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quimica
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MATERIALES FERROSOS
UNIDAD II
Dr. Carlos Valdez S.
INTRODUCCION
Los materiales metálicos los utiliza el ser humano desde
tiempos prehistóricos y están presentes en todas las
actividades económicas hoy en día.
El consumo de productos base de hierro representa más
del 90% del total de materiales metálicos, debido a su
resistencia y a su costo de obtención, relativamente bajo.
La técnica de la obtención y tratamiento de los metales a
partir de minerales metálicos se llama METALURGIA.
Existe una rama de la metalurgia que trabaja sólo con
minerales de hierro que se llama SIDERURGIA
MATERIALES FERROSOS
• Son aquellos que contienen hierro (Fe) como su elemento
base, pueden además llevar otros materiales en pequeñas
proporciones.
• Clasificación:
– Hierro: hasta 0.03 %C
– Acero: 0,03 hasta 1,76 % C
– Fundición: 1,76 hasta 6,67 % C
– Ferroaleaciones: Otros componentes además del C;
Ej. Cr, Mn, V, etc.
3
MATERIALES FERROSOS +IMPORTANTES
• ACEROS • HIERRO FUNDIDO
4
MINERAL DE HIERRO
En la corteza es el cuarto elemento más abundante (5,63%
en peso), tras el Si, O, Al.
Nunca se presenta en estado puro sino en forma de óxidos,
hidróxidos, carbonatos y sulfuros.
5
Sus componentes están
combinados químicamente en
los minerales.
La MENA o parte útil:
óxidos de hierro
La GANGA o parte no útil:
sílices, cal, alúmina, etc.
MINERAL DE HIERRO
MINERALNOMBRE
CIENTÍFICO
% en Fe del
mineralCARACTERÍSTICAS
ÓXIDOS
MAGNETITA
(Fe3O4)75%
Mineral más puro y rico. Color
gris-negruzco, magnético.
HEMATITES
(Fe2O3)70%
Tiene poco fósforo. Color rojizo,
gris
LIMONITAS
(2Fe2O3 +3 H2O)60%
Color ocre. Blandas y fáciles de
reducir. Contiene fósforo.
CARBONATOSSIDERITA
(Fe CO3)48%
Debe calcinarse en horno de cuba
para pasar a óxido de hierro.
SULFUROSPIRITA
(Fe S2)< 48%
Mineral de hierro mezclado con
cobre. Color amarillo.
Magnetita: 75% de pureza. Hematites, pureza: 70%
Limonita, pureza: 60% Siderita, pureza: 50%
MINERALES
DE
HIERRO
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EXTRACCION DEL HIERROHIERRO SHOUGANG PERU
MARCONA - NAZCA
HIERRO – SUBPRODUCTO DE LA MINA
PELETS - Hierro Esponja
9
Hierro Triturado
OBTENCIÓN DEL ARRABIO
10
OBTENCIÓN DEL ARRABIO
En un Alto Horno se transforma el mineral de hierro en arrabio:
• Mineral de hierro:
– Pelets, trozos de hierro y chatarra a base de hierro.
• Combustible: Carbón de Coque:
– Suministra calor necesario para la reacción termoquimica.
– Descompone los óxidos de hierro (reductor).
• Fundente:
– Caliza, se combina con las impurezas del hierro. Arrastra la ganga y las cenizas (escoria).
• Aire: Para la combustión del coque.11
OBTENCIÓN DEL ARRABIO
Reducción:
Es la sustracción o eliminación del
oxígeno de los óxidos.
Polvo de carbón, hidrógeno,
monóxido de carbón. (elementos
de gran avidez por el oxigeno).
La proporción de materia prima
para producir 1Tm de arrabio es
aproximadamente:
• 2 Tm de chatarra.
• 1 Tm de coque.
• 0,5 Tm de caliza.
• 3,5 Tm de aire12
ARRABIO - PRODUCTO PRINCIPAL
DEL ALTO HORNO
• El arrabio o hierro bruto contiene:
92% de hierro
3 a 4% de carbono
0,5 a 3% de silicio,
0,25% a 2,5% de manganeso
0,04 a 2% de fósforo
algunas partículas de azufre.
