Acero

 

Su historia

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Yelmo de acero: antigüedad.

Es imposible determinar a ciencia cierta dónde y cómo el hombre descubrió el hierro, pero es cierto que su historia está estrechamente ligada con el desarrollo de la cultura y la civilización.

Los metales inician su historia cuando el hombre se siente atraído por su brillo y se da cuenta de que golpeándolos puede darles forma y fabricar así utensilios tan necesarios para su supervivencia.

La humanidad se sucede en Edades, a las que se ha dado nombres de metales, y cuando se cierran las Edades del Cobre y Bronce, a las que se atribuye una duración de quinientos a dos mil años, comienza la Edad del Hierro.

Los primeros utensilios de hierro descubiertos por los arqueólogos en Egipto datan del año 3.000 a.C., y se sabe que antes de esa época se empleaban adornos de hierro. Los griegos ya conocían hacia el 1.000 a.C. la técnica, de cierta complejidad, para endurecer armas de hierro mediante tratamiento térmico.

Con la excepción del aluminio, el hierro se encuentra en la naturaleza en cantidades mayores que cualquier otro metal; se explota con métodos relativamente sencillos, y se puede trabajar y transformar tanto como se quiera. La razón del retraso en la aparición del hierro respecto al bronce hay que buscarla en el elevado punto de fusión del hierro puro, lo que hacía prácticamente imposible que una vez tratados sus minerales se pudiese ofrecer en forma líquida, separado de la escoria.

Las aleaciones producidas por los primeros artesanos del hierro (y, de hecho, todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV d.C.) se clasificarían en la actualidad como hierro forjado.

Las primeras producciones se obtuvieron seguramente rodeando al mineral totalmente con carbón de leña con el que no era posible alcanzar la temperatura suficiente para fundir el metal, obteniéndose en su lugar una masa esponjosa y pastosa, mezcla de hierro y escoria, que había que martillar repetidamente al rojo vivo para eliminar la escoria y las impurezas.

Este martilleo producía dos efectos, por un lado conseguía obtener un hierro puro al eliminar las escorias e impurezas, endureciéndolo por forja al mismo tiempo. Se obtenían así barras de hierro forjado resistente y maleable, que no eran otra cosa que un tipo muy primitivo de acero.

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El acero en piezas de modernos autos.

La evolución tecnológica orientó sus esfuerzos en tratar de aumentar la temperatura a la que se sometía al mineral de hierro, por medio de la utilización de hornos en los que se introducía una mezcla de mineral y carbón vegetal, lo que se traducía en un aumento de producción y en la lógica economía del sistema.

Sin embargo, cuando estos hornos se calentaban en exceso el mineral pasaba de la forma pastosa a la líquida pero con un contenido en carbono tan alto que no permitía la forja. Este producto era en principio no aprovechable, y requería un “afino”, término que se ha conservado hasta hoy en día y que se emplea para describir el proceso de transformación del hierro colado al acero.

Con el paso del tiempo, se fue comprobando que la obtención accidental del hierro colado no era una desgracia, sino que por el contrario se trataba de una materia prima mejor para obtener posteriormente el acero, con todas las ventajas técnicas y económicas que implica el proceso.

Para llegar a este punto fue preciso recorrer tres etapas fundamentales. La primera fue la sustitución del carbón de leña por la hulla y, más concretamente, por el coque. La segunda consistió en ir aumentando la altura de los hornos, gracias a las características resistentes del coque que permitía aumentar la carga de éstos y, en consecuencia, su producción. Y la tercera etapa recogería el conjunto de mejoras e innovaciones conducentes a avivar la combustión del horno, primero mediante el aumento de la ventilación y, posteriormente, mediante el calentamiento del aire soplado. El resultado final daría paso a la tecnología de los actuales altos hornos.

En 1855 se produce un hecho trascendental en la producción y el futuro del acero: el invento del convertidor ideado por Henry Bessemer, que supuso el paso revolucionario de la obtención del acero a partir del hierro producido en el alto horno. Este invento trascendental se completa por Thomas en 1873, al conseguir convertir el hierro colado, de alto contenido en fósforo, en acero de alta calidad mediante un convertidor con recubrimiento básico.

