Informe Del Acero
-
Upload
eder-basurto-s -
Category
Documents
-
view
67 -
download
0
Transcript of Informe Del Acero
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍA
Presentado al:
Ing. VILLAVICENCIO RAMÓN Félix
Facilitador del Curso OP06B “Metalurgia Extractiva y Física”
Realizado por:
ARANCIBIA CURI, Joshemar
BASURTO SIUCE, Eder
BALDEÓN GARCÍA, Henry
FERNANDEZ CHUQUIRACHI, Gary
FLORES GASPAR, Sixto
HUMÁN HUANAY, Percy
ROMANÍ MONTES, Miguel Angel
MALLQUI GUTIERREZ, Mirco
Alumnos del IX ciclo de Ingeniería Química
Huancayo, 24 de Julio del 2013
ALEACIONES FERROSAS
ACERO
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
RESUMEN
A través del presente informe conoceremos el proceso metalúrgico del acero, para los cual
se requirió estudiar los diferentes tipos del acero, las propiedades físicas y las diversas
tecnologías de fabricación, así como también los posteriores tratamientos que se dan al
acero producto.
Con la recopilación de fuentes bibliográficas se pudieron recopilar información de
nuestros objetivos propuestos, por lo que concluimos que dentro de las aleaciones
ferrosas se encuentra el acero que se compone de una mezcla de hierro y carbono en
distintas proporciones, es así que las materias primas para la obtención del acero son:
mineral de hierro o chatarras, y el carbón. Existen formas de producción, entre ellas se
distinguen por la disposición de materias primas, una de ellas puede ser en los
convertidores que tratan el mineral de hierro y de otra manera es cuando se dispone de
chatarras que provienen de construcciones, electrodomésticos, etc. el cual son procesados
en los hornos eléctricos.
Existen diversas formas de aplicación del acero, es por ello que las industrias existentes
emplean diferentes tipos de tratamientos de después de obtener los aceros en los hornos,
como ejemplo los tratamientos termofísicos y termoquímicos, los cuales mejoran las
características de los aceros.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
I. INTRODUCCIÓN
Los metales y las aleaciones empleados en la industria y en la construcción pueden
dividirse en dos grupos principales: Materiales FERROSOS y NO FERROSOS. Ferroso viene
de la palabra Ferrum que los romanos empleaban para el fierro o hierro. Por lo tanto, los
materiales ferrosos son aquellos que contienen hierro como su ingrediente principal; es
decir, las numerosas calidades del hierro y el acero.
Los materiales No Ferrosos no contienen hierro. Estos incluyen el aluminio, magnesio,
zinc, cobre, plomo y otros elementos metálicos. Las aleaciones el latón y el bronce, son una
combinación de algunos de estos metales No Ferrosos y se les denomina Aleaciones No
Ferrosas.
Uno de los materiales de fabricación y construcción más versátil, más adaptable y más
ampliamente usado es el ACERO. A un precio relativamente bajo, el acero combina la
resistencia y la posibilidad de ser trabajado, lo que se presta para fabricaciones mediante
muchos métodos. Además, sus propiedades pueden ser manejadas de acuerdo a las
necesidades específicas mediante tratamientos con calor, trabajo mecánico, o mediante
aleaciones.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL:
Estudiar el proceso metalúrgico del acero.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Identificar las materias de carga que sirven para la fabricación del acero.
Reconocer los tipos de aceros y sus propiedades afines.
Conocer las reacciones que suceden en el proceso de fusión del acero.
Caracterizar los diferentes tipos de procesos.
Reconocer los procesos del tratamiento térmico.
Identificar las empresas siderúrgicas en el Perú.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
II. MARCO TEÓRICO
II.1. GENERALIDADES, DESARROLLO HISTÓRICO DE LA FABRICACIÓN DEL ACERO:
El acero es una aleación deformable (maleable) del hierro con el carbono y otras impurezas.
La proporción del carbono contenido en el acero generalmente de 1.3%. El hierro en forma
pura es muy costoso y menos resistente que sus aleaciones (acero).
En la actualidad el acero es de mucha importancia para la economía de un país. El nivel de
potencia económica de un estado se determina por la cantidad y calidad del acero obtenido.
En la antigüedad, los hombres obtenían el hierro en hornos primitivos vertiendo a estos
últimos la mena de hierro y el carbón vegetal. En el proceso de desarrollo de la siderurgia
apareció el proceso bietápico (proceso de afino sobre suelas) de fabricación del acero. Este
proceso fue bastante difundido en los siglos XII – XIII, este proceso primero obtiene el arrabio
y a partir de este el acero lo cual re3sultó más ventajoso.
A fines del siglo XVIII surgió un proceso más económico, el pudelado, los hornos de afino
sobre suela se reemplazaron por hornos de pudelar o hornos reverbero (con una capacidad
de 0.5tn), se realizaba 1 a 2 fusiones por día, en este caso el consumo de combustible era de
0.7 a 1 L por L de metal. En estos hornos se cargaba el arrabio que se sometía a la fusión. Bajo
el efecto del O2 contenido en los gases del horno, en la escoria y en el material de
revestimiento del horno el carbono se oxidaba, a medida que disminuía el contenido de
carbono aumentaba la temperatura de fusión.
Como la temperatura del horno no rebasaba los 1400 – 1450 °C el metal descarburado se
hacía siempre más viscoso. La aleación en espesamiento se sometía a la agitación para
homogenizar y luego se hacían bolas de pudelado de 30 a 50kg que se sacaban del horno y se
sometían al cinglado. Una de las desventajas del proceso por afino de suelas y de pudelado
era la imposibilidad de obtener del acero una pieza colada densa ya que en estos hornos la
temperatura resultó insuficiente.
Entro los procedimientos existentes de obtención del acero líquido, el más antiguo es el
proceso de crisol con el cual el metal se obtiene como resultado de fusión de una carga
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
metálica en pequeños (de 25 a 30kg de capacidad) recipientes. El acero al crisol se distinguió
por sus propiedades metálicas extraordinariamente altas.
Un procedimiento sencillo y barato para obtener un acero fundido en grandes cantidades es
insuflando aire en el seno del arrabio líquido en un aparto especial, llamado convertidor,
provisto de revestimiento ácido, fue propuesto en 1855 por el mecánico inglés Henry
Bessemer.
En 1864 en Francia realizaron la transformación del arrabio y chatarra en acero en los hornos
de reverbero con regeneración. En estos hornos e alcanzó una lata temperatura, suficiente
para fundir el acero. Se utilizó el calor de los gases de escape para calentar el combustible y en
aire en los recuperadores.
A final del siglo XIX y a principios del siglo XX en varios países fueron creados y puestos en
funcionamiento los hornos eléctricos de diferentes variantes para la fabricación del acero.
Hoy en día la producción del acero se da por los procedimientos de; Martín – Siemens (30%) y
el de convertidor a oxígeno (más del 50%) y el de fabricación del acero en los hornos de arco
eléctrico (cerca del 20%).
Además de los procedimientos mencionados existen otras maneras de fabricar acero como
son los métodos de: refundición de arco al vacío (RAV), refundición de inducción al vacío
(RIV), refundición eléctrica bajo escoria (REE), refundición en los hornos de haz electrónico y
de plasma. En estos procesos se lleva a cabo la refundición del acero fundido previamente.
II.2. EL ACERO:
El Acero es básicamente una aleación o combinación de hierro y carbono (alrededor de 0,05%
hasta menos de un 2%). Algunas veces otros elementos de aleación específicos tales como el
Cr (Cromo) o Ni (Níquel) se agregan con propósitos determinados.
Ya que el acero es básicamente hierro altamente refinado (más de un 98%), su fabricación
comienza con la reducción de hierro (producción de arrabio) el cual se convierte más tarde en
acero.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
El hierro puro es uno de los elementos del acero, por lo tanto consiste solamente de un tipo de
átomos. No se encuentra libre en la naturaleza ya que químicamente reacciona con facilidad
con el oxígeno del aire para formar óxido de hierro - herrumbre. El óxido se encuentra en
cantidades significativas en el mineral de hierro, el cual es una concentración de óxido de
hierro con impurezas y materiales térreos.
II.2.1. CLASIFICACION:
A. De acuerdo a su destinación:
Aceros para construcciones: Para fabricar diferentes estructuras metálica, pueden
ser aceros al carbono ordinarios o aleados (acero al manganeso o al cromo).
Aceros para hogares y calderas: Son aceros pobres en carbono que se emplean para
fabricar calderas de vapor, estos aceros tienen buenas propiedades plásticas y no son
propensos al envejecimiento.
Aceros para el transporte ferroviario: Son aceros para carriles, para ejes y ruedas
ferroviarias, son aceros con contenido medio de carbono, tienen buena resistencia a
los ensayos mecánicos.
Aceros para cojinetes de bolas: Este acero contiene 1% de carbono y 1.5% de
cromo.
Acero para herramientas: este acero contiene una cantidad considerable de carbono
(hasta 2%) y una cantidad considerable de elementos de aleación: cromo, tungsteno,
molibdeno y otros.
De acuerdo a su calidad, los aceros se dividen en los grupos siguientes: acero de
calidad ordinaria, acero de alta calidad y acero de muy alta calidad. Las diferencias que
existen entre estos grupos consisten en el contenido de inclusiones no metálicas.
En los aceros de calidad ordinaria el contenido de fósforo y azufre debe ser no más de
0.040 – 0.045%.
En los aceros de alta calidad no más de 00020 – 0.030%.
B. De acuerdo a su composición química se dividen en los siguientes:
Acero 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
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
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 de baja aleación:
Esta familia es la más reciente de las cuatro grandes clases de acero. Los aceros de baja
aleación son más baratos que los aceros aleados convencionales ya que contienen
cantidades menores de los costosos elementos de aleación. Sin embargo, reciben un
tratamiento especial que les da una resistencia mucho mayor que la del acero al carbono.
Por ejemplo, los vagones de mercancías fabricados con aceros de baja aleación pueden
transportar cargas más grandes porque sus paredes son más delgadas que lo que sería
necesario en caso de emplear acero al carbono. Además, como los vagones de acero de baja
aleación pesan menos, las cargas pueden ser más pesadas. En la actualidad se construyen
muchos edificios con estructuras de aceros de baja aleación. Las vigas pueden ser más
delgadas sin disminuir su resistencia, logrando un mayor espacio interior en los edificios.
Aceros Inoxidables:
Los aceros inoxidables contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación, que los
mantienen brillantes y resistentes a la herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la
humedad o de ácidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros
son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos periodos a temperaturas
extremas. Debido a sus superficies brillantes, en arquitectura se emplean muchas veces con
fines decorativos. El acero inoxidable se utiliza para las tuberías y tanques de refinerías de
petróleo o plantas químicas, para los fuselajes de los aviones o para cápsulas espaciales.
También se usa para fabricar instrumentos y equipos quirúrgicos, o para fijar o sustituir
huesos rotos, ya que resiste a la acción de los fluidos corporales. En cocinas y zonas de
preparación de alimentos los utensilios son a menudo de acero inoxidable, ya que no
oscurece los alimentos y pueden limpiarse con facilidad.
Aceros aleados:
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Estos aceros contienen una proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros
elementos, además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al
carbono normales. Estos aceros de aleación se pueden subclasificar en:
o Estructurales:
Son aquellos aceros que se emplean para diversas partes de máquinas, tales como
engranajes, ejes y palancas. Además se utilizan en las estructuras de edificios, construcción
de chasis de automóviles, puentes, barcos y semejantes. El contenido de la aleación varía
desde 0,25% a un 6%.
o Para herramienta:
Aceros de alta calidad que se emplean en herramientas para cortar y modelar metales y no-
metales. Por lo tanto, son materiales empleados para cortar y construir herramientas tales
como taladros, escariadores, fresas, terrajas y machos de roscar.
o Especiales:
Los Aceros de Aleación especiales son los aceros inoxidables y aquellos con un contenido
de cromo generalmente superior al 12%. Estos aceros de gran dureza y alta resistencia a
las altas temperaturas y a la corrosión, se emplean en turbinas de vapor, engranajes, ejes y
rodamientos.
Según el estándar en las designaciones de las marcas del acero las cifras puestas a la izquierda
de las letras significan el contenido de carbono en centésimas de por ciento, las letras puestas
a la derecha de las cifras muestran la presencia del elemento respectivo en el acero. Las cifras
puestas después de las letras señalan el contenido aproximado de elementos respectivos, si
este contenido excede de 1%.
Por ejemplo, 12X21I4A, la letra A significa que este acero es de muy alta calidad, que contiene
cerca de 0.12% de C, 2% de Cr y 4% de Ni. La designación 30X1C quiere decir que en este
acero hay 0.30% de C y cerca de 1% de Cr, Mn y Si. Las marcas de acero al carbono de calidad
ordinaria se designan de modo siguiente: Cr0, Cr1, Cr2, etc. Las cifras corresponden al
contenido medio de carbono, en céntimas de por ciento.
C. De acuerdo al carácter de solidificación de acero en las lingoteras se distinguen:
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Aceros calmados.
Aceros efervescentes.
Aceros semicalmados.
El comportamiento del metal al cristalizarse en la lingotera depende del grado de
desoxidación: cuanto más completamente está desoxidado el acero, tanto con mayor calma se
cristaliza el lingote.
