Introducción

Los materiales básicos empleados para fabricar arrabio son mineral de hierro, coque y caliza. El coque se quema como combustible para calentar el horno y, al arder, libera monóxido de carbono, que se combina con los óxidos de hierro del mineral y los reduce a hierro metálico. La ecuación de la reacción química fundamental de un alto horno es:

Fe₂O₃ + 3CO → 3CO₂ + 2Fe

La caliza de la carga del horno se emplea como fuente adicional de monóxido de carbono y como sustancia fundente. Esta se combina con la sílice presente en el mineral (que no se funde a las temperaturas del horno) para formar silicato de calcio, de menor punto de fusión. Sin la caliza se formaría silicato de hierro, con lo que se perdería hierro metálico. El silicato de calcio y otras impurezas forman una escoria que flota sobre el metal fundido en la parte inferior del horno.

El arrabio producido en los altos hornos tiene la siguiente composición:

• 92% de hierro
• 3 o 4% de carbono
• Entre 0,5 y 3% de silicio
• Del 0,25 al 2,5% de manganeso
• Del 0,04 al 2% de fósforo
• Algunas partículas de azufre

Estructura de un Alto Horno

Un alto horno típico está formado por una cápsula cilíndrica de acero forrada con un material no metálico y resistente al calor, como ladrillos refractarios. El diámetro de la cápsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total.

La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire. Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vacía) el alto horno. Encima de este orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria.

La parte superior del horno, cuya altura es de unos 30 m, contiene respiraderos para los gases de escape y un par de tolvas redondas, cerradas por válvulas en forma de campana, por las que se introduce la carga en el horno. Los materiales se llevan hasta las tolvas en pequeñas vagonetas o cucharas que se suben por un elevador inclinado situado en el exterior del horno.

Funcionamiento de un Alto Horno

Los altos hornos funcionan de forma continua. La materia prima que se va a introducir en el horno se divide en un determinado número de pequeñas cargas que se introducen a intervalos de entre 10 y 15 minutos. La escoria que flota sobre el metal fundido se retira una vez cada dos horas y el hierro se sangra cinco veces al día.

El aire insuflado en el alto horno se precalienta a una temperatura comprendida entre los 550 y 900 °C. El calentamiento se realiza en las estufas, cilindros con estructuras de ladrillo refractario. El ladrillo se calienta durante varias horas quemando gas de alto horno, que son los gases de escape que salen de la parte superior del horno. Después se apaga la llama y se hace pasar el aire a presión por la estufa. El peso del aire empleado en un alto horno supera el peso total de las demás materias primas.

Presurización de Altos Hornos

Después de la II Guerra Mundial se introdujo un importante avance en la tecnología de altos hornos: la presurización de los hornos. Estrangulando el flujo de gas de los respiraderos del horno es posible aumentar la presión del interior del horno hasta 1,7 atmósferas o más. La técnica de presurización permite una mejor combustión del coque y una mayor producción de hierro. En muchos altos hornos puede lograrse un aumento de la producción de un 25%. En instalaciones experimentales también se ha demostrado que la producción se incrementa al enriquecer el aire con oxígeno.

Proceso de Sangrado

El proceso de sangrado consiste en retirar a golpes un tapón de arcilla del orificio del hierro cercano al fondo del horno y dejar que el metal fundido fluya por un canal cubierto de arcilla y caiga a un depósito metálico forrado de ladrillo, que puede ser una cuchara o una vagoneta capaz de contener hasta 100 toneladas de metal. Cualquier escoria o sobrante que salga del horno junto con el metal se elimina antes de llegar al recipiente. A continuación, el contenedor lleno de arrabio se transporta a la fábrica siderúrgica.

Los altos hornos modernos funcionan en combinación con hornos básicos de oxígeno y, a veces, con hornos de crisol abierto, más antiguos, como parte de una única planta siderúrgica. En estas plantas, los hornos siderúrgicos se cargan de arrabio. El metal fundido procedente de diversos altos hornos puede mezclarse en una gran cuchara antes de convertirlo en acero con el fin de minimizar el efecto de posibles irregularidades de alguno de los hornos.

Procedimiento de Fabricación del Acero

Son los procesos de purificación y afino de la mezcla de arrabio y de chatarra hasta conseguir los requisitos químicos exigidos en las especificaciones. Los procesos de fabricación para la obtención de los aceros son:

• Proceso Bessemer: ha desaparecido de las industrias siderúrgicas desde 1970.
• Proceso Martin-Siemens: su tendencia actual es la de desaparecer.
• Proceso L.D. (Linz y Donawitz): es el proceso más importante del mundo en cuanto a la obtención de aceros y está en continua expansión.
• Proceso en horno eléctrico: es el proceso de fabricación más utilizado para la obtención de aceros a partir de chatarra. La expansión de este proceso está justificada por la necesidad de reciclaje de chatarras.

Los aceros se ofrecen al mercado de formas variadas, siendo las más usuales: los aceros laminados, forjados y moldeados.

Procedimiento de Acabado

En los procesos de fabricación de los aceros se aplican unos procedimientos de acabado añadiendo a la fundición elementos como carbono, manganeso y silicio.

• El carbono se añade para obtener un acero con unas características mecánicas en función de su porcentaje.
• El manganeso se añade siempre en cantidad suficiente para reaccionar con todo el azufre residual, pues en caso contrario sería imposible laminar en caliente o forjar el acero.
• El silicio es fundamental para calmar el acero, o sea, para eliminar el óxido de hierro y disolver el oxígeno.

Si el producto final tiene un porcentaje de carbono superior al requerido, este se reduce en una segunda fundición añadiéndose a esta la cantidad de oxígeno necesaria que producirá CO en forma gaseosa.

