Materiales ferrosos o férricos

Definición: Se denominan metales ferrosos o férricos a aquellos que contienen hierro como elemento base; pueden llevar además pequeñas proporciones de otros.

Principales yacimientos de mineral de hierro:

En la siguiente imagen se pueden observar los principales yacimientos de hierro de españa, aunque ya no se explota practicamente ninguno de ellos.

En el siguiente gráfico se muestran los principales países productores de mineral de hierro:

La tendencia actual de explotacion de yacimientos es la extraccion a cielo abierto, debido al bajo precio del material y al encarecimiento de extración por galerias, los yacimientos más importantes son: Río Doce (Brasil), Cerro Bolívar (Venezuela) y Miferma (Mauritania).

Tipos de minerales de hierro:

Actualmente solamente se suelen aprovechar los siguientes:




Imagen de una magnetita: 75% de pureza.


Imagen de hematites, pureza: 70%.

Imagen de limonita, pureza: 60%

Imagen de siderita, pureza: 50%

Procesos de obtención del acero y otros productos ferrosos

En la actualidad, los productos ferrosos se obtienen, casi en su totalidad, de dos maneras, dependiendo de la materia prima empleada. Estos procedimientos son a través del horno alto (usando mineral de hierro) y a través del horno eléctrico (empleando chatarra).

A continuacion, se explica el funcionamiento de estos procedimientos (los numeros entre paréntesis hacen referencia a la numeracion de la figura).

A-Materia prima del horno alto:

La materia prima, formada por mineral de hierro (60%), carbón de coque (30%) y fundente (10%), se introduce en el horno alto por la parte superior.

• Mineral de hierro (1). Antes de ser introducido en el horno alto se debe someter a una serie de tratamientos preliminares. Estos tratamientos consisten en triturar y moler el mineral, para posteriormente separar la parte útil (mena) de la no aprovechable (rocas, cal, sílice, tierra, etc.), que constituye la ganga.

• Carbón de coque (2). Se ha creado artificialmente a partir de la hulla. Su misión, dentro del horno alto, es la siguiente:

– Producir, por combustión, el calor necesario para fundir la mena y generar las reacciones químicas necesarias para que el óxido de hierro (mineral de hierro) se convierta en arrabio.

– Soportar el peso de la materia prima introducida, permitiendo que no se aplaste, para que pueda arder en la parte inferior y salgan los gases hacia la parte superior del horno.

• Fundente (3). Compuesto por piedra caliza o, lo que es lo mismo, cal (siempre que el mineral tenga composición ácida), cuya misión es:

– Reaccionar químicamente con la ganga que haya podido quedar en el mineral, arrastrándola
hacia la parte superior de la masa líquida, y formando lo que se denomina escoria.

– Bajar el punto de fusión de la ganga para que la escoria sea líquida.

B- Funcionamiento del horno alto:

El horno alto (4), una vez encendido, está funcionando ininterrumpidamente hasta que es necesario hacerle una reparación.

A medida que se introduce la carga por la parte superior, ésta va bajando y su temperatura aumentando hasta llegar al etalaje (imagen inferior). Aquí la temperatura ronda los 1 650 °C, suficientes para que el mineral de hierro (mena) se transforme en gotitas de hierro que se depositan en el crisol (imagen inferior).

La cal (fundente) reacciona químicamente con la ganga formando la escoria, que flota sobre el hierro fundido. Por un agujero, llamado bigotera o piquera de escoria, se extrae, cada dos horas, la escoria. Esta escoria se emplea en la fabricación de cementos, balastros de vías de ferrocarril y aislante térmico.

Periódicamente, se abre la piquera de arrabio y se extrae el hierro líquido que hay en el crisol. Este hierro líquido se llama arrabio o hierro de primera fusión (5) y contiene muchas impurezas, así como un exceso de carbono, por lo que normalmente no tiene ninguna aplicación.

Casi la totalidad del arrabio se convierte en acero a través del convertidor o procedimiento LD. A veces, el arrabio se solidifica en moldes especiales, formando lingotes.

Rodeando al horno, alto a la altura del etalaje, se encuentra el anillo o morcilla (tubo de gran diámetro), del cual se extrae aire caliente que se introduce en el horno a través de las toberas.

