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MATERIALES – EL HIERRO Y SUS DERIVADOS. Tema 4. EL HIERRO Y SUS DERIVADOS Bloque I. Materiales y fuentes de Energía. (Jorge Gómez-García)

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1 MATERIALES – EL HIERRO Y SUS DERIVADOS. Tema 4. EL HIERRO Y SUS DERIVADOS Bloque I. Materiales y fuentes de Energía. (Jorge Gómez-García)

2 MATERIALES – EL HIERRO Y SUS DERIVADOS. Preparación del tema 4: Mineral = Mena + Ganga Aleación Mezcla homogénea de 2 ó más sólidos Props. Físicas y Técnicas: Dureza: Resistencia que ofrece un material a ser penetrado por otro Fragilidad: Capacidad de un material de romperse en fragmentos al golpearse Tenacidad: Resistencia que presenta un material a ser deformado por efecto de una fuerza de gran intensidad y corta duración Ductibilidad: Capacidad de un material de deformarse por la acción esfuerzos de tracción sin romperse Maleabilidad: Capacidad de un material de deformarse por la acción de esfuerzos de compresión sin romperse Flexibilidad: Capacidad de un material de deformarse por la acción de esfuerzos de flexión sin romperse Inducción: Fenómeno EM que consiste en la creación de corrientes eléctricas inducidas en un circuito cerrado cuando se encuentra en el seno de un campo eléctrico o magnético variable. Efecto Joule: El paso de la corriente eléctrica por un conductor produce energía que se emite en forma de calor y que depende de la Intensidad y resistencia. P=I 2 ·R 4-2

3 MATERIALES – EL HIERRO Y SUS DERIVADOS. Materiales MetálicosNo Metálicos FérricosNo Férricos Aceros Fundición Hierro dulce Metales ultraligeros Metales ligeros Metales pesados Aleaciones NaturalesSintéticosAuxiliares Seda Madera Cuarzo Hormigón Plástico Vidrio Pulimentos Lubricantes Insecticidas Fe procede de: Magnetita: Mezcla de óxidos Hematites roja: Fe 2 O 3 Siderita: FeCO 3 Limonita: Fe(OH) 3 Pirita: FeS + Cu 4-3

4 MATERIALES – EL HIERRO Y SUS DERIVADOS. Obtención de hierro: El horno alto Introducidos en capas alternas. En la cuba 1 er Calentamiento Elimina humedad / Calcina la caliza / Se desprende CO 2 / Se forma Cal / CO del coque se encarga de reducir los óxidos. Vientre Fusión del hierro y escoria. Toberas Insuflan aire para la combustión procedente de los recuperadores de calor. Entalaje Se deposita Hierro y escoria fundidos. Como escoria tiene menor densidad, queda flotando. Piqueras De escoria (Bigotera) De arrabio (piquera). Arrabio=Hierro Colado=Fundición 1 º Fusión El arrabio fundido se vierte directamente en cucharas y se transporta por lingoteras a los convertidores, donde se transforma en acero. El proceso este será continuado y sólo se apagan en caso de reparaciones. Para reducir el consumo energético:  Sinterización del material (Aglomeración)  Inyección de gases combustibles  Mejora de la calidad del coque (menos humedad y granos de menor tamaño) 4-4

5 MATERIALES – EL HIERRO Y SUS DERIVADOS. Productos siderúrgicos : Hierro dulce, Acero, Fundición Se clasifican por %C y %Fe Hierro Dulce Acero Fundición <0,1%Fe (e.d. químicamente puro) Color plateado gran permeabilidad magnética admite forja Aleación Fe-C, %C  [0´1,1´76] Pueden contener otros metales que les dota de propiedades: C, 1 er aleante aporta dureza y resistencia Si, elasticidad y buena conductividad magnética Mn, aumenta dureza y resistencia al desgaste Cr, aumenta dureza y resistencia al calor y rozamiento Ni, aumenta tenacidad, resistencia a la tracción y a la corrosión Mb y V, aumenta dureza y resistencia al desgaste mecánico W, aumenta tenacidad y resistencia a la corrosión y al calor. Fundición gris: Contenido de Si elevado, C cristaliza en forma de grafito, Sólo moldeo Fundición blanca: Contenido de Mn elevado, C se combina con Fe  Carburo de Hierro, Como materia prima de aceros 4-5

