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8/18/2019 01 Fabricación y Metalugia Del Acero (1)
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Fabricación Metalur ia del Acero
El acero es un material artificial y corresponde básicamente a hierro
altamente refinado, con menos de un 2% de carbono, y la
incorporación de algunos otros elementos químicos que le confieren
distintos tipos de propiedades según el uso que se le quiera dar.
,
medio ambiente, por lo que tiende a convertirse nuevamente en
mineral de óxido de fierro si no se le confiere una adecuada
protecci n.
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Para fabricarlo se emplean dos etapas:
1. Combustión en horno a 1460°C del mineral de hierro, caliza y
carbón, con lo que se obtiene el denominado “arrabio” ( El
obtenido en Huachipato, Chile, está compuesto por los siguientes
porcentajes de elementos químicos: 93.7% de hierro (Fe), 4.5% de
Carbono (C), 0,40% de Manganeso (Mn), 0.45% de Silicio (Si),
0.11% de fósforo (P), 0.025% de azufre (S), 0.35% de Vanadio y
0.06% de Titanio),
hacerlo queda con exceso de carbono y de algunas impurezas
como las mencionadas en los porcentajes indicados.
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Alto Horno en CSH
Cía. Siderúrgica Huachipato (CSH) cuenta con 2 Altos Hornos en su Planta de
TalcahuanoEl ALTO HORNO es virtualmente una planta química que
reduce continuamente el hierro del mineral.
Químicamente desprende el oxígeno del óxido de hierro
existente en el mineral ara liberar el hierro. Está
formado por una cápsula cilíndrica de acero forrada con
un material no metálico y resistente al calor, como
ladrillos refractarios y placas refrigerantes. El diámetro de
la cá sula disminu e hacia arriba hacia aba o es
máximo en un punto situado aproximadamente a una
cuarta parte de su altura total. La parte inferior del horno
está dotada de varias aberturas tubulares llamadastoberas or donde se fuerza el aso del aire. Cerca del
fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio
cuando se sangra (o vacía) el alto horno. Encima de ese
orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para
retirar la escoria. La arte su erior del horno, cu a altura
es de unos 30 m, contiene respiraderos para los gasesde escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por
válvulas en forma de campana, por las que se introduce
la car a en el horno. Los materiales se llevan hasta las
tolvas en pequeñas vagonetas o cucharas que se suben
por un elevador inclinado situado en el exterior del horno.
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Carga típica en Alto Horno de
CSH
Composición química del
Arrabio
Componenteskg/
tkg/carga
Mineral de Hierro 490 9.600
Elementos %
Fierro (Fe) 93,70
Pellets 995 19.600
Chatarra 15 300
,
Manganeso (Mn) 0,40
Silicio (Si) 0,45
Fósforo P 0,110
Caliza 112 2.300
Cuarzo 12 250
Azufre (S) 0,025
Vanadio (V) 0,35
Titanio (Ti) 0,06
Coque 451 9.200
Petróleo + Alquitrán 44 899
Aire Insuflado1.530
m3/min
Temperatura en Alto Horno : 1.460ºC
Temperatura Aire
Insuflado1.030ºC
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Las materias primas se cargan (o se vacían) en la parte superior del horno. El
aire, que ha sido precalentado hasta los 1.030ºC aproximadamente, es forzado
.genera el intenso calor requerido para fundir el mineral y produce los gases
necesarios para separar el hierro del mineral. En forma muy simplificada las
reacciones son:
+ +
Carbono(Coque)
Oxígeno(aire)
CalorMonóxido de Carbono
Gaseoso
+ +
2C O2 Calor 2CO
Oxido deHierro
Fe2O3
Monóxido deCarbono
3CO
HierroFundido
2Fe Hierro
Dióxido de CarbonoGaseoso
3CO2
Impurezas en el Mineral Derretido + Piedra Caliza ESCORIA
Los altos hornos funcionan de forma continua. La materia prima que se va a
introducir en el horno se divide en un determinado número de e ueñas car as
que se introducen a intervalos de entre 10 y 15 minutos. La escoria que flota
sobre el metal fundido se retira una vez cada dos horas, y el arrabio se sangracinco veces al día.
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Vaciado de Arrabio
El arrabio se vacía a uno o más carros torpedos para ser trasladado al área de Acería, cada carro es capaz de contener 200 toneladas de Arrabio
Vaciado de Arrabio en Carro Torpedo
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2. Refinación del arrabio en la acería para obtener el acero
deseado.
En esta etapa también se produce la combustión en otro horno,
llamado convertidor, en que se inyecta oxigeno de maneracontrolada para remover el exceso de carbono y las impurezas
mencionadas a la vez ue se incor oran otros elementos
químicos que son beneficiosos para obtener determinados tipos
de acero, como la incorporación de Cromo y Níquel para obtener
.
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Acería de Convertidores al Oxígeno
Se cuenta con dos convertidores de 100 toneladas cada uno. El arrabio roveniente de los Altos Hornos se carga junto con chatarra de acero. Por la acción del oxígeno puro que se
inyecta al convertidor se oxidan el carbono, silicio y fósforo del arrabio. Estas reacciones son
exotérmicas y causan la fusión de la carga metálica fría sin necesidad de agregar ningún
combustible or adición de cal se forma la escoria en ue se fi an las im urezas oxidadas.
Se agregan también las ferroaleaciones que imparten las características principales a los
diversos tipos de aceros.
El tiempo requerido para procesar una hormada de 100 toneladas en aproximadamente 50
m nu os. acero qu o as pro uc o se rec e en cuc ara as e one a as e
capacidad. Este acero puede enviarse a la colada continua o vaciarse en moldes para
fabricar los lingotes que se envían al Laminador Debastador.
