Unidad IV. El Acero

EL ACERO.

El Acero es bsicamente una aleacin o combinacin de hierro y carbono (alrededor de 0,05% hasta menos de un 2%). Algunas veces otros elementos de aleacin especficos tales como el Cr (Cromo) o Ni (Nquel) se agregan con propsitos determinados.

Ya que el acero es bsicamente hierro altamente refinado (ms de un 98%), su fabricacin comienza con la reduccin de hierro (produccin de arrabio) el cual se convierte ms tarde en acero. El hierro puro es uno de los elementos del acero, por lo tanto consiste solamente de un tipo de tomos. No se encuentra libre en la naturaleza ya que qumicamente reacciona con facilidad con el oxgeno del aire para formar xido de hierro. El xido se encuentra en cantidades significativas en el mineral de hierro, el cual es una concentracin de xido de hierro con impurezas y materiales trreos.

EL HIERRO.

El hierro es un elemento qumico de nmero atmico 26 situado en el grupo 8, periodo 4 de la tabla peridica de los elementos. Su smbolo es Fe (del latn ferrum). Este metal de transicin es el cuarto elemento ms abundante en la corteza terrestre, representando un 5%. Es un metal maleable, de color gris plateado y presenta propiedades magnticas; es ferromagntico a temperatura ambiente y presin atmosfrica. Es uno de los elementos ms importantes del Universo, y el ncleo de la Tierra est formado principalmente por hierro y nquel, generando al moverse un campo magntico.

EL ALUMINIO.

El aluminio es un elemento qumico, de smbolo Al y nmero atmico 13. Se trata de un metal no ferromagntico. Es el tercer elemento ms comn encontrado en la corteza terrestre. Los compuestos de aluminio forman el 8 % de la corteza de la tierra y se encuentran presentes en la mayora de las rocas, de la vegetacin y de los animales. En estado natural se encuentra en muchos silicatos (feldespatos, plagioclasas y micas). Como metal se extrae nicamente del mineral conocido con el nombre de bauxita, por transformacin primero en almina mediante el proceso Bayer y a continuacin en aluminio metlico mediante electrlisis. Este metal posee una combinacin de propiedades que lo hacen muy til en ingeniera de materiales, tales como su baja densidad (2700 kg/m) y su alta resistencia a la corrosin. Mediante aleaciones adecuadas se puede aumentar sensiblemente su resistencia mecnica (hasta los 690 MPa). Es buen conductor de la electricidad y del calor, se mecaniza con facilidad y es muy barato. Por todo ello es desde mediados del siglo XX2 el metal que ms se utiliza despus del acero.

Materia Prima del Acero.

La composicin de un acero viene definida por su frmula qumica, fundamentalmente hierro y carbono, as como la presencia de una variada gama de metales que aportan las caractersticas especiales y necesarias para cada tipo de utilizacin.

Para la elaboracin del acero en horno elctrico (hoy en da el ms usado) se parte de chatarra seleccionada que se mezcla con ferroaleaciones para obtener la composicin qumica y especificacin deseada, siendo imprescindible la adicin de otros elementos, denominados fundentes, que colaboran en el proceso de obtencin del acero absorbiendo y eliminando los elementos indeseables.

1. La Chatarra.

La principal materia prima en la fabricacin del acero en horno elctrico es la chatarra, cuyo coste puede presentar el 50% de los costes de produccin de una palanquilla de acero al carbono, y cuyas propiedades y caractersticas van a repercutir en el producto final obtenido.

Figura 1. La Chatarra Utilizada Como Materia Prima.

2. Las ferroaleaciones.

Las ferroaleaciones son combinaciones de hierro con manganeso y silicio, principalmente, y de bajo contenido en fsforo y azufre, que se aaden en el bao para conseguir la composicin final deseada en el acero. En ocasiones se aaden metales puros. Los ms utilizados suelen ser el nquel, cobalto, cobre y aluminio.

Figura 2. Las Ferroaleaciones Utilizada Como Materia Prima.

3. Los fundentes.

La principal funcin de los materiales fundentes es la formacin de una escoria que recoja, durante los procesos de fusin y afino, los elementos que se introducen con la carga que pueden ser perjudiciales para el acero final, dejando el bao limpio de impurezas. El fundente ms utilizado es la cal, que puede incluso inyectarse en polvo con oxgeno en el horno a travs de una lanza, fluyendo rpidamente sobre la escoria y disolvindose en la misma.

PROCESO DE PRODUCCIN.

La fabricacin del acero en horno elctrico se basa en la fusin de las chatarras por medio de una corriente elctrica, y al afino posterior del bao fundido. El horno elctrico consiste en un gran recipiente cilndrico de chapa gruesa (15 a 30 mm de espesor) forrado de material refractario que forma la solera y alberga el bao de acero lquido y escoria. El resto del horno est formado por paneles refrigerados por agua. La bveda es desplazable para permitir la carga de la chatarra a travs de unas cestas adecuadas.

