PROCESOS DE CONFORMADO DE MATERIALES

III Metales ferrosos

¿Qué es un Metal ferroso?

Se denominan metales ferrosos o férricos a aquellos que

contienen como elemento base el hierro; pueden llevar

posteriormente pequeñas proporciones de otros elementos.

Minerales de Hierro.

Cuando las capas del mineral de hierro están cerca de la superficie, se quita

primero el material superficial, que consta de arena grava y pedregones, luego se

extrae el mineral con grandes palas mecánicas y se carga en camiones o vagones

de ferrocarril. A este se le conoce como minería a cielo abierto, alrededor del 75%

de minerales de hierro se extraen con este método.

Minerales de Hierro.

Hematitas (𝐹𝑒2𝑂3) Pureza: 70%

Magnetita (𝐹𝑒3𝑂4) Pureza: 75%

Minerales de Hierro.

Limonita

(FeO(OH)·nH2O)

Pureza: 60%

Siderita (FeCO3)

Pureza: 50%

Localización del mineral

Elementos Adicionales.

Para la producción de hierro y acero son necesarios 4 elementos fundamentales:

Hierro y Acero.

Piedra caliza

Mineral de

Hierro

Coque

Aire

Elementos Adicionales.

El coque es un residuo duro y poroso que resulta después de la destilación

destructiva del carbón. Contiene fundamentalmente carbono, alrededor del 92%; casi

el 8% restante es ceniza. El valor calorífico del coque es muy elevado.

El coque desempeña 2 Funciones:

a) Es un combustible que proporciona

calor para reacción química.

b) Produce monóxido de carbono para

reducir las menas de hierro

Elementos Adicionales.

La piedra caliza es una roca sedimentaria de la clase conocida como roca

sedimentaria química. Se compone principalmente de calcita (carbonato de

calcio), CaCO3, y constituye aproximadamente el 10 por ciento de todas las

rocas sedimentarias.

Esta piedra caliza se usa en procesos como fundente que reacciona con las

impurezas presentes y las remueve del hierro Fundido como Escoria

Diagrama Proceso del Hierro.

Extracción del

Material de Hierro.

Extracción del

Carbón.

Explotación de la

Piedra Caliza.

Transporte

del

mineral de

Hierro.

Transporte

del

Carbón.

Transporte

de la

Piedra

Caliza.

Preparación del

Mineral de Fe:

Lavado

Quebrado

Cribado

Preparación del

Coque:

Refinado

Calentado

Preparación del

Mineral Caliza:

Lavado

Quebrado

Cribado

Alto Horno

A

I

R

E

Arrabio y Escoria

Proceso productivo del Hierro.

1

• Se puede obtener hierro a partir de los óxidos con más o menos impurezas. Los principales minerales de hierro son óxidos, pero también otros pueden ser oxidados para lograr procesarlos.

2

• La reducción de los óxidos para obtener hierro se lleva a cabo en un horno denominado Alto horno. A partir de una reacción química de reducción se desprende el oxígeno del mineral y se libera el hierro.

3 • Para ello se añaden al horno los minerales de hierro en presencia de coque

y carbonato de calcio, CaCO3, que actúa como escorificante.

4

• El arrabio (o hierro fundido) producido en el alto horno contiene un nivel importante de carbono para la producción de acero, por lo que debe ser refinado en hornos básicos de oxígeno o convertidores para generar un acero fundido, que puede ser refinado nuevamente.

Fabricación del Arrabio . El primer paso en la fabricación de cualquier hierro o acero es la producción del arrabio o

hierro de primera fundición, en el alto horno.

Es interesante hacer notar que se requiere

aproximadamente 7 toneladas de materia

prima para producir una tonelada de hierro

.La proporción de los ingredientes es

aproximadamente 2 toneladas de mena de

hierro , 1 tonelada de coque y .5 toneladas de

piedra caliza(asombrosa estadística) y 3.5 de

gases.

