Proceso Metalúrgico General

Metalurgia: Conjunto de operaciones mecánicas y químicas necesarias para separar el metal del mineral, su afino y purificación, obteniendo el metal y transformándolo en formas comerciales.

Proceso Metalúrgico Integral

1. Extracción del mineral
2. Preparación: Molienda, clasificación y concentración.
3. Extracción del metal bruto:
   • Metales poco reactivos con O₂: Fusión.
   • Metales muy reactivos con O₂: Disolvente (separación de mena y ganga).
4. Afino: Purificación (afino térmico o electrolítico).
5. Metalurgia de Transformación: Fusión, extrusión, soldadura, pulvimetalurgia, o deformación mecánica (forja, laminado, trefilado, plegado, embutido).

Siderurgia

Procesos Siderúrgicos Clásicos

La siderurgia clásica implica tres operaciones fundamentales:

• Reducción del mineral: El hierro (Fe) se reduce con carbono en el horno alto, obteniendo fundición (C 2-4%).
• Afino: La fundición se afina para convertirla en acero mediante un proceso de oxidación (descarburación).
• Transformación del acero: Deformación mecánica del acero en caliente o frío, procesos de mecanizado o tratamientos térmicos o termoquímicos.

Fabricación del Acero

La fabricación del acero se realiza mediante el proceso siderúrgico integral (metalurgia extractiva, metalurgia secundaria, metalurgia de transformación) o mediante acería eléctrica.

Proceso Siderúrgico Integral

Materias Primas

• Materias Férricas: Minerales de hierro y prerreducidos. Son sometidos a operaciones de preparación para aumentar su pureza y darles un tamaño apropiado para el horno alto. Las partículas finas de la trituración son aglomeradas para mejorar el rendimiento:
  • Sinterización: Finos + finos de coque + fundentes.
  • Peletización: Finos + H₂O + aglomerante.
• Combustibles y Agentes Reductores:
  • Coque Siderúrgico: Destilación seca del carbón en cámaras cerradas a alta temperatura.
  • Carbón Pulverizado: Se inyecta a través de las toberas en el sinterizado o en los hornos eléctricos.
  • Gases.
• Fundentes y Escorificantes: Se encargan de eliminar la ganga, formando materiales fácilmente fusibles y de fácil eliminación debido a su bajo punto de fusión. (Caliza y Dolomía).

El Horno Alto

Funcionamiento: El horno alto es un reactor vertical donde se realiza la reducción de los minerales, obteniendo arrabio, un producto intermedio que será tratado para obtener acero.

Fases del Proceso en el Horno Alto

1. Carga del horno: Se introducen capas alternadas de mineral + fundente y coque siderúrgico en cantidad y tamaño adecuados.
2. Proceso en el horno: Los materiales descienden por el horno sufriendo transformaciones:
   • El carbono (C) desprendido en la combustión reacciona con el oxígeno (O) que contiene el mineral, aislándolo.
   • A partir de los 1000 °C, los materiales comienzan a fundirse, pasando al crisol en forma líquida.

   Mientras los sólidos descienden, se inyecta aire a través de las toberas para aportar O₂ a la combustión. En el crisol se acumula el arrabio y la escoria fundida.

3. Sangrado del horno: Los productos fundidos en el crisol pasan a través de la reguera y caen en un canal que posee un sifón para separar el arrabio y la escoria.

Reacciones Químicas en el Horno

• 500 °C (Reducción indirecta): Fe₂O₃ → FeO + CO₂ / FeO + CO → Fe + CO₂
• 1000 °C (Reducción directa): FeO + C → Fe + CO

Productos Obtenidos del Horno Alto

• Productos Férricos: Metal bruto en forma líquida llamado arrabio. Puede ser de afino, fundición de moldeo o ferroaleaciones.
• Escorias: Silicatos y aluminatos cálcicos. Dependiendo de su enfriamiento, serán: granulada, cristalizada, dilatada o lana de escoria.
• Gases de Combustión: Se aprovecha su energía para el caldeo de hornos (una vez depurado).

