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Tras el proceso de extracción del arrabio en el alto horno, éste se procesa para obtener los productos; hierro dulce, fundiciones y aceros con los que se elaboran los subproductos comerciales finales. Puede ocurrir que se produzca mas arrabio que el que se pueda utilizar inmediatamente, en este caso parte de él se deposita en unos recipientes (moldes) denominados lingoteras para procesarlos posteriormente. HIERRO DULCE Se denomina hierro dulce al hierro cuyo contenido en carbono es inferior al 0,1 %. En estas condiciones puede considerarse químicamente puro. Es un material de color plateado, de gran permeabilidad magnética, dúctil y maleable. Admite la forja, por lo que también se le denomina hierro forjado. Puede obtenerse por procedimientos electrolíticos, a partir de baños de sulfato y cloruro de hierro. El material que resulta se emplea para conducción eléctrica por su baja resistividad. Sin embargo, resulta muy poroso, se oxida con gran fa cilidad y presenta con frecuencia grietas internas que lo hacen poco útil para otras aplicaciones industriales. FUNDICIONES El arrabio o fundición de primera fusión, como ya hemos indicado, es el material que se obtiene directamente del horno alto. Cuando solidifica resulta un material muy duro, pero su contenido en carbono y otras impurezas hace que sea frágil y quebradizo y que no admita la forja ni la soldadura. En estas condiciones no puede utilizarse para fabricar piezas que vayan a estar sometidas a esfuerzos. Según las impurezas que contiene, se distinguen la fundición gris y la fundición blanca, nombre que reciben por el aspecto que presenta su superficie de fractura. . La fundición gris se obtiene cuando el contenido de silicio es elevado. El carbono cristaliza entonces en forma de grafito y sólo pue de emplearse para piezas moldeadas (procedimiento que se verá mas adelante). . La fundición blanca se obtiene cuando el contenido de manganeso es elevado. En estas condiciones, el carbono se combina con el hierro formando carburo de hierro y se utiliza como una de las materias primas para la obtención del acero. I.E.S. “Cristóbal de Monroy”. Dpto. de Tecnología

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Para conseguir un material duro, resistente y tenaz, es necesario reducir el contenido de carbono y modificar la composición de los demás elementos presentes en el arrabio. Esta operación se denomina afino y de ella se obtienen los aceros. ACEROS Cuando se consigue reducir el contenido en carbono del hierro por debajo del 1,76 % se obtiene el acero. El acero es una aleación de hierro y carbono en la que el contenido de carbono oscila entre el 0,1 % y el 1,76 %, Y puede contener en su composición otros elementos metálicos o no metá licos. Los elementos que aparecen en la composición de los diferentes tipos de aceros son los que se encargan de dotarlos de las propiedades que los caracterizan. Además del carbono, podemos encontrar silicio, manganeso, cromo, níquel, molibdeno, vanadio y volframio. Los diferentes tipos de acero se clasifican de acuerdo a los elementos de aleación que producen distintos efectos en el Acero : ACEROS AL CARBONO Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre. Entre los productos fabricados con aceros al carbono figuran máquinas, carrocerías de automóvil, la mayor parte de las estructuras de construcción de acero, cascos de buques, somieres y horquillas.

ACEROS ALEADOS Estos aceros contienen un proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales. Estos aceros de aleación se pueden subclasificar en : Estructurales

Son aquellos aceros que se emplean para diversas partes de máquinas, tales como engranajes, ejes y palancas. Además se utilizan en las estructuras de edificios, construcción de chasis de automóviles, puentes, barcos y semejantes. El contenido de la aleación varía desde 0,25% a un 6%.

Para Herramientas

Aceros de alta calidad que se emplean en herramientas para cortar y modelar metales y no-metales. Por lo tanto, son materiales empleados para cortar y construir herramientas tales como taladros, escariadores, fresas, terrajas y machos de roscar.

Especiales

Los Aceros de Aleación especiales son los aceros inoxidables y aquellos con un contenido de cromo generalmente superior al 12%. Estos aceros de gran dureza y alta resistencia a las altas temperaturas y a la corrosión, se emplean en turbinas de vapor, engranajes, ejes y rodamientos.

