ACERO
El término acero sirve
comúnmente para denominar, en ingeniería metalúrgica, a una mezcla de hierro con
una cantidad de carbonovariable entre el 0,03 % y el 2,14 % en masa
de su composición, dependiendo del grado. Si la aleación posee una
concentración de carbono mayor al 2,14 % se producen fundiciones que, en oposición al acero,
son mucho más frágiles y no es posible forjarlas sino
que deben ser moldeadas.
No se debe confundir el acero con
el hierro,
que es un metal duro
y relativamente dúctil, con diámetro atómico (dA)
de 2,48 Å, contemperatura de fusión de 1535 °C y punto de ebullición 2740 °C. Por su
parte, el carbono es un no metal de diámetro menor (dA = 1,54 Å), blando
y frágil en la mayoría de sus formas
alotrópicas (excepto en la forma de diamante).
La difusión de este elemento en la estructura cristalina del
anterior se logra gracias a la diferencia en diámetros atómicos, formándose
un compuesto intersticial.
La diferencia principal entre el
hierro y el acero se halla en el porcentaje del carbono: el acero es hierro con
un porcentaje de carbono de entre el 0,03 % y el 1,075 %, a partir de
este porcentaje se consideran otras aleaciones con hierro.
Cabe destacar que el acero posee
diferentes constituyentes según su temperatura, concretamente, de mayor a menor
dureza, perlita, cementita y ferrita; además de la austenita (para mayor
información consultar el artículo Diagrama Hierro-Carbono).
El acero conserva las
características metálicas del hierro en estado puro, pero la adición de carbono
y de otros elementos tanto metálicos como no metálicos mejora sus propiedades físico-químicas.
Existen muchos tipos de acero en
función del elemento o los elementos aleantes que estén presentes. La
definición en porcentaje de carbono corresponde a los aceros
al carbono, en los cuales este no metal es el único aleante, o hay otros
pero en menoresconcentraciones. Otras composiciones específicas
reciben denominaciones particulares en función de múltiples variables como por
ejemplo los elementos que predominan en su composición (aceros al silicio), de su susceptibilidad a ciertos
tratamientos (aceros de cementación), de
alguna característica potenciada (aceros
inoxidables) e incluso en función de su uso (aceros estructurales). Usualmente
estas aleaciones de hierro se engloban bajo la denominación genérica
de aceros especiales, razón por la que aquí se ha adoptado la definición
de los comunes o "al carbono" que además de ser los primeros
fabricados y los más empleados,1 sirvieron de
base para los demás. Esta gran variedad de aceros llevó a Siemens a definir el acero como «un compuesto
de hierro y otra sustancia que incrementa su resistencia».2
Para otros usos de este término,
véase Acero (desambiguación).
Prensas en acerías.
Acerias
HISTORIA
Histórico horno de Bessemer
El término "acero"
procede del latín "aciarius", y éste de la palabra "acies",
que es como se denomina en esta lengua el filo de un arma blanca.
"Aciarius" sería, por tanto, el metal adecuado, por su dureza y
resistencia, para ponerlo en la parte cortante de las armas y las herramientas.
Se desconoce la fecha exacta en que se descubrió la técnica para obtener hierro a
partir de la fusión de minerales. Sin embargo, los primeros restos arqueológicos de
utensilios de hierro datan del 3000 a. C. y fueron descubiertos
en Egipto,
aunque hay vestigios de adornos anteriores. Algunos de los primeros aceros
provienen del este de África, cerca de 1400 a. C.3 Durante
la dinastía Han de China se produjo acero al
derretir hierro forjado con hierro
fundido, en torno al siglo I a. C.4 5 También
adoptaron los métodos de producción para la creación de acero
wootz, un proceso surgido en India y
en Sri
Lanka desde aproximadamente el año 300 a. C. y exportado a
China hacia el siglo V. Este temprano método utilizaba un horno de viento,
soplado por los monzones.6 7 También
conocido como acero Damasco, era una aleación de hierro con gran número de
diferentes materiales, incluyendo trazas de otros elementos en concentraciones
menores a 1000 partes por millón o 0,1 % de la
composición de la roca. Estudios realizados por Peter Paufler sugirieron que en
su estructura se incluían nanotubos de carbono, lo que
podría explicar algunas de las cualidades de este acero -como su durabilidad y
capacidad de mantener un filo-, aunque debido a la tecnología de la época es
posible que las mismas se hayan obteniendo por azar y no por un diseño
premeditado.8
Entre los siglos IX y X se
produjo en Merv el acero
de crisol, en el cual el acero se obtenía calentando y enfriando el hierro
y el carbón por distintas técnicas. Durante la dinastía
Song del siglo XI en China, la producción de acero se realizaba
empleando dos técnicas: la primera producía acero de baja calidad por no ser
homogéneo —método "berganesco"— y la segunda, precursora del método
Bessemer, quita el carbón con forjas repetidas y somete la pieza a
enfriamientos abruptos.9
El hierro para uso industrial fue
descubierto hacia el año 1500 a. C., en Medzamor y el monte
Ararat, en Armenia.10 La
tecnología del hierro se mantuvo mucho tiempo en secreto, difundiéndose
extensamente hacia el año 1200 a. C.
No hay registros de que la templabilidad fuera
conocida hasta la Edad Media. Los métodos antiguos para la fabricación del
acero consistían en obtener hierro
dulce en el horno, con carbón vegetal y tiro de aire, con una posterior
expulsión de las escorias por martilleo y carburación del
hierro dulce para cementarlo. Luego se perfeccionó la cementación fundiendo el
acero cementado en crisoles de arcilla y en Sheffield (Inglaterra)
se obtuvieron, a partir de 1740, aceros de crisol.11 La
técnica fue desarrollada por Benjamin
Huntsman.
En 1856, Henry
Bessemer, desarrolló un método para producir acero en grandes cantidades,
pero dado que solo podía emplearse hierro que contuviese fósforo y azufre en
pequeñas proporciones, fue dejado de lado. Al año siguiente, Carl Wilhelm Siemens creó otro, elprocedimiento Martin-Siemens,
en el que se producía acero a partir de la descarburación de
la fundición de hierro dulce y óxido de hierrocomo producto del calentamiento
con aceite,
gas de coque,
o una mezcla este último con gas de alto horno.
Este método también quedó en desuso.
Aunque en 1878 Siemens también
fue el primero en emplear electricidad para
calentar los hornos de acero, el uso de hornos de arco eléctricos para la producción
comercial comenzó en 1902 por Paul
Héroult, quien fue uno de los inventores del método moderno para
fundir aluminio.
En este método se hace pasar dentro del horno un arco eléctrico entre chatarra
de acero cuya composición se conoce y unos grandes electrodos de
carbono situados en el techo del horno.
En 1948 se inventa el proceso del oxígeno
básico L-D. Tras la segunda guerra mundial se iniciaron experimentos en
varios países conoxígeno puro en lugar de aire para los procesos de
refinado del acero. El éxito se logró en Austria en
1948, cuando una fábrica de acero situada cerca de la ciudad de Linz, Donawitz desarrolló el proceso del
oxígeno básico o L-D.
En 1950 se inventa el proceso
de colada continua que se usa
cuando se requiere producir perfiles laminados de acero de sección constante y
en grandes cantidades. El proceso 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.
En la actualidad se utilizan
algunos metales y metaloides en forma de ferroaleaciones,
que, unidos al acero, le proporcionan excelentes cualidades de dureza y resistencia.12
Actualmente, el proceso de
fabricación del acero, se completa mediante la llamada metalurgia secundaria. En
esta etapa, se otorgan al acero líquido las propiedades químicas, temperatura,
contenido de gases, nivel de inclusiones e impurezas deseados. La unidad más
común de metalurgia secundaria es el horno cuchara. El acero, aquí
producido, está listo para ser posteriormente colado, en forma convencional o
en colada continua.
Puente fabricado con
acero.
El uso intensivo que tiene y ha tenido
el acero para la construcción de estructuras metálicas ha conocido grandes
éxitos y rotundos fracasos que al menos han permitido el avance de la ciencia
de materiales. Así, el 7 de
noviembre de 1940 el mundo asistió al colapso del puente Tacoma
Narrows al entrar en resonancia con el viento. Ya durante los primeros años de
la Revolución industrial se produjeron
roturas prematuras de ejes de ferrocarril que llevaron a William Rankine a postular
la fatiga de materiales y durante la Segunda
Guerra Mundial se produjeron algunos hundimientos imprevistos de los cargueros
estadounidenses Liberty al fragilizarse el acero por el mero descenso de la
temperatura,13 problema
inicialmente achacado a las soldaduras.
