Propiedades, Producción y Aplicaciones del Acero
Propiedades del Acero
El acero destaca por sus excelentes propiedades mecánicas y estructurales, así como por sus buenas características técnicas de fabricación. Estas propiedades incluyen:
- Facilidad de conformado en frío y en caliente.
- Facilidad de mecanizado y ensamblaje por soldadura.
- Facilidad de protección contra la corrosión mediante aleaciones o revestimientos.
- Bajo coste unitario (el aluminio es 2,8 veces más caro).
- Alta disponibilidad, 20 veces superior a la de otros materiales.
- El hierro (Fe) constituye el 5% de la corteza terrestre, lo que lo convierte en una materia prima segura.
- Alta adaptabilidad a los requerimientos específicos.
- Gran experiencia acumulada en la siderurgia.
- Facilidad de reciclaje; se fabrica con un 40% de chatarra o acero reciclado.
- Aproximación milimétrica en el diseño, lo que permite una mayor exactitud en la construcción.
Materias Primas en la Producción del Acero
Las materias primas utilizadas en la producción del acero se pueden clasificar en tres grupos:
- Materias primas férricas: arrabio y chatarra (férrica e inoxidable).
- Materias primas combustibles y agentes reductores: carbón, coque y gases.
- Materias primas fundentes: caliza, dolomía y cal.
Producción del Arrabio
El arrabio se produce en un alto horno, un gran vaso recubierto de cerámica de más de 30 metros de altura. El proceso se puede resumir de la siguiente manera:
- El coque actúa como agente reductor del óxido de hierro (Fe2O3) para producir arrabio en bruto según la reacción: Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2.
- El alto horno se alimenta por la parte superior con una mezcla de mineral de hierro, carbono en forma de coque y cal.
- Se inyecta aire caliente a una temperatura de 900-1300 °C por la parte inferior.
- El material tarda entre 6 y 8 horas en descender a la parte inferior, donde se transforma en hierro fundido y escoria fundida.
- El hierro fundido, cubierto por escoria, se recoge y se vierte en moldes para formar lingotes de arrabio.
El arrabio tiene un alto contenido de carbono, lo que lo hace frágil y de uso limitado. Por lo tanto, necesita procesos secundarios de refinado para convertirse en acero y fundición.
Origen de la Chatarra
La chatarra utilizada en la producción de acero se clasifica en tres grupos:
- Reciclada: formada por despuntes y rechazos originados en la propia fábrica, de excelente calidad.
- De transformación: generada durante la fabricación de piezas y componentes de acero.
- De recuperación: la mayor parte de la chatarra utilizada en acería, procedente del desguace de edificios, plantas industriales, automóviles, etc.
La chatarra se puede reciclar un número ilimitado de veces. Se emplea hasta un 25% de chatarra en el proceso L-D y hasta un 100% en el horno de arco eléctrico para la producción de nuevo acero.
Producción del Acero
Existen dos rutas principales para la producción del acero:
- Vía horno alto y acería LD.
- Ruta del horno eléctrico de arco (HEA).
Proceso de Convertidor al Oxígeno L-D
El afino del acero se realiza mediante el soplado con oxígeno en el convertidor L-D. Este proceso, también conocido como BOF (Basic Oxygen Furnace), se originó en Austria y luego se extendió para el tratamiento de arrabios con alto contenido de fósforo (P) mediante la adición de polvo de piedra caliza al chorro de oxígeno. Permitió la producción de acero a partir de arrabio con contenidos de P de hasta el 2%. Una de sus ventajas es la capacidad de aceptar hasta un 25% de chatarra junto con la carga de arrabio líquido.
El proceso comienza con la carga de la chatarra y el arrabio en el convertidor, seguida del soplado y la incorporación de adiciones hasta llegar al soplado final para el ajuste de las características. El tiempo de colada a colada es de 25 a 40 minutos.
El Horno Eléctrico de Arco (HEA)
El horno eléctrico de arco permite la obtención de acero a partir de chatarra como carga principal. Su uso se extendió con la disponibilidad de transformadores con la potencia suficiente para generar el calor necesario para la fusión. El proceso se basa en la fusión de las chatarras por medio de una corriente eléctrica y el posterior afino del baño fundido.
La bóveda del horno está dotada de orificios por los que se introducen los electrodos, generalmente tres, que son gruesas barras de grafito de hasta 0,7 metros de diámetro. Estos electrodos están conectados a un transformador que proporciona las condiciones de voltaje e intensidad adecuadas para generar el arco eléctrico, con intensidad variable en función de la fase de operación del horno.
