El horno de hogar abierto, es uno de los más populares procesos de fabricación del acero, actualmente produce 35 Tg anuales. En la Fig. 3.8 se muestra un horno típico; cada horno contiene de 9.9 a 54 Mg de metal en un depósito poco profundo que es calentado por una flama de gas, brea o aceite que pasa sobre la carga. El horno mencionado es de reverbero porque la poca altitud del horno refleja el calor en toda la parte baja del crisol. Es regenerativo porque las cámaras de ambos lados del horno, son capaces de calentar gases por combustión en turno, permitiendo que el aire y combustible entren al horno para elevar la temperatura, asegurando un incremento en la eficiencia de combustión y en la temperatura. Las cámaras regenerativas a la derecha o izquierda, son calentadas alternativamente, así que, mientras un grupo se utiliza para elevar la temperatura del aire y combustible, el otro está siendo calentado en las cámaras. El horno de hogar abierto puede ser de material básico o ácido, aunque en la práctica el 9O% son hornos de hogar abierto básicos. En la unidad básica, se puede controlar o eliminar fósforo, azufre, silicio, manganeso y carbono, el hogar es forrado con magnesita. En el horno de hogar abierto ácido, se puede controlar o eliminar únicamente silicio, manganeso y carbono y tiene un recubrimiento ácido de ladrillo o arena cuyo principal ingrediente es la sílice.
Se consideran aceros no aleados cuando el porcentaje de los elementos químicos que intervienen en la aleación está por debajo del máximo indicado en la siguiente tabla.
Según el porcentaje de carbono, los aceros se clasifican en los tipos recogidos en la siguiente tabla.
Aceros aleados o especiales:
Son aquellos aceros que, además de los elementos hierro y carbono, contienen algún otro en proporciones superiores a las indicadas en la del contenido límite para aceros no aleados.
En la actualidad, casi la totalidad de los aceros que se utilizan son aceros aleados, pues los elementos de aleación mejoran considerablemente sus propiedades. Existen varias formas de clasificar los aceros aleados. Una de las más utilizadas es la denominada designación convencional numérica, en la que se clasifican los aceros según su aplicación. Según esta designación, cada acero se indica mediante la letra mayúscula F, seguida de un guión y de cuatro cifras:
• La primera cifra indica aplicaciones generales de los aceros, tal y como se indica en la
inferior.
• La segunda cifra señala características del acero. Así, por ejemplo, F-3200 es un acero
inoxidable para válvulas de motores de explosión.
Las dos últimas cifras tienen un valor clasificatorio y se van colocando a medida que se
van descubriendo los distintos aceros.
Atendiendo a la proporción de carbono existente, los productos ferrosos se pueden clasificar en hierros, aceros, fundiciones y grafitos (imagen inferior).
• Hierros. Son aquellos productos ferrosos cuyo porcentaje de carbono está comprendido entre el 0,01 y 0,03%. Son muy blandos y difíciles de obtener, por lo que tienen pocas aplicaciones industriales.
• Aceros. Son aleaciones de hierro-carbono, pudiendo contener otros elementos químicos.
El porcentaje de carbono está comprendido entre el 0,03 y 1,76 %.
• Fundiciones. Son aleaciones de hierro-carbono, pudiendo tener otros elementos químicos.
El porcentaje de carbono oscila entre el 1,76 y 6,67 %.
• Grafitos. Se obtienen cuando el porcentaje de carbono es mayor del 6,67 %. En la práctica
no tienen aplicaciones, ya que son muy frágiles.Solo se utiliza en lápices y para electrodos.
El acero líquido obtenido a través del horno eléctrico o utilizando el convertidor , se solidifica, empleando alguno de los siguientes métodos de colada: colada convencional (moldeo) , colada sobre lingoteras y colada continua.
Colada convencional: Consiste en verter el acero líquido sobre moldes con la forma de la pieza que se desea obtener. Posteriormente, se deja enfriar el metal y más tarde se extrae la pieza.