ACEROS DE BAJA ALEACION ULTRARRESISTENTES Esta familia es la más reciente de las cuatro grandes clases de acero. Los aceros de baja aleación son más baratos que los aceros aleados convencionales ya que contienen cantidades menores de los costosos elementos de aleación. Sin embargo, reciben un tratamiento especial que les da una resistencia mucho mayor que la del acero al carbono. Por ejemplo, los vagones de mercancías fabricados con aceros de baja aleación pueden transportar cargas más grandes porque sus paredes son más delgadas que lo que sería necesario en caso de emplear acero al carbono. Además, como los vagones de acero de baja aleación pesan menos, las cargas pueden ser más pesadas. En la actualidad se construyen muchos edificios con estructuras de aceros de baja aleación. Las vigas pueden ser más delgadas sin disminuir su resistencia, logrando un mayor espacio interior en los edificios.

ACEROS INOXIDABLES Los aceros inoxid ables contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación, que los mantienen brillantes y resistentes a la herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la humedad o de ácidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos periodos a temperaturas extremas. Debido a sus superficies brillantes, en arquitectura se emplean muchas veces con fines decorativos. El acero inoxidable se utiliza para las tuberías y tanques de refinerías de petróleo o plantas químicas, para los fuselajes de los aviones o para cápsulas espaciales. También se usa para fabricar instrumentos y equipos quirúrgicos, o para fijar o sustituir huesos rotos, ya que resiste a la acción de los fluidos corporales. En cocinas y zonas de preparación de alimentos los utensilios son a menudo de acero inoxidable, ya que no oscurece los alimentos y pueden limpiarse con facilidad.

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Procesos de fabricación de aceros A partir del siglo XIX y hasta la actualidad se han desarrollado diversos procedimientos de afino del hierro para obtener el acero. Entre los dispositivos empleados destacan el convertidor desarrollado por Bessemer y Thomas, el convertidor LD, el horno Martin- Siemens y los hornos eléctricos. El convertidor de Bessemer, Thomas y LD. El arrabio procedente del alto horno, transportado por los torpedos se deposita en los convertidores, recipientes de acero y revestidos interiormente, como los altos hornos, de ladrillos refractarios Se diferencian de los hornos en que a éstos se les proporciona calor y a los convertidores no, el material se deposita fundido y dentro se produce mas calor con la combustión del carbono del arrabio. El convertidor ideado por Bessemer consistía en un recipiente metálico basculante de gran tamaño recubierto por material refractario de carácter ácido. El proceso de afino duraba entre 15 y 20 minutos y tenía tres fases: llenado, soplado y vaciado. En la fase de llenado, se inclinaba el convertidor para facilitar su lle nado con el arrabio fundido procedente del horno alto. En la fase de soplado, el convertidor se situaba en posición vertical y se inyectaba aire a presión a través de unos orificios practicados en el fondo. El aire entraba a través de la masa fundida y oxidaba el carbono, el silicio y el manganeso. El calor desprendido en estos procesos de oxidación permitía mantener la temperatura de fusión del arrabio.

Carbono 2C

+ Oxígeno +

O2

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MONOXIDO DE CARBONO GASEOSO 2CO

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La fase de vaciado se iniciaba una vez quemadas las impurezas. Se inclinaba de nuevo eI convertidor y se vertía acero en las lingoteras. La principal ventaja de este procedimiento consistía en poder detenerlo con sólo cerrar la entrada del aire. De este modo se conseguían aceros con distintas cantidades de carbono, silicio y manganeso. Su principal inconveniente radicaba en que sólo podía utilizarse para arrabios con cantidades muy pequeñas de fósforo, ya que este material no se eliminaba. La modificación introducida por Thomas consistió en incorporar un fundente de carácter básico la cal, que permitía eliminar el exceso de fósforo presente. Al finalizar el proceso, se extraía primero el acero y, posteriormente, la escoria formada. Sin embargo, a diferencia del anterior, este proceso no podía detenerse para regular la cantidad de otros componentes. En la actualidad, ambos procesos han caído en desuso y se han sus tituido por el moderno convertidor LD, en el que solo se insufla O2 con una lanza, por la boca del convertidor. El Horno Martin-Siemens. Es, como su nombre indica, un horno al que se le añaden las materias a fundir o fundidas y además, hay que aplicarles calor. Se trata de un horno de reverbero, es decir, el calor se aplica a los materiales por reflejo de una bóveda. Constan esencialmente de un hogar. Un laboratorio con solera y bóveda y de una chimenea. El tipo más sencillo quema hulla en una parrilla y la llama, con los productos de la combustión se refleja (reverbera) en la bóveda o techo del horno, atraviesan el espacio que hay sobre la solera (donde se sitúa la carga metálica) y son evacuados por la chimenea, colocada en el extremo opuesto a la parrilla. En la actualidad se emplean más los combustibles gaseosos, Líquidos y el carbón pulve rizado, los cuales se Insuflan en el horno, mezcla dos con aire precalentado, por medio de un quemador situado en un extremo. La capacidad de estos hornos es muy variable: los hay hasta de 250 toneladas. Su campo de aplicación es muy amplio, ya que pueden fundir latones, bronces, aleaciones de aluminio, fundiciones y acero. La fundición de hierro fabricada en estos hornos puede tener una composición más precisa que la obtenida en el cub ilote; por ello se emplean para obtener la fundición blanca destinada a la maleabilización. Otras veces se emplea en dúplex con los cubilotes, donde se funde previamente el meta l y después se transfiere al horno de reverbero, donde se ajusta más exactamente la composición. Consta de un recuperador de calor, al igual que el alto horno, destinados a economizar combustible y alcanzar una temperatura suficientemente elevada para fundir el metal. Están constituidos por dos pares de cámaras, formadas interiormente por una serie de conductos sinuosos de ladrillo refractario. Su funcionamiento es como sigue: Los gases calientes que I.E.S. “Cristóbal de Monroy”. Dpto. de Tecnología