Aqui vemos un video explicativo: http://www.youtube.com/watch?v=s5XCsWTBawI

C- Transformación del arrabio en acero, convertidor:

El arrabio posee un exceso de impurezas (azufre, fósforo, silicio, etc.) que lo hace demasiado frágil y poco adecuado para la fabricación de piezas industriales.

La solución consiste en eliminar la mayoría de esas impurezas en hornos adecuados, denominados hornos de afino.

El horno más empleado en el afino del acero se denomina convertidor o procedimiento LD (7).

El transporte del arrabio desde el horno alto hasta el convertidor se lleva a cabo mediante trenes con depósitos especiales, llamados torpedos (imagen inferior).

• Materia prima que emplea el convertidor LD:



– Arrabio líquido, pero también se le pueden añadir pequeñas cantidades de chatarra.



– Fundente (cal, que reacciona con las impurezas y forma la escoria que flota sobre el metal fundido).



– Ferroaleaciones, que mejoran las propiedades del acero.


• Características del horno convertidor:

– Interiormente está recubierto de ladrillo refractario.
– La producción por hornada suele ser de unas 300 toneladas de acero de gran calidad.
– Cada hornada suele durar aproximadamente una hora.

• Funcionamiento del horno convertidor. El proceso de funcionamiento se muestra en la imagen inferior:

D- Obtención de acero a través de la chatarra:

En la actualidad, prácticamente el único horno que se emplea para convertir la chatarra en acero es el horno eléctrico (imágen inferior).

Las partes más importantes de un horno eléctrico pueden verse en la imágen inferior y son
las siguientes:

• Transformador eléctrico. Convierte el voltaje a 900 V y transforma la corriente eléctrica alterna en corriente continua.

• Cables flexibles. Conducen la electricidad hasta los electrodos (14).

• Brazos de los electrodos. Permiten que los electrodos se acerquen o se alejen de la chatarra para que salte el arco eléctrico.

• Sujeción de electrodos.

• Pórtico con brazos hidráulicos . Permite quitar y poner la tapadera del horno eléctrico para introducir la chatarra, las ferroaleaciones y el fundente.

• Salida de humos refrigerada . Conduce los humos a un filtro (en muchos casos, cortina de agua), eliminando las partículas en suspensión.

• Estructura oscilante. Permite inclinar el horno para extraer el acero fundido. Para ello dispone de un dispositivo de volteo hidráulico.

Las materias primas que utiliza el horno eléctrico son:

• Chatarra seleccionada que, prácticamente, no lleve otros metales no ferrosos, como cobre, aluminio, plomo, etcétera.
• Fundente (cal).
• Ferroaleaciones, por ejemplo con Ni, Cr, Mo, etc., para fabricar aceros especiales.

Las características principales del horno eléctrico son:

• Interiormente está recubierto de ladrillo refractario.
• En el interior del horno se pueden llegar a alcanzar temperaturas de hasta 3 500 °C, con lo que es muy adecuado para fundir no solamente aleaciones ferrosas, sino cualquier otra cuyo punto de fusión sea alto, como wolframio, tántalo, molibdeno, etcétera.
• La carga del horno es de unas 100 toneladas.
• Cada hornada dura aproximadamente 50 minutos.

El funcionamiento del horno eléctrico es el siguiente:

1. Se quita la tapadera y se introduce la chatarra y el fundente.
2. Se cierra el horno y se acercan los electrodos a la chatarra, para que salte el arco eléctrico y comience a fundir la chatarra (imágen inferior, A).
3. Cuando la chatarra está fundida, se inyecta oxígeno para eliminar los elementos indeseables del baño, como silicio, magnesio, fósforo, etcétera.
4. Se inclina el horno y se extrae la escoria (imágen inferior,B). A continuación se le añade el carbono y ferroaleaciones y se sigue calentando hasta que las adiciones se disuelvan y se uniformice la composición del baño.
5. Se inclina el horno y se vierte el acero en la cuchara, que lo llevará al área de moldeo
(imágen inferior,C).

Colada de acero

El acero líquido obtenido a través del horno eléctrico (4A) o utilizando el convertidor ( 7) se solidifica, empleando alguno de los siguientes métodos de colada: colada convencional (moldeo) ( 9), colada sobre lingoteras (11) y colada continua (10).


Colada convencional: Consiste en verter el acero líquido sobre moldes con la forma de la pieza que se desea obtener. Posteriormente, se deja enfriar el metal y más tarde se extrae la pieza.

