El hierro colado (o cast iron) utilizado en las primeras estructuras era producido en fundición de altos hornos, pero no podía ser forjado y era extraordinariamente quebradizo. Se fundía rápidamente ante la acción del calor y, aunque trabajaba bien a la compresión, no tenía resistencia a la tracción. La primera construcción en este tipo de hierro corresponde al puente sobre el río Severn en 1775. El hierro forjado que fue empleado por Eiffel en sus construcciones de fines del siglo XIX, también llamado hierro batido o hierro dulce, tiene una mejor resistencia a la tracción, y se obtiene a partir del hierro colado al que se le oxidan las impurezas en hornos en los que se remueve la carga batiendo la mezcla fundida con barras de acero. Este tipo de hierro es posible de laminar en formas de pletinas y ángulos y otras secciones.
En la producción del acero se requiere la presencia de varias materias primas que cumplen distintas funciones en su proceso de producción. Ellas son:
MINERAL DE HIERRO:
El mineral de hierro es un compuesto de hierro, oxígeno e impurezas como el azufre, sílice y fósforo. Los minerales de baja ley son triturados hasta convertirse en polvo. Las partículas de hierro se separan magnéticamente y luego se concentran y fusionan en pellets con un alto contenido de hierro.
COQUE:
Sirve como combustible al quemarse rápidamente con un calor suficientemente intenso como para fundir el mineral. La combustión genera los gases necesarios para desprender el oxígeno del mineral. También proporciona el carbono que se requerirá mas tarde para la fabricación del acero.
PIEDRA CALIZA:
La piedra caliza triturada es una piedra gris compuesta principalmente por carbonato de calcio. Derretida purifica el hierro y actúa como fundente (empleado para remover materiales indeseados) absorbiendo el azufre, fósforo e impurezas. Esto forma una escoria, que flota sobre el hierro líquido.
AIRE:
Es la materia prima de mayor presencia en la producción de hierro: se ocupan aproximadamente tres y media toneladas de aire por cada tonelada de arrabio producida. El aire se emplea para mantener la combustión y para suministrar el oxígeno necesario para las reacciones químicas. Precalentado hasta 1.100ºC aproximadamente se inyecta a alta presión dentro de la base del horno.
En general, se habla de una siderurgia integrada cuando la producción del acero se realiza a partir del mineral de hierro. En este caso, existen básicamente dos procesos diferentes:
a) Altos Hornos: Como se observa en el diagrama siguiente la producción se inicia cargando las materias primas (mineral de hierro, carbón coque y piedra caliza) por la parte superior del alto horno inyectando aire precalentado a aprox. 1.100ºC en la base del horno, lo que quema el coque generando altísimas temperaturas que funden el mineral y liberan gases que permiten separar el hierro del mineral. La piedra caliza a esas temperaturas se convierte en cal y captura parte de las impurezas, especialmente azufre y forma una escoria que flota sobre el mineral fundido. El material resultante de este proceso se denomina arrabio y contiene aún importante proporción de carbono e impurezas que se reducen en las etapas subsiguientes.
El arrabio es transportado al horno convertidor de oxígeno donde se le adiciona una parte de material de chatarra (aprox. 25% de la carga) y, mediante una lanza enfriada por agua, se le inyecta oxígeno puro a presión, generando temperaturas de 1.650ºC. En estas condiciones, el oxigeno se combina con el exceso de carbono en forma de gas y quema rápidamente otras impurezas que terminan flotando como escoria. El ajuste fino de la composición del acero se realiza en el horno cuchara (también llamada metalurgia secundaria. En esta etapa se adicionan las ferro-aleaciones de acuerdo al tipo de acero que se requiere producir.
El proceso se completa con la desgasificación removiendo los gases producidos durante el proceso (oxígeno, hidrógeno y nitrógeno), lo que se logra mediante dos procesos posibles (desgasificación por flujo o en la olla de colada). Finalmente, el acero fundido se vierte desde la olla de colada dentro de un depósito en forma de embudo desde el que fluye -a una velocidad regulada- dentro de un molde con superficie de cobre refrigerado por agua cuya forma hueca interior corresponde a la forma deseada de los llamados productos semi terminados: tochos, palanquillas y planchones. Los tochos y palanquillas son de sección cuadrada (comúnmente de 150mm por lado) y difieren en el largo en que se corta. Los planchones son de sección rectangular y varían entre 150 y 200mm de espesor por alrededor de 1.000mm de ancho. El acero, ahora sólido, se desplaza hacia una mesa de salida donde se corta al largo deseado mediante un soplete de corte. Desde allí se traslada mediante una correa transportadora hacia una planta de acabado para pasar al proceso de laminado.
b) Reducción Directa: el horno de reducción directa es alimentado por la parte superior con mineral de hierro generalmente en forma de pellets inyectándole un gas reductor rico en monóxido de carbono e hidrógeno que reacciona con el óxido de hierro removiendo el oxígeno y convirtiéndolo en hierro metálico, que puede ser producido en forma de hierro esponja o en briquetas, las que posteriormente son procesadas en el horno eléctrico al arco.
Por su parte, las acerías, basan su producción en hornos eléctricos que, en vez de usar el oxígeno puro como combustible para generar las altas temperaturas requeridas, funden chatarra (o proporciones de hierro de reducción directa) creando un arco eléctrico entre los electrodos y la carga metálica.