13
OBTENCIÓN DEL ARRABIO
PRODUCTOS SECUNDARIOS EN EL
ALTO HORNO
• Escoria: impurezas de los minerales
Silicato de calcio
Oxido de manganeso
15
Gases de
salida: SO2
CO
CO2
N2
PRODUCCIÓN DE
DERIVADOS DEL ARRABIO
(HIERRO BRUTO)
DE HIERRO BRUTO (ARRABIO) A
ACERO
• Para conseguir un material duro, resistente y tenaz, es
necesario reducir el contenido de carbono y modificar la
composición de los demás elementos presentes en el
arrabio.
• A temperaturas superiores a 1600ºC, el hierro bruto
pierde carbono, reduciéndolo a menos de 1,76% de
carbono.
• Así se obtiene el acero, a este proceso se le llama AFINO
17
OBTENCIÓN DEL ACERO
RESUMEN DE OBTENCION DEL
ACERO
• En el Alto Horno:
– Entra: mena de hierro + caliza + carbón de coque
– Sale: escoria y arrabio
• En el Convertidor:
– Entra: arrabio + oxígeno
– Sale: Acero + escoria
• En el Área de Laminación
– Entra: Palanquillas de acero
– Sale: Barras y Planchas de acero
CLASIFICACIÓN DE ACEROS
• Aceros no aleados, presentan
menos del 1% de otros
elementos. Ej.: perfiles de
construcción.
• Aceros de baja aleación,
presentan entre 1% y 5% de
otros elementos. Ej.:
rodamientos
• Aceros de alta aleación,
presentan más del 5% de otros
elementos. Ej.: instrumentos
quirúrgicos
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CONTENIDO DE CARBÓN
% de Carbón Clasificación
0% Hierro puro
0.025% a 0.25% Acero de bajo carbono
0.25% a 0.5% Acero de medio carbono
0.5% a 2% Acero de alto carbono
2% a 6% Hierro fundido
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PROCESOS DE AFINO MÁS
EMPLEADOS
• De inyección de oxígeno.
• Siemens - Martin.
• Eléctricos.
• Bessemer y Thomas.
22
PROCEDIMIENTO DE INYECCIÓN DE O2
• EL 70% de los aceros se hacen por este método
• Las materias primas necesarias son: arrabio, chatarra de alta calidad y aditivos
• Proceso:
– Se inyecta O2
– Se oxida el carbono y se libera calor
– La elevada temperatura se neutraliza agregando chatarra fría
– Formación de escoria mediante la adición de CAL(reacciona con Si, P y S)
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PROCEDIMIENTO SIEMENS-MARTINPermite obtener directamente acero de calidad partiendo de chatarra.
PROCESO:
• Se llena la cuba con 70%de chatarra de acero, el resto con hierro bruto y cal para formar la escoria.
• Se fusionan estas materias a 1800°C (la temperatura se logra con una llama abierta de gas o aceite, y el aire se precalienta a 1100 °C).
• El proceso de afino tiene lugar con exceso de O2 (los otros componentes del hierro como Si, P y S se transforman en óxidos no solubles y forman la escoria con la cal).
• La cocción del caldo se produce debido a la formación de gases de CO24
25
Si se añaden elementos de aleación (Cr, Ni, Mo), antes de terminar el proceso de fusión, se obtienen aceros de baja aleación.
PROCEDIMIENTO SIEMENS-MARTIN
PROCEDIMIENTO ELÉCTRICO
• Procedimiento para obtener aceros finos en especial aceros altamente aleados
• La generación del calor esta libre de impurezas
• Se utilizan básicamente dos tipos de horno:
– Horno de arco voltaico.
– Horno de inducción.
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HORNO DE ARCO VOLTAICO
• Posee dos a tres electrodos de
carbón.
• Se aprovecha el calor liberado
por un arco eléctrico entre los
electrodos y el metal a fundir.
• Calentamiento rápido.
• Temperatura regulable
fácilmente.
• Se le utiliza para fundir aceros
altamente aleados (HSS).