En muchas regiones del mundo, el
acero es de gran importancia para la dinámica de la población, industria y comercio.
COMPONENTES
Los dos componentes principales
del acero se encuentran en abundancia en la naturaleza, lo que favorece su
producción a gran escala. Esta variedad y disponibilidad14 lo hace
apto para numerosos usos como la construcción
de maquinaria, herramientas, edificios y obras públicas, contribuyendo
al desarrollo tecnológico de las sociedades industrializadas.11 A
pesar de su densidad (7850 kg/m³ de densidad en comparación a los
2700 kg/m³ del aluminio, por ejemplo) el acero es utilizado en todos los
sectores de la industria, incluso en el aeronáutico, ya que las piezas con
mayores solicitaciones (ya sea al Impacto o a la fatiga) solo pueden aguantar
con un material dúctil y tenaz como es el acero, además de la ventaja de su
relativo bajo costo.
Otros
elementos en el acero
Elementos aleantes del acero y
mejoras obtenidas con la aleación
Las clasificaciones normalizadas de
aceros como la AISI, ASTM y UNS, establecen valores mínimos o máximos para cada tipo de
elemento. Estos elementos se agregan para obtener unas características
determinadas como templabilidad, resistencia mecánica, dureza, tenacidad,
resistencia al desgaste, soldabilidad o maquinabilidad.15 A
continuación se listan algunos de los efectos de los elementos aleantes en el
acero:16 17
Aluminio: se
usa en algunos aceros de nitruración al Cr-Al-Mo de alta dureza en
concentraciones cercanas al 1 % y en porcentajes inferiores al
0,008 % como desoxidante en aceros de alta aleación.
Boro: en muy pequeñas
cantidades (del 0,001 al 0,006 %) aumenta la templabilidad sin reducir la
maquinabilidad, pues se combina con el carbono para formar carburos
proporcionando un revestimiento duro. Es usado en aceros de baja aleación en
aplicaciones como cuchillas de arado y alambres de alta ductilidad y dureza
superficial. Utilizado también como trampa de nitrógeno, especialmente en
aceros para trefilación, para obtener valores de N menores a 80 ppm.
Acería.
Nótese la tonalidad del vertido.
Cobalto: muy endurecedor. Disminuye la templabilidad. Mejora la
resistencia y la dureza en caliente. Es un elemento poco habitual en los
aceros. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros. Se usa en los aceros rápidos
para herramientas y en aceros refractarios.
Cromo:
Forma carburos muy duros y comunica al acero mayor dureza, resistencia y
tenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos, mejora la
resistencia a la corrosión. Aumenta la profundidad de penetración del endurecimiento por
tratamiento termoquímico como la carburación o la nitruración. Se usa en aceros inoxidables, aceros para herramientas y refractarios.
También se utiliza en revestimientos embellecedores o recubrimientos duros de
gran resistencia al desgaste, como émbolos, ejes, etc.
Molibdeno: es un elemento habitual del acero y aumenta mucho la
profundidad de endurecimiento de acero, así como su tenacidad. Los aceros
inoxidables austeníticos contienen molibdeno para mejorar la resistencia a la
corrosión.
Níquel: es un elemento gammageno permitiendo una estructura
austenítica a temperatura ambiente, que aumenta la tenacidad y resistencia al
impacto. El níquel se utiliza mucho para producir acero inoxidable, porque aumenta la resistencia a la
corrosión.
Plomo: el
plomo no se combina con el acero, se encuentra en él en forma de pequeñísimos
glóbulos, como si estuviese emulsionado, lo que favorece la fácil mecanización
por arranque de viruta, (torneado, cepillado, taladrado, etc.) ya que el plomo
es un buen lubricante de corte, el porcentaje oscila entre 0,15 % y
0,30 % debiendo limitarse el contenido de carbono a valores inferiores al
0,5 % debido a que dificulta el templado y disminuye la tenacidad en
caliente. Se añade a algunos aceros para mejorar mucho la maquinabilidad.
Silicio: aumenta moderadamente la templabilidad. Se usa como elemento
desoxidante. Aumenta la resistencia de los aceros bajos en carbono.
Titanio: se usa para estabilizar y desoxidar el acero, mantiene
estables las propiedades del acero a alta temperatura. Se utiliza su gran
afinidad con el Carbono para evitar la formación de carburo de hierro al soldar
acero.
Wolframio: también conocido como tungsteno. Forma con el hierro
carburos muy complejos estables y durísimos, soportando bien altas
temperaturas. En porcentajes del 14 al 18 %, proporciona aceros rápidos con los que es posible triplicar la
velocidad de corte de los aceros al carbono para herramientas.
Vanadio: posee una enérgica acción desoxidante y forma carburos
complejos con el hierro, que proporcionan al acero una buena resistencia a la
fatiga, tracción y poder cortante en los aceros para herramientas.
Impurezas
Se
denomina impurezas a todos los elementos indeseables en la composición de los
aceros. Se encuentran en los aceros y también en las fundiciones como
consecuencia de que están presentes en los minerales o los combustibles. Se procura eliminarlas o reducir su
contenido debido a que son perjudiciales para las propiedades de la aleación. En los casos en los que eliminarlas resulte imposible o sea
demasiado costoso, se admite su presencia en cantidades mínimas.
Azufre: límite máximo aproximado: 0,04 %. El azufre con el
hierro forma sulfuro, el que, conjuntamente con la austenita,
da lugar a un eutéctico cuyo punto de fusión es bajo y que,
por lo tanto, aparece en bordes de grano. Cuando los lingotes de acero colado
deben ser laminados en caliente, dicho eutéctico se encuentra en estado
líquido, lo que provoca el desgranamiento del material.
Se
controla la presencia de sulfuro mediante el agregado de manganeso. El manganeso tiene mayor afinidad por el azufre que el hierro por lo que en lugar de FeS se formaMnS que
tiene alto punto de
fusión y buenas propiedades
plásticas. El contenido de Mn debe ser aproximadamente cinco veces la
concentración de S para que se produzca la reacción.
El
resultado final, una vez eliminados los gases causantes, es una fundición menos
porosa, y por lo tanto de mayor calidad.
Aunque
se considera un elemento perjudicial, su presencia es positiva para mejorar la
maquinabilidad en los procesos de mecanizado. Cuando el porcentaje de azufre es
alto puede causar poros en la soldadura.
Fósforo: límite máximo aproximado: 0,04 %. El
fósforo resulta perjudicial, ya sea al disolverse en la ferrita, pues disminuye
la ductilidad, como también por formar FeP («fosfuro de
hierro»). El fosfuro
de hierro, junto con la
austenita y la cementita, forma un eutéctico ternario denominado «esteadita»,
el que es sumamente frágil y posee un punto de fusión relativamente bajo, por
lo cual aparece en bordes de grano, transmitiéndole al material su fragilidad.
Aunque
se considera un elemento perjudicial en los aceros, porque reduce la ductilidad
y la tenacidad, haciéndolo quebradizo, a veces se agrega para aumentar la
resistencia a la tensión y mejorar la maquinabilidad.
CLASIFICACION
Según
el modo de fabricación
Acero
eléctrico.
Acero
fundido.
Acero
calmado.
Acero
efervescente.
Acero
fritado.
Según
el modo de trabajarlo
Acero
moldeado.
Según
la composición y la estructura
Aceros
ordinarios.
Aceros
aleados o especiales.
Los
aceros aleados o especiales contienen otros elementos, además de carbono, que
modifican sus propiedades. Éstos se clasifican según su influencia:
Elementos
que aumentan la dureza: fósforo, níquel, cobre, aluminio. En especial aquellos
que conservan la dureza a elevadas temperaturas: titanio, vanadio, molibdeno,
wolframio, cromo, manganeso y cobalto.
Elementos
que limitan el crecimiento del tamaño de grano: aluminio, titanio y vanadio.
Elementos
que determinan en la templabilidad: aumentan la templabilidad: manganeso,
molibdeno, cromo, níquel y silicio. Disminuye la templabilidad: el cobalto.
Elementos
que modifican la resistencia a la corrosión u oxidación: aumentan la
resistencia a la oxidación: molibdeno y wolframio. Favorece la resistencia a la
corrosión: el cromo.
