07 - Aceros Año 2017 19/09/2017 Aceros 1 Contenido Definiciones Fabricación del acero Clasificación 19/09/2017 Aceros 2
Definiciones Acero: son aleaciones Fe-C, deformable plásticamente, con contenido de C menor a 1,9% y que además contiene otros elementos agregados de forma accidental (impurezas) o deliberada (aleantes). (IRAM-IAS U 500-01) Steel: a material that conforms to a specification that requires, by mass percent, more iron than any other element and a maximum carbon content of generally less than 2. (ASTM A 941) 19/09/2017 Aceros 3 Fabricación Materias primas Mineral de hierro Carbón Fundentes (caliza, dolomita) Chatarra Hierro esponja (HRD) Gas natural Arrabio Aire caliente Energía!!! Planta de fabricación de acero Producto terminados Largos: barras, perfiles, alambrón Planos: chapas, fleje Huecos: caño, tubo Productos finales barra maciza, perfil, tubo, caño, hojalata, chapa cincada, alambre, cable 19/09/2017 Aceros 4
ENTRADAS aglomerado de mineral de hierro + C + (H) Arrabio Hierro de reducción directa (hierro esponja) Chatarra O 2 + desulfurantes + Ar Energía Fabricación Reducción del mineral Acondicionamiento de la composición SALIDAS Arrabio (Fe 4%C) Hierro de reducción directa (hierro esponja) (Fe 1,5%) Acero líquido con una determinada composición Acero líquido con una determinada composición Lingote de acero Acero de colada continua 19/09/2017 Solidificación Conformado (semiterminados y terminados) Lingote de acero Acero de colada continua Semiterminados tocho, planchón, llantón palanquilla, redondo Terminados chapa fina o gruesa, barra, perfil, tubo, caño, alambrón Reducción Alto horno - más clásico - Alto: ~50 m ~Diámetro de 10 m - C (coke) + aire caliente CO (agente reductor) - C fuente de S - CaCO 3 forma escoria que elimina SiO 2, Al 2 O 3 y otras impurezas - mayor volumen de producción Arrabio - Fe + ~4%C + Mn + Si + >0,05%S + 0,5%P - líquido (puede colarse) Reducción directa - alternativa al alto horno - inversión menor - menor volumen producción - CO o H 2 (agentes reductores) - reducción en estado sólido a 600 C 1000 C - gran variedad de tecnología - se utiliza junto con hornos eléctricos Hierro de reducción directa (DRI) - Fe + Fe 2 O 3 + 1,5%C + 0,005-0,03%S + SiO 2 + Al 2 O 3 - Sólido (caliente) riesgo de oxidación 19/09/2017 Aceros 6
Alto horno 3Fe 2 O 3 (s) + CO(g) 2F 3 O 4 (s) + CO 2 (g) Fe 3 O 4 (s) + CO(g) 3FeO(s) + CO 2 (g) FeO(s) + CO(g) Fe(l) + CO 2 (g) CO, CO 2 Fe 2 O 3 Fe 3 O 4 + impurezas (Al 2 O 3 y SiO 2 Coque CaCO 3 CaSiO 3 y Ca(AlO 2 ) 2 Fe +4%C +S+P+Mn+Si 7 Reducción directa: Midrex Gas natural Carbón Utilizado por Tenaris (400.000 t/año) y Acindar (600.000 t/año) pelet 8 briqueta
Acondicionamiento de la composición Acondicionado del %C +O 2 CO, CO 2 Acondicionado del %Mn y %Si +O 2 MnO, SiO 2 Eliminación de impureza S y P (eliminados con Ca), minerales no reducidos Ácido SiO 2, P 2 O 5 Básico CaO, MgO Acondicionamiento de la composición Convertidores Básicos de Oxígeno (BOF) C, Mn, Si + O 2 energía no es necesario calentar para mantener el metal líquido Revestimiento básico (CaO) S y P bajos niveles Materia prima: arrabio líquido + chatarra (25-35%)
Acondicionamiento de la composición Qué función cumple el oxígeno en los convertidores básicos de oxígeno? Por qué se denominan básicos? Acondicionamiento de la composición Horno de arco eléctrico 19/09/2017 Aceros 12
Acondicionamiento de la composición Horno de arco eléctrico funde HRD y chatarra en algunas acerías solo funde chatarra utiliza energía de un arco eléctrico para fundir puede estar asistido por la combustión de un gas electrodos de grafito 19/09/2017 Aceros 13 Acondicionamiento de la composición 19/09/2017 Aceros 14