Afino

Afino por Oxígeno (O₂) en Convertidor

Un convertidor es un horno de afino formado por una coraza de acero recubierta internamente con una capa refractaria, abierto por la parte superior y dotado de un sistema que le permite bascular para la carga y descarga. El O₂ se introduce a través de una lanza para inflamar la carga. Por los elementos porosos de la parte inferior se introducen gases inertes (Argón y Nitrógeno) para agitar el baño.

Fases del Proceso de Afino

1. Carga: Inclinando el convertidor se añade parte de la chatarra y del arrabio.
2. Soplado: Se introduce la lanza de O₂ y, una vez inflamada la carga, se introducen los demás materiales.
3. Vertido de la escoria: Se vuelca ligeramente el convertidor para verter la escoria.
4. Adición de ferroaleaciones: Se añade la ferroaleación que interese para dotar a la mezcla de las propiedades deseadas.
5. Descarga: Se inclina el convertidor y se descarga el producto.

Metalurgia Secundaria

Su finalidad es la obtención de aceros con composiciones muy específicas. Para ello, se somete el material a tratamientos específicos con procedimientos como:

• Ajustes de composición.
• Descarburación.
• Desfosforación.
• Desoxidación.

Productos Férricos y sus Propiedades

A medida que aumenta el contenido de carbono, aumentan la dureza y las resistencias mecánicas, así como la resistencia a la oxidación y a la corrosión.

Hierro (FeC, C ≈ 0%)

Se puede forjar, es tenaz, dúctil y maleable, pero no se templa. Es fácilmente oxidable. Se usa para objetos de forja, cerrajería y artesanía, sin grandes aplicaciones estructurales en la construcción.

Fundición (FeC, C > 2%)

Posee gran dureza y resistencia mecánica, pero es muy frágil, ni dúctil ni maleable, y no se templa ni se forja. No se oxida fácilmente. Se usa para mobiliario urbano y elementos de calefacción. Existen dos tipos principales: fundiciones no aleadas y aleadas.

Tipos de Fundiciones No Aleadas

• Fundición Blanca: Presenta todo su carbono combinado en forma de Fe₃C (cementita). Muy dura y frágil. No mecanizable. No apta para el moldeo porque se contrae al solidificar.
• Fundición Gris: Presenta su carbono en forma de grafito laminar. Menos dura y frágil que la blanca. Fácil de mecanizar, buena para moldeo porque se expande al solidificar.
• Fundición Maleable: Se obtiene por descomposición de la cementita de la fundición blanca. Fácilmente deformable, por lo que se moldea mediante deformación mecánica.
• Fundición de Grafito Esferoidal: Presenta su grafito en forma de esferas.
• Fundición de Grafito Compacto: Presenta el grafito en capas gruesas interconectadas.

Acero (C < 2%)

Es dúctil y maleable, se puede forjar y templar, posee buenas resistencias mecánicas, pero es fácilmente oxidable.

Clasificación de Aceros

Aceros No Aleados

El contenido de cualquiera de sus componentes (excepto el carbono) es inferior al límite especificado.

• No Aleados Comunes: No se les exige requisitos específicos de pureza o composición. (Ejemplo: Fachadas de edificios).
• No Aleados Especiales: De mayor pureza que los aceros de calidad, con propiedades mejoradas que cumplen requisitos estrictos. (Ejemplo: Armaduras pretensadas).

Aceros Aleados

Al menos uno de sus componentes (distinto al C) es igual o superior al límite especificado.

• Aleados Comunes: Se les exigen requisitos (tenacidad, tamaño de grano, formabilidad), pero no se les aplican tratamientos térmicos. (Ejemplo: Construcción metálica).
• Aleados Especiales: Control preciso de su composición química y condiciones particulares de elaboración y control. (Ejemplo: Acero inoxidable).

