01 fabricación y metalugia del acero (1)

8/18/2019 01 Fabricación y Metalugia Del Acero (1)

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Fabricación Metalur ia del Acero

El acero es un material artificial y corresponde básicamente a hierro

altamente refinado, con menos de un 2% de carbono, y la

incorporación de algunos otros elementos químicos que le confieren

distintos tipos de propiedades según el uso que se le quiera dar.

,

medio ambiente, por lo que tiende a convertirse nuevamente en

mineral de óxido de fierro si no se le confiere una adecuada

protecci n.


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Para fabricarlo se emplean dos etapas:

1. Combustión en horno a 1460°C del mineral de hierro, caliza y

carbón, con lo que se obtiene el denominado “arrabio” ( El

obtenido en Huachipato, Chile, está compuesto por los siguientes

porcentajes de elementos químicos: 93.7% de hierro (Fe), 4.5% de

Carbono (C), 0,40% de Manganeso (Mn), 0.45% de Silicio (Si),

0.11% de fósforo (P), 0.025% de azufre (S), 0.35% de Vanadio y

0.06% de Titanio),

hacerlo queda con exceso de carbono y de algunas impurezas

como las mencionadas en los porcentajes indicados.


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Alto Horno en CSH

Cía. Siderúrgica Huachipato (CSH) cuenta con 2 Altos Hornos en su Planta de

TalcahuanoEl 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 ara 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 cá sula disminu e hacia arriba hacia aba o 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 llamadastoberas or donde se fuerza el aso 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 arte su erior del horno, cu a altura

es de unos 30 m, contiene respiraderos para los gasesde escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por

válvulas en forma de campana, por las que se introduce

la car a 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.


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Carga típica en Alto Horno de

CSH

Composición química del

Arrabio

Componenteskg/

tkg/carga

Mineral de Hierro 490 9.600

Elementos %

Fierro (Fe) 93,70

Pellets 995 19.600

Chatarra 15 300

,

Manganeso (Mn) 0,40

Silicio (Si) 0,45

Fósforo P 0,110

Caliza 112 2.300

Cuarzo 12 250

Azufre (S) 0,025

Vanadio (V) 0,35

Titanio (Ti) 0,06

Coque 451 9.200

Petróleo + Alquitrán 44 899

Aire Insuflado1.530

m3/min

Temperatura en Alto Horno : 1.460ºC

Temperatura Aire

Insuflado1.030ºC


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Las materias primas se cargan (o se vacían) en la parte superior del horno. El

aire, que ha sido precalentado hasta los 1.030ºC aproximadamente, es forzado

.genera el intenso calor requerido para fundir el mineral y produce los gases

necesarios para separar el hierro del mineral. En forma muy simplificada las

reacciones son:

+ +

Carbono(Coque)

Oxígeno(aire)

CalorMonóxido de Carbono

Gaseoso

+ +

2C O2 Calor 2CO

Oxido deHierro

Fe2O3

Monóxido deCarbono

3CO

HierroFundido

2Fe Hierro

Dióxido de CarbonoGaseoso

3CO2

Impurezas en el Mineral Derretido + Piedra Caliza ESCORIA

Los altos hornos funcionan de forma continua. La materia prima que se va a

introducir en el horno se divide en un determinado número de e ueñas car as

que se introducen a intervalos de entre 10 y 15 minutos. La escoria que flota

sobre el metal fundido se retira una vez cada dos horas, y el arrabio se sangracinco veces al día.


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Vaciado de Arrabio

El arrabio se vacía a uno o más carros torpedos para ser trasladado al área de Acería, cada carro es capaz de contener 200 toneladas de Arrabio

Vaciado de Arrabio en Carro Torpedo


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2. Refinación del arrabio en la acería para obtener el acero

deseado.

En esta etapa también se produce la combustión en otro horno,

llamado convertidor, en que se inyecta oxigeno de maneracontrolada para remover el exceso de carbono y las impurezas

mencionadas a la vez ue se incor oran otros elementos

químicos que son beneficiosos para obtener determinados tipos

de acero, como la incorporación de Cromo y Níquel para obtener

.


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Acería de Convertidores al Oxígeno

Se cuenta con dos convertidores de 100 toneladas cada uno. El arrabio roveniente de los Altos Hornos se carga junto con chatarra de acero. Por la acción del oxígeno puro que se

inyecta al convertidor se oxidan el carbono, silicio y fósforo del arrabio. Estas reacciones son

exotérmicas y causan la fusión de la carga metálica fría sin necesidad de agregar ningún

combustible or adición de cal se forma la escoria en ue se fi an las im urezas oxidadas.

Se agregan también las ferroaleaciones que imparten las características principales a los

diversos tipos de aceros.

El tiempo requerido para procesar una hormada de 100 toneladas en aproximadamente 50

m nu os. acero qu o as pro uc o se rec e en cuc ara as e one a as e

capacidad. Este acero puede enviarse a la colada continua o vaciarse en moldes para

fabricar los lingotes que se envían al Laminador Debastador.