El hierro sangrado(vaciado) de la base de

alto horno(arrabio)contiene sobre 4% de

carbono, mas otras impurezas de .3 a1.1 de

silicio de .5 a 2% de manganeso .Para

convertir el arrabio en hierro colado gris se

usan comúnmente un horno llamado cubilete

Fabricación del Arrabio.

Alto Horno. Un alto horno es un horno especial en el que tienen lugar la fusión de los minerales de

hierro y la transformación química en un metal rico en hierro llamado arrabio. Está

constituido por dos troncos en forma de cono unidos por sus bases mayores. Mide de 20 a

30 metros de alto y de 4 a 9 metros de diámetro; su capacidad de producción puede variar

entre 500 y 1500 toneladas

diarias.

Partes del Alto Horno. Tragante: Es la parte superior

del horno, ahí es donde se

cargan los materiales.

Cuba: Es de forma tronco

cónica y su diámetro es mayor a

la parte inferior, es la zona mas

grande donde las cargas se van

secando y comienza la

reducción de estas.

Vientre o Cilindro: Es la parte

que sirve como conexión a

Etalaje.

Etalaje: Es la parte donde se

encuentran las toberas que

suministran el aire caliente.

Crisol: Es la parte Bajo del

Etalaje donde se va depositando

el metal liquido.

Horno de Cubilote. Es un horno cilíndrico vertical que consiste en una carcaza grande de plancha de

acero revestida con refractario. Se carga con hierro (arrabio + chatarra), coque,

fundente y otros elementos de aleación por una puerta localizada a mitad de altura.

Partes del Horno de Cubilote. Camisa exterior: consta de varios anillos

de chapa de 10 milímetros de espesor,

remachados entre sí, hasta llegar a una

altura de 5 veces su diámetro. Este cilindro

descansa sobre cuatro columnas de

fundición de hierro, que a su vez apoyan

sobre una plancha nivelada en el suelo.

Revestimiento interior: esta formado por

una o dos hileras de ladrillos refractarios que

alcanzan de 15 a 25 centímetros según el

diámetro del cilindro. Estos ladrillos tienen

forma radial y se recubren con una malta

refractaria bien diluida y pueden durar de 4 a

6 meses.

Caja o Cámara de viento: anillo de

chapa que rodea el

cubilote distribuyendo por medio de las

toberas el aire insuflado que recibe el

ventilador. Estas toberas tienen un

determinado declive que les impide

obstruirse y además evita que el aire

tenga posibilidad de subir a la zona de

fusión, una vez dentro del horno.

Partes del Horno de Cubilote. Base del cubilote: por lo general esta

provista de bisagras para poder realizar el

vacío del horno por volteo del mismo,

después de las coladas. Es una plancha

gruesa sobre la cual se apisonan unos 30

cm de tierra refractaria con pendiente hacia

la salida.

Ventilador: es centrífugo para dar una

presión de aire constante, pues, cuando

aumenta la resistencia por la entrada del

aire por las toberas, disminuye por sí

mismo el volumen del aire aspirado, y por

el contrario, si la resistencia disminuye, el

ventilador aspira mayor cantidad de aire.

Por esto la regulación del aire es

automática y se necesitan válvulas de

seguridad.

Carga del cubilote: se puede hacer a

mano desde la plataforma de la boca de

carga o mecánicamente por medio de

montacargas que se deslizan por un plano

inclinado.

Horno de Crisol. Utilizan un recipiente o crisol, hecho de material refractario (arcilla y grafito) o de

acero aleado a alta temperatura para contener la carga a fundir. Se utilizan para la

fundición de aleaciones no ferrosas tales como latón, bronce, aleaciones de zinc y

aluminio.

Partes y Tipos de Horno de Crisol. Los hay de tres tipos:

Crisol móvil: el crisol se coloca dentro del horno y una vez fundida la carga el crisol se

levanta y saca del horno y se usa como cuchara de colada.

Crisol estacionario: posee un quemador integrado y el crisol no se mueve. Una vez

fundida la carga esta se saca con cucharas fuera del recipiente.

Crisol basculante: también posee generalmente el quemador integrado y el dispositivo

entero se inclina o bascula para vaciar la carga.

