24.- fundamentos de metalurgia

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EXPLORACIÓN Y PRODUCCIÓNEXPLORACIÓN Y PRODUCCIÓN

24.- FUNDAMENTOS DE LA METALURGIA 24.1.- Origen y elaboración de los metales Los metales se encuentran en depósitos naturales en la capa terrestre; a estos

depósitos se les conoce como minerales. La mayoría de los minerales en

estado natural están contaminados con impurezas, las cuales deben ser

removidas o eliminadas mediante procesos químicos o mecánicos para

purificarlos. De manera excepcional, algunos metales se encuentran en estado

natural.

Los metales que se extraen de los minerales son denominados como metales

vírgenes o primarios y alos que se obtienen de la chatarra se les denomina

metales secundarios.

Fig. 24.1.1 Capa terrestre

Composición de la capa terrestre. Se entiende por capa terrestre Fig. 24.1.1 a la capa superficial que envuelve a

la tierra hasta una profundidad de 16 Km.; Algunas zonas de esta capa

contienen altas concentraciones de metales a los que se les conoce como

depósitos minerales.

La extracción de estos minerales se conoce como minería y se lleva a cabo

mediante los sistemas de excavación subterránea o de tiro abierto.

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Existen dos tipos de minería: la selectiva, en la cual se trabajan pequeñas

vetas o camas de mineral de alta concentración y la masiva, en la cual se

extraen grandes Cantidades de mineral de baja ley para extraer junto con

ellos las porciones de alta concentración.

Entre los minerales ferrosos más importantes tenemos: Hematita (Fe

2O

3) 70.0% Fé

Magnetita (Fe

2O

4) 72.4% Fe

Taconita Es un mineral ferroso embebido en una matriz cuarzosa de

compuestos silicosos y es la propia fuente de la Hematita y la Magnetita; su

contenido de Fe es de aproximadamente 30%.

24.2.- El acero y su Fabricacion

Se puede aprender mucho de la metalurgia de la soldadura si se entiende

como se producen los distintos tipos de acero, ya que algunos de los

procesos químicos que ocurren durante la elaboración del acero se repiten

durante la operación de la soldadura.

Fig24.2.1 Alto Horno

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El Alto Horno El mayor porcentaje de arrabio producido comercialmente

proviene de altos hornos. El tamaño de un alto horno moderno es de

aproximadamente 30 Mts. de altura y un diámetro interior de 10 Mts.; su

cubierta exterior es de acero y su interior esta recubierto con densos

ladrillos refract5arios, duros y de alta calidad, diseñados especialmente para

este tipo de servicio extra-pesado.

El tiempo que se pueda operar continuamente un alto horno depende de la

vida útil del material refractario que normalmente permite a los altos hornos

operar sin interrupción por periodos de entre 3 y 7 años.

La operación del alto horno Fig. 24.2.1 se basa en la reaccion quimica que

se produce entre la carga solida y el flujo ascendente de gas en el horno.

La carga consiste principalmente de: mineral ferroso, fundente y coque. El

mineral ferroso es oxido de hierro en trozos de aproximadamente 10 cm, de

diámetro. El fundente es piedra caliza, la cual se compone de Cao y Co”, la

Cal reaciona con la impurezas contenidas en el mineral y el coque para

formar escoria. El coque es el combustible ideal para el alto horno, ya que

al quemarse produce Gas CO que es el principal agente reductor en la

producción de acero.

La funcion basica del alto horno consiste en reducir el oxido de hierro en

hierro metalico basico, y eliminar las impurezas contenidas en el mineral.

Algunos elementos reducidos como el carbon, silicio, manganeso, azufre y

fosforo

(C, Si, Mn, S, P) permanecen con el hierro y los elementos oxidados (CaO,

CaS, SiO2, Al2O3, MgO, MnO) se disuelve en la escoria.