6 MATERIALES – EL HIERRO Y SUS DERIVADOS. Aceros: Aleación Fe-C en la que el contenido de C  (0´1,1´76), y puede contener en su composición otros elementos. Introducir elementos da otras propiedades: Carbono, aporta dureza y resistencia Silicio, confiere elasticidad y buena conductividad magnética Manganeso, contribuye a aumentar su dureza y resistencia al desgaste Cromo, aumenta su dureza y le confiere resistencia al calor y al rozamiento imprescindible hacerse inoxidable) Níquel, aumenta su tenacidad y su resistencia a la tracción y a la corrosión Molibdeno y Vanadio, incrementan su dureza y le proporcionan mayor resistencia al desgaste mecánico en caliente. Volframio, lo hace tenaz y resistente a la corrosión y al calor Clasificación según las sustancias presentes: No aleados, elementos <1% [Ej: aceros al carbono] De baja aleación, componente  (1,5)% [Ej: aceros para rodamientos] De alta aleación, componente >5% [Ej: acero inoxidable 18/10, 18%Cr y 10%Ni] 4-6

7 MATERIALES – EL HIERRO Y SUS DERIVADOS. Procesos de fabricación de aceros: Convertidor Bessemer y Thomas El Bessemer consiste en un recipiente metálico basculante de gran tamaño recubierto por material refractario. El afino duraba entre 15 y 20 minutos con tres fases: Llenado (a) : se inclinaba el convertidor para facilitar su llenado con el arrabio fundido procedente del alto horno. Soplado (b) : el convertidor de situaba en posición vertical y se inyectaba aire a presión a través de orificios practicados en el fondo. Vaciado (c) : se iniciaba una vez quemadas las impurezas. Se inclinaba de nuevo y se vertía el acero en las lingoteras. La ventaja del procedimiento consiste en poder detenerlo en cualquier momento con sólo cerrar la entrada de aire. Controlan las cantidades de C, Si, Mn, pero el P no se eliminaba. Thomas incorpora un fundente básico (cal), que permite la eliminación del P. Al finalizar primero se extrae el acero y luego la escoria. No se puede detener como el anterior. 4-7

8 MATERIALES – EL HIERRO Y SUS DERIVADOS. Procesos de fabricación de aceros: Convertidor LD (Horno de oxígeno básico) Consiste en un recipiente de gran tamaño y puede llegar a pesar hasta 500Tn. Construido en acero revestido interiormente de ladrillo refractario. El Aire de inyecta interiormente con una lanza refrigerada por agua. El afino dura 1 hora y consiste en: Llenado (a) : se introduce inclinado el arrabio líquido, también chatarra de acero y fundente. Después se coloca en posición vertical. Afino (b) : se inyecta O 2 (12atm) con la lanza. Provoca la oxidación del C hasta <1%. Su reacción es rápida y produce altas temperaturas que mantienen el material en líquido. Se elimina el exceso de P, S, y Si. Vaciado (c) : se inclina el convertidor con el fin de eliminar la escoria y después se bascula totalmente para vaciar el acero. El convertidor LD es el más empleado en la actualidad para la obtención de aceros comunes de baja aleación, ya que permite recuperar chatarra para producir acero nuevo. 4-8

9 MATERIALES – EL HIERRO Y SUS DERIVADOS. Procesos de fabricación de aceros: El horno de Siemens-Martin Consiste en un gran horno de reverbero, de forma rectangular y techo abovedado, capaz de albergar hasta 400Tn. El revestimiento interior es de carácter básico y dispone de cámaras para el precalentamiento del combustible empleado, que suele ser gas. El proceso puede alcanzar 12horas y consiste en: Carga: se realiza por la parte superior del horno mediante dispositivos especiales. También se introduce Cal para que arrastre la escoria. La carga puede ser Arrabio del alto horno ó Arrabio mezclado con chatarra y mineral de hierro (el contenido de chatarra puede llegar al 70% del total) Afino: consiste en quemar el combustible precalentado (~1800ºC) oxidándose y eliminándose las impurezas: CO (g), SiOx (s) y Pox (s). Después se introducen los aleantes. Vaciado: Se extrae la colada de acero. Ventajas: Admite forja, temple y soldadura Inconvenientes: elevado consumo energético y baja calidad del producto. 4-9