Elementos
que modifican las temperaturas críticas de transformación: Suben los puntos
críticos: molibdeno, aluminio, silicio, vanadio, wolframio. Disminuyen las
temperaturas críticas: cobre, níquel y manganeso. En el caso particular del
cromo, se elevan los puntos críticos cuando el acero es de alto porcentaje de
carbono pero los disminuye cuando el acero es de bajo contenido de carbono.
Según
los usos
Acero
para imanes o magnético.
Acero
autotemplado.
Acero
de corte rápido.
Acero
de decoletado.
Acero
de corte.
Acero
indeformable.
Acero
de herramientas.
Acero
para muelles.
Acero
refractario.
Acero
de rodamientos.
Características
mecánicas y tecnológicas del acero
Representación
de la inestabilidad lateral bajo la acción de una fuerza ejercida
sobre una viga de acero.
Aunque
es difícil establecer las propiedades físicas y mecánicas del acero debido a
que estas varían con los ajustes en su composición y los diversos tratamientos
térmicos, químicos o mecánicos, con los que pueden conseguirse aceros con
combinaciones de características adecuadas para infinidad de aplicaciones, se
pueden citar algunas propiedades genéricas:
En
función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir.
El punto de
fusión del acero
depende del tipo de aleación y los porcentajes de elementos aleantes. El de su
componente principal, elhierro es de alrededor de 1510 °C en
estado puro (sin alear), sin embargo el acero presenta frecuentemente
temperaturas de fusión de alrededor de 1375 °C, y en general la
temperatura necesaria para la fusión aumenta a medida que se aumenta el
porcentaje de carbono y de otros aleantes. (excepto las aleaciones eutécticas que funden de golpe). Por otra parte
el acero rápido funde a 1650 °C.18
Es
un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones
usadas para fabricar herramientas.
Es maleable. Se pueden obtener láminas delgadas llamadas hojalata. La hojalata es una lámina de acero, de entre 0,5 y
0,12 mm de espesor, recubierta, generalmente de forma electrolítica,
por estaño.
Algunas
composiciones y formas del acero mantienen mayor memoria, y se deforman al sobrepasar su límite
elástico.
La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que se
puede lograr mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos
entre los cuales quizá el más conocido sea el templado
del acero, aplicable a
aceros con alto contenido en carbono, que permite, cuando es superficial,
conservar un núcleo tenaz en la pieza que evite fracturas frágiles. Aceros
típicos con un alto grado de dureza superficial son los que se emplean en las
herramientas de mecanizado, denominados aceros rápidos que contienen cantidades
significativas de cromo, wolframio, molibdeno y vanadio. Los ensayos tecnológicos para medir la dureza son Brinell, Vickers y Rockwell, entre otros.
La corrosión es la mayor desventaja de los aceros ya que el hierro
se oxida con suma facilidad incrementando su
volumen y provocando grietas superficiales que posibilitan el progreso de la
oxidación hasta que se consume la pieza por completo. Tradicionalmente los
aceros se han venido protegiendo mediante tratamientos superficiales diversos. Si bien existen aleaciones
con resistencia a la corrosión mejorada como los aceros de construcción «corten» aptos para intemperie (en ciertos
ambientes) o los aceros inoxidables.
Posee
una alta conductividad
eléctrica. Aunque depende
de su composición es aproximadamente de20 3 · 106 S/m. En
las líneas
aéreas de alta tensión se
utilizan con frecuencia conductores de aluminio con alma de acero
proporcionando éste último la resistencia mecánica necesaria para incrementar
los vanos entre la torres y optimizar el coste de la instalación.
Se
utiliza para la fabricación de imanes permanentes
artificiales, ya que una
pieza de acero imantada no pierde su imantación si no se la calienta hasta
cierta temperatura. La magnetización artificial se hace por contacto, inducción
o mediante procedimientos eléctricos. En lo que respecta al acero inoxidable,
al acero inoxidable ferrítico sí se le pega el imán, pero al acero inoxidable austenítico no se le pega el imán ya que la fase del hierro conocida
como austenita no es atraída por los imanes. Los aceros inoxidables contienen
principalmente níquel y cromo en
porcentajes del orden del 10 % además de algunos aleantes en menor
proporción.
Un
aumento de la temperatura en un elemento de acero provoca un
aumento en la longitud del mismo. Este aumento en la longitud puede valorarse
por la expresión: δL = α δ t° L, siendo a el coeficiente
de dilatación, que para el
acero vale aproximadamente 1,2 · 10−5 (es decir α = 0,000012).
Si existe libertad de dilatación no se plantean grandes problemas subsidiarios,
pero si esta dilatación está impedida en mayor o menor grado por el resto de
los componentes de la estructura, aparecen esfuerzos complementarios que hay
que tener en cuenta. El acero se dilata y se contrae según un coeficiente de
dilatación similar al coeficiente de dilatación del hormigón, por lo que resulta muy útil su uso simultáneo en la
construcción, formando un material compuesto que se denomina hormigón
armado.21 El
acero da una falsa sensación de seguridad al ser incombustible, pero sus
propiedades mecánicas fundamentales se ven gravemente afectadas por las altas
temperaturas que pueden alcanzar los perfiles en el transcurso de un incendio.
Desgaste
Es
la degradación física (pérdida o ganancia de material, aparición de grietas,
deformación plástica, cambios estructurales como transformación de fase o
recristalización, fenómenos de corrosión, etc.) debido al movimiento entre la
superficie de un material sólido y uno o varios elementos de contacto.
Normalización
de las diferentes clases de acero
Para
homogeneizar las distintas variedades de acero que se pueden producir, existen
sistemas de normas que regulan la composición de los aceros y las prestaciones
de los mismos en cada país, en cada fabricante de acero, y en muchos casos en
los mayores consumidores de aceros.
Por
ejemplo, en España están regulados por la norma UNE-EN
10020:2001 y antiguamente
estaban reguladas por la norma UNE-36010, ambas editadas por AENOR.22
Existen
otras normas reguladoras del acero, como la clasificación de AISI (de uso mucho más extendido
internacionalmente), ASTM, DIN, o
la ISO 3506.
Formación
del acero
Tratamientos
del acero
Tratamientos
superficiales
Debido
a la facilidad que tiene el acero para oxidarse cuando entra en contacto con la
atmósfera o con el agua, es necesario y conveniente proteger la superficie de
los componentes de acero para protegerles de la oxidación y corrosión. Muchos tratamientos superficiales están muy relacionados con
aspectos embellecedores y decorativos de los metales.
Los
tratamientos superficiales más usados son los siguientes:
Cincado: tratamiento superficial antioxidante por proceso electrolítico o mecánico al que se somete a diferentes
componentes metálicos.
Cromado: recubrimiento superficial para proteger de la oxidación y
embellecer.
Galvanizado: tratamiento superficial que se da a la
chapa de acero.
Pavonado: tratamiento superficial que se da a piezas pequeñas de
acero, como la tornillería.
Pintura: usado especialmente en estructuras,
automóviles, barcos, etc.
Tratamientos
térmicos
Rodamiento
de acero templado.
Un
proceso de tratamiento
térmico adecuado
permite aumentar significativamente las propiedades mecánicas de dureza, tenacidad y resistencia mecánica del acero. Los tratamientos térmicos
cambian la microestructura del material, con lo que las
propiedades macroscópicas del acero también son alteradas.
Los
tratamientos térmicos que pueden aplicarse al acero sin cambiar en su
composición química son:
Tratamientos
termoquímicos
Son
tratamientos térmicos en los que, además de los cambios en la estructura del
acero, también se producen cambios en la composición
química de la capa
superficial, añadiendo diferentes productos químicos hasta una profundidad
determinada. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y
enfriamiento controlados en atmósferas especiales. Entre los objetivos más
comunes de estos tratamientos están aumentar la dureza superficial de las piezas dejando el núcleo más blando
y tenaz, disminuir el rozamiento aumentando el poder lubrificante,
aumentar la resistencia al desgaste, aumentar la resistencia a fatiga o aumentar la resistencia a la corrosión.
Cementación (C):
aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando la
concentración de carbono en la superficie. Se consigue teniendo en cuenta el
medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento.
El tratamiento logra aumentar el contenido de carbono de la zona periférica,
obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza
superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el núcleo.
Nitruración (N):
al igual que la cementación, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace en
mayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de la superficie de la
pieza. Se logra calentando el acero a temperaturas comprendidas entre 400 y
525 °C, dentro de una corriente de gas amoníaco, más nitrógeno.
