Materias primas
Los tres materiales básicos que se utilizan en la fabricación del hierro y acero son el mineral de hierro, la piedra caliza y el coque. Aun que no existe en estado libre en la naturaleza, el hierro es uno de los elementos de mayor abundancia en el mundo, formado aproximadamente 5% de la corteza terrestre (bajo forma de varios minerales). Los principales minerales de hierro son la taconita (una roca negra de tipo pedernal), la hematita (un mineral de óxido de hierro), y la limonita (un óxido de hierro que contiene agua).
Una vez extraído de la mina, el mineral es triturado en partículas finas, las impurezas son eliminadas utilizando varios métodos como la separación magnética, y el mineral se forma en pelets o bolas, utilizando aglutinantes y agua. Comúnmente, las pastillas son aproximadamente 65% de hierro puro y de casi 25 milímetros (1 pulgada) de diámetro. El mineral de hierro concentrado se conoce como beneficiado (como otros minerales concentrados). Algunos minerales ricos en hierro se utilizan directamente sin hacer en pelets.
El coque se obtiene de grados especiales de carbón bituminoso, que se calienta en hornos verticales hasta temperaturas de 1150 ºC (2100 ºF) y luego se enfría con agua en torres de enfriamiento. El coque tiene varias funciones en la fabricación del acero. Otras generar el elevado nivel de calor requerido para que ocurran las reacciones químicas en la fabricación del acero. Un segundo es producir monóxido de carbono (un gas reductor, que elimina el oxígeno), el cual es utilizado para reducir el óxido de hierro a hierro. Los subproductos químicos del coque se utilizan en la fabricación de plásticos o de compuestos químicos. Los gases que han sido emitidos durante la conversión del carbón a coque se utilizan como combustible para las operaciones de la planta.
La función de la piedra caliza (carbonato de calcio) es remover impurezas del hierro fundido. La caliza reacciona químicamente con las impurezas, actuando como fundente (lo que significa, que fluye como un fluido) lo que hace que las impurezas se fundan a baja temperatura. La caliza se combina con las impurezas y forman una escoria, que es ligera, flota sobre el metal fundido, y que subsecuentemente es eliminada. La dolomita (un mineral de carbonato de magnesio y calcio) se utiliza como fundente. Posteriormente la escoria es utilizada en la fabricación de cemento, fertilizantes, vidrio, materiales para construcción, aislamiento de lana mineral y de balastre para carreteras.
Fabricación de Hierro
Las tres primas son llevadas a la parte superior de un alto horno y lanzado dentro del mismo (fig.1); este proceso se conoce como cargar el horno. El principio de este horno fue desarrollado en Europa Central; el primer alto horno que se construyó en Estados Unidos empezó a operar en 1621. El alto horno es básicamente un gran cilindro de acero recubierto con tabique refractario resistente al calor; tiene la altura de aproximadamente un edificio de 10 pisos.
La mezcla de la carga se funde en una reacción a 1650 ºC (3000 ºF) con aire precalentado aproximadamente 1100 ºC (2000 ºF) y soplado en el horno (de ahí el término en ingles de blast furnace) a través de toberas (tuyeras). Aunque ocurre un cierto número de reacciones, la reacción básica es la del oxígeno con el carbono, para producir monóxido de carbono, que a su vez reacciona con el óxido de hierro y lo reduce a hierro. El precalentamiento del aire de entrada es necesario, por que la sola combustión del coque no produce temperaturas suficientemente elevadas para que ocurran las reacciones.
El metal fundido se acumula en la parte inferior del alto horno, en tanto que las impurezas flotan hacia la parte superior del metal. A intervalos de 4 a 5 horas, el metal fundido es vaciado en cubas o carros torpedo, cada una de ellas con 160 toneladas de hierro.
