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El acero
Se denomina acero a las aleaciones del hierro con el carbono y
otros
elementos, que al calentarlas hasta altas temperaturas, pueden ser
sometidas a la deformación plástica por laminado,
estirado, forjado, estampado.
El acero contiene hasta 2% de carbono y ciertas cantidades de silicio
y manganeso
y también impurezas nocivas: fósforo y azufre,
las
cuales no se pueden eliminar por completo del metal por los
métodos metalúrgicos. Aparte de estas impurezas los
aceros pueden contener algunos elementos de aleación: cromo, níquel, vanadio, titanio
y otros
Como se produce el acero.
El acero se elabora primordialmente por la transformación del hierro fundido en
forma de arrabio. La tarea de la
transformación del arrabio en acero se reduce a la
extracción de las cantidades sobrantes de carbono, silicio,
manganeso y las impurezas nocivas que contiene. Esta tarea se puede
llevar a cabo porque el carbono y las otras impurezas, bajo la
acción de altas temperaturas, se unen con el oxígeno de
un modo mas enérgico que el hierro y pueden extraerse con
pérdidas insignificantes de hierro. El carbono del arrabio al
reaccionar con el oxígeno se transforma en gas monóxido
de carbono (CO) que se volatiliza.
Otras impurezas se transforman en óxidos (SiO2, MnO,
y
P2O5) que tienen una densidad menor que la del
metal fundido y por tanto flotan formando la escoria.
Para la transformación del arrabio a acero se utilizan dos
métodos generales:
1.- El método de los
convertidores.
2.- El uso de hornos
especiales.
Los convertidores
La esencia del método de los convertidores para la
obtención del acero consiste en que a través del hierro
fundido líquido cargado al convertidor, se inyecta aire, que
burbujea dentro de la masa fundida y cuyo oxígeno oxida el
carbono y otras impurezas.
El convertidor (figura 1) presenta un recipiente en forma de pera,
soldado con chapas gruesas
de acero y revestido interiormente con material refractario. En la
parte central del convertidor, exteriormente se hallan dos tetones
cilíndricos llamados muñones que sirven de soporte y
permiten girar el convertidor. Uno de los muñones es hueco y se
une con el tubo conductor de aire. Del muñón el aire es
conducido por un tubo y por la caja de aire al fondo. En el fondo del
convertidor están las toberas a través de las cuales el
aire se suministra al convertidor a presión. También se
utiliza la insuflación de oxígeno con lo que el proceso
se hace mas rápido y eficiente.
Figura 1.
Convertidor de acero.
El calor necesario para calentar el acero hasta las altas temperaturas
necesarias se produce a expensas de la oxidación de las
impurezas del arrabio, ya que todas las reacciones de oxidación
generan calor.
En dependencia del la composición del arrabio (material ferroso en
bruto) los convertidores
se dividen en dos tipos:
1.- Convertidor con
revestimiento ácido: (procedimiento Bessemer) utilizado
para los arrabios con una cantidad mínima de fósforo
(0.07%) y azufre (0.06%).
2.- Convertidor con
recubrimiento básico: (procedimiento Thomas) utilizado
para los arrabios con mayor abundancia de fósforo (hasta 2.5%).
Procedimiento Bessemer.
Para el procedimiento Bessemer el convertidor se reviste interiormente
de ladrillos refractarios de sílice (no menos de 94.5% de SiO2)
y
arena
cuarzosa,
los
que
suelen fundirse a 1710°C. Este
revestimiento no se corroe por las escorias de carácter
ácido, por consiguiente en este convertidor solo pueden tratarse
arrabios al silicio.
El aire que entra en la masa fundida suministra el oxígeno
que en primera instancia interactúa con el hierro para formar
óxido ferroso
(FeO). Por consiguiente las impurezas comienzan a oxidarse en dos
direcciones: por al oxígeno del aire que pasa a través
del metal y por el óxido ferroso que se forma y disuelve en el
metal fundido.
Durante la inyección de aire para hacerlo pasar a través
del metal se diferencias tres períodos característicos:
1.- La oxidación del
hierro, silicio, manganeso y
la formación de la escoria.
2.- La quema del
carbono.
3.- La desoxidación o la
desoxidación-carburación.
Primer período:
En esta etapa se oxida el hierro, el silicio y el manganeso generando
calor por lo que el metal se calienta. Durante este tiempo se forma la
escoria. Las reacciones químicas que se producen son:
2Fe
+ O2 --------> 2FeO
Si + 2FeO -------> SiO2 +
2Fe
Mn + FeO ------> MnO +Fe
A su vez los óxidos generados entran en combinación
según:
MnO
+ SiO2 ------> MnO.SiO2
FeO + SiO2
-------> FeO.SiO2
y forma la escoria.
