MATERIALES DE INGENIERIA

INTRODUCCIN

El hierro tiene una enorme importancia en la vida moderna. Cmo se podran construir los aeroplanos todos los medios modernos de transportes y los innumerables dispositivos mecnicos en que se utiliza el hierro para su construccin, sin mencionar los tornillos y pernos y centenares de otras piezas corrientes en el uso diario. Es un elemento metlico, magntico, maleable y de color blanco plateado. Tiene de nmero atmico 26 y es uno de los elementos de transicin del sistema peridico. El hierro fue descubierto en la prehistoria y era utilizado como adorno y para fabricar armas; el objeto ms antiguo, an existente, es un grupo de cuentas oxidadas encontrado en Egipto, y data del 4000 a.C. El trmino arqueolgico edad del hierro se aplica slo al periodo en el que se extiende la utilizacin y el trabajo del hierro. El procesado moderno del hierro no comenz en Europa central hasta la mitad del siglo XIV d.C.

EVALUACION PERMANENTE N1

1. Definir:1.1. FerromagnetismoFerromagnetismo, propiedad de algunos materiales que hace que resulten intensamente imantados cuando se sitan en un campo magntico, y conserven parte de su imantacin cuando desaparece dicho campo.El ferromagnetismo es un fenmeno fsico en el que se produce ordenamiento magntico de todos los momentos magnticos de una muestra, en la misma direccin y sentido. Un material ferromagntico es aquel que puede presentar ferromagnetismo. La interaccin ferromagntica es la interaccin magntica que hace que los momentos magnticos tiendan a disponerse en la misma direccin y sentido. Ha de extenderse por todo un slido para alcanzar el ferromagnetismo. Generalmente, los ferromagnetos estn divididos en dominios magnticos, separados por superficies conocidas como paredes de Bloch. En cada uno de estos dominios, todos los momentos magnticos estn alineados. En las fronteras entre dominios hay cierta energa potencial, pero la formacin de dominios est compensada por la ganancia en entropa. Al someter un material ferromagntico a un campo magntico intenso, los dominios tienden a alinearse con ste, de forma que aquellos dominios en los que los dipolos estn orientados con el mismo sentido y direccin que el campo magntico inductor aumentan su tamao. Este aumento de tamao se explica por las caractersticas de las paredes de Bloch, que avanzan en direccin a los dominios cuya direccin de los dipolos no coincide; dando lugar a un monodominio. Al eliminar el campo, el dominio permanece durante cierto tiempo.

Disponible en: http://www.ecured.cu/index.php/Ferromagnetismo; citado el 06/05/2015

1.1.1 Materiales ferromagnticosHay muchos materiales cristalinos que presentan ferromagnetismo. En la tabla se muestra una seleccin representativa de ellos (Kittel, p. 449), junto con sus temperaturas de Curie, la temperatura por encima de la cual dejan de ser ferromagnticos. Como el hierro, el nquel, el cobalto, el acero, etc.1.2. Temperatura de CurieTemperatura de Curie. (en ocasiones punto de Curie) Los metales con propiedades magnticas las pierden al ser calentados. Es la temperatura por encima de la cual un cuerpo ferromagntico pierde su magnetismo, comportndose como un material puramente paramagntico. En el hierro ocurre a 770, en el niquel a 360.

1.2.1. DescubrimientoPierre Curie descubri, junto a su hermano Jacques, el efecto piezoelctrico en cristales, estableciendo que la susceptibilidad magntica de las sustancias paramagnticas depende del inverso de la temperatura, es decir, que las propiedades magnticas cambian en funcin de la temperatura. En todos los ferromagnetos encontr un descenso de la magnetizacin hasta que la temperatura llegaba a un valor crtico, llamada temperatura de Curie (Tc), donde la magnetizacin se hace igual a cero; por encima de la temperatura de Curie, los ferromagnetos se comportan como sustancias paramagnticas. 1.2.2. Ferroelectricidad frente a temperaturaEfecto de la temperatura sobre la constante dielctrica. Por encima de la temperatura de Curie crtica, el comportamiento dielctrico y el comportamiento ferroelctrico se pierden, donde el comportamiento trmico se impone frente al campo elctrico aplicado, es decir, los dipolos se encuentran desordenados sin direccin y sentido. Por debajo de dicha temperatura el comportamiento elctrico predomina frente al comportamiento trmico, es decir, los dipolos tienden alinearse en la misma direccin y sentido, se ordenan. Las temperaturas a las cuales los materiales magnticos se convierten en no magnticos son: Cobalto 1127 C Hierro 768 C Nquel 357 C Gadolinio 17 C

