proceso tecnológicos de obtención del hierro y acero. PDF

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Se ecentra un resumen acerca de los procesos tecnologicos de la obtencion del hierro y acer, los procesos tecnologicos para la obtencion del acero, el afino del acero. 1.2 Procesos básicos de uso industrial aleaciones de cobre,
aluminio y titanio...

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INSTITUTO TECNOLOGICO DE TIJUANA Subdirección académica Departamento de Ingeniería Industrial

PROCESOS DE FABRICACIÓN

Docente: García Saldaña Jesús Ernesto Alumno

García López Francisco Antonio 20212581 INVESTIGACIÓN UNIDAD I ❖ ❖ ❖ ❖ ❖

Proceso tecnológico del hierro de primera fusión. Procesos básicos de uso industrial aleaciones de cobre, aluminio y titanio Funcionamiento del proceso tecnológico y otros productos obtenidos. Afino de acero Procesos tecnológicos para la obtención del acero. Hornos BOF; Eléctricos; Convertidores Bessemer y Thomas.

Tijuana, B. C.

08 de marzo del 2022

Índice 1.1 Proceso tecnológico del hierro de primera fusión .............................................. 3 Para la producción de hierro y acero son necesarios cuatro elementos fundamentales ..................................................................................................... 4 Extracción ......................................................................................................... 5 Trituración y Molienda....................................................................................... 5 Clasificación ...................................................................................................... 5 Concentración ................................................................................................... 5 1.2 Procesos básicos de uso industrial aleaciones de cobre, aluminio y titanio ...... 6 COBRE ................................................................................................................ 7 ALUMINIO............................................................................................................ 7 TITANIO ............................................................................................................... 8 1.3 Funcionamiento del proceso tecnológico y otros productos obtenidos. ............ 8 Lingotes y colada continua ................................................................................... 8 Colada continua ................................................................................................... 9 Metalurgia de polvos ............................................................................................ 9 El proceso de manera general consiste en: ...................................................... 9 Producción y caracterización de polvos ............................................................ 9 Ventajas y limitaciones de la sinterización ...................................................... 10 Productos fabricados por sinterización ........................................................... 11 1.4 Afino del Acero ................................................................................................ 11 1.5 Procesos Tecnológicos para la obtención del acero BOF, Horno Eléctrico, Convertidores Bessemer, Thomas. ....................................................................... 12 Horno básico de oxígeno (BOF) ........................................................................ 13 Horno de arco eléctrico ...................................................................................... 13

1.1 Proceso tecnológico del hierro de primera fusión Hace muchísimos años, el hierro era un metal raro y precioso. En la actualidad, el acero, una forma purificada del mineral del hierro, se ha convertido en uno de los servidores más útiles de la humanidad. La naturaleza proporcionó las materias primas como son: mineral de hierro, el carbón mineral y la piedra caliza y el ingenio humano lo convirtió en un incontable número de productos. El primer paso en la fabricación de cualquier hierro o acero es la producción del arrabio o hierro de primera fundición, en el alto horno. Con aproximadamente 40 m de altura, es un enorme cascarón de acero recubierto con ladrillo resistente al calor. Una vez encendido, el alto horno es de producción continua, hasta que necesite renovarse la capa de ladrillo, o hasta que disminuya la demanda de arrabio . El mineral de hierro, el coque y la piedra caliza se miden con todo cuidado y se transportan hasta la parte superior del horno en una vagoneta de concha . Cada ingrediente se descarga por separado en el horno, la temperatura en el fondo del horno alcanza los 1650 °C o más. El hierro fundido escurre hacia abajo, acumulándose en la base del alto horno. El hierro fundido de primera fusión, o arrabio se vacía periódicamente en carros cuchara o carros torpedo con los cuales se llenan lingoteras o bien se conducen a mezcladoras calientes donde se almacenan y se mezclan con otras fundiciones para curarse posteriormente en algún proceso de obtención del acero (refinación de arrabio). Los lingotes se someten a una operación de enfriamiento para convertirse mediante procesos metalúrgicos posteriores, en: hierro fundido de segunda fusión, hierro dulce, hierro maleable o bien acero.

El diagrama general de la fusión primaria del hierro integra a la mayoría de las actividades que se desarrollan en el proceso productivo. No se debe olvidar que los diagramas de flujo son una de las herramientas más utilizadas por los ingenieros industriales y que de manera automática los deben utilizar o elaborar.

