PROCESO DE OBTENCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO

1.1  PROCESO TECNOLÓGICO DE LA OBTENCIÓN DEL HIERRO DE PRIMERA FUSIÓN

METALURGIA EXTRACTIVA

Producción del hierro y el acero Hace muchísimos años, el hierro era un metal raro y precioso. En la actualidad, el acero, una forma purificada del mineral del hierro, se ha convertido en uno de los servidores más útiles de la humanidad. La naturaleza proporcionó las materias primas como son: mineral de hierro, el carbón mineral y la piedra caliza y el ingenio humano lo convirtió en un incontable número de productos. El acero puede hacerse lo suficientemente duro como para cortar el vidrio, plegable como el que se encuentra en el sujetapapeles, flexible como el de los muelles, o lo bastante fuerte como para soportar un esfuerzo unitario de 3445 MPa. Puede estirarse para formar alambres de .02 mm de espesor o usarse para fabricar vigas gigantescas para construir edificios y puentes. También es posible hacer que el acero sea resistente al calor, al frio, a la oxidación y a la acción de sustancias químicas.

FABRICACIÓN DEL ARRABIO (HIERRO DE PRIMERA FUNDICIÓN)

El primer paso en la fabricación de cualquier hierro o acero es la producción del arrabio o hierro de primera fundición, en el alto horno. Con aproximadamente 40 m de altura, es un enorme cascarón de acero recubierto con ladrillo resistente al calor. Una vez encendido, el alto horno es de producción continua, hasta que necesite renovarse la capa de ladrillo, o hasta que disminuya la demanda de arrabio. El mineral de hierro, el coque y la piedra caliza se miden con todo cuidado y se transportan hasta la parte superior del horno en una vagoneta de concha. Cada ingrediente se descarga por separado en el horno a través del sistema de campana, formando capas de coque, piedra caliza y mineral de hierro, en la parte superior del horno. Una corriente continua de aire caliente, que proviene de las estufas cuyas temperaturas son de 650°C pasa por el tubo atizador y las toberas para hacer que el coque arda vigorosamente. La temperatura en el fondo del horno alcanza los 1650°C o más. El carbono del coque se combina con el oxígeno del aire para formar monóxido de carbono, con lo que se elimina el oxígeno que contiene el mineral de hierro y se libera el hierro metálico.

Éste fundido, escurre por la carga y se recoge en el fondo del horno. El intenso calor funde también la piedra caliza, la cual se combina con las impurezas del mineral y del coque para formar una nata llamada escoria. Ésta también se cuela hasta el fondo de la carga y flota sobre al arrabio fundido. Cada cuatro o cinco horas se sangra el horno y el hierro fundido, hasta 315 ton.

Proceso de Obtención del Hierro y del Acero 2 hornos de aceración. A veces el arrabio se moldea directamente en lingotes cortos que se utilizan en las fundiciones para hacer piezas de hierro fundido.

 La escoria se extrae a intervalos más frecuentes y se vierte en una vagoneta para escoria o cazo de colada y finalmente se utiliza para fabricar aislamiento de lana mineral, bloques para construcción y otros productos.

 Vista esquemática de un alto horno

El diagrama general de la fusión primaria del hierro integra a la mayoría de las actividades que se desarrollan en el proceso productivo. No se debe olvidar que los diagramas de flujo son una de las herramientas más utilizadas por los ingenieros industriales y que de manera automática los deben utilizar o elaborar.

Producción del hierro y el acero

PRINCIPALES MINERALES EXTRAÍDOS DEL HIERRO

·         Hematita (mena roja) 70% de hierro

·         Magnetita (mena negra) 72.4% de hierro

·         Siderita (mena café pobre) 48.3% de hierro

·         Limonita (mena café) 60-65% de hierro

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

• Mineral de hierro
• Coque
• Piedra caliza
• Aire

Los tres primeros se extraen de minas y son transportados y preparados antes de que se introduzcan al sistema en el que se producirá el arrabio. El arrabio es un hierro de poca calidad, su contenido de carbón no está controlado y la cantidad de azufre rebasa los mínimos permitidos en los hierros comerciales. Sin embargo, es el producto de un proceso conocido como la fusión primaria del hierro y del cual todos los hierros y aceros comerciales proceden.                           A la caliza, el coque y el mineral de hierro se les prepara antes de introducirse al alto horno para que tengan la calidad, el tamaño y la temperatura adecuada, esto se logra por medio del lavado, triturado y cribado de los tres materiales.

La producción del hierro y del acero empieza con las menas de hierro y otros materiales requeridos (mena = mineral metalífero, principalmente el de hierro, tal como se extrae del yacimiento y antes de limpiarlo).

La mena principal usada en la producción de hierro y acero es la hematita (Fe203). Además, hoy se usa ampliamente la chatarra como materia prima para la fabricación de hierro y acero. Las otras materias primas que se necesitan para reducir el hierro de sus menas, son el coque y la piedra caliza.  

El coque desempeña dos funciones en el proceso de reducción:

1) Es un combustible que proporciona calor para la reacción química y

2) Produce monóxido de carbono (CO) para reducir las menas de hierro.

