TECNOLOGÍA DE LOS METALES PDF

Preview

Summary

A. Malishev, O. zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA Nikolaieo, Yu. Shuvalov zyxwvut TECNOLOOIA DE LOS METALES Sexta ed ic ión EDITORIAL • MIR Moscú Tra ducido del ruso zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUT Primera edición 1964 Segunda ed iciÓn 1967 Tercera edición 1970 Cuarta edición 19...

Description

Accelerat ing t he world's research.

TECNOLOGÍA DE LOS METALES hilario hernandez TECNOLOGÍA DE LOS METALES

Cite this paper

Downloaded from Academia.edu 

Get the citation in MLA, APA, or Chicago styles

Related papers ACEROS Y FUNDICIONES Maxner Leandro MONOGRAFIA ACERO CIVIL Jordan Mont es Mat eriales Met álicos Vict or Aldunat e

Download a PDF Pack of t he best relat ed papers 

A. Malishev, O. zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA Nikolaieo, Yu. Shuvalov

TECNOLOOIA DE LOS METALES Sexta ed ic ión

EDITORIAL • MIR Moscú

zyxwvut

Tra ducido del ruso

zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUT

Primera edición 1964 Segunda ed iciÓn 1967 Tercera edición 1970 Cuarta edición 1975 Quinta edición l 979 Sexta edición 1983

(;) Traducción al español, Editorial Mir. 1979

Impreso en la URSS

INTRO DUCCIO N

El curso «Tecn ología de los metales» tiene gran im portancia en la preparación del personal de alta calificación para la industria metalúrgica. En este curso se explican los métodos de pro ducción de los metales ferro sos y no ferro sos, se dan los fundamentos de la metalur gia física, del pro ceso de la fundición, del tratam iento de los metales por presión, soldadur a y corte. Casi todos los metales, a excepción del oro , platino, plata y parcialm ente el cobre, se encuentran en la corteza terrestre en forma de minerales, que son com binaciones quím icas naturales del metal cor otro s elem entos. La ciencia que trata sobre la pro ducción de los metales a partir de los minerales se llam a metalurgia. La extracción de los metales de los minerales se realiza en plantas metalúrgicas. Para em plear adecu adam ente un metal en la construcción de maquinaria y en la ingeniería hay que conocer sus pro piedades físico-quím icas y su estru ctur a intern a. Las pro piedades de los metales y su estru ctur a, así com o los métodos del tratam iento térm ico de éstos se dan detalladamente en el apartado «M etalur gia física», que es una de las partes fundam entales del curso de «Tecnología de los metales». Los metales y aleaciones que tienen buenas pro piedades de fundición se utilizan para obtener piezas moldeadas (fundidas). La tecn ología para obtener fundiciones de calidad se describe en el apartado «Colada».

Una parte considerable de los metales y aleaciones se usa para pro ducir piezas de gran im portancia y piezas prefabricadas, sometiéndolas al lam inado, prensado, estirado, forjado y estam pado. Estos pro cesos se basan en las cualidades plásticas del metal y se exponen en el apartado «Tratam iento de los metales por presión». Uno de los métodos más im portantes en la obtención de constru cciones metálicas zyxwvutsr 5

indivisibles, de tan amplio uso en la actualidad, es la soldadura. Los procedimientos modernos para obtener las junturas indivisibles, así como los de corte por gas o arco eléctrico se dan en el apartado «Soldadura zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDC y corte». Para que las piezas obtengan unas dimensiones exactas y una superficie limpia se las somete a la elaboración por corte. Las operaciones y el equipo utilizado en la elaboración de los metales por corte se explican en el apartado «Elaboración de los metales en frío». El manual tiene por objeto ayudar a los estudiantes de las escuelas técnicas a obtener los conocimientos técnicos básicos sobre la tecnología de los metales, lo que contribuirá a un mejor desempeño de su trabajo en la producción.