Acondicionamiento de la composición Qué corriente circula por los electrodos en un horno por arco eléctrico de una acería? 19/09/2017 Aceros 15 Acondicionamiento de la composición Metalurgia de cuchara (refinación secundaria) Del BOF u HE se obtiene un acero base, en esta etapa se alcanza la composición final del acero Al desoxidación (Al 2 O 3 ) y reductor de grano austenítico (AlN) Si desoxidación (SiO 2 ) Mn desulfuración (MnS) Ar desgasificación (O 2, N 2, H 2 ) Vacío desgasificación (O 2, N 2, H 2 ) Ca tratamiento de inclusiones y desulfuración (CaS) aleantes (por ejemplo Cr, Ni, Mo, V, Ti, V, Nb) ajuste de la temperatura Es una de las instalaciones más complejas y sofisticadas de la acería El diseño es de acuerdo a las necesidades de la planta pulmón entre BOF u HE y el proceso de colada 19/09/2017 Aceros 16
Acondicionamiento de la composición 19/09/2017 17 Acondicionamiento de la composición 19/09/2017 Aceros 18
Acondicionamiento de la composición En qué clase de equipo se acondiciona la composición del arrabio? 1. horno eléctrico 2. horno cuchara 3. horno BOF 4. reactor de reducción directa 5. alto horno Lingotes se cuelan cantidades finitas de material pueden colarse aceros efervescentes o calmados menor inversión más trabajo intensivo (confección de moldes) Solidificación Colada continua se cuela el acero de manera continua (teóricamente sin limitación) no se pueden colar aceros sin desoxidar (efervescentes) menor segregación productos más homogéneos menor desperdicio por despuntes 19/09/2017 Aceros 20
Solidificación 19/09/2017 Aceros 21 Ejemplos de fabricación de acero http://www.tenaris.com/es- ES/AboutUs/ProductionProcesses.aspx http://www.ternium.com.ar/productosproceso-productivo/ 19/09/2017 Aceros 22
Preguntas Qué productos fabrica...? Tenaris Aceros Bragado Acindar Siderar Sidersa Clasificación IRAM-IAS U 500-01 Parte 2, según composición proceso de fabricación grado de desoxidación estructura metalográfica características específicas conformación por colado 19/09/2017 Aceros 24
Clasificación según composición IRAM-IAS U 500-01 Parte 2 acero al carbono (valores menores a los de la tabla) de bajo carbono %C < 0,25 de medio carbono 0,25 %C < 0,6 de alto carbono %C 0,6 acero aleado (valores mayores a los de la tabla) de baja aleación %aleantes < 2 media aleación 2 %aleantes < 5 alta aleación %aleantes 5 acero microaleado %Nb, %Ti y %V como formadores de carburo y refinadores de grano 19/09/2017 Aceros 25 19/09/2017 Aceros 26
Clasificación según composición Clasifique según su composición a los siguientes aceros: Acero %C %Mn %Si %S %P %Ni %Cr %Mo %otros SAE 1020 0,19 0,5 --- 0,04 0,03 --- --- --- --- 15B27 0,28 1,3 0,2 0,04 0,04 --- --- --- B=0,009 ASTM A36 0,18 1,2 0,3 0,03 0,04 --- --- --- Cu=0,25 ASTM A234 WPB UNS S30400 0,30 1,00 0,25 0,03 0,05 0,3 0,2 0,1 --- 0,05 1,5 0,3 0,02 0,01 9,0 19,5 --- --- 19/09/2017 Aceros 27 Clasificación según el proceso de fabricación Aceros Siemens-Martin (solera abierta) Acero de horno eléctrico arco eléctrico inducción la masa metálica es el circuito secundario Acero de convertidor Acero de horno de crisol Acero de laminación controlada (fuera de la norma) o microaleados (Nb, Ti, V bajos contenidos para control de tamaño de grano y endurecimiento por precipitación) 19/09/2017 Aceros 28
Clasificación según el grado de desoxidación Acero calmado desoxidado Acero efervescente con oxígeno que al momento de solidificar genera CO Acero semicalmado desoxidación intermedia 19/09/2017 Aceros 29 Clasificación según su estructura metalográfica Acero eutectoide Acero hipoeutectoide Acero hipereutectoide Acero ferrítico Acero austenítico Acero martensítico Acero bainítico Acero ledeburítico 19/09/2017 Aceros 30
Clasificación según sus características específicas Acero de baja aleación y alta resistencia (HSLA) Acero para herramientas matrices, estampas, elementos de corte y mecanizado Acero rápido acero de alto carbono y alta aleación, especialmente formadores de carburos (Cr, W, Mo, V) Acero inoxidable %Cr > 11 y %C < 1,2 Acero refractario resistente a la oxidación a alta temperatura Acero magnético ferromagnético Aceros 31 Clasificación según sus características específicas Acero para herramientas IRAM/IAS U 500-669 Grupo Clase Designación Observaciones Aceros para trabajado en frío Al carbono Alto carbono y alta aleación W D Templables en agua De mínima deformabilidad Aceros para moldes Al carbono y de baja aleación P P20 para cementación Inoxidables P420 inox martensítico Aceros para trabajo en caliente Acero al Cr Medio carbono y aleados H H13 resistente al choque térmico H21 resistente al desgaste a Aceros temperaturas elevadas 32