1.2.3. ExperimentoUn material ferromagntico pierde la capacidad de ser atrado por un imn si se calienta por encima de un lmite conocido como temperatura de Curie.1.2.3.1. Materiales & Equipos Carril con soportes para ptica Mechero a gas Imn de neodimio Cilindro de cermica Termmetro con termocupla (tipo K) Soportes1.2.3.2. Descripcin del experimentoEn el experimento se tiene una esfera de acero con un hueco en la mitad que se inserta en una termocupla ubicada en un soporte. La esfera se calienta hasta que se observa de color rojo brillante. En ese momento su temperatura es superior al punto de Curie y por lo tanto se encuentra en una fase paramagntica.

Se acerca el imn a la esfera y se observa que esta no responde al campo magntico. Posteriormente se apaga el mechero con el fin de hacer que la esfera se enfre. De repente la esfera salta hacia el imn; en ese instante la lectura del termmetro corresponde a un estimado de la temperatura de Curie para ese material. La esfera salta hacia el imn debido a que ha vuelto a la fase ferromagntica porque de nuevo su temperatura es menor al punto de Curie.

Disponible en: http://fisicaexpdemostrativos.uniandes.edu.co/TemperaturaCurie.html; citado el 06/05/2015

1.2.4. Materiales y su temperaturaMaterialTemp. Curie (K)

Fe1043

Co1388

Ni627

Gd292

Dy88

MnAs318

MnBi 630

MnSb 587

CrO2 386

MnOFe2O3 573

Fe3O4 858

NiOFe23 858

CuOFe2O3 728

MgOFe23 713

EuO 69

Y3Fe5O12 560

2. Alto HornoUn alto horno es un horno especial en el que tienen lugar la fusion de losminerales de hierro y la transformacion quimica en un metal rico en hierrollamado arrabio. Esta constituido por dos troncos en forma de cono unidos porsus bases mayores. Mide de 20 a 30 metros de alto y de 4 a 9 metros dediametro; su capacidad de produccion puede variar entre 500 y 1500 toneladasdiarias.

2.1. Caractersticas:Un alto horno tpico est formado por una cpsula cilndrica de acero de unos 30 m a 80 m de alto forrada con un material no metlico y resistente al calor, como asbesto o ladrillos refractarios. El dimetro de la cpsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es mximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total. La parte inferior del horno est dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire que enciende el coque. Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vaca) el alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria. La parte superior del horno contiene respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por vlvulas en forma de campana, por las que se introduce el mineral de hierro, el coque y la caliza. Una vez obtenido el acero lquido, se puede introducir en distintos tipos de coladura para obtener unos materiales determinados: la colada convencional, de la que se obtienen productos acabados; la colada continua, de la que se obtienen trenes de laminacin y, finalmente, la colada sobre lingoteras, de la que lgicamente se obtienen lingotes. Esquema de funcionamiento de un alto horno. La instalacin recibe este nombre por sus grandes dimensiones, ya que puede llegar a tener una altura de 80 metros. Por la parte superior del horno se introduce el material, el cual, a medida que va descendiendo y por efecto de las altas temperaturas, se descompone en los distintos materiales que lo forman. En la parte inferior del horno, por un lado, se recoge el arrabio y, por otro, la escoria, o material de desecho, su capacidad de produccin puede variar entre 500 y 1500 toneladas diarias. 2.2. Partes de un alto horno2.2.1. La cuba: Tiene forma troncocnica y constituye la parte superior del alto horno; por la zona ms estrecha y alta de la cuba (llamada tragante) se introduce la carga la carga que la componen: El mineral de hierro: Magnetita, limonita, siderita o hematite. Combustible: Generalmente es carbn de coque. Este carbn se obtiene por destilacin del carbn de hulla y tiene alto poder calorfico. El carbn de coque, adems de actuar como combustible provoca la reduccin del mineral de hierro, es decir, provoca que el metal hierro se separe del oxgeno. Fundente: Puede ser piedra caliza o arcilla. El fundente se combina qumicamente con la ganga para formare scoria, que queda flotando sobre el hierro lquido, por lo que se puede separar. Adems ayuda a disminuir el punto de fusin de la mezcla. 2.2.2. Etalaje: Esta separada de la cuba por la zona ms ancha de esta ltima parte, llamada vientre. El volumen del etalaje es mucho menor que el de la cuba. La temperatura de la carga es muy alta (1500 C) y es aqu donde el mineral de hierro comienza a transformarse en hierro. La parte final del etalaje es ms estrecha. 2.2.3. Crisol: Bajo el etalaje se encuentra el crisol, donde se va depositando el metal lquido. Por un agujero, llamado bigotera o piquera de escoria se extrae la escoria, que se aprovecha para hacer cementos y fertilizantes. Por un orificio practicado en la parte baja del mismo, denominada piquera de arrabio sale el hierro lquido, llamado arrabio. 2.2.4. Cucharas: Depsitos hasta los cuales se conduce el producto final del alto horno llamado arrabio, tambin llamado hierro colado o hierro de primera fusin.