Cianuración (C+N): endurecimiento superficial de
pequeñas piezas de acero. Se utilizan baños con cianuro, carbonato y cianato
sódico. Se aplican
temperaturas entre 760 y 950 °C.
Carbonitruración (C+N): al igual que la cianuración,
introduce carbono y nitrógeno en una capa superficial, pero con hidrocarburos como metano, etano o propano; amoníaco(NH3) y monóxido
de carbono (CO). En
el proceso se requieren temperaturas de 650 a 850 °C y es necesario
realizar un temple y un revenido posterior.
Sulfinización (S+N+C): aumenta la resistencia al
desgaste por acción del azufre. El azufre se incorporó al metal por calentamiento a baja
temperatura (565 °C) en un baño de sales.
Entre
los factores que afectan a los procesos de tratamiento térmico del acero se
encuentran la temperatura y el tiempo durante el que se expone a dichas
condiciones al material. Otro factor determinante es la forma en la que el
acero vuelve a la temperatura ambiente. El enfriamiento del proceso puede
incluir su inmersión en aceite o el uso del aire como refrigerante.
El
método del tratamiento térmico, incluyendo su enfriamiento, influye en que el
acero tome sus propiedades comerciales.
Según
ese método, en algunos sistemas de clasificación, se le asigna un prefijo
indicativo del tipo. Por ejemplo, el acero O-1, o A2, A6 (o S7) donde la letra
"O" es indicativo del uso de aceite (del inglés: oil quenched), y "A" es la
inicial de aire; el prefijo "S" es indicativo que el acero ha sido
tratado y considerado resistente al golpeo (shock resistant).
Mecanizado
del acero
Acero
laminado
El
acero que se utiliza para la construcción de estructuras metálicas y obras
públicas, se obtiene a través de la laminación de acero en una serie de
perfiles normalizados.
El
proceso de laminado consiste en calentar previamente los lingotes de acero
fundido a una temperatura que permita la deformación del lingote por un proceso
de estiramiento y desbaste que se produce en una cadena de cilindros a presión
llamado tren de laminación. Estos cilindros van formando el perfil deseado
hasta conseguir las medidas que se requieran. Las dimensiones de las secciones
conseguidas de esta forma no se ajustan a las tolerancias requeridas y por eso
muchas veces los productos laminados hay que someterlos a fases de mecanizado
para ajustar sus dimensiones a la tolerancia requerida.
Acero
forjado
Biela
motor de acero forjado.
La forja es
el proceso que modifica la forma de los metales por deformación plástica cuando
se somete al acero a una presión o a una serie continuada de impactos. La forja
generalmente se realiza a altas temperaturas porque así se mejora la calidad
metalúrgica y las propiedades mecánicas del acero.
El
sentido de la forja de piezas de acero es reducir al máximo posible la cantidad
de material que debe eliminarse de las piezas en sus procesos demecanizado. En la forja por estampación la fluencia
del material queda limitada a la cavidad de la estampa, compuesta por dos matrices que tienen grabada la forma de la
pieza que se desea conseguir.
Acero
corrugado
El acero corrugado es una clase de acero
laminado usado especialmente en construcción, para emplearlo en hormigón armado. Se trata de barras de
acero que presentan resaltos o «corrugas» que mejoran la adherencia con el
hormigón. Está dotado de una gran ductilidad, la cual permite que a la
hora de cortar y doblar no sufra daños, y tiene una gran soldabilidad, todo
ello para que estas operaciones resulten más seguras y con un menor gasto
energético.
Las
barras de acero corrugado están normalizadas. Por ejemplo, en España las regulan las normas: UNE 36068:1994- UNE 36065:2000
–UNE36811:1998.
Las
barras de acero corrugados se producen en una gama de diámetros que van de 6 a
40 mm, en la que se cita la sección en cm² que cada barra tiene así como
su peso en kg.
Las
barras inferiores o iguales a 16 mm de diámetro se pueden suministrar en
barras o rollos, para diámetros superiores a 16 siempre se suministran en forma
de barras.
Las
barras de producto corrugado tienen unas características técnicas que deben
cumplir, para asegurar el cálculo correspondiente de las estructuras de
hormigón armado. Entre las características técnicas destacan las siguientes,
todas ellas se determinan mediante el ensayo de
tracción: límite
elástico Re (Mpa) carga
unitaria de rotura o resistencia a la tracción Rm (MPa)alargamiento de rotura A5 (%)alargamiento bajo
carga máxima Agt (%)relación entre cargas Rm/Remódulo de Young E
Estampado
del acero
Puerta
automóvil troquelada y estampada.
La
estampación del acero consiste en un proceso de mecanizado sin arranque de
viruta donde a la plancha de acero se la somete por medio de prensas adecuadas
a procesos de embutición y estampación para la consecución de determinadas
piezas metálicas. Para ello en las prensas se colocan los moldes adecuados.
Troquelación
del acero
La
troquelación del acero consiste en un proceso de mecanizado sin arranque de
viruta donde se perforan todo tipo de agujeros en la plancha de acero por medio
de prensas de impactos donde tienen colocados sus respectivos troqueles y
matrices.
Mecanizado
blando
Torno
paralelo moderno.
Las
piezas de acero permiten mecanizarse en procesos de arranque de virutas en máquinas-herramientas
(taladro, torno, fresadora, centros de mecanizado CNC, etc.) luego endurecerlas por
tratamiento térmico y terminar los mecanizados por procedimientos abrasivos en
los diferentes tipos de rectificadoras que existen.
Rectificado
El
proceso de rectificado permite obtener muy buenas calidades de acabado
superficial y medidas con tolerancias muy estrechas, que son muy beneficiosas
para la construcción de maquinaria y equipos de calidad. Pero el tamaño de la
pieza y la capacidad de desplazamiento de la rectificadora pueden presentar un
obstáculo.
Mecanizado
duro
En
ocasiones especiales, el tratamiento térmico del acero puede llevarse a cabo
antes del mecanizado en procesos de arranque de virutas, dependiendo del tipo
de acero y los requerimientos que deben ser observados para determinada pieza.
Con esto, se debe tomar en cuenta que las herramientas necesarias para dichos
trabajos deben ser muy fuertes por llegar a sufrir desgaste apresurado en su
vida útil. Estas ocasiones peculiares, se pueden presentar cuando las tolerancias
de fabricación son
tan estrechas que no se permita la inducción de calor en tratamiento por llegar
a alterar la geometría del trabajo, o también por causa de la misma composición
del lote del material (por ejemplo, las piezas se están encogiendo mucho por
ser tratadas). En ocasiones es preferible el mecanizado después del tratamiento
térmico, ya que la estabilidad óptima del material ha sido alcanzada y,
dependiendo de la composición y el tratamiento, el mismo proceso de mecanizado
no es mucho más difícil.
Mecanizado
por descarga eléctrica
En
algunos procesos de fabricación que se basan en la descarga eléctrica con el uso de electrodos, la dureza del acero no hace una
diferencia notable.
Taladrado
profundo
En
muchas situaciones, la dureza del acero es determinante para un resultado
exitoso, como por ejemplo en el taladrado
profundo al procurar
que un agujero mantenga su posición referente al eje de rotación de la broca de
carburo. O por ejemplo, si el acero ha sido endurecido por ser tratado
térmicamente y por otro siguiente tratamiento térmico se ha suavizado, la
consistencia puede ser demasiado suave para beneficiar el proceso, puesto que
la trayectoria de la broca tenderá a desviarse.
Doblado
El
doblado del acero que ha sido tratado térmicamente no es muy recomendable pues
el proceso de doblado en frío del material endurecido es más difícil y el
material muy probablemente se haya tornado demasiado quebradizo para ser
doblado; el proceso de doblado empleando antorchas u otros métodos para aplicar
calor tampoco es recomendable puesto que al volver a aplicar calor al metal
duro, la integridad de este cambia y puede ser comprometida.
Perfiles
de acero
Para
su uso en construcción, el acero se distribuye en perfiles
metálicos, siendo éstos de
diferentes características según su forma y dimensiones y debiéndose usar
específicamente para una función concreta, ya sean vigas o pilares.
Aplicaciones
El
acero en sus distintas clases está presente de forma abrumadora en nuestra vida
cotidiana en forma de herramientas, utensilios, equipos mecánicos y formando
parte de electrodomésticos y maquinaria en general así como en
las estructuras de las viviendas que habitamos y en la gran mayoría de los edificios
modernos. En este contexto existe la versión moderna de perfiles de acero
denominada Metalcón.