Al metal final que se obtiene del alto horno se le llama “arrabio” y tiene

aproximadamente esta composición:

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Fe C Mn Si S P

90 - 95% 3.5 - 4.5% 0.5 - 8% 0.7 - 3.5% 0.02 - 0.12% 0.1 - 0.9%

El arrabio se utiliza como punto de partida para otros procesos de purificación o aceración.

Hornos de Aceración Para purificar el arrabio y la chatarra se utilizan diversos tipos de hornos,

entre los mas conocidos estan el Siemens-Martin, El horno electrico y el

BOF o convertidor basico.

El horno Siemens-Martin tiene la ventaja de eliminar el fósforo, producir

composiciones de acero más exactas y utilizar chatarra, lo cual es cada vez

más útil dada la importancia que ha alcanzado el reciclaje. El horno eléctrico emplea grandes electrodos de grafito para producir un

arco de gran intensidad que funde la carga, La ventaja de este horno se

fundamenta en que es mucho mas sencillo mantener y controlar en su

interior la atmósfera ya sea xidante o reductora; El fósforo se puede eliminar

con una escoria oxidante y el azufre con escoria reductora.

El BOF (más ampliamente usado) o Convertidor Básico a Oxigeno es el

más

común. Se han logrado grandes avances en los procesos de aceración

gracias al uso de inyección de oxigeno puro en lugar de aire; este método

permite la producción de grandes toneladas de acero con bajo contenido de

nitrogeno.

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Acabado y desoxidación del Acero Después del proceso de refinación el acero queda saturado de oxigeno,

mientras mas bajo el contenido de carbón en el acero mas alto será su

contenido de oxigeno y para cualquier contenido de carbon el contenido de

oxigeno es mayor en el acero en estado liquido que en estado sólido, por lo

tanto, para evitar burbujas de gas atrapadas en el metal, una cantidad

sustancial de oxigeno debe eliminarse. Existen 5 maneras distintas para

eliminar el oxigeno del acero en fusion, que son:

Acero Efervescente: La manufactura de este acero consiste en vaciar el

acero liquido, con alto contenido de oxigeno, en lingoteras (moldes). El

acero entonces, entonces forma un lingote que empieza a solidificarse

desde afuera hacia dentro comenzando por las paredes y fondo de la

lingotera, formando paredes y un fondo de hierro casi puro. Como resultado

de esto el acero, aun líquido en el centro del lingote se segrega casi todo el

carbón, sulfuro y fósforo. El oxigeno reacciona con el carbón formando

monóxido de carbon que queda atrapado en la masa del lingote al

solidificarse y que desaparece durante los subcuentes procesos de

laminacion en caliente.

Acero Semi-Efervescente: Cuando se fabrica este acero la intención es

regular la cantidad de oxigeno en el metal fundido de manera de detener la

acción efervescente. Esto se logra mediante el uso de una tapa pesada, o

tapa fría que se coloca por solo unos minutos en la parte superior de la

lingotera después que se ha solidificado solo una pequeña capa adyacente

a las paredes y fondo de la lingotera, formando una piel de acero casi puro.

De esta manera se obtiene un lingote de acero con un centro no tan

segregado como en el acero efervescente. Estos aceros se utilizan en

aplicaciones que requieren una excelente superficie y donde la

heterogeneidad del acero efervescente seria perjudicial.

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Acero Calmado: Este acero se fabrica eliminando o convirtiendo

completamente el oxigeno antes de la solidificación para prevenir la acción

efervescente; Esto se logra generalmente agregando silicio en forma de

ferro silicio en el horno, el silicio se combina con el oxigeno para formar

sílice (SiO2) la cual es expulsada con la escoria, dejando un metal denso y

homogéneo.

Acero Semi-Calmado: Este acero esta en un punto intermedio entre el

acero

efervescente y el acero calmado, este al solidificarse muestra una menor

contracción produciendo una cavidad o depresión de menor tamaño en la

parte superior del lingote.

Acero desoxidado al Vacío: El objeto de la desoxidación al vació es

eliminar el oxigeno sin dejar inclusiones de compuestos no metálicos, de

esta manera se obtienen aceros muy limpios para usos especiales.