Principales minerales extraídos del hierro ➢ ➢ ➢ ➢

Hematita (mena roja) 70% de hierro Magnetita (mena negra) 72.4% de hierro Siderita (mena café pobre) 48.3% de hierro Limonita (mena café) 60-65% de hierro

Para la producción de hierro y acero son necesarios cuatro elementos fundamentales 1. Mineral de hierro 2. Coque 3. Piedra caliza 4. Aire Los tres primeros se extraen de minas y son transportados y preparados antes de que se introduzcan al sistema en el que se producirá el arrabio. El arrabio es un hierro de poca calidad, 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 un proceso conocido como la fusión primaria del hierro y del cual todos los hierros y aceros comerciales proceden. La piedra caliza se combina con la sílice (SiO2) presente en el mineral (la sílice no se funde a la temperatura del horno) para formar silicato de calcio (Ca SiO4), de menor punto de fusión. Si no se agregara la caliza, entonces se formaría silicato de hierro (Fe2SiO4), con lo que se perdería el hierro metálico, allí está la importancia de la piedra caliza. La cal se combina con impurezas tales como sílice (Si O 2), azufre (S) y aluminio (Al2O3) para formar silicatos de calcio y de aluminio, en reacciones que producen una escoria fundida que flota encima del hierro. El arrabio o hierro de primera fusión no se puede utilizar directamente en la industria por ser muy quebradizo debido a sus impurezas y poca resistencia contiene excesivo carbón, de 2.2% a 4.5%, además de cantidades de silicio, magnesio, fósforo cuyos contenidos son muy variables. Extracción El mineral extraído de una mina de fierro puede ser de carga directa a los altos hornos o puede requerir de un proceso de paletización para ser utilizado en la producción del acero, esto según sea su calidad. Es importante destacar que si el mineral posee bajo contenido de impurezas (principalmente fósforo y azufre), puede ser utilizado para carga directa, requiriendo sólo tratamientos de molienda y concentración. Trituración y Molienda La trituración se realiza tiene por objeto reducir el tamaño de los minerales. Se hace en seco en máquinas llamadas trituradoras, que pueden ser de mandíbulas o giratorias. Clasificación Es la separación del material obtenido en los procesos anteriores por tamaños similares. Se utilizan diversos instrumentos y procedimientos. Por ejemplo: Criba: Separan el material por tamaño, por una parte, los que pasan por una malla y los que no pasan. Tamiz: Es una criba fina y se usa para obtener partículas muy pequeñas. Procedimiento de clasificación hidronímica: Se basa en el principio de que un líquido donde se introducen las partículas de mineral obtenido en los procesos anteriores, por efecto de las diferentes velocidades de caída. Concentración Es la operación de separar la mena de la ganga. Los procedimientos son: Flotación: Se separan las partículas de materiales diferentes haciendo que las de uno de ellos flote sobre un líquido y las demás estén sumergidas en él.

Separación magnética: Un material con propiedades magnéticas se puede separar de la ganga aplicando al conjunto un campo magnético. Bregueteado: Se suministra esponja de hierro granular a una prensa de rodillos a temperaturas de 600 a 850ºc para moldeado de briquetas 1 calientes. Se produce una estructura de tira de esponja de hierro que contiene las briquetas calientes formadas, las cuales se colocan a una distancia entre sí. Al desintegrar la estructura de tira, las briquetas calientes se separan entre sí, de manera que se obtienen fragmentos de la estructura de tira. Peletización: Para poder utilizar este proceso debe de quedar el mineral en forma de partículas muy finas. Con partículas de mayores tamaños, se obtienen pelets defectuosos. La paletización se caracteriza porque el mineral fino se aglomera en forma de bolitas con un cierto grado de humedad, y luego, en otra segunda operación, esas bolitas crudas (en verde) se endurecen por cocción en hornos apropiados. El proceso de peletización consta de tres fases principales: a) Preparación de polvo de mineral de la granulometría adecuada. b) Fabricación en verde con un cierto grado de humedad de las bolitas o pelets. c) Endurecimiento de los pelets a temperaturas muy elevadas para obtener bolas de porosidad adecuada, y suficientemente duras y resistentes para su manutención, transporte y tratamiento en el horno alto. Los hierros de primera fusión son el arrabio y la escoria, que se explicaron anteriormente.

1.2 Procesos básicos de uso industrial aleaciones de cobre, aluminio y titanio En la industria los usos de los metales dependen en primer lugar, de sus propiedades características, como la resistencia, dureza, conductividad eléctrica y conductividad térmica. En segundo lugar, dependen de su interés para realizar determinadas funciones químicas.