Ap a r ta d o

pr

t

mero

zyxw

PRODUCCION DE METALES FERROSOS Y NO FERROSOS zyxwvutsrqponmlkjihgfedc

CA P IT U L O

zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXW 1

PRODUCCION DEL HIERRO FUNDIDO

Los metales ferrosos son aleaciones del hierro con el carbono zyxwvutsr y otros elementos, tales como el silicio, manganeso, fósforo, azufre

y otros. Según el contenido de carbono, las aleaciones de hierro y carbono se dividen en acero y hierro fundido. Acero es una aleación que contiene hasta el 2% del carbono, y hierro fundido, cuando el contenido de carbono es mayor del 2%. En la práctica, raras veces el contenido del carbono en el acero sobrepasa el 1,4 % , mientras que en el hierro fundido se encuentra en los límites de 2,5 a 4,5%. El hierro fundido se obtiene en los altos hornos; y el acero, a base del arrabio. La mayor parte del hierro fundido que se obtiene en los altos hornos se destina a la producción de acero. Cierta parte del hierro de primera fusión se emplea en la producción de bloques. 1. Materias primas para obtener hierro fundido

Como materias primas para obtener hierro fundido se emplean minerales de hierro, combustibles y fundentes. Minerales de hierro. Los minerales de hierro son compuestos naturales que contienen óxido de hierro y la llamada ganga. La ganga contiene en lo fundamental sílice (SiO 2), alúmina (Al2O 3), óxido de calcio (Caü) y óxido de magnesio (Mgü). La utilidad del mineral de hierro para la fusión se determina por el contenido de hierro, por la composición de la ganga y la presencia de impurezas perjudiciales, como el azufre, fósforo, arsénico y otras. Entre los minerales de hierro industriales tenemos: 7

la magnetita zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA (o imán natural) contiene el hierro en forma de óxido ferroso férrico (Fe3zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONML O4). El contenido de hierro en estos minerales oscila, en la práctica, del 45 al 70%. El mineral tiene propiedades magnéticas, gran densidad y color negro; la hematites u oligisto es el óxido de hierro deshidratado (Fe2O3). Este mineral contiene del 50 al 60% de hierro y es de color rojizonegruzco. Se reduce con mayor facilidad que el imán natural (magnetita); la limonita es el óxido de hierro hidratado (2Fe2 O3 -3H2 O). El mineral contiene del 20 al 60% de hierro y tiene color pardo con diferentes matices. Se reduce bien, lo que hace económica la obtención del hierro colado incluso con minerales pobres; la siderita (hierro espático) es la combinación del ácido carbónico con el hierro (FeCO3 ) (carbonato de hierro). El contenido de hierro en este mineral oscila, en la práctica, entre 30 y 42%. El mineral tiene un color gris con matices de amarillo. La siderita se reduce muy bien. zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA

Preparación y enriquecim iento del m ineral. A las operaciones de preparación y enriquecimiento del mineral pertenecen: la trituración, clasificación, calcinación, lavado, separación electromagnética y tostación. El proceso de fusión en los altos hornos, el gasto de combustible y la calidad del hierro colado que se obtiene, dependen de la calidad de preparación del mineral. La trituración se real iza en molinos de mandíbulas o de cono; el mineral triturado se clasifica en cribas o tamices de estructura especial; los pedazos grandes se separan de los finos, los cuales se someten posteriormente a la tostación. Los pedazos de gran tamaño, de 30 a 100 mm, se clasifican en grupos y se envían a la fusión. Para hacer mineral poroso de fácil reducción y libre de impurezas perjudiciales, se somete a calcinación en hornos especiales. Los minerales que tienen mucha arcilla, arena, tierra arcillosa, etc. se lavan con agua. Durante el lavado, la ganga se separa por medio de un chorro fuerte de agua. Los minerales que poseen propiedades magnéticas se clasifican en instalaciones especiales, en las cuales unos imanes eléctricos separan las partículas del mineral de hierro, rechazando la ganga no magnética. Los pedacitos de mineral y cisco de coque se someten a tostación con objeto de obtener pedazos más grandes. El equipo para tostar (fig. 1) consta de una transportadora, compuesta de carros que se mueven por una vía cerrada. La mezcla humedecida del mineral y del combustible desmenuzado se carga sobre las parrillas de los carros, formando una capa de 250 mm, el combustible se inflama por medio de un quemador y se hace pasar aire de arriba hacia abajo. Al quemarse el combustible, la temperatura se eleva a 1 200º-l 300º C, con lo cual los pequeños trozos del mineral se aglomeran en pedazos porosos (aglomerado), adecuados para la fusión en los altos hornos. zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUT 8