A partir de entonces las innovaciones en la producción del acero se han ido sucediendo hasta nuestros días, gracias a la participación de figuras como las de Martín, Siemens, Héroult, los técnicos de Linz y Donawitz y tantos otros.

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Acero en la industria actual.

Desde la década de 1960 funcionan varios minihornos que emplean electricidad para producir acero a partir de chatarra. Sin embargo, las grandes instalaciones de altos hornos continúan siendo esenciales para producir acero a partir de mineral de hierro.

¿Qué es el acero?

El acero es básicamente una aleación o combinación de hierro y carbono (alrededor de 0,05 por ciento hasta menos del dos por ciento). Algunas veces otros elementos de aleación específicos tales como el Cr (Cromo) o Ni (Níquel) se agregan con propósitos determinados.

Ya que el acero es básicamente hierro altamente refinado (más del 98 por ciento), su fabricación comienza con la reducción de hierro (producción de arrabio) el cual se convierte más tarde en acero.

El hierro puro es uno de los elementos del acero, por lo tanto consiste solamente de un tipo de átomos. No se encuentra libre en la naturaleza ya que químicamente reacciona con facilidad con el oxígeno del aire para formar óxido de hierro (herrumbre). El óxido se encuentra en cantidades significativas en el mineral de hierro, el cual es una concentración de óxido de hierro con impurezas y materiales térreos.

Clasificación  del acero

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 por ciento de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65 por ciento de manganeso, el 0,60 por ciento de silicio y el 0,60 por ciento 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 por ciento a 6 por ciento.

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 por ciento. 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 aleación 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.

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Modernas moles de acero.

Por ejemplo, los vagones de mercancías (contenedores) 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 inoxidables 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.

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Acero inoxidable en la cocina.

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.

Producción y refinación del arrabio

El arrabio es el primer proceso que se realiza para obtener acero<, los materiales básicos empleados son mineral de hierro, coque y caliza. El coque se quema como combustible para calentar el horno, y al arder libera monóxido de carbono, que se combina con los óxidos de hierro del mineral y los reduce a hierro metálico.

La ecuación de la reacción química fundamental de un alto horno es:

Fe2O3 + 3 CO => 3 CO2 + 2 Fe

La caliza de la carga del horno se emplea como fuente adicional de monóxido de carbono y como sustancia fundente. Este material se combina con la sílice presente en el mineral (que no se funde a las temperaturas del horno) para formar silicato de calcio, de menor punto de fusión. Sin la caliza se formaría silicato de hierro, con lo que se perdería hierro metálico. El silicato de calcio y otras impurezas forman una escoria que flota sobre el metal fundido en la parte inferior del horno.

El arrabio producido en los altos hornos tiene la siguiente composición química:

Elementos

por ciento

Fierro (Fe)

93,70

Carbono (C)

4,50

Manganeso (Mn)

0,40

Silicio (Si)

0,45

Fósforo (P)

0,110

Azufre (S)

0,025

Vanadio (V)

0,35

Titanio (Ti)

0,06

Temperatura en Alto Horno : 1.460º C

 

Un alto horno es virtualmente una planta química que reduce continuamente el hierro del mineral. Químicamente desprende el oxígeno del óxido de hierro existente en el mineral para liberar el hierro.

Está formado por una cápsula cilíndrica de acero forrada con un material no metálico y resistente al calor, como ladrillos refractarios y placas refrigerantes. El diámetro de la cápsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total.

La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire. Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vacía) el alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria.

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Esquema de un alto horno

La parte superior del horno, cuya altura es de unos 30 metros, contiene respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por válvulas en forma de campana, por las que se introduce la carga en el horno.

Los materiales se llevan hasta las tolvas en pequeñas vagonetas o cucharas que se suben por un elevador inclinado situado en el exterior del horno.

Las materias primas se cargan (o se vacían) en la parte superior del horno.

Entre estas materias primas se cuentan: mineral de hierro, pellets, chatarra, caliza, cuarzo.

El aire que se inyecta, que ha sido precalentado hasta los 1.030º C aproximadamente, es forzado dentro de la base del horno para quemar coque. El coque en combustión genera el intenso calor requerido para fundir el mineral y produce los gases necesarios para separar el hierro del mineral.