2.3. Productos obtenidos del alto horno2.3.1 Humos y gases residuales.- Se producen como consecuencia de la combustion del coque y de los gases producidos en la reduccion quimica del mineral de hierro que, en un elevado porcentaje, se recogen en un colector situado en la parte superior del alto horno. Estos gases son, principalmente, dioxido de carbono, monoxido de carbono y oxidos de azufre.2.3.2. Escoria.- Es un residuo metalurgico que a veces adquiere la categoria de subproducto, ya que se puede utilizar como material de construccion, bloques o como aislante de la humedad y en la fabricacion de cemento y vidrio. La escoria, como se comento anteriormente, se recoge por la parte inferior del alto horno por la piquera de escoria.2.3.3. Fundicin, hierro colado o arrabio.- Es el producto propiamente aprovechable del alto horno y esta constituido por hierro con un contenido en carbono que varia entre el 2% y el 5%. Se presenta en estado liquido a 1800 oC. En ocasiones, a este metal se le denomina hierro de primera fusion.A partir de la primera fusion, se obtienen todos los productos ferrosos restantes: otras fundiciones, hierro dulce, acero.

3. Funcionamiento de un alto hornoEl alto horno es un reactor qumico, cuyo funcionamiento contra corriente (los gases suben mientras que los slidos se dirigen hacia abajo) le proporciona un rendimiento trmico excelente.3.1. Reacciones principales La primera consiste en reducir mediante el monxido de carbono los xidos de hierro presentes en el mineral de hierro. Produccin del agente reductor CO (monxido de carbono):3.2. La reaccin general es: (a)Dado el exceso de carbono y la temperatura, hay una conversin de todo el oxgeno en monxido de carbono.En realidad, la reaccin anterior se produce por dos reacciones sucesivas:(b)a continuacin,(c) (reaccin de Boudouard)A partir de ah, la reaccin de reduccin de los xidos de hierro es la siguiente:(d)El coque tiene dos funciones: Por la combustin, se produce el agente reductor (a), sobre todo a la salida de las toberas. La reaccin es altamente exotrmica, se alcanzan temperaturas de 2200C. Se consume el dixido de carbono (CO2), producido por la reduccin de los xidos de hierro (c) para regenerar el agente reductor (CO), de los xidos de hierro.3.3. La reduccin de los xidos de hierroLos xidos de hierro se reducen siguiendo la siguiente secuencia:

La secuencia de la temperatura en la cuba es (desde arriba de la cuba en funcin de la temperatura):T > 320C(e)

620C < T < 950C(f)

T > 950C(g)En el fondo de la cuba, se produce la regeneracin del CO por la reaccin de Boudouard (c) a una temperatura de alrededor de 1000 - 1050 C.

