El Hierro y acero en la antigüedadSe sabe que, en las primeras periodos históricos de la humanidad, el hombre utilizó el Hierro meteórico o Hierro del cielo, aunque sólo en lugares y ocasiones muy limitadas a

El empleo del Hierro para aplicaciones sucres fue sin duda posterior al de oro el cobre y el acero. El cobre y principalmente el oro que en aquellas épocas primitivas se encontraban puros sobre la superficie de la tierra fueron realmente los primeros metales en estado nativo utilizados por el hombre. Por simple martilleo seguido en ocasiones sucesivos calentamientos para quitar la acritud al metal cuando era necesario se pudo fabricar adornos y objetos muy diversos luego se vio que esos metales puros al ser calentados a altas temperaturas, fundían y podían ser colados en estado líquido en moldes de piedra arenisca o arcilla cocida y así se podía obtener por fusión y colado según se deseara objetos de adorno, armas, herramientas etc.

No se conoce con exactitud cuál fue el primer procedimiento que empleo para su obtención, pero se supone que la casualidad contribuirá a gran parte de este gran descubrimiento. La edad del Hierro comenzó hacia el año 1400 antes de Cristo en la zona suroriental del mar negro en tierras de Armenia y de la parte de Anatolia.

Estos son normas primitivos empleados para la fabricación de Hierro. Si utilizaban pequeñas cavidades o agujeros en los que se preparaba previamente un buen fuego y luego sobre las brasas se cargaban capas alternadas de mineral como óxido de Hierro y carbón vegetal

El alto hornoEn esencia, el alto horno es un cilindro de forma irregular donde se alimentan sólidos en la parte superior y se sopla aire enriquecido el fondo la escoria líquida y el metal se sangran del fondo del horno y los gases de escape y el polvo salen en la parte superior del horno. El horno opera en forma continua en periodo de 5 a 7 años y entonces se reconstruye. Conforme los líquidos a la carga avanzan hacia abajo en el horno, se calientan es expanden. Al mismo tiempo, los gases se enfrían conforme ascienden a la parte superior del horno. En el etalaje el Hierro y la escoria se funden y escurren la porción todavía solido de la carga, reduciendo del volumen sólido. La

reducción en diámetro de etalaje junto con un pilar central de coque sin quemar soporta la carga, el volumen de gas aumenta en el etalaje como resultado del calor y debido a la oxidación del coque. El aumento inicia en el volumen del gas también se acomoda por la forma del etalaje.

En los hornos se utilizan refractarios especiales y ladrillos. En la parte superior del horno emplea ladrillo horneado duro para servicio extra duro el cual resiste la abrasión de la carga formada en el horno. Aquí no es un factor la resistencia a alta temperatura. En ladrillo en la zona de la pared interior del horno debe soportar temperaturas moderadamente altas y abrasión moderada de la carga conforme se mueve hacia abajo. El ladrillo en el hogar y la etalaje deben soportar temperaturas muy altas lo mismo que erosión y ataque de la escoria. En forma ocasional se usa ladrillo de carbono en el hogar. El ladrillo refractario en la pared interior del horno y la etalaje se enfrían mediante placas huecas de cobre ajustadas entre las hiladas de ladrillo. El agua circula a través de las placas lo mismo que a través de los revestimientos de las toberas (boquillas para soplar aire). Un horno que produce cerca de 2600 Tm de arrabio por día usa más de 38000 m³ equivalente a diez millones de galones de agua de recirculación confines de enfriamiento.

Los gases de escape que abandonar la parte superior del horno pasan a través de un colector de polvo para remover los sólidos que se queman en estufas usadas para precalentar el aire de soplo. El polvo se aglomera y se utiliza la carga.

Manufactura del aceroEl acero se hace por la refinación ya sea de arrabio o de escoria de acero o por la refinación de una combinación de ambos materiales. El arrabio suministra, con mucho, la mayor parte del acero producido, pero el acero de chatarra juega un papel vital en la producción de acero. El acero producido a partir de arrabio, el problema básico es oxidar las purezas presentes, las cuales se remueven entonces ya sea como gas o en la escoria. El oxígeno se suministra ya sea por un soplo de aire o como oxígeno puro o mediante óxidos

En las dos últimas décadas ha tenido lugar una revolución en los métodos usados en la producción de acero. Por ejemplo, el 80% de la producción provino de hornos de hogar básicos abiertos en 1963. En 1984 esta cifra bajó a 7%, se habían adoptado procesos más eficientes. Los convertidores básicos de oxígeno en la actualidad representan el 63%, en tanto que el 30% se hace en hornos eléctricos. Estos últimos son adecuados en especial para laminadoras no integradas especializadas conocidas como mini laminadoras.