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REFINACION DEL ARRABIO:En el alto horno, el oxígeno fue removido del mineral por la acción del CO (monóxido de
,terminar como CO2 gaseoso (dióxido de carbono). Ahora, el oxígeno se empleará para
remover el exceso de carbono del arrabio. A alta temperatura, los átomos de carbono (C)
disueltos en el hierro fundido se combinan con el oxígeno para producir monóxido de
.
forma simplificada la reacción es :
Carbono + Oxígeno MONOXIDO DE CARBONO GASEOSO
2C + O2 2CO
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La temperatura de colada en que se obtiene el material final fundido
a arece unto a la de otros materiales de interés en la Tabla si uiente.
Aleación °F °C
Soldadura de estaño ~450 ~230
Estaño ~600 ~300
Tabla de Temperaturas de Colada
Plomo ~650 ~345
Aleaciones de zinc 650-850 345- 455 Aleaciones de aluminio 1150-1350 620- 735
Aleaciones de magnesio 1150-1350 620- 735
Aleaciones en base a cobre 1650-2150 900-1180
Hierro fundido 2450-2700 1340-1480
Monel (70 Ni, 30 Cu) 2500-2800 1370-1540
Super aleaciones de Niquel 2600-2800 1430-1540
Aceros de alta aleación 2700-2900 1480-1600Hierro de alta aleación 2800-3000 1540-1650
Aceros al carbono y baja aleación 2850-3100 1565-1700
Aleaciones de Titanio 3100-3300 1700-1820
Aleaciones de Zirconio 3350-3450 1845-1900
Para los moldes en que estos materiales se depositan, se emplea arena ymateriales cerámicos cuyas temperaturas límites como materiales refractarios
oscilan entre los 3,000 - 3,330°F (1650-1820°C).
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Estructura interna del acero:
Un metal en general está internamente ordenado en celdas cristalinas como porejemplo la celda cúbica simple, y otras de mayor complejidad como la celda cúbicacentrada en el cuerpo que se muestra en la figura 1.
Cuando el metal fundido solidifica, en varios puntos se comienzan a reunir
moléculas y forman un núcleo ordenado que crece en todas direcciones. Las
en una maqueta.
Las agrupaciones de celdas que comienzan a solidificar, crecen
tridimensionalmente hasta toparse unas con otras, deteniendo el crecimiento.
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y zonas denominadas límites de grano o fronteras de grano, en donde no existe orden alguno.En la figura 4 se muestra una micrografía obtenida con un microscopio electrónico, donde seaprecian granos y sus fronteras.
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Para observar esto en un microscopio, se pule una superficie plana, lo que corta los granos en
.ácida denominada ataque, la cual corroe los granos en mayor o menor grado, dependiendo desu orientación cristalina. En la figura 5 se muestra una metalografía con granos de aceroampliada 175 veces.
Las propiedades físicas de los aceros y su comportamiento a distintas temperaturas dependen
sobre todo de la cantidad de carbono y de su distribución en el hierro. Antes del tratamiento
térmico, la mayor parte de los aceros son una mezcla de tres sustancias: ferrita, perlita y
cementita.
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a err a, an a y c , es erro con peque as can a es e
carbono y otros elementos en disolución.
La cementita, un compuesto de hierro con el 7% de carbono
aproximadamente, es de gran dureza y muy quebradiza.
La perli ta es una profunda mezcla de ferrita y cementita, con una
propiedades físicas son intermedias entre las de sus dos
componentes.
térmicamente depende de las proporciones de estos tres
ingredientes. Cuanto mayor es el contenido en carbono de un
acero menor es la cantidad de ferrita ma or la de erlita: cuando
el acero tiene un 0,8% de carbono, está por completo compuesto de
perlita. El acero con cantidades de carbono aún mayores es una
mezcla de perlita y cementita.
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,forma alotrópica (presenta diferentes estructuras moleculares en el mismo estado
físico) .de aleación de hierro y carbono conocida como austenita, que tiene la
propiedad de disolver todo el carbono libre presente en el metal. Si el acero se
enfría despacio, la austenita vuelve a convertirse en ferrita y perlita, pero si el
enfriamiento es repentino la austenita se convierte en martensita, una
modificación alotrópica de gran dureza similar a la ferrita pero con carbono en
so uc n s a.
la cantidad presente de cada elemento aleante. Esto se puede graficar en los
llamados diagramas de fases, que indican las posibles combinaciones en función
de la composición química de la aleación y de la temperatura. Estos diagramas
sirven para seleccionar los tratamientos térmicos y optimizar la composición de laaleación en función a la microestructura que se desea obtener.
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En la figura 6 se muestra el diagrama de fases de la aleación Fierro Carbono, que muestra en el ejevertical la temperatura y en el eje horizontal la composición química. En el extremo izquierdo se encuentrala composición 100% Fe y 0% C y en el extremo derecho se encuentra la composición 100% C y 0% Fe.
los aceros y las fundiciones de mayor uso.
Figura 6
Este verdadero mapa de ordenamientos cristalinos muestra cómo el metal al solidificar se dispone en
diversas formas. Al variar la temperatura, los cristales ganan o pierden energía y buscan una nueva
ordenación tratando siempre de permanecer estables
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Propiedades mecánicas del acero
en función de la temperatura
En el diagrama:
E= Módulo de elasticidad [ Kg/mm2 ]
μ= Módulo de Poisson
r
[ Kg/mm2 ]
σf = Tensiónde fluencia para acero
de dureza natural [ Kg/mm2 ]
proporcionalidad para acero estirado
en frío [ Kg/mm2 ]
t°= Temperatura en ° Celsius.