obtención del hierro y su uso industrial
La habilidad de obtener metales a
partir de los minerales de la corteza terrestre es un aspecto fundamental para
el desarrollo de las civilizaciones. Esta importancia está implícita en el
nombre de las dos últimas etapas de la prehistoria: la Edad de Bronce y
posteriormente la Edad de Hierro, hace aproximadamente 35 siglos.
1.-¿Cómo
se obtienen los metales?
Los
metales poco reactivos, como el oro, la plata o el platino, se encuentran
libres en la naturaleza (Au, Ag, Pt, el número de oxidación es cero). En cambio,
los metales más reactivos están formando compuestos, generalmente óxidos,
carbonatos o sulfuros. En este caso, la obtención del metal requiere un proceso
de reducción química (se emplea carbono) o electroquímica (electrólisis)
El hierro es el segundo metal en abundancia en la corteza terrestre después del aluminio (Al: 8% m/m, Fe: 5% m/m). Además, el hierro y el níquel son los elementos constitutivos del núcleo de nuestro planeta. También los meteoritos contienen hierro. No se descarta la hipótesis de que la famosa espada Excalibur, que empuñó el rey Arturo, haya sido forjada a partir de hierro proveniente de un meteorito
2.- Objetivos de las actividades.
obtener la mayor cantidad de minerales para elaborar los distintos equipos, herramientas, utensilios, ect.
para así conseguir implementar el desarrollo tecnológico e la vida diaria de la humanidad.
Producción del acero
Para poder producir acero, las industrias generalmente
utilizan uno de dos procesos, cada proceso utiliza diferentes materiales y
tecnología. Estos dos procesos principales para hacer acero son:
- El horno de oxígeno básico (BOF, por sus siglas en inglés Basic Oxygen Furnace).
- El horno de arco eléctrico (EAF, por sus siglas en ingles Electric Arc Furnace)
El proceso de Horno de Oxígeno Básico básicamente funde
hierro rico en carbono que se transforma en acero, su proceso se distingue por los
siguientes pasos:
El hierro es fundido en un horno, posteriormente es
vertido en un contenedor grande para realizarle un pre-tratamiento llamado
contenedor BOF
Este pre- tratamiento consiste en tratar al metal para
reducir la carga de azufre, silicio y fósforo. La cantidad de impurezas que se
quita del metal determina la calidad final del acero fabricado.
En el del proceso de Horno de Arco Eléctrico básicamente se
hace uso de la electricidad para fabricar acero a partir de casi el 100% de acero viejo para fabricar acero
nuevo. El proceso consiste en los siguientes paso:
Los residuos de metal son colocados en un contenedor el cual
se compone por residuos de chatarra de autos, línea blanca y con hierro fundido
para mantener el equilibrio químico.
Clasificación de los aceros por %C
Por
composición química:
Según la norma UNE EN 10020:2001, y atendiendo a la
composición química, los aceros se clasifican en:
Aceros no aleados, o aceros al carbono: son aquellos en el
que, aparte del carbono, el contenido de cualquiera de otros elementos ale-antes
es inferior a la cantidad mostrada en la tabla 1 de la UNE EN 10020:2001. Como
elementos ale-antes que se añaden están el manganeso (Mn), el cromo (Cr), el
níquel (Ni), el vanadio (V) o el titanio (Ti). Por otro lado, en función del
contenido de carbono presente en el acero, se tienen los siguientes grupos:
Aceros aleados
Los aceros aleados según su calidad se dividen en:Aceros aleados de calidad: son aquellos que presentan buen
comportamiento frente a la tenacidad, control de tamaño de grano o a la
formabilidad. Estos aceros no se suelen destinar a tratamientos de temple y
revenido, o al de temple superficial. Entre estos tipos de aceros se encuentran
los siguientes:
I) Aceros destinados a la construcción metálica, aparatos a presión o tubos, de grano fino y soldables;
I) Aceros destinados a la construcción metálica, aparatos a presión o tubos, de grano fino y soldables;
II) Aceros aleados para carriles, tablestacas y cuadros de
entibación de minas;
III) Aceros aleados para productos planos, laminados en
caliente o frío, destinados a operaciones severas de conformación en frío;
IV) Aceros cuyo único elemento de aleación sea el cobre;
V) Aceros aleados para aplicaciones eléctricas, cuyos
principales elementos de aleación son el Si, Al, y que cumplen los requisitos
de inducción magnética, polarización o permeabilidad necesarios.
Estructuras
cristalográficas del acero
El
término acero nombra a una familia muy numerosa de aleaciones metálicas en base
al aleado del Fe (hierro) y el C (carbono).
La
economía y el desarrollo tecnológico de un país se ha medido con frecuencia en
relación al volumen de producción y consumo de acero.
Este aleado del acero se hace con el
propósito de mejorar las propiedades del metal puro, cuya dureza y tenacidad
son funciones de la concentración de C.
