Introducción Metales Ferrosos

¿Qué son los metales ferrosos?

Los metales ferrosos son aquellos que contienen hierro como elemento base; pueden llevar además pequeñas proporciones de otros.

¿De donde se obtiene?

De yacimientos de mineral de hierro. En España se destacan 10 yacimientos en: Bilbao, León, Teruel, Jerez, Huelva, Granada, Almería, Sevilla.

Aunque ya no se extraen de ninguno de ellos porque es mas rentable la importación de hierro de otros países. Los principales productores son: Rusia, Brasil, EE.UU. Australia, Europa...



Y la tendencia actual es la de explotar minas a cielo abierto ya que no encarece la extracción por no tener que construir minas o galerías. Algunos yacimientos a cielo abierto son: Río Doce (Brasil), Cerro Bolívar (Venezuela) y Miferma (Mauritania).



Tipos de Minerales de Hierro.

Magnetita:

Es un mineral de hierro constituido por óxido ferroso-diférrico (Fe3O4). Su fuerte magnetismo a un fenómeno de ferrimagnetismo: los momentos magnéticos de los distintos cationes de hierro del sistema se encuentran fuertemente acoplados, por interacciones antiferromagnéticas, pero de forma que en cada celda unidad resulta un momento magnético no compensado. La suma de estos momentos magnéticos no compensados, fuertemente acoplados entre sí, es la responsable de que la magnetita sea un imán. Contiene un 73% de hierro.


Hematites.

Es un mineral compuesto de óxido férrico (Fe2O3) y constituye una importante mena de hierro ya que en estado puro contiene el 70% de este metal. Hay muchos tipos desde unas que parecen espejos hasta otras que manchan las manos si las tocas.


Limonita.

Es un mineral compuesto por Fe0 (OH), En estado puro contiene 60% de hierro. Su dureza es media (4), su color normalmente marrón-rojizo. Se utiliza como pigmento y para obtener hierro.





Siderita.

Es el carbonato de hierro (FeCO3), romboédrico, un mineral de importancia económica para la extracción del hierro. Su dureza es de 4 en la escala de Mohs, Tiene un color que varía desde el amarillo marrón hasta el negro

Procesos de Obtención de Acero

Se suelen obtener de dos maneras,por horno alto (usando mineral de hierro) o a través del horno eléctrico.

Horno Alto.

La materia prima está formada por un 60% de mineral de hierro, un 30% de carbón de coque y un 10% fundente.

Mineral de hierro. Se debe triturar, moler y separar la parte útil (mena)de la no aprovechable.

Carbón de Coque. Se crea artificialmente a partir de la hulla. Su función es:

-Producir el calor necesario para fundir la mena y generar las reacciones químicas necesarios para que el óxido de hierro se convierta en arrabio.

-Soportar el peso de la materia prima introducida, así no se aplasta para que pueda arder en la parte inferior y salgan los gases hacia la parte superior del horno.

Fundente.

Compuesto por piedra caliza o cal (cuando tiene composición ácida. Su función es:

-Reaccionar químicamente con la ganga que haya podido quedar en el mineral arrastrándola hacia la parte superior de la masa líquida, y formando lo que se denomina escoria.

- Bajar el punto de fusión de la ganga para que la escoria sea líquida.

Funcionamiento del horno alto.

El horno alto funciona ininterrumpidamente hasta que se rompe y es necesario hacerle una reparación.
Se le introduce la carga por la parte superior, está va bajando y su temperatura aumentando hasta llegar al etalaje (1650ºC)a esta temperatura la mena se transforma en gotitas de hierro que se deposita en el crisol.


La cal (fundente) reacciona químicamente con la ganga formando escoria, que flota sobre el hierro fundido. Por un agujero que se llama bigotera o piquera de escoria, se extrae cada dos horas la escoria. La escoria es usada para fabricar cementos, balastros de vías de ferrocarril y aislante térmico.

Cada cierto tiempo se abre la piquera de arrabio y se extrae el hierro liquido del crisol, este hierro líquido se llama arrabio y contiene muchas impurezas (un exceso de carbono) por ello no tiene aplicación.