Colada contínua: Es el procedimiento de colada más moderno y económico que existe. Consiste en verter el acero líquido sobre un molde sin fondo ni tapadera, con forma curva y sección transversal con la forma geométrica del producto a obtener. El acero líquido, a medida que se va desplazando, se va enfriando.

Colada sobre lingoteras: Si en un momento determinado la demanda de productos ferrosos es baja y no tienen salida comercial (cosa que suele ocurrir muy pocas veces), lo que se hace es colarlo (solidificarlo) en el interior de lingoteras (moldes prismáticos de fundición, con forma troncocónica y sección transversal cuadrada) y dejarlo enfriar. Posteriormente, se extrae la lingotera y se almacenan los lingotes hasta que la demanda aumente.

Trenes de laminación

La laminación consiste en hacer pasar el material (acero solidificado) entre dos rodillos o cilindros que giran a la misma velocidad pero en sentido contrario (véase la Figura 9.17).

De esta manera se reduce la sección transversal y se aumenta su longitud.

Existen dos tipos de laminación:

• Laminación en caliente. La temperatura del material suele ser de unos 1 000 °C.
• Laminación en frío. Se realiza a temperatura ambiente.

La cantidad de trenes de laminación, así como la forma de los rodillos, dependerá del producto que se quiera obtener. En cualquier caso, siempre habrá uno o varios trenes desbastadores y secciones de enfriamiento(imagen inferior, en la que: 1- Tren desbastador 2-Sección de enfriamiento 3- Tren de bandas (para fabricación de chapa fina).

Productos ferrosos

Clasificación de los productos ferrosos:

Atendiendo a la proporción de carbono existente, los productos ferrosos se pueden clasificar en hierros, aceros, fundiciones y grafitos (imagen inferior).

• Hierros. Son aquellos productos ferrosos cuyo porcentaje de carbono está comprendido entre el 0,01 y 0,03%. Son muy blandos y difíciles de obtener, por lo que tienen pocas aplicaciones industriales.

• Aceros. Son aleaciones de hierro-carbono, pudiendo contener otros elementos químicos.
El porcentaje de carbono está comprendido entre el 0,03 y 1,76 %.

• Fundiciones. Son aleaciones de hierro-carbono, pudiendo tener otros elementos químicos.
El porcentaje de carbono oscila entre el 1,76 y 6,67 %.

• Grafitos. Se obtienen cuando el porcentaje de carbono es mayor del 6,67 %. En la práctica
no tienen aplicaciones, ya que son muy frágiles.

Diagrama de hierro-carbono:

Es una representación gráfica del comportamiento de la aleación Fe-C en función de la temperatura y del tanto por ciento de carbono.

Imagínate que dispones de una gran cantidad de probetas (por ejemplo, 667) que contienen solamente Fe y C, y que todas ellas tienen una proporción de carbono distinta (cada una posee un 0,01 % C más que la anterior).

Ahora dibuja dos ejes de coordenadas. En el eje de abscisas representa los porcentajes de carbono, desde 0 hasta 6,67 %. En el eje de ordenadas dibuja las temperaturas que irán desde temperatura ambiente hasta 1 600 °C.

A continuación supón que coges la probeta que menor porcentaje de carbono tenga y la empiezas a calentar lentamente, desde la temperatura ambiente hasta unos 1600 °C. En el gráfico irás anotando a qué temperatura se convierte en líquido o coexiste líquido y sólido (pastoso).

Tendrías que ir repitiendo el mismo proceso para cada una de las 667 probetas (cuyo porcentaje de carbono iría desde 0 hasta 6,67 %). Uniendo todos los puntos obtendrías el diagrama de hierro-carbono de la Figura 9.19. Observando el gráfico, cabe resaltar que:

• El hierro puro pasa de estado sólido a líquido a la máxima temperatura (unos 1530 °C).

• A medida que aumenta el tanto por ciento de carbono (hasta llegar al 4,3 %), disminuye la temperatura de fusión. A partir del 4,3 % C la temperatura de fusión empieza a aumentar de nuevo.

• La temperatura de fusión más baja de una aleación de hierro-carbono corresponde a una aleación de 4,3 % de carbono (1 130 °C).

Tipos de acero

Aceros no aleados:

Se consideran aceros no aleados cuando el porcentaje de los elementos químicos que intervienen en la aleación está por debajo del máximo indicado en la siguiente tabla.

