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¿CUALES SON LOS PRINCIPALES MINERALES EXTRAÍDOS DEL HIERRO?
Tipo: Apuntes
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¡No te pierdas las partes importantes!
1.1 Proceso Tecnológico de la obtención del hierro de 1ª fusión
1.1.1 Metalurgia extractiva: Producción del hierro y el acero
Hace muchísimos años, el hierro era un metal raro y precioso. En la actualidad, el acero, una forma purificada del mineral del hierro, se ha convertido en uno de los servidores más útiles de la humanidad. La naturaleza proporcionó las materias primas como son: mineral de hierro, el carbón mineral y la piedra caliza y el ingenio humano lo convirtió en un incontable número de productos.
El acero puede hacerse lo suficientemente duro como para cortar el vidrio, plegable como el que se encuentra en el sujetapapeles, flexible como el de los muelles, o lo bastante fuerte como para soportar un esfuerzo unitario de 3445 MPa. Puede estirarse para formar alambres de .02 mm de espesor o usarse para fabricar vigas gigantescas para construir edificios y puentes.
También es posible hacer que el acero sea resistente al calor, al frio, a la oxidación y a la acción de sustancias químicas.
1.1.2 Fabricación del arrabio (hierro de primera fundición)
El primer paso en la fabricación de cualquier hierro o acero es la producción del arrabio o hierro de primera fundición, en el alto horno. Con aproximadamente 40 m de altura, es un enorme cascarón de acero recubierto con ladrillo resistente al calor. Una vez encendido, el alto horno es de producción continua, hasta que necesite renovarse la capa de ladrillo, o hasta que disminuya la demanda de arrabio.
El mineral de hierro, el coque y la piedra caliza se miden con todo cuidado y se transportan hasta la parte superior del horno en una vagoneta de concha. Cada ingrediente se descarga por separado en el horno a través del sistema de campana, formando capas de coque, piedra caliza y mineral de hierro, en la parte superior del horno. Una corriente continua de aire caliente,, que proviene de las estufas cuyas temperaturas son de 650°C pasa por el tubo atizador y las toberas para hacer que el coque arda vigorosamente.
Figura 1. Vista esquemática de un Alto horno
El diagrama general de la fusión primaria del hierro integra a la mayoría de las actividades que se desarrollan en el proceso productivo. No se debe olvidar que los diagramas de flujo son una de las herramientas más utilizadas por los ingenieros industriales y que de manera automática los deben utilizar o elaborar.
Figura 2. Producción del hierro y el acero.
1.1.3 Principales minerales extraídos del hierro
Extracción del mineral de hierro
Transporte de la piedra
Explotación de piedra caliza
Explotación del coque
Transporte del mineral de coque
Transporte del mineral del hierro
Preparación del mineral:
Lavado
Quebrado
Cribado
Aire
Alto horno
Arrabio
Escoria
Preparación del mineral:
Refinado
Calentado
Preparación del mineral:
Lavado
Quebrado
Cribado
1.2.2 Colada continua
Cuando se requiere un material de sección constante y en grandes cantidades se puede utilizar el método de la colada continua, el cual consiste en colocar un molde con la forma que se requiere debajo de un crisol, el que con una válvula puede ir dosificando material fundido al molde. Por gravedad el material fundido pasa por el molde, el que está enfriado por un sistema de agua, al pasar el material fundido por el molde frío se convierte en pastoso y adquiere la forma del molde. Posteriormente el material es conformado con una serie de rodillos que al mismo tiempo lo arrastran hacia la parte exterior del sistema. Una vez conformado el material con la forma necesaria y con la longitud adecuada el material se corta y almacena. Por este medio se pueden fabricar perfiles, varillas y barras de diferentes secciones y láminas o placas de varios calibres y longitudes. La colada continua es un proceso muy eficaz y efectivo para la fabricación de varios tipos de materiales de uso comercial.
Figura 3. Proceso de fundición continua.