La piedra caliza es una roca que contiene altas proporciones de carbonato de calcio (Ca CO Esta piedra caliza se usa en el proceso como un fundente que reacciona con las impurezas presentes y las remueve del hierro fundido como escoria.

LA PRODUCCIÓN DEL HIERRO

·         EXTRACCIÓN DEL MINERAL DE HIERRO

El mineral extraído de una mina de hierro puede ser de carga directa a los altos hornos o puede requerir de un proceso de peletización para ser utilizado en la producción del acero, esto según sea su calidad. Es importante destacar que si el mineral posee bajo contenido de impurezas (principalmente fósforo y azufre), puede ser utilizado para carga directa, requiriendo sólo tratamientos de molienda y concentración. Si, por el contrario, el contenido de impurezas es relativamente alto, se realiza también la molienda y concentración, pero requiere además de un proceso químico de peletización, donde se reducen significativamente dichas impurezas.

·         TRITURACIÓN Y MOLIENDA

La trituración se realiza tiene por objeto reducir el tamaño de los minerales. Se hace en seco en máquinas llamadas trituradoras, que pueden ser de mandíbulas o giratorias.

·         CLASIFICACIÓN

Es la separación del material obtenido en los procesos anteriores por tamaños similares. Se utilizan diversos instrumentos y procedimientos.

• Criba: separan el material por tamaño, por una parte, los que pasan por una malla y los que no pasan.

• Tamiz: es una criba fina y se usa para obtener partículas muy pequeñas.

• Concentración: Es la operación de separar la mena de la ganga. Los procedimientos son:

• Flotación: Se separan las partículas de materiales diferentes haciendo que las de uno de ellos flote sobre un líquido y las demás estén sumergidas en él.

• Separación magnética: Un material con propiedades magnéticas se puede separar de la ganga aplicando al conjunto un campo magnético.

• Peletización: Si el mineral posee bajo contenido de impurezas (principalmente fósforo y azufre), puede ser utilizado para carga directa a Altos Hornos, requiriendo sólo tratamientos de molienda y concentración. Si, por el contrario, el contenido de impurezas es relativamente alto, se realiza también la molienda y concentración, pero requiere además de un proceso químico de peletización, donde se reducen significativamente dichas impurezas.

El diámetro del recipiente cilíndrico de 9 a 15 m (30 a 50 pies) disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total de 40 m (125 pies).

Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria. La parte superior del horno, 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. Desde la parte baja de la cámara se inyecta por toberas una corriente de gases y aire precalentados a 900 °C a gran velocidad para realizar la combustión y la reducción del hierro efectuándose la combustión completa del coque que adquiere temperaturas máximas entre 1700 a 1800 °C. Los gases calientes (CO, H2, CO2, H2O, N2, O2 y los combustibles) realizan la combustión del coque conforme pasan hacia arriba, a través de la carga de materiales. El monóxido de carbono se suministra como un gas caliente, pero también se forma adicionalmente por la combustión del coque.

El hierro fundido escurre hacia abajo, acumulándose en la base del alto horno.

El hierro fundido de primera fusión, o arrabio se vacía periódicamente en carros cuchara o carros torpedo con los cuales se llenan lingoteras o bien se conducen a mezcladoras calientes donde se almacenan y se mezclan con otras fundiciones para curarse posteriormente en algún proceso de obtención del acero (refinación de arrabio). Los lingotes se someten a una operación de enfriamiento para convertirse mediante procesos metalúrgicos posteriores, en: hierro fundido de segunda fusión, hierro dulce, hierro maleable o bien acero.

El arrabio o hierro de primera fusión no se puede utilizar directamente en la industria por ser muy quebradizo debido a sus impurezas y poca resistencia contiene excesivo carbón, de 2.2% a 4.5%, además de cantidades de silicio, magnesio, fósforo cuyos contenidos son muy variables.

• Refinación del arrabio: En el alto horno, el oxígeno fue removido del mineral por la acción del CO (monóxido de carbono) gaseoso, el cual se combinó con los átomos de oxígeno en el mineral para terminar como CO2 gaseoso (dióxido de carbono).

Ahora, el oxígeno se empleará para remover el exceso de carbono del arrabio. A alta temperatura, los átomos de carbono (C) disueltos en el hierro fundido se combinan con el oxígeno para producir monóxido de carbono gaseoso y de este modo remover el carbono mediante el proceso de oxidación.

En forma simplificada la reacción es:

1.2 PROCESOS BÁSICOS DE USO INDUSTRIAL ALEACIONES DE COBRE, ALUMNIO Y TITANIO.

ALEACIONES DE COBRE

·         Electrolisis

Para obtener mayores niveles de pureza se usa la electrolisis que suministran niveles adecuados para su uso comercial.

·         Recocido

El cobre duro recocido se presenta muy bien para operaciones en frío como son: doblado, estampado y embutido. El recocido se produce calentando el cobre o el latón a una temperatura adecuado en un horno eléctrico de atmósfera controlada, y luego se deja enfriar al aire. Hay que procurar no superar la temperatura de recocido porque entonces se quema el cobre y se torna quebradizo y queda inutilizado.