Colada contínua: Es el procedimiento de colada más moderno y económico que existe. Consiste en verter el acero líquido sobre un molde sin fondo ni tapadera, con forma curva y sección transversal con la forma geométrica del producto a obtener. El acero líquido, a medida que se va desplazando, se va enfriando.
Colada sobre lingoteras: Si en un momento determinado la demanda de productos ferrosos es baja y no tienen salida comercial (cosa que suele ocurrir muy pocas veces), lo que se hace es colarlo (solidificarlo) en el interior de lingoteras (moldes prismáticos de fundición, con forma troncocónica y sección transversal cuadrada) y dejarlo enfriar. Posteriormente, se extrae la lingotera y se almacenan los lingotes hasta que la demanda aumente.
Los colados de hierro, se hacen volviendo a fundir chatarra junto con arrabio, en un horno llamado cubilote. La construcción de este horno es simple de operación económica y funde hierro continuamente con un mínimo de mantenimiento. De vez en cuando el metal se funde con el combustible, algunos elementos se aprovechan mientras otros son perdidos. Esto afecta el análisis final del metal y se hace necesario cerrar la regulación del cubilote.
El proceso de obtención del hierro fundido especial y aleado dificulta su control en el cubilote. También el ‘cierre de control de temperatura dificulta su mantenimiento. La construcción de este horno es simple, consiste en un tubo vertical recubierto con material refractario, con la disposición necesaria para introducirle una corriente de aire cerca del fondo. En la Fig. 3.9 se muestra un corte seccional con los nombres de las partes principales.
Todo el cubilote descansa sobre una placa circular que es soportada arriba del piso mediante cuatro columnas separadas convenientemente para que las puertas abisagradas puedan caer libremente. Estando en operación, estas puertas se giran hasta una posición horizontal y se mantienen en su lugar por medio de una estaca vertical. La puerta de carga está localizada más o menos a la mitad de la cubierta vertical y la parte superior del cubilote queda abierta, a excepción de una pantalla de metal o para chispas.
En la actualidad, prácticamente el único horno que se emplea para convertir la chatarra en acero es el horno eléctrico (imágen inferior).
Las partes más importantes de un horno eléctrico pueden verse en la imágen inferior y son
las siguientes:
• Transformador eléctrico. Convierte el voltaje a 900 V y transforma la corriente eléctrica alterna en corriente continua.
• Cables flexibles. Conducen la electricidad hasta los electrodos (14).
• Brazos de los electrodos. Permiten que los electrodos se acerquen o se alejen de la chatarra para que salte el arco eléctrico.
• Sujeción de electrodos.
• Pórtico con brazos hidráulicos . Permite quitar y poner la tapadera del horno eléctrico para introducir la chatarra, las ferroaleaciones y el fundente.
• Salida de humos refrigerada . Conduce los humos a un filtro (en muchos casos, cortina de agua), eliminando las partículas en suspensión.
• Estructura oscilante. Permite inclinar el horno para extraer el acero fundido. Para ello dispone de un dispositivo de volteo hidráulico.
Las materias primas que utiliza el horno eléctrico son:
• Chatarra seleccionada que, prácticamente, no lleve otros metales no ferrosos, como cobre, aluminio, plomo, etcétera.
• Fundente (cal).
• Ferroaleaciones, por ejemplo con Ni, Cr, Mo, etc., para fabricar aceros especiales.
Las características principales del horno eléctrico son:
• Interiormente está recubierto de ladrillo refractario.
• En el interior del horno se pueden llegar a alcanzar temperaturas de hasta 3 500 °C, con lo que es muy adecuado para fundir no solamente aleaciones ferrosas, sino cualquier otra cuyo punto de fusión sea alto, como wolframio, tántalo, molibdeno, etcétera.
• La carga del horno es de unas 100 toneladas.