El C no es único elemento de
aleación con el Fe, sino que pueden intervenir diversos elementos metálicos y
no metálicos. Los elementos aleantes permiten:
El control de otras propiedades,
como la resistencia a la tracción, la dureza, la resistencia a la corrosión
El endurecimiento por templado
El refinamiento de la micro estructura (tamaño de grano, de carburos,
fases secundarias, etc.), entre algunos características tecnológicas exigidas
por cada aplicación específica.
CONTRIBUYENTES DEL ACERO
FERRITA (Feα )
Es una solución sólida de carbono en hierro alfa.
Su solubilidad a la temperatura ambiente es del orden
de 0.008% de carbono, por lo que se considera hierro puro. La máxima
solubilidad de carbono en el hierro alfa es de 0.02% a 723°C.
CEMENTITA (Fe3C):
Es carburo de hierro Fe3C y contiene 6.67% C.
Es el microconstituyente más duro y frágil de los aceros,
alcanzando una dureza Brinell de 700 (68 Rc) y cristaliza en la red
ortorrómbica.
AUSTENITA
Es el constituyente más denso de los aceros y está formado
por una solución sólida por inserción de carbono en hierro gamma.
La cantidad de carbono disuelto, varía de 0.8% al 2% C que
es la máxima solubilidad a la temperatura de 1130°C. No es estable a la
temperatura ambiente.
MARTENSITA
Es el constituyente de los aceros templados; está conformado
por una solución sólida sobresaturada de carbono o carburo de hierro en ferrita
y se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros desde su estado austenítico
a altas temperaturas.
El contenido de carbono suele variar desde muy poco carbono
hasta el 1% de carbono, sus propiedades físicas varían con su contenido en
carbono hasta un máximo de 0.7%C.
TROOSTITA
Es un agregado muy fino de cementita y ferrita que se
produce por un enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento
ligeramente inferior a la crítica de temple, por transformación isotérmica de
la austenita en el rango de temperatura de 500ºC a 600ºC, o por revenido a
400ºC.
SORBITA
Es también un agregado fino de cementita y ferrita.
Se obtiene por enfriamiento de la austenita con una
velocidad de enfriamiento bastante inferior a la crítica de temple o por
transformación isotérmica de la austenita en la zona de 600ºC a 650ºC, o por
revenido a la temperatura de 600ºC.
Su dureza es de 250 a 400 Brinell, su resistencia a la tracción
es de 88 a 140 kg/mm2, con un alargamiento del 10 al 20%.
BAINITA:
Es el constituyente que se obtiene en la transformación
isotérmica de la austenita cuando la temperatura del baño de enfriamiento es de
250ºC a 500°C.
Se diferencian dos tipos de estructuras:
la bainita superior de aspecto arborescente formada a
500ºC-580°C.
Relación de los constituyentes con los granos de los aceros:
Aceros y fundiciones.
Los aceros son
aleaciones hierro-carbono con concentraciones
Apreciables de otros elementos aleantes. Existen miles de
aceros de diferentes composiciones y/o
Tratamientos térmicos.
Los aceros se clasifican según su
contenido en carbono en: bajo, medio y alto
Contenido en carbono.
Los aceros al carbono solo contienen
concentraciones residuales de
Impurezas mientras que los aceros aleados contienen
elementos que se añaden intencionadamente
En concentraciones específicas. Los aceros y aleaciones en
general se pueden designar de acuerdo a
Las instrucciones dadas por AISI “American Iron and Steel
Institute” ASTM “American Society for
Ciencia de Materiales, 4º curso, 2004/2005
Testing and
Materials” y SAE “Society of Automotive Engineers”. La designación
AISI/SAE
Consta de cuatro cifras. Las dos primeras indican el
contenido en aleantes y las dos segundas en
Carbono. Las dos primeras para aceros al carbono son 1 y 0
mientras que en aceros aleados puede
Ser por ejemplo 13, 41 o 43. Las cifras tercera y cuarta
indican el contenido en carbono multiplicado
Por cien. Por ejemplo, el acero código AISI/SAE 1010 es un
acero al carbono (sin elementos
aleantes adicionales) y un 0.1 % de C.
Aceros bajos en carbono. Constituye la mayor parte de todo
el acero fabricado. Contienen
Menos del 0.25 % en peso de C, no responde al tratamiento
térmico para dar martensita ni se pueden
Endurecer por acritud. La microestructura consiste en
ferrita y perlita. Por tanto, son relativamente
Blandos y poco resistentes pero con extraordinaria
ductilidad y tenacidad. Son de fácil mecanizado,
soldables y baratos. Se utilizan para fabricar vigas,
carrocerías de automóviles, y láminas para
Tuberías edificios y puentes. Otro grupo de aceros de bajo
contenido en carbono son los de alta
Resistencia y baja aleación. Contienen concentraciones
variables de Cu, V, Ni y Mo totalizando ≈
10 % en peso. Poseen mucha más resistencia mecánica, que
puede aumentar por tratamiento
Térmico y mantienen las propiedades de fácil mecanizado. Se
emplean en componentes donde la
Resistencia mecánica es crítica: puentes, torres, columnas
de soportes de edificios altos, bastidores
De camiones y vagones de tren.
