procesos industriales inorganicos: acero

procesos industriales inorganicos: acero07 de junio de 2013

PRODUCCION DE ACERO

1. RECURSOS NATURALES INORGNICOS POTENCIALES DE EXPLOTACIONEl hierro en estado puro no posee la resistencia y dureza necesarias para las aplicaciones de uso comn. Sin embargo, cuando se combina con pequeas cantidades de carbono se obtiene un metal denominado acero, cuyas propiedades varan en funcin de su contenido en carbono y de otros elementos en aleacin, tales como el manganeso, el cromo, el silicio o el aluminio, entre otros.El acero se puede obtener a partir de dos materias primas fundamentales: El arrabio, obtenido a partir de mineral en instalaciones dotadas de horno alto (proceso integral); Las chatarras frricas, que condicionan el proceso de fabricacin. En lneas generales, para fabricar acero a partir de arrabio se utiliza el convertidor con oxgeno, mientras que partiendo de chatarra como nica materia prima se utiliza exclusivamente el horno elctrico (proceso electrosiderrgico).

2. DEFINICIN OPERACIONAL DEL PROCESO INDUSTRIAL INORGNICO EN ESTUDIOSe denomina acero a las aleaciones del hierro con el carbono y otros elementos, que al calentarlas hasta altas temperaturas, pueden ser sometidas a la deformacin plstica por laminado, estirado, forjado, estampado.El acero contiene hasta 2% de carbono y ciertas cantidades de silicio y manganeso y tambin impurezas nocivas: fsforo y azufre, las cuales no se pueden eliminar por completo del metal por los mtodos metalrgicos. Aparte de estas impurezas los aceros pueden contener algunos elementos de aleacin: cromo, nquel, vanadio, titanio y otros3. PROPIEDADES FSICAS, QUMICAS Y TERMODINMICAS DE LOS MATERIALES POTENCIALES DEL PROCESAMIENTO INDUSTRIAL.Aunque es difcil establecer las propiedades fsicas y mecnicas del acero debido a que estas varan con los ajustes en su composicin y los diversos tratamientos trmicos, qumicos o mecnicos, con los que pueden conseguirse aceros con combinaciones de caractersticas adecuadas para infinidad de aplicaciones, se pueden citar algunas propiedades genricas: Su densidad media es de 7850 kg/m. En funcin de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir. El punto de fusin del acero depende del tipo de aleacin y los porcentajes de elementos aleantes. El de su componente principal, el hierro es de alrededor de 1.510 C en estado puro (sin alear), sin embargo el acero presenta frecuentemente temperaturas de fusin de alrededor de 1.375 C, y en general la temperatura necesaria para la fusin aumenta a medida que se aumenta el porcentaje de carbono y de otros aleantes. (excepto las aleaciones eutcticas que funden de golpe). Por otra parte el acero rpido funde a 1.650 C.15 Su punto de ebullicin es de alrededor de 3.000 C.16 Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones usadas para fabricar herramientas. Relativamente dctil. Con l se obtienen hilos delgados llamados alambres. Es maleable. Se pueden obtener lminas delgadas llamadas hojalata. La hojalata es una lmina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor, recubierta, generalmente de forma electroltica, por estao. Permite una buena mecanizacin en mquinas herramientas antes de recibir un tratamiento trmico. Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayor memoria, y se deforman al sobrepasar su lmite elstico. La dureza de los aceros vara entre la del hierro y la que se puede lograr mediante su aleacin u otros procedimientos trmicos o qumicos entre los cuales quiz el ms conocido sea el templado del acero, aplicable a aceros con alto contenido en carbono, que permite, cuando es superficial, conservar un ncleo tenaz en la pieza que evite fracturas frgiles. Aceros tpicos con un alto grado de dureza superficial son los que se emplean en las herramientas de mecanizado, denominados aceros rpidos que contienen cantidades significativas de cromo,wolframio, molibdeno y vanadio. Los ensayos tecnolgicos para medir la dureza son Brinell, Vickers y Rockwell, entre otros. Se puede soldar con facilidad. La corrosin es la mayor desventaja de los aceros ya que el hierro se oxida con suma facilidad incrementando su volumen y provocando grietas superficiales que posibilitan el progreso de la oxidacin hasta que se consume la pieza por completo. Tradicionalmente los aceros se han venido protegiendo mediante tratamientos superficiales diversos. Si bien existen aleaciones con resistencia a la corrosin mejorada como los aceros de construccin corten aptos para intemperie (en ciertos ambientes) o los aceros inoxidables. Posee una alta conductividad elctrica. Aunque depende de su composicin es aproximadamente de 17 3 106 S/m. En las lneas areas de alta tensin se utilizan con frecuencia conductores de aluminio con alma de acero proporcionando ste ltimo la resistencia mecnica necesaria para incrementar los vanos entre la torres y optimizar el coste de la instalacin. Se utiliza para la fabricacin de imanes permanentes artificiales, ya que una pieza de acero imantada no pierde su imantacin si no se la calienta hasta cierta temperatura. La magnetizacin artificial se hace por contacto, induccin o mediante procedimientos elctricos. En lo que respecta al acero inoxidable, al acero inoxidable ferrtico s se le pega el imn, pero al acero inoxidable austentico no se le pega el imn ya que la fase del hierro conocida como austenita no es atrada por los imanes. Los aceros inoxidables contienen principalmente nquel y cromo en porcentajes del orden del 10% adems de algunos aleantes en menor proporcin. Un aumento de la temperatura en un elemento de acero provoca un aumento en la longitud del mismo. Este aumento en la longitud puede valorarse por la expresin: L = t L, siendo el coeficiente de dilatacin, que para el acero vale aproximadamente 1,2*105(es decir = 0,000012). Si existe libertad de dilatacin no se plantean grandes problemas subsidiarios, pero si esta dilatacin est impedida en mayor o menor grado por el resto de los componentes de la estructura, aparecen esfuerzos complementarios que hay que tener en cuenta. El acero se dilata y se contrae segn un coeficiente de dilatacin similar al coeficiente de dilatacin del hormign, por lo que resulta muy til su uso simultneo en la construccin, formando un material compuesto que se denomina hormign armado. El acero da una falsa sensacin de seguridad al ser incombustible, pero sus propiedades mecnicas fundamentales se ven gravemente afectadas por las altas temperaturas que pueden alcanzar los perfiles en el transcurso de un incendio.