·         Refinado

Se trata de un proceso controlado de oxidación seguida de una reducción cuyo objeto es volatizar o reducir a escorias todas las impurezas contenidas en el cobre con el fin de obtener cobre de gran pureza.

·         Temple

Tanto el latón como el cobre admiten temple para aumentar su dureza y tenacidad. El proceso es mezclar cobre fundido con un porcentaje del 3 al 5% de óxido de manganeso.

·         Secado de los concentrados:

Para fundir el concentrado en el Horno Flash se requiere un 0,2% de humedad. Para conseguirlo empleamos tres secadores: uno rotativo de gas natural y dos de vapor.

·         Fusión:

El proceso de fusión de concentrados en el Horno Flash permite obtener un producto intermedio conocido como mata, donde se eleva de 30 a un 62% el contenido medio de cobre. Además de la mata se obtienen escorias y gases con un alto contenido en SO₂ .

·         Conversión de la mata:

Durante este proceso se separan los restos de azufre, hierro y otros metales del cobre. En él se genera energía que permite fundir los recirculantes producidos en la Fundición y las chatarras adquiridas en el mercado. Los productos que se obtienen de este proceso son: el cobre blister, con un contenido medio del 99,5% en cobre, escorias, y gases con SO₂, que unidos a los obtenidos en la Fusión, son finalmente transformados en ácido sulfúrico.

·         Tratamiento de las escorias:

Las escorias obtenidas en el Horno Flash y los convertidores se tratan en un horno eléctrico para reducir el cobre contenido del 2 y 6% respectivamente, a menos del 1%. La mata obtenida se vuelve a introducir en el proceso productivo, mientras que las escorias finales se comercializan.

·         Lavado de gases:

Los gases con SO2 procedentes de la Fundición son enviados a la Sección de Lavado de las Plantas de Ácido para eliminar el polvo arrastrado durante el proceso.

ALEACIONES DE COBRE

Las aleaciones se procesan en las formas forjadas y de fundición, y el sistema de especificaciones incluye ambas.

ALUMINIO Y SUS ALEACIONES

El aluminio es un metal ligero y por esa característica se especifican frecuentemente para aplicaciones de ingeniería. Es un elemento abundante en la naturaleza, el aluminio en la tierra, aunque no se extrae fácilmente del estado en el que se encuentra en la naturaleza.

Sus elementos de aleaciones usualmente son el cobre, magnesio, manganeso, silicio y zinc.

Las aleaciones de aluminio son, en general, fáciles de mecanizar. Durante el arranque de viruta, las fuerzas de corte que tienen lugar son considerablemente, menores que en el caso de las generadas con el acero (la fuerza necesaria para el mecanizado del aluminio es aproximadamente un 30% de la necesaria para mecanizar acero). Por consiguiente, los esfuerzos sobre los útiles y herramientas, así como la energía consumida en el proceso es menor para el arranque de un volumen igual de viruta.

El aluminio tiene unas excelentes características de conductividad térmica, lo cual es una importante ventaja, dado que permite que el calor generado en el mecanizado se disipe con rapidez. Su baja densidad hace que las fuerzas de inercia en las piezas de aluminio giratorio (torneados) sean asimismo mucho menores que en otros materiales.

Todos estos factores contribuyen a hacer posible elevadas velocidades de corte (si los requisitos de calidad superficial son elevados, estas elevadas velocidades de corte no sólo son posibles sino necesarias) y una tasa de arranque de material mayor cuando se mecaniza aluminio.

Sin embargo, el coeficiente de fricción entre el aluminio y los metales de corte es, comparativamente con otros metales, elevado. Este hecho puede causar el embotamiento de los filos de corte, deteriorando la calidad de la superficie mecanizada a bajas velocidades de corte e incluso a elevadas velocidades con refrigeración insuficiente. Siempre que la refrigeración en el corte sea suficiente, hay una menor tendencia al embotamiento con aleaciones más duras, con velocidades de corte mayores y con ángulos de desprendimiento mayores.

PROCESOS DE USO INDUSTRIAL

·         Mecanizado

·         Torneado

Las herramientas estándar de torneado para otros metales suelen emplearse para el mecanizado del aluminio (siempre respetando las prescripciones respecto al ángulo de desprendimiento y a las superficies características) Lo más habitual es trabajar con herramientas en forma de plaquita fijadas mediante grapas o soldadura a un soporte.

• FLUIDOS REFRIGERANTES

En general el trabajo de desbaste puede efectuarse sin líquidos de corte. Para el acabado, pueden emplearse emulsiones o aceites de corte para retardar el embotamiento del filo y para refrigerar herramienta y pieza.

·         FRESADO

El fresado es un procedimiento al que se adapta especialmente bien el aluminio. Debido a la acción cortante intermitente produce pequeños intervalos de viruta y una menor tendencia al embotamiento del filo. El empleo de fresas (ver figura 3) de un diámetro mayor permite trabajar a una velocidad de corte mayor dado un valor de vueltas por minuto, que puede ser el mismo que el empleado en acero. Sin embargo, las máquinas empleadas deben tener una rigidez y una potencia adecuada.