Estos minerales son definidos como depósitos naturales de materiales de los

cuales pueden ser extraídos comercialmente los metales. A la cantidad de

metal contenida en los minerales se le conoce como "Tenor" o "Ley" y al

resto de los compuestos sin valor contenidos en el mismo se le conoce

como "Ganga".

Existen minerales ferrosos y no ferrosos, la metalúrgica ferrosa se refiere

exclusivamente al hierro y la metalúrgica no ferrosa se refiere a la

tecnología de todo el resto de los metales

Minerales Ferrosos El hierro (Fe), es el más importante y el más usado de

todos los metales. En el mundo se produce un tonelaje 20 veces mayor de

hierro que de todo el resto de los metales.

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Algunas de las razones de esta preponderancia son que: en el mundo

existen

grandes depósitos de mineral ferroso de alta ley, el mineral ferroso es

relativamente fácil de reducir y también que el hierro combinado con el

carbón forma una importante cadena de aleaciones útiles.

Especificaciones de los Aceros. Varias sociedades de normas son responsables de las especificaciones

químicas de los aceros, las normas mas importantes y conocidas son

establecidas por:

AISI Instituto Americano del Hierro y el Acero. SAE Sociedad de Ingenieros Automotrices. ASTME Sociedad Americana de Pruebas y Materiales ASME Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos. El sistema de clasificación que estas sociedades de normas han establecido

se basa en un número de 4 dígitos en el cual los primeros 2 dígitos

representan la

composición química de la aleación y los 2 dígitos finales representan el

contenido aproximado de carbón, algunas variantes se pueden representar

en letras como:

L = Plomo.

B= Boro

E = Horno Eléctrico.

H = Endurecimiento Garantizado.

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Tabla 24 2.1. Clasificacion de Acero y su contenido de Carbon La Sociedad americana de Pruebas y Materiales (ASTM) publica

especificaciones y pruebas de materiales ferrosos y no ferrosos, también la

Sociedad Americana de Soldaduras (AWS) publica sus especificaciones,

pero esta última se concentra especialmente en la soldadura y sus

procesos

24.3.- Estructura Cristalina de los Metales. Cuando un metal en estado liquido es enfriado, sus átomos se agrupan en

siguiendo un patrón regular de cristalizaron entonces decimos que el metal

se ha solidificado o cristalizado. Todos los metales se solidifican como

materiales cristalinos y cada material pose patrón de cristalización en el

caso de los metales este patrón permanece inalterable mientras este en

estado sólido.

Las formas más comunes de estructuras cristalinas (Fig. 24.3.1) en metales

son la Red Cúbica Centrada, Red cúbica de Caras Centradas y la Red

Hexagonal Compacta, otras estructuras cristalinas encontradas en los

metales son la cubica simple, Tetragonal, Romboidal, Ortorromboidal y sus

variantes.

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24.3.1 Formas Basicas de los cristales de acero

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La estructura cristalina de los metales es la responsable de muchas de las

principales propiedades de los mismos. A medida que el metal en estado

liquido se solidifica, se forman pequeños grupos de átomos que van

formando las redes o cadenas cristalinas creando centros de cristalización o

Granos a través de toda la masa del metal y orientándose en todas

direcciones; esta cristalización se multiplica uniendo los grupos entre si y el

proceso de solidificacion termina . A la superficie de contacto entre un

cristal y otro se le denomina “Limite” o “Borde” del grano.

El proceso de enfriamiento afecta el tamaño y posición de los granos y

consecuentemente afecta también las propiedades del metal.

6.4.- Propiedades de los Metales

Las propiedades de los metales se pueden dividir en tres grandes

categorías:

· Propiedades Mecánicas. · Propiedades Físicas. · Propiedades Corrosivas.

Las Propiedades Mecánicas se pueden enlistar de la siguiente forma:

Resistencia Máxima a la tensión (Ultimate Tensil Strength): Es la carga

máxima que soporta el metal antes de fracturarse.