Si la cantidad de SiO2 por la oxidación del
silicio contenido en el arrabio no es suficiente, pasa a la escoria la
sílice del revestimiento del convertidor.
Todos estos procesos de oxidación han calentado el metal y se
produce la segunda etapa.
Segundo período
Dada la alta temperatura del metal comienza a quemarse el carbono:
C
+ FeO ------> CO + Fe
Este proceso se realiza con absorción de calor, pero el metal no
se
enfría porque al mismo tiempo se está oxidando el hierro
en el
convertidor que suple el calor necesario para mantener la temperatura.
El monóxido de carbono que se produce, produce una fuerte
ebullición
del metal y al salir del convertidor se quema con el aire
atmosférico,
formando dióxido de carbono, el convertidor genera una llamarada
clara.
A medida que se consume el carbono, la llama comienza a extinguirse
hasta desaparecer por completo, esto indica que el carbono se ha
quemado casi en su totalidad y marca el fin de la segunda etapa.
Tercer período
En este momento se interrumpe la insuflación de aire, ya que con
su
suministro ulterior y con muy poco carbono comenzará a oxidarse
el
propio hierro a óxido férrico con las consiguientes
pérdidas de metal.
Una vez interrumpido el suministro de aire el convertidor se lleva a la
posición horizontal para realizar la desoxidación y
carburación del acero. El objetivo de este paso es eliminar el
oxígeno disuelto como FeO, como desoxidantes generalmente se
utilizan las ferroleaciones y el aluminio puro. Para
elevar el
contenido de carbono en el acero a los valores deseados se utiliza una
fundición especial.
El material terminado se convierte a grandes lingotes para su uso en
los laminadores.
El acero Bessemer se utiliza en piezas de uso general, varillas para hormigón
armado, vigas laminadas, hierro comercial para
construcciones y similares.
Las deficiencias de este método son:
1.- La imposibilidad de
eliminar del metal el fósforo y
el azufre.
2.- La elevada
pérdida de hierro por oxidación
(8-15%).
3.- La saturación del
hierro con nitrógeno
y
óxido de hierro que empeoran su calidad.
Procedimiento Thomas
En este convertidor el interior se reviste de material refractario
básico, ladrillos de magnesita
en las paredes y el fondo
con una
mezcla de brea de carbón mineral y dolomita. Como fundente para
la formación de la escoria se utiliza la cal viva (CaO) con un
contenido mínimo de los óxidos ácidos
sílice (SiO2)
y
alúmina
(Al2O3).
Surge de la necesidad de tratar las fundiciones con alto contenido de
fósforo, obtenidas de menas
ferrosas que se encuentran
bastante
propagadas en la corteza terrestre. A su vez el contenido de
sílice debe ser muy bajo (menos de 0.5%) para evitar el uso
excesivo de fundente neutralizador.
El proceso de fundición en un convertidor Thomas se
efectúa del modo siguiente: primero se carga el convertidor con
la cal, después se vierte el hierro fundido, se inicia el viento
y se gira el convertidor a la posición vertical.
Lo primero que pasa es a oxidación del hierro según al
reacción:
Fe
+ ½O2 --------> FeO
el óxido ferroso formado se disuelve en el metal y oxida el
resto de las impurezas Si, Mn, C y el fósforo.
Se distinguen tres períodos:
1.- Oxidación del
silicio y el manganeso.
2.- Combustión intensa
del carbono.
3.- Oxidación del
fósforo.
Primer período
La oxidación del silicio produce sílice, la sílice
formada SiO2, se une a la cal (óxido de calcio)
según la reacción:
2Ca
+ SiO2 -------> (CaO)2.SiO2
y pasa a la escoria.
El óxido de manganeso (MnO) y una parte del óxido ferroso
(FeO) también pasan a la escoria, en este período el
metal se calienta dado que las reacciones producen calor y comienza el
segundo período.
Segundo período
El metal se ha calentado suficiente y el carbono comienza a quemarse de
manera intensa según la
reacción:
C
+ FeO -------> Fe + CO
El baño comienza a ebullir por la producción del
monóxido de carbono y el horno genera una llamarada clara por la
boca debido a la combustión del CO con el oxígeno del
aire de la atmósfera. El contenido de carbono se reduce a un
valor mínimo y el metal
se enfría con lo que comienza el tercer período.