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HORNO DE INDUCCIÓN
• Poseen una bobina por
donde pasa corriente
alterna.
• El calentamiento es
producido por el paso
de corrientes parásitas
por el material a fundir.
• Es utilizado para
fabricar aceros
altamente aleados,
fundición aleada.
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PROCEDIMIENTO BESSEMER Y
THOMAS
• Reduce el contenido de C en el hierro bruto mediantecombustión.
• Para la combustión del C se hace pasar a través delcontenido liquido del convertidor Bessemer - Thomasaire o aire y O2.
• Como producto secundario se obtiene la escoriaThomas (Fosfato de calcio) que se muele y se utilizacomo abono.
29
30
PROCESO:
• Convertidor en posición de llenado (se vierten hierro bruto fundido con cal)
• Se sopla aire o aire con O2 y se endereza el convertidor. El aire atraviesa la masa liquida y quema el carbono, Si y el Mn.
• El convertidor se vuelve a girar a posición de llenado. Se evacua el viento y se añade el C necesario para el acero.
• El convertidor pasa a la posición de vaciado y se elimina la escoria que flota sobre el acero
PROCEDIMIENTO BESSEMER Y
THOMAS
ELEMENTOS PARA ALEACIONES
Ni > Resistencia < Oxidación
Cr > Resistencia > Dureza
Cr-Ni >> Resistencia < Oxidación > Dureza 18% Cr- 8% Ni
Inox 12% Cr- 5% Ni
Si > 0,3% > Elasticidad Resortes
Mg Neutraliza al azufre para temple Para alto desgaste
Al 1,5% > dureza superficial
Mo > Resistencia tracción Para temple
V < Fragilidad Resortes y herramientas
W > Dureza Herramientas
Co -W >> Dureza Herramientas
Ti < Oxidación
NORMAS EN LA DESIGNACIÓN DEL
ACERO
• En el acero la proporción de carbono establece el
tipo de acero, siendo esta inferior a la de las
fundiciones.
• Las normas permiten hablar un lenguaje común
entre el fabricante, el comerciante y el usuario
– Norma AISI – SAE (Americana)
– Norma DIN (Alemana)
32
NORMA AISI – SAE (Americana)
33
• La norma usa 4 o 5 dígitos que determinan la composición
del acero.
• El contenido nominal de C se da por la centésima parte de
los 2 o 3 últimos dígitos.
• Las aleaciones se indican el los primeros dígitos
ACERO 1020
TIPO DE ALEACIÓN:
ACERO CORRIENTE
% CARBONO
10 20
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Construcción
Aleados
DENOMINACION SEGUN AISI – SAE
NORMA AISI – SAE (AMERICANA)
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FERROALEACIONES
Productos siderúrgicos que contienen además del
hierro, uno o varios elementos que lo caracterizan.
Se emplean como materia prima para procesos
metalúrgicos:
– Ferromanganesos,
– Ferrocromos,
– Ferrosilicios,
– Ferrovanadios,
– Ferroníquel,
– Ferrovolframio.
ACEROS INOXIDABLES
• Son aleaciones de acero:
Cr > 10.6% y C < 1.2%.
• Elevada resistencia a la corrosión.
• Cr gran afinidad por el 02 reacciona con él formando
una capa pasivadora.
37
ACEROS INOXIDABLES
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• Biológicamente neutros
• Resistentes al calor
• Buena estética
• Fácil limpieza
• Bajo costo del ciclo de vida total
• Buen ratio resistencia peso
• Reciclable
CLASIFICACION DE ACEROS INOXIDABLES
Series 400
Martensíticos
Acero – Cromo
Cr=12 a 15%,
C=0.2 a 1.2%
Usos: Cuchillería, cojinetes
Mas comunes: AISI 410, 420, 431
Ferríticos
Acero – cromo
Cr=14 a 27%,
C menor a 0.2%
Usos: Recipientes para química,
alimentos
Mas comunes: AISI 409, 430, 434.
