EL ACERO

El presente trabajo trata sobre el Acero, desde cómo lo podemos obtener hasta como tenemos que utilizarlo ya que este material es usado en la construcción y no se encuentran en la naturaleza en estado puro y por lo que para su empleo hay que someterlos a una serie de operaciones metalúrgicas cuyo fin es separar el metal de las impurezas u otros minerales que lo acompañen.

¿Qué es el Acero?

El Acero es básicamente una aleación o combinación de hierro y carbono (alrededor de 0,05% hasta menos de un 2%). Algunas veces otros elementos de aleación específicos tales como el Cr (Cromo) o Ni (Níquel) se agregan con propósitos determinados. Ya que el acero es básicamente hierro altamente refinado (más de un 98%), su fabricación comienza con la reducción de hierro (producción de arrabio) el cual se convierte más tarde en acero.

El arrabio es el primer proceso que se realiza para obtener Acero

los materiales básicos empleados son Mineral de Hierro, Coque y Caliza. El coque se quema como combustible para calentar el horno, y al arder libera monóxido de carbono, que se combina con los óxidos de hierro del mineral y los reduce a hierro metálico.

FABRICACIÓN DE HIERRO Para producir hierro, se coloca una carga de mineral, coque y caliza en la parte superior de un alto horno. Un alto horno es una cámara refractaria recta con diámetro de 9 a 11 m (30 a 35 ft) en su parte más ancha, y altura de 40 m (125 ft), en el que se fuerzan gases calientes dentro de la parte baja de la cámara a tasas elevadas para llevar a cabo la combustión y reducción del hierro. Un alto horno común y algunos de sus detalles técnicos. La carga desciende con lentitud desde la parte superior del horno hacia su base y se calienta a temperaturas de alrededor de 1 650 ºC (3 000 ºF). La combustión del coque se lleva a cabo con gases calientes (CO, H2, CO2, H2O, N2, O2 y combustibles) que pasan hacia arriba a través de las capas de la carga de material.

El gas CO tiene un efecto reductor en el mineral de hierro; la reacción (simplificada) se escribe como sigue (se usa hematita como el mineral de inicio):

Ilustración 1 Sección transversal de un alto horno para fabricar hierro en la que se muestran los

componentes principales.

Ilustración 2 Diagrama esquemático que indica detalles de la operación de un alto horno.

El dióxido de carbono reacciona con el coque para formar monóxido de carbono:

Que entonces realiza la reducción final del FeO a hierro:

Ilustración 3 Horno de oxigeno básico que muestra el recipiente BOF durante el procesamiento de colada.

Ilustración 4 Horno de oxigeno básico durante un ciclo de procesamiento 1) carga de chatarra y 2)arrabio;3)soplado;4)extracción del acero fundido ;y 5)vaciado de escoria.

EL HORNO DE ARCO ELÉCTRICO

Produce alrededor del 30% del acero de Estados Unidos. Aunque originalmente se usaba arrabio como la carga para este tipo de horno, hoy día las materias primas principales son chatarra de hierro y de acero. Los hornos de arco eléctrico se encuentran disponibles en varios diseños; el tipo de arco directo que se muestra en la figura 6.9 es el más económico actualmente. Estos hornos tienen cubiertas removibles para cargarlos desde arriba; la extracción se lleva a cabo por medio de la inclinación del horno completo.En el horno se carga chatarra de hierro y de acero seleccionadas por sus composiciones, junto con ingredientes de aleación y caliza (fundente), y se calientan por medio de un arco eléctrico que va de grandes electrodos a la carga de metal. La fundición total requiere cerca de 2 horas; el tiempo de introducción a extracción es de 4 horas. Es común que las capacidades de los hornos eléctricos varíen entre 25 y 100 toneladas por colada. Los hornos de arco eléctrico destacan por la mejor calidad del acero pero su costo por tonelada producida es mayor, en comparación con el del BOF. Por lo general, el horno de arco eléctrico se asocia con la producción de aceros de aleación, aceros para herramientas y aceros inoxidables.

Ilustración 5 Horno de arco eléctrico para fabricar acero.