4. DESCRIPCION DE LOS DIFERENTES MTODOS Y TCNICAS DE INDUSTRIALIZACION.Procedimiento Bessemer.Para el procedimiento Bessemer el convertidor se reviste interiormente de ladrillos refractarios de slice (no menos de 94.5% de SiO2) y arena cuarzosa, los que suelen fundirse a 1710C. Este revestimiento no se corroe por las escorias de carcter cido, por consiguiente en este convertidor solo pueden tratarse arrabios al silicio.El aire que entra en la masa fundida suministra el oxgeno que en primera instancia interacta con el hierro para formar xido ferroso (FeO). Por consiguiente las impurezas comienzan a oxidarse en dos direcciones: por al oxgeno del aire que pasa a travs del metal y por el xido ferroso que se forma y disuelve en el metal fundido.Durante la inyeccin de aire para hacerlo pasar a travs del metal se diferencias tres perodos caractersticos: La oxidacin del hierro, silicio, manganeso y la formacin de la escoria. La quema del carbono La desoxidacin o la desoxidacin-carburacinProcedimiento ThomasEn este convertidor el interior se reviste de material refractario bsico, ladrillos de magnesita en las paredes y el fondo con una mezcla de brea de carbn mineral y dolomita. Como fundente para la formacin de la escoria se utiliza la cal viva (CaO) con un contenido mnimo de los xidos cidos slice (SiO2) y almina (Al2O3).Surge de la necesidad de tratar las fundiciones con alto contenido de fsforo, obtenidas de menas ferrosas que se encuentran bastante propagadas en la corteza terrestre. A su vez el contenido de slice debe ser muy bajo (menos de 0.5%) para evitar el uso excesivo de fundente neutralizador.El proceso de fundicin en un convertidor Thomas se efecta del modo siguiente: primero se carga el convertidor con la cal, despus se vierte el hierro fundido, se inicia el viento y se gira el convertidor a la posicin vertical.Produccin en hornos.El uso razonable del hierro fundido y la ms completa utilizacin de la chatarra ferrosa, se logra al producir aceros en horno.A diferencia de los convertidores, los hornos de produccin de acero son cmaras revestidas con material refractario donde se vierte arrabio en lingotes o lquido y chatarra ferrosa, junto con otros materiales que sirven de fundentes y aportadores de elementos necesarios para los procesos de oxidacin. Luego el material se calienta por diversos mtodos hasta su fundicin con lo que comienzan los procesos de oxidacin de las impurezas y del propio hierro y se va formando la escoria.En estos hornos no se inyecta aire a la masa de metal fundido como en los convertidores, por el contrario los procesos de oxidacin de las impurezas se realizan al interactuar los componentes de la escoria con el metal fundido de abajo.Para lograr acero lquido dentro del horno se necesita una fuente intensa de calor que interacte con el contenido del horno y pueda fundir el metal. Se distinguen dos tipos generales: Los que usan combustible (hornos Martin). Los que usan electricidad (de arco elctrico y de induccin)