Clasificación según sus características específicas Acero amagnético no ferromagnético Acero de corte libre S o P como aleantes mejora el mecanizado Acero soldable Acero resistente al desgaste Acero patinable %Cu > 0,4 resistente a la corrosión atmosférica Acero estructural Acero para construcciones mecánicas 19/09/2017 Aceros 33 Clasificación de aceros Cómo puede clasificar un acero que responde a la especificación ASTM A 249 TP 316? 19/09/2017 Aceros 34
Aceros estructurales vs acero para construcciones mecánicas Estructurales composición propiedades mecánicas estructura metalográfica (a veces) tipo de producto (geometría y forma) listos para cortar, conformar y soldar! Construcciones mecánicas composición sus propiedades mecánicas las obtiene el usuario luego de tratamiento térmico se suelen mecanizar 19/09/2017 Aceros 35 Aceros estructurales vs acero para construcciones mecánicas Estructurales IRAM-IAS U 500 ASTM API EN ISO GB Construcciones mecánicas SAE AISI IRAM-IAS U 500-600 Ejemplo 19/09/2017 Aceros 1010, 1020, 1045 15B20 4140 4340 8620 36
Aceros estructurales vs acero para construcciones mecánicas Clasificación de aceros de construcciones mecánicas (IRAM-IAS U 500-600) Aceros al carbono 10XX, 11XX, 12XX, 14XX, 15XX Aceros aleados 13XX Mn 41XX Cr + Mo 43XX Ni + Cr + Mo 86XX Ni + Cr + Mo XXBXX B XXLXX Pb XXSXX S 37 Aceros estructurales vs acero para construcciones mecánicas Estructurales típicos ASTM A36 chapa estructural IRAM-IAS U 500-207 barras para construcción API 5L caños y tubos para industria del petróleo IRAM-IAS U 500-42 chapa laminada en caliente IRAM-IAS U 500-503 propiedades mecánicas ASTM A 516 recipientes a presión IRAM-IAS U 500-214 chapa cincada IRAM-IAS U 500-231 chapa laminada en caliente Construcciones mecánicas típicos (según IRAM-IAS U 500-600) 1010, 1020, 1040, 1045, 1080 1140, 12L13, 15B24 3115, 4130, 4140, 4340, 5140, 8620, 38
Aceros - Conclusiones Es el grupo de aleaciones metálica más utilizado, su producción mundial es de unas 15 veces la producción de todo el resto de aleaciones metálicas. bajo costo (abundancia del mineral, facilidad de reducción, alta capacidad de reciclado) alta rigidez (E acero»3e Al ; 1,7E Ti ; 1,7E Cu ; 4,6E Mg ; 1,3 a 3E Fundición ; 0,9E Ni ; 0,5E w ; 0,24E Diamante ) versatilidad: gran variedad de propiedades obtenible por aleación y/o tratamiento térmico rango de resistencia: desde 150 MPa hasta 2700 MPa aceros magnéticamente blandos, magnéticamente duros, amagnéticos aceros altamente resistentes a la corrosión aceros de uso a alta T, aceros de uso criogénico se puede cortar fácilmente con oxi-corte (acero al carbono) respaldo de la experiencia en servicio Preguntas 1. Defina acero Qué diferencias hay entre la definición de IRAM- IAS U 500-01 y la de ASTM A941? 2. Cuáles son las principales materias primas para la fabricación de acero? 3. Cuáles son los productos de salida de una acería? Qué familia de productos de aceros fabrican las principales acerías de Argentina? 4. Cuáles son las principales etapas del proceso fabricación de acero? 5. Describa brevemente las dos modalidades que se utilizan industrialmente para la reducción del mineral de hierro. 6. Cuáles son los agentes reductores en el proceso de alto horno y cuáles en el de reducción directa? 7. Plantee las ecuaciones s en cada uno de los procesos. 8. Qué función cumple la caliza en la reducción por alto horno? 40
