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;

El método de los convertidores
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 (Fig 1) representa 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
Para cargar el convertidor este se hace girar de la posición vertical a la horizontal, se agrega el arrabio fundido y se regresa el convertidor a su posición vertical, en ese momento se pone en marcha el soplado. El volumen de metal incorporado constituye de 1/5 a 1/3 del volumen de la altura de la parte casi cilíndrica.
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 los convertidores se dividen en dos tipos:

Convertidor con revestimiento ácido: (procedimiento Bessemer) utilizado para los arrabios con una cantidad mínima de fósforo (0.07%) y azufre (0.06%).
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:

La oxidación del hierro, silicio, manganeso y la formación de la escoria.
La quema del carbono
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 forman 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.

Figura 1. Convertidor de acero

Segundo período

Dada la alta temperatura del metal comienza a quemarse el carbono:

FeO

---->

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:

La imposibilidad de eliminar del metal el fósforo y el azufre
La elevada pérdida de hierro por oxidación (8-15%)
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:

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:

Oxidación del silicio y el manganeso
Combustión intensa del carbono
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:

2CaO

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:

FeO

------>

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	+	5Fe
P₂O₅	+	3FeO	---->	(FeO)₃.P₂O₅	+	2Fe
(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:

Los que usan combustible (hornos Martin).
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:

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.
Que la llama sea lo mas 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.
Que no introduzca elementos nocivos al proceso.

El horno Martin (Fig2) se compone de las siguientes partes principales:

El espacio activo o de fundición (5)
Conductos para manipular los gases de entrada y salida a ambos lados (3) y (4).
Las cámaras regeneradoras de calor con enrejado refractario (1) y (2).
Los mecanismos de conmutación de las cámaras de regeneración.
Los separadores de polvo de los gases finales de escape y la chimenea (no mostrados).
Los separadores de escoria (no mostrados)

Dentro del espacio activo o de fundición se pueden distinguir:

La bóveda (7), la parte superior del horno
La solera (6), que es la parte inferior del espacio de fundición.
Las puertas de carga (8). Colocadas en la pared frontal del horno.
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.

Figura 2. Horno Martin

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:

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 mas lenta, ya que esta reacción consume calor:

FeO

------>

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:

Una temperatura baja del baño contribuye a la oxidación de la escoria y del metal que se encuentra por debajo.
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 la 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:

Hornos de arco
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.
El horno tiene una puerta de carga y un orificio para sangrar el metal. Está asentado sobre dos soportes en forma de arco, colocados sobre las guías del cimiento que permiten girarlo para la carga y descarga del horno. En la bóveda del horno se colocan en orificios elaborados para ello los electrodos (5). Los electrodos durante la fundición ascienden y descienden con la ayuda de un mecanismo especial.
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.

Figura 3. Horno de arco

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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