El metal fundido en esta etapa se conoce como hierro cochino, o simplemente arrabio caliente. Tiene una composición típica de 4% de carbono, 1.5 silicio, 1% de manganeso, 0.04% de azufre y 0.4% de fósforo, siendo el resto de hierro. El uso de la palabra cochino en inglés, proviene de las primeras prácticas de vaciar el hierro fundido en pequeños moldes en la arena, organizados como una anidada de cochinos alrededor de un canal principal. El metal solidificado (cochino) se utiliza después en la fabricación de hierro y aceros.
Los tres materiales básicos que se utilizan en la fabricación del hierro y acero son el mineral de hierro, la piedra caliza y el coque. Aun que no existe en estado libre en la naturaleza, el hierro es uno de los elementos de mayor abundancia en el mundo, formado aproximadamente 5% de la corteza terrestre (bajo forma de varios minerales). Los principales minerales de hierro son la taconita (una roca negra de tipo pedernal), la hematita (un mineral de óxido de hierro), y la limonita (un óxido de hierro que contiene agua).
Una vez extraído de la mina, el mineral es triturado en partículas finas, las impurezas son eliminadas utilizando varios métodos como la separación magnética, y el mineral se forma en pelets o bolas, utilizando aglutinantes y agua. Comúnmente, las pastillas son aproximadamente 65% de hierro puro y de casi 25 milímetros (1 pulgada) de diámetro. El mineral de hierro concentrado se conoce como beneficiado (como otros minerales concentrados). Algunos minerales ricos en hierro se utilizan directamente sin hacer en pelets.
El coque se obtiene de grados especiales de carbón bituminoso, que se calienta en hornos verticales hasta temperaturas de 1150 ºC (2100 ºF) y luego se enfría con agua en torres de enfriamiento. El coque tiene varias funciones en la fabricación del acero. Otras generar el elevado nivel de calor requerido para que ocurran las reacciones químicas en la fabricación del acero. Un segundo es producir monóxido de carbono (un gas reductor, que elimina el oxígeno), el cual es utilizado para reducir el óxido de hierro a hierro. Los subproductos químicos del coque se utilizan en la fabricación de plásticos o de compuestos químicos. Los gases que han sido emitidos durante la conversión del carbón a coque se utilizan como combustible para las operaciones de la planta.
La función de la piedra caliza (carbonato de calcio) es remover impurezas del hierro fundido. La caliza reacciona químicamente con las impurezas, actuando como fundente (lo que significa, que fluye como un fluido) lo que hace que las impurezas se fundan a baja temperatura. La caliza se combina con las impurezas y forman una escoria, que es ligera, flota sobre el metal fundido, y que subsecuentemente es eliminada. La dolomita (un mineral de carbonato de magnesio y calcio) se utiliza como fundente. Posteriormente la escoria es utilizada en la fabricación de cemento, fertilizantes, vidrio, materiales para construcción, aislamiento de lana mineral y de balastre para carreteras.
Fabricación de Hierro
Las tres primas son llevadas a la parte superior de un alto horno y lanzado dentro del mismo (fig.1); este proceso se conoce como cargar el horno. El principio de este horno fue desarrollado en Europa Central; el primer alto horno que se construyó en Estados Unidos empezó a operar en 1621. El alto horno es básicamente un gran cilindro de acero recubierto con tabique refractario resistente al calor; tiene la altura de aproximadamente un edificio de 10 pisos.
La mezcla de la carga se funde en una reacción a 1650 ºC (3000 ºF) con aire precalentado aproximadamente 1100 ºC (2000 ºF) y soplado en el horno (de ahí el término en ingles de blast furnace) a través de toberas (tuyeras). Aunque ocurre un cierto número de reacciones, la reacción básica es la del oxígeno con el carbono, para producir monóxido de carbono, que a su vez reacciona con el óxido de hierro y lo reduce a hierro. El precalentamiento del aire de entrada es necesario, por que la sola combustión del coque no produce temperaturas suficientemente elevadas para que ocurran las reacciones.