Manufactura del acero por el proceso básico de oxigenoEl proceso básico del siglo es un desarrollo del proceso Bessemer, el primer método por el cual se produjeron tonelajes de acero a gran escala. El proceso Bessemer se basará soplado el aire por agujeros en el fondo del convertidor para hacerlo circular en la carga fundida de arrabio. La

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oxidación de las impurezas suministra no sólo bastante calor para mantener fundida la carga, sino también lo suficiente para mantener un equilibrio químico favorable. En el proceso básico de oxígeno, el aire es reemplazado por oxígeno puro, que se introduce través de una lanza cuyo extremo está precisamente arriba de la superficie del metal fundido. La capacidad de los hornos básicos de oxígeno fluctúa entre 45 y 320 toneladas métricas. Usan de 12 a 30% de chatarra la carga, lo cual está abajo del mínimo aceptable para hornos básicos y hogar abierto pero el horno básico de oxígeno puede producir acero a la velocidad de 360 Tm por hora por horno, en tanto que el horno de hogar abierto sólo puede producir a la velocidad de cerca de 55 Tm por hora por horno.

Ya que cada colada de un horno básico de oxígeno requiere sólo entre una hora y media a tres cuartos de hora, son indispensables métodos rápidos y precisos para verificar la composición y computar los requisitos de ajuste de la carga.

El horno básico de oxígeno puede usarse en el arrabio de la misma composición para el horno básico de hogar abierto. Puede refinarse arrabio dato fósforo hasta 2.0% y se aplica un método doble de escoriado. En este proceso, la escoria que se forma primero se elimina y se reemplaza con escoria fresca que remueve el fósforo adicional.

Se producen en los mismos grados de hierro, en el proceso básico de oxígeno que en el proceso básico de hogar abierto, y además también puede producirse algunos grados de acero inoxidable y de alta aleación, los cuales no pueden hacerse en el honor básico de hogar abierto. La calidad del producto es tan buena o mejor que en la del acero producido en hornos básicos de hogar abierto. Las escorias muy fluidas rinden un contenido bajo de fósforo, el contenido de nitrógeno también es bajo porque se usa oxígeno puro o más que aire para el soplo. Informa que sorprende, el contenido de oxígeno es también bajo y esto reduce los requisitos de adiciones de aluminio para desoxidar. El azufre es bajo porque se evitan como fuente de calor los combustibles exportadores de azufre

Cerca de la mitad del acero producido por el proceso básico de oxígeno se usan láminas, placas y acero estructural de calidad para soldadura. La otra mitad se utiliza para acero efervescente o agitado mediante el cual se hacen partes de embutido profundo, como parte de carrocería Automóviles.

Manufactura de acero por el proceso de horno eléctrico.La mayoría del acero producido en hornos eléctricos en estados unidos se hace en hornos calentados por un arco que se forman entre los electrodos y el metal de carga. Algunos aceros se hace en hornos eléctricos en las cuales el calor sale del baño, desde un arco formado entre dos electrodos posicionados sobre la carga. Una pequeña cantidad acero también se hace en hornos al calentados por inducción se usan revestimientos tanto ácidos como básicos, dependiendo la naturaleza de la carga y del producto deseado. En General, los aceros de más alta calidad se producen en el horno eléctrico. Ya que no son necesarios los combustibles e hidrocarburos, esta

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fuente de contaminación se elimina. Más del 30% del acero en estados unidos se produce en hornos eléctricos.

El procedimiento de manufactura de acero en horno eléctrico depende del producto que se desea. Si el acero puede contener un porcentaje apreciable de elementos de aleación que se oxiden con facilidad, como cromo, tungsteno y molibdeno, durante una colada se usan dos escorias de cubierta. Un escoria oscilante favorece la oxidación y la fluencia de carbono, fosforo y silicio. La escoria oxidante se elimina entonces y se reemplaza por una escoria reductora en la cual el CaO y CaC, son importantes ingredientes. Está cubierta de escoria ayuda a la remoción del azufre y las impurezas del óxido, y proporciona protección contra la oxidación de los elementos de aleación adicionados. En la manufactura de acero para fundiciones ordinarias no es necesaria la segunda escoria ya que no están presentes los elementos de fácil oxidación que se encuentran en los aceros inoxidables y para herramienta.

