cidead. tecnología industrial i. tercera evaluación. tema

CIDEAD. Tecnología Industrial I. Tercera Evaluación.Tema 17 .- Los materiales metálicos ferrosos

Desarrollo del tema:

1. Los metales y sus propiedades.

2. Los metales ferrosos : los aceros.

3. El alto horno y los productos siderúrgicos.

4. Hornos de afinado.

5. El tratamiento de los ceros y los aceros especiales.

6. La metalurgia. Procesos metalúrgicos

7. El aluminio y el cobre.

8. El plomo, estaño y otros metales.

9. Obtención y clasificación de las maderas.

10. Las propiedades y las formas comerciales de las maderas.

11. El tratamiento de las maderas.

12. Los derivados de las maderas.

13. Impacto medioambiental de la explotación de la madera.

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1. Los metales y sus propiedades.La corteza terrestre, con un grosor medio de 30 Km, está compuesta básicamente por silicio

y aluminio. El hierro (Fe) se encuentra en una proporción del 5.01 % en peso y los restantes metalesque tienen importancia tecnológica, se encuentran combinados con otros elementos formando losminerales, en unas proporciones muy pequeñas. En un yacimiento mineral, hay que distinguir lamena, formada por el elemento metálico, combinado con otros elementos, y la ganga, que es elmaterial inservible.

La rentabilidad de un yacimiento depende de la riqueza del metal, de la ley de oferta ydemanda del mercado y de los avances tecnológicos utilizados para su extracción. La siderurgia esel conjunto de técnicas que permiten obtener hierro o acero de sus minerales. La metalurgia son lastécnicas que permiten obtener los metales, distintos del hierro, a partir de sus minerales.

Desde el punto de vista químico, un metal es toda especie química que se presenta en estadosólido, encontrándose en forma de óxido, sulfuro o hidróxido y presenta reacción básica.

Las propiedades fundamentales de los metales son:

1. Propiedades mecánicas. Las principales son:a. La resistencia a la rotura.- Es la resistencia a romperse por la acción de fuerzas externas.Las fuerzas externas pueden ser de tracción, compresión o de cizalla.b. Deformabilidad.- La deformación puede ser elástica, plástica, crítica y frágilc. Tenacidad.- Indica la cohesión de las moléculas. Los metales son tenaces.d. Dureza.- Se opone a ser rayado o deformado superficialmente.e. Soldabilidad.- Propiedad de unión entre piezas metálicas al conseguirse su punto defusión. La soldadura puede ser autógena o eléctrica.

2. Propiedades eléctricas.- Son buenos conductores de la electricidad por tener un enlacemetálico, permitiendo la circulación de los electrones sin apenas resistencia. La resistividadde estos materiales es muy pequeña.

3. Propiedades térmicas.- Los metales son buenos conductores del calor y se dilatan por laacción de éste.

4. Propiedades químicas.- En este punto hay que tener en cuenta la diferencia entreoxidación y corrosión.a. La oxidación es proceso químico por medio del cual, las sustancias ceden electrones:

Me + O2 Me OLos metales se combina fácilmente con el oxígeno para formar los óxidos correspondientes.

En ocasiones, la capa de óxido depositada, permite proteger al metal contra la ulterior oxidación.b. Corrosión. La corrosión es la acción que ejercen los diversos agentes externos sobre la

superficie de los metales. En la corrosión, la oxidación continúa en todo el metal, facilitándose esteproceso con la presencia del agua, que proporciona el medio de reacción y actúa como catalizador.Para evitar la corrosión, se procede a la pintura del material metálico y evitar los pares galvánicos,utilizándose barras de sacrificio y la utilización de aleaciones anticorrosivas.

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2. Los metales ferrosos : los aceros.El acero es hierro con un contenido en carbono comprendido entre 0.05 y el 1.7 % . Ademas

del hierro y el carbono, el acero contiene siempre pequeñas cantidades de silicio y manganeso, quelo confiere buenas cualidades y también fósforo y azufre, que lo perjudican. Al acero se sueleañadir otros metales, como son el cromo, el níquel, el wolframio, vanadio, titanio, etc , que mejorannotablemente su propiedades tecnológicas.

