los aceros al carbono se clasifican típicamente en tres grupos de acuerdo con su contenido de carbono: 8 1. Aceros al bajo carbono, con menos de 0.20% de carbono, son por mucho los aceros más ampliamente usados. Sus aplicaciones típicas son partes de lámina metálica para automóviles, plancha de acero para la fabricación y rieles de ferrocarril. 2. Los aceros al medio carbono fluctúan en contenido de carbono entre el 0.2 y 0.50% y se especifican para aplicaciones que requieren resistencias mayores que las de los aceros al bajo carbono. Sus aplicaciones incluyen componentes de maquinaria y partes de motores, como cigüeñales y acoplamientos. 3. Los aceros al alto carbono en cantidades mayores al 0.50%. Se especifican aun para aplicaciones de alta resistencia y donde se necesita rigidez y dureza. Algunos ejemplos son los resortes, las herramientas de corte y las cuchillas, así como las partes resistentes al desgaste. Aceros de baja aleación Los aceros de baja aleación son aleaciones hierro-carbono que contienen elementos aleantes adicionales en cantidades que totalizan menos del 5% en peso, aproximadamente. Debido a estas adiciones, los aceros de baja aleación tienen propiedades mecánicas que son superiores a los aceros al carbono para las aplicaciones dadas. Las propiedades superiores significan usualmente mayor resistencia, dureza, dureza en caliente, resistencia al desgaste, tenacidad y combinaciones más deseables de estas propiedades. Con frecuencia se requiere el tratamiento térmico para lograr el mejoramiento de estas propiedades. Los elementos comunes que se añaden a la aleación son el cromo, el manganeso, el molibdeno, el níquel y el vanadio, algunas veces en forma individual, pero generalmente en combinación. Aceros Inoxidables Son un grupo de aceros inoxidables altamente aleados y diseñados para suministrar una alta resistencia a la corrosión. Los principales elementos de aleación en el acero inoxidable son el cromo, usualmente arriba del 15%. El cromo forma en la aleación una delgada película impermeable de óxido (bajo atmósfera oxidante) la cual protege a la superficie de la corrosión. La mayoría de los aceros inoxidables se designan por un esquema de numeración de tres dígitos AISI. El primer dígito indica el tipo general y los dos últimos dígitos dan el grado específico dentro del tipo. Aceros de herramientas Los aceros de herramienta son una clase de aceros de alta aleación diseñados para usarse como herramientas industriales de corte, dados y moldes. Para cumplir adecuadamente con su desempeño en estas aplicaciones deben poseer alta resistencia, dureza, dureza en caliente,

9 resistencia al desgaste y tenacidad al impacto. Estos aceros se tratan térmicamente para obtener estas propiedades. Las razones principales para los altos niveles de elementos de aleación son: 1) templabilidad mejorada, 2) reducción de la distorsión durante el tratamiento térmico, 3) dureza en caliente. 4) formación de carburos metálicos duros para resistencia a la abrasión y 5) tenacidad mejorada. 9 Aceros aleados Son aceros que contienen elementos de adición que, como resultado de transformaciones químicas o estructurales, ofrece cualidades especiales o mejoran las propiedades normales del acero. Los elementos de aleación más frecuentes que se utilizan para la fabricación de aceros aleados son: níquel, manganeso, cromo, vanadio, wolframio, molibdeno, entre otros. Los aceros aleados se fabrican a partir de aceros siemens-kartin, en pequeñas hornadas. El acero en bruto se calienta en un crisol (caldeo por combustión de gas), obteniéndose el acero al crisol, en un recipiente caldeado eléctricamente (acero eléctrico) juntos con los elementos de aleación. Elementos Características que comunican a los aceros Niquel Tenacidad, resistencia a la fatiga y al choque, dureza Cromo Gran dureza, tenacidad, resistencia a la tracción Manganeso Dureza, resistencia a la abrasión, difícil de mecanizar Vanadio Resistencia a la deformación al choque y a la fatiga Tungsteno Molibdeno Silicio Dureza, especialmente elevadas temperaturas Gran tenacidad, dureza, resistencia a la fatiga Extremada dureza, fragilidad, resistencia a la corrosión

10 APLICACIONES 10 ELEMENTO APLICACION NIQUEL CROMO MANGANESO VAINADO El níquel se emplea como protector y como revestimiento ornamental de los metales En procesos de cromado. También se utiliza en el anodizado del aluminio. Se emplean en componentes de automóviles, como llantas, y en maquinaria diversa Fabricación de aceros de herramientas TUNGSTENO MOLIBDENO SILICIO El Tungsteno es aplicado en industria aeroespacial para aplicaciones de alta temperatura la que incluye aplicaciones eléctricas, de calefacción y soldadura Como catalizador en la industria petrolera. En concreto, es útil para la eliminación de azufre. Como material refractario, se usa en cerámicas, vidriados y esmaltados Utilizando aceros aleados se puede lograr - Piezas de gran espesor con elevadas resistencias en su interior- Grandes durezas con tenacidad - Mantener una resistencia elevada a grandes temperaturas - Aceros inoxidables - Aceros resistente a la acción de agentes corrosivos - Herramientas que realicen trabajos muy forzados y que no pierdan dureza al calentarse

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