Metalurgia aplicada

Instituto Tcnicode la Estructuraen Acero

I T E A

3

NDICE DEL TOMO 3

METALURGIA APLICADA

Leccin 3.1: Caractersticas de las Aleaciones de Hierro y Carbono. 1

1 INTRODUCCIN .............................................................................................. 41.1 Por qu es importante la metalurgia para el ingeniero civil

y de la construccin metlica............................................................... 41.2 Contenido de las lecciones del grupo 3 .............................................. 4

2 ESTRUCTURA Y COMPONENTES DEL ACERO .......................................... 52.1 Introduccin............................................................................................ 52.2 Componentes del acero......................................................................... 52.3 La estructura cristalina.......................................................................... 7

3 FASES DE HIERRO Y CARBONO.................................................................. 93.1 Influencia de la temperatura sobre la estructura cristalina............... 93.2 Solucin de carbono en cristales cmc y ccc ...................................... 93.3 Nomenclatura.......................................................................................... 103.4 El diagrama hierro y carbono ............................................................... 11

4 RITMO DE ENFRIAMIENTO............................................................................ 134.1 ndice de enfriamiento durante la transformacin de austenita

en ferrita y tamao de grano................................................................. 134.2 Aceros de enfriamiento lento................................................................ 13

4.2.1 Influencia del carbono sobre la microestructura.................... 134.2.2 La necesidad de controlar el tamao de grano ...................... 154.2.3 Control del tamao de grano mediante normalizacin .......... 164.2.4 Cambios estructurales unidos a la laminacin

en caliente de aceros................................................................. 164.3 Aceros de enfriamiento rpido ............................................................. 18

4.3.1 Formacin de martensita y bainita........................................... 18

I

NDICE

4.3.2 Martensita en estructuras soldadas......................................... 194.3.3 Bonificacin................................................................................ 204.3.4 Control de la formacin de martensita .................................... 21

5 INCLUSIONES ................................................................................................. 235.1 Azufre, fsforo y otras impurezas ........................................................ 235.2 Manganeso en aceros para estructuras .............................................. 24

6 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 267 BIBLIOGRAFA................................................................................................ 268 BIBLIOGRAFA ADICIONAL........................................................................... 26

Leccin 3.2: Procesos de Fabricacin y Conformado.......................... 27

1 TECNOLOGA DE FABRICACIN DEL ACERO............................................ 301.1 Introduccin............................................................................................ 301.2 Fabricacin del acero ............................................................................ 31

1.2.1 El mtodo del convertidor bsico de oxgeno de horno alto 311.2.2 El mtodo del horno de arco elctrico (figura 4) .................... 33

1.3 Fabricacin de acero en cuchara (afino) ............................................. 341.3.1 Aspectos generales ................................................................... 341.3.2 Proceso de fabricacin de acero en cuchara: desoxidacin

y afino (figura 5) ......................................................................... 351.4 Colada y solidificacin .......................................................................... 36

1.4.1 Aspectos generales ................................................................... 361.4.2 Tecnologas de colada............................................................... 36

1.4.2.1 Colada en lingotera (figura 6) ...................................... 361.4.2.2 Colada contnua (figura 7)............................................ 37

2 TECNOLOGA DE CONFORMADO Y TRATAMIENTOS TRMICOS............ 392.1 Introduccin............................................................................................ 392.2 Laminado en caliente............................................................................. 39

2.2.1 Descripcin de la operacin de laminado ............................... 392.2.2 Laminacin primaria .................................................................. 402.2.3 Laminacin de acabado............................................................. 412.2.4 Procesos de laminado en caliente ........................................... 43

II

3 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 474 BIBLIOGRAFA ADICIONAL........................................................................... 47

Leccin 3.3.1: Introduccin a las Propiedades Fsicas de los Aceros ................................................................... 49

1 INTRODUCCIN .............................................................................................. 521.1 Naturaleza de los metales ..................................................................... 521.2 Propiedades sensibles e insensibles a la estructura......................... 52

2 RESISTENCIA.................................................................................................. 532.1 Dislocaciones y deformacin plstica ................................................. 532.2 Diagrama tensin-deformacin para probetas de tensin simple.... 542.3 Respuesta multiaxial.............................................................................. 57

2.3.1 Coeficiente de Poisson.............................................................. 572.3.2 Estados de tensiones multiaxiales y su influencia

sobre la fluencia ......................................................................... 582.3.3 Endurecimiento por deformacin en fro bajo tensiones

multiaxiales ................................................................................. 582.4 Influencia de la temperatura y del grado de deformacin................. 58

2.4.1 Temperatura ................................................................................ 592.4.2 Grado de deformacin ............................................................... 59

2.5 Medios de incremento de la resistencia .............................................. 602.6 Dureza ..................................................................................................... 62

3 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 634 BIBLIOGRAFA ADICIONAL........................................................................... 63APNDICE ............................................................................................................ 65

Leccin 3.3.2: Propiedades Mecnicas de los Aceros ......................... 69

1 TENACIDAD ..................................................................................................... 721.1 Tipos de rotura ....................................................................................... 721.2 Influencia de la temperatura, la velocidad de carga,

la multiaxialidad y la geometra............................................................ 731.3 Ensayo de flexin por choque sobre probeta entallada .................... 74

III

NDICE

1.4 Tenacidad a la rotura ............................................................................. 751.5 Adecuacin al uso destinado ............................................................... 78

1.5.1 Ensayo de placa ancha.............................................................. 781.5.2 Conceptos de mecnica de rotura ........................................... 79

2 COMBINACIN PTIMA DE RESISTENCIA Y TENACIDAD........................ 823 PROPIEDADES DE FATIGA............................................................................ 84

3.1 Fatiga de inicio controlado ................................................................... 843.1.1 Ensayo......................................................................................... 843.1.2 Dao por fatiga ........................................................................... 853.1.3 Influencia de diversos parmetros ........................................... 853.1.4 Lmite de fatiga en condiciones de servicio reales ................ 863.1.5 Prediccin del dao acumulativo ............................................. 86

3.2 Fatiga de propagacin controlada........................................................ 864 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 885 BIBLIOGRAFA ADICIONAL........................................................................... 88APNDICE ............................................................................................................ 89

Leccin 3.4: Calidades y Tipos de acero ............................................... 931 INTRODUCCIN .............................................................................................. 962 DEFINICIN DE ACERO ................................................................................. 973 CLASIFICACIN DE LOS TIPOS DE ACERO ............................................... 98

3.1 Clasificacin segn la composicin qumica ..................................... 983.2 Clasificacin segn clases de calidad................................................. 98

4 NORMAS DE CALIDAD DESTINADAS A ACEROS PARA ESTRUCTURAS.................................................................................... 994.1 Consideraciones generales .................................................................. 994.2 Puntos principales ................................................................................. 99

4.2.1 Proceso de fabricacin del acero............................................. 994.2.2 Estados de suministro............................................................... 994.2.3 Composicin qumica ................................................................ 1004.2.4 Propiedades mecnicas ............................................................ 100

4.2.4.1 Propiedades de traccin .............................................. 1004.2.4.2 Propiedades de resiliencia (ensayo de choque)........ 1004.2.4.3 Direccin de la toma de muestras............................... 100

IV

4.2.5 Propiedades tecnolgicas ......................................................... 1004.2.5.1 Soldabilidad................................................................... 1014.2.5.2 Conformabilidad............................................................ 101

4.2.6 Acabado superficial ................................................................... 1024.2.7 Inspeccin y ensayo .................................................................. 1024.2.8 Marcado....................................................................................... 102

5 TIPOS DE ACERO PARA ESTRUCTURAS.................................................... 1035.1 Productos laminados en caliente de aceros no aleados

para aplicaciones estructurales generales conforme a EN 10 025 [4] . 1035.1.1 Descripcin general ................................................................... 1035.1.2 Designacin de los aceros........................................................ 1035.1.3 Tipos de acero ............................................................................ 103

5.2 Productos laminados en caliente de aceros soldablesde grano fino conforme a EN 10 113 [5] .............................................. 1045.2.1 Descripcin general ................................................................... 1045.2.2 Estados de entrega .................................................................... 1045.2.3 Clasificacin de calidades......................................................... 1045.2.4 Designacin ................................................................................ 1055.2.5 Calidades y tipos de acero........................................................ 105

5.3 Aceros para estructuras destinados a aplicaciones en plataformas petrolferas ................................................................... 105

5.4 Tipos de acero con propiedades frente al desgarro laminar ............ 1075.4.1 Descripcin general ................................................................... 1075.4.2 Calidades con propiedades frente al desgarro laminar ......... 107

5.5 Acero resistente a la corrosin atmosfrica conforme a EN 10 155 [6] ...................................................................... 1085.5.1 Descripcin general ................................................................... 1085.5.2 Resistencia a la corrosin......................................................... 1085.5.3 Tipos de acero ............................................................................ 1095.5.4 Soldadura.................................................................................... 110

5.6 Tipos de acero para galvanizacin por inmersin en caliente.......... 1106 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 1117 BIBLIOGRAFA................................................................................................ 111APNDICE 1: Calidades y tipos de acero ......................................................... 113APNDICE 2: Definicin y clasificacin de los tipos de acero conforme

a EN 10 020................................................................................... 117

V

NDICE

APNDICE 3: Definiciones relativas al tratamiento termomecnico del acero ....................................................................................... 121

APNDICE 4: Comparacin de la composicin qumica (anlisis sobre colada) de tipos de acero para estructuras, suponiendo un lmite elstico de 355N/mm2.................................................. 125

Leccin 3.5: Seleccin de la calidad del acero ..................................... 129

1 INTRODUCCIN............................................................................................. 1322 EL FENMENO DE LA FRACTURA FRGIL ............................................... 1333 CONCEPTOS DE MECNICA DE ROTURA Y PROCEDIMIENTOS

DE ENSAYO .................................................................................................... 1354 METODOLOGA PARA LA SELECCIN DEL ACERO................................. 138

4.1 El mtodo francs .................................................................................. 1384.2 El mtodo britnico................................................................................ 1394.3 El mtodo belga ..................................................................................... 139

5 METODOLOGA ADOPTADA EN EUROCDIGO 3...................................... 1416 ACTUAL CATEGORA DE LAS REGLAS DEL EUROCDIGO 3 ................ 1437 COMPARACIN DE LAS ESPECIFICACIONES DERIVADAS

DE DIVERSOS MTODOS............................................................................. 1448 DEBATE .......................................................................................................... 1489 COMENTARIO DE LAS ACTUALES REGLAS DEL EUROCDIGO 3 ........ 149