El acero es el principal producto siderúrgico, dedicándose para su obtención el 80 % delhierro colado que se extrae del alto horno. Los aceros pueden ser: al carbono y los acerosespeciales.

Los aceros al carbono contienen únicamente hierro y carbono. Se utilizan para la fabricaciónde hilos finos y alambres, al ser muy dúctiles. También son maleables y fáciles de soldar. Se utilizanen la fabricación de piezas y elementos mecánicos de mediana resistencia .

Si el contenido en carbono oscila entre 0.05 y 0.30, se denominan extrasuave y suave y seutiliza para fabricar tornillos y puntas. Los aceros suaves y semiduros ( contenido en carbono entre0.30 y 0.60 %) se utilizan para la fabricación de hachas, martillos y clavos. Los aceros más duros,que oscila su contenido en carbono entre 0.6 y el 1.7 %, se utilizan para fabricar formones, brocas yherramientas de corte.

Los aceros especiales se obtienen como resultado de la aleación con otros metales,modificando alguna de las propiedades y dotándoles de nuevas. En los hornos de acero, se puedenincorporar cantidades de níquel y cromo que mejoran sus propiedades de resistencia a la corrosión ya la oxidación. El níquel en poca cantidad (de 0 a 5 %), mejora el temple y las característicasmecánicas del acero y, en gran cantidad, hasta el 50 %, favorece la resistencia a la corrosión.

El cromo del 1.1 al 6 %, produce efectos parecidos al níquel y del 10 al 20 %, el acero sevuelve inoxidable. En proporciones del 25%, el acero se vuelve refractario. El manganeso, al 2%,favorece el temple y al 13 % proporciona una notable resistencia al choque y al desgaste. Elwolframio hasta el 18 %, forma unos aceros duros y posee una resistencia al desgaste.

El siguiente diagrama representa el diagrama de fase Líquido-sólido de la metalurgia delhierro:

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3. El alto horno y los productos siderúrgicos.

El alto horno es uno especial en donde tiene lugar la fusión de los minerales de hierro y latransformación química en hierro metálico. Está formado por dos troncos de cono, unidos por labase mayor , siendo el superior de altura mayor que el tronco inferior. La altura total es de 20 a 30m. y de 4 a 9 m. de diámetro. La capacidad de producción suele ser de 500 a 1500 toneladas diarias.La estructura del horno es de acero, revestido interiormente con material refractario con un sistemade enfriamiento.

Un alto horno, posee tres partes fundamentales:1. La cuba, que tiene forma troncocónica, es la parte superior del alto horno. Por la zona másalta y estrecha, denominada boca y se introduce la carga compuesta por:a. El mineral de hierro, que puede ser de hematites y limonita (óxido férrico), magnetita( óxido ferroso-férrico) y la siderita (carbonato).b. El combustible, formado por coque, producto obtenido de la destilación del carbón dehulla de gran poder calorífico y pobre en cenizas. En la actualidad cada vez se utilizan máslos altos hornos.c. El fundente, sirve para disminuir el punto de fusión de la mezcla. Puede ser calcárea o dearcilla, dependiendo de la naturaleza de la ganga del mineral (ácida o básica). El fundente seasocia con la ganga para formar la escoria.2. El etalaje. Posee forma troncocónica. Se produce una disminución notable del volumen,como consecuencia de las transformaciones químicas que tienen lugar en él.3. El crisol, es un cilindro de gran capacidad, que recoge la fundición líquida, así como laescoria, que queda flotando en estado líquido.En la zona de unión del etalaje y el crisol, se insertan las toberas, que son unos tubos

mediante los cuales se inyectan una corriente de aire comprimido y previamente calentado el crisol.