Horno de Arco Eléctrico. La carga se funde por el calor generado por un arco eléctrico, normalmente dispone

de configuraciones con dos o tres electrodos. Tienen un consumo de potencia alto

(altos costos) pero también grandes capacidades de fusión, se cargan con chatarra

de hierro, elementos aleantes y piedra caliza (fundente). El acero fundido es vertido

con la inclinación del horno.

Partes del Horno de Arco Eléctrico.

Se usan principalmente en la fusión de aceros de calidad: inoxidables, aleados,

aceros de herramientas.

Horno de Inducción.

Usa corriente alterna a través de una bobina que genera un campo magnético en el

metal. El horno de inducción se comporta como un transformador pasa corriente en

una bobina que induce un campo magnético alternado en el material metálico que

uno quiere calentar . Se provoca entonces una corriente en el metal que aumenta

su temperatura.

Esta corriente existe en el núcleo metálico de

los transformadores y es un fenómeno

negativo, se pierde energía en forma de calor.

Recién se pensó de usar este fenómeno en

hornos de inducción . Esto genera una

fundición de alta calidad y pureza. Se utilizan

para fundir cualquier material de altos

requerimientos de calidad: aceros, hierro,

aluminio, etc.

Metales y Aleaciones Ferrosas. En virtud de su amplia gama de propiedades mecánicas, físicas y químicas, los

metales y sus aleaciones ferrosas son los mas útiles de todos los metales. Los

metales y las aleaciones ferrosas contienen hierro como metal base.

Clasificación de

Metales Ferrosos.

Aceros al carbón y Aleaciones.

Hierros.

Grafitos.

Hierros de Fundición.

Clasificación de

Metales Ferrosos.

Aceros al carbón y Aleaciones.

Hierros.

Grafitos.

Hierros de Fundición.

Clasificación de

Metales Ferrosos.

Aceros al carbón y Aleaciones.

Hierros.

Grafitos.

Hierros de Fundición.

• El hierro es un material maleable, ferromagnético, y blando.

• Debido a su poca resistencia su única aplicación es en la fabricación de imanes.

• Después del aluminio es el segundo metal mas abundante en la corteza de la tierra

• Sus principales aleaciones son aquellas de la familia de los ferro-carbonos.

Hierro.

A Temperatura ambiente los granos obtenidos por enfriamiento lento del

arrabio o 1ª colada:

Ferrita: Contiene 0,008% de C. Blando, dúctil y baja resistencia a rotura.

Perlita: Contiene 0,89 % de C. Dureza, resistencia y ductilidad media.

Cementita: Contiene 6,67 % de C. Duro y muy frágil.

Constituyentes del Acero.

Constituyente a alta Temperatura: Austenita: Tiene gran plasticidad, es

dúctil y maleable y permite un alargamiento del 30%. Por estas

características, la Austenita permite ser trabajada con facilidad y es la razón

de que el acero caliente al rojo para fabricar piezas por estampación,

forja…

Constituyente al enfriar rápidamente desde la Austenita: Martensita: Tiene

gran dureza y resistencia pero es poco dúctil y maleable.

Constituyentes del Acero.

Aceros al Carbono. Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen diversas

cantidades de carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de

cobre. Entre los productos fabricados con aceros al carbono figuran máquinas, carrocerías de

automóvil, la mayor parte de las estructuras de construcción de acero, cascos de buques,

somieres y horquillas. Aceros al carbón.

Aceros Dulces. Aceros Semidulces. Aceros Semiduros. Aceros Duros.

El porcentaje de carbono es

de 0,25%, tiene una

resistencia mecánica de 48-

55 kg/mm2 y una dureza de

135-160 HB. Se puede

soldar con una técnica

adecuada.

Aplicaciones: Piezas de

resistencia media de buena

tenacidad, deformación en

frío, embutición, plegado,

herrajes, etc.

.

