T9 LOS METALES FERROSOS

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Rosa Hidalgo Álvarez
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1 T9 LOS METALES FERROSOS Índice 1. Generalidades acerca de los metales 1.1 Estructuras cristalinas 1.2 Aleaciones. Soluciones sólidas. 2. Los metales ferrosos 2.1 Productos férreos industriales 3. El proceso siderúrgico 3.1 Evolución histórica de la siderurgia 3.2 El alto horno La materia prima: mineral de hierro, carbón de coque, fundente El alto horno Partes Proceso Obtención del arrabio y la escoria 4. Procedimientos de obtención del acero 4.1 Convertidor LD 4.2 Horno eléctrico: de arco y de inducción. Chatarra y ferroaleaciones. 4.3 Colada del acero Colada convencional Colada sobre lingoteras Colada continua 4.4 Laminación 5. Productos siderúrgicos 4.5 Diagrama hierro-carbono 4.6 Hierro dulce 4.7 Aceros y elementos de aleación. Clasificación de los aceros. 4.8 Fundiciones 6. Corrosión metálica (Ed Donostiarra p. 84) Tecnología Industrial I T9 Los metales ferrosos 1

Procedimientos de obtención del acero 4.1 Convertidor LD 4.2 Horno eléctrico: de arco y de inducción. Chatarra y ferroaleaciones. 4.3 Colada del acero Colada convencional Colada sobre lingoteras Colada continua 4.

1. Generalidades acerca de los metales Todos los metales, excepto el mercurio, poseen unas características comunes que dependen de su estructura interna como: Superficie brillante.

2 1. Generalidades acerca de los metales Todos los metales, excepto el mercurio, poseen unas características comunes que dependen de su estructura interna como: Superficie brillante. Elevada conductividad al calor y a la electricidad Elevada resistencia mecánica, maleabilidad y ductilidad. Carácter reciclable ya que se pueden volver a fundir y conformar de nuevo. 1.1 Estructuras cristalinas Los cuerpos sólidos se pueden presentar en dos estados fundamentales: Cristalino. Cuando están formados por átomos perfectamente ordenados en el espacio, como los metales, los materiales cerámicos y algunos polímeros. Amorfo. No poseen ordenación espacial, como los vidrios y la mayoría de los polímeros. La estructura espacial de un sólido cristalino se construye a partir de una unidad repetitiva o celda unidad, que queda definida por el valor de sus aristas y ángulos. Los átomos se sitúan en los vértices de estas celdas, en las caras o en el centro. Existen siete sistemas cristalinos (ver tabla). (Everest p 151) La repetición de las celdas en el espacio da lugar a las llamadas redes cristalinas simples. La mayoría de los metales cristalizan en estos tipos de redes: Cúbica simple (CS) Cúbica centrada en el cuerpo (BCC) Cúbica centrada en las caras (FCC) Hexagonal (HCP) 1.2 Aleaciones. Soluciones sólidas Llamamos aleación a la mezcla de dos metales o un metal con otra sustancia (ej. carbono) de forma que el metal siempre está en mayor proporción. Se dice que dos metales en estado sólido son solubles entre sí cuando en la red cristalina de uno de ellos algunos de sus átomos se pueden sustituir por átomos de otro metal, formando entonces una solución sólida de sustitución. También puede ocurrir que existan en la red una serie de huecos en los que se pueden introducir átomos de otro metal, originándose así una solución sólida de inserción. Tecnología Industrial I T9 Los metales ferrosos 2

1 Estructuras cristalinas Los cuerpos sólidos se pueden presentar en dos estados fundamentales: Cristalino.

3 2. Los metales ferrosos Los materiales ferrosos o férricos son aquellos cuyo constituyente base es el hierro (Fe). Sus aplicaciones son diversas: estructuras de todo tipo, máquinas herramientas, vehículos, etc. Características principales: Superficie brillante, de color blanco azulado. Punto de fusión 1535 ºC, aunque disminuye al aumentar el contenido de carbono. Elevada conductividad al calor y a la electricidad Elevada resistencia mecánica, maleabilidad y ductilidad. Densidad: 7.87 g/cm 2 El hierro es un metal químicamente activo (se combina con halógenos, S, P, C y Si) y expuesto al aire se corroe formando el orín (Fe 2 O 3 H 2 O). Existen cuatro variedades alotrópicas del hierro (diferentes tipos de estructuras cristalinas) estables a diferentes intervalos de temperatura y de contenido en carbono, que condicionan sus propiedades. 2.1 Productos férreos industriales Según el contenido en carbono se distinguen los siguientes productos férreos industriales: Hierro dulce. Cuando el porcentaje de carbono es inferior a 0,03 %. Acero. Cuando el contenido de carbono está comprendido entre 0,03 y 1,67 %. Fundición. El porcentaje de carbono está comprendido entre 1,67 y 6,67%. Las aleaciones con un contenido de carbono superior al 5% carecen de interés industrial, ya que son extremadamente frágiles. 3. El proceso siderúrgico La siderurgia comprende una serie de operaciones mediante las cuales se obtiene un metal férreo. Abarca desde el proceso de extracción del mineral de hierro, hasta el posterior afino y presentación comercial. Hay dos formas de obtener el hierro según la energía utilizada para fundirlo: A partir del alto horno usando carbón de coque Mediante hornos eléctricos o magnéticos. 3.1 Evolución histórica de la siderurgia 1700 a.c. Los hititas comienzan a utilizar el hierro en sus armas 600 a.c. Los celtas mejoran la calidad del hierro 700 Aparece la forja catalana, un nuevo tipo de horno con carbón vegetal 1300 Primer alto horno utilizando carbón y un fuelle para insuflar aire 1784 Horno de pudelar de Cort, que reduce el porcentaje de carbono 1856 Bessemer inventa el afinado por aire para la obtención del acero Martin-Siemens mejora el procedimiento de obtención del acero y aplica la vía electrotérmica Se instala el primer alto horno en España 1904 Primer horno eléctrico en España 1965 Primera acería en España con convertidor del tipo LD 1978 El empresa alemana Krupp pone en marcha el primer horno por inducción magnética Tecnología Industrial I T9 Los metales ferrosos 3