Los
fabricantes de medios de transporte de mercancías (camiones) y los de maquinaria
agrícola son grandes
consumidores de acero.
También
son grandes consumidores de acero las actividades constructoras de índole
ferroviario desde la construcción de infraestructuras viarias así como la
fabricación de todo tipo de material rodante.
Otro
tanto cabe decir de la industria fabricante de armamento, especialmente la dedicada a construir armamento
pesado, vehículosblindados y acorazados.
También
consumen mucho acero los grandes astilleros constructores de barcos especialmente petroleros, y gasistas u otros buquescisternas.
Como
consumidores destacados de acero cabe citar a los fabricantes de automóviles
porque muchos de sus componentes significativos son de acero.
Son
de acero forjado entre otros componentes: cigüeñal, bielas, piñones, ejes de transmisión de caja de
velocidades y brazos
de articulación de la dirección.
Son
de acero todos los muelles que incorporan como por ejemplo; muelles de válvulas, de asientos, de prensa embrague, de amortiguadores, etc.
De
chapa troquelada son las llantas de las ruedas, excepto las de alta gama que son de
aleaciones de aluminio.
Cabe
destacar que cuando el automóvil pasa a desguace por su antigüedad y deterioro
se separan todas las piezas de acero, son convertidas en chatarra y son
reciclados de nuevo en acero mediante hornos eléctricos y trenes de laminación
o piezas de fundición de hierro.
Ensayos
mecánicos del acero
Durómetro.
Curva
del ensayo de tracción.
Cuando
un técnico proyecta una estructura metálica, diseña una herramienta o una
máquina, define las calidades y prestaciones que tienen que tener los
materiales constituyentes. Como hay muchos tipos de aceros diferentes y,
además, se pueden variar sus prestaciones con tratamientos térmicos, se
establecen una serie de ensayos mecánicos para verificar principalmente la
dureza superficial, la resistencia a los diferentes esfuerzos que pueda estar
sometido, el grado de acabado del mecanizado o la presencia de grietas internas
en el material, lo cual afecta directamente al material pues se pueden producir
fracturas o roturas.
Hay
dos tipos de ensayos, unos que pueden ser destructivos y otros no destructivos.
Todos
los aceros tienen estandarizados los valores de referencia de cada tipo de
ensayo al que se le somete.23
Ensayos
no destructivos
Los
ensayos no destructivos son los siguientes:
Ensayos
por líquidos penetrantes.
Ensayos
por partículas magnéticas.
Ensayos
destructivos
Los
ensayos destructivos son los siguientes:
Ensayo
de resiliencia.
Materias
Primas
Las
materias primas que se usan para producir acero son, básicamente, mineral de
hierro, carbón y caliza.
MATERIAS
|
ORIGEN
|
PUNTO
DE
|
PRIMAS
|
EMBARQUE
|
|
Mineral
de Hierro
|
*
Yacimiento
|
Puerto
|
(Pellets)
|
El
Algarrobo
|
Huasco
|
III
Región
|
*Planta
Huasco
|
|
Mineral
de Hierro
|
*Yacimiento
|
Puerto
|
(Granzas)
|
El
romeral
|
Guayacán
|
IV
Región
|
||
Caliza
|
*
Isla Guarello
|
Puerto
|
XII
Región
|
Guarello
|
|
Carbones
|
*
EEUU
|
Norfolk
|
Importados
|
*
Canadá
|
Vancouver
|
*
Australia
|
Gladstone
|
|
Haypoint
|
La
planta de coque produce 650.000 ton/año, de las cuales 320.000 se vende a
terceros y 330.000 es utilizado en procesos productivos de la planta.
Planta
de Caliza
Para
la fabricación de arrabio (en los Altos Hornos) son necesarias las siguientes
materias primas:
Sólidos:
mineral de hierro, pellets, coque y fundentes.
Líquidos:
combustibles líquidos (petróleo - alquitrán).
Gaseosos:
aíre, combustibles gaseosos.
Los
materiales sólidos son cargados por el tope, mientras que los líquidos y gaseosos
se inyectan a través de toberas en la zona inferior.
Insumos
Principales
Acería
Conox
Los
materiales que de una u otra forma constituyen la carga del convertidor son:
Arrabio
: 70 - 80%
Chatarra
: 20 - 30%
Ferroaleaciones
: 2 - 5%
Adiciones:
Cal
(mejorar índice Basicidad)
Dolomita
calcinada (protege Refractarios)
Mineral
Fe (refrigerante)
Espato
Fluor (fluidizar la escoria)
Caliza
(refrigerante y escorificante)
Oxígeno
Refractarios
Agua
5.
Proceso
En
la producción del acero se debe cumplir un proceso de 4 etapas:
1ª)
Recepción y preparación de materias primas que incluye la desgasificación del
carbón a coque siderúrgico.
2ª)
Reducción del mineral de hierro para obtener arrabio de Alto Horno, que es
hierro en estado líquido.
3ª)
Refinación o disminución del carbono y otras impurezas de este último para
lograr el acero.
4ª) Esta última parte del proceso contempla laminación y terminación de los diferentes productos.
4ª) Esta última parte del proceso contempla laminación y terminación de los diferentes productos.
Puerto:
Dotado de un muelle de 373 mt. de largo con capacidad para recibir barcos hasta 33.000 ton. y de instalaciones mecanizadas para descargar materias primas y cargar material producido en la planta.
Dotado de un muelle de 373 mt. de largo con capacidad para recibir barcos hasta 33.000 ton. y de instalaciones mecanizadas para descargar materias primas y cargar material producido en la planta.
Muelle
Canchas de materias primas:
Consta
de 3 canchas de almacenamiento de carbón importado con capacidad de 159.000
ton.
Carbón
nacional con capacidad de 100.000 ton.
Mineral
de hierro con capacidad de 185.000 ton.
Caliza
con capacidad de 70.000 ton.
Coqueria
Constituida
por batería de 58 hornos contiguos, dispuestos en forma paralela a sus ejes
longitudinales.
Los
hornos de coquización se encuentran separados uno de otro por las cámaras de
combustión que, a la vez, constituyen la pared de los hornos de manera que el
carbón cargado en su interior, se calienta por conducción de calor a través de
las paredes laterales; ocurriendo la destilación o eliminación de la materia
volátil del carbón, para originar un residuo sólido aglomerado, sin contenido
de alquitranes, de muy baja materia volátil residual y relativamente alta
resistencia mecánica, capaz de resistir las solicitaciones a las que será
sometido como materia prima del proceso de alto horno.
Características de los hornos
Largo
útil de la cámara 13.930 (mm)
Altura
total 5.060 (mm)
Altura
útil de carga 4.730 (mm)
Ancho
promedio de la cámara 440.4 (mm)
Capacidad
de carga de carbón 29.01 (m3)
Producción
estimada de coque 15.5 (ton.)
Ciclo de coquización
Cada
horno, posee en su parte superior o techo 4 bocas de carga, a través de las
cuales y mediante una máquina que se desplaza por el tope de la batería, dotada
de 4 buzones coincidentes con las bocas señaladas, se carga el carbón a los
hornos. Estos están provistos además, en uno de sus extremos superiores, de un
ducto de ascensión por donde son evacuados hacia una cañería colectora común
para todos los hornos, los gases producidos en la destilación. En el otro
extremo poseen un pequeño tubo de ascensión destinado a interconectar un horno
con su vecino durante la faena de carga.
La
duración de un ciclo desde la carga de un horno, hasta el término del proceso,
es un parámetro de operación que fluctúa entre 15 y 24 horas, con un tiempo
normal de diseño de 15.73 hrs., al termino de las cuales el carbón se encuentra
totalmente coquizado. La temperatura media de las cámaras de combustión para la
capacidad de diseño será de 1.325ºC, con lo que al término del ciclo la
temperatura del coque al centro del horno será cercana a 1.000ºC. Para el
tiempo normal del periodo de coquización el ritmo de empuje o número de hornos
producidos será de 89 hornos/día.
En
ambos extremos, los hornos están provistos de puertas especiales, revestidas
con material refractario, las que permanecen colocadas cerrando la cámara del
horno durante la carga de carbón, y el tiempo que dura el ciclo coquización.