Las fresas empleadas pueden ser de cualquier tipo: cilíndricas, frontales, de disco de tres cortes, frontales de dos labios, bicónicas, fresas para ranuras en t, etc. Suelen emplearse fresas con insertos reemplazables. Las que están especialmente diseñadas para mecanizar aluminio se caracterizan por un amplio espacio de evacuación de viruta y una gran separación entre dientes. En función de las posiciones relativas de fresa y pieza de trabajo el corte lo producirá la parte frontal de la fresa o los extremos de su circunferencia.

·         TALADRADO CON BROCAS

Las brocas apropiadas para el taladrado del aluminio (ver figura 4) deben estar dotadas de grandes ángulos de hélice y acanaladuras profundas. Para agujeros poco profundos (de hasta una profundidad de dos veces el diámetro del taladro), pueden servir las mismas brocas que para el acero. Para el taladrado siempre se debe puntear previamente.

·         CORTE CON SIERRA

Las sierras circulares proporcionan un corte recto y limpio. Se emplean para cortar secciones de perfiles largos o para efectuar muescas. Con diámetros de hasta 250 mm pueden ser enteramente de acero rápido o, las de mayor diámetro, discos con plaquitas de acero rápido o metal duro como filos de corte.

El paso entre dientes depende del diámetro de la sierra, así como del material a cortar. Por lo menos 3 o 4 dientes deberán estar simultáneamente en contacto con la pieza. Además, los dientes de la sierra deberán estar dotados de filos de corte en sus partes laterales, para prevenir interferencias debido a la acumulación de viruta, lo cual redundará en una vida más larga de la herramienta y reducirá los requerimientos de potencia.

·         FORJADO

En el caso más simple, el metal es comprimido entre martillo y un yunque y la forma final se obtiene girando y moviendo la pieza de trabajo entre golpe y golpe. Para producción en masa y el formado de secciones grandes, el martillo es sustituido por un martinete o dado deslizante en un bastidor e impulsado por una potencia mecánica, hidráulica o vapor.

Un dispositivo utiliza directamente el empuje hacia abajo que resulta de la explosión en la cabeza de un cilindro sobre un pistón móvil. Los dados que han sustituido al martillo y al yunque pueden variar desde un par de herramientas de cara plana, hasta ejemplares que tiene cavidades apareadas capaces de ser usadas para producir las formas más complejas.

Si bien, el forjado puede realizarse ya sea con el metal caliente o frío, el elevado gasto de potencia y desgaste en los dados, así como la relativamente pequeña amplitud de deformación posible, limita las aplicaciones del forjado en frío. Un ejemplo es el acuñado, donde los metales superficiales son impartidos a una pieza de metal por forjado en frío. El forjado en caliente se está utilizando cada vez más como un medio para eliminar uniones y por las estructuras particularmente apropiadas u propiedades que puede ser conferidas al producto final. Es el método de formado de metal más antiguo y hay muchos ejemplos que se remontan hasta 1000 años A. C.

·         FUNDICIÓN

La Fundición es el proceso de fabricación de piezas mediante el colado del material derretido en un molde. Los mismos que son elaborados en arena y arcilla debido a la abundancia de este material y también a la resistencia que tiene al calor, permitiendo además que los gases se liberen al ambiente y que el metal no

La Fundición se lo puede realizar de muchas maneras, pero todas obedecen al principio anteriormente descrito, el proceso comienza con la elaboración del modelo que es la pieza que se desea reproducir, usualmente es hecha en madera o yeso, pero cuando la producción es en masa se la maquina en metales “blandos “como el aluminio, es evidente que debe ser ligeramente más grande que la pieza que se desea fabricar ya que existe contracciones del metal cuando se enfría, son necesarias las previsiones para evacuación de gases, usualmente conocidos como venteos.

Luego se procede a la fabricación de la matriz de arena o molde la cual se comienza compactando la arena alrededor del modelo, cuando se requiere fabricar una pieza que es hueca se debe provisionar un “macho” que es un elemento sólido colocado en la matriz para que allí no ingrese el metal fundido, es importante anotar que siempre se está trabajando se lo hace en negativo, es decir donde no se requiere metal se coloca el macho y donde si se lo requiere se lo coloca el modelo que evidentemente deberá ser extraído previo al colado desde la Fundición, es usual también que se coloquen modelos de cera , la cual se derrite conforme ingresa el metal ocupando su lugar para ulteriormente enfriarse.

Una vez retirado el modelo y las dos partes del molde, es frecuente esta geometría para poder retirar el modelo, se procede al colado que no es otra cosa, que el vertido de metal líquido la matriz que se ha construido, luego viene el enfriado que debe ser controlado para que no aparezcan grietas ni tensiones en la pieza formada.

El desmolde viene a continuación, el cual se desarrolla con la rotura del molde y el reciclaje de la arena, la pieza se presenta burda por lo cual se suele someter a un proceso de desbarbado y pulido.