4. Otros tipos de horno para fundir los minerales de hierro4.1. Horno CubiloteSon equipos muy econmicos y de poco mantenimiento, se utilizan para hacer fundicin de hierros colados. Consisten en un tubo de ms de 4 metros de longitud y pueden tener desde 0.8 a 1.4 m de dimetro, se cargan por la parte superior con camas de chatarra de hierro, coque y piedra caliza. Para la combustin del coque se inyecta aire con unos ventiladores de alta presin, este accede al interior por unas toberas ubicadas en la parte inferior del horno. Tambin estos hornos se pueden cargar con pelets de mineral de hierro o pedacera de arrabio slido. Por cada kilogramo de coque que se consume en el horno, se procesan de 8 a 10 kilogramos de hierro y por cada tonelada de hierro fundido se requieren 40kg de piedra caliza y 5.78 metros cbicos de aire a 100 kPa a 15.5C. Los hornos de cubilote pueden producir colados de hasta 20 toneladas cada tres horas. Este tipo de equipo es muy parecido al alto horno, slo sus dimensiones disminuyen notablememnte. El mayor problema de estos hornos es que sus equipos para el control de emisiones contaminantes es ms costoso que el propio horno, por ello no se controlan sus emisiones de polvo y por lo tanto no se autoriza su operacin.

4.2 Horno Reverbero:Los hornos de reverbero se utilizan para la fundicin de piezas de grandes dimensiones, tanto de metales frreos como de metales no frreos, como cobre latn, bronce y aluminio. Los hornos de reverbero son de poca altura y gran longitud. En uno de los extremos se encuentra el hogar donde se quema el combustible, y en el extremo opuesto la chimenea. Las llamas y productos de la combustin atraviesan el horno y son dirigidos, por la bveda de forma adecuada hacia la solera del horno, donde est situada la carga del metal que se desea fundir. Esta carga se calienta, no solo por su contacto con las llamas y gases calientes sino tambin por el calor de radiacin de la bveda del horno de reverbero.Aproximadamente, la superficie de la solera es unas tres veces mayor que la de la parrilla y sus dimensiones oscilan entre un ancho de 150 a 300cm. y una longitud de 450 a 1500cm. La capacidad de los hornos de reverbero es muy variable y oscila entre los 45 Kg. a los 1000 Kg. que tienen los empleados para la fusin de metales no frreos, hasta las 80 Tm. Que tienen los mayores empleados para la fusin de la fundicin de hierro.

4.3. Hornos elctricos de arco:Se emplean para la fusin de acero, fundicin de hierro, latones, bronces, aleaciones de nquel, etc. Formados por una cuba de chapa de acero revestida de material refractario, provista de electrodos de grafito o de carbn amorfo. Los electrodos de carbn amorfo se forman en el mismo horno, llenando las camisas que llevan los porta electrodos de una mezcla formada por antracita, cok metalrgico, cok de petrleo y grafito amasados con alquitrn.El cierre de estos hornos es hermtico, logrando la estanqueidad de los orificios de paso, por medio de cilindros refrigerados por camisas de agua, que prolongan adems la vida de los electrodos. Los hornos modernos trabajan a tensiones comprendidas entre los 125 y 500 voltios, obtenindose dentro de cada tensin la regulacin de la intensidad y, por tanto, de la potencia del horno, por el alejamiento o acercamiento de los electrodos al bao, lo que se realiza automticamente. Casi todos los hornos de este tipo son basculantes para facilitar la colada. Los ms modernos llevan un sistema de agitacin electromagntica del bao por medio de una bobina montada bajo la solera del horno.

