En este objeto de aprendizaje se presenta el manejo del arrabio para su purificación y la formación de lingotes para su almacenamiento.
Obtención y producción del hierro y acero
Arrabio, lingotes y tochos
Se puede decir que el arrabio es un hierro de baja calidad, pues su contenido de carbón no está controlado y la cantidad de azufre rebasa los mínimos permitidos en los hierros comerciales, sin embargo, es el producto de la fusión primaria del hierro, y los hierros y aceros comerciales proceden de él. Una carga normal de arrabio contiene los siguientes materiales:
Hierro (Fe) |
93.5-95.0% |
Silicio (Si) |
0.30 -0.90% |
Azufre (S) |
0.025-0.050% |
Manganeso (Mn) |
0.55-0.75% |
Fósforo (P) |
0.03-0.09% |
Titanio (Ti) |
0.02-0.06% |
Carbón (C) |
4.1-4.4% |
El arrabio purificado es uno de los diversos métodos empleados para la obtención de acero. En 1855, Henry Bessemer desarrolló el horno o convertidor que lleva su nombre, y en el que el proceso de refinado del arrabio se lleva a cabo mediante chorros de aire a presión que se inyectan a través del metal fundido. En el proceso Siemens-Martin, o de crisol abierto, se calientan previamente el gas combustible y el aire por un procedimiento regenerativo que permite alcanzar temperaturas de hasta 1650 ºC. También existe el llamado horno básico de oxígeno (BOF) y el horno de arco eléctrico. Todos ellos, salvo algunas diferencias clave, procesan el arrabio, añadiendo los componentes que sean necesarios para el tipo de acero que se quiera producir.
Los elementos normalmente usados en la purificación del arrabio para su conversión en acero son oxígeno, chatarra y caliza. Una vez purificado se le agregan elementos como níquel, cromo, vanadio, etc. Con base en estos últimos elementos se define la cantidad llamada carbono equivalente como:
Los elementos usuales agregados en la purificaci�n del arrabio dar�n las caracter�sticas espec�ficas al acero producido, por ejemplo, el cobre hace que mejore la resistencia a la corrosi�n atmosférica; el manganeso es un desoxidante que neutraliza al azufre, lo que mejora su resistencia; el silicio actúa como desoxidante y permite el endurecimiento de las aleaciones del acero. Existen también elementos como el azufre y el f�sforo que empobrecen la tenacidad del acero, por lo que se busca eliminarlos o minimizar su cantidad.
Lingotes
Los lingotes son barras de acero con una forma determinada que pueden pesar desde unos cuantos kilogramos hasta cerca de tres toneladas. Esta forma intermedia del acero es usada con dos fines: primero, puede ser útil cuando la capacidad de terminar el acero es limitada, por lo que se necesita almacenar la cantidad que no se pueda procesar de inmediato; segundo, dar una forma específica al lingote permite que una vez recalentado y pasado por una prensa de rodillos tome una forma útil para alguna aplicación específica (forjado y laminado). Los lingotes más grandes llegan a medir 50 centímetros por lado y 1.5 metros de largo, y se les denomina generalmente tochos.
El vaciado en molde del material de fundición, provee en su solidificación una muestra de su estructura y generalmente es estudiada a través de tres zonas identificables en el lingote: zona templada, zona columnar y zona equiaxial. La zona templada es una estrecha banda de granos, orientados al azar y se localiza sobre la superficie de la pieza. La zona columnar está formada por granos alargados orientados en función de las propiedades del material, creciendo de manera opuesta a la dirección del flujo de calor. La zona equiaxial contiene granos nuevos orientados al azar y su presencia se debe a una baja temperatura de vaciado o por la adición de elementos aleantes.
Tochos
Los tochos son una clase especial de lingotes, y son considerados producto intermedio, es decir se puede comercializar directamente. Una de las características de los tochos es que su sección transversal es perfectamente cuadrada o circular. Estos elementos se pueden distribuir para la fabricación de piezas mecánicas especiales mediante un proceso de maquinado (por ejemplo para fabricar engranes), o pueden ser recalentados para moldearlos como piezas finales, como perfiles laminados: en forma de T, ángulo, W, canal, placa, o simplemente en barras.