TITANIO Y SUS ALEACIONES

Las aleaciones comerciales de titanio, con una pureza del 99,2 %, tienen una tensión de rotura de unos 434 MPa (63.000 psi), equivalente a la de las aleaciones comunes de acero pero con una menor densidad que estas. El titanio tiene una densidad un 60 % mayor que el aluminio, pero es el doble de fuerte que la aleación de aluminio.

El principal mineral de titanio es el rutilo, que tiene un 98 un 995 de TiO2, y la ilmenita, que es una combinación de FeO y TiO2. Se prefiere al rutilo como mineral debido a su alto contenido de titanio para recuperar el metal de sus minerales, el TiO2 se convierte a tetracloruro de titanio haciendo reaccionar el compuesto con gas cloro. Después continúan varios pasos de destilación para remover impureza. El tetracloruro de titanio altamente concentrado se reduce entonces a titanio metálico por medio de una reacción con magnesio; este se conoce como proceso Kroll. Se puede usar también el sodio como agente reductor. En cualquier caso, debe mantenerse una atmosfera inerte para prevenir que el O2, N2 o H2, contaminen el titanio, debido a su finalidad química por esos gases. El metal resultante se usa para hacer lingotes de fundición de titanio y sus aleaciones.

El proceso más reciente de producción, denominado proceso FFC Cambridge, ​ emplea el polvo de dióxido de titanio como materia prima para la fabricación del metal de titanio. Este proceso tiene menos pasos que el método de Kroll, requiere menos tiempo y permite la producción de aleaciones al emplear determinadas mezclas de polvos de óxido. ​ Las aleaciones más comunes del titanio se obtienen por medio de reducción, como por ejemplo en los casos del cuprotitanio (reducción de rutilo con cobre añadidura), del titanio ferrocarbonado (ilmenita reducida con coque en una caldera eléctrica) y del manganotitanio (rutilo con manganeso u óxidos de manganeso.

En el ámbito de la construcción y fabricación, todas las soldaduras de titanio deben hacerse bajo atmósferas inertes de argón o helio para evitar la contaminación con gases atmosféricos como el oxígeno, el nitrógeno o el hidrógeno. De no se así, la contaminación puede causar una variedad de condiciones no deseadas, como la pérdida de ductilidad, que a su vez pueden llevar a una reducción de la integridad de la soldadura y fallos en las uniones.

1.3 FUNCIONAMIENTO DEL PROCESO TECNOLÓGICO Y OTROS PRODUCTOS OBTENIDOS.

LINGOTES Y COLADA CONTINUA          

Para fabricar los diferentes objetos útiles en la industria metal metálica, es necesario que el hierro se presente en barras, láminas, alambres, placas, tubos o perfiles estructurales, los que se obtienen de los procesos de rolado.

El proceso de rolado consiste en pasar a un material por unos rodillos con una forma determinada, para que al aplicar presión el material metálico adquiera la forma que se necesita. El material metálico que se alimenta a los rodillos debe tener una forma determinada, esta forma se obtiene al colar en moldes el metal fundido que será procesado, a estos productos se les llama lingotes o lupias y pueden ser secciones rectangulares, cuadradas o redondas. Los lingotes (cilindros con un extremo menor que el otro) o lupias (lingotes de gran tamaño con secciones rectangulares) pueden tener desde 25 Kg. hasta varias toneladas, todo dependerá de para qué se van a utilizar y con qué tipo de rodillos se van a procesar.

COLADA CONTINUA

Cuando se requiere un material de sección constante y en grandes cantidades se puede utilizar el método de la colada continua, el cual consiste en colocar un molde con la forma que se requiere debajo de un crisol, el que con una válvula puede ir dosificando material fundido al molde. Por gravedad el material fundido pasa por el molde, el que está enfriado por un sistema de agua, al pasar el material fundido por el molde frío se convierte en pastoso y adquiere la forma del molde. Posteriormente el material es conformado con una serie de rodillos que al mismo tiempo lo arrastran hacia la parte exterior del sistema. Una vez conformado el material con la forma necesaria y con la longitud adecuada el material se corta y almacena. Por este medio se pueden fabricar perfiles, varillas y barras de diferentes secciones y láminas o placas de varios calibres y longitudes. La colada continua es un proceso muy eficaz y efectivo para la fabricación de varios tipos de materiales de uso comercial.

Proceso de fundición continua.

METALURGIA DE POLVOS

Se define como el arte de elaborar productos comerciales a partir de polvos metálicos.

En este proceso no siempre se utiliza el calor, pero cuando se utiliza este debe mantenerse debajo de la temperatura de fusión de los metales a trabajar. Cuando se aplica calor en el proceso subsecuente de la metalurgia de los polvos se le conoce como sinterizado, este proceso genera la unión de partículas finas con lo que se mejora la resistencia de los productos y otras de sus propiedades. Las piezas metálicas producto de los procesos de la metalurgia de los polvos son producto de la mezcla de diversos polvos de metales que se complementan en sus características. Así se pueden obtener metales con cobalto, tungsteno o grafito según para qué va a ser utilizado el material que se fabrica.