1.2.3 Metalurgia de polvos:
Se define como el arte de elaborar productos comerciales a partir de polvos metálicos. En este proceso no siempre se utiliza el calor, pero cuando se utiliza este debe mantenerse debajo de la temperatura de fusión de los metales a trabajar. Cuando se aplica calor en el proceso subsecuente de la metalurgia de los polvos se le conoce como sinterizado, este proceso genera la unión de partículas finas con lo que se mejora la resistencia de los productos y otras de sus propiedades. Las piezas metálicas producto de los procesos de la metalurgia de los polvos son producto de la mezcla de diversos polvos de metales que se complementan en sus características. Así se pueden obtener metales con cobalto, tungsteno o grafito según para qué va a ser utilizado el material que se fabrica.
El metal en forma de polvo es más caro que en forma sólida y el proceso es sólo recomendable para la producción en masa de los productos, en general el costo de producción de piezas producto de polvo metálico es más alto que el de la fundición, sin embargo es justificable y rentable por las propiedades excepcionales que se obtienen con este procedimiento. Existen productos que no pueden ser fabricados y otros no compiten por las tolerancias que se logran con este método de fabricación.
El proceso de manera general consiste en:
1.2.4 Producción y caracterización de polvos
El tamaño, forma y distribución de los polvos afectan las características de las piezas a producir, por lo que se debe tener especial cuidado en la forma en la que se producen los polvos. Las principales características de los polvos a considerar son:
1.2.5 Ventajas y limitaciones de la sinterización
La sinterización es la unión de las partículas por medio del calor. Dependerá del tipo de polvo que se esté utilizando, por lo que existen tantas temperaturas de sinterización como materiales utilizados.
Ventajas
Limitaciones
1.2.5.1 Productos fabricados por sinterización
1.3 Afino del Acero
En los procesos de fabricación del acero, ¿se obtiene en la colada la calidad, pureza y composiciones deseadas?. La respuesta a esta pregunta, en general, es no.
Cualquiera que sea el proceso de obtención del acero, siempre trae consigo la presencia de impurezas, gases, incrustaciones y segregaciones que hacen necesario la implementación de procesos de refinación posterior, comúnmente conocidos como “afino” del acero.
Aunque casi todo el hierro y acero que se fabrica en todo el mundo se obtienen a partir de arrabio producido en altos hornos, hay otros métodos de refinado del hierro que se han practicado de forma limitada. Uno de ellos es el denominado método directo para fabricar hierro y acero a partir del mineral, sin producir arrabio. En este proceso se mezclan mineral de hierro y coque en un horno de calcinación rotatorio y se calientan a una temperatura de unos 950 ºC. El coque caliente desprende monóxido de carbono, igual que en un alto horno, y reduce los óxidos del mineral a hierro metálico. Sin embargo, no tienen lugar las reacciones secundarias que ocurren un alto horno, y el horno de calcinación produce la llamada esponja de hierro, de mucha mayor pureza que el arrabio. También puede producirse hierro prácticamente puro mediante electrólisis, haciendo pasar una corriente eléctrica a través de una disolución de cloruro de hierro. Ni el proceso directo ni el electrolítico tienen importancia comercial significativa. Finalmente, las técnicas y procedimientos de refinación del acero, no se encuentran fácilmente en la literatura técnica, por cuanto constituyen secretos industriales, que son la base de la competitividad.
Los modernos métodos de producción del acero utilizan el arrabio como materia prima. El afino se efectúa por los siguientes métodos: convertidor (hogar abierto), proceso de inyección por oxígeno (soplado) y con horno eléctrico.
En el primer método el afino del arrabio se efectúa dentro de un gran recipiente revestido de una materia refractaria y con el fondo perforado. La colada a una temperatura de 1300 ºC se agrega al convertidor que se mantiene en posición horizontal que evita que el líquido alcance los orificios. El convertidor se endereza y comienza el soplado de aire una vez terminada la carga. Con esto se logra una
1.4.1.1 Hornos Bessemer
Es un horno en forma de pera que está forrado con refractario de línea ácida o básica. El convertidor se carga con chatarra fría y se le vacía arrabio derretido, posteriormente se le inyecta aire a alta presión con lo que se eleva la temperatura por arriba del punto de fusión del hierro, haciendo que este hierva. Con lo anterior las impurezas son eliminadas y se obtiene acero de alta calidad. Este horno ha sido substituido por el BOF.