10 RESUMEN FINAL ........................................................................................... 15011 BIBLIOGRAFA............................................................................................... 151TABLAS................................................................................................................. 152

Leccin 3.6: Soldabilidad de los Aceros para Estructuras .................. 177

1 INTRODUCCIN .............................................................................................. 1801.1 Breve descripcin del proceso de soldadura ..................................... 1801.2 Principales procesos de soldadura...................................................... 1801.3 Diseo y preparacin de la unin soldada.......................................... 1811.4 Efectos del ciclo trmico de la soldadura sobre la microestructura.... 1831.5 Tensiones residuales y distorsin de soldadura................................ 1841.6 Atenuacin de tensiones residuales.................................................... 185

VI

2 SOLDABILIDAD DE LOS ACEROS PARA ESTRUCTURAS......................... 1862.1 Introduccin............................................................................................ 1862.2 Fisuracin por solidificacin del metal de aportacin....................... 1862.3 Fisuracin de la zona afectada por el calor (HAZ) ............................. 187

2.3.1 Fisuracin por licuacin (fusin lquida, quemado) ........... 1872.3.2 Fisuracin inducida por hidrgeno.......................................... 188

2.4 Desgarro laminar.................................................................................... 1912.5 Fisuracin por recalentamiento............................................................ 192

3 RESUMEN FINAL ............................................................................................ 1944 BIBLIOGRAFA................................................................................................ 194

DIAPOSITIVAS COMPLEMENTARIAS ........................................................... 195

VII

NDICE

ESDEP TOMO 3METALURGIA APLICADA

Leccin 3.1: Caractersticas de las Aleaciones de Hierro y Carbono

1

3

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Presentar aspectos importantes de lametalurgia del acero, necesarios para compren-der sus propiedades fsicas.

CONOCIMIENTOS PREVIOS

Ninguno.

LECCIONES AFINES

Leccin 3.2: Procesos de Fabricacin yConformado

Leccin 3.3.1: Introduccin a las PropiedadesFsicas de los Aceros

Leccin 3.3.2: Propiedades Mecnicas delos Aceros

Leccin 3.4: Calidades y Tipos de Acero

Leccin 3.6: Soldabilidad de los Acerospara Estructuras

RESUMEN

La leccin comienza exponiendo la nece-sidad que tiene el ingeniero civil o de la cons-truccin metlica de poseer un conocimientobsico de la metalurgia del acero. A continuacinse describe la naturaleza cristalina de los hierrosy aceros, junto con la influencia del tamao delgrano y de la composicin sobre las propieda-des. Se expone la capacidad que presenta elacero de tener ms de una estructura cristalina(su alotropa) y las propiedades de las principa-les formas cristalinas de las aleaciones de hierroy carbono.

Se revisan la metalurgia y propiedades delos aceros de enfriamiento lento, incluyendo lainfluencia del tamao del grano, la laminacin, elposterior tratamiento trmico y la forma y distri-bucin de las inclusiones. Los aceros de enfria-miento rpido se tratan aparte; a una breve des-cripcin del temple y del revenido le sigue laexposicin de la influencia de la soldadura sobreel historial trmico local. Se exponen brevemen-te la templabilidad, la soldabilidad y el control dela fisuracin. Por ltimo se subraya la importan-cia del manganeso como elemento de aleacin.

41. INTRODUCCIN

1.1 Por qu es importante lametalurgia para el ingenierocivil y de la construccinmetlica? Las propiedades fsicas del acero, como

son su resistencia, ductilidad y resistencia a lafractura frgil, dependen de su estructura crista-lina, del tamao del grano y de otras caracters-ticas metalrgicas.

Estas propiedades de la microestructuradependen de la composicin qumica y del histo-rial de deformacin trmica del acero. Tambinlos tratamientos trmicos derivados de la solda-dura pueden tener una gran influencia sobre laspropiedades fsicas.

A la hora de escoger el acero paraestructuras soldadas es importante poseer almenos un conocimiento bsico de metalurgia,sobre todo cuando se proyectan estructurasgrandes y complejas como puentes, estructurasde plataformas petrolferas y edificios de variospisos.

La seleccin de materiales y de procedi-mientos y materiales de soldadura exige amenudo la consulta a los autnticos metalrgi-cos y especialistas en la materia. Para comuni-carse con ellos el conocimiento bsico de meta-lurgia resulta esencial.

Por ltimo, este conocimiento bsico demetalurgia permite al ingeniero civil y de la cons-truccin metlica comprender mejor las propie-dades fsicas del acero y el rendimiento de lasestructuras soldadas.

1.2 Contenido de las lecciones del grupo 3

La leccin 3.1 se ocupa de las caracters-ticas de las aleaciones de hierro y carbono.Siempre que sea posible se establecen relacio-nes directas con las propiedades fsicas y la sol-dabilidad del acero, temas que se tratan en lasLecciones 3.2 y 3.6 respectivamente.

La Leccin 3.3 describe la fabricacin delacero y su conformacin en chapas y perfiles. Sepresentan los diversos procedimientos de controlde la composicin qumica y los distintos trata-mientos de deformacin trmica. Se aplican lamayora de los principios fundamentales descri-tos en la Leccin 3.1.

Existen varios tipos y calidades de acero.El tipo se refiere a las propiedades de resisten-cia (lmite elstico y resistencia a la rotura),mientras que la calidad se relaciona principal-mente con la resistencia a la fractura frgil. En laLeccin 3.4 se explican los tipos y calidades. Sepresenta un sistema para la eleccin de la cali-dad adecuada, conforme al Eurocdigoo 3(Anexo C) [1] y se ofrecen algunas directricespara la seleccin del tipo de acero.

5ESTRUCTURA Y COMPONENTES

2. ESTRUCTURA Y COMPONENTES DEL ACERO

2.1 IntroduccinPara hacerse una idea de la estructura

metalrgica del acero, puede cortarse un frag-mento de barra de acero para dejar al descu-bierto una seccin longitudinal, amolando ypuliendo la superficie expuesta para examinarlacon el microscopio.

Con pocos aumentos se ven algunas par-tculas extendidas en el sentido de laminacin dela barra. Ver diapositiva 1. Estas partculas soninclusiones. Se trata de sustancias no metlicasque han quedado dentro del metal durante sufabricacin, generalmente por accidente, pero aveces porque as se ha proyectado. Su presen-cia no afecta a la resistencia pero tiene un efec-to perjudicial sobre la ductilidad y la tenacidad.Algunos tipos de inclusiones pueden mejorarconsiderablemente la maquinabilidad de los ace-ros, por lo que pueden introducirse de formadeliberada.

Para descubrir la verdadera estructura delmetal debe atacarse qumicamente la superficiepulida. Cuando se hace esto puede verse unagran diversidad de microestructuras que reflejala composicin y procesamiento del acero. Verdiapositivas 2, 3, 4 y 5.

Como se describe en las secciones pos-teriores de esta leccin, la microestructura influ-ye de forma significativa sobre las propiedadesdel acero.

2.2 Componentes del acero

Los aceros y fundiciones son aleacionesde hierro (Fe) y carbono (C) junto con varios ele-mentos ms, algunos de los cuales son impure-zas inevitables mientras que otros se aadendeliberadamente.

El carbono es el que ejerce una mayorinfluencia sobre la microestructura y las propie-dades del material. Los aceros suelen tener uncontenido en carbono inferior al 1% en peso. Losaceros para estructuras contienen menos de un

Diapositiva 1

Diapositiva 2

Diapositiva 3

60,25% de carbono: el otro ele-mento principal de la aleacines el manganeso, que se aadeen cantidades de hasta alrede-dor del 1,5%. Otros elementosde la aleacin son cromo (Cr),nquel (Ni), molibdeno (Mo) etc.Elementos tales como el azufre(S), fsforo (P), nitrgeno (N) ehidrgeno (H) suelen tener unefecto perjudicial sobre las pro-piedades fsicas, por lo quedurante la fabricacin del acerose toman medidas para reducirsu contenido. Las fundicionescontienen por lo general alrede-dor de un 4% de carbono. Estealto contenido en carbono haceque su microestructura y propie-dades mecnicas sean muydiferentes de las de los aceros.

Cada una de las microes-tructuras representadas en las dis-positivas 2, 3, 4 y 5 es un ensam-blaje de componentes menores.Por ejemplo, el acero de 0,2% Cde la dispositiva 2 es fundamental-mente un compuesto de granospequeos, polidricos, en estecaso con un tamao < 20

m m. Unanlisis ms profundo de uno deestos granos lo muestra como uncristal individual. Sin embargo, adiferencia de los cristales de cuar-Figura 1 Apariencia de superficies policristalinas

Diapositiva 4 Diapositiva 5

zo, silicona o sulfato de cobre, los cristales de hierro(Fe) son blandos y dctiles. Ms adelante se expo-ne la estructura interna de estos cristales.

El acero de la diapositiva 2 es un ejemplo desustancia policristalina que se ha hecho visiblemediante el pulido y el ataque segn se ilustraen la figura 1.

(a) La superficie est pulida pero no hasido atacada.

(b) La superficie est pulida y atacada.Las distintas reflexiones de la luz indi-can la diferente orientacin de los cris-tales (estructura policristalina).

(c) Algunos reactivos para ataque sloafectan a los contornos de los granos.Se utilizan cuando es necesario anali-

zar el grano, por ejemplo para haceruna estimacin de su tamao.

(d) Aspecto de los contornos del granoatacados de la figura 1c.

(e) Aspecto de un acero con un 0,15% decarbono (ampliacin 100x). Las zonasoscuras son perlita. Los contornos delgrano aparecen claramente indicados.Las zonas oscuras indican la presen-cia de carbono.

El ajuste del historial de laminacin y tra-tamiento trmico sufrido por el acero durante sufabricacin permite modificar el tamao delgrano. Es una tcnica til, pues el tamao delgrano influye sobre las propiedades. En particu-lar, el lmite elstico viene determinado por eltamao del grano, de acuerdo con la llamadaecuacin de Petch:

s y = s o + kd-1/2

donde

s y es el lmite elstico

s o es en efecto el lmite elstico de uncristal aislado muy grande: para elacero dulce es 50 N/mm2

d es el tamao del grano en mm

k es una constante del material, quepara el acero dulce es de alrededor de20 N/mm-3/2

As, si el tamao del grano es 0.01 mm, s y 250 N/mm2.