Los costes más importantes en este proceso son: chatarra (60%), energía eléctrica (10%), electrodos (5%), oxígeno (5%), mano de obra (6%) y otros (15%). El tiempo de colada es de 40 a 60 minutos.
Metalurgia Secundaria
La metalurgia secundaria comprende todas las operaciones realizadas después del convertidor y del HEA, entre las que se incluyen:
- Ajuste de los elementos de aleación.
- Desoxidación.
- Desulfuración.
- Descarburación.
- Desfosforación.
- Desnitrogenación.
- Deshidrogenación.
- Esferoidización de las inclusiones.
- Mejora de la limpieza del acero.
- Eliminación de elementos residuales como Cu, Sn, As y Sb.
La Colada
El acero líquido se puede solidificar mediante la colada en lingoteras, colocando la cuchara encima de la lingotera. La colada continua permite la colada de una secuencia de cucharas de acero líquido en líneas de palanquilla.
En la colada continua, el acero se vierte de forma controlada en un depósito regulador que, a su vez, se vierte en un molde hueco de cobre denominado lingotera, con la forma cuadrada de la palanquilla. Cuando la palanquilla sale de la lingotera, se rocía agua sobre sus paredes durante su avance para que se solidifique la sección completa antes de ser cortada mediante oxicorte.
Laminación en Caliente
La laminación en caliente consiste en sucesivas reducciones de la sección de la palanquilla mediante su paso por diversos cilindros de laminación a temperaturas que oscilan entre 1250 °C al principio y 800 °C al final. Las etapas de la laminación en caliente son:
- Tren de desbaste: la palanquilla recibe una primera pasada muy ligera para romper y eliminar la cascarilla.
- Tren intermedio: se realizan las reducciones entre el desbaste y el tren de acabado. La barra pasa por una serie de cajas de laminación continua para reducir su sección.
- Tren acabador: se realiza la última reducción, donde la barra adquiere la forma y sección deseadas. Aquí se fabrican las barras de corrugado.
Tipos de Trenes de Laminación
- Tren dúo reversible: el más sencillo, compuesto por una caja con dos cilindros que pueden girar en ambos sentidos.
- Tren de alambrón: cuenta con más de 20 cajas de laminación en continuo, colocadas alternadamente en forma horizontal y vertical. Se utilizan cajas dúo horizontales-verticales.
- Tren de barras: similar al de alambrón, pero con especial importancia en las instalaciones de camas de enfriamiento para mantener la rectitud de las barras.
- Tren universal: posee un juego de cilindros verticales alojados a la salida de los cilindros horizontales. Se utiliza para el laminado de perfiles angulares, dobles T, perfiles U, etc.
Laminación en Frío de Productos Planos
Gran parte de los productos laminados en caliente se someten a operaciones posteriores para mejorar sus prestaciones. La laminación en frío se realiza a una temperatura inferior a la de recristalización, introduciendo dislocaciones que aumentan la resistencia mecánica y la dureza, y disminuyen la ductilidad.
Los productos laminados en frío, principalmente la chapa fría, se fabrican a partir de la bobina laminada en caliente mediante los siguientes procesos:
- Decapado.
- Laminación en frío.
- Desengrasado.
- Recocido.
- Temperizado.
Recocido
El recocido es una operación vital para obtener una banda con una microestructura bien definida, con la naturaleza, volumen, tamaño, forma y distribución de precipitados adecuados para producir una textura cristalográfica óptima. Se realiza en un horno vertical de calentamiento rápido, seguido de una zona de empape y posteriores enfriamientos lento y rápido dentro de unos márgenes de temperatura muy estrechos y en atmósferas controladas.
Temperizado
El temperizado elimina la meseta del límite elástico, mejorando la plenitud de la chapa y su estado superficial.
Trefilado
El trefilado es un proceso de transformación en frío utilizado para fabricar alambre. Consiste en hacer pasar el alambrón por una boquilla con un perfil inferior al del material de entrada, lo que produce una reducción de la sección. Se puede reducir la sección hasta un diámetro de 0,15 mm.
Trenzado
Los cables de acero se fabrican trenzando un determinado número de alambres en máquinas cordoneadoras.
Calibrado
El calibrado tiene como objetivo obtener medidas precisas del producto, eliminar defectos y aumentar el límite de elasticidad.
La Forja
La forja es un proceso que modifica la forma de los metales por deformación plástica producida por presión o impacto. Existen dos tipos principales de forja:
- Por choque: se utilizan martillos.
- Por presión: se utilizan prensas.