Aceros medios en carbono. Contienen entre el 0.25 y 0.60 %
en peso de C. Estos aceros
Pueden ser tratados térmicamente mediante austenización,
temple y revenido para mejorar las
Propiedades mecánicas. La microestructura generalmente es
martensita revenida. Las adiciones de
Cr, Ni y Mo facilitan el tratamiento térmico que en su
ausencia es difícil y útil solo para secciones
de pieza relativamente delgadas. Son más resistentes que los
aceros bajos en carbono pero menos
Dúctiles y maleables. Se suelen utilizar para fabricar
cinceles, martillos, cigüeñales, pernos, etc.
Aceros altos en carbono. Generalmente contienen entre el
0.60 y 1.4 % en peso de C. Son más
Duros y resistentes (y menos dúctiles) que los otros aceros
al carbono. Casi siempre se utilizan con
Tratamientos de templado y revenido que lo hacen muy
resistentes al desgaste y capaces de adquirir
La forma de herramienta de corte. Generalmente co
Los constituyentes que pueden presentarse en los aceros
aleados son los mismos de los aceros al carbono, aunque la austenita puede ser
único contituyente y además pueden aparecer otros carburos simples y dobles o
complejos.
Relación de los constituyentes con los cristales de los
aceros
Están constituidos por materiales sólidos, naturales e
inorgánicos, formados a partir de magma o de la alteración de aceros ya existentes. Por tanto, cada uno tiene una
estructura química que depende de su composición, y unas propiedades físicas
definidas.
En cuanto a la estructura química:
Los minerales tienen sus átomos ordenados, formando una
celda unidad o celdilla elemental que se repite en su estructura interna, y que
da lugar a formas geométricas determinadas, no siempre visibles a simple vista.
Las celdas unidad forman cristales que se agrupan y forman
una estructura de red o malla cristalina.Los cristales que constituyen aceros
se forman, normalmente, con gran lentitud. Cuanto más lenta es su formación,
más ordenadas se encuentran sus partículas y, por tanto, mejor es la cristalización.
Distintos
constituyentes que se forman en
los aceros atendiendo a su %C y
enfriamiento
lento
Relación entre tamaño y forma de grano y las características
físicas de los acero.
En el presente, se lleva a cabo un análisis de la
influencia del tamaño del grano de
aceros inoxidables austeníticos sobre algunas propiedades
mecánicas de interés en estos
materiales. Se ban estudiado tanto aceros estables como
metaestables para valorar las
diferencias de comportamiento, considerando varias coladas
de cada material para
promediar los resultados y obtener un comportamiento más
robusto de los estimadores. Se
ha procedido a una preparación y adecuación de las probetas,
previa a su ensayo en
laboratorio. Se han observado los comportamientos habituales
de modo que, a mayor
número de tamaño de grano según norma ASTM, mayor límite
elástico y resistencia a la
tracción y menor alargamiento; llevándose a cabo estudios de
detalle de valores de las
tendencias de crecimiento, comportamiento comparado de
estables y metaestables y
valorándose cuidadosamente la influencia del níquel presente
en el material. Finalmente se
presentan las principales conclusiones y valoraciones, y un
estudio estadístico de las
propiedades mecánicas y de las distintas coladas para lograr
una mejor predicción del
comportamiento
TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS
TRATAMIENTO TERMICO.
Conjunto de calentamientos y enfriamientos controlados a que puede ser sometida una aleación sólida con el fin de modificar su estructura micrográfica (y en consecuencia sus propiedades), sin que cambie la composición química de la aleación.
En el caso de los aceros se basan en la serie e transformaciones que puede experimentar la austenita en función de las condiciones de enfriamiento. Se reserva el nombre de TRATAMIENTOS TERMOMECÁNICOS para aquellos que producen modificaciones estructurales de la aleación por calentamiento y, simultáneamente, conformación mecánica de la aleación sólida antes del enfriamiento Se denominan TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS los que comportan además, una modificación química en la periferia de la aleación.
Diagramas de enfriamiento (curvas de s)
Es un hecho experimental que cuando un acero es calentado o enfriado se
pueden llegar a producir cambios en su estructura, cambios de fase.
Llamaremos fase a
cada una de las partes homogéneas físicamente separables en un sistema formado
por uno o varios componentes.
Centrándonos en los aceros un cambio
de fase será pues un proceso en el que el acero cambie de
estructura interna y por tanto de propiedades físicas.
A la temperatura a la que se produce cada uno de estos cambios se le conoce
como “punto crítico”.
El estudio de estas transformaciones se realiza desde un doble punto de
vista.
Por un lado estudiaremos la termodinámica
del proceso: a través de los diagramas Fe-C se determinará el estado de
equilibrio que alcanzaría el sistema en unas conciones dadas de composición y
temperatura.
Por otro lado se estudia la
cinética (la velocidad) del proceso, es decir, el estado que realmente
alcanza el sistema en función de la velocidad a la que se realiza el
enfriamiento. Para ello utilizaremos los diagramas TTT.
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