2.3 La estructura cristalina

La estructura interna de los granos crista-linos est compuesta de tomos de hierro dis-puestos conforme a un patrn regular tridimen-sional. Este patrn se representa en la figura 2.Se trata de la estructura cristalina cbica demallas centradas; los tomos se encuentran enlas esquinas y en el centro del cubo. La malla es

7

ESTRUCTURA Y COMPONENTES

Figura 2 Cristal cbico de malla centrada: celda unitaria

de solo 0,28 mm en sus aristas. Un grano tpicose compone de alrededor de 1015 repeticionesde esta malla.

Esta estructura cristalina del acero a tem-peratura ambiente es uno de los factores princi-pales que determinan la metalurgia y las propie-dades de los aceros.

Los aceros contienen carbono, partedel cual, en cantidad muy pequea, est con-tenido dentro de los cristales de hierro. Lostomos de carbono son muy pequeos y pue-den adaptarse, con cierta distorsin, entre losespacios mayores existentes entre los tomosde hierro. Esta disposicin conforma lo que seconoce como una solucin slida intersticial:el carbono se sita en los intersticios del cris-tal de hierro.

En los aceros de las dispositivas 2, 3 y 4,la mayor parte del carbono residual ha formadoun compuesto qumico con el hierro, Fe3C,cementita. La cementita es tambin cristalina,pero dura y frgil. Con 0,1%C, solo hay unapequea cantidad de Fe3C en el acero. Las pro-piedades de este acero son similares a las delhierro puro1)[2]. Es dctil, pero no especialmen-te resistente; se utiliza en muchas aplicacionesen las que la capacidad de conformado por fle-xin o plegado es la exigencia principal.

En el caso de un acero de mayor contenidoen carbono, digamos 0,4%, segn se representaen la diapositiva 5, puede observarse con pocosaumentos que est compuesto por regiones clarasy oscuras, aproximadamente al 50:50. Las regio-nes claras son cristales de hierro con un conteni-do muy pequeo de carbono disuelto, como en elacero de bajo contenido en carbono. Las regionesoscuras requieren un examen ms profundo. Ladiapositiva 6 muestra una de esas regiones con unaumento mayor. Se aprecia su composicin decapas alternas de dos sustancias, hierro y Fe3C.La separacin de las lminas a menudo se aproxi-ma a la longitud de onda de la luz y, como conse-cuencia de ello, la estructura atacada puedeactuar como un enrejado de difraccin, ofreciendounos efectos pticos semejantes a una irisacinnacarada. Por eso esta mezcla de hierro y cemen-tita ha recibido el nombre de perlita. El origen dela perlita y su efecto sobre las propiedades delacero se revelan al analizar lo que ocurre duranteel calentamiento y enfriamiento del acero.

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Diapositiva 6

1Hierro puro: s y = 40-200 Nmm-2, s u = 180-285 Nmm-2, A = 30-60%

3. FASES DE HIERRO Y CARBONO

3.1 Influencia de la temperaturasobre la estructura cristalinaLa estructura cristalina cambia con el

aumento de temperatura. Con el hierro puro estecambio se produce a los 910

C. Los cristales cbi-cos de mallas centradas (cmc) de la figura 2 seconvierten en cristales cbicos de caras centra-das (ccc), segn se ilustran en la figura 3. En loscristales ccc, los tomos de hierro estn en lasesquinas del cubo y en el centro de cada cara delcubo. La posicin de mallas centradas est vaca.

Un cierto nmero de tomos ocupan unvolumen ligeramente menor cuando se disponen

como cristales ccc que cuando lo hacen comocristales cmc. As pues, el cambio de estructuracristalina va acompaado de un cambio de volu-men, cambio que se ilustra en la figura 4.Cuando se calienta una pieza de hierro purotiene lugar una dilatacin normal hasta que sealcanza una temperatura de 910C. A esta tem-peratura se produce una contraccin gradual decerca de un 1/2% del volumen, asociada a latransformacin de la estructura cristalina cmc ala ccc. La dilatacin trmica contina al prose-guir el calentamiento hasta que, a 1400C, laestructura ccc retorna a la forma cmc y se pro-duce una dilatacin gradual que recupera elvolumen perdido a 910C. El calentamiento msall de 1400C produce una dilatacin trmicahasta que tiene lugar la fusin a 1540C. Lacurva es reversible enfriando lentamente.

La propiedad por la cual los metales pue-den tener diferentes estructuras metlicas, en fun-cin de la temperatura, se denomina alotropa.

3.2 Solucin de carbono en crista-les cmc y ccc

Cuando los tomos de dos materiales A yB tienen ms o menos el mismo tamao puedenformarse estructuras cristalinas all donde ciertonmero de tomos A son sustituidos por tomosB. Esta solucin se denomina de sustitucin, ya

9

FASES DE HIERRO Y CARBONO

Figura 3 Cristal cbico de caras centradas: celda unitaria Figura 4 Cambios de volmen al calentar hierro puro

que un tomo sustituye al otro. Un ejemplo es elnquel en acero.

Cuando los tomos de dos materiales tie-nen distinto tamao, el menor de ellos quizpueda colocarse entre los tomos mayores. Estaes la solucin intersticial. El ejemplo ms familiares el de la solucin de carbono en hierro. De estamanera, los cristales ccc de temperatura elevadapueden contener hasta un 2% de solucin slidade carbono a 1130C, mientras que en los crista-les cmc de baja temperatura, la mxima cantidadde carbono que puede mantenerse en solucines de 0,02% a 723C, y de alrededor de un0,002% a temperatura ambiente.

As, por ejemplo, un acero que contengaun 0,5% de carbono puede disolverlo todo en loscristales ccc de elevada temperatura, pero al

enfriarse no puede mantener todo elcarbono en solucin en los cristalescmc. El excedente de carbono reac-ciona con el hierro dando lugar acementita (Fe3C), que es dura y frgilen comparacin al hierro puro.

La cantidad de cementita y ladistribucin de sus partculas en lamicroestructura es importante paralas propiedades fsicas del acero.

La distribucin de la cementitadepende en gran medida de la veloci-dad de enfriamiento. La distribucinpuede explicarse haciendo referenciaal diagrama hierro y carbono. Ver laseccin 3.4.

3.3 Nomenclatura

En metalurgia se emplea lasiguiente nomenclatura:

Ferrita o a -Fe La forma cmc delhierro en la quepuede disolversehasta 0,02%C enpeso.

Cementita Fe3C (que contiene cerca de6,67%C).

Perlita La mezcla laminar de ferritay cementita descrita ante-riormente. El contenido glo-bal en carbono de la mezclaes de 0,8% en peso.

Austenita o g -Fe La forma ccc del hierro queexiste a elevadas temperatu-ras y que puede contenerhasta aproximadamente2%C en peso.

Acero Aleaciones con un contenidoen carbono inferior al 2% enpeso.

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Figura 5 Parte del diagrama de fase hierro - carbono

Fundicin Aleaciones con un contenidoen carbono superior al 2%en peso.

El acero que se utiliza en estructuras talescomo puentes, edificios y barcos, suele contenerentre un 0,1% y un 0,25% de carbono en peso.

3.4 El diagramahierro y carbono

El diagrama hierro y carbono es bsica-mente un mapa. La parte ms importante semuestra en la figura 5. En la figura 6 se repre-sentan ms detalles.

Cualquier punto del campo del grficorepresenta un acero con un contenido concretoen carbono a una temperatura concreta.

El grfico est dividido en zonas quemuestran las estructuras que son estables concomposiciones y a temperaturas concretas.

El grfico puede utilizarse para observarqu ocurre cuando un acero de 0,5%C se enfraa partir de 1000C (figura 6).

A 1000C la estructura es austenita, esdecir, cristales ccc policristalinos con la totalidaddel carbono disuelto en ellos. Durante el enfria-miento no se produce ningn cambio hasta queno se alcanza una temperatura cercana a 800C.A esta temperatura se cruza el lmite desde elcampo etiquetado Austenita (g ) al etiquetadoFerrita + Austenita (a + g ), es decir, que a partirdel hierro ccc comienzan a formarse algunoscristales de hierro cmc, con un contenido muypequeo en carbono. Puesto que la ferrita con-tiene tan poco carbono, el carbono restante debe

concentrarse en la austenita resi-dual. El contenido en carbono de laaustenita y las proporciones relati-vas de ferrita y austenita en lamicroestructura, se ajustan por smismas para mantener el contenidode carbono global original.

Estas cantidades se puedencalcular observando la parte amplia-da del diagrama hierro y carbonoque muestra la figura 7. Imaginemosque el acero se ha enfriado a 750C.La combinacin de contenido globalde carbono y temperatura estrepresentada por el punto X.

Todos los componentes de laestructura estn a la misma tempe-ratura. A travs de X se puede tra-zar una lnea de temperatura cons-tante que corta los lmites delcampo de austenita y ferrita en F yA. Estas intersecciones dan los con-tenidos en carbono de la ferrita y laaustenita respectivamente, a unatemperatura concreta.

Si imaginamos ahora la lneaFA como una viga rgida giratoria en

11

FASES DE HIERRO Y CARBONO

Figura 6 Diagrama de la fase hierro-carbono

torno a un punto de apoyo en X, el peso de laaustenita que cuelga en A debe compensar elpeso de ferrita que cuelga en F. Es la llamadaregla de la palanca:

Peso de ferrita FX = Peso de austenita AX

La proporcin de ferrita respecto de laaustenita en la microestructura viene dada por:

As, conforme el acero se va enfriandoaumenta la proporcin de ferrita y el contenidoen carbono de la austenita residual, hasta que elenfriamiento alcanza los 723C. A esta tempera-tura el contenido en carbono de la austenita es

de 0,8%, y ya no admite ms. El enfriamientojusto por debajo de esta temperatura hace que laaustenita se descomponga en la mezcla laminarde ferrita y Fe3C anteriormente identificadacomo perlita.

Las proporciones de ferrita y perlita en lamicroestructura, digamos a 722C, son virtual-mente las mismas que las de ferrita y austenitainmediatamente antes de la descomposicin a723C. As, haciendo referencia a la figura 7 yempleando la regla de la palanca:

Peso de ferrita FX = Peso de perlita FP

En este caso, tendra que haber aproxi-madamente el doble de perlita que de ferrita.

Con otros aceros que contienenmenos de 0,8%C la explicacin esidntica, salvo en lo que respecta a lasproporciones de perlita en la microes-tructura por debajo de 723C. Varams o menos de forma lineal con elcontenido en carbono, entre cero con0,02%C y 100% con 0,8%. Un acerodulce tpico con un contenido de0,2%C contendra alrededor de un25% de perlita.