Aquí se muestra el horno eléctrico con tres electrodos, los cuales pueden subir o bajarse, sobresaliendo en la parte superior revestida con refractarios. La parte superior puede hacerse a un lado cuando se elevan los electrodos de modo que la carga puede dejarse caer en el horno. Los electrodos se hacen de coque de petróleo, cementado con brea o alquitrán informados al tamaño aproximado. Los electrodos toscos se calientan entonces al 2200 °C ósea 4000 grados Fahrenheit, lo cual convierte al coque en grafito. Están disponibles electrodos hasta de 76 cm de diámetro y 213 cm de largo. La capacidad no varían desde 1 a 360 toneladas métricas, son más comunes los hornos entre los márgenes de 14 a 140 toneladas métricas. Un procedimiento típico, pero no universal se describe a continuación:

Después de una colada se inspecciona el horno para localizar daños y se repara como sea necesario. Se hace a un lado la tapa del horno y secara chatarra seleccionada mediante un cangilón de descarga por el fondo. Si se incluyen minerales en la carga, se añaden con la chatarra sólida o después de la fusión parcial o completa. La práctica moderna tiende al uso de oxígeno para reducir el contenido de carbono, más bien que al uso del mineral. Pueden agregarse algunas aleaciones de oxidantes antes de la función. Los electrodos se bajan entonces, se aplica la potencia y se produce un arco. Conforme procede la fusión los electrodos se bajan a través de la carga de metal y se forma un charco de metal fundido en el horno. Las impurezas oxidadas formar escoria por acción con la cal o el revestimiento del horno. Después que se completa la oxidación, este escoria se quita y se reemplaza por una nueva escoria de cubierta, en la cual los ingredientes principales son cal, silicio, magnesio y carburo de calcio. Tan pronto como los análisis finales de escoria y el baño se han ajustado a los niveles apropiados, se hacen las adiciones de aleación necesarias y se sangra el horno. Cuando normas inclina para cerrarlo, el acero fundido permanece cubierto y protegido por la escoria hasta que el horno está vacío. El tiempo transcurrido entre la carga y el sangrado depende el tamaño del horno y la naturaleza del producto, pero suele ser de cerca de cuatro horas. Aunque el costo de manufactura de acero en hornos eléctricos es más alto que el hecho en hornos básicos de oxígeno, la calidad del producto que puede lograrse es mejor. Los aceros con los contenidos más bajos posibles del fosforo y azufre y que tiene muy pequeña inclusión de metales se hacen por el proceso el horno eléctrico y sólo por este proceso puede

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producirse los aceros de alta aleación y como el acero inoxidable. Y algunos aceros para herramientas y dados. El costo más alto del proceso también se justifica donde los requisitos de producción intermitente de acero en pequeña escala no pueden sostener una instalación de alto horno u horno básico de oxígeno.

La fabricación del acero para cuchillas se realizaba empleando varias barras o llantas cementadas que se cortaban en trozos de un metro aproximadamente. Formaban con ellas paquetes y se calentaban con ellas paquetes y si calentaban y forjaban todas juntas en un solo grupo para obtener por forja y soldaduras de menor sección y espesor. Estas barras se denominaban siempre acero para cuchillas. Cuando se quería obtener acero todavía más homogéneo, las barras forjadas de esta forma se volvían a cortar, haciéndose con ellas nuevos paquetes que volvían a ser forjados. Las barras de acero que se obtienen por este procedimiento recibían el nombre de doble acero para cuchillas.

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Cuando se ha interesado tener todavía mejor calidad se volvía a repetir la operación y las barras se denominaban triple acero para cuchillas. Así se obtenía acero de bastante buena calidad.

La forja no podía eliminar la desigualdad repartición del carbono debido a la cementación, ni tampoco las inclusiones no metálicas que contenía el Hierro dulce utilizado para la fabricación del acero cementado. Sin embargo, con el martilleo y con los sucesivos calentamientos y enfriamientos a que se sometía el material en forma adecuada, era posible afinar el grano y mejorar la tenacidad de estos aceros que, por haber estado sometidos al calentamiento prolongado a alta temperatura antes de su forja eran bastantes frágiles.