En forma muy simplificada las reacciones son:

Carbono (Coque)

2C

+

Oxígeno (aire)

O2

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Calor

Calor

+

Monóxido de Carbono gaseoso

2CO

Oxido de hierro

Fe2O3

+

Monóxido de Carbono

3CO

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Hierro fundido

2Fe Hierro

+

Dióxido de Carbono gaseoso

3CO2

Impurezas en el mineral derretido 

+

Piedra caliza 

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Escoria

 

Los altos hornos funcionan de forma continua. La materia prima que se va a introducir en el horno se divide en un determinado número de pequeñas cargas que se introducen a intervalos de entre diez y quince minutos. La escoria que flota sobre el metal fundido se retira una vez cada dos horas, y el arrabio se sangra cinco veces al día.

El aire insuflado en el alto horno se precalienta, como dijimos, a una temperatura aproximada de 1.030ºC. El calentamiento se realiza en las llamadas estufas, cilindros con estructuras de ladrillo refractario.

El ladrillo se calienta durante varias horas quemando gas de alto horno, que son los gases de escape que salen de la parte superior del horno. Después se apaga la llama y se hace pasar el aire a presión por la estufa. El peso del aire empleado en un alto horno supera el peso total de las demás materias primas.

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Altos hornos de Huachipato.

Esencialmente, el CO gaseoso a altas temperaturas tiene una mayor atracción por el oxígeno presente en el mineral de hierro (Fe2O3) que el hierro mismo, de modo que reaccionará con él para liberarlo.

Químicamente, entonces, el hierro se ha reducido en el mineral. Mientras tanto, a alta temperatura, la piedra caliza fundida se convierte en cal, la cual se combina con el azufre y otras impurezas. Esto forma una escoria que flota encima del hierro derretido.

Después de la II Guerra Mundial se introdujo un importante avance en la tecnología de altos hornos: la presurización de los mismo. Estrangulando el flujo de gas de los respiraderos del horno es posible aumentar la presión del interior del horno hasta 1,7 atmósferas o más.

La técnica de presurización permite una mejor combustión del coque y una mayor producción de hierro. En muchos altos hornos puede lograrse un aumento de la producción del 25 por ciento. En instalaciones experimentales también se ha demostrado que la producción se incrementa enriqueciendo el aire con oxígeno.

Cada cinco o seis horas, se cuelan desde la parte interior del horno hacia una olla de colada o a un carro de metal caliente, entre 150 a 375 toneladas de arrabio. Luego se transportan a un horno de fabricación de acero. La escoria flotante sobre el hierro fundido en el horno se drena separadamente. Cualquier escoria o sobrante que salga del horno junto con el metal se elimina antes de llegar al recipiente. A continuación, el contenedor lleno de arrabio se transporta a la fábrica siderúrgica (Acería).

Los altos hornos modernos funcionan en combinación con hornos básicos de oxígeno o convertidores al oxígeno, y a veces con hornos de crisol abierto, más antiguos, como parte de una única planta siderúrgica. En esas plantas, los hornos siderúrgicos se cargan con arrabio. El metal fundido procedente de diversos altos hornos puede mezclarse en una gran cuchara antes de convertirlo en acero con el fin de minimizar el efecto de posibles irregularidades de alguno de los hornos.

El hierro recién colado se denomina "arrabio". El oxígeno ha sido removido, pero aún contiene demasiado carbono (aproximadamente 4 por ciento) y demasiadas impurezas (silicio, azufre, manganeso y fósforo) como para ser útil, para eso debe ser refinado, porque esencialmente el acero es hierro altamente refinado que contiene menos del 2 por ciento de carbono.

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Carga de arrabio al convertidor.

La fabricación del acero a partir del arrabio implica no sólo la remoción del carbono para llevarlo al nivel deseado, sino también la remoción o reducción de las impurezas que contiene.

Se pueden emplear varios procesos de fabricación de acero para purificar o refinar el arrabio; es decir, para remover sus impurezas. Cada uno de ellos incluye el proceso básico de oxidación.

Refinación del arrabio

En el alto horno, el oxígeno fue removido del mineral por la acción del CO (monóxido de carbono) gaseoso, el cual se combinó con los átomos de oxígeno en el mineral para terminar como CO2 gaseoso (dióxido de carbono).