FUNDICIÓN DE LINGOTES

Los aceros producidos por hornos BOF o eléctricos se solidifican para procesarlos posteriormente, ya sea como lingotes fundidos o por fundición continua.Los lingotes de acero son fundiciones discretas y grandes que pesan menos desde 1 ton hasta 300 ton (el peso de la colada total). Los moldes de los lingotes están hechos de hierroAl alto carbono y están abiertos arriba o abajo para retirar la colada solidificada. En la figura 6.10 se ilustra un molde de fondo amplio. La sección transversal puede ser cuadrada, rectangular o redonda, y su perímetro por lo general es corrugado para incrementar el área superficial a fin de que se enfríe más rápido. El molde se coloca en una plataforma denominada banco escabel; después de solidificarse, el molde se eleva, y deja la fundición sobre el banco.

Ilustración 6 Molde de lingote común de fondo amplio, del tipo que se utiliza para fabricar acero.

FUNDICIÓN O COLADA CONTINUALa fundición o colada continua se aplica mucho en la producción de aluminio y cobre, pero es mucho más destacada en la de acero. El proceso consiste en remplazar los lingotes fundidos porque la productividad se incrementa en forma notable. La fundición de lingotes es un proceso discreto. Como los moldes son relativamente grandes, el tiempo de solidificación es significativo. El tiempo para que se solidifique un lingote grande de acero puede ser de 10 a 12 horas. El uso de un fundido continuo reduce el tiempo de solidificación en un orden de magnitud.El proceso de fundición continua, también llamado fundición de filamento.El acero fundido se vierte desde un recipiente hacia un contenedor temporal llamado cacerola, que dosifica el metal hacia uno o más moldes de fundición continua.El acero comienza a solidificarse en las regiones exteriores conforme viaja hacia abajo a través del molde enfriado por agua. Un rocío de agua acelera el proceso de enfriamiento.Mientras está caliente y es plástico, el metal se cambia de orientación vertical a horizontal. Entonces se corta en secciones o se alimenta en forma continua a un laminador (véase la sección en el que se le da forma de lámina o bloque de acero u otras secciones transversales.

Ilustración 7 Fundición continua; el acero se vierte en la cacerola y se distribuye a un molde de fundición continua enfriado por agua; se solidifica conforme se mueve hacia abajo a través del molde. Se ha exagerado el espesor del bloque para mayor claridad.

ACEROSEl acero es una aleación de hierro que tiene un contenido de carbono que varía entre 0.02% y 2.11%. Es frecuente que también incluya otros ingredientes de aleación: manganeso, cromo, níquel y molibdeno; pero es el contenido de carbono lo que convierte al hierro en acero. Existen cientos de composiciones de acero disponibles en el comercio.ACEROS AL CARBONO Estos aceros contienen carbono como elemento principal de la aleación, y sólo pequeñas cantidades de otros elementos (lo normal es alrededor de 0.5% de manganeso). La resistencia de los aceros simples al carbono se incrementa con el contenido de éste; en la figura 6.12 se presenta una gráfica común de esa relación.De acuerdo con un esquema de nomenclatura creado por el American Iron and Steel Institute (AISI) y la Society of Automotive Engineers (SAE), los aceros simples al carbono se especifican por medio de un sistema numérico de cuatro dígitos: 10XX, donde el 10 indica que el acero es al carbono simple, y XX señala el porcentaje de

Es común que los aceros simples al carbono se clasifiquen en tres grupos, de acuerdo con su contenido de carbono:ACEROS AL BAJO CARBONO. Contienen menos del 0.20% de C y son por mucho los más uti lizados. Las aplicaciones normales son en las piezas automotrices de lámina, placa de acero para la fabricación y vías férreas. Es relativamente fácil dar forma a estos aceros, lo cual los hace de uso muy difundido en aplicaciones que no requieren una resistencia elevada. Por lo general, también los aceros fundidos caen en este rango de carbono.ACEROS AL MEDIO CARBONO. Su contenido de carbono varía entre 0.20% y 0.50%, y se espe cifican para aplicaciones que requieren una resistencia mayor que las de los aceros al bajo carbono. Las aplicaciones incluyen componentes de maquinaria y piezas de motores tales como cigüeñales y rodillos de transmisión.ACEROS AL ALTO CARBONO. Contienen carbono en cantidades superiores a 0.50% y se especifican para aplicaciones que necesitan resistencias aún mayores y también rigidez y dureza. Algunos ejemplos son resortes, herramientas y hojas de corte y piezas resistentes al desgaste.