El metal fundido se acumula en la parte inferior del alto horno, en tanto que las impurezas flotan hacia la parte superior del metal. A intervalos de 4 a 5 horas, el metal fundido es vaciado en cubas o carros torpedo, cada una de ellas con 160 toneladas de hierro.
El metal fundido en esta etapa se conoce como hierro cochino, o simplemente arrabio caliente. Tiene una composición típica de 4% de carbono, 1.5 silicio, 1% de manganeso, 0.04% de azufre y 0.4% de fósforo, siendo el resto de hierro. El uso de la palabra cochino en inglés, proviene de las primeras prácticas de vaciar el hierro fundido en pequeños moldes en la arena, organizados como una anidada de cochinos alrededor de un canal principal. El metal solidificado (cochino) se utiliza después en la fabricación de hierro y aceros.
Fabricación de Acero
El acero se produjo por primera vez en China y Japón aproximadamente en 600 – 800 a.C. El proceso de fabricación de acero es esencialmente el de refinar el hierro cochino, mediante la disminución del porcentaje de manganeso, silicio, carbono y otros elementos, y de controlar la composición del resultado mediante la adición de varios elementos. El metal fundido del alto horno se transporta a uno de tres tipos de horno: de hogar abierto, eléctrico, o de oxígeno básico.
Tipos de Hornos
La etiqueta “hogar abierto” deriva del hogar poco profundo directamente abierto a las flamas que funden al metal. Desarrollado en los años de 1860, el horno de hogar abierto sigue siendo importante industrialmente, pero rápidamente está siendo reemplazado por hornos eléctricos y por el proceso de oxígeno básico, ya que estos últimos dos son más eficientes y producen aceros de mejor calidad.
1. Horno eléctrico: El horno eléctrico se introdujo por primera vez en Estados Unidos en 1906. La fuente de calor es un arco eléctrico continuo, que se forma entre los electrodos y el metal cargado (fig. 2). En este tipo de hornos se generan temperaturas tan altas como 1925 ºC (3500 ºF). Existen normalmente tres electrodos de grafito, que puede ser de hasta 750mm (30pulg) de diámetro y de 1.5 a 2.5m (5 a 8 pies) de longitud. Su altura dentro del horno se puede ajustar en respuesta a la cantidad de metal presente y al desgaste de los electrodos.
En el horno eléctrico se introduce chatarra de acero y una pequeña cantidad de carbono y de cal a través del techo abierto. (Los hornos eléctricos también se pueden cargar con 100% de chatarra). El techo se cierra y se bajan los electrodos. Se estable la conexión y dentro de un periodo de aproximadamente 5 horas, el metal se funde. La corriente entonces es desconectada, se elevan los electrodos, el horno es inclinado y el metal fundido es vaciado en una olla de traslado, que es un recipiente utilizada para la transferencia y vaciado del metal fundido.
Las capacidades de los hornos eléctricos van de 60 a 90 toneladas de acero por día. La calidad del acero producido es mejor que el de hogar abierto o del proceso de oxígeno básico.
El acero se produjo por primera vez en China y Japón aproximadamente en 600 – 800 a.C. El proceso de fabricación de acero es esencialmente el de refinar el hierro cochino, mediante la disminución del porcentaje de manganeso, silicio, carbono y otros elementos, y de controlar la composición del resultado mediante la adición de varios elementos. El metal fundido del alto horno se transporta a uno de tres tipos de horno: de hogar abierto, eléctrico, o de oxígeno básico.
Tipos de Hornos
La etiqueta “hogar abierto” deriva del hogar poco profundo directamente abierto a las flamas que funden al metal. Desarrollado en los años de 1860, el horno de hogar abierto sigue siendo importante industrialmente, pero rápidamente está siendo reemplazado por hornos eléctricos y por el proceso de oxígeno básico, ya que estos últimos dos son más eficientes y producen aceros de mejor calidad.