Cada uno de los tipos citados de la clasificación de los aceros caracteriza las propiedades del
metal, su seguridad durante la explotación, el costo, la posibilidad de obtención en cantidades
determinadas y otros parámetros. Todo esto tienen en cuenta los consumidores del metal.
D. De acuerdo a la AISI-SAE de los aceros
La clasificación es la identificación específica de cada grado, tipo, o clase de acero dado por un
número, letras, símbolos, nombre, o su combinación para la completa designación de un acero
en particular. Dentro de la industria esta clasificación tiene una vital importancia y un uso
específico por ejemplo el grado es usado para denotar Ía composición química, el tipo es
usado para indicar el nivel de desoxidación, y la clase es usada para describir alguna otra
cualidad, como el nivel de resistencia o una superficie pulida etc.
Existen varias maneras de clasificar los aceros las principales son de acuerdo con su
composición, de acuerdo con su utilización, de acuerdo con su calidad. De acuerdo con su
composición se pueden dividir en acero al carbono y aceros aleados Según su utilización se
pueden dividir en varios grupos estructurales, aceros al carbono para herramienta, aceros
para propósitos especiales.
De acuerdo con la calidad los aceros se clasifican según el proceso de producción y van desde
los aceros de calidad ordinaria obtenidos por proceso Bessemer, los de horno eléctrico, hasta
los aceros de elevada calidad que se producen por refusión en electro-escoria o métodos mas
refinados para obtener aceros para herramienta. Como la micro estructura del acero
determina la mayoría de sus propiedades y aquella esta determinada por el tratamiento y la
composición química; uno de los sistemas mas generalizados en la nomenclatura de los aceros
es el que esta basado en su composición química. Todos los países y muchas instituciones
tienen sistemas para clasificar los aceros.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Los mas usados en nuestro medio son las especificaciones de la American Society for Testing
and Materials (ASTM) y American Iron and Steel Institute (AISI).
En 1912, la sociedad norteamericana de ingenieros automotores (SAE) promovió una reunión
de productores y consumidores de aceros, para establecer una nomenclatura de la
composición de los aceros. Mas tarde, el instituto norteamericano del hierro y el acero, AISI,
tomo la nomenclatura de la SAE y la expandió.
En el sistema AISI-SAE, los aceros se clasifican con cuatro dígitos. El primer digito especifica la
aleación principal, el segundo modifica al primero y los dos últimos dígitos, dan la cantidad de
carbono en centésimas. En algunos aceros al cromo de alto carbono hay números de cinco
dígitos, los tres últimos dan el porcentaje de carbono.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Debido al desarrollo de aceros multicomponentes, hay muchos aceros que no se encontraban
en el sistema original. Las convenciones para el primer digito son:
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Se observa entonces que si el primer número es 1 se sabe que es un acero al carbono; si el
dígito siguiente es el 0, o sea que la designación es 10XX, se trata de un acero ordinario al
carbono; así 1030 significa un acero ordinario al carbono con 0.30%C. Si el segundo digito es
uno, la designación es 11XX y significa que se trata de una acero re sulfurado, es decir, se le
añadió azufre para hacerlo mas maquinable, por ejemplo, el acero SAE 1108. Si el segundo
digito es 3, la designación es 13XX y se trata de un acero con contenido de manganeso entre
1.5 y 2%, por ejemplo, el SAE 1330. Si el primer digito es 2, se trata de acero al níquel, por
ejemplo, el acero SAE
23XX que es un acero con 3.5% de Ni. Si el primer digito es 3, se esta señalando un acero al Ni-
Cr, por ejemplo, el acero SAE 31XX con 1.25% de Ni y 0.65% de Cr
Ejemplo:
Como el proceso de fabricación de acero afecta los elementos residuales, tales como óxidos,
sulfuros, silicatos, nitruros; los que a su vez afectan las propiedades del acero, a veces se
añade una letra como prefijo al número AISI-SAE:
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
En general, los aceros 10XX de bajo carbono, de 1005 a 1025, se usan para cementación y para
la fabricación de láminas. Los aceros 1015 a 1025 se usan como estructurales en vigas, placas,
perfiles, ángulos, etc, con propósitos de construcción. Los aceros 11XX son de corte libre, pues
se añaden hasta 0.33% de azufre, con el fin de facilitar la producción de partes que no van a
soportar muchas tensiones.
Aceros con mas de 1.0 de Manganeso, aceros 13XX, desarrollan ductilidad y resistencia y son
superiores a los aceros ordinarios al carbono.
Las propiedades de los aceros dependen de la acción de los aleantes presentes.
II.2.2. PRODUCCION DEL ACERO:
a. MATERIALES DE CARGA PARA LA FABRICACIÓN DEL ACERO:
Los materiales que se utilizan para la fabricación del acero suelen dividirse en metalíferos
(carga metálica, adiciones metálicas), suplementarios (fundentes) y oxidantes. En calidad de
carga metálica sirven:
El arrabio (liquido o solido)
La chatarra de acero (y en algunos casos también de la fundición)
Los productos de reducción directa del hierro a partir de la mena de hierro
Ferroaleaciones
a.1. Metalíferos:
La masa principal de la carga metálica está constituida por el arrabio y la chatarra, por cada
1000 kg de acero fundido se consumen un poco más de 1400 kg de carga metálica, con ello
más del 90% de esta cantidad son el arrabio y la chatarra.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
En el procedimiento de Martin-Siemens la carga contiene cerca del 55% de arrabio (la parte
restante es chatarra), en el procedimiento de convertidor 75 a 85% de carga está constituido
por el arrabio líquido y el resto es la chatarra.
En la utilización de la chatarra, muchas veces esta se consigue de distintas partes, lo cual
impide conocer su composición, además de estar ensuciada por lubricantes que contienen
azufre (viruta), por metales no ferrosos (plomo, aluminio, estaño, cobre, etc.) que se contienen
en diferentes piezas de las maquinas inutilizadas. Algunas de estas impurezas son nocivas
tanto para el personal que labora, como también para los equipos y empeoran la calidad del
acero.
Zinc: Se volatiliza durante el calentamiento y luego en forma de óxido se deposita en el
revestimiento, los elementos de las calderas, etc. Haciéndolos inutilizables.
Plomo: Penetra en pequeñísimos poros de la mampostería del horno.
Estaño: Disminuye bruscamente la resistencia del acero a temperaturas elevadas.
Puesto que el valor de todas las impurezas (Ni, Mo, Co, Cu, Pb, Zn, Sn, etc.) es muy alto, la
utilización de una chatarra de metal aleado para fabricar diferentes marcas de acero aleado es
económicamente muy ventajosa.
a.2. Materiales suplementarios:
En calidad de materiales suplementarios (fundentes) en la fabricación del acero se suele
utilizar: caliza, cal, bauxita, espato flúor (CaF2), mena de manganeso, arena, pedazos de
ladrillo.
a.3. Oxidantes:
En calidad de oxidantes se emplea el oxígeno puro (hasta 99.5%), aire comprimido, mena de
hierro, cascarilla, aglomerado, briquetas de mena de hierro. Para acelerar la escorificación se
utiliza el aglomerado autofundente (de 32 a 36% de CaO; 5 a 6% de SiO2; 40 a 45% de Fe liq8 a
11% de FeO) o productos de tostación de caliza y la mena de hierro o bien productos de
tostación de caliza y menas de hierro y manganeso.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Todos los materiales suplementarios deben llenar altas condiciones en cuanto al contenido de
impurezas nocivas (azufre, fosforo, hidrogeno, etc.).
a.4. Metalurgia del hierro:
Tomando como referencia al complejo minero metalúrgico de Shougang Hierro Perú S.A.A.
comprende:
MINA:
Con aproximadamente 150 km2 de extensión, es el lugar donde se realizan permanentemente
trabajos de exploración y de explotación de minerales bajo el sistema de tajo abierto;
realizando perforaciones y disparos, para que luego las rocas mineralizadas sean
transportadas por palas y camiones volquetes con capacidad de hasta 150 toneladas hasta las
chancadoras, de donde luego del proceso de chancado, el mineral es apilado y posteriormente
transportado a San Nicolás, mediante una faja de aproximadamente 15,3 kilómetros de largo y
con una capacidad de 2000 toneladas por hora.
SAN NICOLÁS:
Es el área de beneficio, donde los minerales pasan por una serie de etapas hasta convertirse
en uno de los productos que la Empresa comercializa; por esta razón, en esta área se puede
encontrar las siguientes instalaciones:
Planta Chancadora:
Donde el mineral es reducido en aproximadamente un 95%.El chancado es el proceso en el
cual el mineral es reducido de tamaño de acuerdo a especificaciones según el tipo de mineral,
para ser usado en el proceso de beneficio (Planta Magnética).
El Proceso de Chancado Primario y Secundario del mineral se realiza en la Mina, obteniendo
un diámetro máximo de 4”, el cual es enviado a la Planta de San Nicolás por un Sistema de
Fajas Transportadoras (Conveyor).
Al llegar a la Planta es depositado en las Canchas del Stock de Crudos, clasificadas por el tipo
de mineral.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
De las canchas es enviada a la Planta Chancadora, en la cual existen dos Líneas de Producción
(Primaria y Secundaria), en las cuales se realiza el proceso de Chancado Terciario.
El mineral chancado pasa por un proceso de Clasificación de Zarandas. El Mineral es
depositado en Silos (9) clasificado por el tipo de mezcla, de acuerdo a la producción
programada. Las instalaciones de planta chancadora comprenden:
o Stock de crudos
o Planta de chancado Nº 1 (Trabaja en circuito abierto y/o cerrado)
o Planta de chancado Nº 2 (Trabaja en circuito abierto)
Planta de Separación Magnética:
Aquí el mineral continúa con su proceso de molienda y concentración a través de ciclones,
separación magnética y flotación, separando el mineral estéril (no utilizado en el proceso
productivo) del mineral del hierro, el cual luego es dividido en dos tipos de productos, uno
denominado concentrado de Hierro de Alta Ley para la sintonización y el otro que sirve para
alimentar la Planta de Peletización, luego de pasar por un proceso de filtración.
El mineral molido y clasificado de los silos a los cuales se ha enviado el mineral proveniente
de chancadora, ingresa a la Planta Magnética a los procesos de molienda fina y molienda
gruesa. Existen 9 líneas de molienda, el proceso de molienda primaria se realiza en molinos
de barras. La separación magnética se realiza en Separadores Magnéticos Cobers, el
concentrado recuperado continúa el circuito de molienda, el residuo (Colas) es enviado hacia
el Sistema de Relaves.
El proceso de clasificación de hidrociclones se realiza dependiendo de la producción
programada. El proceso de molienda secundaria se realiza en Molinos de Bolas. La Separación
magnética final se realiza en separadores magnéticos Finisher, el concentrado recuperado
continúa hacia el proceso de flotación, el residuo (Colas) es enviado hacia el Sistema de
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Relaves. Para separar el Azufre del Hierro, el concentrado pasa por un proceso de Flotación de
Celdas, en el cual se utilizan reactivos químicos para su fin.
Planta de Filtros:
En esta etapa se realizan las operaciones de espesamiento, homogenización y filtrado de la
pulpa recibida de Magnética, dejando el mineral en condiciones adecuadas para ser
transformado en pellets.
Planta de Pellets:
Donde el mineral es sometido a altas temperaturas para su transformación y luego ser
almacenados y transferidos al Muelle de San Nicolás, desde donde es transportado a todo el
mundo.
El concentrado filtrado que se encuentra en la tolva se subdivide en 2 salidas para alimentar
por separado a cada línea de producción; para ambas líneas de producción se le adiciona
aglomerante “Bentonita”, siendo dispersada en todo el concentrado, mediante mezcladores. El
concentrado mezclado es alimentado a tolvas de almacenamiento.
Las tolvas de concentrado alimentan a los discos peletizadores, mediante sistema de fajas en
la parte central superior izquierda del disco.
Los discos peletizadores tienen un diámetro, y un ángulo de inclinación y una velocidad
variable, dependiendo de la calidad del concentrado (granulometría, humedad) para la
formación de las bolas (conocido como pellets verdes). Para regular el tamaño de los pellets y
su tiempo de residencia se cuenta con cuchillas, los cuales le dan la dirección en el traslado del
grano a través de la cama hasta la formación del pellets.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Los pellets verdes son llevados al horno horizontal de parrilla móvil por medio de carros con
una parrilla con aberturas, encima una cama de pellets quemados. Los pellets verdes pasan
por un sistema de clasificación antes de ingresar a los carros. Al ingresar al carro, los pellets
forman una cama homogénea.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Reducción directa del mineral de hierro:
Para la producción del hierro también se puede utilizar el método de reducción directa, el que
emplea agentes reactivos reductores como gas natural, coque, aceite combustible, monóxido
de carbono, hidrógeno o grafito. El procedimiento consiste en triturar la merma de hierro y
pasarla por un reactor con los agentes reductores, con lo que algunos elementos no
convenientes para la fusión del hierro son eliminados. El producto del sistema de reducción
directa es el hierro esponja que consiste en unos pellets de mineral de hierro los que pueden
ser utilizados directamente para la producción de hierro con características controladas.
