Productos Siderúrgicos: Hierro Dulce

El hierro dulce se caracteriza por un contenido de carbono (C) inferior al 0,1%. Admite la forja, por lo que también se denomina hierro forjado. Resulta muy poroso, se oxida con facilidad y con frecuencia presenta grietas internas que lo hacen poco útil para otras aplicaciones industriales. Su uso queda relegado a objetos decorativos.

Fundiciones

El arrabio o fundición de primera fusión, debido a su contenido de carbono (C) y otras impurezas, lo hacen frágil y quebradizo, impidiéndole admitir la forja y la soldadura. En estas condiciones, no puede utilizarse para fabricar piezas que vayan a estar sometidas a esfuerzos. Además, estas son poco dúctiles, maleables y tenaces, aunque con buena maquinabilidad y resistentes a la corrosión y al desgaste.

Fundición Gris

Se obtiene cuando el contenido en silicio es alto y la velocidad de enfriamiento es muy lenta.

Fundición Blanca

Se caracteriza por un alto contenido en manganeso (Mn) y una velocidad de enfriamiento mayor.

Para conseguir un material duro y tenaz, es necesario reducir el contenido en carbono (C) y modificar la composición de los demás elementos presentes en el arrabio. Esto se denomina afino, y de este proceso se obtienen los aceros.

Acero

El acero es una aleación de hierro (Fe) y carbono (C), con un contenido de C entre 0,1% y 1,76%.

Elementos Aleantes y sus Propiedades

• Carbono (C): Aporta dureza y resistencia.
• Silicio (Si): Mejora la elasticidad y la conductividad eléctrica.
• Cromo (Cr): Aumenta la dureza y la resistencia al calor por rozamiento.
• Níquel (Ni): Incrementa la tenacidad y la resistencia a la corrosión.
• Molibdeno y Vanadio: Proporcionan mayor resistencia al desgaste.
• Volframio (W): Lo hace tenaz y resistente a la corrosión y al calor.

Clasificación por Proporción de Aleantes

• Aceros No Aleados: No superan el 1% de elementos aleantes.
• Aceros de Baja Aleación: Contienen entre 1% y 5% de elementos aleantes.
• Aceros de Alta Aleación: Superan el 5% de elementos aleantes.

Convertidor Bessemer y Thomas

El proceso de afino dura entre 15 y 20 minutos y consta de 3 fases:

• Llenado: Se inclina el convertidor para facilitar su llenado con el arrabio fundido procedente del horno alto.
• Soplado: Se sitúa el convertidor en posición vertical y se inyecta aire a presión a través de unos orificios practicados en el fondo. El aire pasa a través de la masa fundida y oxida el carbono (C), el silicio (Si) y el manganeso (Mn). El calor desprendido permite mantener la temperatura de fusión del arrabio.
• Vaciado: Se inicia una vez quemadas las impurezas. Se inclinaba de nuevo el convertidor y se vierte el acero.

La principal ventaja es que se podía detener el proceso cerrando la entrada de aire. El principal inconveniente era que solo se podía usar con arrabios con cantidades pequeñas de fósforo (P). Thomas consiguió eliminar el exceso de P presente.

Convertidor LD

Es un dispositivo que permite obtener acero por soplado de oxígeno (O2), por eso se le conoce también como horno de oxígeno básico. El proceso de afino tiene mayor duración, alrededor de 1 hora, y consta de 3 fases:

• Llenado: Se introduce el arrabio líquido procedente del horno alto, luego la chatarra de acero, y finalmente el fundente encargado de formar y arrastrar la escoria. Una vez colocado, el convertidor se sitúa en posición vertical.
• Afino: Se inyecta oxígeno (O2) mediante una lanza refrigerada a una presión de 12 atmósferas. Esto provoca la oxidación del carbono (C) hasta reducir su contenido por debajo del 1%. La reacción del C con el O2 es rápida y produce altas temperaturas que mantienen el material en estado líquido. Los gases generados son expulsados a una temperatura de 1700ºC, con gran cantidad de partículas sólidas, y son tratados antes de salir al exterior.
• Vaciado: Se inclina el convertidor sobre su costado a fin de eliminar la escoria y después se bascula para verter el acero.