1. Horno eléctrico: El horno eléctrico se introdujo por primera vez en Estados Unidos en 1906. La fuente de calor es un arco eléctrico continuo, que se forma entre los electrodos y el metal cargado (fig. 2). En este tipo de hornos se generan temperaturas tan altas como 1925 ºC (3500 ºF). Existen normalmente tres electrodos de grafito, que puede ser de hasta 750mm (30pulg) de diámetro y de 1.5 a 2.5m (5 a 8 pies) de longitud. Su altura dentro del horno se puede ajustar en respuesta a la cantidad de metal presente y al desgaste de los electrodos.
En el horno eléctrico se introduce chatarra de acero y una pequeña cantidad de carbono y de cal a través del techo abierto. (Los hornos eléctricos también se pueden cargar con 100% de chatarra). El techo se cierra y se bajan los electrodos. Se estable la conexión y dentro de un periodo de aproximadamente 5 horas, el metal se funde. La corriente entonces es desconectada, se elevan los electrodos, el horno es inclinado y el metal fundido es vaciado en una olla de traslado, que es un recipiente utilizada para la transferencia y vaciado del metal fundido.
Las capacidades de los hornos eléctricos van de 60 a 90 toneladas de acero por día. La calidad del acero producido es mejor que el de hogar abierto o del proceso de oxígeno básico.
2. Horno de Oxígeno Básico: El horno de oxígeno básico (BOF, por sus siglas en inglés: Basic Osigen Furnace) es el proceso de fabricación de acero mas reciente y mas rápido. Típicamente, se cargan en un recipiente 200 toneladas de hierro fundido de primera fusión y 90 toneladas de chatarra (fig. 3a). Entonces se sopla oxígeno puro en el horno durante aproximadamente 20 minutos a través de una lanza (un tubo largo) enfriada por agua a una presión de aproximadamente 1250 kPa (180 psi)(fig. 3b). A través de una tolva de alimentación se agregan productos fundentes, como la cal.
La vigorosa agitación del oxígeno refina el metal fundido mediante un proceso de oxidación, en el cual se produce óxido de hierro. El oxido entonces reacciona con el carbono en el metal fundido, produciendo monóxido y dióxido de carbono. La lanza es retraída y el horno es vaciado inclinándolo; observe la apertura de la fig. 3c para el metal fundido. La escoria es eliminada inclinando el horno en dirección opuesta.
El proceso BOF es capaz de refinar 250 toneladas de acero en 35 o 50 minutos. La mayor parte de los aceros BOF, que tienen bajos niveles de impureza y por tanto, son de mejor calidad que los aceros de los hornos de hogar abierto, se procesan a placas, hojalata y varias formas estructurales, como vigas en I y canales.
3. Hornos de vacío: El acero puede ser fundido en hornos de inducción, iguales o similares al de fig. 2c, en que se ha eliminado el aire. Debido a que el proceso elimina impurezas gaseosas del metal fundido, la fundición en vacío produce aceros de alta calidad.
Los hornos se cargan con materiales de fusión consistentes de metal, elementos de aleación y otros materiales como el fundente y formadores de escorias o escorificantes. Los fundentes son compuestos inorgánicos que refinan el metal fundido al eliminar los gases disueltos y varias impurezas.
Los fundentes tienen varias funciones, dependiendo del metal. Por ejemplo, para las aleaciones de aluminio hay fundentes de cobertura (para formar una barrera a la oxidación), fundentes de limpieza, fundentes de escoria, fundentes de refinación y fundentes para la limpieza de la pared (debido al efecto perjudicial que algunos fundentes tienen en los revestimientos del horno, particularmente en los hornos de inducción.) Los fundentes pueden ser adicionados manualmente o inyectados automáticamente en el metal fundido.