Diagrama de producción de
hierro esponja
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
b. FABRICACIÓN DEL ACERO:
El acero se puede obtener a partir de dos materias primas fundamentales:
FUENTE:
http://www.areatecnologia.com/el-acero.htm
El arrabio, obtenido a partir de mineral en instalaciones dotadas de horno alto (proceso
integral):
Materias primas (minerales de Fe, combustibles, fundentes)
Magnetita (Fe3O4 + ganga)
Minerales de Fe Hematites (Fe2O3 + ganga)
Limonita (2Fe2O3 + ganga)
Siderita (FeCo3 + ganga)
Ganga → SiO2, Al2O3, CaO, MgO, etc
Impurezas → S, P, As, Si, Mn, etc.
Fundente → CaO
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Combustible→ coque y carbón vegetal
El arrabio es el primer proceso que se realiza para obtener Acero, los materiales básicos
empleados son Mineral de Hierro, Coque y Caliza. El coque se quema como combustible para
calentar el horno, y al arder libera monóxido de carbono, que se combina con los óxidos de
hierro del mineral y los reduce a hierro metálico.
La ecuación de la reacción química fundamental de un alto horno es:
Fe2O3 + 3 CO => 3 CO2 + 2 Fe
La caliza de la carga del horno se emplea como fuente adicional de monóxido de carbono y
como sustancia fundente. Este material se combina con la sílice presente en el mineral (que no
se funde a las temperaturas del horno) para formar silicato de calcio, de menor punto de
fusión. Sin la caliza se formaría silicato de hierro, con lo que se perdería hierro metálico. El
silicato de calcio y otras impurezas forman una escoria que flota sobre el metal fundido en la
parte inferior del horno. El arrabio producido en los altos hornos tiene la siguiente
composición: un 92% de hierro, un 3 o 4% de carbono, entre 0,5 y 3% de silicio, del 0,25% al
2,5% de manganeso, del 0,04 al 2% de fósforo y algunas partículas de azufre.
El ALTO HORNO es virtualmente una planta química que reduce continuamente el hierro del
mineral. Químicamente desprende el oxígeno del óxido de hierro existente en el mineral para
liberar el hierro. Está formado por una cápsula cilíndrica de acero forrada con un material no
metálico y resistente al calor, como ladrillos refractarios y placas refrigerantes. El diámetro de
la cápsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado
aproximadamente a una cuarta parte de su altura total. La parte inferior del horno está dotada
de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire. Cerca del
fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vacía) el alto
horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la
escoria. La parte superior del horno, cuya altura es de unos 30 m, contiene respiraderos para
los gases de escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por válvulas en forma de campana,
por las que se introduce la carga en el horno. Los materiales se llevan hasta las tolvas en
pequeñas vagonetas o cucharas que se suben por un elevador inclinado situado en el exterior
del horno.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Fig. Proceso del alto horno. Fabricación de arrabio o hierro fundido
FUENTE: Materiales de Ingeniería, E.Donosco.pdf
Reacciones químicas:
(i) C + O2→CO2 + calor
CO2 + C → 2CO – calor
(ii) 3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2 + calor
2Fe3O4 + 2CO → 6FeO + 2CO2 – calor
FeO + CO → Fe + CO2 + calor
(iii) 3Fe + 2CO → Fe3C + CO2
Producto final del alto horno: Arrabio (Fe + Fe3C + impurezas)
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
c. TECNOLOGIAS DE PRODUCCION:
Producción en Convertidores:
Procedimientos Bessemer Y Thomas
La esencia de los procesos Bessemer y Thomas consiste en que el arrabio echado en el aparato
de fundición (convertidor) es insuflado por el aire. El oxígeno del aire oxida las impurezas del
arrabio debido a lo cual este se convierte en acero. El calor desprendido durante la oxidación
calienta el acero hasta la temperatura de sangría (1600 ° C).
FUSIÓN EN EL CONVERTIDOR BESSEMER:
En el convertidor se vierte arrabio Bessemer (de 0.7 a 1.25 % de Si; 0.5 a 0.8 % de Mn; 3.8 a
4.3 % de C; < 0.06 % de P; <0.06 % de S) a la temperatura de 1250 a 1300 °C y en su seno se
inyecta el aire durante 10-15 min. Durante el insuflado se oxidan el carbono, el silicio y el
manganeso que forman parte del arrabio y de los óxidos formados se produce una escoria
acida.
Una vez oxidado el carbono hasta el límite prefijado, el suflado se finaliza, el metal se sangra a
través del cuello del convertidor a la cuchara, sometiéndose simultáneamente a la
desoxidación.
La duración total de fusión es de 20 a 3º min, puesto que la escoria es acida (de 55 a 65 % de
SiO2; 15 a 25 % de FeO; 15 a 20 % de MnO) durante la fundición el azufre y el fosforo no se
eliminan.
FUSIÓN EN EL CONVERTIDOR THOMAS:
Para formar una escoria básica en el convertidor se carga la cal (12 a 18 % de la masa del
metal), se vierte el arrabio Thomas (de 1.6 a 2.0 % de P; 0.2 a 0.6 % de Si; 0.8 a 1.3 % de Mn; <
0.08 % de S; 2.8 a 3.3 % de C) a la temperatura de 1180 a 1250 °C y se le inyecta el aire
durante 16 – 22 minutos.
En el transcurso de este tiempo se oxidan el C, Mn y el SI; se hacen pasar el P y el S a la escoria
básica en formación. El suflado se finaliza cuando el contenido de P en el metal alcanza 0.05 %
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
- 0-07 % después de lo cual el metal va sangrado a la cuchara donde se introducen los
desoxidantes.
La duración total de la fusión es de 25 a 40 minutos. La escoria final tiene la composición
siguiente; de 16 a 24 % de P2O 6; 42 a 45 % de CaO, 5 a 10 % SiO2; 8 a 15 % de FeO; 7 a 10 %
de MnO; puesto que esta escoria es rica en P2O 5; ella se utiliza en calidad de fertilizante.
VENTAJAS DEL PROCEDIMIENTO BESSEMER Y THOMAS:
Alto rendimiento.
Estructura sencilla del convertidor.
Falta de necesidad de emplear combustible.
Consumo pequeño de refractarios debido a lo cual los gastos de instalación son
menores que en los procedimientos Martin-Siemens y de fabricación de acero en los hornos.
DESVENTAJA:
Un contenido elevado de nitrógeno en el acero (0.010 a 0.025 %) debido al hecho de que el
nitrógeno contenido en el viento de aire se disuelve en el metal, por esta causa los aceros
Bessemer y Thomas posee una fragilidad elevada y son propensos al envejecimiento.
Actualmente estos procedimientos están reemplazados casi por completo por el de
convertidor a oxígeno.
Fabricación del acero de moldeo en los convertidores:
Uno de los métodos difundidos de fabricación de acero en los talleres de fundición es el
procedimiento Bessemer pequeño, o sea, la producción del acero en los convertidores ácidos
de 1 a 3L de capacidad con soplado lateral.
Las ventajas del procedimiento de Bassemer pequeño en comparación con otros métodos de
fabricación, consiste en un aparato simple y compacto, menores gastos de instalación, rapidez
del proceso, posibilidad de trabajar con pausas, así como en la posibilidad de un alto
sobrecalentameinto del acero (lo que es importante para un buen llenado de los moldes para
fundición.)
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
La particularidad característica del proceso consiste en que al aplicar el soplado superficial
lateral en la cavidad del convertidor se quema adicionalmente una cantidad considerable de
óxido de carbono desprendido del metal. Esto sirve de una fuente de calor suplementaria para
el calentamiento del acero.
Entre las desventajas del procedimiento Bessemer pequeño figuran la necesidad de emplear
un arrabio puro en cuanto al azufre y fosforo, así como una pérdida sensible de hierro por
ignición.
Marcha del proceso de fusión insuflando el viento de aire:
En un convertidor Bessemer de soplado lateral se fundó el arrabio cuyas composiciones son:
3.0 a 3.5% de C, 1.25 a 1.75% de Si, 0.6 a 1.2% de Mn, <0.07 de P y <0.04% de S. Este arrabio
se distingue por un alto contenido de silicio que sirve de “combustible” principal para el
procedimiento de Bessemer pequeño.
La temperatura del arrabio que se vierte en el convertidor suele ser de 1350 a 1450°C.
El soplado se divide en dos periodos. En el primer periodo (de 4 a 6 min) se oxidan silicio,
manganeso y hierro, así como se forma la escoria compuesta por SiO2, FeO y MnO. Debido a
una perdida elevada por ignición del hierro, al realizar el soplado superficial, el contenido de
FeO en las escorias del primer periodo alcanza 45%.
Después de oxidado el silicio y el manganeso, empieza el segundo periodo, ósea, la quemadura
del carbono. El convertidor se inclina 5 a 20° respecto a su posición vertical, de modo que el
viento se envíe a la superficie del metal. Esto crea las condiciones necesarias para la
combustión consecutiva del óxido de carbono en la cavidad del convertidor. El contenido de
óxido ferroso en la escoria disminuye en el segundo periodo, ya que este oxido se consume
para la oxidación de una parte del carbono.
Una vez terminada el soplado, el metal se desoxida y se sangra al caldero. La duración del
soplado varía generalmente entre 14 a 23 min. La temperatura del acero sangrado es de 1680
a 1720°C. La escoria final del procedimiento Bessemer pequeño contiene de 50 a 70% de SiO2,
14 A 25% de FeO y 8 a 15% de MnO.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Soplado con oxígeno:
En los últimos años para soplar el arrabio en los convertidores Bessemer de soplado lateral se
emplean el oxígeno que permite reducir el tiempo de fusión, utilizar entre los materiales de
carga la chatarra de acero y aumentar el rendimiento de acero útil.
Si se usa el soplado con oxígeno, antes de que se vierta el arrabio, en el convertidor se carga la
chatarra (hasta 40% respecto a la masa del arrabio). Después de verter el arrabio el
convertidor se pone en una posición tal que la boca de la tobera quede sumergida en el metal
a una profundidad de 50 a 100mm.
Al comienzo del soplado se oxidan simultáneamente silicio, manganeso y carbono del arrabio.
La oxidación del silicio y el manganeso se termina al tercero o quinto minuto del soplado,
después de lo cual empieza una oxidación violenta del carbono.
La duración del soplado oscila entre 10 a 15 min, la presión del oxígeno en diferentes fabricas
se encuentra entre 0.5 y 1.5 Mpa (5 – 15 at).
El acero fabricado con soplado de aire contiene una cantidad de oxigeno dos o tres veces
menor que el fabricado con el soplado de aire.
Índices térmicos económicos del procedimiento:
El rendimiento del acero líquido al soplar con viento de aire constituye 82 – 87% respecto a la
masa del arrabio líquido y las pérdidas provocadas por ignición del metal y por proyecciones,
así como en forma de inclusiones esféricas en la escoria varían entre 13 a 18%. El consumo de
aire oscila entre 600 y 800 m3 por 1 t de arrabio.
Al efectuar el soplado con oxígeno puro el rendimiento del acero líquido aumenta hasta 92 –
93%. El consumo de oxigeno es de 50 a 70 m3 por 1 t de acero. El costo del acero fabricado por
el soplado con oxígeno disminuye al emplear la chatarra de acero entre los materiales de
carga.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Fig: Convertidores (se sopla aire u oxigeno)
FUENTE: Materiales de Ingeniería, E.Donosco.pdf
Fe + ½ O2→ FeO + calor
(i) 2FeO + Si → 2Fe + SiO2 + calor
FeO + Mn → Fe + MnO + calor
(ii) FeO + C → CO + Fe – calor
CO + ½ O2→ CO2
(iii) FeO + Mn → Fe + MnO
2FeO + Si → 2Fe + SiO2
Producción en Horno Martin – Siemens:
Desarrollo del procedimiento de Martin – siemens:
El procedimiento de Martin – Siemens se lleva a cabo sobre la solera del horno de reverbero
dotado de recuperadores. En el horno se cargan diferentes materiales (arrabio, desechos de
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
fundición, chatarra y otros) que se funden poco a poco bajo la acción de la llama producida
por el combustible. Una vez fundidos por completo los materiales indicados, se introducen en
el baño diversos aditivos con el fin de obtener el metal de composición y temperatura
deseables; luego el acero fabricado se sangra en los calderos y se efectúa la colada.
Fig. Esquema
de Horno de Martin - Siemenes
FUENTE: http://es.scribd.com/doc/98820217/Aceros
El horno de Martin siemens es un horno de reverbero. La solera se calienta exteriormente y se
carga las materias primas, que son arrabio y chatarra, inclinadas hacia un orificio de salida. La
solera es rectangular y puede recibir de 15 a 40 toneladas. La cara anterior del horno tiene las
puertas de carga y la posterior la piquera de colada. La bóveda es de ladrillo refractario de
sílice. Por el exterior circula aire frio para refrigerar. El laboratorio contiene el arrabio que se
va a tratar y está limitada por la solera, la bóveda y las paredes laterales. El revestimiento
puede ser acido (sílice) o básico (magnesio).
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Procedimiento acido:
Se reduce el C por tres formas:
Por dilución, añadiendo chatarra con poco carburo y así, se reparte el C por toda la
masa.
Añadiendo minerales de Fe que ceden el oxígeno al C produciendo la oxidación.
Combinando los dos anteriores.
EL Mn y el Si se oxidan con rapidez y se van a la escoria, aunque el Si con mayor lentitud. El C
se oxida debido a los óxidos de la escoria. Al ser proceso acido no se elimina ni el P ni el S. para
evitar la oxidación del metal se le añaden ferroaleaciones.