Actualm ente se ha em pezado a em plear la tostación de la mezcla de mineral, com bustible y fundente (básico) con el objeto de obtener un aglomerado enr iquecido en fundente. Esta medida aumenta considerablemente la capacidad de pro ducción de los altos horn os y dism inuye el gasto de com bustible en la obtención de hierro fundido.

Fig. l. Esquema del equipo para tostar minerales: •

zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWV

I - tolva de carga: 2 - mezcladora; 3 - quemador; 4 - cárrara de enrarecimiento: 5 - carro; 6 - rueda dentada motriz; 7 - carril: 8 - criba

zyxwvutsrqponmlkjihgfedcb

Combustible. El combustible es una materia orgánica compuesta de una parte inflamable y otra no inflamable («lastre»). Las partes inflamables son el carbono e hidrógeno, al lastre pertenecen el agua, la ceniza y el azufre. Este último, a pesar de que al quemarse produce calor, es un componente indeseable, ya que al penetrar en el metal, empeora sus propiedades. El combustible necesario para el trabajo de los altos hornos ha de ser suministrado en forma de pedazos de un tamaño determinado, poseer una solidez suficiente, ser resistente al desgaste, no formar grietas a altas temperaturas, contener una cantidad mínima de impurezas que se introduzcan en el metal, producir una pequeña cantidad de ceniza al quemarse, tener alto poder calorífico y ser barato. En los altos hornos se utiliza como combustible principalmente el coque y, con menos frecuencia, el carbón vegetal zyxwvutsrq E l coque es el combustible fundamental para la fusión en los altos hornos. Se obtiene por medio de la destilación seca del carbón de piedra. La producción del coque se realiza en hornos especiales a la temperatura de l 000 a 1 100º C. zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPO El coque de buena calidad tiene un color gris claro un tanto plateado, no mancha las manos, es bastante poroso y tiene grietas en su superficie. El coque de Donetsk contiene del 85 al 87% de carbono, del 1,5 al 2% de azufre, del 5 al 9% de humedad y del 10 al ].3% de ceniza. El poder calorífico del coque es de 7 000 a 8 000 kcal/kg. La resistencia al aplastamiento alcanza 140 kg/cm2 • 9

El coque de buena calidad debe tener un pequeño porcentaje de ceniza zyxwvuts y de humedad, así como un pequeño contenido específico de azufre.

Las ventajas del coque son: alto poder calorífico, porosidad, resistencia considerable al aplastamiento y desgaste y bajo costo. Para la producción en los altos hornos el coque se suministra en pedazos de 30 a 80 mm de tamaño. zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA El carbón vegetal se obtiene por medio de la destilación seca de la madera en hornos especiales. El carbón vegetal de alta calidad tiene color negro con matiz brillante. Su composición es de 80-90% de C; 10-12% de (H+O+N) y 0,6-1 % de ceniza. Su poder calorífico es de 6 500 a 8 000 kcal/kg. La ausencia de azufre y el bajo porcentaje de ceniza son las ventajas principales del carbón vegetal; su desventaja es la baja resistencia (cerca de 20 kg/cm2 ) y el alto costo. El carbón vegetal se utiliza solamente para obtener hierro fundido de alta calidad. zyxwvutsrqponmlkjihgf Los fundentes son sustancias minerales que se introducen en el alto horno, donde, al fundirse con las gangas de los minerales y con la ceniza del combustible, producen escorias fácilmente fusibles. Cuando los minerales contienen impurezas de arena y arcilla, se utiliza como fundente la caliza; cuando la composición de la ganga es calcárea, se pueden emplear como fundentes sustancias que contengan sílice, cuarzo, arenisca y cuarcitas. Antes de la fusión los fundentes se trituran en pedazos de 30 a 80 mm.