5. DIAGRAMA DE FLUJO:

EL ALTO HORNO:En general los altos hornos tienen un dimetro mayor a 8 m y llegan a tener una altura superior de los 60 m. Estn revestidos de refractario de alta calidad.Los altos hornos pueden producir entre 800 y 1600 toneladas de arrabio cada 24 h. La caliza, el coque y el mineral de hierro se introducen por la parte superior del horno por medio de vagones que son volteados en una tolva. Para producir 1000 toneladas de arrabio, se necesitan 2000 toneladas de mineral de hierro, 800 toneladas de coque, 500 toneladas de piedra caliza y 4000 toneladas de aire caliente.Con la inyeccin de aire caliente a 550C, se reduce el consumo de coque en un 70%. Los sangrados del horno se hacen cada 5 o 6 horas, y por cada tonelada de hierro se produce 1/2 de escoria.

6. DIAGRAMA DE BLOQUES:

7. MODELO Y REACCIONES QUIMICAS DEL PROCESO INDUSTRIAL:

8. REACCIONES QUIMICAS GENERALES DERIVADAS:Las reacciones qumicas que se producen durante el proceso de fabricacin del acero requieren temperaturas superiores a los 1000C para poder eliminar las sustancias perjudiciales, bien en forma gaseosa o bien trasladndolas del bao a la escoria

9. CONDICIONES DE PROCESO

Existen 3 zonas donde ocurren distintas reacciones:

Zona 1: mayor temperatura esta en el crisol frente a las toberas donde el oxgeno (aire) de soplado reacciona con el coque dando una temperatura local de 2000C.Fuera de la zona de combustin la temperatura cae 1600C (centro). Esto funde metal y escoriaZona 2: Etalaje y Cuba. La temperatura disminuye suave e uniformemente ante el aumento de la altura desde 1100C en la zona de toberas hasta 800C en la mitad de la cuba.Zona 3: temperatura cae rpidamente a 500 - 600C y entonces continua descendiendo a menor velocidad, alcanzando los 200 a 250C en la parte superior.

10. MECANISMO DE REACCIONFe2O3+3CO = 3CO2+2Fe.11. TECNOLOGIA DE PURIFICACIONLos materiales bsicos para la fabricacin de lingotes de acero es material frrico coque y caliza. El coque se quema como un combustible para calentar el horno; cuando se quema el coque, este emite monxido de carbono que se combina con los xidos frricos, reducindolos a hierro metlico, esta es la reaccin qumica bsica en el horno de la explosin; tiene la ecuacin: Fe2O3+3CO = 3CO2+2Fe. La caliza en el cargo del horno se usa como una fuente adicional de monxido de carbono y como un flujo para combinar con el slice infusible, para formar el silicato de calcio fusible. Sin la caliza, se formaran silicatos frricos, con una prdida resultante de hierro metlico. Los silicatos del calcio ms otras impurezas forman una escoria que flota en sima del metal fundido al fondo del horno.Los lingotes de hierro ordinario son producidos por hornos de la explosin que contiene hierro aproximadamente en un 92%, carbono 3% o 4%, silicn 0.5% a 3%, manganeso 0.25% a 2.5%, fsforo 0.04% a 2%, y un rastro de azufre. Un horno de la explosin tpico consiste en una cscara de acero cilndrica lineada con un terco que es cualquier sustancia no metlica como ladrillo refractario. La cscara se adelgaza a la cima y el fondo es ms ancho a un cuarto de la distancia del fondo. La porcin ms baja del horno se llam antalage de alto horno, el cual est provisto por varias aperturas tubulares o tulleres, donde la explosin area es forzada. Un agujero en la parte inferior del fondo del horno, es el encargado de evacuar las escorias, o impurezas que van a afectar las caractersticas del acero.La cima del horno est a aproximadamente a 27 metros, contiene aberturas para el escape de los gases y un par de depsitos redondos de alimentacin, estos se controlan a travs de vlvulas campanudas, con las que se adecua la introduccin de la carga al horno.Un desarrollo importante en tecnologa de horno de explosin, es el uso de hornos presurizados los cuales se introdujeron despus de la segunda guerra mundial. Estos consisten en acumulacin de gases, y luego su pronta liberacin, pero adems de eso esta tcnica hace posible la mejor combustin del coque y rendimiento ms alto del lingote de acero, adems de ello el rendimiento aumenta en un 25%. Tambin es indispensable para acelerar el proceso implementar al conjunto aire y oxgeno.Cualquier escoria que pueda fluir del horno con el metal, se desnata fuera del horno, antes de que el fluido se introduzca en el recipiente.En resumen el refinamiento consististe, el evacuar del acero a producir, todas las impurezas que puedan afectar a este. Se comienza con la evacuacin de vapores o gases dainos, y luego con las escorias, para as tener un acero de la calidad que uno desea.