4.4 Hornos Bessemer:La idea es eliminar las impurezas del arrabio lquido y reducir su contenido de carbono mediante la inyeccin de aire en un convertidor de arrabio en acero.El sistema Bessemer permite convertir el hierro en acero mediante un proceso de descarburacin gracias a la introduccin de chorros de aire caliente. Este sistema logr mejorar la calidad y la produccin del producto consumiendo menos mineral y utilizando adems un tipo de mineral no fosfato extrado de las propias minas.El Horno Bessemer es una cubeta donde se vierte el hierro fundido, junto con el resto de los minerales aalearcon ste para conseguir un acero con las caractersticas deseadas. Cuando esta mezcla fundida se encuentra dentro de la cubeta se inyecta por su base un chorro de aire a alta presin.A las temperaturas que se producen dentro de esta cubeta, la inyeccin de aire produce una rpida oxidacin de elementos como el carbono, el silicio o el manganeso; una oxidacin que, al ser muyexotrmica, aumenta an ms la temperatura del hierro fundido. Con lo que, adems de limpiar las impurezas de la mezcla, el proceso ahorra una gran cantidad de combustible que antes era necesario para mantener fundido el hierro.Consiste en una gran caldera, forrada con grueso palastro de acero y revestida interiormente de materialrefractario; la parte superior est abierta y la inferior es redonda y es mvil en torno de un eje horizontal y taladrado por pequeos agujeros para la insuflacin del aire. En el interior tiene un revestimiento de slice y arcilla o de dolomita.4.4.1. Fases del proceso:4.4.1.1. Escorificacin: Cuando se trata de la primera conversin, primero se limpia y se retiran las cenizas; luego se coloca en sentido horizontal y se carga de fundicin hasta 1/5 de su capacidad, la capacidad es de 8 a 15 toneladas.Se le inyecta aire a presin y enseguida se devuelve al convertidor a su posicin normal.El oxgeno del aire, a travs de la masa lquida, quema el silicio y el manganeso que se encuentra en la masa fundente y los transforma en los correspondientes xidos.Esta primera fase se efecta sin llamas dentro de unos 10 min, y recin se termina la operacin aparecen chispas rojizas que salen de la boca del convertidor.

4.4.1.2. Descarburacin: Continuando la accin del soplete, eloxgenoempieza laoxidacin delcarbono, lo que se efecta con mucha violencia y con salidas de llamas muy largas, debido a las fuertes corrientes del aire y al xido de carbono en combustin.4.4.1.3. Recarburacin: Quemndose el carbono, el oxgeno llegara a oxidar totalmente el hierro dejndolo inservible; a este punto se corta el aire, se inclina el convertidor y se aade a la masa liquida una aleacin de hierro, carbono y manganeso en una cantidad relacionada con la calidad del acero que se desea obtener. Luego se endereza el aparato y simultneamente se le inyecta otra vez aire por pocos minutos y por ltimo se saca por su boca primero todas las escorias y despus elaceroo elhierroelaborado.

4.5 Horno de oxigeno Bsico:Fabricacin de acero de oxgeno bsico (BOS, BOP, BOF, y OSM), tambin conocida como la fabricacin de acero Linz-Donawitz-Verfahren o el proceso convertidor de oxgeno es un mtodo de fabricacin de acero fundido principal en el que ricos en carbonoArrabio (MPI)est hecho en acero. Soplado de oxgeno a travs de arrabio fundido disminuye el contenido de carbono de la aleacin y la cambia en acero de bajo carbono. El proceso se conoce como bsico debido al tipo de materiales refractarios de xido de calcio y xido de magnesio que recubren los vasos para resistir la alta temperatura del metal fundido.El proceso se desarroll en 1948 por Robert Durrer y comercializado en 1952-1953 por VOEST austriaco y AMG. El convertidor LD, el nombre de las ciudades austracas de Linz y Donawitz (un distrito de Leoben) es una versin refinada del convertidor Bessemer donde el soplado de aire es reemplazado con el soplado de oxgeno. Se reduce el costo de capital de las plantas, momento de la fundicin, y el aumento de la productividad del trabajo. Entre 1920 y 2000, requerimientos de mano de obra en la industria se redujo en un factor de 1000, de ms de 3 trabajador/hora por tonelada a slo 0.003. La gran mayora del acero fabricado en el mundo se produce utilizando el horno de oxgeno bsico; en el 2000, represent el 60% de la produccin mundial de acero. Hornos modernos tendrn un suplemento de hierro de hasta 350 toneladas y convertirlo en acero en menos de 40 minutos, en comparacin con 10-12 horas en un horno de hogar abierto.4.5.1. Proceso:Fabricacin de acero bsico de oxgeno es un proceso de produccin de acero primaria para convertir el fundidoArrabio (MPI)en el acero por soplado de oxgeno a travs de una lanza sobre el arrabio fundido en el interior del convertidor. El convertidor utilizado para la fabricacin de acero se llama como horno de oxgeno bsico por el calor exotrmico generado por las reacciones de oxidacin durante el soplado.El proceso bsico de fabricacin de acero de oxgeno es el siguiente:1. MoltenArrabio (MPI)(a veces referido como metal caliente) de un alto horno se vierte en un recipiente grande con revestimiento refractario llamado un cucharn.2. El metal en la cuchara de colada se enva directamente para la fabricacin de acero de oxgeno bsico o a una etapa de pretratamiento. De oxgeno de alta pureza a una presin de 100-150 psi (libras por pulgada cuadrada) se introduce a una velocidad supersnica sobre la superficie del bao de hierro a travs de una lanza refrigerada por agua, que est suspendida en el recipiente y se mantiene a unos pocos metros por encima del bao. El pretratamiento del metal caliente de alto horno se realiza externamente para reducir el azufre, silicio, y fsforo antes de cargar el metal caliente en el convertidor.