En los aceros que contienen unporcentaje de carbono superior al0,8%, al enfriarse a partir de tempera-turas elevadas la estructura es entera-mente austentica. El primer cambioque se produce es la formacin de par-tculas de Fe3C a partir de la austeni-ta. Este cambio reduce el contenido encarbono de la austenita residual. Conel enfriamiento ulterior, el contenido encarbono de la austenita sigue la lneadel lmite entre el campo g y el campog + Fe3C. Una vez ms, al alcanzar los723C el contenido en carbono de laaustenita es del 0,8%. Al proseguir elenfriamiento, se descompone comoantes en perlita. Por lo tanto, la micro-estructura final consiste en unas pocaspartculas de Fe3C intercaladas enuna masa de perlita. Ver figura 6.

Ferrite %Austenite %

=

AXFX

12

Figura 7 Ilustracin de la regla de palanca

FerritaAustenita

4. RITMO DE ENFRIAMIENTO

4.1 Indice de enfriamiento durante la transformacin de austenita en ferrita y tamao de granoDurante el enfriamiento de la austenita

comienzan a crecer desde muchos puntos losnuevos cristales cmc de ferrita. El nmero depuntos de arranque determina el nmero degranos de ferrita, y por tanto el tamao degrano. El tamao de grano es importante, puesde l dependen las propiedades fsicas. Losgranos pequeos resultan favorables. El nme-ro de puntos de arranque puede aumentarseaadiendo elementos como aluminio y niobio.Otro factor importante es el ritmo de enfria-miento. Si es lento, los nuevos granos de ferri-ta se desarrollan nicamente a partir de unospocos puntos muy favorables. Con ritmos deenfriamiento elevados el nmero de puntos dearranque ser mucho mayor, y el tamao de losgranos menor. Las diapositivas 7, 8 y 9 mues-tran aceros con diversos tamaos del grano,producidos a diferentes temperaturas de lami-nacin de acabado.

Otro factor importante lo constituye elhecho de que cuando un acero de grano fino secalienta a una temperatura superior a unos1000C, algunos de los granos de austenita cre-cen mientras los granos contiguos desaparecen.Este crecimiento del grano tiene lugar durante la

soldadura en la llamada zona afectada por elcalor (HAZ, heat affected zone). Se trata deuna zona de 3-5 mm de anchura situada en lachapa adyacente al metal fundido. Los cambiosmicroestructurales acaecidos en la zona afecta-da por el calor suelen dar lugar a un deterioro delas propiedades fsicas del acero.

4.2 Aceros de enfriamiento lento

4.2.1 Influencia del carbono sobrela microestructura

El diagrama de constitucin hierro y car-bono de las figuras 5 y 6 muestra que, en losaceros para estructuras (entre 0,1% y 0,25% decarbono), la formacin de ferrita comienza aunos 850C y finaliza a 723C. Se recordar quela ferrita apenas puede contener carbono. Porconsiguiente, la fase austentica se transforma

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RITMO DE ENFRIAMIENTO

Diapositiva 7

Diapositiva 8

Diapositiva 9

en ferrita y cementita (Fe3C).

Cuando el ritmo de enfriamiento eslento, los tomos de carbono tienen tiempode migrar separando capas en la micro-estructura y formando la estructura deno-minada perlita, segn se mostr antes enlas diapositivas 2, 3, 4 y 5. La ferrita de estamezcla es blanda y dctil. El componentecementita es duro y frgil. La mezcla (per-lita) posee propiedades entre estos dosextremos.

Las propiedades de resistencia a latraccin de un acero que contiene ferrita yperlita tienen un valor ms o menos confor-me a las proporciones de estos componen-tes en la microestructura, como se ve en la figura8.

La figura 9 muestra el efecto sorprenden-te que el contenido en carbono tiene sobre la

tenacidad. El aumento del conteni-do en perlita disminuye la tenaci-dad de la capa superior e incre-menta la temperatura de transicinde dctil a frgil.

Las figuras 8 y 9 muestranuna de las dificultades a la hora deelegir el contenido en carbono. Elaumento de ste es beneficiosoporque mejora el lmite elstico y laresistencia a la rotura por traccin,pero es perjudicial en la medidaque reduce la ductilidad y tenaci-dad. Asimismo, un contenido ele-vado en carbono puede causarproblemas en la soldadura. Verseccin 4.3.

En la Norma Europea10025, Tabla 3, [3] se da la compo-sicin qumica de productos planosy largos. En la figura 10 se presen-ta un extracto. Por ejemplo, ladesignacin S235 JR indica que ellmite elstico es 235 N/mm2 comomnimo. Se ha de hacer hincapien que los valores relativos a lacomposicin reflejados en la tabla

son mximos. Muchos fabricantesde aceros consiguen niveles mucho

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Figura 8 Efectos del contenido de carbono en el contenido de perlita y pro-piedades del ensayo de traccin de aceros normalizados

Figura 9 Efecto del contenido de carbono en la transicin de dctil a fr-gil en los aceros normalizados (Rinebolt & Harris, 1951)

menores, obteniendo una mejor ductilidad, resis-tencia a la fractura frgil y soldabilidad.

El menor contenido en carbono quepuede conseguirse fcilmente a granescala es de alrededor de 0,04%. Estecontenido es el caracterstico de las cha-pas finas o aceros en banda, destinados auna conformacin por deformacin exten-siva en fro, como en la embuticin.

Los contenidos en carbono superio-res al 0,25% se emplean en el campo msamplio de los aceros industriales genera-les. Se trata de aceros utilizados en esta-do bonificado (ver ms adelante) para unamultiplicidad de aplicaciones de ingenieramecnica. Los pernos de gran resistenciadestinados a algunas aplicaciones estruc-turales seran tambin de este tipo.

4.2.2 La necesidad de controlar el tamao de granoLas propiedades mec-

nicas del acero se ven afecta-das por el tamao de grano. Lasdiapositivas 8 y 9 representanlas microestructuras de dosmuestras del mismo lote deacero dulce, que han sido trata-das para obtener diferentestamaos de grano mediante losmtodos esbozados en la sec-cin 4.2.3. La reduccin deltamao de grano mejora el lmi-te elstico, pero tiene tambinun profundo efecto sobre latemperatura de transicin dc-til/frgil. Ver figura 11. As, unamisma carga de la microestruc-tura proporciona diversos bene-ficios; algo desacostumbradoen metalurgia, donde los ajus-tes realizados para mejorar unapropiedad a menudo significanel empeoramiento de otra, porlo que se hace necesario un

compromiso. Un ejemplo de este compromiso serefiere al contenido en carbono, ya tratado ante-riormente.

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RITMO DE ENFRIAMIENTO

Figura 10 Extracto de la Tabla 3 de EN 10025

Figura 11 Efecto del tamao de grano de ferrita en la temperatura detransicin dctil/frgil del acero dulce (0,11%) (Petch, 1959)

dctil y frgil

4.2.3 Control del tamao de granomediante normalizacinEn la seccin 4.2.1 se describen las trans-

formaciones que pueden producirse cuando losaceros se enfran lentamente. Los tomos decarbono del acero deben cambiar de posicinpara formar ferrita y perlita a partir de la austeni-ta. Los procesos de difusin que transportan lostomos dentro del slido tienen lugar a velocida-des que dependen exponencialmente de la tem-peratura. Tambin el ritmo de enfriamiento influ-ye sobre estas transformaciones.

Si se incrementa el ritmo de enfriamiento lastransformaciones se producen ms rpidamente.Adems, los procesos de difusin no pueden man-tener el ritmo de la temperatura en descenso. As,un acero enfriado muy lentamente en el horno semantiene prximo a las exigencias del diagrama deconstitucin. Sin embargo, el mismo acero retiradodel horno y enfriado al aire puede sobreenfriarseantes de completar su secuencia de transformacio-nes. Este enfriamiento ms rpido tiene dos efec-tos: en primer lugar tiende a aumentar ligeramentela proporcin de perlita en la microestructura;y en segundo lugar, produce ferrita de untamao del grano ms fino y perlita con lami-nillas tambin ms finas. Ambos cambiosmicroestructurales ofrecen un lmite elsticoms elevado y una ductilidad y tenacidadmejores.

Los aceros enfriados en el horno seconocen como aceros completamente reco-cidos. Los aceros enfriados al aire se cono-cen como aceros normalizados.

El tamao de grano puede verse tam-bin afectado por la temperatura a la que seenfra el acero en la fase austentica. Losgranos de austenita se hacen ms gruesoscon el tiempo, y el ritmo de este procesoaumenta exponencialmente con la tempera-tura. El hecho de que los granos se haganms gruesos es importante, porque la trans-formacin en ferrita y perlita durante elenfriamiento comienza en los contornos delgrano de la austenita. Si las nuevas estruc-turas empiezan a crecer a partir de puntos

muy separados en una austenita de grano grueso,el tamao de grano de la ferrita resultante ser lmismo ms grueso. As, los aceros no deberansobrecalentarse al efectuarse la austenitizacinantes de normalizar.

La temperatura a la que se calienta el aceroantes de enfriarlo al aire se conoce habitualmentecomo temperatura de normalizacin. Las exigen-cias expuestas en el ltimo prrafo significan que latemperatura debiera ser lo ms baja posible mien-tras la estructura es una fase austentica nica. Enel diagrama de constitucin de la figura 5 se obser-va que la temperatura de normalizacin disminuyea medida que el contenido en carbono aumenta decero a 0,8%. Tendra que situarse en la banda raya-da de la figura 12.

4.2.4 Cambios estructurales unidos a la laminacin en caliente de acerosLos perfiles de aceros para estructuras se

producen mediante lingotes de laminacin en

16

Figura 12 Extracto del diagrama de la fase hierro-carbono

caliente o hilera de material colada de formacontinua, dndoseles la forma requerida. Losprocesos de laminacin tienen un efecto impor-tante sobre el desarrollo de la microestructura delos materiales.

Las etapas tempranas de la laminacin sellevan a cabo a temperaturas enteramente den-tro de la fase austentica, en la que el acero estblando y se deforma con facilidad. La deforma-cin sufrida por el material rompe la estructurade grano grueso recin fundida, pero a estastemperaturas elevadas los tomos del materialse pueden difundir rpidamente, lo que permitea los granos deformados recristalizarse y refor-mar la estructura policristalina equiaxial de laaustenita.