Los fundentes para el aluminio típicamente consisten en cloruros, fluoruros, y boratos de aluminio, de calcio, magnesio, potasio y sodio. Un fundente típico para el magnesio consiste en una composición de cloruro de magnesio, cloruro de potasio, cloruro de bario y fluoruro de calcio. Para las aleaciones de cobre, existen fundentes oxidantes (que incluye el oxido cúprico o el bióxido de magnesio), los fundentes de cobertura neutro (bórax, acido bórico o vidrio), fundente reductores (grafito o carbón vegetal), fundente de refinación y fundente para el molde para fundiciones semicontinuos (para evitar la oxidación y mejorar la lubricidad).
Hornos de fusión: Los hornos de fusión que comúnmente se utilizan en las fundiciones son los hornos de arco eléctrico, los hornos de inducción de crisol y los cubilotes.
a. Los hornos de arco eléctrico se utilizan ampliamente en las fundidoras y tiene ventajas tales como una elevada rapidez de fusión (y por lo tanto una elevada tasa de producción), mucha menos contaminación que otros tipos de hornos, y la capacidad de conservar el metal fundido (conservarlo a una temperatura constante durante un periodo de tiempo) para efectos de aleación.
b. Los hornos de inducción son esencialmente útiles en fundidoras más pequeñas y producen también fusiones más pequeñas de composición controlada. Existen dos tipos básicos. El horno de inducción sin núcleo consiste de un crisol totalmente rodeado de una bobina de cobre enfriada por agua a través de la cual pasa corriente de alta frecuencia .Dado que se presenta una fuente acción de agitación electromagnética durante la calefacción por inducción, este tipo de horno tiene excelente características de mezcla para aleaciones y para agregar nuevas cargas de metal.
El otro tipo, llamado un horno de núcleo o de canal, utilizado baja frecuencia (tan baja como 60 Hz) y tiene una bobina que solo rodea una pequeña porción de la unidad. Se utiliza comúnmente en fundidoras no ferrosas y es particularmente adecuado para sobrecalentar (calentamientos por encima de la temperatura normal de fundición para mejorar la fluidez), mantenimiento (que lo hace adecuado para aplicaciones de fundición por inyección en matriz), y duplexado (uso de dos hornos para, por ejemplo fundir el metal en un horno y transferirlo al otro).
c. Los hornos de crisol, que se han utilizado ampliamente en el pasado, se calientan utilizando diversos combustibles, como gases comerciales, petróleo combustible y combustible fósil, así como la electricidad. Pueden ser estacionarios, inclinables o móviles. Muchos metales ferrosos y no ferrosos se funden en estos hornos.
d. Los cubilotes son, en esencia, recipientes de acero verticales recubiertos de refractarios cargados con capas alternadas de metal, coque y fundente (fig. 4). A pesar de que requieren de inversiones de importación y de que están siendo reemplazados por los hornos de inducción, los cubilotes operan de manera continua tienen elevadas velocidades de fusión y producen grandes cantidades de metal fundido.
La selección del horno requiere tomar en consideración varios factores que pueden influir de manera significativa l calidad de las fundiciones, así como la economía de las operaciones de fundición. La selección de un horno en general depende de los siguientes factores:
3. Hornos de vacío: El acero puede ser fundido en hornos de inducción, iguales o similares al de fig. 2c, en que se ha eliminado el aire. Debido a que el proceso elimina impurezas gaseosas del metal fundido, la fundición en vacío produce aceros de alta calidad.
Los hornos se cargan con materiales de fusión consistentes de metal, elementos de aleación y otros materiales como el fundente y formadores de escorias o escorificantes. Los fundentes son compuestos inorgánicos que refinan el metal fundido al eliminar los gases disueltos y varias impurezas.