10 MATERIALES – EL HIERRO Y SUS DERIVADOS. Procesos de fabricación de aceros: Los hornos eléctricos. No se utilizan estrictamente para la obtención de aceros sino para el afino. Ventajas: - Rapidez de calentamiento, con buen control de temperatura. - Inexistencia de gases combustibles Inconvenientes: - Elevado coste de Eª Eléctrica. De arco: Recipiente de acero de forma cilíndrica, recubierto en su interior por ladrillo refractario y provisto de circuito de refrigeración. Alberga <130Tn. La cubierta superior puede separarse para facilitar la carga y está atravesada por dos o tres electrodos de carbón. Una vez cargado con el acero, se cierra el recipiente y se hacen saltar potentes arcos voltáicos entre los electrodos y el material. Se alcanzan temperaturas <3800ºC, permite fundir metales como Mb, W, Ni, Cr, V, Mn, Ti. De inducción: UHP (Ultra High Power) Recipiente cilíndrico de acero, de altura >4m y diámetro >7m. En su parte superior tiene una bobina eléctrica. El interior protegido con material refractário. Una vez cargado se hace circular una corriente eléctrica de alta frecuencia. Se inducen corrientes eléctricas en el material (Corrientes de Foucault) que producen un gran aumento de temperatura capaz de fundirlo. Permite obtener 105Tn en tan solo 111minutos. Instalado en las acerías más modernas. 4-10

11 MATERIALES – EL HIERRO Y SUS DERIVADOS. Tratamiento de la colada. Colada: el acero fundido obtenido en cualquiera de los procesos descritos. Para su posterior transformación se utilizan dos procesos: Vaciado en lingoteras: consiste en verter la colada líquida en moldes (lingoteras). Cuando solidifica se retira el molde y se obtienen lingotes. Colada continua: consiste en verter la colada sobre moldes de fondo desplazable cuya sección tiene la forma del producto que desea. A medida que avanza el producto se va solidificando. Finalmente se corta a la medida deseada. Si barra prismática es palanquilla o planchón si es de gran superficie. Tipos de instalaciones siderúrgicas: Siderúrgicas integrales: reducen el mineral de Fe en el horno alto. Tienen instalaciones de producción de acero y de tratamiento de la colada. El consumo energético es el 25% del coste. Siderúrgicas no integrales: no disponen de hornos altos. Parten del arrabio, de semielaborados (palanquillas y planchones) y de chatarra para la obtención y el posterior tratameinto del acero. El consumo energético es el 10% del coste final. Impacto humano de la obtención del hierro y el acero: Neumoconiosis: provocada por el polvo del mineral de hierro. Produce alteraciones broncopulmonares, se manifiesta con tos y expectoración, puede producir la muerte prematura. Exposición a altas temperaturas. 4-11

12 MATERIALES – EL HIERRO Y SUS DERIVADOS. Tipos de aceros comerciales. La gran variedad de productos llamados ACERO, obliga a una clasificación según composición, características técnicas y sus aplicaciones. La norma de calidad UNE 36 001 clasifica los aceros con la letra F (Ferrum) seguida de un número de serie: la primera cifra distingue los aceros por su aplicación y la segunda cifra se asigna a diferentes tipos dentro de la misma serie. Los aceros comerciales también pueden distinguirse con un símbolo y un código numérico. Tipos de Aceros: Aceros de construcción: F1  Aceros al carbono (F11...) resistencia media, tenaces, admiten soldadura. Se utilizan en maquinaria agrícola, tornillería, cadenas, bielas y ejes de ferrocarriles.  Aceros aleados de temple y revenido (F12...) contienen Ni y Cr. Son duros y tenaces. Se emplean en construcción de piezas de maquinaria que han de soportar grandes esfuerzos: bulones, cigüeñales, bielas, árboles y ejes.  Aceros para muelles (F14...) contienen Cr y V. Son muy duros y de gran elasticidad. Para muelles y otras piezas que soportan esfuerzos de torsión.  Aceros de nitruración y cianurización (F17...) Aceros especiales: F2. Aceros de fácil mecanización, admiten soldadura y poseen props mecánicas y de dilatación controlada. Se utilizan en piezas y objetos que no requieran grandes exigencias mecánicas. Aceros inoxidables: F3. Contienen elevadas proporciones de Cr y Ni. Son muy resistentes a la corrosión. Se utilizan para maquinaria industrial sometido a este tipo de agentes. Aceros para herramientas: F5. Contienen pequeñas proporciones de Cr, Ni, V y W. Presentan una elevada resistencia al desgaste y buena tenacidad. 4-12


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