Acero su obtención, proceso y etapas.

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ACERO PROCESO DE OBTENCIÓN

Son aleaciones de hierro-carbono aptas para ser deformadas en frío y en caliente y en las cuales el porcentaje de carbono no excede de 1,76%, aunque en algunos casos especiales se puede superar dicho límite, como sucede en ciertos aceros con un elevado contenido de carbono.

Obtención del acero.

El acero se obtiene sometiendo el arrabio a un proceso de descarburación y eliminación de impurezas llamado afino. Este afino, u oxidación del exceso del elemento carbono, se puede realizar según varios procedimientos.

Afino al crisol

Este método de fusión se emplea para producir aceros de calidad superior partiendo de fundición, o acero, si se trata de refinado. Se efectúa en hornos de crisol, aunque éstos tienen los inconvenientes de un gran consumo de combustible, de dar una pequeña cantidad de fundición en un proceso relativamente largo, de una mano de obra numerosa y de un desgaste rápido de los crisoles. Los más sencillos son los llamados de viento libre. En general, son de grafito, el cual se coloca encima de una pieza refractaria llamada queso, que evita su contacto con la parrilla y, además, consigue que el metal a fundir quede en la zona en que la temperatura es mayor, por estar rodeada.

Refusión bajo escoria electroconductora (ESR)

Este procedimiento para fabricar aceros especiales consiste en conectar el lingote que se quiere purificar con un borne de la corriente alterna y el fondo del crisol con el otro borne. Al principio de la operación, en el fondo del crisol existe cierta cantidad de chatarra de la misma composición que el lingote, y encima, óxidos de aluminio y de calcio convenientemente deshidratados y fluoruro cálcico para que, al calentarse, fundan y originen una escoria electro- conductora. El calentamiento de la escoria se logra, al aplicar la corriente eléctrica, por el efecto Joule. La escoria fundida continúa calentándose por resistencia eléctrica y llega a fundir el acero del fondo del crisol (chatarra). El acero líquido, pues, queda recubierto con una capa de escoria electroconductora, también líquida, que va fundiendo el acero del lingote a purificar. Este gotea a través de la escoria. Se solidifica progresivamente en el fondo del crisol, formándose así el lingote denominado electrodo secundario. El papel desempeñado por la escoria en el procedimiento ESR es triple:

  • Actúa de foco generador de calor.
  • Extrae las impurezas del acero líquido cumpliendo la constante de reparto del sistema acero líquido-escoria líquida.
  • Protege el caldo metálico respecto del medio exterior.

Para que la escoria pueda actuar de foco generador de calor, es preciso que cumpla ciertos requisitos de conductividad y resistividad. El fluoruro cálcico es el componente más conductor de la escoria y las adiciones de óxido cálcico aumentan su resistividad, aunque con el añadido de óxido de aluminio se logra un efecto mucho más drástico.

La extracción de impurezas del caldo metálico es tanto más eficaz cuanto menor es la densidad y mayor la viscosidad de la escoria electro-conductora.

Mediante el procedimiento ESR se obtienen aceros de alta aleación desprovistos de segregaciones y de impurezas micrográficas, muy difíciles de conseguir por los procedimientos convencionales de la fabricación de aceros. No obstante, una de las impurezas más difíciles de eliminar es el hidrógeno. Cuando interesa obtener aceros aleados con contenidos ínfimos en hidrógeno, es recomendable aplicar el ESR con electrodos obtenidos a partir de metales desgasificados al vacío. Los aceros inoxidables de alta aleación (35% Ni, 16% Cr, 3% W, 3% Ti, 0,06% C) suelen presentar una microestructura austenítica con un pequeño porcentaje de ferrita. Si son obtenidos por el procedimiento ESR presentan una distribución muy homogénea de la ferrita fina. En cuanto a las superaleaciones con un alto porcentaje de cobalto y de níquel, la utilización del ESR incrementa considerablemente la forjabilidad de las obtenidas por fusión en horno de acero de vacío (VAR).

Afino al aire

Se conoce también como afino en convertidores Bessemer (Fig. 33). Consiste en lanzar aire comprimido a través de la fundición en estado de fusión, con lo cual, oxidándose los cuerpos extraños que contiene, particularmente el carbono, aquélla se transforma en acero o hierro. Para que el afino se haga en buenas condiciones es indispensable que la temperatura del baño sea siempre superior a la del punto de fusión del metal en los diversos grados de su transformación.

Fig. 33. Horno convertidor de Bessemer

El convertidor consiste en un recipiente en forma de pera en que se distinguen tres partes principales: la central, el cuello de la retorta y la parte baja. El fondo propiamente dicho está pro-visto de orificios para la entrada de aire y se hace independiente del resto, comunicando con una caja de aire colocada en la parte inferior del convertidor.

El aparato está sostenido por gorrones, para que pueda bascular alrededor de un eje. Uno de los gorrones lleva una rueda dentada que engrana con una cremallera y el otro es hueco, para permitir el paso del aire, que va desde las máquinas soplantes a la cámara de viento. La forma del cuello de la retorta se justifica porque, si fuera concéntrica con el eje de la misma, proyectaríanse al exterior partículas de hierro impulsadas por el aire que lo atraviesa.

Al comenzar el proceso se hace bascular el convertidor de modo que su eje se coloque normalmente en la dirección que se ve en la figura, quedando el cuello a la derecha de la vertical. Luego se inyecta aire y su impulso impide que la fundición se vaya por las toberas al colocar el convertidor en su posición normal.