Concluido
el ciclo, se retiran ambas puertas para sacar el coque, esto se hace mediante
una máquina que lo empuja a través de la cámara del horno y una prolongación
metálica conocida como “guía de coque”, siendo recibido en el extremo opuesto
en un “carro de apagado” movido por una locomotora. El coque incandescente
recepcionado en el carro se apaga mediante el vaciado directo abundante
cantidad de agua en la llamada “Estación de Apagado”.
4
Altos Hornos
La
Compañía Siderúrgica Huachipato S.A. ( C.S.H.) cuenta con dos Altos Hornos
denominados Alto Horno #1 y Alto Horno #2.
El
Alto Horno #1 inició su operación en Junio de 1950, siendo el segundo Alto
Horno a coque que operó en América del Sur. Tiene un diámetro de crisol de 6.48
mt. y volumen útil de 710 m3.
El
Alto Horno #2 inició su operación en Abril de 1966 y es de mayor tamaño que el
Alto Horno #1. El diámetro de crisol es de 7.01 mt. y el volumen interno de 850
m3.
Bajo
las actuales condiciones de operación y carga, el Alto Horno #1 puede producir
hasta 1.300 ton. de arrabio por día.
Alto
Horno #2
4.1
Descripción general del proceso
El
Alto Horno es un reactor en forma de cuba vertical que emplea carbono,
principalmente en forma de coque, para reducir hierro a partir de sus óxidos
minerales.
El
hierro producido (arrabio) se obtiene en forma líquida a temperatura elevada
(1400 - 1500 ºC) con contenidos de carbono disueltos de 4 a 5% y 0,5 a 1% de
Si. Este mineral es susceptible a refinarse para producir acero.
Como
subproducto se obtiene la escoria, la cual contiene la gran mayoría de los
minerales no térmicos cargados al horno, es granulada mediante un chorro de
agua a presión y posteriormente, enviada por medio de camiones a Cementos
Bío-Bío, donde es utilizada para la fabricación de cemento.
Uno
de los parámetros operativos críticos, es la temperatura del metal y de la
escoria, que deben ser superior a 1400ºC, para que puedan extraerse desde el
Alto Horno en estado líquido con facilidad.
4.3
Proceso Productivo
El
proceso en los Altos Hornos, consiste en producir hierro metálico en estado
líquido (arrabio) a partir de los minerales de hierro (óxidos de hierro). Para
lograr este objetivo, se utiliza el carbono proveniente del coque que reduce
dichos óxidos. Una parte de los minerales se reduce en la columna de carga del
Alto Horno (cuba) por acción del monóxido de carbono (CO) de la corriente
gaseosa ascendente. Estos mecanismos de reducción reciben el nombre de
reducción indirecta. El óxido de hierro remanente, que no se reduce en las
zonas inferiores de alta temperatura, donde se funde y reduce directamente por
acción del carbono proveniente del coque (reacción fuertemente endotérmica).
Una
parte importante de la energía calórica requerida por la reacción de reducción
directa y presión proporcionada por la combustión del carbono del coque.
Los
minerales de hierro contienen proporciones variables de impurezas (“ganga”) que
pueden reducirse y disolverse en el hierro fundido, tales como Si, P, V, Ti,
Mn, etc., así como otras impurezas que no se reducen o no se disuelven en el
hierro, tales CaO, MgO, Al2O3, SiO2, Na2O, K2O, etc.
Estas
últimas deben eliminarse como escoria fundida, la cual es separada del arrabio
por diferencia de densidades.
Lo
dicho para la “ganga” de los minerales, se aplica también a la ceniza de coque
y fundentes.
Es
de primordial importancia para el buen funcionamiento del proceso, que en la
medida que el coque vaya siendo gasificado frente a las toberas (5), la
producción de arrabio y escoria vayan siendo evacuados a través de las coladas.
De esta forma se permite el descenso de la carga y se renueva el coque para la
combustión, el cual ha sido cargado por la parte superior del horno con el
resto de las materias primas.
El
arrabio tiene un punto de fusión (Eutéctico hierro-carbono) alrededor de 1150ºC
y los óxidos de hierro, temperaturas de fusión algo superiores, de ahí que se
debe tratar de evitar el descenso brusco de la carga no reducida hacia las
zonas inferiores, ya que la reducción violenta de ellas (reducción directa)
provocaría un fuerte enfriamiento y peligro de solidificación de la fase
líquida.
Por
otra parte, tanto el punto de fusión como la viscosidad de la escoria (sistema
CaO - MgO - SiO2 - Al2O3) están determinados por as formas mineralógicas de sus
componentes, siendo muy sensibles a variaciones relativamente pequeñas de
proporciones ente ellos.
Para
regula la composición de la escoria y obtener puntos de fusión y viscosidad
adecuados, se adicionan a la carga minerales denominados “fundentes”,
principalmente Cao en la forma de caliza (CaCO3) y SiO2 en la forma de cuarzo.
El
flujo de gases ascendentes (CO, CO2, N2) que escapa del horno (gas de Alto Horno),
de bajo poder calorífico (700 - 800 Kcal/m3), se utiliza principalmente en el
calentamiento del aire en los recuperadores de calor (estufas) del Alto Horno y
como combustibles en el proceso de coquificación.
5
Acería Conox
Dicha
acería puede alcanzar una producción de alrededor de 1.000.000 toneladas de
acero al año; pero la limitada capacidad del Laminador Desbastador la obliga a
esperar al nivel de 800.000 ton.
Para
balancear la capacidad de producción de acero con la de laminación, se ha
instalado una máquina de colada continua de planchones.
El
diseño de la acería posibilita la instalación, futuro, de un tercer convertidor
lo que permite duplicar la capacidad de producción.
Acería
Conox
5.1
Arrabio
Para
el transporte de arrabio, desde los Altos Hornos, se usan las llamadas
“cucharas torpedos”, que tienen una capacidad de 200 ton. cada una.
El
revestimiento de estas cucharas pesa alrededor de 50 ton., está constituido por
ladrillos de arcilla sílico-aluminosa y su duración es de alrededor de 450 viajes.
(37 días aprox.)
El
pesaje de arrabio se efectua en una romana de 400 ton. instalada en la vía
férrea que une los Altos Hornos y la Acería CONOX.
El
arrabio es recibido en una cuchara de traspaso, en la que deberá efectuarse, de
ser necesario, la desulfuración con ceniza de soda. Una vez producida la
desulfuración, se debe escoriar la cuchara de traspaso, esto se hace en una
plataforma situada entre el carro de traspaso y el convertidor, al cual se
lleva la cuchara mediante la grúa de carga de arrabio.
En
este momento el arrabio está listo para ser vaciado en el convertidor.
La
grúa puente, que efectúa los movimientos de las cucharas de traspaso, tiene una
capacidad de 175 ton. en el gancho principal y de 45 ton. en el gancho
auxiliar. En la cuchara de traspaso, 2 minutos antes de vaciar el arrabio al
convertidor, se debe tomar la temperatura del metal fundido.
5.2
Chatarra
De Acero:
Para
el abastecimiento de chatarra, en el extremo sur de la planta, existe un patio
de procesamiento y preparación. Además, se dispone de instalaciones que
permiten la clasificación de las escorias y recuperación de material metálico.
El
patio de chatarra cuenta con el servicio de una grúa oruga de 80 ton. con
magneto y para la recuperación de material metálico se dispone de2 grúas de
características similares a la anterior.
El
traslado de chatarra hacia las acerías se hace en “carros cajones”, lo que son
descargados en el patio de Carga de Chatarra mediante una grúa con magneto de
16 ton. La chatarra es cargada inmediatamente en las cajas de carga (11m. de
largo y 17m3 de capacidad) o bien, puede almacenare en un área cercana
disponible para este efecto. Las cajas están montadas de a parejas sobre el
“carro de traspaso”, donde son pesadas mediante romanas instaladas bajo éste.
Las
dos cajas van a la nave de carga en los “carros de traspaso”, manejados con
huinche, desde donde son tomadas por una grúa Semi-Gantry de 2 x 45 ton. y
llevadas al convertidor.
La
chatarra debe ser preparada de modo que no existan unidades que pesen más de 3
ton. Por otro lado, la carga máxima aceptada por hornada es de 32 ton.
De Fierro:
La
chatarra de Fierro es el material proveniente de los enfriamientos de arrabios:
“chanchos”, restos de bases y moldes. Su uso es controlado debido a que funde
al final del proceso, alterando el contenido de carbono al proyectar muchas
partículas. No se aceptan cantidades superiores a un 5 - 6%. Puede variarse un
poco esta cantidad con modificaciones en la inyección de oxígeno y en las
características de la lanza.