Preguntas 9. Qué diferencias hay entre el producto de salida del alto horno y el del horno de reducción directa? 10. Cuál es la etapa siguiente a la reducción del mineral en la fabricación de acero? Mencione los principales métodos con los que se lleva a cabo esta etapa. 11. Qué ocurre en los convertidores básicos de oxígeno (BOF)? 12. Qué diferencias hay entre un convertidor Bessemer y uno BOF? 13. Describa el funcionamiento del horno eléctrico Cuáles son sus características y funciones? 14. Qué ocurre en el horno cuchara? Mencione tres items que se lleven a cabo en el horno cuchara. 15. Cuáles son las dos formas de solidificar al acero? 16. Mencione los productos semiterminados de acero. 19/09/2017 Aceros 41 Preguntas 17. Mencione tres maneras de clasificar un acero. 18. Cuándo un acero se debe considerar de medio carbono y baja aleación? 19. Clasifique según su composición al acero de construcción mecánica AISI o SAE 5160 Cuál es su uso más habitual? (buscar en www.matweb.com ) 20. Qué es un acero microaleado? 21. Qué se entiende por acero eutectoide? Qué contenido de carbono debería de tener? 22. Qué significa que un acero sea inoxidable austenítico? 23. Qué diferencia hay entre un acero para herramienta y un acero rápido? 24. Qué diferencia hay entre un acero estructural y un acero para construcciones mecánicas? 19/09/2017 Aceros 42
Preguntas 25. Cuáles de los siguientes son elementos agregados en un acero de forma accidental? a. C y B b. Mn y Si c. S y P d. Todos son agregados a propósito 26. De acuerdo a la IRAM-IAS U 500-600, cuánto es el contenido de carbono que puede tener un acero designado 1020? a. 0,15% - 0,20% b. 0,22% - 0,28% c. 0,20% d. 0,18% - 0,23% e. 2,00% 19/09/2017 Aceros 43 Preguntas 27. Cuáles de los siguientes aceros están listos para cortar, conformar y soldar? a. aceros para herramientas b. aceros Siemens-Martins c. aceros de bajo carbono d. aceros estructurales e. aceros para construcciones mecánicas 28. Cuáles de los siguientes elementos de aleación no es característico de un acero microaleado? a. Cr b. Nb c. Ti d. V e. Cb 19/09/2017 Aceros 44
Preguntas 29. El arrabio líquido es el producto de qué etapa en un proceso siderúrgico a. Horno Siemens-Martín b. Convertidor Básico de Oxígeno c. Horno eléctrico d. Colada continua e. Alto horno 30. Cuál es la diferencia entre acero y fundición de hierro? a. el proceso de conformado de la pieza, los aceros no se funden b. el contenido de carbono c. los aceros se sueldan y las fundiciones no d. las fundiciones no son metales e. el contenido de Mn 19/09/2017 Aceros 45 Preguntas 31. Qué tipo de acero se caracteriza por el alto contenido de Cr en su composición? a. aceros magnéticamente blandos b. aceros de bajo carbono c. aceros soldables d. aceros inoxidables e. aceros austeníticos 32. Un acero fuertemente desoxidado es un acero... a. mecanizable b. calmado c. semicalmado d. efervescente e. microaleado 19/09/2017 Aceros 46
Preguntas 33. Cuál de los siguientes elementos de aleación no es requerido en un acero 8620 según IRAM-IAS U 500-600? a. C b. Mn c. Ni d. Cr e. V 34. De los siguientes cuál no es materia prima del proceso de reducción directa tipo Midrex? a. chatarra de acero b. gas natural c. carbón d. pellets de FeO e. todas las anteriores son incorrectas 19/09/2017 Aceros 47 Preguntas 35. Cuál es típico valor de %C que utilizan las normas para definir acero? a. 0,25 b. 2,00 c. 0,80 d. 4,00 e. 0,07 36. Cuál es la clasificación según, la composición, de un acero designación 1524 según IRAM/IAS U 500-600? a. acero de medio carbono b. acero de baja aleación c. acero al carbono d. acero de alta aleación e. todas las anteriores son incorrectas 19/09/2017 Aceros 48
Preguntas 37. Cuál de los siguiente aceros es más apropiado para un matriz de trabajado en caliente? a. H13 b. 1020 c. W1 d. cualquiera es apropiado e. 15L20 38. Qué tipo de acero es uno que cumple la IRAM/IAS U 500-42 designación F-24? a. acero de medio carbono b. acero de baja aleación c. acero para herramienta d. acero estructural e. acero para construcción mecánica 19/09/2017 Aceros 49 Bibliografía adicional