Procedimiento básico:
La escoria es básica, lo que permite eliminar el P.
Primero se oxidan el Si, Mn y Fe.
El óxido de manganeso no se va a la escoria, cediendo el oxígeno para oxidar el C.
El P se oxida y se combina con la cal.
También se pueden añadir ferroaleaciones.
Normalmente la carga está compuesta por 50% de chatarra y 50% de hierro líquido y
se emplea carbonato de calcio como fundente y formador de escoria básica.
Producción en Hornos Eléctricos:
Actualmente en la fabricación del acero se emplean los hornos de arco eléctrico y los hornos
de inducción abiertos y al vacío.
La cantidad principal del acero eléctrico se elabora en los hornos de arco eléctrico; y en
menor parte el acero es fabricado en los hornos de inducción.
Los hornos de arco eléctrico sirven, principalmente para fabricar aceros aleados y de alta
calidad de difícil obtención en los convertidores y los hornos de Martin-Siemens.
Ventajas de los hornos eléctricos:
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Calentar rápidamente el metal, esto permite introducir en el horno mayores aditivos
de aleación.
Crear en el horno una atmosfera reductora y formar las escorias las escorias y los
óxidos de fierro lo que predetermina una pequeña perdida de ignición de los elementos de
aleación.
Regular suave y exactamente la temperatura del metal.
Desoxidar al metal de un modo más completo que en otros hornos obteniendo el
acero con bajo contenido de inclusiones no metálicas.
Obtener los aceros con bajo contenido de azufre
De acuerdo a las particularidades mencionadas en ellos se fabrican los aceros de alta
aleación inoxidables, termoresistentes y para herramientas.
Cerca del 17 % del acero mundial es constituida por el acero eléctrico.
Estructura de los hornos de arco eléctricos:
En Rusia se fabrican en serie los hornos de acero de las series 0.5;1.5;3.6;12;25;100;200l de
capacidad y se diseñan los proyectos de 300 y 400 t
El horno de arco eléctrico comprende un espacio útil (el horno propiamente dicho) provisto
de electrodos, conductores de corriente y los mecanismos para inclinar el horno retener y
desplazar los electrodos y cargar los materiales.
El acero se elabora en el espacio útil (fig.118) nos muestra el esquema del espacio útil del
horno de arco eléctrico.
El horno es alimentado por una corriente trifásica:
Los materiales se cargan en la solera del horno; una vez derretidos estos, en el horno se
forma un lecho de metal y escoria (fig.118).el derretimiento y calentamiento se llevan a cabo
a costa del calor producido por los arcos eléctricos.
El acero acabado y la escoria se evacuan a través del orificio de sangría del acero y el canal
inclinando el espacio útil.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Electrodos:
La corriente se suministra al espacio de fusión del horno eléctrico por los electrodos. Resistir
altas temperatura y conservar al mismo tiempo, buena conductibilidad eléctrica pueden
solamente los artículos fabricados de carbono en los hornos eléctricos de hasta 5 t se utilizan
electrodos de carbón mientras que para mayores capacidades se utiliza el grafito.
Régimen eléctrico:
En un horno eléctrico el arco eléctrico es el que sirve de fuente de calor .el arco se produce
entre los electrodos y el metal líquido y los materiales de carga al aplicarse una tensión de
suficiente valor. El arco eléctrico sirve de medio de transmisión de energía a través de una
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
capa de gases ionizados o vapores de las sustancias que se concentran en el baño del horno
la temperatura excede los 3000ºC.
Fabricación del acero en los hornos de arco eléctrico:
Materiales De Carga Para La Fusión Eléctrica:
Los materiales destinados para la fusión eléctrica son chatarra (75-100%) su composición
debe tener una mínima cantidad de níquel y cobre la chatarra no debe contener ningún
contenido de metal no ferroso, el fosforo no debe exceder al 0.05% si el contenido es mayor el
tiempo de fusión también aumenta.
La chatarra no debe estar fuertemente oxidada (herrumbrosa) puesto que con el herrumbre
ingresa gran cantidad de hidrogeno.
La refundición de desechos aleados permite ahorrar ferroaleaciones costosas.
Para aumentar la cantidad de carbón en lecho de fusión se emplean arrabio, coque y pedazos
de electrodos para evitar que ingrese fosforo juntamente con el arrabio se dosifica 10% de
arrabio en hornos menores de 40t de capacidad mientras que para mayores se agrega no
más del 25%.
En la producción del acero en los hornos eléctricos para la aleación y la desoxidación se
emplean prácticamente todas las ferroaleaciones y elementos de aleación conocidos.
Técnica de fusión en el horno de arco básico realizando la oxidación.
a) Preparación del horno: Consiste en la corrección de la zona desgastada y deteriorada
del revestimiento de la solera una vez efectúa da la sangría de turno se procede a limpiar los
restos de metal y escoria. A lugares deteriorados de la solera y los taludes se le echa polvo de
magnesita mientras que para deterioros más serios se le agrega polvo mojado más vidrio
líquido o arena.
b) Materiales de carga: el principal material de carga es la chatarra (90-100%), arrabio
(menos del 10%), pedazos de electrodos o coque.
Los materiales se cargan con cestos provistos de fondo abatible y en algunos hornos viejos
de baja capacidad con máquinas de carga.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
c) Derretimientos: una vez terminada la carga se bajan los electrodos y se conecta la
corriente. Bajo efectos de alta temperatura los materiales situados debajo de los electrodos se
funden el metal liquido se funde hacia abajo acumulándose en la parte central de la solera. Los
electrodos se bajan fundiendo en el lecho se fusión de “pozos” (fig.135).
d) Periodo de oxidación: este periodo presenta los siguientes objetivos
Disminuir el contenido de fosforo en el metal
Periodo de oxidación:
Periodo de reducción la finalidad del periodo de reducción consiste en:
Desoxidar el metal
Eliminar el azufre
Poner a punto la composición química del acero y corregir la temperatura
Todos estos problemas se arreglan en el transcurso del periodo de reducción: se desoxida el
metal empleando simultáneamente el método de precipitación y el de difusión.
Orden de aleación:
Al fabricar los aceros aleados en los hornos de arco el orden de aleación depende de la
afinidad de los elementos de aleación con el oxígeno los elementos (el níquel o molibdeno)
que tienen menor afinidad con el oxígeno que con el hierro durante la fusión no se oxidan
por ello se introducen en los primeros periodos de fabricación del acero; el níquel con los
materiales de carga y el molibdeno al final del periodo de reducción o al comienzo del
proceso de oxidación.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
El cromo y manganeso afina al oxigeno que el hierro son aleados con el metal en el periodo de
reducción el tungsteno que en las condiciones de fusión del horno eléctrico pude oxidarse es
tratado de igual manera que el molibdeno.
El silicio, vanadio, sobre todo el titanio y el aluminio se caracterizan por su gran afinidad con
el oxígeno.
La aleación ferrovanadio se realiza 15-35 min antes de la sangría
Ferrosilicio 10-20 min antes del vaciado.
Ferrotitanio se introduce en el horno 5-15 antes de la sangría o directamente en el
caldero.
El aluminio se agrega 2-3 min antes del vaciado del horno.
Fabricación del acero por el método de refundición:
En la siderurgia la cantidad de desechos de acero aleado alcanzan 25-40% de la lingotera .la
fusión se realiza sin el periodo de oxidación o con un soplado breve por oxigeno lo que
permite conservar los elementos de aleación.
Al efectuar la fusión sin oxidación el carbono y fosforo no se oxidan es por ello que el fosforo
no debe rebasar sus límites admisibles en el acero acabado.
Además de los desechos se carga también hierro dulce o sea un lingote de carga con bajo
contenido de fosforo y carbono.
Después del derretimiento la escoria no se evacua iniciándose enseguida el periodo de
reducción con ello la desoxidación, desulfuración y la aleación y la aleación se llevan a cabo
por el método corriente. A la desoxidación por fusión a partir de la escoria se reducen cromo
vanadio y tungsteno.
Al fabricar acero por el método de refundición disminuye el consumo de ferroaleaciones, el
rendimiento del horno crece 10-30% y se reduce el consumo de energía eléctrica en un 10-
20%.
Cuando la fusión se realiza con soplado de oxígeno, crece la perdida por ignición de los
elementos, pero una efervescencia breve disminuye el contenido de hidrogeno y nitrógeno. El
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
soplado de oxigeno se realiza después de fundirse los materiales de carga. , oxidando el
carbono excesivo.
Fabricación de acero en hornos de arco eléctrico ácidos:
Este tipo de hornos dotados de revestimiento acido se utilizan de ordinario en los talleres de
la fabricación de acero destinado para moldeado su capacidad oscila entre 0.5, 6-10t.
Su amplia aplicación se debe a su revestimiento acido es más termoresistentes que el básico
y permite explotar el horno dependiendo de las condiciones de trabajo del taller(1 0 2
turnos )así mismo los materiales de revestimiento son 2.5 veces más económicos que los
materiales de revestimiento de los hornos básicos puesto que también se omite el periodo de
reducción y el tiempo de elaboración del acero para moldeado en este tipo de hornos es
menor en cuanto a los hornos básicos de la misma capacidad y también se economiza el
consumo de energía eléctrica.
Las desventajas son que durante la fundición no se elimina el azufre y fosforo del metal.
Carga y derretimiento de los materiales:
El lecho de fusión se compone de modo que el contenido de carbono después del
derretimiento de los materiales rebase el 0.1-0.2% su contenido en acero acabado para elevar
el contenido se le agrega coque; pedazos de electrodos, o arrabio.
La chatarra debe contener azufre y fosforo en 0.01%
La chatarra no debe ser herrumbrosa porque destruye la solera.
Derretimiento: El derretimiento en el horno dura entre 50-70min y es en este periodo que se
verifica la oxidación del silicio, manganeso, hierro y carbono los óxidos formados forman
parte de la formación de la escoria.
Periodo de oxidación: la finalidad de este periodo consiste en desgasificar el metal como
resultado de su efervescencia y en calentarlo.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Durante este periodo se oxida 0.1-0.2% de carbono .su oxidación se efectúa principalmente a
costa del óxido ferroso contenido en la escoria.
Fabricación del acero en los hornos de inducción:
En un horno de inducción sin núcleo el metal se funde en el crisol dentro del inductor que no
es más que una espiral con varias espiras fabricadas de un material conductor de corriente.
Por el inductor se hace pasar corriente alterna, en el flujo magnético alterno producido
dentro del inductor induce en el metal corrientes de Foucault que lo calientan y lo difunden.
Fig. Estructura de un horna de inducción
Técnicas de fusión en los hornos de inducción:
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
La fusión se lleva a cabo por regla general, sin oxidar las impurezas y sin plantear el problema
de la eliminación del azufre y fosforo ya que debido a las escorias “frías” la defosforaciòn y
desulfuración están dificultadas.
Fusión en el horno de revestimiento básico:
La fusión en un horno de inducción dura poco tiempo, por eso no se ofrece las posibilidades
de comprobar la composición del metal a base de sus análisis es por este motivo que la
obtención del acero de composición es prefijada por el cálculo de la carga.
Principalmente es necesario que el contenido de carbono, azufre y fosforo no rebase los
límites admisibles en el acero acabado.
Fusión en el horno de revestimiento acido:
El contenido de azufre, fosforo y carbono en la carga no debe rebasar los límites admisibles el
ferrocromo, ferrotunsgteno y ferromolibdeno son echados junto con los materiales de carga
el proceso es igual al básico. Al fundir los materiales se produce la escoria introduciéndose
tales aditivos como pedazos de vidrio, chamota y cal.
Fusión en los vacuhornos de inducción:
Este tipo de hornos nos permite obtener el acero y las aleaciones que contienen muy
contienen muy pocas cantidades de gases, inclusiones no metálicas o impurezas de metales
no ferrosos, alear una aleación por cualesquiera de los elementos incluyendo los que tienen
alta afinidad con el oxígeno, sin que ellos se pierdan por oxidación.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Fig. Esquema de un vacuhorno
Proceso de fusión en los vacuhornos de fusión:
Se emplean los materiales limpiados de aceite y cascarilla, su composición se debe conocer
exactamente.
Una vez cargados los materiales se conecta la corriente del horno si este es discontinuo se
evacua el aire.
Estos materiales se funden ininterrumpidamente evacuando los gases con ayuda de bombas.
Después de fundido comienza el periodo de espera que dura entre 20-40min aquí ocurre la
desoxidación y la aleación del metal.
Desventajas:
Durante el largo periodo de espera el metal se ensucia con oxígeno y las inclusiones no
metálicas así también con elementos tales como (silicio aluminio y otros) que se reducen del
revestimiento.
Procedimientos continuos de fusión del acero:
Actualmente todos los procedimientos de fabricación del acero son discontinuos o cíclicos y
todos los aparatos de fusión para acero son aparatos discontinuos.