Punto de fusión 1535 ºC, aunque disminuye al aumentar el contenido de carbono. Elevada conductividad al calor y a la electricidad Elevada resistencia mecánica, maleabilidad y ductilidad. Densidad: 7.

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5 3.2 El alto horno Hoy en día, el hierro se obtiene principalmente de sus óxidos mediante un proceso de reducción química que se lleva a cabo en el alto horno. Esta reducción la produce el coque incandescente, que sirve también para proporcionar el calor necesario para fundir el mineral. El producto obtenido es un hierro con mucho carbono y otros elementos aleantes, como fósforo y silicio, llamado arrabio y que sirve como materia prima para obtener acero y fundición. En la página anterior se muestra el proceso que se sigue para la obtención del acero. Veremos cada uno de esos pasos La materia prima del alto horno (1) El hierro es un mineral muy abundante en la naturaleza (constituye el 4,7 % de la superficie de la Tierrra) y se encuentra en forma de óxidos, carbonatos y sulfuros. Al extraerlo de la mina no se encuentra en estado puro, sino combinado con otros elementos. El primer tratamiento, antes de introducirlo en el horno, consiste en separar la parte útil (mineral de hierro) llamada mena, de la no aprovechable (tierra, rocas, sílice ) llamada ganga. Tecnología Industrial I T9 Los metales ferrosos 1

El producto obtenido es un hierro con mucho carbono y otros elementos aleantes, como fósforo y silicio, llamado arrabio y que sirve como materia prima para obtener acero y fundición.

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7 Formas alotrópicas del hierro Hierro alfa (α): Cristaliza a 768 ºC. Su estructura cristalina es BCC con una distancia interatómica de 2.86 Å. Prácticamente no disuelve en carbono. Hierro gamma (γ): Se presenta de 910ºC a 1400ºC. Cristaliza en la estructura cristalina FCC con mayor volumen que la estructura cristalina de hierro alfa. Disuelve fácilmente en carbono y es una variedad de Fe amagnético. Hierro delta (δ): Se inicia a los 1400ºC y presenta una reducción en la distancia interatómica que la hace retornar a una estructura cristalina BCC. Su máxima solubilidad de carbono es 0.007% a 1487ºC. No posee una importancia industrial relevante. A partir de 1537ºC se inicia la fusión del Fe puro. Tecnología Industrial I T9 Los metales ferrosos 3

Disuelve fácilmente en carbono y es una variedad de Fe amagnético.

8 Fases presentes: α: (Ferrita): Es una solución sólida de carbono con una solubilidad a temperatura ambiente muy pequeña. Es la fase más blanda y dúctil de los aceros. Cristaliza en una estructura BCC. Tiene una dureza de 95 Vickers y una resistencia a la rotura de 28 Kg. /mm2, llegando a un alargamiento del 35 al 40%. Presenta propiedades magnéticas. En los aceros aleados, suele contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en disolución sólida sustitucional. Al microscopio aparece como granos monofásicos, con límites de grano más irregulares que la austenita. γ: (Austenita). Es la fase más densa de los aceros. Está formado por la solución sólida por inserción de carbono. La proporción de carbono disuelto varía desde el 0% al 1.76%, correspondiendo este último al porcentaje de máxima solubilidad a la temperatura de 1130 ºC. La austenita comienza a formarse a la temperatura de 723ºC. Posee una estructura cristalina FCC, una dureza de 305 Vickers, una resistencia de 100 Kg. /mm 2 y un alargamiento de un 30 %. No presenta propiedades magnéticas. δ: Hierro delta Cem: (Cementita- Carburo de Hierro) Es carburo de hierro y por tanto su composición es de 6.67% de C. Es la fase más dura y frágil de los aceros, alcanzando una dureza de 960 Vickers. Cristaliza formando un paralelepípedo ortorrómbico de gran tamaño. Es magnética hasta los 210ºC, temperatura a partir de la cual pierde sus propiedades magnéticas. Grafito Perlita Es la fase formada por el enfriamiento lento de la austenita. Tiene una dureza de aproximadamente 200 Vickers, con una resistencia a la rotura de 80 Kg. /mm 2 y un alargamiento del 15%. Cada grano de perlita está formado por láminas de cementita y ferrita. Led: (Ledeburita) Los metales 4 El acero Los metales 3 El hierro metalografía. Web de Diagrama hierro carbono Tecnología Industrial I T9 Los metales ferrosos 4

En los aceros aleados, suele contener Ni, Mn, Cu, Si, Al en disolución sólida sustitucional. Al microscopio aparece como granos monofásicos, con límites de grano más irregulares que la austenita.

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