Una deformacin intensa a bajas tempe-raturas en la fase austentica da lugar a granosrecristalizados ms finos. Si la laminacin seconcluye a una temperatura justo por encima dela regin ferrita + austenita del diagrama de equi-librio, y se deja enfriar el perfil al aire, se obtieneuna microestructura normalizada corriente conuna ferrita de grano moderadamente fino. Lasmodernas tcnicas de control de la laminacinbuscan este resultado, o incluso una laminacina temperaturas todava ms bajas para dar lugara granos aun ms finos.

Cuando la temperatura cae de maneraque la laminacin se concluye en la fase ferrita +austenita, la mezcla de ferrita y austenita se alar-ga en el sentido de la laminacin y se desarrolla

una estructura a modo de capas. Si entonces seenfra al aire el perfil, la austenita residual sedescompone en ferrita y perlita de grano fino,presentndose esta ltima en el material a modode bandas con forma de cigarro alargado, comoen la diapositiva 10. Los aceros para estructurasno se ven perjudicados por microestructuras deeste tipo.

Cuando la temperatura de laminacin deacabado sigue cayendo, hasta por debajo de723C, el diagrama de equilibrio muestra que laestructura sera una mezcla de ferrita y perlita.La laminacin en esta fase se suele restringir alos aceros de bajo contenido en carbono, menosde 0,15%C, ya que la presencia de perlita difi-culta la laminacin.

Cuando la temperatura es superior a unos650C, los granos de ferrita vuelven a cristalizar-se al deformarse, como ocurra con la austenita.Las varillas de carburo (Fe3C) de la perlita serompen y dan origen a cintas de pequeas par-tculas de carburo que se extienden en el senti-do de la laminacin. Ver diapositiva 11. La ferritaprocedente de la perlita se hace indistinguibledel resto.

Cuando la laminacin se lleva a cabo atemperatura ambiente la perlita se descompo-ne de igual manera, pero la ferrita no puedevolver a cristalizarse. Endurece por acritud, esdecir, que aumentan el lmite elstico y la resis-tencia a la rotura por traccin del acero, mien-tras que la ductilidad disminuye. Ver figura 13.

17

RITMO DE ENFRIAMIENTO

Diapositiva 10

Diapositiva 11

Conforme contina la laminacin en froaumenta la fuerza necesaria para proseguir ladeformacin, debido al lmite elstico enaumento. Adems, el acero se hace menosdctil y puede empezar a resquebrajarse. Lacantidad de laminacin en fro que puede rea-lizarse es por tanto mucho menor que la que sepuede conseguir cuando el acero est caliente.

Por supuesto, no es necesario aplicar untrabajo en fro durante la laminacin. Cualquiermodo de deformacin del material opera un endu-recimiento por acritud. Por ejemplo, el cable deacero de alta resistencia se hace mediante estira-do en fro, dando lugar a grandes deformaciones.Otro ejemplo: un tipo de barra de refuerzo se hacetorciendo la seccin cuadrada para producir unaseccin helicoidal. La deformacin en fro que deesta forma se produce no es grande, pero causaun notable endurecimiento por acritud.

Para recuperar la ductilidad y al mismotiempo reducir el estado de endurecimiento poracritud del material, es necesario reformar la

estructura policristalina isotrpica de la ferrita. Elrecalentamiento a temperaturas de entre unos650C y 723C permite la recristalizacin de laferrita. Este tratamiento no afecta a las partculasde carburo.

As pues, existe otra tcnica para controlarel tamao de grano del acero. Cuanto mayor es elgrado de deformacin antes del tratamiento derecristalizacin y menor la temperatura delmismo, ms fino es el tamao final de grano.Dado que este tipo de tratamiento no conlleva laformacin y descomposicin de austenita, seconoce como recocido por debajo del punto crti-co. La microestructura resultante posee una duc-tilidad y caractersticas de embuticin buenas.Las chapas finas de bajo contenido en carbono(

grama de constitucin antes de que la austenitase transforme en ferrita y perlita finas. Los incre-mentos ulteriores del ritmo de enfriamiento danlugar a un mayor subenfriamiento y a microes-tructuras aun ms finas.

El enfriamiento muy rpido mediante tem-ple en agua fra hace que la formacin de ferritay perlita quede en suspenso. La redisposicininterna de tomos de difusin controlada, nece-saria para formar esos productos, no puedetener lugar con la suficiente rapidez. En su lugarse forman nuevos productos por las transforma-ciones microestructurales de cizallamiento atemperaturas ms bajas. Un enfriamiento muyrpido da lugar a martensita: su microestructurase muestra en la diapositiva 12. Cuando seforma martensita no hay tiempo para la forma-cin de cementita, y la austenita se trans-forma en una forma muy distorsionada deferrita sobresaturada de carbono disuelto.La combinacin de la distorsin reticular yel intenso endurecimiento por acritudresultante de los procesos de deformacinde cizallamiento, necesarios para conse-guir la transformacin, hacen que la mar-tensita sea extremadamente dura peromuy frgil.

Un enfriamiento menos rpidopuede dar lugar a un producto denomina-do bainita. Es similar a una martensitarevenida en la que la mayora del carbonoha dejado de estar disuelto y ha formadofinas agujas de cementita que refuerzan laferrita.

4.3.2 Martensita en estructuras soldadas

Las estructuras de ingeniera civilno reciben un tratamiento trmico calen-tndolas a, digamos, 900C, y templndo-las en agua. Sin embargo, existe unadeterminada circunstancia en la quepuede producirse martensita en parteslocalizadas de la estructura: la soldadura.La zona soldada se lleva a la temperaturade fusin del acero y el metal slido inme-

diatamente contiguo se calienta a temperaturasenteramente dentro de la fase austentica. Alretirarse la fuente de calor, toda la zona se enfraa un ritmo determinado principalmente por laconduccin trmica a la masa circundante demetal fro. Estos ritmos de enfriamiento puedenser muy elevados, sobrepasando en algunoscasos los 1000C por segundo, y pueden produ-cir estructuras de transformacin tales comomartensita y bainita. Ms adelante se exponenlas propiedades de los aceros de enfriamientorpido y la influencia del contenido en carbonosobre la naturaleza del producto de transforma-cin: ferrita y perlita, bainita o martensita.

La figura 14 muestra la dureza de la mar-tensita en funcin de su contenido en carbono. Elrecalentamiento de la martensita a temperaturas

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RITMO DE ENFRIAMIENTO

Figura 14 Efectos del contenido de carbono en la dureza de variasmicro estructuras de acero

superiores a unos 600C produce la precipitacinde cementita, lo que hace que el acero se ablan-de y se haga ms tenaz. Este recalentamientose conoce como revenido. El alcance de estoscambios aumenta conforme aumenta la tempe-ratura de recalentamiento, como se muestra enla figura 15. El revenido a 600C produce unmaterial extremadamente tenaz. Aun ms, sutemperatura de transicin de dctil a frgil esms baja que la del mismo acero en estado nor-malizado. La bainita tiene propiedades similaresa las de la martensita revenida.

4.3.3 Bonificacin

Cuando los procesos de temple y reveni-do se alan para cambiar la composicin delacero se puede obtener una gama sorprenden-temente amplia de propiedades. Los aceroscon tratamiento trmico de este tipo se utilizanpara mltiples aplicaciones de ingeniera gene-ral que requieren dureza, resistencia al desgas-te, resistencia y tenacidad. Una vez ms debenestablecerse compromisos entre estas propie-dades todas ellas deseables, pero, en general,los aceros bonificados presentan unas combi-naciones ptimas de resistencia y tenacidad.Para aplicaciones de estructuras, se utilizanchapas bonificadas en grandes depsitos de

almacenamiento, tolvas, equipos de movimien-to de tierras, etc.

La martensita producida en una zonaafectada por el calor de la soldadura, comoresultado de una soldadura de una sola pasada,estara en su estado no revenido, duro y frgil.Adems, la formacin de martensita a partir deaustenita est acompaada de una dilatacinvolumtrica de aproximadamente el 0,4%. Estadilatacin, junto con las contracciones trmicasirregulares que tienen lugar como resultado deun enfriamiento asimismo irregular, puede pro-ducir tensiones locales de una magnitud sufi-ciente para fisurar la martensita. Puesto que estetipo de fisuracin sucede despus de haberseenfriado en la HAZ (zona afectada por el calor),se la denomina fisuracin en fro. El problema dela fisuracin puede verse agravado si la soldadu-ra ha absorbido hidrgeno. Entre las fuentes dehidrgeno durante la soldadura se puedenencontrar la humedad atmosfrica o unos elec-trodos de soldadura hmedos. El hidrgenodisuelto en el metal soldado se difunde a la HAZdura, donde da inicio a fisuras en los puntosdonde se concentra la tensin. Esta difusinpuede dar lugar a la fisuracin algn tiempo,incluso das, despus de haberse completado lasoldadura. Las HAZs duras de ductilidad reduci-da afrontan peor este problema que los materia-

les ms blandos y dctiles. Este tipo defisuracin se llama fisuracin retardada opor absorcin de hidrgeno.

Para evitar la fisuracin en fro y lafisuracin por absorcin de hidrgeno esnecesario no sobreendurecer el material.Como regla de tres se consideran acepta-bles durezas en estado bruto de soldadurainferiores a aproximadamente HV = 350.En los modernos aceros de bajo contenidoen carbono de grano fino, la dureza admi-sible puede elevarse a HV = 400 o inclusoHV = 450.

El riesgo de fisuracin por absorcinde hidrgeno puede estar tambin presen-te en aceros bonificados altamente resis-tentes, por ejemplo tornillos de alta resis-tencia 10.9 (Re 900 N/mm2 y Rm 1000

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Figura 15 Efectos del revenido en la dureza y tenacidad de la mar-tensita (0,4% C)

N/mm2). Cuando estos tornillos estn electrore-cubiertos con zinc o cadmio, puede absorbersehidrgeno del bao de recubrimiento. Por logeneral la fisuracin no se produce hasta algntiempo despus de haberse apretado los torni-llos, cuando el hidrgeno se ha difundido a loslugares donde se concentra la tensin, general-mente en el fondo de la rosca.

4.3.4 Control de la formacin de martensita

La martensita se forma al no hacerlo laferrita y la perlita! De ello se deduce que los fac-tores metalrgicos que promueven la formacinde ferrita y perlita, inhiben la produccin de mar-tensita. La capacidad de un acero para formarmartensita antes que ferrita y cementita se deno-mina templabilidad. Ntese que este trmino nose refiere al valor de dureza absoluto obtenido,sino a la facilidad de formacin de martensita.