El metal en forma de polvo es más caro que en forma sólida y el proceso es sólo recomendable para la producción en masa de los productos, en general el costo de producción de piezas producto de polvo metálico es más alto que el de la fundición, sin embargo, es justificable y rentable por las propiedades excepcionales que se obtienen con este procedimiento. Existen productos que no pueden ser fabricados y otros no compiten por las tolerancias que se logran con este método de fabricación.

 

El proceso de manera general consiste en:

• Producción de polvo de los metales que serán utilizados en la pieza.
• Mezclado de los metales participantes.
• Conformado de las piezas por medio de prensas.
• Sinterizado de las piezas.
• Tratamientos térmicos.

PRODUCCIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE POLVOS

El tamaño, forma y distribución de los polvos afectan las características de las piezas a producir, por lo que se debe tener especial cuidado en la forma en la que se producen los polvos. Las principales características de los polvos a considerar son:

• Forma.                                               
• Finura.                                                   
• Distribución.                                         
• Capacidad para fluir.
• Propiedades químicas.
• Compresibilidad.
• Densidad.
• Propiedades de sinterización. 

• FORMA

La forma del polvo depende de la manera en la que se produjo el polvo, esta puede ser esférica, quebrada, dendrítica. Plana o angular.

• FINURA

La finura se refiere al tamaño de la partícula, se mide por medio de mallas normalizadas, las que consisten en Cribas normalizadas, las que se encuentran entre las 36 y 850 micras.

• DISTRIBUCIÓN DE LOS TAMAÑOS DE PARTÍCULAS

Se refiere a las cantidades de los tamaños de las partículas que participan en la composición de una pieza de polvo, esta distribución de tamaños tiene gran influencia en la fluidez y densidad de las partículas y en la porosidad final del producto.

• FLUIDEZ

Es la propiedad que le permite fluir fácilmente de una parte a otra o a la cavidad del molde. Se mide por una tasa de flujo a través de un orificio normalizado.

• PROPIEDADES QUÍMICAS

Son características de reacción ante diferentes elementos. También se relacionan con la pureza del polvo utilizado.

• COMPRESIBILIDAD

Es la relación que existe entre el volumen inicial del polvo utilizado y el volumen final de la pieza comprimida. Esta propiedad varía considerablemente en función del tamaño de las partículas de polvo y afecta directamente a resistencia de las piezas.

• DENSIDAD APARENTE

Se expresa en kilogramos por metro cúbico. Esta debe ser constante siempre, para que la pieza tenga en todas sus partes la misma cantidad de polvo.

• VENTAJAS Y LIMITACIONES DE LA SINTERIZACIÓN

La sinterización es la unión de las partículas por medio del calor. Dependerá del tipo de polvo que se esté utilizando, por lo que existen tantas temperaturas de sinterización como materiales utilizados.

VENTAJAS

• La producción de carburos sinterizados, cojinetes porosos y bimetálicos de capas moldeadas, sólo se puede producir por medio de este proceso.

• Porosidad controlada.

• Tolerancias reducidas y acabado superficial de alta calidad.

• Por la calidad y pureza de los polvos producidos, se pueden obtener también piezas de alta pureza.

• No hay pérdidas de material.

• No se requieren operarios con alta capacitación.

LIMITACIONES

• Los polvos son caros y difíciles de almacenar.

• El costo del equipo para la producción de los polvos es alto.

• Algunos productos pueden fabricarse por otros procedimientos más económicos.

• Es difícil hacer productos con diseños complicados.

• Existen algunas dificultades térmicas en el proceso de sinterizado, especialmente con los materiales de bajo punto de fusión.

• Algunos polvos de granos finos presentan riesgo de explosión, como aluminio, magnesio, zirconio y titanio.

PRODUCTOS FABRICADOS POR SINTERIZACIÓN

• Filtros metálicos

• Carburos cementados

• Engranes y rotores para bombas

• Escobillas para motores

• Cojinetes porosos

• Magnetos

• Contactos eléctricos

1.4. AFINO DEL ACERO

En los procesos de fabricación del acero, ¿se obtiene en la colada la calidad, pureza y composiciones deseadas? La respuesta a esta pregunta, en general, es no.

Cualquiera que sea el proceso de obtención del acero, siempre trae consigo la presencia de impurezas, gases, incrustaciones y segregaciones que hacen necesario la implementación de procesos de refinación posterior, comúnmente conocidos como “afino” del acero.

Aunque casi todo el hierro y acero que se fabrica en todo el mundo se obtienen a partir de arrabio producido en altos hornos, hay otros métodos de refinado del hierro que se han practicado de forma limitada. Uno de ellos es el denominado método directo para fabricar hierro y acero a partir del mineral, sin producir arrabio. En este proceso se mezclan mineral de hierro y coque en un horno de calcinación rotatorio y se calientan a una temperatura de unos 950 ºC. El coque caliente desprende monóxido de carbono, igual que en un alto horno, y reduce los óxidos del mineral a hierro metálico. Sin embargo, no tienen lugar las reacciones secundarias que ocurren un alto horno, y el horno de calcinación produce la llamada esponja de hierro, de mucha mayor pureza que el arrabio. También puede producirse hierro prácticamente puro mediante electrólisis, haciendo pasar una corriente eléctrica a través de una disolución de cloruro de hierro. Ni el proceso directo ni el electrolítico tienen importancia comercial significativa.