Fabricación del acero por cementación.La antigüedad para este proceso se colocaba pequeños trozos de Hierro rodeados de carbón vegetal en unas pequeñas cajas o crisoles de barro o arcilla que es introducían a un horno donde se calentaban a muy alta temperatura 925 a 1000° aproximadamente. De esta forma el Hierro se carburaba y se obtenían pequeñas cantidades de acero. fue creado un procedimiento en Bélgica era bastante similar, aunque más perfeccionado que se vio en el oriente medio antes del comienzo de la era cristiana. Consistía, lo mismo que en el que se empleó antiguamente, en colocar el Hierro, rodeado con carbón vegetal, en un horno adecuado y se calentaba a muy alta temperatura.

De esta forma, empleando cajas de mucho mayor tamaño que los antiguos crisoles y en instalaciones más perfeccionadas y de mayor capacidad que las empleadas en la antigüedad, se consiguen transformar las barras de Hierro en un material muy duro, que podía hacerse templado, y de esa forma adquirir una dureza extraordinaria. Esta nueva radiación en el acero, con C=0.9% aproximadamente. Esta forma se obtenía producciones mucho mayores que en la antigüedad.

Acero fundido al crisolEn este proceso se fabricaba acero en un crisol por fusión de trozos de barras de acero cementado, que se había fabricado previamente por cementación de Hierro. Este procedimiento fue inventado en 1740 por benjamín hunstman, relojero inglés de origen alemán, nacido en el distrito de Lincolnshire, que entre sus trabajos dedicaba especial atención a la fabricación de muelles para relojes. Al no estar satisfecho con los resultados que se obtenían con el acero cementado que utilizan hasta aquella fecha, concibió la idea de refundir en un crisol de arcilla barra de acero cementado, pensando que hacía tendría acero más homogéneo y de mejor calidad. Hasta que desarrolló su procedimiento tiene que rechazar con frecuencia los aceros de cementados que adquiría de para sus trabajos, porque eran irregulares y con ellos obtenían malos resultados.

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Los principales defectos que tienen los aceros cementados, eran los siguientes:

1. Eran de composición bastante irregular y las barras en su contenido del carbono iban disminuyendo desde la periferia al centro.

2. Tienen muchas impurezas en forma de escoria o inclusiones no metálicas que provenían de Hierro que se empleaba para la fabricación del acero cementado.

3. Las barras eran muy frágiles, debido al prolongado calentamiento que estaban sometidas durante proceso de cementación.

La idea de este hombre de fundir las barras de acero cementado para eliminar las impurezas que contenían y obtener un material mucho más puro, homogéneo y de composición más uniforme, la realizó con gran éxito.

La fabricación de acero fundido crisol adquirió un gran desarrollo durante la segunda mitad del siglo XVIII y luego durante todo el siglo XIX. El principal inconveniente que tenía el procedimiento, que impidió que fuera más utilizado, fue el no poderse desarrollar en gran escala por la pequeña capacidad en los crisoles y su elevado precio.

La idea final de Hunstman era fundir en un crisol trazo de barra de acero cementado y logró colar el acero fundido en moldes de forma apropiada para hacer forjados, finalmente, en forma de barras y llantas de diversos tamaños.

En un crisol de fundían de 20 a 45 kilogramos de acero y en el siglo XIX los convertidores Bessemer fundían unas 15 toneladas y los hornos siemens de 10 a 40 toneladas por colada. con este procedimiento únicamente se podían fabricar acero de elevado contenido de carbono, superior a . 60% de C. Incluso estos aceros . 60 a 1. 50% del carbono eran difíciles de fundir el crisol y sólo bajo la acción de un tiro muy enérgico, rodeando bien el crisol con el combustible empleando coque de muy buena calidad, se llegaba a alcanzar temperaturas de 1440 1500°, necesarias para la fusión de aceros altos en carbono. El conjunto de una fábrica de acero para crisol constaba generalmente de las siguientes partes:

1. Un departamento con hornos para cimentar barras de Hierro y obtener el acero de cementación.

2. Departamento para fabricación de crisoles, que tenían una gran importancia.3. El taller de fundición de acero con los hornos de fusión y la nave para la colada del acero

para las lingoteras.4. Los talleres de forja y laminación.

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Tratamiento térmico del aceroEs una combinación de operaciones de calentamiento y enfriamiento, de tiempos determinados y aplicadas a un metal o aleación en el estado sólido en una forma tal que reducirá propiedades deseadas. Todo el proceso básico de tratamientos térmicos para aceros incluyen la transformación o descomposición de la austenita. La naturaleza y apariencia de estos productos de transformación determinan las propiedades físicas y mecánicas de cualquier acero.