COBRE Es el elemento químico de numero atómico 29. Se trata de un metal de transición de color cobrizo(rojizo) y brillo metálico que, junto con la plata y el oro, forma parte de la llamada familia cobre. El cobre es uno de los pocos metales que pueden encontrarse en la naturaleza en estado nativo. Propiedades Físicas: Es el elemento con mayor conductividad eléctrica y térmica. Propiedades Químicas: tanto el cobre como sus aleaciones tienen una buena maquinabilidad, es decir, son fáciles de mecanizar. Aleaciones de cobre El cobre se alea principalmente con los siguientes elementos: Zinc, Estaño, Aluminio, Níquel, Berilio, Silicio, Cadmio, Cromo y otros en menor cantidad. Según los fines a los que se destinan en la industria, se clasifican en aleaciones para forjar y en aleaciones para moldeo. El cobre se utiliza en tuberías, conexiones de cobre, sistemas de aire acondicionado, fabricación de implementos de cocina, construcción naval, etc. ALUMINIO El aluminio es un elemento químico, de símbolo Al y numero atómico. Se trata de un metal no ferromagnético. Es el tercer elemento más común encontrado en la corteza terrestre. Propiedades Físicas: El aluminio tiene un color blanco plateado. Se derrite a los 1.220,576, Fahrenheit (660,32 Celsius) y hierve a los 4.472,33 (2.466,85 Celsius). El aluminio tiene un peso atómico de 26,98154 y un radio atómico de 143,1 pm. Es uno de los metales más dúctiles y maleables. No es magnético. Propiedades Mecánicas: Es un material blando adecuado para la fabricación de cables eléctricos y láminas delgadas. Propiedades Químicas: Cuando entra en contacto con el oxígeno, el aluminio forma una copa de oxido que se conoce como oxido de aluminio. Esta capa lo ayuda a protegerlo de la corrosión. Aleaciones del aluminio: Aluminio-Zinc, Silicio, Zinc, Manganeso.

TITANIO Es un elemento químico de símbolo Ti y un numero atómico 22 que se sitúa en el grupo 4 de la tabla periódica de los elementos. Es un metal de transición de color gris, baja densidad y gran dureza. Es muy resistente a la corrosión por agua del mar y cloro. Propiedades físicas: El titanio es el elemento metálico que posee la mayor proporción de dureza-densidad. Es un metal fuerte, con una baja densidad y alta ductilidad. Propiedades Químicas: El titanio presenta una gran resistencia a la corrosión, comparable a la del platino, capaza de resistir el ataque de ácidos como el sulfúrico y otros ácidos hidroclorídricos. Aleaciones de Titanio: Hierro, aluminio, vanadio y molibdeno. Se utilizan principalmente en aviones, blindaje, buques de guerra, naves espaciales, misiles e implantes dentales y quirúrgicos, etc.

1.3 Funcionamiento del proceso tecnológico y otros productos obtenidos. Lingotes y colada continua Para fabricar los diferentes objetos útiles en la industria metal metálica, es necesario que el hierro se presente en barras, láminas, alambres, placas, tubos o perfiles estructurales, los que se obtienen de los procesos de rolado. El proceso de rolado consiste en pasar a un material por unos rodillos con una forma determinada, para que al aplicar presión el material metálico adquiera la forma que se necesita. El material metálico que se alimenta a los rodillos debe tener una forma determinada, esta forma se obtiene al colar en moldes el metal fundido que será procesado, a estos productos se les llama lingotes o lupias y pueden ser secciones rectangulares, cuadradas o redondas. Los lingotes (cilindros con un extremo menor que el otro) o lupias (lingotes de gran tamaño con secciones rectangulares) pueden tener desde 25 Kg. hasta varias toneladas, todo dependerá de para qué se van a utilizar y con qué tipo de rodillos se van a procesar

Colada continua Cuando se requiere un material de sección constante y en grandes cantidades se puede utilizar el método de la colada continua, el cual consiste en colocar un molde con la forma que se requiere debajo de un crisol, el que con una válvula puede ir dosificando material fundido al molde. Por gravedad el material fundido pasa por el molde, el que está enfriado por un sistema de agua, al pasar el material fundido por el molde frío se convierte en pastoso y adquiere la forma del molde. Posteriormente el material es conformado con una serie de rodillos que al mismo tiempo lo arrastran hacia la parte exterior del sistema. Una vez conformado el material con la forma necesaria y con la longitud adecuada el material se corta y almacena. Por este medio se pueden fabricar perfiles, varillas y barras de diferentes secciones y láminas o placas de varios calibres y longitudes. La colada continua es un proceso muy eficaz y efectivo para la fabricación de varios tipos de materiales de uso comercial. Metalurgia de polvos Se define como el arte de elaborar productos comerciales a partir de polvos metálicos. En este proceso no siempre se utiliza el calor, pero cuando se utiliza este debe mantenerse debajo de la temperatura de fusión de los metales a trabajar. Cuando se aplica calor en el proceso subsecuente de la metalurgia de los polvos se le conoce como sinterizado, este proceso genera la unión de partículas finas con lo que se mejora la resistencia de los productos y otras de sus propiedades. El proceso de manera general consiste en: 1. Producción de polvo de los metales que serán utilizados en la pieza 2. Mezclado de los metales participantes 3. Conformado de las piezas por medio de prensas 4. Sinterizado de las piezas 5. Tratamientos térmicos Producción y caracterización de polvos El tamaño, forma y distribución de los polvos afectan las características de las piezas a producir, por lo que se debe tener especial cuidado en la forma en la que se producen los polvos. Las principales características de los polvos a considerar son: 1. Forma 2. Finura

3. 4. 5. 6. 7. 8.