El acero se vende en una gran variedad de formas y tamaños, como varillas, tubos, rieles de ferrocarril o perfiles en H o en T. Estas formas se obtienen en las instalaciones siderúrgicas laminando los lingotes calientes o modelándolos de algún otro modo. El acabado del acero mejora también su calidad al refinar su estructura cristalina y aumentar su resistencia.

Laminado en Caliente

El método principal de trabajar el acero se conoce como laminado en caliente. En este proceso, el lingote colado se calienta al rojo vivo en un horno denominado foso de termodifusión y, a continuación, se hace pasar entre una serie de rodillos metálicos colocados en pares que lo aplastan hasta darle la forma y tamaño deseados. La distancia entre los rodillos va disminuyendo a medida que se reduce el espesor del acero.

Clasificación de los Aceros

Se agrupan en 5 clases principales:

Aceros al Carbono

Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre. Un ejemplo de los aceros al carbono son máquinas, carrocerías de automóviles, la mayor parte de las estructuras de construcción de acero, cascos de buques, somieres y horquillas o pasadores del pelo.

Aceros Aleados

Contienen una proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales. Estos aceros se emplean para fabricar engranajes y ejes de motores, patines o cuchillos de corte.

Aceros de Baja Aleación Ultraresistentes

Es la más reciente de las 5 clases de acero. Son más baratos que los aceros aleados convencionales, ya que contienen cantidades inferiores de los costosos elementos de aleación. Sin embargo, reciben un tratamiento especial que les da una resistencia mayor que la del acero al carbono. Por ejemplo, los vagones de mercancía fabricados con aceros de baja aleación pueden transportar cargas más grandes porque sus paredes son más delgadas que lo que sería necesario en caso de emplear acero al carbono. Además, como los vagones de acero de baja aleación pesan menos, las cargas pueden ser más pesadas. En la actualidad se construyen muchos edificios con estructuras de aceros de baja aleación. Las vigas pueden ser más delgadas sin disminuir su resistencia, logrando un mayor espacio interior en los edificios.

Aceros Inoxidables

Contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación que los mantienen brillantes y resistentes a la herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la humedad o de ácidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos periodos a temperaturas extremas. Debido a sus superficies brillantes, en arquitectura se emplean muchas veces con fines decorativos. El acero inoxidable se utiliza para las tuberías y tanques de refinerías de petróleo o plantas químicas, para los fuselajes de aviones o para cápsulas espaciales. También se usa para fabricar instrumentos y equipos quirúrgicos o para fijar o sustituir huesos rotos, ya que resiste a la acción de los fluidos corporales. En cocinas y zonas de preparación de alimentos los utensilios son a menudo de acero inoxidable, ya que no oscurece los alimentos y pueden limpiarse con facilidad.

Aceros de Herramientas

Se utilizan para fabricar muchos tipos de herramientas y cabezales de corte y modelado de máquinas empleadas en diversas operaciones de fabricación. Contienen volframio, molibdeno y otros elementos de aleación, que les proporcionan mayor resistencia, dureza y durabilidad.

Estructura del Acero

Las propiedades físicas de los aceros y su comportamiento a distintas temperaturas dependen de la cantidad de carbono y de su distribución en el hierro. Antes del tratamiento térmico, la mayor parte de los aceros con una mezcla de 3 sustancias: ferrita, perlita y cementita.

• La ferrita, blanda y dúctil, es hierro con pequeñas cantidades de carbono y otros elementos en disolución.
• La cementita es un compuesto de hierro con el 7% de carbono aproximadamente; es de gran dureza y muy quebradiza.
• La perlita es una profunda mezcla de ferrita y cementita, con una composición específica y una estructura característica, y sus propiedades físicas son intermedias entre las de sus dos componentes.

La resistencia y la dureza de un acero que no ha sido tratado térmicamente depende de las propiedades de estos tres elementos: austenita, ferrita y martensita.

Cuanto mayor es el contenido en carbono de un acero, menor es la cantidad de ferrita y mayor la de perlita: cuando el acero tiene un 0,8% de carbono está por completo compuesto de perlita. El acero con cantidades de carbono aún mayores es una mezcla de perlita y cementita. Al elevarse la temperatura del acero, la ferrita y la perlita se transforman en una forma alotrópica de aleación de hierro y carbono conocida como austenita, que tiene la propiedad de disolver todo el carbono libre presente en el metal. Si el acero se enfría despacio, la austenita vuelve a convertirse en ferrita y perlita, pero si el enfriamiento es repentino, la austenita se convierte en martensita, una modificación alotrópica de gran dureza, similar a la ferrita pero con carbono en solución sólida.

Clasificación de los Aceros al Carbono

Los aceros al carbono se dividen según su proceso de fabricación en:

• Calmados
• Semicalmados
• No calmados

Aceros Calmados

Los elementos que los constituyen son:

• Oxígeno
• Manganeso
• Aluminio
• Silicio

Tienen las impurezas del fósforo y azufre uniformemente repartidas, están bien desoxidados, por lo que su contenido en oxígeno es mínimo. Estos aceros son de buena soldabilidad siempre que su contenido en carbono no sea muy elevado.

Aceros Semicalmados o Efervescentes

Los elementos que los constituyen son:

• Manganeso
• Aluminio
• Silicio

Son aceros con un alto contenido medio de oxígeno. Al soldarlos existe riesgo de porosidad y fisuración, aunque en menor medida que en los aceros no calmados.

Aceros No Calmados

Los elementos que los constituyen son:

• Manganeso
• Aluminio
• Silicio

Son aquellos que no han sido totalmente desoxidados, existiendo un alto peligro de porosidad y fisuración a lo largo del cordón de soldadura. Deben soldarse con electrodos especiales.