En pretratamiento desulfuracin externa, una lanza se baja en el hierro fundido en la cuchara y se aaden varios cientos de kilogramos de magnesio en polvo y las impurezas de azufre se reducen a sulfuro de magnesio en una reaccin exotrmica violenta. El sulfuro se pas entonces fuera. Pretratamientos similares son posibles para desiliconisation externa y desfosforacin externo utilizando cascarilla de laminacin (xido de hierro) y cal como fundentes. La decisin de pretratar depende de la calidad del metal caliente y la calidad final requerida del acero.3. Llenar el horno con los ingredientes se llama carga. El proceso de BOS es autgena, es decir. la energa trmica requerida se produce durante el proceso de oxidacin. Mantener el equilibrio de carga adecuado, la proporcin de metal caliente, de fusin, a la escoria fra, Por lo tanto, es muy importante. Recipiente BOS se puede inclinar hasta 360 y se inclina hacia el lado desescoriacin de chatarra y metal caliente de carga. El recipiente BOS es acusado de acero o chatarra de hierro (25%-30%) si se requiere. El hierro fundido desde la cuchara se aade segn sea necesario para el equilibrio de cargas. Una qumica tpica de Hotmetal cargada en el recipiente BOS es: 4% C, 0.2-0,8% De Si, 0.08%-0,18% P, y 0,01-0,04% S todo lo cual puede ser oxidado por el oxgeno suministrado a excepcin de azufre (requiere la reduccin de la condicin).4. El recipiente se fija entonces en posicin vertical y un refrigerado por agua, cobre con punta de lanza con 3-7 boquillas se baja hacia abajo en l y oxgeno de alta pureza se entrega a velocidades supersnicas. La lanza golpes 99% oxgeno puro sobre el metal caliente, encender el carbono disuelto en el acero, para formar monxido de carbono y dixido de carbono, y provocando que la temperatura aumente a aproximadamente 1700 C. Esta se funde la chatarra, disminuye el contenido de carbono del hierro fundido y ayuda a eliminar los elementos qumicos no deseados. Es este uso de oxgeno puro en vez de aire que mejora el proceso de Bessemer, como el nitrgeno (un elemento particularmente indeseable) y otros gases en el aire no reaccionan con la carga.

Tocando de acero a partir de BOF:- El recipiente de BOS se inclina hacia el lado de desescoriado y el acero se vierte a travs de un orificio de colada en una cuchara de acero con revestimiento refractario bsico. Este proceso se llama tocando el acero. El acero es ms refinado en el horno cuchara, mediante la adicin de materiales de aleacin para dar las propiedades especiales requeridas por el cliente. A veces argn o nitrgeno se burbujea en la cuchara para hacer la mezcla aleaciones correctamente.

- Despus de que el acero se vierte del recipiente de BOS, la escoria se vierte en los potes de escoria a travs de la boca recipiente BOS y arroj.

NDICE

Introduccin 1 Ferromagnetismo............................ 2 Temperatura de Curie... 3 Alto horno.... 5 Funcionamiento de un Alto Horno................................. 8 Otros tipos de Hornos...10

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