Deformación (Strain): Es la cantidad de deflexión experimentada por el

metal al aplicársele una carga.

Resistencia a la Fatiga (Stress): Es la resistencia de un metal o material a

la tension bajo una carga dinamica o ciclica

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Modulo de Elasticidad (Modulus of Elasticity): La relación de fatiga a

deformación. Entre mas alto el modulo de elasticidad, mas fuerte el metal

Region Elastica (Elastic Region): Donde la fatiga esta directamente

relacionada con la deformación y el metal regresa a su forma original al

quitar la carga.

Region Plastica ( (Plastic Region): La tregion donde el metal deformado

ya no regresa a su forma original.

Limite Elastico ( Yield Strength): El limite de comportamiento elastico

del metal.

Endurecimiento por Deformación (Strain Hardening): La habilidad de un

metal de aumentar su resistencia debido a la deformación plástica.

Dureza (Hardness): La resistencia de un metal a la deformación plastica;

para medir dureza se utilizan los procedimientos Brinell, Vickens y Rockwell.

Elongacion por Doblez (Bend Elogation): Es la separación entre marcas

al doblar una probeta en un arco de 180º

Impacto (Toughness): La habilidad de un metal para resistir la fractura al

aplicar una carga bajo condiciones desfavorable de absorción de energia

y deformación plastica

Temperatura de Transición de Energía (Energy Transition Temperature): La temperatura a la cual el tipo de fractura de un metal

cambia dúctil a Frágil.

Fractura (Fracture): La ruptura o separación de un metal en dos o más

partes. Hay dos tipos de fractura: por esfuerzo cortante y fractura

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Fragilizada; en la primera se nota una deformación plastica antes de

fracturarse y en la segunda esa deformación plástica no ocurre u ocurre en

grado mínimo. La fractura por esfuezo cortante tiene una apariencia sedosa

o fibrosa, mientras que la fractura fragilizada yiene una apariencia granular

o cristalina.

Propiedades Físicas:

Densidad (Density): Relación Peso / volumen.

Conductividad Térmica (Thermal Conductivity): La relación de

comportamiento en omo se transmite el calor en la masa metálica.

Coeficiente de Expansión (Coefficient of Expansion): La relación de

cambio dimensional de un metal sujeto a cambio de temperatura.

Propiedades corrosivas: Las propiedades corrosivas de un metal

determinan el grado de ataque por reacción. química o electroquímica del

medio que lo rodea. Debido a que la resistencia a la corrosión es muy

importante al planear el servicio de una estructura soldada, es necesario

conocer que aleaciones son resistentes a los distintos ataques corrosivos.

Es importante hacer notar que el metal de soldadura, el metal base y la

zona de calor afectada por el calor (HAZ) puede comportarse de manera

muy particular cada una en un medio de corrosivo determinado.

24.5.- Efecto de algunos de los elementos de aleación en los aceros: Carbón (C): Es el elemento de aleación más efectivo, eficiente y de bajo

costo. En aceros enfriados lentamente, el carbón forma carburo de hierro y

cementita, la cual con la ferrita forma perlita. Cuando el acero se enfría

más rápidamente, el acero al carbón muestra endurecimiento superficial. El

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carbón es el elemento responsable por la alta dureza y alta resistencia del

acero.

Manganeso (Mn): Esta presente en casi todas las aleaciones de acero y

constituye uno de sus elementos indispensables. El Manganeso es un

formador de austenita y al combinarse con azufre previene la formación de

sulfuro de hierro en los bordes del grano, el cual es altamente perjudicial

durante el proceso de laminación. El Manganeso se usa par a desoxidar y

aumentar la capacidad de endurecimiento del acero.

Silicio (Si): Es un formador de ferrita y se usa para desoxidar, también

aumenta la capacidad de endurecimiento mejorando las propiedades

mecanicas del acero.