Es el más usado para obtener aceros comunes de baja aleación, conocidos como aceros LD.

Tratamiento de Colada

La colada es el acero obtenido a partir de cualquier proceso de afino. Su transformación se realiza de dos formas principales:

• Vaciado en Lingotera: Consiste en verter la colada líquida en el interior de moldes (lingoteras).
• Colada Continua: En las acerías modernas se usa la colada continua, que consiste en verter el metal fundido sobre moldes de fondo desplazable. El metal se va solidificando y, al final, se corta a la medida deseada.

La ventaja de este método no solo radica en el ahorro de energía (E), sino también en la reducción de mano de obra.

Tipos de Instalaciones Siderúrgicas

Siderúrgicas Integrales

Parten de la reducción del mineral de hierro en el horno alto y disponen de instalaciones de producción de acero y de tratamiento de colada. En ellas, el consumo de energía (E) representa hasta el 25% del coste del producto final.

Siderúrgicas No Integrales

No disponen de hornos altos y parten de arrabio, palanquillas y chatarra para el posterior tratamiento de acero. El consumo de energía (E) en estas instalaciones se reduce a tan solo el 10% del producto acabado.

Aceros Comerciales

La norma española identifica los aceros por medio de la letra ‘F’ seguida del número de serie correspondiente.

Metales No Férricos

Resultan más caros por diversas razones, entre las que se incluyen:

• Baja concentración en la naturaleza.
• Alta energía (E) consumida en su extracción y procesamiento.
• Demanda reducida en comparación con los metales férricos.

Cobre (Cu)

Propiedades y Aplicaciones

El cobre (Cu) es un material rojizo, blando, con excelente conductividad eléctrica y térmica, dúctil y maleable. El aire seco y el agua (H2O) pura no lo atacan, por ello se usa para la fabricación de tubos y calderas que se emplean en intercambiadores de calor y en las instalaciones domésticas. Es poco resistente a los agentes atmosféricos; si permanece a la intemperie, se recubre de una capa de carbonato denominada cardenillo, que lo protege de la oxidación posterior.

Plomo (Pb)

Propiedades

• Es fácilmente laminable.
• Tiene afinidad por el oxígeno (O2).
• Es resistente a la corrosión.
• No suena cuando se golpea.

Aplicaciones

• Es opaco a las radiaciones, pero nunca debe usarse como envase de alimentos.
• Sus aleaciones se utilizan en soldadura blanda.

Es un peligroso veneno mineral. La intoxicación por plomo (Pb) y sus derivados se denomina saturnismo.

Estaño (Sn)

Propiedades

• Muy estable y resistente a agentes atmosféricos a temperatura ambiente.

Aplicaciones

• Gran resistencia a la oxidación.
• Se obtiene la hojalata.
• Constituye un elemento usado en muchas aleaciones, como el bronce y en materiales antifricción (junto con antimonio (Sb), cobre (Cu) o Sb y plomo (Pb)).
• Se usa en pinturas y colorantes.

Cinc (Zn)

Aplicaciones

• Forma parte de la alpaca, una aleación de cobre (Cu), níquel (Ni), cinc (Zn) y estaño (Sn).
• Su principal aplicación es el recubrimiento de piezas de hierro (Fe) y acero mediante el galvanizado electrolítico y el galvanizado en caliente, que consiste en sumergir las piezas que se desean recubrir en un baño de cinc fundido.

Níquel (Ni)

Propiedades

• Resistente a la corrosión.

Aplicaciones

• Se emplea en la industria alimentaria y química para el revestimiento electrolítico de chapas de acero dulce, haciéndolas inoxidables.
• Las aleaciones que contienen níquel pueden ser de alto contenido (aprox. 80%) o bajo contenido (aprox. 15%).

Cromo (Cr)

Propiedades

• Muy duro y frágil.

Aplicaciones

Sin embargo, la capa de cromo puro resulta muy porosa y quebradiza, dado el carácter frágil del cromo. Por ello, el metal base debe recubrirse primero de una capa de cobre o níquel y, posteriormente, se deposita la de cromo.

Se emplea junto al hierro en aceros inoxidables y en la fabricación de resistencias eléctricas.