El arrabio se convierte en acero con el convertidor o procedimiento L.D.. Aunque el arrabio se solidifica en moldes especiales formando lingotes.

A la altura del etalaje se encuentra el anillo o morcilla (gran diametro) del que se extrae aire que se introduce en el horno atraves de las toberas.


Transformación del arrabio en acero.

El arrabio posee un exceso de impurezas (azufre, fósforo, silicio.etc.) que se hace demasiado frágil y poco adecuado para la fabricación de piezas industriales.

La solución consiste en eliminar la mayoría de estas impurezas en hornos adecuados, denominados hornos de afino.

El horno mas empleado en el afino del acero se denomina convertidor o procedimiento LD.

El transporte del arrabio desde el horno alto hasta el convertidor se lleva a cabo mediante trenes equipados con depósitos especiales (torpedos)

Materia prima que usa el convertidor LD:

-Arrabio líquido, pero también se le pueden añadir pequeñas cantidades de chatarra.

-Fundente. (Cal, que reacciona con las impurezas y forma la escoria que flota sobre el metal fundido.

-Ferroaleaciones, que mejoran las propiedades del acero.

Características del horno convertidor.

- Interiormente está recubierto de ladrillo refractario.
- La producción por hornada suele ser unas 300 toneladas de acero de gran calidad.
-Cada hornada suele durar aprox. una hora.

Funcionamiento del horno convertidor.

El proceso de funcionamiento es el siguiente.

Horno Eléctrico

Una acería eléctrica produce acero a partir de un horno eléctrico de arco, partiendo de chatarra principalmente sin necesitar de otras instalaciones propias del proceso siderúrgico integral (baterías de coque, sinterizado y horno alto).

La energía empleada para la fusión de la chatarra se logra con un arco eléctrico que se hace saltar entre electrodos que se introducen por la parte superior. La producción en Europa por este medio es del 35% y en España del 75%.

Se distingue:

- Transformador Eléctrico. Convierte el voltaje a 900 V y transforma la corriente eléctrica altera en corriente continua.

- Cables Flexibles. Conducen la electricidad de los electrodos.

- Brazos de los electrodos. Permiten que los electrodos se acerquen o se alejen de la chatarra para que salte el arco eléctrico.

- Sujeción de electrodos.

-Pórtico con brazos hidráulicos. Permite quitar y poner la tapadera del horno eléctrico para introducir la chatarra, los ferroaleaciones y el fundente.

- Salida de humos refrigerada. Conduce los humos a un filtro (cortina de agua) eliminando las partículas en suspensión.

- Estructura oscilante. Permite inclinar el horno para extraer el acero fundido. Para ello dispone de un dispositivo de volteo hidráulico.

Materias Primas Utilizadas.

-Chatarra seleccionada que no lleve otros metales ferrosos (cobre, aluminio, plomo)

- Fundente (cal).

- Ferroaleaciones, NI, Cr, Mo, para fabricar aleaciones especiales.

Características Principales.

- Interiormente recubierto con ladrillo refractario.

- En el interior del horno se pueden llegar a alcanzar temperaturas de hasta 3500ºC con lo que es muy adecuado para fundir no solo aleaciones ferrosas sino cualquier otro que sea su punto de fusión alto (Wolframio, Tántalo, Molibdeno...)

- Se pueden fundir 100 toneladas.

- Cada hornada dura aprox. 50 min.

Funcionamiento.

1 Se quita la tapadera y se introduce la chatarra y el fundente.

2. Se cierra el horno y se acercan los electrodos a la chatarra, para que salte el arco eléctrico y comience a fundir chatarra.

3. Cuando la chatarra está fundida, se inyecta oxígeno para eliminar los elementos indeseables del baño, como silicio, magnesio, fósforo.

4. Se inclina el horno y se extrae la escoria. A continuación se le añade el carbono y ferroaleaciones y se sigue calentando hasta que las adiciones se disuelvan y se uniformice la composición del baño.

5. Se inclina el horno y se vierte el acero en la cuchara, que lo llevará al área de moldeo.

* Haciendo Chatarra

Tipos de Colada de Acero

EL acero líquido obtenido a través del horno eléctrico o utilizando el convertidor se solidifica, empleando alguno de los siguientes métodos de colada.