Tercer período
En este momento comienza la oxidación del fósforo y
comienza a elevarse de nuevo la temperatura del metal, las reacciones
características de esta etapa son:
2P
+ FeO --------> P2O5 + 5 Fe
P2O5 +
3FeO ------> (FeO)3.P2O5 + 3Fe
(FeO)3.P2O5 +
4CaO -------> (CaO)4.P2O5 + 3Fe
En la oxidación del fósforo y la subsiguiente
reacción de su óxido con otros, se desprende una
considerable cantidad de calor y el metal se calienta
rápidamente. El fosfato cálcico formado pasa a la escoria.
Cuando se ha terminado la oxidación del fósforo y su paso
a la escoria, el convertidor se gira a la posición horizontal,
se interrumpe el aire y se descarga la escoria para evitar que el
fósforo y el óxido ferroso que contiene puedan volver al
metal.
Finalmente se desoxida el metal o se desoxida-cementa.
En el proceso Thomas se produce cierta extracción del azufre que
pasa a la escoria en forma de sulfuros de manganeso (MnS) y de calcio
(CaS).
Después de la desoxidación el acero se sangra en la
cuchara y se cuela en lingoteras para la producción de lingotes.
El acero producido tiene aplicación en el laminado de hierro en
chapas, alambres e hierro comercial.
El método de los convertidores en general, tiene la ventaja de
su alto rendimiento, la simplicidad relativa de la instalación,
gastos básicos bajos y la ausencia del consumo de energía
para calentar el metal, pero no resuelve de manera
óptima la obtención de aceros de diferentes
calidades, no sirven para tratar todos los tipos de arrabio
nacidos de la infinidad de menas disponibles y en ellos solo puede
utilizarse de manera limitada la gran cantidad de chatarra disponible
en la industria.
Producción en hornos.
El uso razonable del hierro fundido y la mas completa
utilización de la chatarra ferrosa, se logra al producir aceros
en horno.
A diferencia de los convertidores, los hornos de producción de
acero son cámaras revestidas con material refractario donde se
vierte arrabio en lingotes o líquido y chatarra ferrosa, junto
con otros materiales que sirven de fundentes y aportadores de elementos
necesarios para los procesos de oxidación. Luego el material se
calienta por diversos métodos hasta su fundición con lo
que comienzan los procesos de oxidación de las impurezas y del
propio hierro y se va formando la escoria.
En estos hornos no se inyecta aire a la masa de metal fundido como en
los convertidores, por el contrario los procesos de oxidación de
las impurezas se realizan al interactuar los componentes de la escoria
con el metal fundido de abajo.
Para lograr acero líquido dentro del horno se necesita una
fuente intensa de calor que interactúe con el contenido del
horno y pueda fundir el metal. Se distinguen dos tipos generales:
1.- Los que usan
combustible (hornos Martin).
2.- Los que usan
electricidad (de arco eléctrico y de
inducción).
Hornos de combustible
Hornos Martin.
En los hornos Martin se elabora probablemente la mayor parte del acero
producido en el mundo. En estos hornos el combustible utilizado puede
ser gaseoso, líquido, sólido en polvo o sus
combinaciones, la principales características que debe tener el
combustible son:
1.- Que pueda producir
una llama muy caliente, 2000°C o
más; ya que el metal fundido al final del proceso tiene una
temperatura
de cerca de 1650°C.
2.- Que la llama sea
lo más radiante posible para que
transmita calor por radiación al interior del horno, y
así
calentar el contenido de manera rápida y homogénea, y
producir gases de escape mas fríos que afecten
mínimamente los dispositivos de evacuación de gases.
3.- Que no introduzca
elementos nocivos al proceso.
El horno Martin (figura 2) se
compone de las siguientes partes principales:
1.- El espacio activo o
de fundición (5).
2.- Conductos para
manipular los gases de entrada y
salida a ambos lados (3) y (4).
3.- Las cámaras
regeneradoras de calor con
enrejado refractario (1) y (2).
4.- Los mecanismos de
conmutación de las
cámaras de regeneración.
5.- Los separadores de
polvo de los gases finales de
escape y la chimenea (no mostrados).
6.- Los separadores
de escoria (no mostrados).
Figura 2. Horno Martin.
1.- La bóveda (7),
la
parte
superior
del horno.
2.- La solera (6),
que
es
la
parte inferior del espacio de fundición.
3.- Las puertas de carga
(8). Colocadas en la
pared frontal
del horno.
4.- Los orificios
para sangrar el acero (no visibles),
colocados en la pared trasera del horno.