El Acero Moldeado
El acero moldeado consiste en verter acero líquido en un molde hueco, cuya cavidad reproduce la forma deseada de la pieza, y dejarlo solidificar. Los moldes pueden ser de arena, químicos o cerámicos.
El Sistema de Aleación Fe-C
Las aleaciones de hierro (Fe) y carbono (C) que contienen desde una cantidad muy pequeña de C hasta el 1,2% de C, y cantidades menores de otros elementos, se denominan aceros al carbono.
El Diagrama de Fases
El diagrama de fases Fe-C muestra las fases presentes en las aleaciones de Fe-C enfriadas muy lentamente a diversas temperaturas y con diferentes composiciones, desde hierro puro hasta 6,67% de C. El líquido es una solución de carbono en hierro. Las partes sólidas son mezclas de fases de austenita, ferrita y cementita.
El diagrama tiene un punto eutéctico a 4,3% de C y 1148 °C. Esta es la región de las fundiciones, cuya baja temperatura de fusión permite que se fundan con facilidad. A diferentes temperaturas, el hierro presenta formas alotrópicas. A temperaturas inferiores a 910 °C, el hierro puro tiene una estructura cristalina BCC conocida como ferrita. A temperaturas más altas, los cristales son FCC de austenita.
Por encima del 1,7% de C se puede disolver en austenita a 1148 °C, pero la solubilidad se reduce rápidamente a medida que la temperatura disminuye. A 723 °C, la austenita tiene un máximo de 0,8% de C en el punto eutectoide, y se precipita Fe3C (cementita).
Ferrita (α)
La ferrita es una solución sólida intersticial de carbono en una estructura cristalina BCC. El carbono es ligeramente soluble en ferrita, alcanzando una solubilidad máxima del 0,02% a 723 °C. Es blanda (dureza Brinell = 90), dúctil, maleable y magnética. Su tensión es de aproximadamente 350 MPa. Se utiliza en aceros de construcción.
Austenita (γ)
La austenita es la solución sólida intersticial de carbono en hierro con una estructura cristalina FCC. Tiene una solubilidad sólida para el carbono mucho mayor que la ferrita, alcanzando un máximo del 2% a 1148 °C y disminuyendo al 0,8% a 723 °C. Es dúctil y tenaz.
Cementita (Fe3C)
La cementita es un compuesto intermetálico, carburo de hierro, con límites de solubilidad insignificantes y una composición del 6,67% de C y 93,9% de Fe. Tiene una estructura cristalina ortorrómbica. Es dura, frágil, inestable, diamagnética y tiene baja conductividad térmica y eléctrica.
Ferrita (δ, rara)
La ferrita delta es una solución sólida intersticial de carbono con una estructura cristalina BCC, similar a la ferrita alfa. La solubilidad sólida máxima del carbono en esta ferrita es del 0,09% a 1465 °C.
Enfriamiento Lento de Aceros al Carbono
Un acero al carbono simple con 0,8% de C se denomina acero eutectoide porque, al enfriarse la austenita de esta composición, se forma una estructura totalmente eutectoide de ferrita α y Fe3C. Los aceros con menos de 0,8% de C se denominan hipoeutectoides, y los que tienen más, hipereutectoides.
Acero Hipoeutectoide
Los aceros hipoeutectoides forman granos de perlita en una matriz de ferrita. La perlita es una estructura laminar de placas alternadas de ferrita α y cementita. Es un compuesto blando y dúctil. Cuanto menor es el contenido de carbono, menor es la capacidad de temple, pero puede endurecerse por deformación en frío. Es un tipo de acero frecuente en edificación. Con un 100% de perlita (0,8% de C), la resistencia aumenta de 300 MPa a 900 MPa. A mayor temperatura, mayor espesor de las láminas. A mayor velocidad de enfriamiento, mayor dureza y menor espesor.
Acero Hipereutectoide
Los aceros hipereutectoides tienen un alto contenido de carbono y forman granos de perlita en una matriz de cementita. Debido a la mayor presencia de carbono, la austenita comienza su recristalización formando cementita por encima de 723 °C. Son más duros, resistentes y frágiles que los hipoeutectoides. Pueden templarse y se utilizan en cuchillería, herramientas y máquinas.
Enfriamiento Rápido y Moderado
Los tratamientos térmicos en los aceros producen cambios estructurales y de propiedades.
Martensita
La martensita se forma cuando la austenita se enfría rápidamente hasta la temperatura ambiente mediante inmersión en agua, por ejemplo. La dureza y la solidez de la martensita están directamente relacionadas con el contenido de carbono, aumentando a medida que este se incrementa. La ductilidad y la tenacidad disminuyen con el aumento del contenido de carbono.