La fundición a transformar en hierro o acero puede tomarse directamente del alto horno o bien del cubilote. El calor debe ser el suficiente para mantener la fluidez necesaria, a pesar no sólo de la gran masa de metal que se trata, sino también, principalmente, de la combustión del carbono y demás elementos que contiene.

El revestimiento será, naturalmente, de materia refractaria, pero debe ser ácido, basándose en sílice, utilizado en el convertidor Bessemer, o bien básico, empleado en las fundiciones que contienen fósforo, basándose en dolomía (carbonato de cal y magnesia), que se utiliza en el convertidor Thomas. Para iniciar el proceso, es decir, para recibir la colada, el convertidor ha de estar calentado al blanco. La transformación de la fundición en acero dura unos veinte minutos, conociéndose la marcha de la operación por el aspecto de las llamas y las chispas que salen por la boca u observándolas a través de un espectroscopio. La capacidad de los convertidores varía entre 15 y 25 toneladas.

Afino sobre solera

Consiste en descarburar la fundición partiendo de chatarra de hierro, acero y mineral de hierro. Se utilizan los hornos Martin-Siemens (Fig. 34). El horno comprende un gasógeno y produce gas pobre y baterías de recuperadores del calor. El gas, muy combustible, pasa por uno de éstos antes de entrar en el horno, al mismo tiempo que el aire necesario para la combustión pasa por otro recuperador. Así, los gases y el aire llegan al horno, muy calientes y gracias a la elevada temperatura del interior, al mezclarse, producen la combustión completa, siendo después evacuados los gases por los otros dos recuperadores.

horno para la obtencion de acero
Fig. 34. Horno Martin-Siemens

Los recuperadores son galerías llenas de columnas de ladrillos refractarios que, por entretener los gases que salen del horno, se calientan a sus expensas, almacenando gran cantidad de calor, que luego devuelven, cuando sirven de paso al gas que viene del gasógeno y al aire exterior necesario, éstos absorben el calor almacenado en las paredes, de modo que, mientras una batería de recuperadores almacena calor, la otra lo cede a los gases del gasógeno, y viceversa.

El horno es de reverbero, o sea, aquel en que la fundición a fundir no está en contacto directo con el combustible, únicamente las llamas y los gases de la combustión se ponen en contacto con el metal en la solera del horno. El régimen de los hornos de reverbero es oxidante como consecuencia de la acción prolongada de las llamas sobre el baño del metal y su buena marcha exige que el combustible se queme por completo. Con estos hornos es posible colar piezas de grandes dimensiones de composición especial y de una sola vez.

La facilidad de acceso al laboratorio permite variar la composición química del baño del material en el curso de la operación. También se puede remover y bracear el producto fundido antes de la colada sin exponerlo al enfriamiento. Además, son capaces de fundir piezas más puras que las obtenidas con el cubilote. Junto a estas ventajas, tienen el inconveniente de necesitar mayor cantidad de combustible para la fusión, y ésta es muy lenta.

Así pues, estos hornos solamente se emplean para fundiciones especiales para proceder a un afino parcial destinado a aumentar la tenacidad del metal. En el Martin-Siemens, la solera está formada por una capa de material refractario basándose en arena (procedimiento ácido) o bien de magnesia (procedimiento básico). Hay dos maneras de cargar el horno:

  1. Se carga el horno con fundición y se la licúa, lo cual requiere de dos a cuatro horas. Luego se va añadiendo chatarra de hierro en porciones de 100 kg. Esta chatarra se disuelve en la fundición, reduciéndose así el carbono al porcentaje que se desee.

    La marcha de la operación se comprueba mediante probetas que se extraen ensayando de cuando en cuando. Cada colada dura, en conjunto, de ocho a diez horas.

  2. Difiere de la anterior en que a la fundición se le añade, en lugar de hierro viejo, mineral rico en hierro en pequeñas dosis, hasta alcanzar de un 10% a un 25% del peso de la misma. El oxígeno del mineral afina la fundición. La capacidad de estos hornos varía entre 25 y 1 00 toneladas.

Afino al horno eléctrico

Obtener fundición y acero utilizando hornos eléctricos tiene la ventaja de que el metal puede ser tratado sin intervenir el aire atmosférico, con lo cual se evita calentar inútilmente gases inertes, y siendo la fuerte concentración de calor favorable por disminuir las pérdidas por conducción y radiación, así se logran productos puros y de una calidad determinada previamente.

La temperatura alcanzada puede ser mayor que en cualesquiera de los hornos reseñados anteriormente. Los hornos eléctricos pueden clasificarse en hornos de resistencia, de inducción y de arco, según sea la forma en que, por medio de la fuerza eléctrica, se obtenga el calor necesario para la fusión.

En los de resistencia se hace pasar la corriente eléctrica a través del metal a fundir. La dificultad que la corriente experimenta para atravesarlos produce el grado de calor necesario para la fusión.

En los de inducción, el baño del metal va en una cavidad anular, formando el circuito secundario de una especie de transformador por cuyo circuito primario circula la corriente que se utiliza.

El calentamiento debido a la corriente inducida mantiene el baño en fusión. En los de arco, el arco voltaico salta entre los electrodos, produciendo el calor necesario para la fusión.

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