• Cada hornada dura aproximadamente 50 minutos.
El funcionamiento del horno eléctrico es el siguiente:
1. Se quita la tapadera y se introduce la chatarra y el fundente.
2. Se cierra el horno y se acercan los electrodos a la chatarra, para que salte el arco eléctrico y comience a fundir la chatarra (imágen inferior, A).
3. Cuando la chatarra está fundida, se inyecta oxígeno para eliminar los elementos indeseables del baño, como silicio, magnesio, fósforo, etcétera.
4. Se inclina el horno y se extrae la escoria (imágen inferior,B). A continuación se le añade el carbono y ferroaleaciones y se sigue calentando hasta que las adiciones se disuelvan y se uniformice la composición del baño.
5. Se inclina el horno y se vierte el acero en la cuchara, que lo llevará al área de moldeo
(imágen inferior).
Convertidor: El arrabio posee un exceso de impurezas (azufre, fósforo, silicio, etc.) que lo hace demasiado frágil y poco adecuado para la fabricación de piezas industriales.
La solución consiste en eliminar la mayoría de esas impurezas en hornos adecuados, denominados hornos de afino.
El horno más empleado en el afino del acero se denomina convertidor o procedimiento LD.
El transporte del arrabio desde el horno alto hasta el convertidor se lleva a cabo mediante trenes con depósitos especiales, llamados torpedos (imagen inferior).
• Materia prima que emplea el convertidor LD:
– Arrabio líquido, pero también se le pueden añadir pequeñas cantidades de chatarra.
– Fundente (cal, que reacciona con las impurezas y forma la escoria que flota sobre el metal fundido).
– Ferroaleaciones, que mejoran las propiedades del acero.
• Características del horno convertidor:
– Interiormente está recubierto de ladrillo refractario.
– La producción por hornada suele ser de unas 300 toneladas de acero de gran calidad.
– Cada hornada suele durar aproximadamente una hora.
• Funcionamiento del horno convertidor. El proceso de funcionamiento se muestra en la imagen inferior:
Procesos de obtención del acero y otros productos ferrosos
En la actualidad, los productos ferrosos se obtienen, casi en su totalidad, de dos maneras, dependiendo de la materia prima empleada. Estos procedimientos son a través del horno alto (usando mineral de hierro) y a través del horno eléctrico (empleando chatarra).
A continuacion, se explica el funcionamiento de estos procedimientos (los numeros entre paréntesis hacen referencia a la numeracion de la figura).
A-Materia prima del horno alto:
La materia prima, formada por mineral de hierro (60%), carbón de coque (30%) y fundente (10%), se introduce en el horno alto por la parte superior.
• Mineral de hierro (1). Antes de ser introducido en el horno alto se debe someter a una serie de tratamientos preliminares. Estos tratamientos consisten en triturar y moler el mineral, para posteriormente separar la parte útil (mena) de la no aprovechable (rocas, cal, sílice, tierra, etc.), que constituye la ganga.
• Carbón de coque (2). Se ha creado artificialmente a partir de la hulla. Su misión, dentro del horno alto, es la siguiente:
– Producir, por combustión, el calor necesario para fundir la mena y generar las reacciones químicas necesarias para que el óxido de hierro (mineral de hierro) se convierta en arrabio.
– Soportar el peso de la materia prima introducida, permitiendo que no se aplaste, para que pueda arder en la parte inferior y salgan los gases hacia la parte superior del horno.
• Fundente (3). Compuesto por piedra caliza o, lo que es lo mismo, cal (siempre que el mineral tenga composición ácida), cuya misión es:
– Reaccionar químicamente con la ganga que haya podido quedar en el mineral, arrastrándola
hacia la parte superior de la masa líquida, y formando lo que se denomina escoria.
– Bajar el punto de fusión de la ganga para que la escoria sea líquida.
B- Funcionamiento del horno alto:
El horno alto (4), una vez encendido, está funcionando ininterrumpidamente hasta que es necesario hacerle una reparación.