Si asumimos ahora que el horno Martin mostrado funciona con combustible
gaseoso podemos notar que hay cuatro conductos que dan acceso a la zona
activa. Por el conducto 4 se
insufla aire muy caliente, cuyo calor fue adquirido en el recuperador
de la derecha, lo mismo con el conducto 3, pero en este caso se inyecta el
gas combustible también muy caliente que ha pasado por el
correspondiente regenerador. Al juntarse dentro del espacio activo con
el aire, el gas se inflama produciendo la llama que calentará el
metal contenido en el horno desde su superficie.
Note que los gases calientes producto de la combustión se
retiran del horno por los conductos de la izquierda, estos gases
calientan a su paso el enrejado refractario correspondiente a los dos
regeneradores de ese lado, cuando los regeneradores de la derecha se
han enfriado lo suficiente debido al paso de los gases fríos de
entrada (aire y combustible) se giran los mecanismos conmutadores y se
invierte el proceso. Ahora los regeneradores de la izquierda (muy
calientes) calentarán los gases de entrada y los productos de la
combustión calentarán los regeneradores de la derecha,
obteniendo de esta manera un calentamiento continuo de los gases
que entran al horno.
Procesos físico-químicos del horno Martin.
En el trabajo de fundición del horno Martin, la
oxidación de las impurezas se produce por procesos
físico-químicos que se desarrollan entre los gases del
horno- escoria y entre escoria-metal.
Note que el contacto de los gases de la combustión es solo con
la capa
de escoria, y por ello esta se calienta en primer lugar. Con una capa
excesiva de escoria o con escoria de difícil fusión
el calentamiento
del metal se dificulta. Correspondientemente, las cualidades de la
escoria y su cantidad influyen considerablemente sobre la marcha de la
fundición. Lo que obliga a separar de vez en cuando parte de la
escoria producida,
y a utilizar un fundente adecuado para fundir los óxidos y
hacerlos flotar en la masa del metal fundido como escoria.
Al iniciar la fundición, y durante la fusión del metal ("baño frío") el
primero que se oxida es el Fe y luego este al Si, Mn, y P.
Según las reacciones:
Si
+ 2FeO -------> 2Fe + SiO2
Mn + FeO -------> Fe + MnO
2P + 5FeO -------> 5Fe + 2P2O5
De estos óxidos y por el fundente se forma la escoria,
después por debajo de la capa de la escoria se oxidan el resto
de las impurezas.
La fuente principal de oxígeno para la oxidación de las
impurezas es el FeO que se encuentra en la escoria. El óxido
ferroso de la escoria reacciona con el oxígeno de los gases del
horno según la reacción:
6FeO
+ O2 -------> 2Fe3O4 +
Calor
Esta reacción genera calor por eso la escoria se puede oxidar
activamente a temperaturas del horno relativamente bajas.
Los óxidos superiores que se forman se difunden a través
de la escoria hacia el metal de abajo y lo oxidan según la
reacción:
Fe
+ Fe3O4 -------> 4FeO
El óxido ferroso regenerado se disuelve en el metal y oxida las
impurezas que contiene, La oxidación del hierro en "baño frío" se
efectúa de un modo más enérgico, pero la
reducción del óxido ferroso por el carbono presente suele
ser más lenta, ya que esta reacción consume calor:
FeO
+ C ------> Fe + CO - Calor
Esta necesidad energética del proceso se suple adicionando mas
combustible para calentar el metal. Cuando se calienta el metal ("baño caliente") se
invierten las actividades, la oxidación de la escoria suele ser
mas lenta, mientras que la reducción del óxido de hierro
por el carbono suele ser mas enérgica y el baño puede
ebullir debido a la generación del CO, esto hace que el metal se
mueva y se mezcle en el baño favoreciendo su calentamiento
homogéneo y rápido.
De esto se concluye que:
1.- Una temperatura baja
del baño contribuye a la
oxidación de la escoria y del metal que se encuentra por debajo.
2.- Una temperatura
alta favorece la obtención de
escoria y metal poco oxidados.
En consecuencia, manejando la temperatura en el espacio activo del
horno
se pueden dirigir los procesos de reducción-oxidación en
su interior y obtener un acero de las cualidades y
características deseadas en cuanto a contenido de impurezas y
cantidad de carbono.
En los hornos Martin se pueden tratar los desechos sólidos de la
producción, la chatarra ferrosa, obtener exactamente una
composición química dada del acero, desoxidar bien el
metal, obtener simultáneamente gran cantidad de metal
homogéneo e incluso obtener mas cantidad de metal que el vertido
originalmente en el horno (hasta 105%), ya que se puede usar parte de
mena como aditivo ventajoso al horno, pero paralelamente
también tiene sus deficiencias, ya que los gases participan en
los procesos químicos, oxidando, simultáneamente con las
impurezas comunes, a otro elementos de aleación que hay en el
metal (vanadio titanio y otros) y saturando el metal. A consecuencia de
esto se dificulta la obtención de acero aleados.