ACEROS DE BAJA ALEACIÓN: Son aleaciones de hierro−carbono que contienen elementos adicionales en cantidades que totalizan menos de 5% del peso. Debido a estas adiciones, los aceros de baja aleación tienen propiedades mecánicas superiores a las de los simples al carbono para aplicaciones dadas. Las propiedades superiores por lo general significan más resistencia, dureza, dureza en caliente, resistencia al desgaste, tenacidad y combinaciones más deseables de éstas. Es frecuente que se requiera tratamiento térmico para lograr propiedades mejoradas.Los efectos de los ingredientes principales de la aleación se resumen como sigue:

EL CROMO (Cr) mejora la resistencia, dureza, resistencia al desgaste y dureza en caliente.EL MANGANESO (Mn) mejora la resistencia y dureza del acero. Cuando éste se encuentra caliente, la templabilidad mejora con el aumento de manganeso.EL MOLIBDENO (Mo) incrementa la tenacidad y dureza en caliente. También mejora la templabilidad y forma carburos que dan resistencia al desgaste.EL NÍQUEL (Ni) mejora la resistencia y la tenacidad. Incrementa la dureza pero no tanto como los otros elementos de las aleaciones del acero. EL VANADIO (V) inhibe el crecimiento de granos durante el procesamiento a temperaturas elevadas, lo cual mejora la resistencia y tenacidad del acero.

ACEROS DE MEDIO CARBONO

Los aceros medios en carbono tienen porcentajes en carbono comprendidos entre 0,25 y 0,6%. Estos aceros pueden ser tratados térmicamente mediante austenizacion, temple y revenido para mejorar sus propiedades mecánicas.

Se suelen utilizar en la condición de revenidos, con microestructura de martensita revenida. Se trata de aceros de baja templabilidad, solo tratables en piezas de delgada seccion y velocidades de temple muy rapidas. Las adiciones de cromo, níquel y molibdeno mejoran la capacidad de estas aleaciones para ser tratados térmicamente generando asi gran variedad de combinaciones resistencia-ductilidad.

Estos aceros tratados térmicamente son más resistentes que los aceros bajos en carbono, pero menos dúctiles y tenaces. Se utilizan para fabricar ruedas y railes de trenes, engranajes, cigüeñales y otros componentes estructurales que necesitan alta resistencia mecanica, resistencia al desgaste y tenacidad La "Society of Automotive Engineers" (SAE), el "American Iron and Steel Institute" (AISI) y la "American Society for Testing and Materials" (ASTM) son los responsables de la clasificación y de la especificación de los aceros y de sus aleaciones. La designación AISI/SAE de los aceros consta de cuatro cifras: los dos primeros dígitos indican el contenido en aleantes y los dos últimos la concentración de carbono. Las dos primeras cifras de aceros al carbono son 1 y 0; mientras que las de los aceros aleados son, por ejemplo 13,41,43. Las cifras tercera y cuarta representan el porcentaje en carbono multiplicado por 100; por ejemplo, un acero 1060 significa un acero al carbono con 0,60%.C.

propiedades físicas

Las propiedades físicas de los aceros y su comportamiento a distintas temperaturas dependen sobre todo de la cantidad de carbono y de su distribución. Antes del tratamiento térmico, la mayoría de los aceros son una mezcla de tres sustancias, Ferrita, Perlita y Cementita.

La Ferrita, blanda y dúctil, es hierro con pequeñas cantidades de carbono y otros elementos en disolución.

La Cementita, es un compuesto de hierro con el 7% de carbono aproximadamente, es de gran dureza y muy quebradiza.

La Perlita es una mezcla de ferrita y cementita, con una composición específica y una estructura característica, sus propiedades físicas con intermedias entre las de sus dos componentes.

La resistencia y dureza de un acero que no ha sido tratado térmicamente depende de las proporciones de estos tres ingredientes, cuanto mayor es el contenido en carbono de un acero, menor es la cantidad de ferrita y mayor la de perlita: cuando el acero tiene un 0,8% de carbono, está por compuesto de perlita. El acero con cantidades de carbono aún mayores es una mezcla de perlita y cementita.

TRATAMIENTOS TERMICOS DE ALEACIONES METALICAS

RECOCIDOEl término recocido se refiere al tratamiento térmico de un material expuesto a elevada temperatura durante un periodo de tiempo y, luego, enfriado lentamente. Corrientemente el recocido se lleva a cabo para eliminar tensiones; incrementar la plasticidad, la ductilidad y la tenacidad y/o producir una microestructura especifica.