Las técnicas y procedimientos de refinación del acero, no se encuentran fácilmente en la literatura técnica, por cuanto constituyen secretos industriales, que son la base de la competitividad.

El afino es el proceso de descarburación y eliminación de impurezas al que se somete el arrabio (hierro de primera fundición con alto porcentaje de carbono) para la obtención del acero.

En el proceso de obtención del acero como el arrabio que es el hierro de primera fundición, siempre se contará con la presencia de impurezas como el azufre o silicio, gases, incrustaciones, segregaciones y exceso de carbono por lo que se busca reducirlo a un máximo de 2%. Todo esto hace necesario el proceso de refinación, comúnmente conocido como “afino del acero”.

Los modernos métodos de producción del acero utilizan el arrabio como materia prima. El afino se efectúa por los siguientes métodos: convertidor (hogar abierto), proceso de inyección por oxígeno (soplado) y con horno eléctrico.

MÉTODOS DE AFINO DEL ACERO:

●     Convertidor: Este método se efectúa dentro de un gran recipiente revestido de una materia refractaria y con el fondo perforado. Es colada a una temperatura de 1300 ºC se agrega al convertidor que se mantiene en posición horizontal que evita que el líquido alcance los orificios. El convertidor se endereza y comienza el soplado de aire una vez terminada la carga. Con esto se logra una temperatura de 1600ºC. El proceso con el convertidor es muy rápido y dura alrededor de 20 minutos.

●     Proceso de inyección por oxígeno (soplado): Consiste en introducir un tubo al recipiente justo en la superficie del arrabio, insuflando oxígeno a gran presión, que permite una reducción rápida de los componentes lográndose así un afino en un corto tiempo y con buenos resultados de calidad del acero.

●     Con horno eléctrico: Está constituido por un horno recubierto de una bóveda, es con frecuencia basculante para facilitar el vaciado y la colada. Se emplean hornos de, arco independiente, hornos de arco directo con solera conductora o sin ella, hornos de resistencia, hornos de inducción. Los hornos eléctricos alcanzan fácilmente las 80 toneladas de arrabio y algunos las 200 toneladas, y permiten la utilización de acero homogéneo y bien desoxidado. Otra ventaja que presentan es la de fácil control de temperatura; así mismo alcanzan rápidamente temperaturas elevadas.

• Afino en hogar abierto: Son hornos de gas que funden en su interior a 1 800ºC lingotes de arrabio solidificado y chatarra. Al alcanzar dicha temperatura se destruyen todas las impurezas y se consiguen aceros de calidad aptos para fabricar piezas de maquinaria.
  El horno es un recipiente rectangular con puertas para combustible y gases en ambos extremos. Estas puertas deben dirigir los gases hacia abajo, hacia la carga o baño del metal. La llama y los gases calientes pasan por encima del baño y salen por el extremo opuesto del horno.Los gases de la combustión atraviesan uno o dos regeneradores antes de perderse en la chimenea; se colocan calderas después de los regeneradores para recuperar el calor.
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• Proceso de arco eléctrico: El calor se genera, por la resistencia que la masa de hierro presenta al paso de la corriente. Se funde en un crisol de arcilla refractaria, hierro dulce de elevada pureza, con cantidades perfectamente medidas de fundición de hierro. La fuente de calor es un arco eléctrico continuo, que se forma entre los electrodos y el metal cargado . Existen normalmente tres electrodos de grafito, que pueden ser de hasta 750 mm (30 pulg) de diámetro y de 1.5 a 2.5 m (5 a 8 pies) de longitud. Su altura dentro del horno se puede ajustar en respuesta a la cantidad de metal presente y al desgaste de los electrodos.
  

• Afino por medio de cubilote: El cubilote es un horno cilíndrico con una altura de 10 m, recubierto de ladrillo refractario, en el cual se introducen capas alternadas de arrabio y de carbón de coque (tras encender con maderas) hasta sobrepasar la altura de las toberas.Una vez incandescente se añade el fundente y se inyecta aire por las toberas. El metal fundido cae en un crisol y cuando está lleno se abre la piquera y se recoge el metal en cucharas de colada para después verter en los moldes de fundición. Las toberas son boquillas a través de las cuales pasa el aire al interior del horno desde la caja de viento. .    

1.5. PROCESOS TECNOLÓGICOS PARA LA OBTENCIÓN DEL ACERO, HORNOS BOF, ELÉCTRICOS, CONVERTIDORES BESSEMER Y THOMAS

Una vez obtenido el arrabio o el hierro esponja (es de mayor pureza que el arrabio, producido en horno de calcinación y un alto horno) es necesario refinar al hierro para que se transforme en material útil para diferentes objetos o artefactos, o sea en hierro o acero comercial.

PRINCIPALES PROCESOS DE LOS HIERROS Y ACEROS COMERCIALES.