El mtodo ms apropiado para evaluar latemplabilidad es el llamado ensayo de Jominy deenfriamiento. Se austenitiza en forma de barracilndrica que luego se templa rociando aguasobre un extremo, de modo que se producenvelocidades de enfriamiento diferentes a lo largode la barra. A continuacin se mecanizan y pulenuna o dos bandas opuestas en direccinaxial a la barra, midindose la dureza enfuncin de la distancia al extremo tem-plado.

La figura 16 muestra algunosresultados caractersticos correspon-dientes a tres aceros distintos. Para unacero al carbono con 0,08%C y 0,3%Mn,se necesitan ritmos de enfriamiento a700C superiores a unos 50Cs-1 paraformar martensita. Por el contrario, con elacero de 0,29%C y 1,7%Mn la martensi-ta se forma a ritmos de enfriamientomucho ms lentos. Es sobre todo elmayor contenido en carbono lo que origi-na esta diferencia. En el caso del aceroaleado que se representa, la martensitase forma uniformemente a ritmos deenfriamiento muy lentos.

La importancia de estas curvas dependeen gran medida de lo que se est produciendo.Para una rueda dentada de seccin gruesa elacero aleado resultara ideal. Podra enfriarsesuavemente y aun as producir martensita, cons-tituyendo en este caso ese enfriamiento suaveuna ventaja al reducir las tensiones derivadas deunas velocidades de contraccin diferenciales,con lo que se reduce la posibilidad de fisuracinen el temple. Podra despus someterse al reve-nido para obtener la combinacin deseada deresistencia y tenacidad. Por el contrario, parauna junta soldada sera preferible el acero ordi-nario al carbono, en el que es difcil la formacinde martensita y la dureza de la que pudiera pro-ducirse sera relativamente reducida.

La soldadura plantea especiales proble-mas al metalrgico. Las diapositivas 13 y 14muestran microsecciones de soldaduras estructu-rales tpicas. Las microestructuras van desde laestructura de fundicin de grano grueso del dep-sito de soldadura, a la zona afectada por el calor(HAZ) y a la microestructura no afectada del metalque va soldarse. Tanto el metal de soldaduradepositado como la HAZ deben presentar tras lasoldadura la resistencia y tenacidad adecuadas.

Por lo tanto se requiere para la soldaduraun acero de baja endurecibilidad. Sobre ella

21

RITMO DE ENFRIAMIENTO

Figura 16 Tpicos resultados de la prueba Jominy

influye la composicin del acero, incluyendo nosolo el contenido en carbono sino tambin otroselementos de la aleacin. Para tener en cuentatodos estos factores se utiliza el concepto devalor equivalente de carbono. Existen diversas

formas para calcular equivalentes de carbono,de uso en diferentes circunstancias. En el con-texto de la soldadura:

Si CE es inferior a cerca del 0,4%, elacero puede soldarse con pocos o ningn pro-blema derivados de la fisuracin por absorcinde hidrgeno en la martensita o la HAZ. Comoya se ha dicho antes, la velocidad de enfriamien-to es tambin un factor importante, lo que signi-fica que, durante la soldadura, las chapas grue-sas son ms susceptibles a la fisuracin porabsorcin de carbono que las delgadas. Parareducir la susceptibilidad a la formacin de mar-tensita se puede disminuir la velocidad de enfria-miento (entre 800C y 500C) precalentando laschapas antes de la soldadura.

CE C Mn Cr Mo V Ni Cu. . = + + + + + +6 5 15

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Diapositiva 13

5. INCLUSIONES

5.1 Azufre, fsforo y otras impurezas

Una tonelada de acero, un cubo de ladosde 0,5 m aproximadamente, contiene entre 1012y 1015 inclusiones que pueden ocupar hastacerca de un 1% del volumen. El contenido totalest determinado principalmente en primer lugarpor los orgenes de los minerales, el coque yotros materiales empleados en la extraccin delmetal, y por los detalles de las tcnicas de fabri-cacin del acero.

Las impurezas que ms preocupan a losfabricantes de acero son el fsforo y el azufre. Sino es en concentraciones muy bajas, estasimpurezas forman partculas de fosfuros y sulfu-ros que perjudican la tenacidad del acero. Demanera caracterstica se exige menos del 0,05%de cada uno de estos elementos. Es relativa-mente fcil conseguir contenidos bajos de fsfo-ro durante el afino de la fundicin bruta en acero,pero el azufre es ms difcil de eliminar. Se con-trola mediante la cuidadosa seleccin de lasmaterias primas y, en la moderna fabricacin delacero, por medio de fases adicionales de proce-samiento destinadas a eliminarlo.

A los aceros se aade siempre mangane-so. Tiene diversas funciones, pero la principal escombinarse con el azufre para formar sulfuro demanganeso (MnS). Si no estuviera presente elmanganeso se formara sulfuro de hierro, muchoms perjudicial que el MnS.

Algunas inclusiones son demasiadopequeas para verse con microscopios pticos,por lo que deben detectarse con mtodos mselaborados. Entre ellas, generalmente de formaequiaxial, estn los nitruros de aluminio y de tita-nio, introducidos deliberadamente para inhibir losprocesos que conducen al engrosamiento deltamao de grano.

Otras inclusiones lo suficientemente gran-des para verse sin dificultad con el microscopio

23

INCLUSIONES

Figura 17 Efecto del contenido de sulfuro en la tenacidaddel acero de alta resistencia y baja aleacin(HSLA) (min Re = 450 Nmm-2)

Figura 18 Efecto de la orientacin de la entalla en la resi-liencia de una chapa laminada baja en carbono

ptico son partculas arrastradas deescoria, productos de la desoxidacin ysulfuro de manganeso. A temperaturasde laminacin elevadas estas inclusionesson plsticas y se alargan en el sentidode la laminacin. El resultado se muestraen la figura 1. En las propiedades de losaceros que contienen estas inclusionesse reflejan tanto el volumen de las mis-mas como la anisotropa de sus formas.Ver figuras 17 y 18.

En los ltimos aos se han intro-ducido una serie de tcnicas destinadasa reducir el contenido de inclusiones delacero lquido antes de moldearlo en lin-gotes. Actualmente se producen regular-mente contenidos en azufre de 0,01% oinferiores. Son procesos en los que seproduce lo que ha venido en llamarseaceros limpios (clean steels), aunquees esta una expresin relativa. Los ace-ros limpios siguen conteniendo muchasinclusiones, si bien son notablementems tenaces que los aceros ordinarios. En losaceros de mejor calidad se controla tambin laforma de las inclusiones. Al acero lquido afinadose le aaden calcio, cerio u otro elemento de tie-rras raras, cuya combinacin con el azufre es

preferible a la del manganeso. Los sulfuros deestos elementos aparecen en la microestructurafinal como partculas equiaxiales, y no son tandainos para la ductilidad en profundidad delmaterial como las inclusiones alargadas de MnS.

Los aceros tratados de esta formase utilizan en aplicaciones en lasque lo ms importante es la tenaci-dad y en las que el gasto adicionales justificable. Cabe citar comoejemplos los recipientes a presinde gran integridad, los oleoductos ygaseoductos y las alas principalesde plataformas petrolferas. Laintroduccin de la colada continuaha mejorado tambin la calidad delos aceros para estructuras con-vencionales.

5.2 Manganeso en aceros para estructuras

Ya se ha indicado antes que laimpureza de azufre residual en el

24

Figura 19 Efecto del contenido de manganeso en la transicin dctil/frgil deaceros enfriados en horno 0,05% C (Rees, Hopkins y Tiper 1951)

Figura 20 Efecto del manganeso en las propiedades de impacto delacero normalizado 0,3% C

acero es menos perjudicial cuando seforma en partculas de MnS que en sulfurode hierro. La presencia de pequeas canti-dades de manganeso en el acero confierealgunas otras ventajas. En aceros normali-zados tiende a incrementar la cantidad deproducto subenfriado antes de comenzarla formacin de ferrita y perlita, lo cual dalugar a una ferrita de grano ms fino y auna perlita dividida ms finamente. Amboscambios mejoran la resistencia y reducenla temperatura de transicin de dctil a fr-gil. Tambin la disolucin de los tomos demanganeso en los cristales de ferrita mejo-ra la resistencia de sta. En las figuras 19,20 y 21 se resumen estos efectos sobre laspropiedades.

Si se aumenta demasiado el con-tenido de manganeso su efecto deja deser beneficioso y puede convertirse enperjudicial, pues incrementa la templabili-dad, es decir, favorece la formacin demartensita. Por eso se especifica un con-tenido mximo en manganeso: en el casode S355, Tabla 3 de EN 10025, este mxi-mo es 1,7% en peso. Ver figura 16.Tambin se ha impuesto el principio por elque se distingue entre aceros al carbonoordinarios, o sea con contenido en man-ganeso < 1%Mn, y aceros de carbono ymanganeso, es decir, > 1%Mn.

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INCLUSIONES

Figura 21 Efectos del contenido de carbono y manganeso en el lmitede tensin de rotura en los aceros perlticos

6. RESUMEN FINAL Los aceros destinados a estructuras contie-

nen generalmente hasta cerca de un0,25%C, hasta un 1,5%Mn y tienen equiva-lentes de carbono de hasta el 0,4%. Se uti-lizan mayoritariamente en estado laminadoen caliente, normalizado o laminado contro-lado, aunque los aceros de bajo contenidoen carbono pueden emplearse en estadolaminado en fro y recocidos. La meta de losprocesos de fabricacin es conseguir conte-nidos reducidos de inclusiones y un tamaopequeo del grano para mejorar la resisten-cia, ductilidad y tenacidad y reducir la tran-sicin de dctil a frgil.

El mdulo de elasticidad es prcticamenteindependiente de la composicin y del tra-tamiento.

Los lmites mximos de las proporciones decarbono y otros elementos de aleacinestn determinados por el efecto del equi-valente de carbono sobre la soldabilidad ypor el efecto del carbono sobre la tempera-tura de transicin de dctil a frgil. Todos losaceros contienen manganeso, en partepara hacer frente a las impurezas como elazufre, y en parte debido a que su presen-cia posee un efecto beneficioso sobre latransicin de dctil a frgil y sobre la resis-tencia.