Según la experiencia adquirida por las fabricas el cambio de proceso de discontinuo al
continuo permite aumentar el rendimiento de los equipos, reducir gastos de explotación
elevar la calidad y homogeneidad (estandarización) de los productos, disminuir desechos
tecnológicos, utilizar mejor equipos adicionales
Esta técnica de colada continua aplicada exitosamente hace posible obtener de forma
continua muchas decenas de coladas, vaciar miles de toneladas de acero. Implantación de la
producción de máquinas horizontales e inclinadas así como la curvatura de la pieza bruta
permiten resolver el problema de la creación de una línea continua: máquina de colada
continúa de lingotes de acero (MCCL), tren de laminación
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
El proceso continuo de fusión para acero tiene 2 grandes dificultades y son las siguientes
a) Dificultades de orden tecnológico consistentes en la necesidad de eliminar
simultáneamente a partir de arrabio elementos muy heterogéneos en cuanto a sus
propiedades termoquímicas.
b) Dificultades de orden constructivo consistentes en crear un aparato que permita
cumplir las operaciones tecnológicas necesarias en la sucesión requerida.
Fig.: Horno Siemens Martin y hornos eléctricos.
FUENTE: Materiales de Ingeniería, E.Donosco.pdf
Etapas del Siemens Martin:
Fe + ½ O2→ FeO + calor
(i) 2FeO + Si → 2Fe + SiO2 + calor
FeO + Mn → Fe + MnO + calor
(ii) FeO + C → CO + Fe – calor
CO + ½ O2→ CO2
5FeO + 2P → P2O5 + 5 Fe + calor
(iii) P2O5 + 4 CaO→ (CaO)4P2O5 DEFOSFORACIÓN
FeS + CaO→ FeO + CaS DESULFURACIÓN
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Se obtiene Acero libre de Si, Mn, P y S
d. ESCORIAS DE FUSION DEL ACERO:
La fabricación del acero del acero va acompañada de ordinario con os procesos de oxidación
del hierro y de sus impurezas, así como por los procesos de corrosión de revestimiento de los
aparatos de fusión de acero. En el material que se carga en los aparatos de fusión de acero hay
siempre una cantidad menor o mayor de impurezas. Además, al efectuar la fusión se agregan
al baño diferentes fundentes y materiales aditivos. Como resultado se forma una fase no
metálica llamada escoria.
Fuentes de formación de la escoria:
Las fuentes principales de formación de formación de la escoria son las siguientes:
Productos de oxidación de impurezas del arrabio y de la chatarra, o sea, productos de
oxidación del silicio, manganeso, fosforo, azufre, cromo y otros elementos (SiO2, MnO. P2O6,
FeS, MnS, Cr2O3 y otros).
Productos de destrucción del revestimiento del equipo, al corroerse el revestimiento
básico (dolomía, magnesita) pasan a la escoria CaO, MnO y al corroerse el revestimiento acido,
pasa a la escoria SiO2.
impurezas de la carga (arcilla, arena, escoria del mezclador, etc.)
herrumbre que cubre la chatarra que se carga en los aparatos de fusión de acero, o sea,
óxidos de fierro.
Materiales aditivos y oxidantes (caliza, cal, bauxita, espato flúor, menas de fierro y de
manganeso, o sea, CaO, Al2O3, SiO2, FeO, Fe2O3, MnO, CaF2 y otros)
En cada caso concreto el grado de influencia de las impurezas citadas sobre la composición de
las escorias es diferente.
La escoria desempeña un papel muy importante en la producción del acero, por ejemplo, la
eliminación de tales impurezas nocivas como azufre y fosforo a partir de metal consiste en
hacer pasar a la escoria estos elementos, crear condiciones que eviten su paso inverso desde
la escoria al metal.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
e. REACCIONES PRINCIPALES DE LOS PROCESOS DE OXIDACION:
Puesto que el acero se obtiene generalmente del arrabio y de la chatarra como resultado de la
oxidación y eliminación de las impurezas contenidas, en la fabricación del acero revisten
importancia especial las reacciones de oxidación. El oxígeno necesario para el desarrollo de
estas reacciones se suministra bien sea de la atmosfera, bien sea de la mena de hierro, bien
sea de ortos oxidantes o bien insuflando en el baño el oxígeno gaseoso.
Cuando se pone en contacto con el metal y la escoria una atmosfera oxidante que contiene el
oxígeno en forma de O2, CO2, o H2O, se forman los óxidos superiores de hierro que
enriquecen la escoria en oxigeno (por ejemplo CO2 + 2 FeO = Fe2O3 + CO). El proceso
interior de transporte del oxígeno de la escoria al metal transcurre por las reacciones:
Fe2O3+Fe liq→3 FeO
FeO→ [O ]+Fe liq
Para examinar las reacciones principales en la fusión del acero, es necesario considerar a la
solución de acero fundido como homogénea sin hacer caso de la estructura del metal de
composición dada en estado sólido. Se tiene que tener presente que esta suposición no es del
todo cierto.
La temperatura de fusión del acero oscila generalmente en función de su composición, entre
1400 y 1530 °C y antes de la sangría suele ser de hecho igual a 1550-1650 °C.
Oxidación del carbono:
El carbono disuelto en el metal se oxida hasta CO, a una temperatura apropiada, no obstante,
para bajas concentraciones de carbono, además de la reacción:
C+O→CO
Hay que tener en cuenta:
C+2O→CO2
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
La velocidad de reacción de descarburación se determina por la intensidad de suministro de
oxidante y las condiciones de formación y desprendimiento del producto de reacción.
El carbono disuelto en el metal puede oxidarse por e oxigeno:
Que se contiene en la fase gaseosa:
C+1/2O2→CO
Cuando transcurre esta reacción, se desprende una cantidad considerable de calor.
Que se contiene en los óxidos de hierro de la escoria; esta reacción va acompañado de
absorción de un cantidad considerable de calor:
C+FeO→Fe liq+CO
Que esta disuelto en el metal:
C+O→CO
Al desarrollarse esa reacción, se desprende una cantidad muy pequeña de calor.
La fase gaseosa que se forma en la oxidación del carbono, agita el baño, nivela la composición
del metal y su temperatura, ejerce gran influencia en los procesos de eliminación de gases e
inclusiones no metalizas.
Oxidación y reducción de manganeso:
Por sus propiedades el manganeso es muy próximo al hierro y se disuelve en este último en
todas las proporciones. El manganeso es de fácil oxidación sobre todo a temperaturas
pequeñas; en ese caso se forman MnO2, Mn2O3 y Mn3O4, MnO. A altas temperaturas es
estable el MnO.
Mn+1 /2O2→MnO
El manganeso reducido de la mena permite disminuir el contenido del azufre en el arrabio.
Que se contiene en la fase gaseosa:
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Mn+1 /2O2→MnO
Que se contiene en los óxidos de hierro de la escoria:
Mn+2FeO→MnO+Fe liq
Que esta disuelto en el metal:
Mn+O→MnO
Al desarrollarse estas reacciones, se desprende una cantidad de calor.
Se ha de tener en cuenta que el MnO que se forma entra en interacción con la sílice para
formar parte de la escoria:
2MnO+SiO2→ (MnO )2 . SiO2
Oxidación y reducción del silicio:
El silicio se alea con el hierro en todas proporciones y se disuelve en este último
desprendiendo calor. El silicio es un elemento fácilmente oxidable. Disuelto en el metal, puede
oxidarse por el oxígeno:
Que se contiene en la fase gaseosa:
Si+O2→SiO2
Que se contiene en los óxidos de hierro de la escoria:
Si+2 FeO→SiO2+Feliq
Que esta disuelto en el metal:
Si+2O→SiO2
Al desarrollarse estas reacciones, se desprende una cantidad muy grandes de calor.
El silicio puede ser reducido a partir de una escoria acida por el hierro, el carbono o por el
manganeso.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Oxidación y reducción del fosforo:
El fosforo se disuelve en el hierro en cantidades considerables. Al disolverse el fosforo se
desprende cierta cantidad d calor. El fosforo tiene una acción perjudicial para el acero, por tal
motivo se busca su eliminación.
El fosforo disuelto en el metal puede ser oxidado por el oxígeno:
Que se contiene en la fase gaseosa:
4 /5 P+O2→2/5 (P2O5 )
Que se contiene en los óxidos de hierro de la escoria:
4 /5 P+2FeO→2 /5 (P2O5 )+2Fe liq
Que esta disuelto en el metal:
4 /5 P+2O→2/5 (P2O5 )
Al desarrollarse estas reacciones, se desprende calor.
Eliminación del azufre (desulfuración del metal):
El contenido elevado del azufre origina a menudo las así llamadas “grietas calientes”, sobre
todo al efectuar la colada continua del acero. El azufre posee solubilidad ilimitada en el hierro
líquido y la limitada en el hierro sólido. La producción del sulfuro de hierro y en presencia de
oxigeno se forman oxisulfuros, que hace que el acero pierda sus propiedades o sea tiene lugar
a la destrucción del metal.
Cierta cantidad de azufre contenida en el arrabio, al sangrarlo del alto horno se elimina a
partir de ese metal como resultado del desarrollo de la reacción:
FeS+Mn→MnS+Fe
En un aparato de fusión de acero el azufre es eliminado las más de las veces a partir del metal,
pasando a la escoria, como resultado de la formación de CaO:
FeS+CaO→CaS+FeO
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Donde los productos sulfurados son insolubles en el metal.
Principales reacciones químicas en el afino
FUENTE:http://www.ipac.es/acero/fabricacion.asp
f. GASES PRESENTES EN EL ACERO:
Un acero cualquiera que sea contiene gases, en ciertas cantidades, los elementos que en las
condiciones corrientes son gases (oxigeno, hidrogeno, nitrógeno). Los gases se hallan en los
metales en forma de burbujas y soluciones liquidas o sólidas. Estos gases ejercen influencia
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
esencial en las propiedades del metal y por eso siempre se concede gran importancia a los
problemas de eliminación de los gases a partir del metal.
Oxigeno: Se eliminan por agentes desoxidantes (Mn, Si, Al, etc.)
Hidrogeno: Corrección de su cantidad por tratamiento del metal por el vacío.
Nitrógeno: utilización de cargas puros en cuanto a él.
Inclusiones no metálicas:
Se llama así a los compuestos, presentes en el acero, de los metales (hierro, silicio, magnesio,
aluminio, cerio y otros) con los no metales (azufre, oxigeno, nitrógeno, fosforo, carbono).
Estos ejercen una influencia esencial en las propiedades del acero, las inclusiones no metálicas
empeoran las propiedades mecánicas (resistencia, plasticidad) sino también otras
propiedades del acero (permeabilidad magnética, conductibilidad eléctrica y otras), se busca
las maneras de eliminar estas inclusiones.
II.3. TRATAMIENTOS TERMICOS:
Es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para
las cuales está creado. Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de
un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. Con el tratamiento térmico
adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la
tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil.
La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en el
material, tanto en los aceros como en las aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso
de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecidos.
Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento
térmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el de hierro–
carbono.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
En este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de
fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos.
El hierro puro presenta tres estados alotrópicos a medida que se incrementa la temperatura
desde la ambiente:
Hasta los 911 °C, el hierro ordinario, cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo
(BCC) y recibe la denominación de hierro o ferrita. Es un material dúctil y maleableα
responsable de la buena forjabilidad de las aleaciones con bajo contenido en carbono y es
ferromagnético hasta los 770 °C (temperatura de Curie a la que pierde dicha cualidad). La
ferrita puede disolver muy pequeñas cantidades de carbono.
Entre 911 y 1400 °C cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras (FCC) y recibe la
denominación de hierro o austenita. Dada su mayor compacidad la austenita se deforma conγ
mayor facilidad y es paramagnética.
Entre 1400 y 1538 °C cristaliza de nuevo en el sistema cúbico centrado en el cuerpo y recibe
la denominación de hierro que es en esencia el mismo hierro alfa pero con parámetro de redδ
mayor por efecto de la temperatura.
A mayor temperatura el hierro se encuentra en estado líquido. Si se añade carbono al hierro,
sus átomos podrían situarse simplemente en los intersticios de la red cristalina de éste
último; sin embargo en los aceros aparece combinado formando carburo de hierro (Fe3C), es
decir, un compuesto químico definido y que recibe la denominación de cementita de modo
que los aceros al carbono están constituidos realmente por ferrita y cementita.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Diagrama Hierro-Carbono
FUENTE: http://www.slideshare.net/albertojeca/tratamientos-termicos-del-acero
Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la industria en general, ya que
con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencias tanto al
desgaste como a la tensión. Los principales tratamientos térmicos son:
II.3.1. TRATAMIENTOS TERMOFISICOS:
Temple:
El temple es un tratamiento térmico que, mediante el calentamiento y enfriamiento a una
velocidad controlada, varia las características mecánicas físicas y químicas (mejorar su
comportamiento en los procesos de recocido y frente a la acción de ciertos ácidos) del acero.
Finalidad
Aumentar la resistencia a tracción, dureza.
Disminuir: plasticidad, tenacidad.
Modificar: Propiedades físicas: aumento del magnetismo y la resistencia eléctrica.
Propiedades químicas: aumento de la resistencia a la corrosión.
Procedimiento para el templado del acero
El tratamiento térmico del templado consta de tres pasos:
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
1) Se calienta el acero a una temperatura elevada:
En el caso de los aceros hipoeutectoides: unos 30 – 50 °C superior a A3. Recuerda que A3 es la
temperatura obtenida del diagrama Hierro Carbono para la transformación alotrópica de
Austenita en ferrita para un acero de esa composición.
En el caso de los aceros eutectoides e hipereutectoides: 30 – 50ºC por encima de A1, siendo
A1 la temperatura de eutectoide obtenida del diagrama Hierro Carbono.