La bveda est dotada de una serie de orificios por los que se introducen los electrodos, generalmente tres, que son gruesas barras de grafito de hasta 700 mm de dimetro. Los electrodos se desplazan de forma que se puede regular su distancia a la carga a medida que se van consumiendo.

Los electrodos estn conectados a un transformador que proporciona unas condiciones de voltaje e intensidad adecuadas para hacer saltar el arco, con intensidad variable, en funcin de la fase de operacin del horno.

Otro orificio practicado en la bveda permite la captacin de los gases de combustin, que son depurados convenientemente para evitar contaminar la atmsfera. El horno va montado sobre una estructura oscilante que le permite bascular para proceder al sangrado de la escoria y el vaciado del bao.

El proceso de fabricacin se divide bsicamente en dos fases: la fase de fusin y la fase de afino.

Figura 3. Proceso De Produccin Del Acero.

1. Fase De Fusin.

Una vez introducida la chatarra en el horno y los agentes reactivos y escorificantes (principalmente cal) se desplaza la bveda hasta cerrar el horno y se bajan los electrodos hasta la distancia apropiada, hacindose saltar el arco hasta fundir completamente los materiales cargados. El proceso se repite hasta completar la capacidad del horno, constituyendo este acero una colada.

2. Fase De Afino.

El afino se lleva a cabo en dos etapas. La primera en el propio horno y la segunda en un horno cuchara. En el primer afino se analiza la composicin del bao fundido y se procede a la eliminacin de impurezas y elementos indeseables (silicio, manganeso, fsforo, etc.) y realizar un primer ajuste de la composicin qumica por medio de la adicin de ferroaleaciones que contienen los elementos necesarios (cromo, nquel, molibdeno, vanadio o titanio).

El acero obtenido se vaca en una cuchara de colada, revestida de material refractario, que hace la funcin de cuba de un segundo horno de afino en el que termina de ajustarse la composicin del acero y de drsele la temperatura adecuada para la siguiente fase en el proceso de fabricacin.

3. La Colada Continua.

Finalizado el afino, la cuchara de colada se lleva hasta la artesa receptora de la colada continua donde vaca su contenido en una artesa receptora dispuesta al efecto. La colada continua es un procedimiento siderrgico en el que el acero se vierte directamente en un molde de fondo desplazable, cuya seccin transversal

tiene la forma geomtrica del semi - producto que se desea fabricar; en este caso la palanquilla.

La artesa receptora tiene un orificio de fondo, o buza, por el que distribuye el acero lquido en varias lneas de colada, cada una de las cuales disponen de su lingotera o molde, generalmente de cobre y paredes huecas para permitir su refrigeracin con agua, que sirve para dar forma al producto. Durante el proceso la lingotera se mueve alternativamente hacia arriba y hacia abajo, con el fin de despegar la costra slida que se va formando durante el enfriamiento.

Posteriormente se aplica un sistema de enfriamiento controlado por medio de duchas de agua fra primero, y al aire despus, cortndose el semi - producto en las longitudes deseadas mediante sopletes que se desplazan durante el corte. En todo momento el semi - producto se encuentra en movimiento continuo gracias a los rodillos de arrastre dispuestos a los largo de todo el sistema.

Finalmente, se identifican todas las palanquillas con el nmero de referencia de la colada a la que pertenecen, como parte del sistema implantado para determinar la trazabilidad del producto, vigilndose la cuadratura de su seccin, la sanidad interna, la ausencia de defectos externos y la longitud obtenida.

4. La Laminacin

Las palanquillas no son utilizables directamente, debiendo transformarse en productos comerciales por medio de la laminacin o forja en caliente. De forma simple, podramos describir la laminacin como un proceso en el que se hace pasar al semi-producto (palanquilla) entre dos rodillos o cilindros, que giran a la misma velocidad y en sentidos contrarios, reduciendo su seccin transversal gracias a la presin ejercida por stos. En este proceso se aprovecha la ductilidad del acero, es

decir, su capacidad de deformarse, tanto mayor cuanto mayor es su temperatura. De ah que la laminacin en caliente se realice a temperaturas comprendidas entre 1.250C, al inicio del proceso, y 800C al final del mismo.

La laminacin slo permite obtener productos de seccin constante, como es el caso de las barras corrugadas. El proceso comienza elevando la temperatura de las palanquillas mediante hornos de recalentamiento hasta un valor ptimo para ser introducidas en el tren de laminacin.

Generalmente estos hornos son de gas y en ellos se distinguen tres zonas: de precalentamiento, de calentamiento y de homogeneizacin. El paso de las palanquillas de una zona a otra se realiza por medio de distintos dispositivos de avance. La atmsfera en el interior del horno es oxidante, con el fin de reducir al mximo la formacin de cascarilla.