La laminación del acero consiste en transformar los productos semi terminados reduciendo su sección hasta secciones deseadas, con el consiguiente alargamiento. En general, los tochos y palanquillas dan origen a la familia de los productos largos, en tanto los planchones dan origen a productos planos. El proceso de laminación en caliente se hace altas temperaturas y, tiene efectos no sólo sobre la dimensión de los elementos sino también sobre la estructura granular del acero, mejorando la dureza, resistencia y ductilidad. Entre otros efectos menos deseados de la laminación en caliente cabe mencionar la oxidación (cascarilla de laminación) y la consecuente imperfección de las tolerancias dimensionales. La laminación en frío se hace a temperatura ambiente y otorga a las planchas y flejes un acabado liso de la superficie, alta precisión dimensional y propiedades mejoradas (aumenta la dureza y resistencia aunque reduce la ductilidad)
TIPOS DE ACERO
Los aceros al carbono son aquellos que contienen solamente carbono y hierro con pequeñas adiciones de manganeso y otras pequeñas cantidades de elementos impuros y representan cerca del 85% del total de la producción en acero.
Los aceros de aleación contienen uno o más elementos de aleación distintos del hierro y del carbono que se agregan con el propósito de asegurar propiedades que no se obtienen mediante aceros al carbono. Algunos efectos buscados con los elementos de aleación son:
- Mayor resistencia y dureza.
- Mayor resistencia a los impactos.
- Aumento de la resistencia al desgaste.
- Aumento de la resistencia a la corrosión.
- Mejoramiento de la maquinabilidad.
- Dureza al rojo (Dureza a altas temperaturas).
- Aumento de la profundidad a la cual el acero puede ser endurecido (Penetración de temple).
Existen tres categorías de clasificación de estos aceros de aleación:
Aceros de Aleación Estructurales que 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% a un 6%.
Aceros de Aleación para Herramientas que son aceros de alta calidad y se emplean en herramientas para cortar y modelar metales y no-metales.
Aceros de Aleación Especiales son los aceros inoxidables y aquellos con un contenido de cromo generalmente con un contenido superior al 12%. 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.
Los elementos de aleación más comunes y su efecto sobre las propiedades del acero son:
Aluminio: Se emplea en pequeñas cantidades actuando como desoxidante y produce un acero de grano fino.
Boro: Aumenta la templabilidad (profundidad a la que el acero puede ser endurecido)
Cromo: Aumenta la profundidad de endurecimiento y mejora resistencia al desgaste y la corrosión.
Cobre: Mejora la resistencia a la corrosión atmosférica.
Manganeso: Actúa como desoxidante y neutraliza los efectos nocivos del azufre. Facilita la laminación y moldeo. Aumenta la penetración del temple y mejora resistencia y dureza. Por sus propiedades constituye un elemento básico de todos los aceros comerciales.
Molibdeno: Mediante el aumento de la penetración del temple, mejora las propiedades del tratamiento térmico aumentando, asimismo, la dureza y resistencia a altas temperaturas.
Níquel: Mejora las propiedades del tratamiento térmico reduciendo la temperatura de endurecimiento y distorsión al ser templado. En combinación con el cromo aumenta la dureza y la resistencia al desgaste.
Silicio: Se usa como desoxidante y endurecedor.
Azufre: Aunque se considera normalmente una impureza, aplicado en cantidades importantes (hasta un 3%) aumenta la maquinabilidad de los aceros al carbono y de aleación.
Titanio: Actúa como desoxidante e inhibe el crecimiento granular. Aumenta la resistencia a altas temperaturas.
Tungsteno: Aporta gran resistencia al desgaste y dureza a altas temperaturas, por lo que se utiliza en la producción de acero para herramientas.
Vanadio: Aumenta la dureza, la resistencia a los impactos y la resistencia a la fatiga. Contribuye a la formación de granos de tamaño fino.
Las proporciones en que estos elementos participan de la aleación determinan las propiedades específicas del acero así producido.
Una mención especial de debe hacer de los aceros inoxidables, un producto típico del siglo XX que apareció casi simultáneamente en varios países del mundo poco antes de la Primera Guerra Mundial. Muchos estudios permitieron comprender que el alto contenido de carbono en las aleaciones de acero disminuye su resistencia a la corrosión, en tanto que un contenido de al menos un 12% de cromo otorga una resistencia a la corrosión que permite hablar de aceros inoxidables. Las innovaciones tecnológicas posteriores a la Segunda Guerra Mundial permitieron un desarrollo muy importante de la capacidad de producción y una consiguiente reducción de los costos de producción, por lo que estos aceros tuvieron una importante baja en el precio. Inicialmente utilizados en la fabricación de cuchillos, las aplicaciones de estos aceros hoy son mucho más amplias y están presentes en diversas formas y productos de la construcción.
La acción del cromo se debe a la formación de una muy delgada capa de óxido sobre la superficie del metal que es impermeable e insoluble en el medio corrosivo, lo que sucede solamente en medios oxidantes. El níquel que se agrega a estas aleaciones aumenta la resistencia en medios ligeramente oxidantes o no oxidantes y contribuye a modificar la estructura del acero dotándolo de mejores características de ductilidad, resistencia mecánica en caliente y soldabilidad. Otras adiciones como el molibdeno y el cobre, mejoran la resistencia a la corrosión por vía húmeda en tanto que el aluminio mejora la resistencia a la corrosión a altas temperaturas.
Aceros Patinables o Cortén
El acero cortén es un acero común al que no le afecta la corrosión. Su composición química (aleación de acero con níquel, cromo, cobre y fósforo) hace que su oxidación tenga unas características especiales que protegen la pieza frente a la corrosión atmosférica. De ahí que este material tenga un gran valor y la oxidación haya pasado a ser voluntaria y controlada.