- Colada Convencional. El acero se vierte sobre unos moldes que tienen la forma del producto final y que cuando se enfría tiene la forma del mismo de las tres coladas vistas es la única que no necesita una transformación posterior al proceso.

- Colada continua. Se produce cuando el acero liquido se vierte sobre un molde de fondo desplazable cuya sección tiene la forma que nosotros deseamos que tenga el producto final " cuadrados, redondos, triangulares, planchas..."
Se le llama colada continua porque el producto sale sin parar hasta que se acaba el contenido de la cuchara, por lo tanto con este método se ahorra mucho dinero ya que no se necesita moldes, se consume menos energía, etc.

-Colada sobre Lingoteras. El acero se vierte sobre unas lingoteras o moldes que tienen una forma determinada y que al enfriarse y solidificarse dan un producto deseado para su transformación. Este método es usado cuando la demanda de hierro es baja ya que los pueden almacenar.

Laminación

Es un método de conformado y deformación utilizado para producir productos metálicos alargados de sección transversal constante.

Este proceso metalúrgico se puede realizar con varios tipos de máquinas. La elección de la máquina más adecuada va en función del tipo de lamina que se desea obtener (espesor y longitud) y de la naturaleza y características del metal. Normalmente dos rodillos girando a la misma velocidad pero en sentido contrario.

Se puede laminar en caliente (La temperatura del material es de unos 1000 ºC) o en frio (temperatura ambiente). La cantidad de trenes de laminación dependerá del producto que se quiera obtener.

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Productos Ferrosos

Clasificación de los productos ferrosos.

Hierros. Son aquellos productos ferrosos cuyo porcentaje de carbono está comprendido entre el 0,01 y 0,03%. Son muy blandos y dificiles de obtener, tienen pocas aplicaciones industriales.


Aceros.Son aleaciones hierro-carbono, pudiendo contener otros elementos químicos. El porcentaje de carbono está comprendido entre el 0,03 y 1,76%.

Fundiciones. Son aleaciones de hierro-carbono, pudiendo tener entre otros elementos químicos. l porcentaje de carbono oscila entre el 1.76 y 6,67%.


Grafitos. Se obtienen cuando el porcentaje del carbono es mayor del 6,67%. En la practica no tiene aplicaciones, porque es muy frágil.

Tipos de Aceros

Se distinguen dos grandes grupos: los aceros no aleados y los aceros aleados o especiales.

Aceros no aleados. Cuando el porcentaje de los elementos químicos que intervienen en la aleación está por debajo del máximo indicado. Según el porcentaje de carbono, los aceros pueden recogerse en :
Aceros aleados. Aquellos aceros que además de los componentes básicos del acero: carbono, manganeso, fósforo, silíceo, azufre; forman aleaciones con otros elementos como el cromo, níquel, molibdeno etc que tienen como objetivo mejorar algunas de sus características fundamentales especialmente la resistencia mecánica y la dureza.

También puede considerarse aceros aleados los que contienen alguno de los cuatro elementos básicos del acero, en mayor cantidad que los porcentajes que normalmente suelen contener los aceros al carbono, y cuyos límites superiores suelen ser generalmente los siguientes: Si=0.50%; Mn=0.90%; P=0.100% y S=0.100%.

Los elementos de aleación que más frecuentemente suelen utilizarse para la fabricación de aceros aleados son: níquel, manganeso, cromo, vanadio, wolframio, molibdeno, cobalto,silicio, cobre, titanio, circonio, plomo, selenio, aluminio, boro y riobio.

Utilizando aceros aleados es posible fabricar piezas de gran espesor, con resistencias muy elevadas en el interior de las mismas. En elementos de maquinas y motores se llegan a alcanzar grandes durezas con gran tenacidad. Es posible fabricar mecanismos que mantengan elevadas resistencias, aún a altas temperaturas. Es posible preparar troqueles de formas muy complicadas que no se deformen ni agrieten en el temple, etc.