Mineral:
Es
usado como refrigerante y sirve para hacer el ajuste de carga fría (TRIMING).
Sus consumos son variables, habitualmente no van más allá de 4 - 5%. Tiene un
alto poder refrigerante, superando el de la chatarra en 4 veces.
5.3
Ferroaleaciones
Todas
las ferroaleaciones se hacen durante el vaciado, del acero del convertidor a la
“cuchara”, normalmente varían entre el 1 y 2% de la hornada.
Desde
las tolvas de recepción se elevan a las tolvas de alimentación por correas.
Existe una tolva de alimentación para cada ferroaleación (Ferromagneso,
Silicio-Manganeso y Ferrosilicio).
Se
pesan al nivel de la plataforma de convertidores y desde las tolvas de
almacenamiento, se vacían directamente a las cajas de pesaje.
Estas
se trasladan al convertidor mediante una “grúa horquilla” y se depositan sobre
las tolvas de alimentación.
Las
tolvas de pesaje poseen vibradores y romanas de plataforma con 2% sensibilidad.
La
granulometría de las ferroaleaciones debe variar entre ¾” y 2”.
5.4
Adiciones
La
principal adición utilizada es Cal. Se usa en una proporción aproximada a los
65kg/ton. La cal necesaria es suministrada por una Planta, que tiene una
capacidad instalada de 360 ton/día, operando a 3 turnos.
Para
proteger el revestimiento de los convertidores se usan pequeñas cantidades de
Dolomita Calcinada (aprox. 10 kg/ton) con el objeto de saturar las escorias de
MgO.
El
espato-fluor necesario es cargado a granel en las tolvas de alimentación. La
cantidad utilizada varía alrededor de 17 kg/ton, su efecto es reducir la
viscosidad de la escoria.
El
transporte desde la Planta de Cal se realiza en “carros estanque” herméticos
(semi-trailler). Las 2 tolvas de 110 ton de capacidad cada una, llegan por
medio de una correa transportadora (de 24” de ancho, 1,6 m/seg de velocidad y
18º de inclinación). Además, hay una tolva de 40 ton con descarga gradual que
se utiliza para los ajustes.
También
se usa caliza como refrigerante, pero su efecto es 4 veces menor que el del
mineral.
5.4
Sistema de Inyección de Oxígeno
El
oxígeno necesario para la operación de la Acería Conox, proviene de la Planta
Nº2 que tiene una producción diaria de 290 ton. La Planta Nº1 está fuera de
servicio, pero en condiciones de emergencia; esta produce 114 ton diarias.
La
presión con que la Planta de Oxígeno alimenta la línea es de 27 atmósferas,
desde donde el oxígeno va a los estanques de almacenamiento. Como la presión
necesaria para la operación es de solo 12 atmósferas, se dispone de una
estación reductora de presión: la distribución del oxígeno se hace a través de
una válvula que se encuentra en una cabina metálica presurizada, situada en el
nivel 44, y se acciona desde el púlpito del convertidor.
La
inyección propiamente tal, se hace a través de una lanza refrigerada con agua
que cae verticalmente dentro del convertidor, cuyas principales características
son:
Largo
: 17 m
Diámetro
: 10”
Cabeza
: 4 hoyos inclinados a 7º y 32 mm de Ø en el venturi.
La
duración de estas lanzas es de 400 - 500 sopladas.
El
consumo promedio de oxígeno se estima en:
Para
el encendido : 40 m3/min
Para
la operación : 300 m3/min
Máximo
: 410 m3/min
La
refrigeración de las lanzas se hace con agua tratada, consumiéndose alrededor
de 100 m3/hora. La temperatura del agua varia de 25ºC a 51ºC. Con el objetivo
de evitar daños prematuros en las lanzas, debe mantenerse un estricto control
de funcionamiento del sistema de refrigeración y de la calidad del agua
utilizada. La lanza va montada sobre un carro. Se dispone de otra en caso de
emergencia. Todas las posibilidades de movimiento de la lanza están alternadas
de modo que se cumpla el siguiente ciclo:
Baja
y/o sube a 30 m/min (frena en 12 cm).
Reduce
su velocidad al entrar al convertidor.
Se
introduce al convertidor a 5 m/min (frena en 2 cm).
Inyección
automática al entrar al convertidor.
Notas:
Si
el convertidor no está vertical, no baja la lanza.
Si
no se han logrado las presiones y temperaturas prefijadas para el oxígeno y
agua, no funciona el sistema.
Si
al estar operando el sistema, se produce una caída de presión en el oxígeno y/o
el agua, la lanza se levanta automáticamente, deteniéndose la inyección.
5.5
Convertidor
La
capacidad nominal del convertidor es de 100 a 110 ton. de carga y tiene forma
redondeada en el fondo, el cuerpo es cilíndrico y la parte superior cónica.
Está construido con planchas de 65 mm en el cono y cilindro siendo el fondo de
planchas de 55 mm de espesor. El material correspondiente al acero tipo Aldur
41042 que no necesita tratamiento Ø especial después de soldar. Este tiene un Ø
de 5 m; de alto 8.83 m y una boca de 1.9 m de Ø.
El
convertidor se fija en forma flotante mediante un anillo de soporte que es
solidario con los muñones y rodamientos de giro, elementos que durante la
operación se protegen con agua de refrigeración. La carcaza toma una
temperatura 300 - 340 ºC y los muñones se calientan hasta 250ºC.
5.6
Proceso en el convertidor
En
esta fase corresponde la refinación del arrabio. Recién producido contiene
demasiado carbono y demasiadas impurezas para ser provechoso.
Debe
ser refinado, porque esencialmente, el acero es hierro altamente refinado que
contiene menos de un 2% de carbono.
La
fabricación del acero a partir del arrabio implica no sólo la remoción del
carbono para llevarlo al nivel deseado, sino también la remoción o reducción de
las impurezas que contiene.
El
horno se inclina desde su posición vertical y se carga con chatarra de acero
frío (cerca de un 20%) y luego con hierro estado líquido (arrabio). Después de
ser vuelto a su posición vertical, se hace descender hacia la carga una lanza
de oxígeno refrigerada por agua y se fuerza sobre ella un flujo de oxígeno puro
a alta velocidad durante 18 min. Este actúa como fuente de calor y para la
oxidación de las impurezas.
Antes
de aplicar el chorro de oxígeno, se depositan las adiciones como: ferromanganeso,
silicio, cal y otros materiales fundentes. La reacción química resultante
desarrolla una temperatura aproximada de 1.650ºC. el oxígeno se combina con el
exceso de carbono acabando como un gas y se combina también con las impurezas
para quemarlas rápidamente. Su residuo es absorbido por la capa flotante de
escoria.
Después
de haberse completado la inyección de oxígeno, se analiza el contenido de
carbono y la composición química de diversas muestras de la masa fundida.
La
composición química del acero dependerá de las diferentes aleaciones con sus
respectivos efectos como:
Aluminio:
empleado en pequeñas cantidades, actúa como desoxidante para el acero fundido y
produce un acero de grano fino.
Boro:
aumenta la templabilidad (la profundidad a la cual un acero puede se
endurecido).
Cromo:
aumenta la profundidad de endurecimiento y mejora la resistencia al desgaste y
corrosión.
Cobre:
mejora significativamente la resistencia a la corrosión atmosférica.
Entre
otras aleaciones como son el manganeso, molibdeno, níquel silicio, azufre,
titanio, tungsteno y vanadio.
6
Acería Eléctrica
El
horno eléctrico está diseñado para obtener un producto final de óptima calidad.
Para esto, cuenta con rigurosos sistemas de control de refinación del acero;
obteniéndose así, las composiciones químicas requeridas con máxima precisión.
Equipado
con un transformador de 7.000 kwatts y 3 electrodos de grafito de 12”, produce
22 toneladas de acero en cada horneada.
El
proceso de fabricación de Acero especial comienza con la carga del horno. Se
emplean materias primas seleccionadas provenientes de los propios procesos de
la planta siderúrgica. Baldes de 15 ton depositan las materias primas.
Concluida esta etapa se conecta la corriente eléctrica y se bajan los
electrodos; es el momento en que se inicia la fusión de la carga.