Bainita
La bainita se produce por un enfriamiento moderado. Es una mezcla de ferrita α y partículas de Fe3C producidas por la descomposición de la austenita. Si los aceros se templado en caliente, se produce una estructura intermedia entre la perlita y la martensita, llamada bainita.
Incidencia en la Microestructura y Propiedades en Fundiciones
En enfriamiento lento, las fundiciones hipoeutécticas forman perlita y ledeburita en una matriz de ferrita, mientras que las fundiciones hipereutécticas forman ledeburita en una matriz de cementita. La ledeburita es una mezcla eutéctica con 4,3% de C que se forma a 1148 °C. Se forma por la solidificación instantánea del fundido, del que surgen cristales mixtos de austenita y cementita.
Diferencias entre Aceros y Fundiciones
Aceros:
- Bajo contenido de carbono.
- Han pasado por la fase austenítica en el proceso de enfriamiento.
- Maleables.
- Soldables.
- Magnéticos.
- Dúctiles.
- Tenaces.
- Oxidables.
Fundiciones:
- Alto contenido de carbono.
- Fabricación por moldeado.
- Mala soldabilidad.
- Diamagnéticas.
- Mejor resistencia a la compresión que a la tracción.
- Frágiles.
- Duras.
- Agrias.
- Poco oxidables.
Tipos de Aceros
Aceros no Aleados Laminados en Caliente
Son aceros sin características especiales de resistencia mecánica ni resistencia a la corrosión, y con una microestructura normal de ferrita-perlita.
Aceros con Características Especiales
- Aceros soldables de grano fino, normalizados.
- Aceros soldables de grano fino laminados termomecánicamente.
- Aceros con resistencia mejorada a la corrosión atmosférica.
- Aceros de alto límite elástico, templados y revenidos.
- Aceros con resistencia mejorada a la deformación.
Tratamientos Termomecánicos
Para aumentar la resistencia del acero corrugado, la barra se somete a un tratamiento termomecánico en continuo, que consiste en un temple de la superficie de la barra a la salida del último paso de laminación.
- Temple: limpiar la pieza con un abrasivo, calentarla hasta la temperatura adecuada y enfriarla rápidamente en el medio apropiado.
- Revenido: calentar un acero templado para incrementar su tenacidad y ductilidad, ya que queda demasiado duro después del temple.
- Recocido: proceso para reducir los esfuerzos internos y ablandar el acero. Consiste en calentar el acero por encima de su temperatura crítica y dejarlo enfriar lentamente en un horno cerrado.
- Cementado: para aumentar la dureza, se incrementa la cantidad de carbono en los aceros de bajo contenido al calentarlos a su temperatura crítica mientras se encuentran en contacto con un material carbonoso.
Influencia del Tamaño del Grano
Para producir un tamaño de grano fino, se debe controlar la temperatura de laminación, la deformación impuesta y los rangos de enfriamiento.
Productos de Acero
Perfiles y Chapas de Sección Llena Laminados en Caliente
Son productos de acero con diversas formas y secciones, obtenidos mediante laminación en caliente.
Perfiles de Sección Hueca Acabados en Caliente
Son perfiles huecos estructurales de sección transversal constante, con un espesor mínimo de 2 mm, conformados en caliente con o sin tratamiento térmico posterior, o conformados en frío con tratamiento térmico. Los perfiles pueden ser circulares, cuadrados, rectangulares o elípticos.
Perfiles de Sección Hueca Conformados en Frío
Son perfiles huecos estructurales conformados en frío sin tratamiento térmico posterior, con un espesor mínimo de 2 mm y sección transversal constante. Se utilizan en la construcción de estructuras y pueden ser circulares, cuadrados o rectangulares.
Perfiles de Sección Abierta Conformados en Frío
Son perfiles de sección constante con formas diversas, como L, U, C, Z, omega y tubular.
Perfiles y Chapas no Normalizados
Se pueden emplear siempre que cumplan los siguientes requisitos:
- Estar elaborados con aceros especificados.
- Que el fabricante garantice las dimensiones, tolerancias dimensionales y de forma.
- Que el fabricante suministre los valores de los datos de la sección necesarios para el proyecto.
Barras Corrugadas para Hormigón
Las barras corrugadas para hormigón tienen diámetros que varían entre 4 y 50 mm. En el proceso de conformación, las barras se calientan y se laminan en caliente según los diámetros especificados, lo que incrementa su resistencia y elimina cualquier defecto. El proceso finaliza con la formación de las costillas, que mejoran la adherencia al hormigón.