Alcanzada la temperatura deseada en toda la masa de la palanquilla, sta es conducida a travs de un camino de rodillos hasta el tren de laminacin. Este tren est formado por parejas de cilindros que van reduciendo la seccin de la palanquilla. Primero de la forma cuadrada a forma de valo, y despus de forma de valo a forma redonda. A medida que disminuye la seccin, aumenta la longitud del producto transformado y, por tanto, la velocidad de laminacin. El tren se controla de forma automtica, de forma que la velocidad de las distintas cajas que lo componen va aumentando en la misma proporcin en la que se redujo la seccin en la anterior.

El tren de laminacin se divide en tres partes:

- Tren de desbaste: donde la palanquilla sufre una primera pasada muy ligera para romper y eliminar la posible capa de cascarilla formada durante su permanencia en el horno.

- Tren intermedio: formado por distintas cajas en las que se va conformando por medio de sucesivas pasadas la seccin.

- Tren acabador: donde el producto experimenta su ltima pasada y obtiene su geometra de corrugado.

Las barras ya laminadas se depositan en una gran placa o lecho de enfriamiento. De ah, son trasladadas a las lneas de corte a medida y empaquetado y posteriormente pasan a la zona de almacenamiento y expedicin.

En el caso de la laminacin de rollos, stos salen del tren acabador en forma de espira, siendo transportados por una cinta enfriadora, desde la que las espiras van siendo depositadas en un huso, donde se compacta y se ata para su expedicin, o bien se lleva a una zona de encarretado, dnde se forman bobinas en carrete.

Durante la laminacin se controlan los distintos parmetros que determinarn la calidad del producto final: la temperatura inicial de las palanquillas, el grado de deformacin de cada pasada para evitar que una deformacin excesiva d lugar a roturas o agrietamientos del material, as como el grado de reduccin final, que define el grado de forja, y sobre todo el sistema de enfriamiento controlado.

ALEACIONES DEL ACERO.

Comnmente conocidos como aceros especiales, son aceros al carbono, aleados con otros metales o metaloides, resultantes de la bsqueda del mejoramiento de sus caractersticas. Los elementos aadidos corrientemente son: el nquel, el cromo, vanadio, molibdeno, magnesio, silicio, tungsteno, cobalto, aluminio, etc.

1) Aceros al nquel. Son aceros inoxidables y magnticos. El nquel aumenta la carga de rotura, el lmite de elasticidad, el alargamiento y la resistencia al choque o resiliencia, a la par que disminuye las dilataciones por efecto del calor. Cuando contienen del 10 al 15% de nquel se templan aun si se los enfra lentamente.

2) Aceros al cromo. El cromo comunica dureza y una mayor penetracin del temple, por lo que pueden ser templados al aceite. Los aceros con 1,15 a 1,30% de carbono y con 0,80 a 1% de cromo son utilizados para la fabricacin de lminas debido a su gran dureza, y en pequea escala los que tienen 0,3 a 0,4% de carbono y 1% de cromo.

3) Aceros al cromo-nquel. De uso ms corriente que el primero, se usan en la proporcin de carbono hasta 0,10%, cromo 0,70% y nquel 3%; o carbono hasta 15%, cromo 1% y nquel 4%, como aceros de cementacin. Los aceros para temple en aceite se emplean con diversas proporciones; uno de uso corriente sera el que tiene carbono 0,30, cromo 0,7% y nquel 3%.

4) Aceros al cromo-molibdeno. Son aceros ms fciles de trabajar que los otros con las mquinas herramientas. El molibdeno comunica una gran penetracin del temple en los aceros; se emplean cada vez ms en construccin, tendiendo a la sustitucin del acero al nquel. De los tipos ms corrientes tenemos los de carbono 0,10% , cromo 1% y molibdeno 0,2% y el de carbono 0,3%, cromo 1% y molibdeno 0,2%; entre estos dos ejemplos hay muchos otros cuya composicin vara segn su empleo.

5) Aceros al cromo-nquel molibdeno. Son aceros de muy buena caracterstica mecnica. Un ejemplo de mucha aplicacin es el que tiene carbono 0,15% a 0,2%, cromo 1 a 1,25%, nquel 4% y molibdeno 0,5%.

6) Aceros inoxidables. Los aceros inoxidables son los resistentes a la accin de los agentes atmosfricos y qumicos. Los primeros que se fabricaron fueron para la cuchillera, con la proporcin de 13 a 14% de cromo. Otros aceros fueron destinados a la fabricacin de aparatos de ciruga, con la proporcin de 18 a 20% de cromo y 8 a 10% de nquel; son tambin resistentes a la accin del agua de mar. Un acero de gran resistencia a la oxidacin en caliente es el que tiene 20 a 30% de cromo y 5% de aluminio.

7) Aceros anticorrosivos. Estos son aceros soldados de alta resistencia y bajo tenor de sus componentes de aleacin: carbono, silicio, azufre, manganeso, fsforo, nquel o vanadio, cromo y cobre. A la intemperie se cubren de un xido que impide la corrosin interior, lo que permite se los pueda utilizar sin otra proteccin. Como resultado de ensayos efectuados por algo ms de diez aos, se ha establecido que su resistencia a los agentes atmosfricos es de cuatro a ocho veces mayor que los del acero comn al carbono.

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