El primero paso en el tratamiento térmico del acero es calentar el material a una temperatura en o por encima del intervalo crítico para formar austenita. En la mayoría de los casos, la rapidez de calentamiento a la temperatura deseada es menos importante que otros factores en el ciclo del tratamiento térmico. Los materiales altamente forzados producidos por trabajo en frio deben calentarse más lentamente que los que se hallan libres de esfuerzos para evitar distorsión. Se

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puede considerar la diferencia en temperatura que tiene lugar dentro de las secciones gruesas y delgadas de artículos de sección transversal variable y, siempre que sea posible, se debe tomar una medida que sea más lento el calentamiento de las secciones más delgadas, de tal modos que sea posible minimizar el esfuerzo técnico y la distorsión. Por lo general se hará menos daño el acero al utilizar una rapidez de calentamiento tal lenta como sea practico.

Clasificación de los aceros según NORMA UNE 36010:Serie Grupo Propiedades / Aplicaciones

1 Aceros finos

de construcción

general

1. (Finos al carbono) 2 y 3. (Aleados de gran resistencia) 4. (Aleados de gran elasticidad) 5 y 6. (De cementación) 7. (De nitruración)

Propiedades: Son no aleados. Cuanto más carbono contienen son más duros y menos soldables, pero también más resistentes a los choques. Se incluyen también aceros con tratamientos térmicos y mecánicos específicos para dar resistencia, elasticidad, ductabilidad, y dureza superficial.Aplicaciones: Necesidades generales de la ingeniería de construcción, tanto industrial como civil y comunicaciones.

2 Aceros para

usos especiales

1. (De fácil mecanización) 2. (De fácil soldadura) 3. (De propiedades magnéticas) 4. (De dilatación térmica específica) 5. (Resistentes a la fluencia)

Propiedades: Generalmente son aceros aleados o tratados térmicamente.Aplicaciones:

Grupos 1 y 2: Tornillería, tubos y perfiles. Grupo 3: Núcleos de transformadores, motores de bobinado. Grupo 4: Piezas de unión de materiales férricos con no férricos sometidos a temperatura. Grupo 5: Instalaciones químicas, refinerias y para altas temperaturas.

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3 Aceros

resistentes a la oxidación y corrosión

1. (Inoxidables) 2 y 3. (Resistentes al calor)

Propiedades: Basados en la adición de cantidades considerables de cromo y niquel, a los que se suman otros elementos para otras propiedades más específicas. Resistentes a ambientes húmedos, a agentes químicos y a altas temperaturas.Aplicaciones:

Grupo 1: Cuchillería, elementos de máquinas hidráulicas, instalaciones sanitarias, piezas en contacto con agentes corrosivos. Grupos 2 y 3: Piezas de hornos emparrilados, válculas y elementos de motores de explosión y, en general, piezas cometidas a corrosión y temperatura.

5 Aceros para herramienta

s

1. (Al carbono para herramientas) 2, 3 y 4. (Aleados para herramientas) 5. (Rápidos)

Propiedades: Son aceros aleados con tratamientos térmicos que les dan características muy particulares de dureza, tenacidad y resisténcia al desgaste y a la deformación por calor.Aplicaciones:

Grupo 1: maquinaria de trabajos ligeros en general, desde la carpintería y agrícola, hasta de máquinas Grupos 2, 3 y 4: Para maquinaria con trabajos más pesados. Grupo 5: Para trabajos y operaciones de debaste y de mecanicación rápida que no requieran grran precisión.

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8 Aceros de

moldeo

1. (Al carbono de moldeo de usos generales) 3. (De baja radiación) 4. (de moldeo inoxidables)

Bibliografía:

Fabricación de hierro, aceros y fundiciones tomo 1 J.Apraiz Barreiro ediciones Urmo S.A.

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Procesos y materiales de manufactura para ingenieros,Lawrance E. Doyle, Carl A. Keyser.James L. Leach, George F. Schrader y Morse B. Singer. Tercera edición, Ediciones Prentice Hall.

ciencia eingenieria de los materiales , Donald R. Askeland  6ta edición. Introduccion ala Metalurgia física, Sidney Avner,Segunda edición , editorial: MCgraw-Hill

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