Cromo (Cr): Es un formador de ferrita y aumenta la profundidad de

endurecimiento también aumenta la resistencia a altas temperaturas y a la

corrosión. El Cromo es un elemento principal de aleación en aceros

inoxidables y debido a su capacidad de formar carburos se utiliza en

revestimientos o recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste.

Níquel (Ni): Es el principal formador de austenita, este elemento aumenta la

tenacidad y resistencia al impacto, por eso es el elemento más efectivo para

mejorar la resistencia del acero a las bajas temperaturas. El níquel también

utiliza en los aceros inoxidables para aumentar la resistencia a la corrosión.

El níquel presenta propiedades unicas para soldar Hierros Colados.

Molibdeno (Mo): Aumenta fuertemente la profundidad de endurecimiento

del acero, así como su resistencia al impacto, por eso es el elemento mas

afectivo para mejorar la resistencia del acero a las bajas temperaturas,

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reduciendo, además, la perdida de resistencia por templado. Los aceros

inoxidables austeniticos contienen molibdeno para mejorar la resistencia a

la corrosión.

Vanadio (V): Promueve la formación de grano pequeño y reduce la pérdida

de resistencia durante el templado; además, aumenta la capacidad de

endurecimiento, también es un formador de carburos que imparten

resistencia al desgaste en aceros herramientas.

Cobre (Cu): Mejora la resistencia a la corrosión de aceros al carbón.

Fósforo (P): Se considera un elemento perjudicial en los aceros, ya que

reduce la ductilidad y la resistencia al impacto. Sin embargo, en algunos

aceros se agrega deliberadamente para aumentar su resistencia a la

tensión y mejorar la maquinabilidad.

Azufre (S): También se considera como elemento perjudicial en las

aleaciones de acero. Sin embargo, en ocasiones se agrega hasta 0.25% de

azufre para mejorar la maquinabilidad. Los aceros altos en azufre son

difíciles de soldar y en su presencia en la soldadura genera porosidad.

Boro (B): Se utiliza básicamente para aumentar la capacidad de

endurecimiento cuando el acero esta totalmente desoxidado. Una pequeña

cantidad de boro, (0.001%) tiene un efecto marcado en el endurecimiento

del acero, el boro también se combina con el carbón para formar carburos

que imparten al acero características de revestimiento duro.

Columbio (Nb) (Ta): Se utiliza básicamente en aceros inoxidables

austeníticos con el objeto de estabilizar los carburos. Debido a que el

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carbón disminuye la resistencia anticorrosiva en los inoxidables al agregar

Columbio, el cual tiene mayor afinidad con el carbón que el cromo, este

queda libre para cumplir con su función anticorrosiva.

Titanio (Ti): También se utiliza para estabilizar y desoxidar acero. Sin

embargo, pocas veces se usa en soldadura, ya que el metal de soldadura

no se transfiere eficientemente.

Tungsteno (W): Se utiliza para impartir gran resistencia a alta temperatura.

El Tungsteno también forma carburos los cuales son excepcionalmente

duros, impartiendo al acero una gran resistencia al desgaste para

aplicaciones de revestimiento duro o en acero herramienta.

Cobalto (Co): Es un elemento poco común en los aceros, ya que disminuye

la capacidad de endurecimiento. Sin embargo, este elemento encuentra su

uso en aplicaciones donde se requiere un revestimiento duro para servicio a

alta temperatura, ya que produce una gran cantidad de solución sólida

endurecedora cuando se disuelve en ferrita o austenita

Plomo (Pb): Es un ejemplo de elemento casi insoluble en hierro. Se agrega

plomo a muchos tipos de acero para mejorar la maquinabilidad

Nitrógeno (N): Se agrega en ocasiones al acero para promover la

formación de austenita. También puede agregarse a aceros inoxidables

para reducir la cantidad de Níquel. El Nitrógeno afecta las propiedades

mecánicas del acero.

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Aluminio (Al): Se usa principalmente como desoxidante en la elaboración

de acero. El Aluminio también aminora el crecimiento del grano al formar

óxidos dispersados y nitruros.

24.- fundamentos de metalurgia

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