Figura 4. Horno Bessemer
1.4.1.2 Horno básico de oxígeno (BOF)
Es un horno muy parecido al Bessemer con la gran diferencia de que a este horno en lugar de inyectar aire a presión se le inyecta oxígeno a presión, con lo que se eleva mucho más la temperatura que en el Bessemer y en un tiempo muy reducido. El nombre del horno se debe a que tiene un recubrimiento de refractario de la línea básica y a la inyección del oxígeno. La carga del horno está constituida por 75% de arrabio procedente del alto horno y el resto es chatarra y cal. La temperatura de operación del horno es superior a los 1650°C y es considerado como el sistema más eficiente para la producción de acero de alta calidad. Este horno fue inventado por Sir Henrry Bessemer a mediados de 1800, sólo que como en esa época la producción del oxígeno era cara se inició con la inyección de aire, con lo que surgió el convertidor Bessemer.
Figura 5. Funcionamiento del horno básico de oxígeno
1.4.1.3 Horno de arco eléctrico
Por lo regular son hornos que sólo se cargan con chatarra de acero de alta calidad. Son utilizados para la fusión de aceros para herramientas, de alta calidad, de resistencia a la temperatura o inoxidables. Considerando que estos hornos son para la producción de aceros de alta calidad siempre están recubiertos con ladrillos de la línea básica.
Existen hornos de arco eléctrico que pueden contener hasta 270 toneladas de material fundido. Para fundir 115 toneladas se requieren aproximadamente tres horas y 50,000 kwh de potencia. También en estos hornos se inyecta oxígeno puro por medio de una lanza. Los hornos de arco eléctrico funcionan con tres electrodos de grafito los que pueden llegar a tener 760mm de diámetro y longitud de hasta 12m. La mayoría de los hornos operan a 40v y la corriente eléctrica es de 12,000 A. Estos equipos tienen un crisol o cuerpo de placa de acero forrado con refractario y su bóveda es de refractario también sostenida por un cincho de acero, por lo regular enfriado con agua. Para la carga del horno los electrodos y la bóveda se mueven dejando descubierto al crisol, en el que se deposita la carga por medio de una grúa viajera. Estos equipos son los más utilizados en industrias de tamaño mediano y pequeño, en donde la producción del acero es para un fin determinado, como varilla corrugada, aleaciones especiales, etc.
Contiene de .30% a .60% de carbono y se utiliza para forja pesada, ejes de vagones, rieles, etc.
Acero al alto carbono
Por lo común llamado acero de herramientas, contiene de .60% a 1.7% de carbono y puede endurecerse y templarse. Los martillos, las barretas, etc., se hacen de acero con .75% de carbono. Las herramientas de corte, como las brocas, machuelos, escariadores, etc., se fabrican con acero que contiene de .90% a 1.0% de carbono.
Aceros de aleación.
Son aquellos que tienen ciertos metales (como el cromo, el níquel, el tungsteno, el vanadio) agregados para darles determinadas características nuevas. Mediante la adición de diversas aleaciones, el acero puede hacerse resistente al herrumbre, la corrosión, el calor, la abrasión, el choque y la fatiga.
Aceros de alta velocidad
Contiene varias cantidades y combinaciones de tungsteno, cromo, vanadio, cobalto y molibdeno. Las herramientas hechas con estos aceros se utilizan para maquinar materiales duros a altas velocidades y para realizar cortes profundos. Se notan las herramientas de corte de acero de alta velocidad por mantener una arista de corte a temperaturas a las que la mayor parte de los aceros se rompería.
Aceros de alta resistencia y baja aleación
Contiene un máximo de carbono de .28% y cantidades pequeñas de vanadio, columbio, cobre y otros elementos de aleación. Tienen una resistencia más alta que la de los aceros de mediano carbono y son menos caros que otros aceros de aleación. Estos aceros desarrollan una película protectora al exponerse a la atmósfera y como consecuencia no requieren pintarse.