Productos de Acero

• Acero Líquido: Acero en estado líquido que se cuela para obtener lingotes o piezas moldeadas.
• Lingotes y Desbastes:
  • Lingotes: Producto sólido obtenido de la colada de acero en un molde. Destinado a procesos de transformación mediante laminación o forja.
  • Desbastes: Producto obtenido de la colada continua o en lingote. Destinado a transformación mediante laminación en productos planos.
• Productos Planos: Anchura mucho mayor a su espesor.
  • Plano No Recubierto: Sin tratamiento ni recubrimiento. (Flejes y chapas).
  • Plano Recubierto: Laminados con recubrimiento metálico (galvanizado) o pintura (esmaltes).
  • Chapa Perfilada: Formada por una chapa no revestida. (Chapas onduladas o nervadas).
  • Compuesto: Chapas placadas o paneles sándwich.
• Productos Largos: Productos de sección constante, donde predomina una dimensión frente a las otras dos.
  • Alambres (formados en frío, recubiertos o no).
  • Barras obtenidas en caliente.
  • Productos corrugados para hormigón armado.
  • Perfiles soldados.
  • Productos tubulares.

Aceros Utilizados en Construcción

• Para Estructuras Metálicas:
  • No aleados: Perfiles laminados en caliente y perfiles huecos.
  • Aleados: Productos laminados en caliente o frío.

  Regulados por CTE DB SE-A.

• Para Estructuras de Hormigón:
  • Aceros no aleados: Armaduras pasivas.
  • Aleados especiales: Armaduras de pretensado.

Aceros Inoxidables

Se refiere a una gran cantidad de tipos de acero que tienen en común la resistencia a la corrosión atmosférica, a los ácidos/álcalis y a la oxidación a temperaturas elevadas. Poseen gran ductilidad y mala conductividad térmica y eléctrica. Son soldables. Usos comunes: fachadas ligeras, muros cortina, recubrimientos y cubiertas.

Hay 3 tipos principales:

• Austeníticos: Aceros Cromo-Níquel (Cr-Ni). El Níquel aumenta la resistencia a la corrosión. Empleados en arquitectura y usos domésticos. Sensitización: Al ser calentado entre 500 – 800 °C se forma carburo de cromo, que puede originar una corrosión irregular.
• Ferríticos: Aceros al Cromo (Cr). Conservan la estructura ferrítica a cualquier temperatura.
  • Bajo contenido en Cr: Fácilmente soldable, resistente y duro.
  • Alto contenido en Cr: Aumenta la resistencia a la corrosión, pero baja el resto de propiedades. (Usados en industria alimenticia).
• Martensíticos: Aceros al Cromo (menos que los ferríticos). Se pueden templar, dándoles mayor resistencia mecánica y a la corrosión. Mayor conductividad térmica que el resto. (Usados en piezas mecánicas).

Metales No Férricos

Aluminio (Al₂O₃)

Ligero, resistente a la corrosión, fácilmente conformable. Muy reactivo con el oxígeno, por lo que se obtiene mediante electrólisis.

• Aleaciones: 1) Para moldeo (estructuras ligeras). 2) Para forjado/laminado (materiales de revestimiento, carpintería, estructuras ligeras).

Cobre (FeCuS₂)

Fácil de trabajar (blando), buena capacidad de formar aleaciones, buena conductividad térmica y eléctrica.

• Aleaciones: 1) Latón (Cu + Zn). 2) Bronce (Cu + Sn).

Usos: Revestimiento de cubiertas (chapas), electricidad, fontanería/tuberías.

Zinc (ZnCO₃ / ZnS)

Resistente a la corrosión, atacable por ácidos y bases, blando y fácil de laminar.

• Usos: Recubrimiento (galvanizado, electrólisis, sherardización, metalización). Se usa como protector de metales, debido a que está metalúrgicamente unido al acero de la base.

Plomo (PbO₃ / PbS)

Muy denso, poco elástico, muy plástico y dúctil, atacable por H₂O. Es un producto no férrico y no aleable.

Usos: Material de cubrición, elementos resistentes a la radiación, fusibles eléctricos. Se usa en forma de chapas debido a su ductilidad y su resistencia a agentes químicos y atmosféricos.