Según el porcentaje de carbono, los aceros se clasifican en los tipos recogidos en la siguiente tabla.

Aceros aleados o especiales:

Son aquellos aceros que, además de los elementos hierro y carbono, contienen algún otro en proporciones superiores a las indicadas en la del contenido límite para aceros no aleados.

En la actualidad, casi la totalidad de los aceros que se utilizan son aceros aleados, pues los elementos de aleación mejoran considerablemente sus propiedades. Existen varias formas de clasificar los aceros aleados. Una de las más utilizadas es la denominada designación convencional numérica, en la que se clasifican los aceros según su aplicación. Según esta designación, cada acero se indica mediante la letra mayúscula F, seguida de un guión y de cuatro cifras:

• La primera cifra indica aplicaciones generales de los aceros, tal y como se indica en la
inferior.

• La segunda cifra señala características del acero. Así, por ejemplo, F-3200 es un acero
inoxidable para válvulas de motores de explosión.

• Las dos últimas cifras tienen un valor clasificatorio y se van colocando a medida que se
van descubriendo los distintos aceros

Presentaciones comerciales del acero

Las formas más comunes de los aceros que se emplean en la industria mecánica y metálica se pueden clasificar en tres grandes grupos: palastros, barras y perfiles.

• Palastros. Son chapas laminadas de medidas que oscilan entre 1 x 2 metros y 3 x 3
metros.

• Barras. Son piezas mucho más largas que anchas, macizas y de secciones variables. Las secciones más importantes se muestran en la siguiente imagen:

Si la sección de la barra es redonda y su diámetro menor de 5 mm, teniendo una gran longitud, se denomina alambre. Cuando las pletinas tienen un espesor muy pequeño y gran longitud se denominan flejes véase en la siguiente imagen:

• Perfiles. Son piezas huecas de secciones variables, cuya longitud puede oscilar entre 5 y 12 metros. Los perfiles más usuales (véase en la primera imagen inferior) son: angular, IPN (doble
T), en T, tubular, cuadrado y rectangular. Existen otros perfiles, denominados especiales (véase en la segunda imagen inferior) que se emplean para otros usos, como ventanas, puertas de coches, estructuras de aviones, etcétera.

Fundiciones

Las fundiciones son aleaciones de hierro-carbono que, además, pueden contener otros elementos. El tanto por ciento de carbono oscila entre el 1,76 y 6,67 %.

Las características de una fundición no solamente dependen de su composición, sino del proceso de fabricación.

Clasificación de las fundiciones:

Las fundiciones se clasifican atendiendo a la fractura (aspecto y color que adquiere cuando
se rompe), las propiedades y la composición.

Impacto medioambiental de los productos ferrosos

El empleo de productos ferrosos acarrea grandes impactos sobre el medio ambiente. Algunos de estos impactos ocurren en tres momentos bien diferenciados:

• A la hora de obtener la materia prima. La mayoría de las minas de mineral de hierro que se explotan en la actualidad se hacen a cielo abierto. Ello ocasiona un gran impacto acústico, paisajístico y de destrucción de hábitats.

La fabricación del carbón de coque (coque metalúrgico) emite a la atmósfera, entre otros, los siguientes elementos contaminantes: CO, CO2, amoniaco, alquitrán, cenizas y humos.

• Durante la transformación del mineral en producto comercial. Las emisiones que se pueden liberar a la atmósfera en el horno alto, hornos de afino, laminación, etc., son:

– Metales pesados, como plomo, cadmio, mercurio, etc., que contaminan el aire, el agua y la tierra.

– Gases residuales y polvo.

– Gases de horno alto y horno eléctrico, como pueden ser CO, CO2, SOx, NOx, etcétera. Además, se producen otros tipos de contaminación, como:

– Lodos procedentes de la depuración de los gases.

– Aguas residuales contaminadas con aceites, ácidos, etcétera.

– Contaminación acústica.

Algunas de las medidas utilizadas para contrarrestar estos efectos son:

– Aislamiento de las zonas en las que haya máquinas que emitan un gran ruido.

– Filtraje de partículas, metales pesados y gases.

– Separación de zonas industriales de núcleos urbanos.

• Al desechar o reciclar un producto ferroso usado. El reciclado, desgraciadamente, también tiene impacto sobre el medio ambiente; pero los efectos de este impacto son mucho menores que los ocasionados al fabricar el producto a partir del mineral de hierro.