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Los productos resultantes de un alto horno son los siguientes:Los humos y los gases resultantes.- Son los gases producidos por la combustión del coque yen las reacciones del mineral de hierro. Estos gases se recogen en un colector en la partesuperior del alto horno. Están formados por vapor de agua, dióxido de carbono, monóxidode carbono, hidrógeno y óxidos de azufre. Estos gases se hacen pasar por unosintercambiadores de calor para calentar el aire utilizado en las toberas y para seraprovechados como combustible en la propia siderúrgica.La escoria.- Es un residuo metalúrgico que a veces adquiere la categoría de subproducto,utilizándose como material de construcción, bloques o como aislante de la humedad y en lafabricación de cementos especiales y vídrios. La composición es variable aunquepredominan los silicatos. A veces se añade la escoria a la carga del horno para recuperar elhierro que pueda contener.La fundición, hierro colado o arrabio. Es el producto que se obtiene del alto horno. Es hierrocon un contenido en carbono del 2 al 5 %

El carbono se encuentra dentro del hierro en tres formas diferentes: en estado libre, comocarbono grafito(Cβ), en estado combinado, formando carburo de hierro Fe C3 (cementita) o disuelto.

A partir del Arrabio, se obtienen todos los demás productos como son el acero y lasfundiciones.

Dentro del alto horno existen determinadas zonas que ejercen funciones específicas. Estasson las siguientes:

1. Zona 1, es la zona por donde se cargan los materiales ( mineral de hierro, fundente,coque,etc).

2. Zona 2, es la zona por donde salen los gases residuales; se encuentra en la parteinferior de la zona de carga.

3. Zona 3 , es la zona de deshidratación. A una temperatura cercana a los 400ºC, seelimina el agua.

4. Zona 4, es la zona de reducción indirecta. La temperatura utilizada es de los 400 a700º C. El oxigeno que contiene aire caliente inyectado por las toberas, procede aoxidar el carbón de coque:

C + O2 C O2

C O2 + C 2 C O el monóxido de carbono es elreductor propiamente dicho y actúa como reductor del mineral de hierro.

3 Fe2 O3 + C O 2 Fe3 O4 + C O2

Fe3 O4 + C O 3 Fe O + C O2

Fe O + C O Fe + C O2

5. Zona 5, de reducción directa. En esta zona, la temperatura oscila entre los 700ºC ylos 1350ºC. Los procesos que tienen lugar son los siguientes:a. La reducción del mineral de hierro por el carbono directamente:

2 Fe2 O3 + 3 C 3 C O2 + 4 Fe Fe3 O4 + 2 C 2 C O2 + 3 Fe 2 Fe O + C C O2 + 2 Fe

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b. El fundente ( carbonato de calcio) se descompone :

Ca C O3 Ca O + C O2

c. La ganga del mineral se combina con el óxido resultante y se forma la escoria:

Ca O + Si O2 Ca Si O3

En el siguiente esquema se puede visualizar las diferentes zonas que existen en unalto horno:

6. Zona 6 o de fusión . La temperatura está comprendida entre 1350 a 1550ºC . A estatemperatura el hierro se funde y se produce su carburación, obteniéndose lafundición o hierro colado.

7. Zona 7 o de combustión del coque. El proceso es básicamente térmico y es donde seefectúa la combustión del coque. La temperatura oscila entre 1550 y 1800º C

8. Zona 8 o de separación de la fundición y escoria. A causa de su menor densidad, la

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escoria flota sobre el hierro colado. La escoria se recoge por la bigotera , mientrasque el arrabio se recoge por la piquera.

El arrabio prácticamente no se utiliza, puesto que sus propiedades mecánicas no son lasadecuadas. El arrabio se necesita someter a una serie de procesos para obtener las fundiciones y losaceros. Los productos obtenidos son:

Fundición de gris.- La fundición gris es hierro que contiene carbono en forma de grafito. Elcontenido en carbono es del 1.7 % . A veces su solidificación se realizan en lingotes,pudiendo ser sometidos a una nueva fusión.Fundición blanca.- La fundición blanca es hierro que contiene carbono en forma de carburode hierro. Este compuesto dota de una dureza extraordinaria pero una elevada fragilidad. Sucontenido en carbono es superior al 1.7 % . Se denomina fundición blanca porque sufractura presenta un color blanco brillante. Los aceros.- Ya se han estudiado en el epígrafe anterior.

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4. Hornos de afinado.

Los hornos de afinado o mezcladores, tiene como finalidad el de transformar el hierrocolado o arrabio en acero.

Los más importantes son el convertidor Bessemer, el horno Martin-Siemens y el hornoeléctrico.