Distribución Capacidad para fluir Propiedades químicas Compresibilidad Densidad Propiedades de sinterización.

Forma: La forma del polvo depende de la manera en la que se produjo el polvo, esta puede ser esférica, quebrada, dendrítica. Plana o angular. Finura: La finura se refiere al tamaño de la partícula, se mide por medio de mallas normalizadas, las que consisten en Cribas normalizadas, las que se encuentran entre las 36 y 850 micras. Distribución de los tamaños de partículas: Se refiere a las cantidades de los tamaños de las partículas que participan en la composición de una pieza de polvo, esta distribución de tamaños tiene gran influencia en la fluidez y densidad de las partículas y en la porosidad final del producto. Fluidez: Es la propiedad que le permite fluir fácilmente de una parte a otra o a la cavidad del molde. Se mide por una tasa de flujo a través de un orificio normalizado. Propiedades químicas: Son características de reacción ante diferentes elementos. También se relacionan con la pureza del polvo utilizado. Compresibilidad: Es la relación que existe entre el volumen inicial del polvo utilizado y el volumen final de la pieza comprimida. Esta propiedad varía considerablemente en función del tamaño de las partículas de polvo y afecta directamente a resistencia de las piezas. Densidad: aparente Se expresa en kilogramos por metro cúbico. Esta debe ser constante siempre, para que la pieza tenga en todas sus partes la misma cantidad de polvo. Ventajas y limitaciones de la sinterización La sinterización es la unión de las partículas por medio del calor. Dependerá del tipo de polvo que se esté utilizando, por lo que existen tantas temperaturas de sinterización como materiales utilizados. Ventajas ➢ La producción de carburos sinterizados, cojinetes porosos y bimetálicos de capas moldeadas, sólo se puede producir por medio de este proceso. ➢ Porosidad controlada. ➢ Tolerancias reducidas y acabado superficial de alta calidad. ➢ Por la calidad y pureza de los polvos producidos, se pueden obtener también piezas de alta pureza. ➢ No hay pérdidas de material

➢ No se requieren operarios con alta capacitación. Limitaciones I. II. III. IV. V. VI.

Los polvos son caros y difíciles de almacenar. El costo del equipo para la producción de los polvos es alto. Algunos productos pueden fabricarse por otros procedimientos más económicos. Es difícil hacer productos con diseños complicados. Existen algunas dificultades térmicas en el proceso de sinterizado, especialmente con los materiales de bajo punto de fusión. Algunos polvos de granos finos presentan riesgo de explosión, como aluminio, magnesio, zirconio y titanio.

Productos fabricados por sinterización ❖ Filtros metálicos ❖ Carburos cementados ❖ Engranes y rotores para bombas ❖ Escobillas para motores ❖ Cojinetes porosos ❖ Magnetos ❖ Contactos eléctricos

1.4 Afino del Acero En los procesos de fabricación del acero, ¿se obtiene en la colada la calidad, pureza y composiciones deseadas? La respuesta a esta pregunta, en general, es no. Cualquiera que sea el proceso de obtención del acero, siempre trae consigo la presencia de impurezas, gases, incrustaciones y segregaciones que hacen necesario la implementación de procesos de refinación posterior, comúnmente conocidos como “afino” del acero Aunque casi todo el hierro y acero que se fabrica en todo el mundo se obtienen a partir de arrabio producido en altos hornos, hay otros métodos de refinado del hierro que se han practicado de forma limitada. Uno de ellos es el denominado método directo para fabricar hierro y acero a partir del mineral, sin producir arrabio. En este proceso se mezclan mineral de hierro y coque en un horno de calcinación rotatorio y se calientan a una temperatura de unos 950 ºC. El coque caliente desprende monóxido de carbono, igual que en un alto horno, y reduce los óxidos del mineral a hierro metálico. Los modernos métodos de producción del acero utilizan el arrabio como materia prima. El afino se efectúa por los siguientes métodos: convertidor (hogar abierto), proceso de inyección por oxígeno (soplado) y con horno eléctrico. En el primer método el afino del arrabio se efectúa dentro de un gran recipiente revestido de una materia refract...