Series 300
Austeníticos
Acero-cromo-niquel
Cr=16 a 18%,
Ni=3.5 a 22%, Molibdeno= 1.5 a 6%
Usos: Medicina, Alimentos
Mas comunes AISI 304, 304L, 3116, 3116L, 310, 317. 39
Ejemplo
40
HIERRO FUNDIDO
• Aleación Fe-C con mas
del 1.7% de C.
• En la práctica puede
tener 2.5% y 4.5% de C.
• Tiene además elementos
como: Si, Mn, S, P.
• Es colable.
41
VENTAJAS DE LAS FUNDICIONES
• Las coladas son más
sencillas que con el
acero.
– Temperaturas bajas
sin regulación
especial.
– Se funden con
facilidad piezas
grandes y pequeñas
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VENTAJAS DE LAS FUNDICIONES
• Características aceptables.
– Resistencia al desgaste.
– Soporta vibraciones.
– Propiedades autolubricantes
– Mayor resistencia a la
oxidación.
• Más barato que el acero.
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CLASIFICACIÓN DE FUNDICIONESOrdinarias
F. Blanca
Zona de rotura color blanco, muy duras y
frágiles, resistentes al desgaste, no maquinables
F. Gris
Zona de rotura color gris, son
usados comúnmente en coladas
Aleadas
F. Grafito Esferoidal
Pequeñas cantidades de
Mg y Cu, resistencia
similar al acero luego de
tratamiento térmico, son
mecanizables.
Especiales
F. Maleables
Se obtienen de las fundiciones
blancas mediante trat.
térmicos, tenaces y
resistentes a la tracción,
propiedades mecánicas
similares a las del acero.
44
45
Se pueden clasificar por el aspecto de su fractura
distinguiéndose las cuatro (04) siguientes:
• Fundiciones negras
• Fundiciones grises
• Fundiciones blancas
• Fundiciones atruchadas
FUNDICIONES ORDINARIAS
FUNDICIÓN GRIS, presenta el C en forma de grafito laminar:
• Funde a 1200º C
• Tenaz, pero poca dureza
• Soporta altas presiones y temperaturas sin dilatarse
FUNDICIÓN BLANCA, presenta el carbono en forma de carburo
de hierro Fe3C (cementita) de color blanco.
• Funde a 1150º C
• Es muy dura, pero frágil
• Difícil de mecanizar por su dureza.
FUNDICIÓN ATRUCHADA, propiedades mezcla de las anteriores
FUNDICIONES ORDINARIAS
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FUNDICIÓN MALEABLE PERLÍTICA, mediante recocido a 900º C
de la fundición blanca se produce a su descarburación (de 2-4%
a 1-1.5%), eliminando la fragilidad, aumentando la resistencia a
tracción.
FUNDICIÓN MALEABLE BLANCA, el C de la cementita, ha
desaparecido total o parcialmente.
FUNDICIÓN MALEABLE NEGRA, C de la cementita precipita en
copos de grafito.
FUNDICIÓN DE GRAFITO ESFEROIDAL O NODULAR, por
adición de Cerio o Mg.
FUNDICIONES ESPECIALES Y ALEADA
DESIGNACIÓN DE LAS FUNDICIONES
48
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CONGLOMERADOS FÉRREOS
Formados por la unión entre sí de distintos tipos de polvos
metálicos. Se comprimen en un molde a altas presiones y
temperaturas, obteniéndose una masa compacta solidificada.
El proceso se llama SINTERIZADO o metalurgia de polvos.
PRESENTACIÓN COMERCIAL
DEL ACERO
• Productos planos, planchas y chapas de 0.5 – 3 mm
• Productos largos, sección pequeña y gran longitud, barras
de distintas secciones:
Cuadrada
Rectangular (pletina)
Redonda
Hexagonal
Media caña
Triangular
Alambre
PRESENTACIÓN COMERCIAL DEL
ACERO
• Perfiles, formas variadas y longitud variable:
angular de lados iguales (L),
angular de lados desiguales (L),
angular en I, H (o doble T),
en U,
en T,
perfiles tubulares (redondo, cuadrado, perfilado)
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RECICLADO DEL ACERO
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FIN DE UNIDAD
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