Convertidor Bessemer. Tiene forma de pera; es un horno de reverbero, permitiendo eliminarel mayor contenido de carbono por oxidación y eliminarlo en forma de dióxido de carbono.En este convertidor se realiza el siguiente proceso:En primer lugar se sitúa el convertidor en horizontal y se carga de arrabio . Después secoloca el horno en forma vertical insuflándose aire a presión o bien oxígeno puro por laparte inferior. Al pasar el aire o el oxígeno la masa fundida, recoge el carbono disuelto yotras impurezas, los oxida y los elimina en forma de óxidos; estas reacciones son altamenteexotérmicas, haciendo que la masa de arrabio permanezca fundida. Cuando comienzan asalir chispas de color blanco por la boca del convertidor, el proceso ha finalizado. Elmaterial que sale del convertidor es el llamado hierro dulce con un contenido de carbono del0.5 %; posteriormente se le añade la cantidad suficiente de carbono y otros elementosmetálicos, para obtener el acero.Una versión mejorada del Bessemer es el horno Thomas que en lugar de un revestimiento desílice, posee un revestimiento calizo, permitiendo la eliminación de las impurezas ácidas.

Horno Martin-Siemens. Es un horno alimentado por combustible gaseoso en el cual la llamaincide directamente sobre la masa metálica. Este horno carga con una mezcla de chatarra del60 % y el 40 % de fundición blanca. El desarrollo del proceso es lento pero tiene una

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capacidad superior a los convertidores y los aceros obtenidos son más económicos y demejor calidad.

El horno eléctrico se caracteriza porque se alimenta con energía eléctrica. Según sea elcalentamiento los hornos eléctricos pueden ser de resistencia, de arco o de inducción.Los aceros obtenidos en estos hornos poseen una calidad extraordinaria .

5. El tratamiento de los ceros y los aceros especiales.

Una vez que se ha obtenido el acero en los hornos de afino, se somete a diferentestratamientos con objetos de mejorar sus propiedades y aplicaciones. Los tratamientos que se pueden

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someter a los aceros son los siguientes:La laminación.- La laminación consiste en tratar los lingotes de acero , en caliente o en frio,entre unos rodillos que los van aplastando y alargando, de acuerdo a unos determinadosgrosores y medidas.

Forjado.- El forjado consiste en moldear el acero en caliente, ya sea mediante golpes con unmartillo o por presión, con la ayuda de una prensa o martinete. Tratamientos térmicos .- Estos tratamientos son procesos de calentamiento y enfriamientoque modifican la estructura cristalina del acero y tienen por finalidad conseguir una mejorade sus propiedades mecánicas. Los tratamientos térmicos pueden ser: de normalización,temple, el revenido y el recocido.Tratamientos superficiales. Los tratamientos superficiales pueden ser de dos tipos: porpenetración y por recubrimiento. Por penetración pueden ser por cementación (introduciendo carbono) y por nitruración(introduciendo nitrógeno).El tratamiento superficial por recubrimiento consiste en añadir una capa fina de otro metalmás resistentes a la corrosión. El tratamiento superficial se puede realizar por electrolisis,como en los cromados, niquelados y galvanizados, y por inmersión, sumergiendo el acero enun baño de metal fundido, es el proceso de estañado.

Los aceros especiales se forman cuando el acero se alean con determinados metales comoson el cromo, el manganeso, el níquel, el molibdeno, el vanadio y el wolframio.

El cromo.- Se obtiene de la cromita, que es el cromato de hierro. Es un metal blanco,ligeramente azulado, algo más pesado que el hierro y muy resistente al calor. Funde a1600ºC. Las aleaciones ricas en cromo, como el ferrocromo y el cuprocromo, conseguidospor aluminotermia o en horno eléctrico, sirven para obtener los aceros de su nombre.El manganeso se encuentra sobre todo en la pirolusita, que es un mineral de aspecto terrosoy oscuro. Es un metal de color y brillo acerados, muy refractario, bastante pesado y formanumerosas aleaciones. En pequeña proporción se encuentra formando parte de la mayoría delos aceros que le da tenacidad y elasticidad.Níquel. Las menas del níquel son la pentlandita, la garnierita, la niquelina y la blenda deniquel. Es un mineral blanco y brillante, muy duro, magnético, un poco más pesado que elhierro y es destinado a la fabricación de las aleaciones. Las propiedades mecánicas sonparecidas a las de hierro; posee una gran resistencia a la tracción y en los aceros inoxidables,en los que intervienen junto al cromo.Molibdeno.- Se encuentra en la vulfenita y su mineral más importante es la molibdenita, que