Los fundentes tienen varias funciones, dependiendo del metal. Por ejemplo, para las aleaciones de aluminio hay fundentes de cobertura (para formar una barrera a la oxidación), fundentes de limpieza, fundentes de escoria, fundentes de refinación y fundentes para la limpieza de la pared (debido al efecto perjudicial que algunos fundentes tienen en los revestimientos del horno, particularmente en los hornos de inducción.) Los fundentes pueden ser adicionados manualmente o inyectados automáticamente en el metal fundido.
Los fundentes para el aluminio típicamente consisten en cloruros, fluoruros, y boratos de aluminio, de calcio, magnesio, potasio y sodio. Un fundente típico para el magnesio consiste en una composición de cloruro de magnesio, cloruro de potasio, cloruro de bario y fluoruro de calcio. Para las aleaciones de cobre, existen fundentes oxidantes (que incluye el oxido cúprico o el bióxido de magnesio), los fundentes de cobertura neutro (bórax, acido bórico o vidrio), fundente reductores (grafito o carbón vegetal), fundente de refinación y fundente para el molde para fundiciones semicontinuos (para evitar la oxidación y mejorar la lubricidad).
Hornos de fusión: Los hornos de fusión que comúnmente se utilizan en las fundiciones son los hornos de arco eléctrico, los hornos de inducción de crisol y los cubilotes.
a. Los hornos de arco eléctrico se utilizan ampliamente en las fundidoras y tiene ventajas tales como una elevada rapidez de fusión (y por lo tanto una elevada tasa de producción), mucha menos contaminación que otros tipos de hornos, y la capacidad de conservar el metal fundido (conservarlo a una temperatura constante durante un periodo de tiempo) para efectos de aleación.
b. Los hornos de inducción son esencialmente útiles en fundidoras más pequeñas y producen también fusiones más pequeñas de composición controlada. Existen dos tipos básicos. El horno de inducción sin núcleo consiste de un crisol totalmente rodeado de una bobina de cobre enfriada por agua a través de la cual pasa corriente de alta frecuencia .Dado que se presenta una fuente acción de agitación electromagnética durante la calefacción por inducción, este tipo de horno tiene excelente características de mezcla para aleaciones y para agregar nuevas cargas de metal.
El otro tipo, llamado un horno de núcleo o de canal, utilizado baja frecuencia (tan baja como 60 Hz) y tiene una bobina que solo rodea una pequeña porción de la unidad. Se utiliza comúnmente en fundidoras no ferrosas y es particularmente adecuado para sobrecalentar (calentamientos por encima de la temperatura normal de fundición para mejorar la fluidez), mantenimiento (que lo hace adecuado para aplicaciones de fundición por inyección en matriz), y duplexado (uso de dos hornos para, por ejemplo fundir el metal en un horno y transferirlo al otro).
c. Los hornos de crisol, que se han utilizado ampliamente en el pasado, se calientan utilizando diversos combustibles, como gases comerciales, petróleo combustible y combustible fósil, así como la electricidad. Pueden ser estacionarios, inclinables o móviles. Muchos metales ferrosos y no ferrosos se funden en estos hornos.
d. Los cubilotes son, en esencia, recipientes de acero verticales recubiertos de refractarios cargados con capas alternadas de metal, coque y fundente (fig. 4). A pesar de que requieren de inversiones de importación y de que están siendo reemplazados por los hornos de inducción, los cubilotes operan de manera continua tienen elevadas velocidades de fusión y producen grandes cantidades de metal fundido.
La selección del horno requiere tomar en consideración varios factores que pueden influir de manera significativa l calidad de las fundiciones, así como la economía de las operaciones de fundición. La selección de un horno en general depende de los siguientes factores:
BibliografíaManufactura, ingeniería y tecnología
Escrito por Serope Kalpakjian, Steven R. Schmid, Schmid Steven R. coaut, Gabriel tr Sánchez García, Sánchez García Gabriel tr, Ulises rev. téc Figueroa López, Figueroa López Ulises rev, Sandoval Palafox Francisco Javier rev
Edición: 4
Publicado por Pearson Educación, 2002
1152 páginas
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