Presentaciones comerciales del acero

Las formas mas comunes de los aceros que se emplean en la industria mecánica y metálica se clasifican en: palastros, barras y perfiles.
-Palastros. Son chapas laminadas que miden entre 1 x 2 metro y 3 x 3 metros.
-Barras. Son piezas mucho mas largas que anchas, macizas y de secciones variables. Las secciones mas importantes son: pletinas, media caña, triangular, cuadrado, redondo, hexágono. Si la sección de la barra es redonda y su diámetro menor de 5 mm, teniendo una gran longitud, se denomina alambre. Cuando las pletinas tienen un espesor muy pequeño y gran longitud se denominan flejes.

-Perfiles. Son piezas huecas de secciones variables, cuya longitud puede oscilar entre 5 y 12 metros. Los perfiles mas usuales son: angular, IPN (doble T), tubular, cuadrado, en T, rectangular. Existen mas perfiles denominados especiales que se emplean para otros usos por ejemplo ventanas, puertas de coches estructuras de aviones.

Fundición

Las fundiciones son aleaciones de hierro-carbono que, además, pueden contener otros elementos. El tanto por cierto de carbono oscila entre el 1,76 y 6,67%.

Las características de una fundición no solamente dependen de su composición, sino del proceso de fabricación.

Clasificación de las fundiciones.

Ordinaria. (Solo lleva hierro y carbono (sin elementos de aleación))

1. Fundición Blanca. Es muy dura y frágil. Solo se emplea como materia prima para fabricar aleaciones maeables.
2. Fundición Gris. Su color es gris, porque el carbono están en forma de grafito. Se usa en fundiciones maleables de grafito esteroidal.
3. Fundición atruchada. Tiene unas propiedades intermedias entre la fundición blanca y la gris.

Aleada. Además de hierro y carbono (en las proporciones adecuadas) lleva otros elementos químicos que mejoran sus propiedades.

Especial. Emplea como materia prima las fundiciones ordinarias. Luego se somete a un tratamiento térmico.

1. Maleable de corazón blanco. Se moldea la pieza en fundición blanca. Se recubre la pieza en mineral de hierro y se introduce en un horno a unos 1000 ºC, durante unos 10 días. Se va enfriando lentamente el horno durante unos 5 días, hasta temperatura ambiente.
2. Maleable de corazón negro. Se moldea la pieza en fundición blanca. Se recubre la pieza de arena y se introduce en un horno a unos 900 ºC durante 6 días, aproximadamente. Se va enfriando lentamente el horno durante unos 5 días, hasta temperatura ambiente.
3. Maleable perlítica. Se moldea la pieza en fundición blanca. Se recubre de arena y se mete en un horno a una temperatura de 900 ºC durante 5 días. Luego se enfría lentamente durante unos 2 días, hasta temperatura ambiente.
4. Maleable de grafito esferoidal o modular. A la fundición gris se le añade cerio y magnesio. Luego se echa en un molde y se deja enfriar a temperatura ambiente.
   

Impacto Medioambiental de los productos ferrosos

La manipulación de productos ferrosos acarrea grandes impactos para el gran ambiente.

-Obtener materia prima. La mayoría de las minas de mineral de hierro se explotan a cielo abierto. Eso provoca contaminación visual, acústica y destrucción de habitats.

Fabricar carbón de coque emite a la atmósfera, CO, CO2, amoniaco, alquitrán, humos...

-Transformación del mineral. Las emisiones que se pueden liberar a la atmósfera en el horno alto, hornos de afino, laminación... son:

1. Metales pesados (Pb, Cd, Hg) que contaminan aire, agua y tierra.
2. Gases residuales y polvo.
3. Gases de horno alto y horno eléctrico, como pueden ser CO, CO2, SO, NO...
4. Lodos procedentes de la depuración de los gases
5. Aguas residuales contaminadas con aceites, ácidos....
6. Contaminación acústica.

Algunas soluciones son.

1. Aislar las zonas en las que haya maquinas que provoquen un gran ruido.
2. Filtrar partículas, metales pesados y gases.
3. Separar las zonas industriales de los núcleos urbanos.

-Reciclar el producto. También tiene un impacto sobre el medio ambiente; aunque los efectos son mucho menores que al fabricarlo u obtener la materia prima.