2) Se mantiene la temperatura anterior el tiempo necesario para que ésta se homogenice en
todo el volumen de la pieza a templar (este tiempo se estima experimentalmente para cada
pieza, aunque se puede calcular aproximadamente)°
3) Se enfría el sistema en un medio adecuado a una velocidad superior a la crítica de temple
con objeto de obtener una estructura martensítica, y así mejorar la dureza y resistencia del
acero tratado.
Medios de enfriamiento en el temple.
El fluido ideal de temple será aquel que produzca una velocidad de enfriamiento superior a la
crítica hasta temperaturas inferiores a las de transformación de la perlita y Bainita, y más baja
en el intervalo de la transformación martensítica. De esta forma se evitará la transformación
de la Austenita en los constituyentes más blandos y se conseguirá que se transforme con
uniformidad en martensita, sin peligro a que se formen grietas y deformaciones. Algunos
medios utilizados son:
En agua: el agua es el método más utilizado para el enfriamiento de acero en el temple. El
agua a temperatura inferior a 30ºC, tiene una severidad de temple baja si se deja la pieza en
reposo pero si se agita o se le añaden sales esta severidad aumenta, llegando a conseguirse,
uniendo ambos métodos, la máxima severidad.
En aceites minerales: se puede emplear para aceros ordinarios altos en carbono y de sección
pequeña. También se emplea para aceros aleados, cuya velocidad crítica de temple sea baja y
su sección puede ser grande, en este caso se reduce el peligro de grietas y deformaciones. Los
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
aceiten deberán tener una volatilidad no muy elevada, temperatura de inflamación y de
combustión lo más alta posible, gran resistencia a la oxidación y una viscosidad a temperatura
ambiente entre 14,4 y 15,7 poise. Los mejores aceites para este uso son los derivados del
petróleo.
En metales y sales fundidas: los metales fundidos como el mercurio o el plomo y ciertas
sales se usan como refrigerantes por su comportamiento respecto a la severidad del temple
que es similar a la del aceite pero por agitación se logra aumentar considerablemente.
En aire en calma a presión: se usa en aceros con bajas velocidades de temple. Se enfrían las
piezas por radiación, convención y conductividad por lo que desempeña un papel importante
el estado de la superficie de la pieza favoreciendo que la superficie sea negra y dificultando
que sea brillante.
TEMPERATURAS DE CALENTAMIENTO EN LOS PROCESOS DE TEMPLE
Tal y como se ve en el gráfico, para realizar el proceso de temple los aceros
hipoeutectoides se austenizan completamente, mientras que con los aceros
hipereutectoides no es necesario.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
En los aceros hipoeutectoides, si se calentara entre las temperaturas A1 y A3, parte del acero
quedaría como ferrita sin transformarse en Austenita, con lo que, al enfriarse, no podría
transformase en martensita provocando una muy significativa disminución de resistencia y
dureza. A este defecto se le denomina temple incompleto.
Por este motivo es imprescindible que en estos aceros se alcance una temperatura
ligeramente superior (entre 30 y 50ºC) a A3.
En el caso de los aceros hipereutectoides hay varias razones para no calentar por encima de
Am:
El microconstituyente asociado a la Austenita en esa zona del diagrama es Cementita, que
resulta ser muy duro, generando una mejora en el comportamiento del acero frente al
desgaste.
Aumenta mucho el tamaño del grano austenítico.
Se descarbura apreciablemente la superficie del acero.
TIPOS DE TEMPLE
Temple continuo de austenización completa
Es aplicado a los aceros hipoeutectoides. Se calienta el material a 50ºC por encima de la
temperatura crítica superior A3, enfriándose en el medio adecuado para obtener martensita.
Temple continuo de austenización incompleta
Es aplicado a los aceros hipereutectoides. Se calienta el material hasta AC1 + 50ºC,
transformándose la perlita en Austenita y dejando la Cementita intacta. Se enfría a
temperatura superior a la crítica, con lo que la estructura resultante es de Martensita y
Cementita.
Temple superficial
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Se recurre a un proceso de temple superficial cuando se desea que una pieza presente elevada
dureza superficial y buena resistencia exterior al desgaste, pero que su alma siga
manteniéndose con reducidas tensiones. Con el temple superficial se consigue que solamente
la zona más exterior se transforme en Martensita, y para ello el tiempo durante el que se
mantiene el calentamiento debe ser el adecuado para que solamente un reducido espesor de
acero se transforme en Austenita.
Temple Escalonado (Martempering)
Consistente en calentar el acero a temperatura de austenización y mantenerlo el tiempo
necesario para que se transforme completamente en Austenita. Posteriormente se enfría en
un baño de sales bruscamente hasta una temperatura próxima, pero superior, a Ms, con el fin
de homogeneizar la temperatura en toda la masa y se acaba reduciendo la temperatura para
que toda la pieza se transforme en Martensita.
Temple isotérmico (Austempering)
Consistente en calentar el acero a temperatura de austenización y mantenerlo el tiempo
necesario para obtener Austenita. Posteriormente se enfría bruscamente en un baño de sales
hasta una temperatura determinada, para igualar la temperatura en toda la masa y luego se
vuelve a disminuir la temperatura para que toda la pieza se transforme en Bainita.
REPRESENTACIÓN DE LOS DISTINTOS TEMPLES
La siguiente imagen muestra la evolución de la temperatura en cinco procesos diferentes de
temple:
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
La primera gráfica corresponde a un temple de austenización completa puesto que la
temperatura de caldeo sobrepasa ligeramente el punto A3, garantizando así que el
microconstituyente de partida sea exclusivamente Austenita. La temperatura se mantiene el
tiempo necesario para conseguir que toda la pieza haya alcanzado ese punto y posteriormente
se enfría a una velocidad superior a la crítica, sin que interseccione con las curvas TTT. Por
todo ello el constituyente final del acero así tratado será exclusivamente Martensita. Este
proceso se utiliza generalmente con aceros hipoeutectoides.
La segunda gráfica corresponde a un temple de austenización incompleta. El tratamiento es
igual al anterior excepto en que la temperatura de caldeo es ligeramente superior a A1, con lo
que los constituyentes de partida serán Austenita y Cementita, el tiempo de mantenimiento y
el enfriamiento tiene las mismas características. Los constituyentes finales serán Martensita y
Cementita.
La tercera gráfica corresponde a un temple + revenido. Generalmente se realiza este
tratamiento tras haber realizado un temple, para ablandar el material y favorecer su
mecanización posterior y para tratar de reducir las tensiones internas y la acritud.
La cuarta gráfica corresponde a un martempering.
La quinta gráfica representa un proceso de austempering.
Hornos en el templado del acero
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Los hornos para calentar piezas pequeñas que se desea templar, son cajas metálicas que en su
interior van recubiertas de material refractario para evitar pérdidas de calor, estas cajas
llevan incorporadas varias resistencias eléctricas que producen el calentamiento de las piezas
a la temperatura requerida y llevan incorporado un reloj programador para el control del
tiempo de calentamiento y un pirómetro que facilita el conocimiento de la temperatura. que
hay en el interior del horno.
Con elementos de gran tamaño, como tubos, los hornos están formados por cámaras; cada
cámara tiene el largo del tubo y en cada cámara hay de una serie de quemadores que se
encargan del calentamiento de cada cámara. Para poder monitorear la temperatura se usa el
termopar y para controlar el horno se usa el PLC o computadoras.
Después del temple se efectúa el revenido, cuyo fin es el aumento de la plasticidad
(disminución de la fragilidad) del acero con una disminución mínima de la resistencia o la
dureza adquiridas durante el temple.
INCONVENIENTES EN EL TEMPLADO DEL ACERO
Existen muchos problemas que pueden presentarse en el proceso del templado del acero, los
principales son:
PROBLEMA CAUSAS QUE SE PRESENTAN EN EL TEMPLE DE LOS ACEROS
Ruptura durante
el enfriamiento
Enfriamiento muy drástico
Retraso en el enfriamiento
Aceite contaminado
Mala selección del Acero
Diseño inadecuado
Oxidaciones y
descarburacione
s
se deben al calentamiento en atmósferas inadecuadas
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Baja dureza
después del
temple
Temperatura de temple muy baja
Tiempo muy corto de mantenimiento
Temperatura muy alta o tiempos muy largos
Decarburación del Acero
Baja velocidad de enfriamiento
Mala selección del acero (Templabilidad)
Deformación
durante el
temple
Calentamiento disparejo
Enfriamiento en posición inadecuada
Diferencias de tamaño entre sección y continuas
Fragilidad
excesiva
Calentamiento a temperatura muy alta
Calentamiento irregular
Revenido:
Sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del
temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad.
El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las
tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o
resistencia deseada. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y
velocidad de enfriamiento.
Recocido:
Consiste básicamente en un calentamiento hasta temperatura de austenitización (800-925 °C)
seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad,
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
mientras que disminuye la dureza. También facilita el mecanizado de las piezas al
homogeneizar la estructura, afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que
produce el trabajo en frío y las tensiones internas.
Normalmente su objetivo es ablandamiento, pero ciertos tipos son aplicables para alivios de
tensiones:
El recocido como tal sirve para el ablandamiento de los aceros que por algún motivo están
endurecidos y se requiere dejarlos en baja dureza para por ej. Una operación de mecanizado.
Posterior se puede volver a hacer un tratamiento de endurecimiento, pero una Planta como
DETESA no podrá dar garantía ya que los materiales que son continuamente calentados
tienden a sufrir fatiga térmica y puede haber problemas de fisuras o deformaciones.
El recocido de alivio de tensiones se usa como su nombre indica, para aliviarlas tensiones
producidas por:
Mecanizado: cuando se desbasta más del 30% del material en bruto.
Por operación de soldadura: Cuando se suelda un acero especial, se debe
homogenizar la estructura afectada por el calor, para evitar fragilidad y baja resistencia
mecánica ante una carga elevada.
Normalizado:
Tiene por objeto dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas
y con una distribución uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al
temple y al revenido.
II.3.2. TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS:
Los tratamientos termoquímicos son tratamientos térmicos en los que, además de los cambios
en la estructura del acero, también se producen cambios en la composición química de la capa
superficial, añadiendo diferentes productos químicos hasta una profundidad determinada.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en
atmósferas especiales.
Entre los objetivos más comunes de estos tratamientos está aumentar la dureza superficial de
las piezas dejando el núcleo más blando y tenaz, disminuir el rozamiento aumentando el
poder lubrificante, aumentar la resistencia al desgaste, aumentar la resistencia a fatiga o
aumentar la resistencia a la corrosión.
Cementación (C):
Fig.Tratamiento térmico del acero: Cementación.
FUENTE: Aceros Especiales-web.pdf.
La cementación es un tratamiento termoquímico que se aplica en piezas de acero. El proceso
aporta carbono a la superficie mediante difusión, que se impregna modificando su
composición.
Utilidad
La cementación tiene por objeto endurecer la superficie de una pieza sin modificar su núcleo,
originando una pieza formada por dos materiales: la del núcleo de acero (con bajo índice de
carbono) tenaz y resistente a la fatiga, y la parte de la superficie (de acero con mayor
concentración de carbono) 0,2% de carbono. Consiste en recubrir las partes a cementar de
una materia rica en carbono, llamada cementante, y someter la pieza durante varias horas a
altas temperaturas (típicamente, 900 °C). En estas condiciones, el carbono penetra en la
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
superficie que recubre a razón de 0,1 a 0,2 mm por hora de tratamiento. A la pieza cementada
se le da el tratamiento térmico correspondiente, temple y revenido, y cada una de las dos
zonas de la pieza, adquirirá las cualidades que corresponden a su porcentaje de carbono.
La cementación se aplica en todas aquellas piezas que deben poseer gran resistencia al
choque y tenacidad junto con una gran resistencia al desgaste, como es el caso de los piñones,
levas, ejes, etc.
Aceros de cementación
Son apropiados para cementación los aceros de bajo contenido de carbono. El cromo acelera
la velocidad de penetración del carbono. Los aceros al cromo níquel tienen buenas cualidades
mecánicas y responden muy bien a este proceso. Una concentración de níquel por encima del
5% retarda el proceso de cementación.
Según sean los requisitos de dureza y resistencia mecánica existen varios tipos de aceros
adecuados para recibir el tratamiento de cementación y posterior tratamiento térmico.
Tipos de aceros para cementación
Aceros para cementación al carbono: Cementación a 900 °C - 950 °C, primer temple
a 880 °C - 910 °C en agua o aceite, segundo temple a 740 °C - 770 °C en agua. Revenido a 200
°C como máximo.
Aplicaciones: Piezas poco cargadas y de espesor reducido, de poca responsabilidad y escasa
tenacidad en el núcleo.
Aceros para cementación al Cr-Ni de 125 kgf/mm2: Tiene en su composición un 1%
de Cr y un 4,15% de Ni. Cementación a 850 °C - 900 °C, primer temple a 900 °C - 830 °C en
aceite, segundo temple a 740 °C - 780 °C en aceite. Revenido a 200 °C como máximo.
Aplicaciones: Piezas de gran resistencia en el núcleo y buena tenacidad. Elementos de
máquinas y motores. Engranajes, levas, etc.