.

2. Alto horno y su construcción

El alto horno es una instalación de acción continua, cuya capacidad de producción es hasta de 2 000 t de hierro fundido en 24 horas. En la Unión Soviética, los cálculos de los altos hornos modernos fueron elaborados por científicos soviéticos bajo la dirección del académico M. A. Pavlov. En la f ig. 2 se da la sección y el perfil interior de un alto horno moderno. La parte superior del horno se llama tragante 1. Este tiene un cargadero destinado para cargar la mezcla y tubos conductores 2 que dan salida a los gases. Abajo del tragante se encuentra la parte cónica del horno que se llama cuba 3. La parte más ancha del horno se denomina vientre 4. En la parte inferior del vientre se encuentra el etalaje 5, y más abajo. se halla el crisol 6, que tiene forma cilíndrica. El fondo del crisol se llama solera 7; al nivel de la solera se encuentra la piquera 8, que da sal ida a la fundición, y un poco más arriba está situada la bigotera de escorias 9. En la parte superior del crisol están distribuidos por su circunferencia de 12 a 18 orificios, en los cuales encajan los aparatos de las toberas 10, que se emplean para inyectar el «aire». La mampostería del horno (revestimiento) 16 se hace de ladrillos refractarios de chamota. La composición aproximada de la charneta es la siguiente: 50-65% de SiO2 , 35-42% de Al2 O8 , 1,5-3% zyxwvuts 10

de FezyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA 2 O3 ; su capacidad refractaria oscila en los I imites de 1 580 a

1 730º C. El horno está revestido con una zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTS camisa 15, de chapas de acero remachadas o soldadas. En el revestimiento del crisol y del etalaje se instalan tubos (refrigeradores), por los cuales circula el agua. El aire caliente se conduce por el tubo circular 17 hacia las zyxwvutsrq

ºC

m

200 28 375 24

600 20

t'

...,::,

"' l..

~ ....,:;, ~ ~ )

Si I lcio

I

Manganeso

I

Fósforo

Azufre

1,5 - 3 ,5 Hasta 0 ,3 Hasta 0 ,0 7 0 ,3 - 0 ,5 zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA

(T)

Ferroaleaciones: ferrosilicio ferromanganeso

0 ,9 - 2 ,0 0 ,2 - 0 ,9

0 ,6 - 1,5 0 ,8 - 1 ,3

Hasta 0 ,0 7 1,6 - 2 ,0

Hasta 0 ,0 6 Hasta 0 ,0 8

9- 13 2

3 70- 75

0 ,2 0 ,3 5- 0 ,4 5

0 ,0 4 0 ,0 3

4. Las escorias de los altos hornos se utilizan en la producción de ladrillos, bloques y hormigón. Las escorias ácidas se emplean para obtener lana de escorias la cual a consecuencia de su baja conductividad térmica es utilizada como material de aislamiento térmico. 5. El gas del alto horno (de tragante) limpio de polvo se usa como combustible en los recuperadores, en las calderas de vapor y otras instalaciones de producción. El contenido promedio de sus componentes es: CO, 27%; CO2, 12%; H2, 2%; CH4, 0,5%; N2, 58%. Su poder calorífico es aproximadamente de 1 000 cal/m3• Por su poder calorífico pertenece a los gases pobres. Pro b lem as

de

control

l. Enumerar las menas principales de hierro y exponer en pocas palabras sus características. 2. Describir los procesos de preparación de menas para la fundición. 3. Explicar el funcionamiento de una máquina de sinterizar menas en términos de su esquema. 4. Indicar los tipos de combustibles usados en el proceso de alto horno y exponer en pocas palabras sus características. 5. Explicar la marcha del proceso en un alto horno en términos de su esquema. 6. l(i. ¿Qui, Icrroalcacioncs se suelen fundir en altos hornos? 17. ¿Cuál es el propósito de las ferroaleaciones? zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONML

CA P TTU LO

tt

zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVU

PR O D U CCIO N D EL ACER O

zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWV

Como materia prima fundamental para la producción del acero se emplea el arrabio y la chatarra de metales ferrosos. El acero, en comparación con la fundición, contiene una cantidad considerablemente menor de carbono e impurezas, debido a la oxidación de éstas durante la elaboración del acero. Los métodos actuales de obtención del acero son: 1) el de convertidores, 2) el de producción del acero en los hornos Martin y 3) la producción del acero en los hornos eléctricos. 1. Método de convertidores

El método de convertidores para producir el acero, propuesto por el metalúrgico inglés H . Bessemer en 18.55, consiste en soplar aire comprimido a arrabio vertido en una retorta especial llamada convertidor. El convertidor es un gran recipiente en forma de pera / (fig. 4) hecho con chapas ele acero remachadas ele 1.5-30 mm ele espesor. La cavidad interior del convertidor 'l está revestida con material refractario (revestimiento), formando una capa ele unos 300 mm de espesor. El volumen útil del convertidor alcanza 30 t. El aire entra por el fondo sustituible 3, zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPO que tiene cerca de 300 orificios; por abajo los orificios están cerrados con una caja 4, en la cual entra el aire a través del eje hueco y la tubería 5. Un mecanismo especial hace bascular el convertidor a la posición horizontal para la carga del metal o descarga del acero fundido a través de la boca 7. Al realizar la fundición del acero, el convertidor se pone en la posición vertical lo que coincide con el suministro máximo de aire a presión de 1,.5-2,5 at *. Según la composición química del arrabio a transformar se real iza la conversión ácida o básica. La conversión ácida, llamada método Bessemer, se efectúa en e] convertidor con revestimiento ácido de ladrillos Dinas, que es U [ material refractario que contiene del 90 al 97% de Si0 2 •

*

Atmósfera técnica= 1 kg/crn".

2-4169

zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA 17

El revestim iento ácido se corro e por las escorias básicas; por eso co n el m étodo Bessem er se puede tra tar sólo arra bios silíc eos que pro duzcan escorias ácidas. Adem ás, el hierro que se tra nsfo rm a ha de tener un contenido m ínim o de fósfo ro y azufre, ya que estas im purezas no se elim inan durante la conversión debido a la ausencia de escorias básicas. zyxwvutsrq

6

Fig. 4. Esquema del convertidor

Antes de empezar el suministro de aire, el convertidor se coloca en la posición horizontal (fig. 5), se calienta y después se carga con arrabio 1 íquido hasta aproximadamente 1/3 de su volumen. Posteriormente se suministra aire y se bascula el convertidor a la posición vertical (de trabajo). En el proceso de transformación del arrabio en acero se distinguen tres períodos.

Fig. 5. Convertidor en la posición de carga y trabajo

El primer período se caracteriza por aparición de abundantes

1

chispas por encima de la boca del convertidor. La aparición de las chispas se explica por la acción mecánica del aire en el hierro fundido, que arrastra pequeñas gotas de hierro, las cuales se queman en el aire produciendo las chispas. En este período empieza la oxidación enérgica de las impurezas del hierro a consecuencia de la acción mutua zyxwvu 18

entre el óxido de hierro formado y el silicio y el manganeso que hay en el hierro. Estos procesos se real izan según las siguientes reacciones: Fe+f O,=FeO-i-64430 cal;

2FeO+SizyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSR =2fe-l-SiO,+78990 cal; FeO+Mn=Fe+MnO+32290 cal. 0

La oxidación del silicio va acompañada por un desprendimiento considerable de calor y un aumento brusco de la temperatura de la fundición. zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA El segundo peri, ,¡f,, zyxwvutsrqponmlkjihgfedcbaZYXWVUTSRQPONMLKJIHGFEDCBA empieza con el aumento de la temperatura hasta 1 500º C, lo que C1 L ·:1 condiciones para una combustión intensa del carbo...