1.5.1.2 Elementos químicos que se encuentran en el acero.
El carbono
El acero puede variar del .01% al 1.7%. la cantidad de carbono determinará la fragilidad, dureza y resistencia del acero.
El manganeso
En el acero al bajo carbono hace que el metal sea dúctil y que tenga buenas cualidades para ser doblado. En el acero alta velocidad lo hace más tenaz y eleva su temperatura crítica. Normalmente el contenido de manganeso varía de .39% al .80%, pero puede ser mayor en algunos aceros especiales.
El fósforo.
Es un elemento indeseable que vuelve frágil al acero y reduce su ductilidad. En los aceros satisfactorios, el contenido de fósforo no debe ser mayor al .05%.
El silicio.
Se agrega silicio al acero para eliminar los gases y los óxidos, evitando así que el acero se vuelva poroso y se oxide. Asimismo vuelve al acero más duro y más tenaz. El acero al bajo carbono contiene alrededor del .20% de silicio.
El azufre.
Es un elemento indeseable, provoca la cristalización del acero (fragilidad en caliente) al calentar el metal hasta llevarlo a un color rojo. Un acero de buena calidad no debe contener más del .04% de azufre.
1.5.1.3 formas de los metales.
Figura 7. Formas y dimensiones de los materiales 1.5.2 metales no ferrosos
1.5.3 Propiedades físicas de los metales.
Podemos decir que los últimos cien años, se han caracterizado por la masiva utilización del acero.
El motivo principal está centrado en la enormidad de usos que se le puede dar, y la versatilidad de sus propiedades mecánicas. Otra ventaja, es que algunas de estas propiedades pueden ser modificadas para ajustarse al destino final que se le quiera dar al producto.
Dentro de las propiedades podemos mencionar las siguientes:
La primera de ellas, la ductilidad , se refiere a la capacidad del acero para deformarse, al soportar esfuerzos de tracción sin llegar a la rotura.
La dureza se define como la propiedad del acero a oponerse a la penetración de otro material.
Analizando el caso de la resistencia , específicamente el de la resistencia a la tracción, tendremos que ésta es la fuerza máxima por unidad de área, que puede soportar el acero al ser estirado.
La maleabilidad es la capacidad que presenta el acero de soportar la deformación, sin romperse, al ser sometido a un esfuerzo de comprensión.
Finalmente, la tenacidad viene siendo la conjugación de dos propiedades: ductilidad y resistencia. Un material tenaz será aquel que posee una buena ductilidad y una buena resistencia al mismo tiempo.
La forma en que se determinan con qué propiedades cuenta un material, es mediante la realización de diferentes pruebas o ensayos. En base a ellos es
posible determinar qué material es el que emplearemos, por ejemplo, en levantar determinada estructura o edificio.
Dentro de los ensayos a que se someten los aceros, destacaremos los más utilizados:
Ensayo de tracción
Debido a la gran cantidad de información que puede obtenerse a partir de este ensayo, es sin duda alguna, uno de los test mecánicos más empleados para el acero.
La versatilidad del ensayo de tracción radica en el hecho de que permite medir al mismo tiempo, tanto la ductilidad, como la resistencia. El valor de resistencia es directamente utilizado en todo lo que se refiere al diseño. Los datos relativos a la ductilidad, proveen una buena medida de los límites hasta los cuales se puede llegar a deformar el acero en cuestión, sin llegar a la rotura del mismo.
Este ensayo consiste es someter una muestra, denominada probeta, de sección uniforme y conocida, a una fuerza de tracción que va aumentando progresivamente. En forma simultánea se van midiendo los correspondientes alargamientos de la probeta. La figura N° 8 muestra un esquema de una máquina para ensayos de tracción. En ellas se estira la probeta a una velocidad constante.
Figura 8. Esquema de una máquina para ensayos de tracción.
Con los resultados de la elongación de la probeta, se puede graficar una curva de carga contra alargamiento, que generalmente se registran como valores de