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es un sulfuro de molibdeno. Es un metal de color y brillo similar al plomo, pesado yquebradizo, difícil de fundir. Se utiliza principalmente en la siderúrgica, que se utilizamezclando con el acero , mezclado en pequeñas proporciones consigue un aumento en latenacidad.Vanadio. Aunque es un metal muy abundante en la corteza terrestre, solamente se puedeobtener de la patronita (sulfuro de vanadio) , de la vanadinita(clorovanadato de plomo) o dela carnotita. Es un polvo gris , es muy escaso utilizándose en la preparación de lasaleaciones, en el caso de la siderúrgica aumenta la resistencia mecánica en los aceros .Wolframio. Se denomina también tungsteno. El mineral de donde se extrae es el wolframatode hierro, calcio y magnesio. En el año 1781se aisló de un mineral blanco denominadotugsteno, el ácido wolfrámico. En España, en el año 1949, de la wolframita (mineral decolor ocre), se extrajo el wolframio; desde entonces el nombre internacional dado para esteelemento es la de wolframio. Es un mineral de color gris acerado, muy duro y pesado; funde a temperaturas muy elevadasy mantiene su brillo cuando se oxida al aire. Antiguamente se utilizaba para la construcciónde los filamentos en las lámparas de incandescencia. En la actualidad,más del 90 % de suproducción se utiliza para la obtención de los aceros especiales , destinados a la fabricaciónde herramientas de corte, planchas de blindaje y proyectiles. También se utiliza en laformación de la aleación ferrovolframio.

En la siguiente tabla aparecen las aleaciones más importantes y sus propiedades:

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Los aceros poseen determinada denominación, según sea su composición y sus propiedades.Dada la gran cantidad de ellos, es necesario establecer una normativa general dedenominación de los aceros comerciales. Según esto el código establecido es el siguiente:

1. Inicialmente todos los aceros se les anteponen la letra F, seguida de un guión y decuatro cifras.

2. La primera cifra indica el gran grupo de los aceros según sus criterios de utilización.

3. La segunda cifra indica los subgrupos que tienen características similares.

4. La 3ª y 4ª cifra indican el número de orden que ocupa dentro del subgrupo.

Como ejemplo de tallaremos los siguientes:

F-1000 Son aceros utilizados en la construcción.F-2000 Son aceros destinados para usos especiales.F-3000 Son aceros inoxidables, que resisten la oxidación y la corrosión.F-4000 Son aceros de alta resistencia.F-5000 Son aceros destinados para la fabricación de herramientas.F-6000 Son aceros de uso general.F-7000 Son aceros utilizados para preparar moldes.F-8000 Son aceros para moldear y para fundidos.F-9000 Son aleaciones férreas especiales.

Los subgrupos que se pueden formar son por ejemplo:

F-1100 Aceros ordinarios para piezas corrientes.F-1300 Aceros muy resistentes para cargas grandes.F-1400 Aceros de gran elasticidad usados en moldes.F-2100 Aceros de fácil mecanizado utilizados en la fabricación de piezas.F-2200 Aceros de fácil soldadura.F-2300 Aceros magnéticos para imanes y electroimanes.F-3100 Aceros inoxidables.F-3200 Aceros utilizados en la fabricación de las válvulas de los motores de explosión.F-3300 Aceros refractarios que son resistentes al calor.F-5100 Aceros al carbono para la fabricación de herramientas comunes.F-5500 Aceros rápidos usados en las herramientas de corte, por ejemplo las brocas (HSS) F-6100 Aceros usados para la fabricación de barras corrugadas usadas en hormigón armadoF-6110 Aceros comunes para fabricar tubos y chapas.

En la siguiente tabla se expone un elenco de aceros comerciales con su asignación ypropiedades.

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