Ahora, el oxígeno se empleará para remover el exceso de carbono del arrabio. A alta temperatura, los átomos de carbono (C) disueltos en el hierro fundido se combinan con el oxígeno para producir monóxido de carbono gaseoso y de este modo remover el carbono mediante el proceso de oxidación. En forma simplificada la reacción es :

Carbono 

+

Oxígeno 

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Monóxido de Carbono gaseoso

2C 

+

O2 

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2CO


Yacimientos

En Chile se encuentra la "Franja Ferrífera" que se ubica entre la segunda y la cuarta regiones, donde la Compañía Minera del Pacífico (CMP, empresa CAP) tiene sus principales instalaciones de extracción de mineral de hierro, entre las cuales destacan las minas El Romeral, Los Colorados y la mina El Algarrobo, en la cual la extracción del mineral está en sus últimas etapas. 

El mineral de hierro existe en casi todo el mundo y muchos países son grandes productores de este mineral. Las reservas mundiales de este mineral muestran a Rusia, Brasil e India como los países con importantes reservas.

Principales yacimientos ferríferos  de la  CMP (empresa CAP)

Minas en explotación

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Mina Los Colorados

Esta mina está ubicada al interior del Valle del Huasco en la III Región y reemplazó a la mina El Algarrobo que está próxima a cerrar por agotamiento del mineral. 

Los Colorados tiene reservas por 245 millones de toneladas métricas con una ley media de 48 por ciento de hierro.

La propiedad de este yacimiento se comparte en un 50 por ciento con Mitsubishi Corporation.

   

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Mina El Romeral

Ubicada en la IV Región, produce finos, granzas y pellets feed, tanto para el mercado nacional como para la exportación. 

Sus reservas medidas alcanzan a 38,9 millones de toneladas con una ley media de 48 por ciento de hierro y una ley de corte de 30 por ciento de hierro.

   

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Mina El Algarrobo

Ubicada en la III Región, abastece de preconcentrados de hierro a la Planta de Pellets de Huasco. Esta mina está en sus últimos años de operación debido al agotamiento del mineral. 

Sus reservas medidas alcanzan a 2,6 millones de toneladas, con una ley media de 47,6 por ciento de hierro y una ley de corte de 26,0 por ciento de hierro magnético.

Otras pertenencias sin explotación

El Laco: Ubicada en la II Región, preparado para producir granzas y finos, con reservas estimadas de 224 millones de toneladas.

Cerro Negro Norte: Este es un yacimiento vetiforme que aflora en superficie con una longitud de 1.500 metros y una potencia de 200 metros, ubicado 60 Km. al norte de Copiapó, con recursos magnéticos de 200 millones de toneladas y recursos no magnéticos de 39 millones de toneladas.

Distrito Los Colorados: Es llamado así por su cercanía a la mina "Los Colorados", con recursos estimados de 73 millones de toneladas. Comprende los prospectos Chañar Quemado, Sositas y Coquimbana.

Distrito Algarrobo: Es llamado así por su relativa cercanía a la mina "El Algarrobo", compuesto de varios cuerpos de baja ley y bajo magnetismo, que totalizan un recurso estimado de 130 millones de toneladas. Se incluye en este grupo a Alcaparra D, Algarrobo Este, Ojos de Agua y Domeyko II.

Distrito Pleito Cristales: Corresponde a una serie de yacimientos de intensa oxidación y baja ley, con algunas zonas de alta ley magnética en estructuras vetiformes, con recursos totales de 145 millones de toneladas.

El Tofo : Ubicada en la IV Región, con recursos de 1 millón de toneladas de mineral y con una ley media de 45 por ciento de fierro.

El Romeral Baja Ley: Este es un yacimiento anexo al cuerpo de alta ley de la Mina El Romeral, con recursos estimados de 152 millones de toneladas.

Ver: Hierro en Chile

 

Fuentes Internet:

http://www.ipac.es/acero/historia.asp

http://www.ecoeduca.cl/chatarra/acero2.htm

http://www.infoacero.cl/acero/historia.htm

http://www.infoacero.cl/acero/print/p_que_es.htm

http://www.infoacero.cl/acero/print/p_yacimientos.htm

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