PROCESO DE RECOCIDOUn proceso de recocido es un tratamiento térmico utilizado para eliminar los efectos del trabajo en frio, esto es, para ablandar y ductilizar un metal agrio. Generalmente se aplica durante los procedimientos de hechurado que necesitan gran deformación plástica, para permitir una posterior de formación sin rotura o excesivo consumo de energía. Duran te su aplicación tienen lugar fenómenos de recuperación y de recristalizacion. Generalmente se prefiere una microestructura de grano fino; por tanto, el tratamiento térmico suele terminar antes de que ocurra un crecimiento de grano apreciable. La oxidación superficial se puede prevenir minimizando la temperatura de recocido (siempre superior a la temperatura de recristalizacion) u operando en atmosfera no oxidante.

ELIMINACION DE TENSIONESEn una pieza metálica se generan tensiones internas como repuesta a: (1) los procesos de deformación plástica, tales como mecanizado y estampación; (2) enfriamiento no uniforme en piezas conformadas a elevada temperatura (soldada, moldeada, etc.); y (3) una transformación de fase, inducida p o r enfriamiento, en la que la fase madre y la fase producto tienen distinta densidad.

RECOCIDO DE ALEACIONES FERREASPara modificar las propiedades de los aceros se aplican diferentes procedimientos de recocido. Sin embargo, antes de discutirlos es necesario un comentario sobre los limites de fase. La Figura 11.1 muestra la parte del diagrama hierro-carburo de hierro en la vecindad del eutectoide. La línea horizontal a la temperatura eutectoide, convencionalmente designada A h se denomina temperatura critica inferior y significa que, por debajo de la misma y en condiciones de equilibrio, la austenita se convierte en ferrita y cementita.

Ilustración 10 Región del diagrama de fases hierro-carburo de hierro próximo al eutectoide, donde se indica el tramo de temperaturas de tratamiento térmico del acero al carbono. (Adaptado de Metals Handbook, T. Lyman, Editor, American Society for Metals, 1948, p.661.) 

NORMALIZADO Los aceros que se han deformado

plásticamente, por ejemplo por laminación, constan de granos de perlita (y como máximo una fase proeutectoide).

Estos granos son relativamente grandes y de forma irregular, pero de tamaño muy variable; por ello, se les aplica un tratamiento térmico denominado! normalizado para afinarlos (p.ej., disminuir su tamaño medio) y producir una distribución de tamaños más uniforme.

RECOCIDO TOTAL

El tratamiento térmico denominado recocido total se suele aplicar a los aceros bajos y medios en carbono que se han mecanizado o han experimentado gran deformación plástica durante el hechurado en frio. La aleación se ausentica calentando de 15 a 40°C por encima de las líneas A 3 o A 1, hasta conseguir el equilibrio. Después la aleación se deja enfriar dentro del horno; esto es, se apaga el horno y horno y acero llegan a temperatura ambiente a la misma velocidad: suele necesitar varias horas. La microestructura resultante de este recocido es perlita gruesa (además de alguna fase proeutectoide) que es relativamente blanda y dúctil. El procedimiento del recocido total necesita mucho tiempo, pero origina una microestructura con granos pequeños y uniformes.

ESFEROIDIZACION O GLOBULIZACIONLos aceros m edios y altos en carbono tienen una microestructura consistente en perlita gruesa que puede llegar a ser demasiado dura para la deformación plástica y para el mecanizado. Estos aceros, y también los otros, se pueden recocer para desarrollar la microestructura de esferoiditas . El acero esferoidizado o globulizado tiene la máxima blandura y ductilidad y es fácilmente mecanizarle o deformable. El tratamiento térmico de esferoidizacion consiste en calentar la aleacion a temperatura justo por debajo del eutectoide en la región a + F e 3C del diagrama de fases.

TRATAMIENTOS TERMICOS DE LOS ACEROS

Los tratamientos termicos convencionales para producir aceros martensiticos suelen consistir en enfriamientos rapidos y continuos, de una muestra austenizada, en un medio de temple, tal como agua, aceite o aire. Las propiedades optimas de un acero templado y revenido se consiguen solo si durante el tratamiento termico de temple la muestra adquiere un alto contenido en martensita; si se forma perlita y/o bainita resulta otra combinación de caracteristicas mecanicas.

TEMPLABILIDADLa capacidad de un acero aleado para transformarse en martensita durante un determinado temple depende de la composición química y está relacionada con un parámetro denominado templabilidad. Todos los aceros aleados tienen una relación específica entre las propiedades mecánicas y la velocidad de enfriamiento. "Templabilidad" es un término utilizado para describir la aptitud de una aleación para endurecerse por formación de martensita como consecuencia de un tratamiento termico.