En los ltimos aos se han desarrollado losllamados aceros microaleados o acerosHSLA (high strength low alloy = aceroshipoaleados de gran resistencia). Se tratade aceros normalizados o de carbono y

manganeso de laminacin controlada quese han ajustado mediante microaleacinpara obtener una mayor resistencia y tena-cidad en combinacin con una facilidad desoldadura. Para ayudar a controlar el tama-o del grano se aaden pequeas cantida-des de aluminio, vanadio, niobio u otros ele-mentos. A veces se aade alrededor de un0,5% de molibdeno para afinar el espaciolaminar de la perlita y distribuirla ms uni-formemente a modo de colonias mspequeas. Estos aceros se emplean alldonde el coste adicional est justificado porlas propiedades mejoradas.

7. BIBLIOGRAFA[1] Eurocode 3: `Design of Steel StructuresENV 1993-1-1: Part 1.1: General Rules andRules for Buildings, CEN, 1992.

[2] Rollason, E. C., `Metallurgy for Engineers,4th Edition, Arnold, 1973.

[3] Euronorm 10025

8. BIBLIOGRAFA ADICIONAL1. Honeycombe, R. W. K., `Steels. Microstructureand Properties. Arnold.

2. Knott, J. F., `The relationship between micros-tructure and fracture toughness in `Steels for linepipe and pipeline fittings The Metals Society,London 1981.

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ESDEP TOMO 3METALURGIA APLICADALeccin 3.2: Procesos de Fabricacin

y Conformado

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29

OBJETIVOS/CONTENIDO

OBJETIVOS/CONTENIDO

Presentacin de las ms recientes tecno-logas de fabricacin de acero y de laminacin.

LECCIONES AFINES

Leccin 3.1: Caractersticas de lasAleaciones de Hierro yCarbono

Leccin 3.3.1: Introduccin a lasPropiedades fsicas de losAceros

Leccin 3.3.2: Propiedades fsicasAvanzadas de los Aceros

Leccin 3.5: Seleccin de la Calidad delAcero

Leccin 3.6: Soldabilidad de los Acerospara Estructuras

RESUMEN

Se describen los procesos de horno alto,de fabricacin de acero al oxgeno y de horno dearco elctrico. Tambin se hace una introduccina la tecnologa de fabricacin de acero en cucha-ra y a la de colada.

Por ltimo se presentan los diferentes pro-cesos y condiciones de laminacin, as como lostratamientos trmicos habituales.

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1. TECNOLOGA DE FABRICACIN DEL ACERO

1.1 IntroduccinLa tecnologa de fabricacin del acero

ha cambiado mucho en las dos ltimas dca-das bajo la presin de una mayor demanda,nuevas especificaciones y la necesidad dereducir el consumo de energa y material. Laeficacia de la produccin se ha mejoradoaumentando la capaci-dad de fusin de loshornos, instalandomdulos informatizadosde control en lnea eintroduciendo nuevastecnologas, como elproceso de sopladocombinado para con-vertidores LD (LinzDonawitz), el hornoelctrico de potenciaultra elevada (UltraHigh Power (UHP)), losprocesos de fabricacinde acero en cuchara yla colada continua.

La fabricacin delacero se realiza a travsde dos mtodos (figura 1): El convertidor bsico

de oxgeno de hornoalto ("Basic OxygenConverter" (BOF))

El horno de arco elc-trico (Electrical ArcFurnace (EAF))

En ambos casosel proceso consiste en laproduccin de hierro afi-nado al que se aadenlos elementos de alea-cin exigidos para obte-ner el acero acabadoespecificado.

En la produccin de acero bruto su parti-cipacin es del 70% (BOF) y del 30% (EAF). Elprimer mtodo adquiere un papel dominantecuando se trata de ndices elevados de produc-cin y de la fabricacin de acero bajo en impure-zas. Los bajos costes energticos y un ampliosuministro de chatarra reciclada aseguran alsegundo mtodo una cuota de mercado compe-titiva, sobre todo cuando se utiliza el horno UHP.

Antes de la colada se puede afinar elacero en la cuchara mediante varios procesos,

Figura 1 Proceso de produccin del acero

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TECNOLOGA DE FABRICACIN DEL ACEROen funcin de la especificacin y en relacin a suestado de desoxidacin, contenido de inclusio-nes y nivel de fsforo, azufre, nitrgeno e hidr-geno. Al mismo tiempo se puede ajustar su con-tenido en carbono, manganeso y elementos demicroaleacin tales como niobio, vanadio y tita-nio. Esta fase del proceso suele conocerse comofabricacin de acero secundaria o en cuchara.

Durante la ltima fase de fabricacin elacero se conforma en desbastes rectangulares,cuadrados o palanquillas en una mquina decolada continua, o en lingotes, dependiendo delproducto acabado que se quiere fabricar. Losproductos planos y formas ligeras se obtienennormalmente a partir de pieza fundida alimenta-da de forma continua; en cambio las vigas y cha-pas pesadas es ms probable que se obtenganen tochos.

1.2 Fabricacin del acero

1.2.1 El mtodo del convertidorbsico de oxgeno de horno alto

El mineral de hierro sinterizado sereduce a hierro bruto en el horno alto. Elhierro bruto se transforma entonces en elconvertidor de oxgeno en acero bruto.Como esta operacin libera energa, serealiza una introduccin adicional de cha-tarra para controlar la temperatura.

Planta de sinterizacin

El hierro del que se alimenta elhorno alto es el sinterizado, producido enla planta de sinterizacin. En el procesode sinterizacin se carga una mezcla definos de mineral de hierro, cal y coque(carbono casi puro), formando una capade 45 cm de espesor, en un transporta-dor mvil (proceso Dwight Lloyd) y sefunde parcialmente para formar una mez-cla porosa de xidos de hierro y ganga.El consumo de coque es de aproximada-mente 50 kg/t de producto sinterizado.

Proceso de horno alto (figura 2)

El horno alto es un horno de tipo cubaque funciona mediante la tcnica de contraco-rriente: la carga descendente de sinterizado ycoque, cargada por la parte superior del horno,es calentada y reducida por los gases de la com-bustin que ascienden de la zona de tobera,donde se inyecta un chorro de aire caliente paraquemar el C y convertirlo en CO. El chorro deaire se comprime por medio de un soplante y secalienta en estufas especiales a 1100C, pormedio de la combustin de los gases de escapedepurados del horno.

El CO reduce los xidos de hierro (FeO,Fe2O3) y algunos de los elementos presentes enla ganga del sinterizado, para producir metallquido.

El polvo del tragante del horno alto, quecontiene cerca de un 40% Fe, se recicla en elproceso de sinterizado.

La elevada permeabilidad del sinterizadoy la distribucin uniforme de la carga producidapor conductos en rotacin contribuyen a aumen-tar la productividad del horno alto. El consumo

Figura 2 Proceso de horno alto

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de coque se puede reducir a 470 kg/t de metallquido. El empleo de inyectantes de toberacomo combustible pulverizado (120 kg/t) o fueloil(60 kg/t) reduce aun ms el consumo de coquedel horno y por tanto el coste.

Por debajo de la zona de tobera, dondese da la mayor temperatura, el material fundidose acumula en el crisol, donde el hierro lquido(fundicin bruta) se separa de la escoria por ladiferencia de densidad. La escoria y la fundicinbruta lquida se sangran desde diferentes pique-ras. La escoria sangrada se granula mediantechorros de agua y se retira para ser utilizada enotros productos, entre ellos materiales de cons-truccin de carreteras, fertilizantes, etc. La fundi-cin bruta lquida (metal lquido) se sangra acucharas o torpedos (capacidad: 300 - 400 t) yse transporta a la acera para su afinado y con-versin en acero.

Un anlisis tpico del metal lquidoproducido a una temperatura de 1400C es:4,7% carbono (C); 0,5% manganeso (Mn);0,4% silicio (Si); 0,1% fsforo (P) y 0,04 %azufre (S), siendo el resto hierro (Fe).

La eliminacin del azufre de lacolada requiere actividades de oxgenodbiles. La desulfuracin en el metallquido se consigue por tanto inyectandofundentes de carburo de calcio para for-mar sulfuro de calcio (CaS) o fundentesque contengan magnesio metlico paraformar MgS y CaS.

El proceso de fabricacin de acero aloxgeno (figura 3)

El horno bsico de oxgeno o con-vertidor LD (por el proceso Linz-Donawitziniciado en 1956) est basado en lainyeccin de oxgeno a la colada de metallquido por medio de una lanza. En elconvertidor se cargan chatarra y cal paraenfriar la colada y eliminar el fsforo, elsilicio y el manganeso.

El convertidor est revestido conuna capa refractaria de dolomita o mag-

nesita, que es la que mejor resiste la erosincausada por la chatarra y el calor durante elsoplado del oxgeno. La vida til del forro de unconvertidor es de unos 800 a 1400 calentamien-tos.

El oxgeno quema el carbono comomonxido de carbono CO y gas carbnico CO2que se recoge en el can de chimenea y se lim-pia de polvo (Fe203 y partculas de cal, etc.). Loselementos Mn, Si y P se oxidan y combinan conla cal (CaO) y el FeO formado por la oxidacindel Fe, para formar una escoria fundida.

Al ser estas reacciones de oxidacin alta-mente exotrmicas, el proceso exige un enfria-miento para controlar la temperatura de la cola-da. Este enfriamiento se realiza cargandochatarra (residuos de fabrica y laminacin reci-clados) y aadiendo mineral de hierro durante elproceso de soplado.

Figura 3 Convertidor de oxgeno bsico

2

O2

N Ar

Elementos adicionales Gas de deshecho

Gasburbujeante

Leccin 2.2

Figura 3 Convertidor de oxgeno bsico

Independientemente del tamaodel convertidor (70 a 400 t), el soplado deloxgeno dura de 15 a 20 minutos, ya queel caudal de oxgeno de la lanza se ajus-ta al peso de la colada. La carga y des-carga de acero y escoria, incluyendo latoma de muestras para medir la tempera-tura y analizar la colada, ampla el inter-valo de colada a colada del convertidor a40 - 60 minutos. El proceso se caracterizapor una productividad elevada y un acerocon bajo contenido de impurezas.

El acero se sangra a la cuchara atravs de una piquera, inclinando elhorno. En el transcurso de esta operacinse aaden ferroaleaciones a la cucharapara controlar la composicin del acero.La escoria oxidada con un contenido del12 al 16% de Fe se vierte tras la coladaen un recipiente de escoria de fundicin yse elimina en una zona destinada a laescoria.

A mediados de los setenta se desarrollun gran avance en la tcnica del soplado conlanza de oxgeno, conocido como equilibrio deburbujeo de lanza (Lance Bubbling Equilibrium(LBE)) y adoptado de modo generalizado. A tra-vs de elementos permeables dispuestos en elfondo del convertidor se inyecta un gas neutro,generalmente argn, que remueve la colada y laescoria. Esto aumenta notablemente la eficaciametalrgica (menores prdidas de Fe y menorescontenidos de P), la productividad, y el balancede calor y masa del proceso (reduccin delcoste).