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salen del horno, al pasar a través de los recuperadores, les comunican su calor y, cuando están suficientemente calientes, mediante un dispositivo automático de válvulas, se invierte el sentido de circulación, de forma que el gas y el aire, antes de entrar en el horno, pasan por los recuperadores calientes y alcanzan temperaturas de 1000 °C a 1200 °C. llegándose a conseguir de esta forma. en la combustión. los 1800 °C. Mientras tanto los gases de la combustión pasan a través de los otros recuperadores. que ahora están en periodo de calentamiento.

Hornos de arco eléctrico Como las condiciones de refinado de estos hornos se pueden regular más estrictamente, los hornos eléctricos son sobre todo útiles para producir acero inoxidable y aceros aleados que deben ser fabricados según unas especificaciones muy exigentes. El refinado se produce en una cámara hermética, donde la temperatura y otras condiciones se controlan de forma rigurosa mediante dispositivos automáticos. En las primeras fases de este proceso de refinado se inyecta oxígeno de alta pureza a través de una lanza, lo que aumenta la temperatura del horno y disminuye el tiempo necesario para producir el acero. La cantidad de oxígeno que entra en el horno puede regularse con precisión en todo momento, lo que evita reacciones de oxidación no deseadas. Son los más usados en los talleres de fundición. Constan de un crisol basculante de sección circular, con solera cóncava recubierta de material refractario y dos aberturas laterales, una para adicionar los materiales de afino o la carga metálica (en los hornos pequeños) y la otra para la piquera. Todo ello va cubierto con una bóveda desmontable (para introducir la carga metálica) recubierta interiormente de material refractario, provista de orificios por donde penetran los electrodos de grafito, que hacen saltar el arco con la carga I.E.S. “Cristóbal de Monroy”. Dpto. de Tecnología

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metálica situada en la solera. Una vez cargado el horno se hacen descender unos electrodos hasta la superficie del metal. La corriente eléctrica fluye por uno de los electrodos, forma un arco eléctrico hasta la carga metálica, recorre el metal y vuelve a formar un arco hasta el siguiente electrodo. La resistencia del metal al flujo de corriente genera calor, que —junto con el producido por el arco eléctrico— funde el metal con rapidez. Hay otros tipos de horno eléctrico donde se emplea una espiral para generar calor. Durante este periodo debe existir una capa de escoria en la superficie, para afinar el baño, evitar su oxidación y proteger la bóveda y las paredes del crisol de la irradiación del calor del arco y del metal. La duración del proceso es relativamente rápida, permitiendo un control adecuado tanto en la temperatura, como en la composición del metal. Una vez que ha terminado el proceso, se retiran los electrodos y se procede a la colada en la cuchara, inclinando el horno. Los hornos de este tipo que más se usan son los trifásicos con capacidad de 3 a 8 toneladas, aunque se construyen desde 1 a 100 toneladas. Se emplean para fundir el acero y la fundición gris de excelente calidad.