12. IMPACTO AMBIENTALDebido a que la produccin de hierro y acero se basa fundamentalmente en procedimientos pirometalrgicos, las cuestiones de lacontaminacin atmosfricason prioritarias. Adems de numerosos contaminantesgaseosos, las emisiones de polvojuegan un papel especial, no slo porque se generan en grandes cantidades, sino tambin por el hecho de que contienen algunassustancias peligrosaspara los seres humanos y el medio ambiente, como p. ej., metales pesados.Con la aplicacin de agua de refrigeracin y de colectores hmedos surgen problemas adicionales decontaminacin de las aguas. Las instalaciones de colada continua necesitan elevadascantidadesespecficasde agua, las cuales ensucian significativamente las aguas residuales con aceites. El colar sin refrigeracin de las barras con chorros de agua supone un perjuicio menor para los recursos hdricos.En los procesos metalrgicos se producen ademsescoriasque, en la medida de lo posible, deberan aprovecharse para otros usos. Si no se reutilizan eficazmente o se almacenan en un depsito definitivo adecuado, lasacumulaciones de polvo y lodosprocedentes de las depuradoras de los gases residuales pueden provocar contaminaciones del suelo y de las aguas.En los altos hornos y en las aceras con convertidor, en instalaciones laminadoras y en las de forja es de fundamental importancia laproteccin contra el ruido y las vibraciones.En las plantas de fundicin se producen apreciables cantidades deresiduosde arena usada, de trozos de machos y escorias de los hornos de cpula.Por razones ecolgicas y econmicas se trabaja en todo el mundo en el desarrollo deprocedimientosque permitan utilizar para la produccin de acerocarbn en lugar de coquey, en general,mineral en trozos en vez de aglomerados de sinterizacino pellets. De este modo podrandesaparecerlas coqueras y las plantas de sinterizacin comofuentes de emisionesen una factora siderrgica.Mediante otros ensayos se intenta perfeccionar lafundicinde las piezas para laminadoaproximndose en lo posible a las dimensiones finalesde la pieza acabada. Acortando la cadena de produccin se consigue reducir el consumo energtico y la cantidad de materiales sobrantes, de residuos y de emisiones.13. APLICACIONES DEL ACEROS

Aceros al Niquel (2 a 40%)Desde que se empez a usar el nquel en los aceros, se vio que este elemento mejora las propiedades de los aceros- Dbilmente aleados producen mejora del temple y aumento de las caractersticas mecnicas;- Altamente aleados ofrecen un aumento de la resistencia a la corrosin.

Aceros al Cromo ( 1 a 8%)Es uno de los elementos especiales ms empleados para la fabricacin de aceros aleados, usndose indistintamente en los aceros de construccin, en los de herramientas, en los inoxidables y en los de resistencia en caliente.- Registran un aumento de la resistencia a la rotura, pero se da la aparicin de cirta fragilidad (hasta el 4%, aceros para herramientas, para rodamientos; en proporcin ms elevada, aceros para cuchillera fina y para tiles de corte.) Aceros al ManganesoEl manganeso aparece prcticamente en todos los aceros, debido, principalmente, a que se aade como elemento de adicin para neutralizar la perniciosa influencia del azufre y del oxigeno, que siempre suelen contener los aceros cuando se encuentran en estado lquido en los hornos durante el proceso de fabricacin. El manganeso acta tambin como desoxidante y evita, en parte, que en la solidificacin del acero se desprendan gases que den lugar a la formacin de porosidades perjudiciales en el material- Tienen buena resistencia al desgaste y por esto se utiliza para hacer carriles, cruzamientos de vas, piezas de machacadores, maquinas trituradoras.

Aceros al Tungsteno- Estas aleaciones se usan para hacer imanes permanentes. Aceros al Cromo-niquel

Son los aceros aleados ms importantes ya que renen las ventajas del nquel y del cromo en una misma aleacin, hay dos tipos: Aceros perlticos (6% de niquel y 2% de cromo como mximo) , son empleados en las construcciones de maquinaria. Aceros austenticos, ms altamente aleados, constituyen los aceros inoxidables ( 18% de cromo , 8% de nquel ) y ciertos aceros reflactarios.

Aceros al CromotungstenoSon conocidos como aceros de corte rpido, se caracterizan porque son materiales que presentan una resistencia muy alta a la deformacin, tiene una gran seguridad en el temple y tiene un rendimiento de corte muy elevado.

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