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REFINACION DEL ARRABIO:En el alto horno, el oxígeno fue removido del mineral por la acción del CO (monóxido de

,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

.

forma simplificada la reacción es :

Carbono + Oxígeno MONOXIDO DE CARBONO GASEOSO

2C + O2 2CO


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La temperatura de colada en que se obtiene el material final fundido

a arece unto a la de otros materiales de interés en la Tabla si uiente.

Aleación °F °C

Soldadura de estaño ~450 ~230

Estaño ~600 ~300

Tabla de Temperaturas de Colada

Plomo ~650 ~345

Aleaciones de zinc 650-850 345- 455 Aleaciones de aluminio 1150-1350 620- 735

Aleaciones de magnesio 1150-1350 620- 735

Aleaciones en base a cobre 1650-2150 900-1180

Hierro fundido 2450-2700 1340-1480

Monel (70 Ni, 30 Cu) 2500-2800 1370-1540

Super aleaciones de Niquel 2600-2800 1430-1540

Aceros de alta aleación 2700-2900 1480-1600Hierro de alta aleación 2800-3000 1540-1650

Aceros al carbono y baja aleación 2850-3100 1565-1700

Aleaciones de Titanio 3100-3300 1700-1820

Aleaciones de Zirconio 3350-3450 1845-1900

Para los moldes en que estos materiales se depositan, se emplea arena ymateriales cerámicos cuyas temperaturas límites como materiales refractarios

oscilan entre los 3,000 - 3,330°F (1650-1820°C).


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Estructura interna del acero:

Un metal en general está internamente ordenado en celdas cristalinas como porejemplo la celda cúbica simple, y otras de mayor complejidad como la celda cúbicacentrada en el cuerpo que se muestra en la figura 1.

Cuando el metal fundido solidifica, en varios puntos se comienzan a reunir

moléculas y forman un núcleo ordenado que crece en todas direcciones. Las

en una maqueta.

Las agrupaciones de celdas que comienzan a solidificar, crecen

tridimensionalmente hasta toparse unas con otras, deteniendo el crecimiento.


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y zonas denominadas límites de grano o fronteras de grano, en donde no existe orden alguno.En la figura 4 se muestra una micrografía obtenida con un microscopio electrónico, donde seaprecian granos y sus fronteras.


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Para observar esto en un microscopio, se pule una superficie plana, lo que corta los granos en

.ácida denominada ataque, la cual corroe los granos en mayor o menor grado, dependiendo desu orientación cristalina. En la figura 5 se muestra una metalografía con granos de aceroampliada 175 veces.

Las propiedades físicas de los aceros y su comportamiento a distintas temperaturas dependen

sobre todo de la cantidad de carbono y de su distribución en el hierro. Antes del tratamiento

térmico, la mayor parte de los aceros son una mezcla de tres sustancias: ferrita, perlita y

cementita.


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a err a, an a y c , es erro con peque as can a es e

carbono y otros elementos en disolución.

La cementita, un compuesto de hierro con el 7% de carbono

aproximadamente, es de gran dureza y muy quebradiza.

La perli ta es una profunda mezcla de ferrita y cementita, con una

propiedades físicas son intermedias entre las de sus dos

componentes.

térmicamente depende de las proporciones de estos tres

ingredientes. Cuanto mayor es el contenido en carbono de un

acero menor es la cantidad de ferrita ma or la de erlita: cuando

el acero tiene un 0,8% de carbono, está por completo compuesto de

perlita. El acero con cantidades de carbono aún mayores es una

mezcla de perlita y cementita.


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,forma alotrópica (presenta diferentes estructuras moleculares en el mismo estado

físico) .de aleación de hierro y carbono conocida como austenita, que tiene la

propiedad de disolver todo el carbono libre presente en el metal. Si el acero se

enfría despacio, la austenita vuelve a convertirse en ferrita y perlita, pero si el

enfriamiento es repentino la austenita se convierte en martensita, una

modificación alotrópica de gran dureza similar a la ferrita pero con carbono en

so uc n s a.

la cantidad presente de cada elemento aleante. Esto se puede graficar en los

llamados diagramas de fases, que indican las posibles combinaciones en función

de la composición química de la aleación y de la temperatura. Estos diagramas

sirven para seleccionar los tratamientos térmicos y optimizar la composición de laaleación en función a la microestructura que se desea obtener.


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En la figura 6 se muestra el diagrama de fases de la aleación Fierro Carbono, que muestra en el ejevertical la temperatura y en el eje horizontal la composición química. En el extremo izquierdo se encuentrala composición 100% Fe y 0% C y en el extremo derecho se encuentra la composición 100% C y 0% Fe.

los aceros y las fundiciones de mayor uso.

Figura 6

Este verdadero mapa de ordenamientos cristalinos muestra cómo el metal al solidificar se dispone en

diversas formas. Al variar la temperatura, los cristales ganan o pierden energía y buscan una nueva

ordenación tratando siempre de permanecer estables


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Propiedades mecánicas del acero

en función de la temperatura

En el diagrama:

E= Módulo de elasticidad [ Kg/mm2 ]

μ= Módulo de Poisson

r

[ Kg/mm2 ]

σf = Tensiónde fluencia para acero

de dureza natural [ Kg/mm2 ]

proporcionalidad para acero estirado

en frío [ Kg/mm2 ]

t°= Temperatura en ° Celsius.

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