Tratamientos de los metales para mejorar sus propiedades Los metales se pueden someter a una serie de tratamientos para potenciar sus propiedades. En unos casos se busca mejorar su dureza y resistencia mecánica; en otros, mejorar su plasticidad para facilitar su conformado. Existen cuatro clases de tratamientos: ? Tratamientos térmicos. El metal es sometido a procesos térmicos en los que no varía su composición química, aunque sí su estructura. I.E.S. “Cristóbal de Monroy”. Dpto. de Tecnología

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- Tratamientos termoquímicos. Los metales se someten a enfriamientos y calentamientos, pero además se modifica la composición química de su superficie exterior. - Tratamientos mecánicos. Se mejoran las características de los meta les mediante deformación mecánica, con o sin calor. - Tratamientos superficiales. Se mejora la superficie de los metales sin variar su composición química másica. En estos tratamientos, a diferencia de los termoquímicos, no es necesario llevar a cabo calentamiento alguno. Los tratamientos no deben alterar de forma notable la composición química del metal pues, en caso contrario, no sería un tratamiento, sino otro tipo de proceso. Tratamientos térmicos Los tratamientos térmicos son operaciones de calentamiento y enfriamiento de los metales que tienen por objeto modificar su estructura cristalina (en especial, el tamaño del grano). La composición química permanece inalterable. Existen tres tratamientos fundamentales: - Recocido. El metal se calienta durante cierto tiempo a una temperatura determinada y, a continuación, se enfría lentamente. De esta manera, se consigue una mayor plasticidad para que pueda ser trabajado con facilidad. La temperatura y la duración de este tratamiento dependerán del grado de plasticidad que se quiera comunicar al metal, así como del grado de tensiones internas iniciales existentes en él. - Temple. Consiste en el calentamiento del metal, seguido de un poste rior enfriamiento realizado de forma brusca. Con esto se consigue obte ner un metal muy duro y resistente mecánicamente, con su estructura cristalina deformada. El endurecimiento adquirido por medio del temple se puede comparar al que se consigue por deformación en frío. - Revenido. Se aplica exclusivamente a los metales templados, pudiendo considerarse como un tratamiento complementario del temple. Con ello se pretende mejorar la tenacidad del metal templado, a costa de dismi nuir un poco su dureza. Tratamientos termoquímicos Los tratamientos termoquímicos consisten en operaciones de calenta miento y enfriamiento de los metales, completadas con la aportación de otros elementos en la superficie de las piezas. Los más relevantes son: - Cementación. Consiste en la adición de carbono a la superficie de un acero que presente un bajo contenido en el mismo a una cierta temperatura. Se obtiene así una dureza superficial muy elevada. - Nitruración. Es un proceso de endurecimiento del acero por absorción de nitrógeno a una temperatura determinada. Además, proporciona una buena resistencia a la corrosión. Se utiliza para endurecer piezas de maquinaria (bielas, cigüeñales, etc.); también herramientas, como brocas, etcétera. I.E.S. “Cristóbal de Monroy”. Dpto. de Tecnología

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- Cianuración. Es un tratamiento intermedio entre los dos anteriores. Se utiliza no solamente en aceros con bajo contenido en carbono (como en el caso de la cementación), sino también en aquéllos cuyo contenido en carbono sea medio o alto, cuando se pretende que adquieran una bue na resistencia. - Carbonitruración. Consigue aumentar la dureza de los aceros mediante la absorción simultánea de carbono y nitrógeno a una temperatura determinada, igual que la de cianuración. La diferencia con el tratamiento anterior radica en que la carbonitruración se realiza mediante gases, y la cianuración por medio de baños. Se emplea en piezas de gran espesor. - Sulfinización. Mediante la inmersión del metal en un baño especial se consigue incorporarle una capa de carbono, nitrógeno y, sobre todo, azufre. Con este tratamiento se aumenta considerablemente la resistencia al desgaste de los metales, a la vez que se disminuye su coeficiente de rozamiento. Tratamientos mecánicos Los tratamientos mecánicos mejo ran las características de los meta les por deformación mecánica, con o sin calor. Existen los siguientes tratamientos mecánicos: - Tratamientos mecánicos en caliente , también denominados forja. Consisten en calentar un metal a una temperatura determinada para, luego, deformarlo golpeándolo fuertemente. Con esto se afina el tamaño del grano y se eliminan del material sopladuras y cavidades interiores, con lo que se mejora su estructura interna. - Tratamientos mecánicos en frío. Consisten en deformar el meta l a la temperatura ambiente, bien golpeándolo, o por trefilado o laminación. Estos tratamientos incrementan la dureza y la resistencia mecánica del metal y, también, acarrean una disminución en su plasticidad. Tratamientos superficiales Los tratamientos superficiales más utilizados son: - Metalización. Se proyecta un metal fundido, pulverizándolo sobre la superficie de otro. Con esto se consigue comunicar a la superficie de un metal las características de otro diferente. - Cromado. Se deposita cromo electrolíticamente sobre el metal; de esta manera, se disminuye su coeficiente de rozamiento y se aumenta su resistencia al desgaste.

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