• CONVERTIDOR BESSEMER- THOMAS

El procedimiento Bessemer fue el primer proceso de fabricación químico que sirvió para la fabricación en serie de acero, fundido en lingotes, de buena calidad y con poco coste a partir del arrabio. Este procedimiento fue llamado así en honor de Henry Bessemer, quien obtuvo la patente en 1855 y la utilizó a través de la Henry Bessemer and Company, sociedad implantada en Sheffield, ciudad del Norte de Inglaterra.

El procedimiento fue descubierto de forma independiente en 1851 por William Kelly. El mismo también había sido usado fuera de Europa durante cientos de años, pero no a una escala industrial. El principio clave es la retirada de impurezas del hierro mediante la oxidación producida por el insuflado de aire en el hierro fundido. La oxidación causa la elevación de la temperatura de la masa de hierro y lo mantiene fundido.

HORNO

Es un horno en forma de pera que está forrado con refractario de línea ácida o básica. El convertidor se carga con chatarra fría y se le vacía arrabio derretido, posteriormente se le inyecta aire a alta presión con lo que se eleva la temperatura por arriba del punto de fusión del hierro, haciendo que este hierva. Con lo anterior las impurezas son eliminadas y se obtiene acero de alta calidad. Este horno ha sido substituido por el BOF.

              

Horno Bessemer

• HORNO BÁSICO DE OXÍGENO (BOF)

El Proceso BOF se originó en Austria en 1952, fue hecho para convertir arrabio con bajo contenido de fósforo (0.3%) se bautizó con las iniciales LD Lanza de Linz, Luego la técnica se extendió para arrabios de alto fósforo, mediante la adición al chorro de oxígeno de polvo de piedra caliza. Entonces se logró la producción de aceros con arrabio de contenidos con alto fósforo que llegan al 2%.

Es un horno muy parecido al Bessemer con la gran diferencia de que a este horno en lugar de inyectar aire a presión se le inyecta oxígeno a presión, con lo que se eleva mucho más la temperatura que en el Bessemer y en un tiempo muy reducido. El nombre del horno se debe a que tiene un recubrimiento de refractario de la línea básica y a la inyección del oxígeno. La carga del horno está constituida por 75% de arrabio procedente del alto horno y el resto es chatarra y cal. La temperatura de operación del horno es superior a los 1650°C y es considerado como el sistema más eficiente para la producción de acero de alta calidad. Este horno fue inventado por Sir Henrry Bessemer a mediados de 1800, sólo que como en esa época la producción del oxígeno era cara se inició con la inyección de aire, con lo que surgió el convertidor Bessemer.

                                                Funcionamiento del horno básico de oxígeno.

• HORNO DE ARCO ELÉCTRICO

Por lo regular son hornos que sólo se cargan con chatarra de acero de alta calidad. Son utilizados para la fusión de aceros para herramientas, de alta calidad, de resistencia a la temperatura o inoxidables. Considerando que estos hornos son para la producción de aceros de alta calidad siempre están recubiertos con ladrillos de la línea básica.

Existen hornos de arco eléctrico que pueden contener hasta 270 toneladas de material fundido. Para fundir 115 toneladas se requieren aproximadamente tres horas y 50,000 kwh de potencia. También en estos hornos se inyecta oxígeno puro por medio de una lanza. Los hornos de arco eléctrico funcionan con tres electrodos de grafito los que pueden llegar a tener 760mm de diámetro y longitud de hasta 12m. La mayoría de los hornos operan a 40v y la corriente eléctrica es de 12,000 A.

Estos equipos tienen un crisol o cuerpo de placa de acero forrado con refractario y su bóveda es de refractario también sostenida por un cincho de acero, por lo regular enfriado con agua. Para la carga del horno los electrodos y la bóveda se mueven dejando descubierto al crisol, en el que se deposita la carga por medio de una grúa viajera.

Estos equipos son los más utilizados en industrias de tamaño mediano y pequeño, en donde la producción del acero es para un fin determinado, como varilla corrugada, aleaciones especiales, etc.

Horno de arco eléctrico

FUENTES DE INFORMACIÓN:

•  Medellín Miguel. (2012). Procesos Tecnológicos. 2014, de Todo sobre Ingeniería Sitio web: https://todoingenieriaindustrial.wordpress.com/procesos-de-fabricacion/4-procesos-tecnologicos-para-la-obtencion-del-acero-hornos-bof-electricos-convertidores-bessemer-y-thomas/

• JonhnA. Schey. Procesos de Manufactura. Mc Graw Hill, 3era edición, 2000.

• Medina, D. M. (2010). TESOEM. La Paz, Edo, de Mexico. Recuperado de: http://www.tesoem.edu.mx/alumnos/cuadernillos/2010.025.pdf

• Lopez, A. D.  (2016). Prezi. Los Rios, Tabasco. Recuperado de: https://prezi.com/folcetjh8usj/11-proceso-tecnologico-del-hierro-de-primera-fusion/

• Torres A.. (2014). Afino del acero. 2015, de Todo sobre Ingeniería Sitio web: https://todoingenieriaindustrial.wordpress.com/procesos-de-fabricacion/3-afino-del-acero/