Aceros para cementación al Cr-Mo de 95 kgf/mm2: Tiene en su composición un
1,15% de Cr y un 0,20% de Mo. Cementación a 890 °C - 940 °C, primer temple a 870 °C - 900
°C en aceite, segundo temple a 790 °C - 820 °C en aceite. Revenido a 200 °C como máximo.
Aplicaciones: Piezas para automóviles y maquinaria de gran dureza superficial y núcleo
resistente. Piezas que sufran gran desgaste y transmitan esfuerzos elevados. Engranajes,
levas, etc.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Aceros para cementación al Cr-Ni-Mo de 135 kgf/mm2: Tiene en su composición
un 0,65% de Cr, un 4% de Ni y un 0,25% de Mo. Cementación a 880 °C - 930 °C, primer temple
a 830 °C - 860 °C con aire o aceite, segundo temple a 740 °C - 770 °C con aceite. Revenido a
200 °C como máximo.
Aplicaciones: Piezas de grandes dimensiones de alta resistencia y dureza superficial.
Máquinas y motores de máxima responsabilidad, ruedas dentadas, etc.
1. Materiales que se utilizan para la cementación: Selección de los aceros de cementación
Entre los diversos factores que deben tenerse en cuenta para la elección de uno u otro tipo de
acero de cementación, lo más importantes a considerar son tres:
1. La forma o tamaño de las piezas que se van a fabricar.
2. La resistencia que deben tener las piezas en el núcleo central.
3. El precio que se puede llegar a pagar por el acero.
Por el tamaño de grano o aptitud de crecimiento del grano durante el calentamiento que se
realiza en la cementación, se puede clasificar en:
• Aceros de grano grueso
• Aceros de grano medio
• Aceros de grano fino
Aceros de Cementación
Aceros al Carbono Contienen cantidades apreciables carbono, silicio y manganeso. Durante la
cementación, los aceros al carbono les crece el grano más que a los aceros aleados.
Para piezas pequeñas suele emplearse aceros con menos de 0,12% de C.
Para piezas grandes, se emplean aceros de 0,20% de carbono aproximadamente. Con
frecuencia se fabrican estos aceros con porcentajes de manganeso más elevados (0,60 a
0,90%).
Aceros Débilmente Aleados La suma de porcentajes de elementos aleados, cromo, níquel,
molibdeno y manganeso es inferior a 3%. De estos aceros los de más elevada aleación se
suelen templar en aceite y los de menos aleación en agua. Con estos aceros, combinando los
elementos de aleación con un adecuado porcentaje de carbono, se llega a alcanzar en el núcleo
resistencias variables desde 70 a 130 Kg/mm2.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Composiciones típicas de aceros aleados para cementación de bajo contenido de aleación
Aceros de Alta Aleación: Para piezas de aviones y motores de aviación y piezas de alta
resistencia y gran tamaño son muy empleados los aceros cromo-níquel- molibdeno.
Aceros de Cementación A este grupo pertenecen los clásicos aceros al níquel, de C=0,10 a
0,20% y Ni=3%, y también los de Ni=5%. En estos aceros conviene en general conservar el
contenido en carbono relativamente bajo para que no se endurezca demasiado el corazón y
llegue a disminuir sensiblemente la tenacidad.
Nitruración (N):
Es un proceso mediante el cual se difunde nitrógeno en el interior de un material metálico,
principalmente en aleaciones de hierro y níquel, con el objetivo de que este reaccione con
algunos elementos presentes en la composición del metal, lo que genera una capa superficial
con propiedades mecánicas y químicas mejoradas.
La presencia de estos nitruros acrecienta en el material metálico su dureza superficial, lo que
mejora considerablemente su resistencia al desgaste, sin dejar de lado su mejora en la
resistencia a la fatiga y a la corrosión.
Una ampliación de este proceso es la introducción –posterior a la nitruración del material– en
otro baño de oxidación, con el objetivo de oxidar superficialmente la capa ya formada y
mejorar, aun más, su resistencia a la corrosión. Un proceso patentado es el QPQ (del ingles
quench-pulish-quench), en el cual, luego del tratamiento de oxidación, el material se somete a
una etapa intermedia de pulido.
La nitruración es un tratamiento termoquímico aplicado a las aleaciones ferrosas para
incrementarle su resistencia al desgaste, resistencia a la fatiga y resistencia a la corrosión;
esto último, sobre todo cuando se combina con un tratamiento de post oxidación.
La nitración se realiza, al difundir nitrógeno dentro del material, que al combinarse con el
hierro y otros elementos presentes en el material, forma una capa superficial constituida de
nitruros, los cuales le aportan al material una gran dureza. El nitrógeno puede provenir de
diferentes fuentes, como puede ser la descomposición del amoniaco (Nitruración gaseosa), la
nitruración iónica o de un baño de sales fundidas (nitruración en baño de sales).
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Aceros para nitruración
Normalmente se emplean aceros entre 0,2 y 0,60 % C, aleados con Al, Cr, Mo y V. El contenido
de C no influye en la dureza y levemente en la profundidad de capa, disminuyendo ésta con el
% de C.
El Al es el elemento más importante para lograr las máximas durezas, pero debe ir siempre
acompañado de otros aleantes para evitar capas nitruradas muy frágiles.
El Mo aumenta la dureza de la capa, mejora la tenacidad del núcleo y evita la fragilidad de los
aceros sin Mo, cuando permanecen mucho tiempo a temperaturas próximas a 500° C.
El Cr y el V aumentan la profundidad de capa dura.
En los aceros al carbono, a igualdad de tiempo, se obtiene una mayor profundidad de capa, ya
que los aleantes forman nitruros y disminuyen la difusión hacia el interior, pero los valores de
dureza son sensiblemente inferiores.
MÉTODOS DE NITRURACIÓN
ION-NITRURACIÓN O NITRURADO IÓNICO
A partir de la década del 70, se ha incorporado el uso de plasma para asistir los tratamientos
de nitruración.
Esta técnica, denominada nitruración iónica asistida por plasma, permite reducir el tiempo de
proceso como así también el consumo de gases y energía. Estos factores, sumados a que este
proceso es no contaminante y que permite controlar en forma independiente y precisa la
densidad de corriente, composición química del plasma, tiempo, presión y temperatura, han
favorecido su crecimiento convirtiéndolo en un proceso de alto rendimiento y flexibilidad.
Actualmente, la nitruración iónica se utiliza para endurecer la superficie de componentes
mejorando la resistencia al desgaste e incrementando la vida a fatiga, no solo de materiales
ferrosos, fundiciones y aceros, sino también de titanio y aleaciones de aluminio [1].
Un equipo convencional consta de un reactor (ver Fig. 1) dentro del cual las piezas forman el
cátodo de un circuito eléctrico especial siendo el recinto que las rodea el ánodo que está a
potencial de tierra. Entre el ánodo y el cátodo se aplica una diferencia de potencial que puede
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
variar entre 0,3 y 1kV, generándose de esta forma un plasma observable a simple vista (de
aspecto luminiscente) que cubre las superficies a tratar. Sin embargo esta configuración
presenta algunos inconvenientes. Entre ellos es posible nombrar la falta de homogeneidad de
la temperatura en diferentes zonas del reactor, la aparición de arcos y efectos de borde y de
cátodo hueco. Con la finalidad de solucionar algunos de estos inconvenientes se han
incorporado fuentes de calentamiento auxiliar en la cámara de los reactores de forma de
minimizar las diferentes temperaturas. Por otra parte se han comenzado a utilizar fuentes de
DC pulsada (a diferencia de las antiguas de corriente continua) para disminuir la aparición de
arcos. Respecto al efecto de cátodo hueco, aún en la actualidad se encuentra en discusión si las
especies neutras serían las principales responsables de los mecanismos de nitruración; es por
ello que se evalúa la conveniencia de someter las piezas a un potencial de tierra, evitando de
esta forma variaciones en el campo eléctrico (principal responsable de dicho fenómeno). Los
efectos de geometría y cátodo hueco generan variaciones en el espesor de la capa nitrurada y
hasta la ausencia de la misma con los inconvenientes que ello representa en piezas con
orificios, geometrías complejas, engranajes, etc.
Figura 1. Representación esquemática de un equipo de nitruración iónica. 1- Cuerpo del reactor donde se ubican los
pasantes de potencia, medición, control y cierres de vacío, 2- Aislación térmica, 3- Fuente de calentamiento auxiliar, 4-
Equipo de bombeo, 5- Fuente de gases, 6- Visor, 7- Carga a tratar (cátodo), 8- Sensor y control de temperatura, 9- Fuente de
ionización [2].
Tecnología de post-descarga
Desde sus inicios el Grupo Ingeniería de Superficies trabaja en nitruración iónica estudiando
sus mecanismos a través de trabajos de investigación, tesis de grado y post-grado y se realiza
además asistencia técnica. Es por ello que conociendo las dificultades que presenta dicha
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
técnica se han estudiado tecnologías que eviten los inconvenientes antes nombrados, siendo
una de ellas la “nitruración iónica de post-descarga”. Como se observa en el esquema (ver Fig.
2), el principio de la nitruración por post-descarga consiste en la producción del plasma en un
recipiente separado y no directamente sobre la superficie a tratar. Posteriormente el plasma,
compuesto de las especies activas ionizadas y neutras, es conducido hacia la pieza por medio
de una bomba de vacío, favoreciendo que las muestras se encuentren en un flujo constante de
plasma y evitando los efectos de borde antes nombrados.
Figura 2. Esquema del principio de nitruración de post-descarga. (1) Entrada de flujo de gas, (2) producción
de plasma, (3) dirección del flujo de gas, (4) plasma sobre las piezas, (5) bomba de vacío [3].
Una aplicación práctica del método de post-descarga anteriormente descrito se ha llevado a
cabo a partir del empleo de una pantalla o malla metálica, que se encuentra rodeando las
muestras y que constituye el cátodo del sistema. El gas es introducido por medio de un
conducto en forma de espiral que se encuentra entre la pared del reactor y la malla metálica.
De esta manera, el plasma se forma en la malla y es conducido sobre las piezas por una bomba
extractora situada en la parte inferior del reactor. La aplicación del potencial catódico a la
malla metálica evita que las muestras a ser tratadas sufran los fenómenos de cátodo hueco y la
aparición de arcos.
En algunos casos las muestras pueden estar sometidas a un pequeño potencial de forma de
que el plasma cubra con mayor regularidad la geometría de las mismas. Así mismo en aquellos
materiales que requieran un sputtering previo, como en el caso de los aceros inoxidables,
puede aplicársele un potencial catódico que será retirado en el momento de la nitruración.
NITRURACIÓN EN BAÑO DE SALES
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
En el caso del la nitruración en baño de sales, se utilizan sales constituidas por cianatos
alcalinos y carbonatos alcalinos, que se trabajan a una temperatura de 580 °C. En la operación
convencional, las piezas se precalientan y luego son introducidas en baño de sales, donde se
mantienen durante un periodo de aproximadamente una hora y media; luego, se enfrían hasta
la temperatura ambiente.
Cabe mencionar que este proceso es una patente de la compañía alemana Hefdurferrit y se
denomina proceso Tufftride.
Una de las grandes posibilidades que presenta este proceso, y que lo hace competir de manera
ventajosa con otros como el recubrimiento con el cromo duro, son las buenas propiedades
que se logran a un menor costo, lo cual lo hace atractivo para muchos componentes de uso
industrial. También resulta benéfico con respecto a la nitruración gaseosa en el tiempo
requerido en ambos procesos, ya que el gaseoso ocupa mucho más tiempo para lograr la
misma capa. Adicionalmente, la nitruración en baño de sales resulta de más fácil control de los
aspectos operativos del proceso.
Figura 3. Esquema de difusión de nitrógeno en acero.
Con respecto a otros procesos superficiales, como el cementado, presenta ventajas, ya que las
temperaturas del proceso de nitruración son mas bajas que las del cementado, el cual se lleva
a cabo a temperaturas superiores a 900 °C, lo cual implica una menor posibilidad de
distorsión (curvado y torcido durante el temple); también se prescinde de la necesidad de
realizar el revenido del material. Por otro lado, tiene la desventaja que en aceros no aleados y
de bajo porcentaje de carbono, como es el caso de muchos de los aceros usados en
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
cementación, no se alcanzan la dureza ni los espesores de capa que si se obtienen en el
cementado.
Otros beneficios adicionales que se le pueden sumar al proceso de nitruración están
relacionados con el calentamiento, el cual puede aliviar tensiones en materiales provenientes
de procesos de mecanizado o conformado mecánico; la no afectación el tamaño de grano, ya
que la temperatura del proceso se da en el campo ferritico; la reducción o eliminación del
tiempo de mecanizado final, pues el proceso provoca poco cambio de volumen y la reducción
del desperdicio por el requerimiento de sobre espesor, dado el efecto de distorsión que
algunas veces se origina en procesos de mayor temperatura, como el temple o el cementado;
finalmente, el proceso incrementa la limpiabilidad y estabilidad dimensional.
Con respecto a las propiedades obtenidas después de la aplicación del proceso de nitruración,
se puede mencionar que dependiendo de la composición del acero, así va a ser la constitución
de la capa superficial, sobre todo si en el material hay presencia de elementos formadores de
nitruros, como el aluminio, el cromo, el molibdeno, el vanadio y el tungsteno.