El porcentaje de carbono es

de 0,35%. Tiene una

resistencia mecánica de 55-

62 kg/mm2 y una dureza de

150-170 HB. Se templa

bien, alcanzando una

resistencia de 80 kg/mm2 y

una dureza de 215-245 HB.

Aplicaciones: Ejes,

elementos de maquinaria,

piezas resistentes y

tenaces, pernos, tornillos,

herrajes.

El porcentaje de carbono es

de 0,45%. Tiene una

resistencia mecánica de 62-

70 kg/mm2 y una dureza de

280 HB. Se templa bien,

alcanzando una resistencia

de 90 kg/mm2, aunque hay

que tener en cuenta las

deformaciones.

Aplicaciones: Ejes y

elementos de máquinas,

piezas bastante resistentes,

cilindros de motores de

explosión, transmisiones,

etc.

El porcentaje de carbono

es de 0,55%. Tiene una

resistencia mecánica de

70-75 kg/mm2, y una

dureza de 200-220 HB.

Templa bien en agua y

en aceite, alcanzando

una resistencia de

100 kg/mm2 y una dureza

de 275-300 HB.

Aplicaciones: Ejes,

transmisiones, tensores y

piezas regularmente

cargadas y de espesores

no muy elevados.

Aceros especiales o aleados. Además del Fe y C, contienen otros elementos en distintas proporciones. Cada

uno de esos elementos mejora las propiedades mecánicas y térmicas de los aceros.

Por ejemplo los aceros inoxidables son aleaciones de cromo y el acero galvanizado

se obtiene aleándolo con cinc. Algunas aportaciones de elementos químicos al acero

son las siguientes:

· Níquel: Aporta gran resistencia a tracción y a la corrosión.

· Cromo: Aporta gran dureza, tenacidad y resistencia a corrosión y a la abrasión.

· Tungsteno: Aporta gran dureza a altas y bajas temperaturas.

· Vanadio: Aporta dureza y resistencia a la tracción y al desgaste.

Aceros especiales o aleados.

Existe una normalización que agrupa los aceros en familias o clases según su

utilización. Se utiliza la letra F seguida de cuatro cifras, de las cuales la primera indica

uno

de los siguientes grupos:

· F-1000. Aceros finos de construcción en general.

Tornillos, ejes, engranajes, muelles, cadenas, etc…

· F-2000. Aceros para usos especiales:

- Aceros de fácil mecanización, útiles para la fabricación de grandes series.

- Aceros de fácil soldadura, para tubos, perfiles, etc…

- Aceros de buenas propiedades magnéticas, para chapas de transformadores,

motores, electroimanes…

· F-3000. Aceros inoxidables de uso general.

· F-4000. Aceros de emergencia. Aceros de alta resistencia para usos muy

especiales.

· F-5000. Aceros para herramientas.

· F-6000 y F-7000. Aceros para uso general o comunes. En construcción: barras

corrugadas para hormigón armado, viguetas…

· F-8000. Aceros para moldeo. Usado en piezas obtenidas por moldeo.

Hierros de Fundición. Las fundiciones de uso más frecuente suelen tener entre un 2,5 y un 4,5 % de Carbono y

pequeñas cantidades de silicio, manganeso, azufre y fósforo. Sin embargo, no es la cantidad

de carbono lo que caracteriza las fundiciones, sino la forma en que dicho elemento se

encuentra. La propiedad más importante de las fundiciones es la de ser fácilmente fusibles y

permiten obtener piezas sumamente complicadas a través de moldes. A diferencia del acero

no puede ser trabajado por forja o laminación.

Grafito.

• El grafito como producto férrico puede ser

confundido a menudo con el grafito como compuesto

del carbono puro. Sin embargo si hablamos del

grafito como producto férrico hablamos de una

aleación Fe-C que supera el 6.67% en peso de

carbono.

• En la actualidad debido a su fragilidad el grafito no

tiene ningún uso significativo

Productos Obtenidos. Lamina

Placa

Tubería ornamental

PTR

Barra redonda

Angulo

Solera

Pipe

Malla

Fin de la Presentación

Thanks for Watching

Ing. David Antonio Córdoba Jáquez.