ENSAYO JOMINYUn procedimiento estándar utilizado ampliamente para determinar la templabilidad es el ensayo Jominy. En este ensayo se mantienen constantes todos los factores que influyen en la profundidad del endurecimiento de la pieza, excepto la composición, como por ejemplo tamaño y forma de la pieza y tratamiento de temple.

Ilustración 11 Representación esquemática de la probeta del ensayo Jomíny (a) instaurada durante el temple y (b) después del ensayo de dureza a partir del extremo templado y a lo largo de la arista. (Adaptado de A. C. Guy, Essentials of Materials Science. Copyright 1978 McGraw-Hill Book Company, Nueva York) 

CURVAS DE TEMPLABILIDADSe reproduce una curva de templabilidad típica. El extremo templado se enfría mas rápidamente y presenta un máximo de dureza; en esta posición y en la mayoría de los aceros, la microestructura coincide con 100% de martensita. La velocidad de enfriamiento decrece con la distancia del extremo templado y la dureza también disminuye.Al disminuir la velocidad de enfriamiento, el carbono dispone de más tiempo para la difusión y facilita la formación de perlita más blanda, que puede estar mezclada con martensita y bainita.

Ilustración 12 Típico gráfico de templabilidad: dureza Rockwell C en función de la distancia al extremo templado.

TRATAMIENTOS TERMICOSEl endurecimiento por precipitacion resulta del desarrollo de particulas de una nueva fase, por tanto la explicacion del procedimiento del tratamiento termico se facilita mediante la utilizacion de un diagrama de fases. En la practica, muchas aleaciones endurecibles por dispersion contienen dos o mas elementos de aleacion, pero la discusion se simplifica referiendola a sistemas binarios.

TRATAMIENTO TERMICO DE DISOLUCION  El endurecimiento por precipitacion se consigue mediante dos tratamientos termicos diferentes. El primero es un tratamiento termico de disolucion en el que los atomos de soluto se disuelven para formar una disolucion solida monofasica. El tratamiento consiste en calentar la aleacion a una temperatura dentro del campo de fase a, TQ, por ejemplo, y esperar hasta que toda la fase presente se disuelva completamente. En este punto, la aleacion consiste solo en la fase a de composicion C0. A continuacion se enfria rapidamente o se templa a la temperatura Ti de modo que se dificulte la difusion a fin de prevenir la formacion de fase.

TRATAMIENTO TERMICO DE PRECIPITACIONEl tratamiento termico de precipitacion consiste en calentar la disolucion solida sobresaturada a a una temperatura intermedia T2 (Figura 11.11) dentro de la region bifasica, temperatura a la cual la velocidad de difusion es apreciable. . La fase precipitada comienza a formarse como particulas finamente dispersas de composicion Cp, proceso que a veces se denomina "envejecimiento". Despues dejoermanecer el tiempo adecuado a la temperatura T., la aleacion se enfria a temperatura ambiente a una velocidad que generalmente no tiene importancia.

CONCLUSIÓN

La fabricación de hierro y acero implica una serie de procesos complejos, mediante los cuales, el mineral de hierro se extrae para producir productos de acero, empleando coque y piedra caliza. Los procesos de conversión siguen los siguientes pasos: producción de coque del carbón, y recuperación de los subproductos, preparación del mineral, producción de hierro, producción de acero, y fundición, laminación y acabado.

Se pueden realizar estos pasos en una sola instalación, o en varios lugares completamente separados. En muchos países en desarrollo, es fabricado el acero de chatarra, en un horno de arco eléctrico. Una forma alternativa para producir el acero es la de la reducción directa, utilizando gas natural e hidrógeno. El producto de este proceso, hierro esponjoso, se convierte en acerco en un horno de arco eléctrico; luego se funden los lingotes, y para esto se producen los productos no planos con una o dos laminadoras.

La industria de acero es una de las más importantes en los países desarrollados y los que están en vías de desarrollo. En los últimos, esta industria, a menudo, constituye la piedra angular de todo el sector industrial. Su impacto económico tiene gran importancia, como fuente de trabajo, y como proveedor de los productos básicos requeridos por muchas otras industrias: construcción, maquinaria y equipos, y fabricación de vehículos de transporte y ferrocarriles.