Las capas nitruradas inician por medio de una serie de áreas de crecimiento nucleado y van
creciendo con el tiempo. Están constituidas por dos zonas principales denominadas capa
compuesta y capa de difusión. La presencia de la fase épsilon (Fe2-3N y FeC) en la constitución
de la capa compuesta (capa blanca) es la que proporciona, principalmente, una alta dureza y,
por lo tanto, mayor resistencia al desgaste, así como una mejora considerable al gripado; esta
capa no difunde al interior del acero y permanece en la región mas externa. La capa de
difusión se forma por la propagación del nitrógeno al interior de acero y esta conformada
principalmente por la fase gamma (Fe4N) y se observa como agujas.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Figura 4. Capa compuesta y de difusión obtenidas por nitruración.
El incremento de la resistencia a la fatiga se debe al efecto de la zona de difusión y es
dependiente del material base.
El porcentaje de carbono presente en el acero tiene su influencia en el crecimiento de las dos
capas; un mayor porcentaje de carbono favorece el crecimiento de la capa compuesta,
mientras que un bajo porcentaje de carbono beneficia la formación de la capa de difusión.
Con respecto a la dureza de la capa, se sabe que esta también va a depender de la composición
de los aceros utilizados y va a variar entre unos 500 HV para aceros no aleados y unos 1700
HV en aceros con mayores contenidos en elementos de aleación.
Una ampliación de este proceso fue la incorporación de una etapa de oxidación posterior a la
nitruración, con el objetivo de mejorar aun más la resistencia a la corrosión; esta se combina
con etapas de pulido para mejorar la rugosidad superficial. Lo anterior se denomina proceso
QPQ (Quench-Pulish-Quench) y la secuencia de realización se muestra en la figura 3.
El proceso QPQ se ha evaluado sobre todo con respecto a la resistencia a la corrosión, y se
compara con otros procesos aplicados para proteger los materiales de la corrosión, como el
cromado. Particularmente, se han encontrado análisis solo para aceros no aleados de mediano
carbono, en los cuales se muestra el incremento de la resistencia sobre material sin tratar y
tratado al exponerlo a ensayos controlados de niebla salina, donde se evalúa el porcentaje de
área atacada por corrosión, y mediante el ensayo de inmersión total, se determina la perdida
de peso, pero no para aceros de baja aleación.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Reacciones en el baño de nitrurar:
El baño se descompone lentamente por oxidación durante su funcionamiento:
2 NaCN + O2 → 2 NaCNO
Los cianatos de sodio o potasio formados pueden formar carbonato sódico por oxidación
posterior:
2 NaCNO + O2 → Na2CO3 + 2 N + CO
o por descomposición térmica:
4 NaCNO → 2 NaCN + Na2CO3 + CO + 2 N
De acuerdo con el equilibrio de Boudouard se forma dióxido de carbono a partir del
monóxido:
2 CO ↔ CO2 + C (con preferencia de izquierda a derecha)
y el CO2 formado reacciona a su vez con el cianuro para formar cianatos de sodio o de
potasio.
NaCN + CO2 → NaCNO + CO
Los temores de que, como resultado de las reacciones anteriores, se produjese una
descomposición rápida del baño, con pérdida de su poder nitrurante, no se han confirmado,
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
porque en el intervalo de trabajo, con contenidos de KCNO entre 25 % y 35 % son
suficientemente estables. Solamente es peligroso un fuerte sobrecalentamiento porque
produce una descomposición intensa. El nitrógeno en estado naciente se difunde muy
fácilmente a través de la superficie de la pieza y forma nitruros con el hierro o con los
elementos aleantes.
NITRURACIÓN GASEOSA.
Todos los tipos de aceros se pueden nitrurar con éxito a la presión atmosférica mediante
nitrógeno atómico procedente de la descomposición de combinaciones nitrogenadas, por
ejemplo, el amoníaco.
La nitruración por amoníaco se produce en 3 etapas:
1) Disociación térmica del amoníaco.
2) Absorción del N por el Fe paα ra formar primeramente solución sólida y después nitruro
de hierro (Fe4N).
3) Difusión del nitrógeno hacia el interior del acero. La reacción se
interpreta como
El N no absorbido inmediatamente pasa a molecular y ya no actúa como nitrurante.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Figura 5. a) Horno de retorta vertical de nitruración.
1, junta;
2, sello de aceite;
3, canasta de trabajo;
4, elementos de calentamiento
5, ventilador circulante;
6, termocupla;
7, montaje de enfriamiento.
Al final del ciclo, una válvula se abre y el ventilador (no se observa) incorporado al
enfriador externo, circula la atmósfera a través de la camisa de agua.
Cianuración (C+N):
Endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero. Se utilizan baños con cianuro,
carbonato y cianato sódico. Se aplican temperaturas entre 760 y 950 °C.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Carbonitruración (C+N):
Al igual que la cianuración, introduce carbono y nitrógeno en una capa superficial, pero con
hidrocarburos como metano, etano o propano; amoníaco (NH3) y monóxido de carbono (CO).
En el proceso se requieren temperaturas de 650 a 850 °C y es necesario realizar un temple y
un revenido posterior.
Sulfinización (S+N+C):
Aumenta la resistencia al desgaste por acción del azufre. El azufre se incorporó al metal por
calentamiento a baja temperatura (565 °C) en un baño de sales.
II.4. EMPRESAS SIDERURGICAS EN EL PERU:
Los principales productos de acero están regidos por normas internacionales de calidad. Con
respecto a los insumos utilizados para la fabricación, parte importante son importados y sus
precios son determinados en los mercados internacionales.
La industria nacional produce tradicionalmente barras y alambrón de construcción, alambrón
de trefilería, barras lisas y perfiles livianos. En los últimos años también se viene ampliando la
cartera de productos con aceros especiales destinados a la elaboración de piezas para
maquinaria.
La tecnología empleada por ACEROS AREQUIPA y SIDERPERÚ en su proceso productivo es
diferente. Por un lado, ACEROS AREQUIPA utiliza la tecnología de “horno eléctrico”, mientras
que SIDERPERÚ emplea, mayoritariamente, la del “alto horno”, aunque también posee la
tecnología del “horno eléctrico”.
ACEROS AREQUIPA se dedica principalmente a la fabricación de productos “largos” (barras
corrugadas y alambrón para la construcción, entre otros), mientras que SIDERPERÚ fabrica
tanto productos “largos” como “planos” (planchas de acero, bobinas LAC, bobinas LAF, entre
otros).
Los productos “planos” y “largos” representan aproximadamente el 30% y 70%,
respectivamente, del consumo aparente en el mercado nacional (estimado en unos 2.5
millones de TM para el 2011), el cual es abastecido por las dos empresas siderúrgicas locales y
por importadores.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
II.4.1. ACEROS AREQUIPA:
La Compañía cuenta con dos sedes, una en Pisco y otra en Arequipa. La sede de Pisco posee
tres plantas: de hierro esponja, de palanquilla y de laminación. Por su parte, la sede de
Arequipa cuenta únicamente con una planta de laminación.
El acero nace de la fusión de diferentes cargas metálicas, con contenido de hierro,
ferroaleaciones y carbono, las cuales determinan su estructura molecular, pero este proceso
no es tan simple como parece. Para conocerlo, explicaremos el proceso de producción de
Corporación Aceros Arequipa, empresa peruana líder en la fabricación y comercialización de
productos de acero en el Perú.
El Proceso De Producción:
El proceso de producción del acero se inicia con el Proceso de Reducción Directa y el Proceso
de Fragmentación de Metálicos, realizados en nuestra Planta de Pisco
Mediante el Proceso de Reducción Directa se extrae el oxígeno del mineral de hierro,
obteniéndose como resultado el hierro esponja, insumo de la más alta calidad para la
fabricación de nuestro acero.
http://www.acerosarequipa.com/index.php?id=423
Asimismo, mediante el Proceso de Fragmentación de Metálicos, se procesa el acero en desuso
reciclado, obteniéndose el acero reciclado fragmentado, otro de los insumos para la
fabricación del acero.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Ambos insumos, el hierro esponja y el acero reciclado fragmentado, pasan luego a través del
Proceso de Acería, donde se realiza la fusión de éstos a grandes temperaturas en nuestro
horno eléctrico. Luego de 40 minutos de combustión se obtiene el acero líquido, el cual pasa
luego por una etapa de "afino", en el horno cuchara, que permite que el acero alcance un
mayor grado de precisión, homogeneidad y mayor calidad al momento de ajustar su
composición química.
Posteriormente, mediante la buza u orificio ubicado en la base de la cuchara, el acero pasa a la
colada continua, formada por 4 líneas de colada o moldes oscilatorios, en los que se le brinda
al acero refrigeración para solidificarlo superficialmente. Estas barras solidificadas son
cortadas obteniéndose así las palanquillas, el producto final de la acería y la materia prima
para la laminación.
Las palanquillas, luego atraviesan el Proceso de Laminación en nuestras Plantas de Arequipa
y Pisco, donde primero son recalentadas, para luego pasar a través de los rodillos de desbaste
y acabado para formar los diversos productos terminados.
Productos:
Alambrones y derivados
Barras de construcción
Barras lisas y perfiles
Barras y accesorios de fortificación
Herramientas y artículos de ferretería
Planchas especiales
Planchas y bobinas
Tubos
II.4.2. SIDERPERU:
SiderPerú (Empresa Siderúrgica del Perú S.A.A.) es la principal empresa siderúrgica del Perú.
Desde 1956 se dedica a la fabricación y comercialización de productos de acero de alta
calidad. El Complejo Siderúrgico, ubicado en la ciudad de Chimbote, está instalado en un
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
extenso terreno de aproximadamente 600 hectáreas y tiene una capacidad de producción
superior a las 500 mil toneladas de productos terminados de acero.
Cuenta para ello con un Alto Horno, el único del país, hornos eléctricos con su respectiva
Planta de Hierro Esponja. Además tiene una moderna colada continua, que en conjunto
aseguran su total operatividad.
Tiene instalaciones de reducción, aceración, laminación de productos planos, laminación de
productos no planos, productos planos revestidos, productos tubulares, viales y numerosas
instalaciones auxiliares. Para el abastecimiento de sus principales insumos, tiene un muelle
habilitado para recibir embarcaciones hasta de 50 mil toneladas.
Los productos son requeridos por clientes de los distintos sectores económicos,
principalmente al sector construcción, minero e industrial; tanto en el mercado local como
extranjero.
Desde 1958 la empresa exhibe ser la primera y más grande siderúrgica del Perú que ofrece al
mercado nacional e internacional el mejor acero del Perú, gracias a la capacidad y esfuerzo de
cada uno de sus trabajadores.
SiderPerú se encuentra bajo la administración del grupo Gerdau (inversionistas Brasileños),
que a finales del año 2006, compró más del 70% de las acciones de la empresa. Se proyecta a
exportar dentro de dos años, requiriendo implementar sistemas de gestión integrada que por
conocimiento es necesario. La empresa enviaría a sus ingenieros residentes (químicos,
metalúrgicos, mecánicos, industriales, otros) a capacitarse a países extranjeros como Brasil
para lograr el éxito de la empresa SIDERPERU.
Productos:
Los productos que la corporación ofrece son destinados a diferentes segmentos:
Construcción Industrial
Autoconstrucción
Carpintería Metálica
Minería
Metal Mecánica
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
Los productos y servicios más importantes que poseen son:
Barras y Perfiles
Barras de Construcción
Alambrones y Derivados
Planchas y Bobinas
Tubos LAF, LAC y LAC Galvanizado
Planchas Especiales
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
CONCLUSIONES
Se identificó que los materiales de carga comúnmente utilizados son el arrabio, chatarra,
carbón, materiales suplementarios, y oxidantes.
Los principales tipos de aceros se clasifican por su composición química, al carácter de
solidificación de acero en las lingoteras, y por su destinación.
Las reacciones que se presentan en el proceso son básicamente de oxidación, tomando
como fuente al aire.
Los principales procesos de producción son por el uso de hornos de Martin-Siemens, de
arco eléctrico, de inducción, vacuhornos y convertidores.
Los procesos del tratamiento térmico se subdividen en dos principales, los tratamientos
termo físicos (temple, revenido, recocido, normalizado), y los termoquímicos
(cementación, nitruración, cianuracion, carbonitrificacion, sulfinizacion).
Las principales empresas siderúrgicas en el Perú son ACEROS AREQUIPA Y SIDERPERU.
Al hacer estudiado todos los temas anteriores, se logró el estudio de la siderurgia del acero
de un punto mucho más amplio.
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
BIBLIOGRAFIA
_ VG. VOSKOBOINIKOV, VA. KUDRIN, AM. YAKUSHEV, METALURGIA GENERAL, 1982
EDITORIAL MIR MOSCU, PARTE II.
_ Materiales de Ingeniería, E.Donosco.pdf
_ http://www.slideshare.net/albertojeca/tratamientos-termicos-del-acero
_ http://www.areatecnologia.com/el-acero.htm
_ http://www.acerosarequipa.com/index.php?id=423
_ Michel, T. Czerwiec, M. Gantois, D. Ablitzer, A. Ricard. Progress in the analysis of the
mechanisms of ion nitriding. Surface and Coaotings Technology 72 (1995) 103-111.
_ A. Cabo. Tratamientos termoquímicos asistidos por plasma. Tercer curso
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA METALURGIA EXTRACTIVA Y FISICA
_ Latinoamericano de “Procesamiento de materiales por plasma”,2000. p 123-137.