Antes
de completar el tiempo de fusión, 2 horas aproximadamente, el horno es cargado
por segunda vez, ahora hasta su capacidad total. Terminado el tiempo de fusión
viene la etapa del afino, donde se eliminan los elementos no deseados. Primero
el fósforo es retenido por la escoria y después, el azufre; una vez completada
la refinación se agrega una parte de los elementos de aleación que le darán al
acero las características especiales deseadas. Mientras todo esto sucede se
sacan muestras para ser analizadas; los resultados obtenidos indicarán si es o
no necesario ajustar las aleaciones del metal dentro del horno.
Debido
a que el acero pierde temperatura en el sangrado, durante la fusión de las
adiciones, se somete a un nuevo proceso de calentamiento.
Posteriormente,
la cuchara es cerrada herméticamente quedando conectada a un sistema generador
de vacío, dándose inicio a la desgasificación. Esto da como resultado la
reducción de los gases disueltos en e acero líquido.
En
esta etapa, si es necesario, se vuelve a ajustar la composición química del
acero y se agregan aquellos elementos que requieren condiciones especiales para
ser adicionado. Todo el proceso de acería termina con el vaciado del acero
líquido en las lingoteras. Esto, se hace por el método de “vaciado por el
fondo”, denominado “sifón” o “indirecto”, que permite obtener lingotes de alta
calidad superficial e interna. De estos lingotes podrán obtenerse productos
semiterminados como: palanquillas, tochos, planchones y también productos
planos o barras, aptos para ser utilizados en dichas condiciones, o para ser
sometidos a un tratamiento térmico posterior.
El
tratamiento térmico consiste en someter al acero a un proceso de calentamiento
y enfriamiento bajo condiciones de temperatura controlada: tiempo atmósfera y
velocidad. Este tratamiento modifica la estructura del acero conformando las
propiedades finales deseadas.
7
Laminador Desbastador
El
propósito básico de la laminación es cambiar de forma el material. La primera
operación que se realiza consiste en someter los lingotes a un proceso de
calentamiento en hornos de foso, para darles una temperatura de 1300ºC aprox.
Una vez retirado del horno se lleva al laminador donde se someterán a un
desbaste, con el fin de cambiar su forma original; reduciendo su grosor,
aumentando su longitud. Se obtiene así el tocho; la palanquilla o el planchón.
El
laminador desbastador en que se realizan estas operaciones consta de un tren de
laminación de dos rodillos, de 32”; una guillotina de mil toneladas, para
despunte de planchones y tochos, y un laminador trio 26” de tres rodillos; para
fabricar palanquillas, el que está equipado con una guillotina. Además, cuenta
con mesas especiales de enfriamiento y apilamiento.
Laminador
Desbastador
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Colada Continua
El
proceso de colada, o en cadena; más eficiente que el de lingotes, produce
directamente del acero fundido formas semi terminadas: tochos, palanquillas o
planchones. En este proceso, una forma semi terminada es solidificada continuamente
mientras está siendo vertida. El principio de operación de los varios tipos de
laminadores continuos en uso, es esencialmente el mismo.
El
acero fundido se vierte desde la olla de colada dentro de un depósito (embudo)
del laminador; luego, fluye fuera del embudo, a una velocidad regulada, dentro
de un molde con superficie de cobre refrigerada por agua, cuya forma hueca
interior corresponde a la forma deseada. El enfriamiento de la superficie del
acero fundido forma una sólida y delgada capa exterior. Lentamente, abandonando
el molde, la cinta de acero pasa a través de un sistema de enfriamiento por
rocío de agua. Solidificándose hacia el centro, eventualmente, se solidifica
completamente a lo largo de su sección transversal. El acero, ahora sólido, se
desplaza hacia una mesa donde se corta al largo deseado, mediante un soplete de
corte. Después de ser cortado, se traslada, a través de una correa
transportadora, hacia una planta de acabado para ser laminado en las formas
deseadas.
El
proceso de colada continua posee muchas ventajas sobre el proceso de lingotes.
Esta es mucho más eficiente porque elimina el costo de trabajo y equipo
involucrado en el vaciado del lingote: desmontaje del molde, recalentamiento
del lingote, y su laminación en una forma semiterminada.
Además,
el rendimiento es mayor en un 10% aprox., con un 50% menor de requerimiento de
energía. Finalmente, el proceso de colada continua permite que el acero fundido
se convierta en tocho, palanquilla o planchón en 45 minutos aprox., mientras
que el proceso tradicional de lingotes requiere generalmente de 12 horas.
Colada
Continua
9.
Laminador Planos en Caliente
Los
planchones provenientes del Laminador Desbastador constituyen la materia prima
para los productos que elabora el Laminador de Planos en Caliente. Estas son
planchas gruesas y rollos laminados en caliente.
El
proceso se inicia con la inspección de todos los planchones, para verificar su
calidad superficial. Cuando los planchones tienen algún defecto en su
superficie se someten a un proceso de reacondicionamiento, que consiste en
remover el o los defectos mediante sopletes con oxígeno, de manera de asegurar
la calidad final tanto de la plancha gruesa como de los rollos laminados en
caliente.
Una
vez cumplida esta etapa, los planchones son sometidos a un proceso de
calentamiento (aprox. 1300 ºC), en los hornos de recalentamiento para así
iniciar el proceso de laminación en el Laminador Trío. Este laminador entrega
dos productos distintos: plancha gruesa, como producto final y un semilaminado
para producir rollos laminados en caliente.
El
semilaminado entregado por el Laminador Trío se utiliza para la producción de
rollos laminados en caliente, para luego ir a el Laminador de Planos en Frío.
El
semilaminado es procesado en el Laminador Terminador Continuo, obteniéndose
como producto una cinta laminada en caliente la cual es bobinada en el
enrollador, formando un rollo con lo cual termina el proceso.
Laminador de Planos en Caliente
10.
Laminación en Frío
Cuando
se habla de productos “en frío”, se refiere a aquellos cuya última etapa de
reducción del espesor se efectúa sin calentamiento previo del acero, es decir,
a temperatura ambiente. Este proceso de laminación requiere por una parte,
instalaciones de alta potencia para lograr la reducción y, por otra, preparar
los rollos laminados en caliente para efectuar dicha reducción. Además de
unidades posteriores que dejarán el acero laminado en frío, con propiedades
mecánicas, de forma y superficie, apto para usarlo en industria manufacturera.
En
el mismo orden que fluye el acero en proceso las unidades involucradas en la
elaboración de laminación en frío:
Línea
de Decapado Continuo
Laminador
reductor en Frío
Recocido
de Rollos
Laminador de Temple
Laminador
de Planos en Frío
Línea
de Decapado Continuo
La
finalidad de esta es unir los rollos provenientes del L-Sur 4 marcos, para
eliminarles los óxidos superficiales y formar grupos de 3 a 4 componentes para
su laminación en frío.
El
proceso de decapado de rollos laminados en caliente se realiza haciendo pasar
la cinta a través de una serie de estanques que contienen una solución de ácido
clorhídrico, con temperatura y concentración diferentes en cada baño.
Laminador
Reductor en Frío
El
tren de laminación en frío es de 3 marcos con 2 rodillos de apoyo y 2 de
trabajo, diseñado para procesar aceros con contenido de carbono de 0,06% a
0,25% y reducciones entre 50 a 90%.
La
función del laminador es reducir el espesor de los rodillos laminados en
caliente, obteniendo un producto con espesores uniformes, buena calidad
superficial y planitud.
Línea
de Limpieza Electrolítica
Por
esta línea pasan todos los rollos laminados en frío. La cinta pasa, en forma
similar a la línea de decapado, por baños de solución alcalina.
Electrolíticamente se elimina de la superficie la película de aceite de
laminación residual.
Recocido
de Rollos
Consiste
en dar un estiramiento controlado del orden del 1.5% a 2%. Los objetivos
principales de esta operación son:
Dar dureza y propiedad mecánica final al
acero.
Dar las características de acabado
superficial a la cinta.
Dar la planitud final a la cinta laminada en
frío.
11
Laminador de Barras
Dentro
de los productos de acero, las barras son las más ampliamente usadas por la
industria metal-mecánica. En el Laminador de Barras se producen diversas formas
de este producto.
La producción de barras constituye un proceso de laminación en caliente. Comienza con una palanquilla, que ha sido previamente reducida de un lingote en el Laminador Desbastador. En el Laminador de Barras, la palanquilla se calienta en un horno a una temperatura de laminación uniforme y se moviliza a través de los rodillos del marco desbastador e intermedios. Allí, es rápidamente reducida de tamaño para su forma y dimensionamiento final.
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