Hornos eléctricos.
Los hornos eléctricos para la producción de acero son de
dos tipos principales:
1.- Hornos de arco.
2.- Hornos de
inducción.
Hornos de arco.
La construcción de los hornos de arco voltaico se basa en el
calor generado por el arco eléctrico, formado entre los
electrodos de grafito (o de carbón) y el baño
metálico, que producen una temperatura de 3500°C o
más.
En estos hornos se puede obtener acero de alta calidad, casi
desprovistos de impurezas nocivas, con un contenido de carbono muy
exacto y con elementos aleantes en proporciones definidas. Es decir
acero especiales para altas prestaciones.
El horno (Fig 3) consta de
una camisa cilíndrica (1) con fondo esférico (2),
recubiertas con materiales refractarios y aisladas térmicamente
de tal manera que se forme el espacio activo del horno. La
bóveda del horno (4) se prepara de manera que sea desamable y
está construida de ladrillos refractarios sujetos por una
armadura de acero en forma de aro.
Figura 3. Horno de arco
La corriente se suministra de un transformador a los electrodos a
través de cables flexibles y barras de cobre.
Para llevar a cabo la fundición en los hornos de arco, este se
alimenta
con una mezcla de chatarra, hierro fundido, mena de hierro, fundentes,
desoxidantes y ferro aleaciones, que sirven para formar las aleaciones.
En la Figura 3 para ilustrar mejor, se ha representado el material
dentro del horno de dos formas, la mitad izquierda corresponde al
material recién cargado, vea que está sólido y en
pedazos. Note que hay una separación entre el material y el
electrodo, de forma que salte el arco y se produzca una gran cantidad
de calor para fundir el metal. En la parte derecha ya está el
metal fundido y el electrodo se ha bajado para reducir el calor
producido por el arco y mantener la temperatura dentro del rango
necesario.
Para la oxidación de las impurezas, después de fundida la
mezcla inicial, se le agrega al horno la mena. Los óxidos de
hierro oxidan las impurezas del metal (Si, Mn, P, y C) a consecuencia
de lo cual se forma la escoria férrica que contiene (FeO)3.P2O5.
Esta
escoria
sustrae fósforo del metal. Para formar un compuesto
mas estable se agrega a la escoria cal recién calcinada de forma
que se forme una sal fósforo-cálcica que se retiene en la
escoria. Esta reacción tiene éxito ya que la temperatura
del metal no es muy elevada, pero es una reacción
exotérmica que calienta el baño y durante esta etapa es
usual que comience a oxidarse el carbono y el baño entre en
ebullición. En ese momento se retira la escoria fosfórica.
Si se ha quemado mucho carbono, y este, en el metal, está por
debajo del nivel requerido se cargan al horno portadores de carbono
tales como coque o arrabio de bajo contenido de impurezas nocivas.
Mas tarde, y en dependencia de los requerimientos del acero pueden
cargarse al horno nuevos fundentes y desoxidantes para retirar el
azufre, agregar los elementos aleantes requeridos y se hace una
última
desoxidación con aluminio puro.
En algunos casos se introduce al espacio activo del horno
oxígeno, que favorece la oxidación de las impurezas y
reduce el consumo energético.
Hornos de inducción
Estos hornos se basan en el calor generado por elevadísimas
corriente que se generan en la masa del metal. Estas corriente son
inducidas por una bobina que rodea al crisol donde está el
metal, y por la cual se hace circular corriente alterna de alta
frecuencia. En esencia el horno recrea un transformador en el que el
metal es el bobinado secundario en corto circuito.
En estos hornos el calor se genera en el metal y se trasmite a la
escoria, por lo que la temperatura media de esta es menor que la del
metal. Por eso no se efectúan las reacciones activas de
intercambio entre la escoria y el metal, y por consecuencia, es
imposible sustraer del metal las impurezas nocivas (fósforo y
azufre).
La fundición se hace rápidamente y antes de terminar se
introducen al horno los desoxidantes y si es necesario las adiciones de
aleación.
Las ventajas de este método es que en él se puede
calentar el metal a temperaturas muy altas y sin grandes dificultades
hacer la fundición al vacío, por eso, además de
producir aceros normales, se pueden producir aceros especiales como los
inoxidables, los termorresistentes y otros de destinación muy
especial.
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