1.2.2 El mtodo del horno de arco elctrico (figura 4)

Tecnologa

En el proceso de horno de arco elctrico,la carga metlica fra, principalmente chatarra,se funde mediante la energa de arcos elctricosgenerados entre los extremos de electrodos degrafito y la carga metlica conductora.

Los tres electrodos y la bveda del hornose levantan y retiran del blindaje del horno girn-dolos para permitir la carga de la chatarra. Loselectrodos mantienen el arco de acuerdo con elvoltaje y el nivel de corriente escogidos paraproducir la potencia deseada a la deseada lon-gitud de arco para la fusin y afino. Dado quedurante el perodo de fusin el ruido generadopor los arcos es elevado, con niveles de hasta120 dBA, la cabina de operarios est especial-mente protegida y el horno posee un cerramien-to especial.

La corriente alterna trifsica la suministrael lado de alta tensin (300 - 700 V) de un trans-formador de alta potencia. El rgimen nominaldel transformador, expresado en KVA/t, va de300 a 500 KVA/t para los hornos de potencia ele-vada y de 500 KVA/t en adelante para los hornosUHP. Estos hornos tienen un dimetro interno de6 a 9 metros y una capacidad de 100 a 200 tone-ladas de acero. Su intervalo de colada a coladaes de 90 a 110 minutos.

El tradicional papel del proceso EAF esproducir aceros aleados, para herramientas y alcarbono, y el horno UHP se ha encargado de

33

TECNOLOGA DE FABRICACIN DEL ACERO

Figura 4 Horno de arco elctrico

Ruta de la chatarra

Chatarra

Preparacin

Electrodos

Acero lquido

Hornoelctrico

Leccin2.2Figura4Hornodearcoelctrico

extenderlo para una fabricacin en masa delacero. Naci as el concepto del minilaminador(Mini-Mill). A medida que el tamao y la pro-ductividad del horno aumentaba, se hizo posibleel funcionamiento de colada continua para lafabricacin de palanquillas y desbastes cuadra-dos. Sin embargo, la especificacin de productosplanos exige unos niveles bajos de impurezasresiduales y unos ndices de produccin aunmayores que el horno UHP no puede satisfacer.

La proporcin que tiene el horno de arcoelctrico en la fabricacin de acero es de cercadel 30%, un nivel al que parece estar estabiliza-da al escasear la chatarra de calidad aceptable.Con los tipos de acero de alto grado de calidadse han de utilizar pelletes y esponja de hierro deprecio elevado para controlar el nivel de elemen-tos dainos tales como cobre, nquel, estao,etc.

Metalurgia

El horno de elevada potencia tradicionalproduce aceros al carbono y aleados de grancalidad mediante la tcnica de doble escoria.Despus de fundir la carga de chatarra, una pri-mera escoria oxidante elimina los elementos P ySi y reduce el carbono al nivel requerido. Tras eldesescoriado, se forma una segunda escoriareductora bsica para disminuir los contenidosde azufre y oxgeno y se ajusta la composicindel acero mediante adiciones de ferroaleacin.

El horno UHP funciona nicamente conuna escoria oxidante con base de cal. La fundi-cin de la carga de escoria se acelera utilizandoquemadores de combustible con oxgeno, colo-cados para alcanzar los puntos fros del granhorno de forja. La lanza de oxgeno y la adicinde carbono se emplean para hacer una escoriaespumosa que libera mejor la energa proceden-te de los arcos y mejora la desfosforacin.Transcurrido este perodo se descarga la coladapor una piquera. La desoxidacin y afino bajo laescoria reductora tiene lugar en la cuchara deacero (fabricacin de acero secundaria). Lacarga 100% de chatarra hace que el proceso seams vulnerable a elementos trampa nocivoscomo el cobre, el nquel y el estao, que no pue-

den ser eliminados en el proceso al ser su esta-bilidad mayor que la del hierro. Para controlarestos elementos trampa es muy importanteidentificar la procedencia de la chatarra y tomarlas medidas oportunas para mantener separa-das las distintas calidades.

1.3 Fabricacin de acero encuchara (afino)

1.3.1 Aspectos generalesPara conseguir las propiedades del acero

exigidas es a menudo necesario un elevadonivel de control de los contenidos de carbono,fsforo, azufre, nitrgeno, hidrgeno y oxgeno.Individualmente, o de manera combinada, estoselementos determinan en gran medida propie-dades del material tales como la conformabili-dad, resistencia, tenacidad, soldabilidad y com-portamiento a la corrosin.

Existen lmites a los tratamientos metalr-gicos a los que puede someterse el metal fundi-do en las unidades de fusin de alto rendimien-to, tales como convertidores u hornos de arcoelctrico. El contenido en nitrgeno y fsforo sepuede reducir a niveles bajos en el convertidor,pero slo se pueden obtener niveles muy bajos(< 2 ppm) de contenido en carbono, azufre, ox-geno e hidrgeno mediante un tratamiento sub-siguiente en la cuchara. Para asegurar un acon-dicionamiento apropiado del acero antes delproceso de colada, en la metalurgia de cucharase llevan a cabo la aleacin del acero conformea un anlisis especfico y tratamientos de afinoespeciales.

Los objetivos de la fabricacin de acero encuchara (afino) se pueden resumir como sigue:

afino y desoxidacin eliminacin de los productos de la desoxi-

dacin (Mn0, SiO2, Al2O3) desulfuracin a niveles muy bajos

(< 0,008%) homogeneizacin de la composicin del

acero

34

ajuste de la temperatura para la colada,recalentando si es necesario (horno decuchara)

eliminacin de hidrgeno a niveles muybajos mediante tratamiento de vaco.

1.3.2 Proceso de fabricacin de acero en cuchara: desoxidacin y afino (figura 5)El gran contenido en oxgeno del acero de

convertidor conllevara la amplia formacin deporosidades durante la solidificacin. La elimina-cin del exceso de oxgeno (killing = calmado)es por tanto de vital importancia antes de prose-guir con la colada del acero. Todos los procesosde fabricacin de acero en cuchara permiten laadicin de agentes desoxidantes a la cuchara,de modo que no es necesaria la desoxidacin enel recipiente del convertidor.

La desoxidacin pueden efectuarla lossiguientes elementos, clasificados en ordenascendente de capacidad desoxidante: carbono- manganeso - silicio - aluminio - titanio. Losms utilizados son la silicio y el aluminio.

Tras la adicin debe dejarse transcurrircierto tiempo para que tenga lugar la reaccin yobtener homogeneidad, antes de determinar elcontenido final de oxgeno mediante pruebasEMF (prueba electroqumica para el contenidode oxgeno soluble).

Dado que la mayora de estos agentesdesoxidantes forman xidos insolubles que con-llevaran inclusiones perjudiciales en el aceroslido, han de ser eliminados durante la fasesubsiguiente de afino por medio de uno de lossiguientes procesos:

1. Con la agitacin mediante argn y/o lainyeccin de reactivos (CaSi, y/o funden-tes con base de cal) se consigue: una composicin y temperatura del

acero homogneas la eliminacin de los productos de la

desoxidacin la desulfuracin de los tipos de acero

calmados con aluminio el control de la forma de la inclusin de

sulfuro.2. Horno de cuchara

La agitacin de la coladamediante argn o un equipo de agita-cin inductivo, y su calentamiento porarco (potencia elctrica baja, de formacaracterstica 200 KVA/t), permiten:

perodos de tratamiento pro-longados

adiciones elevadas de ferroa-leacin

un grado elevado de elimina-cin de productos de la deso-xidacin merced al tratamien-to prolongado en condicionesptimas

una composicin y tempera-tura del acero homogneas

desulfuracin si se realiza unaagitacin vigorosa medianteargn.

35

TECNOLOGA DE FABRICACIN DEL ACERO

Figura 5 Proceso siderrgico de cuchara de colada

Argn

Argn

Agitador de fondo Agitador de lanzae inyeccin

Bombas

Argn

Desgasificador de Rh Tanque desgasificador

Leccin2.2

al v acoTratamiento

Figura5Procesosiderr gicodecucharadecolada

Mezclado

Compuerta corredera

Argn

3. Tratamiento de vaco: proceso RH(Ruhrstahl-Heraeus) y unidad de desgasi-ficacin del depsito.

En el proceso RH el acero de la cuchara sesucciona mediante inyeccin de gas a un ala de lacmara de vaco, y el acero tratado refluye a lacuchara a travs de la segunda ala. En el proce-so de desgasificacin del depsito, la cuchara deacero se coloca en un depsito de vaco y lamasa fundida de acero se agita vigorosamentemediante argn inyectado a travs de taponesporosos situados en el fondo de la cuchara.

Con el tratamiento de vaco se consigue: una reduccin del contenido en hidrge-

no a menos de 2 ppm una considerable descarburizacin del

acero a menos de 30 ppm cuando el ox-geno se sopla mediante lanza (RH - OB)

la aleacin en vaco una composicin homognea del acero,

con un grado elevado de limpieza deproductos de la desoxidacin

Las prdidas elevadas de temperatura(50 - 100C) resultan perjudiciales, por lo que esesencial un gran recalentamiento de la coladaantes de este proceso.

En la mayora de las tcnicas de fabrica-cin de acero secundarias la agitacin del acerolquido es deseable o esencial. Una agitacinsuave basta para eliminar la inclusiones; las inclu-siones no metlicas se ponen en contacto con laescoria lquida en la parte superior de la colada,donde se pueden fijar. Sin embargo, para la des-gasificacin y la desulfuracin es necesaria unaagitacin violenta con el fin de aumentar la super-ficie de acero expuesta al vaco (eliminacin de H)o de mezclar el acero y la escoria para que la efi-cacia de la desulfuracin sea buena.

1.4 Colada y solidificacin

1.4.1 Aspectos generalesPara la solidificacin el acero se funde en

lingoteras, en el caso de la colada de tochos, o

en moldes de cobre en el del proceso de coladacontinua.

La superficie fra del molde extrae el calordel acero lquido, de manera que se pueden for-mar y crecer cristales. Se forma una lmina sli-da y la solidificacin contina manteniendo elenfriamiento.

Durante la solidificacin aumenta la den-sidad de los metales, lo que causa contraccin.Esto favorece el desmoldeado de la pieza fundi-da. Sin embargo, esta contraccin provoca tam-b