A medida que se introduce la carga por la parte superior, ésta va bajando y su temperatura aumentando hasta llegar al etalaje (imagen inferior). Aquí la temperatura ronda los 1 650 °C, suficientes para que el mineral de hierro (mena) se transforme en gotitas de hierro que se depositan en el crisol (imagen inferior).
La cal (fundente) reacciona químicamente con la ganga formando la escoria, que flota sobre el hierro fundido. Por un agujero, llamado bigotera o piquera de escoria, se extrae, cada dos horas, la escoria. Esta escoria se emplea en la fabricación de cementos, balastros de vías de ferrocarril y aislante térmico.
Periódicamente, se abre la piquera de arrabio y se extrae el hierro líquido que hay en el crisol. Este hierro líquido se llama arrabio o hierro de primera fusión (5) y contiene muchas impurezas, así como un exceso de carbono, por lo que normalmente no tiene ninguna aplicación.
Casi la totalidad del arrabio se convierte en acero a través del convertidor o procedimiento LD. A veces, el arrabio se solidifica en moldes especiales, formando lingotes.
Rodeando al horno, alto a la altura del etalaje, se encuentra el anillo o morcilla (tubo de gran diámetro), del cual se extrae aire caliente que se introduce en el horno a través de las toberas.
Los metales ferrosos o férricos tienen como elemento base el hierro. so observamos a nuestro alrrededor, comprobaremos que la mayor parte de los objetos que nos rodean tienen, en mayor o menor grado, partes fabricadas con metales ferrosos (hierro, acero, fundición o grafito).
Estos metales son ampliamente utilizados en la fabricación de todo tipo de máquinas: aviones, automóviles,barcos, submarinos, satelites de comunicación, etc.
A pesar de todos los inconvenientes que tienen los productos ferrosos (hierro, acero y fundiciones) por ser muy pesados, oxidarse con facilidad y ser difíciles de trabajar, entre otros, son de los más usados en la actualidad. Basta observar nuestro entorno para encontrar multitud de productos construidos con este tipo de material.
Las aplicaciones más significativas a las que se destinan los materiales ferrosos son la construcción de puentes, estructuras de edificios, barcos, trenes, coches y utensilios domésticos (ollas, grifos, cucharas, etcétera).
Principales yacimientos de mineral de hierro:
En la siguiente imagen se pueden observar los principales yacimientos de hierro de españa, aunque ya no se explota practicamente ninguno de ellos.
En el siguiente gráfico se muestran los principales países productores de mineral de hierro:
La tendencia actual de explotacion de yacimientos es la extraccion a cielo abierto, debido al bajo precio del material y al encarecimiento de extración por galerias, los yacimientos más importantes son: Río Doce (Brasil), Cerro Bolívar (Venezuela) y Miferma (Mauritania).
Tipos de minerales de hierro: Actualmente solamente se suelen aprovechar los siguientes:
Se denomina siderurgia al conjunto de operaciones mediante las cuales se obtiene un metal ferroso.
El proceso abarca desde la extracción del mineral de hierro en la mina hasta su posterior transformación en acero con una presentación comercial determinada.
La produccion de hierro y acero comprende el 95% de todo el tonelaje producido anualmente en los E.U. en promedio son los metales más económicos del mundo. En algunas aplicaciones tiene primacia el hierro y el acero mientras que en otras áreas hay fuerte competencia en otros metales y no metales. la historia primitiva de la fabricación de hierro, es clara en una consideración- este es un arte antiguo extendido en el año 1200 a.c. El primer tonelaje alto de fabricación de acero fue llamado después proceso Sir Henrry Bessemer.
¡Bienvenido a esta nueva nueva aventura virtual! En este espacio vas a conocer los temas principales del curso de Siderurgia que se imarte en quinto semestre de la carrera de Tecnico en Metalurgia.
