Ingeniería de procesos siderúrgicos E-Book

Armando Ferriz

• Herausgeber: Editorial Bubok Publishing
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Spanisch
• Veröffentlichungsjahr: 2023

Seitenzahl: 921

Beschreibung

La siderurgia ha acompañado e impulsado el desarrollo del ser humano. Desde la prehistórica Edad de los Metales hasta hoy, el conocimiento y manejo de los minerales ha permitido los avances tecnológicos que nos rodean. Desde la caza primitiva hasta el desarrollo de instrumental quirúrgico de precisión, la conquista del espacio o los cubiertos de nuestra mesa, la industria del metal es parte del día a día. Esta es una obra de divulgación que pretende llevar a un público amplio, sobre todo a estudiantes técnicos, el conocimiento y experiencia de la industria siderúrgica de nuestros días partiendo de la configuración atómica del acero hasta los sistemas de seguridad en la industria. Se presenta una descripción del proceso productivo desagregado por sus etapas secuenciales, subrayando las características y especificaciones que se aplican en cada etapa. Se hace una revisión general de las principales técnicas, las especificaciones de productos y materias primas vigentes en la industria y las características de diseño de las instalaciones.

Leseprobe

Ingeniería de Procesos Siderúrgicos

La experiencia de AHMSA

Armando Ferriz

© Armando Ferriz

© Ingeniería de Procesos Siderúrgicos. La experiencia de AHMSA

Octubre 2023

ISBN papel: 978-84-685-7890-3

ISBN ePub: 978-84-685-7889-7

Depósito legal: M-31303-2023

Editado por Bubok Publishing S.L.

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Índice

INTRODUCCIÓN

Naturaleza química y física del acero

Algunas propiedades físicas del carbono y del hierro

Naturaleza microestructural del acero

Diagramas de fase

Efecto de la temperatura y deformación

BREVE HISTORIA DE LA FABRICACION DEL ACERO

Procesos de aceración

Sistemas de fabricación del acero

Colada continua

Laminación del acero

Laminación no planos y planos

Circuito de producción planta de no planos

Metalurgia del acero

Clasificación de los aceros por su composición química

Clasificación según el método de manufactura

Efectos de la composición química del acero

Normalización y clasificación por las propiedades físicas del acero

El proceso siderúrgico

Breve historia de AHMSA

Descripción de instalaciones y procesos

MINAS DE FIERRO

Descripcion del proceso productivo

Minas a cielo abierto

Minas subterráneas

Plantas Concentradoras

Hercules Trituracion

Productos o Subproductos obtenidos

Información operación minas

Planta concentradora

Procesos planta concentradora

Instalaciones de apoyo almacenes

Unidad La Perla

Equipo móvil (unidad La Perla)

Trituración y planta concentradora unidad La Perla

Planta Concentradora

Ferroducto

Unidad CEMESA

Descripción de proceso

Productos o Subproductos obtenidos

DIVISÓN CARBÓN

Unidad Mimosa

Descripción del proceso productivo Minera del Norte Unidad Mimosa

Ubicación de Minas Mimosa

Minas a cielo abierto. Tajo Kakanapo

Minas subterráneas

Equipos principales de minas

Planta Lavadora Palau

Descripción General del Proceso

Planta Florida

Descripción General del Proceso

Equipo Principal Planta Florida

PLANTA SIDERÚRGICA MONCLOVA

PLANTA DE SINTER

Breve descripción del proceso

Etapas de fabricación

Preparación de la Mezcla a Sinterizar :

Micronodulizado y encendido de la mezcla Mezcladores nodulizadores

Fase final de enfriamiento, estabilizado y clasificacion del sinter Enfriamiento del sinter

Control de calidad de sinter

Generalidades del Proceso

Tipos de Sinter

Materias Primas

Descripción del Proceso

Descripción del Equipo

Conclusión

PLANTA PELETIZADORA

Historia

Descripcion del proceso

Procesos y equipos para cocimiento del pelet

Etapas de fabricacion del pelet

Proceso de endurecido o cocimiento

Control de calidad de pelet

Peletizadora (AHMSA)

Peletizadora de horno circular de La Perla

Planta peletizadora Monclova

Descripción del Proceso

Descripción del Equipo

Descripción del Proceso

Calidad del pelet producto

PLANTAS DE COQUE

Historia general de los procesos de coquización

Historia de las coquizadoras en AHMSA

Descripción del proceso en AHMSA

Generalidades del Proceso de coquización

Clases de Coque

Descripción del Proceso

Planta de Subproductos

Descripción del Equipo

Planta Coquizadora Sid. No. 1

Planta Coquizadora Sid. No. 2

Conclusión

Patios de almacenamiento de minerales

ALTO HORNO

Historia general de los altos hornos

Descripción general del funcionamientodel alto horno

Generalidades

Descripción del Proceso

Metalurgia del Proceso

Teoría del Alto Horno

Reacciones Químicas y Equilibrio

Zona de Preparación

Zona de Fusión

La Reducción de los Óxidos del Hierro

Descripción de los Equipos

Características técnicas básicas de los Altos Hornos de Planta Siderúrgica No. 1.

Planta de Inyeccion de Carbón

Mejoras que se han implementado a lo largo de la vida útilde producción de los altos hornos en AHMSA

Otros procesos de reducción de reducción directa

Desulfuración de arrabio líquido

PROCESOS DE ACERACIÓN AL OXÍGENO

Historia General de Acería de Oxigeno Básico

Descripcion de proceso de Acería de Oxigeno Básico

Comparación con otros Procesos

Evolución de Impurezas

Materias Primas y Materiales para Operar el Convertidor

Descripción del Equipo.

Taller de Aceración BOF Siderúrgica No. 1

Taller de Aceración BOF Siderúrgica No. 2

Datos Técnicos

Secuencia de Operación

Innovacion tecnologica en BOF

Refinación secundaria de acero en hornos olla

ACERÍA ELÉCTRICA

Historia del horno de arco eléctrico.

Descripción general de hornos de arco

Tipos de hornos de arco

Horno eléctrico de arco en AHMSA

Horno Olla 3 Gemelo & Desgasificado RH-OB Gemelo

COLADA CONTINUA

Historia General de Colada Continua

Descripción General del Colado de Acero

Explicación General de los equipos

Crecimiento de la piel del planchón

Generalidades de la Colada Continua del Acero

Descripción del Equipo

Cámara y extractores de vapor

Molde de vaciado de Acero

Conclusión

LAMINACIÓNENCALIENTE

Generalidades

Descripción del Proceso

Línea de Tira

Nuestra historia de la Línea de Tira en AHMSA

Descripción general del funcionamiento de Línea de Tira

Descripción del Equipo

Características Básicas de los Productos Laminados en Caliente

LINEA DE PLACA

Historiageneralde loslaminadoresdeplaca

MolinotipoSteckel(placaenhojayenrollo)

LíneadeNormalizadodePlaca

Mesa de Rodillos de Enfriamiento No.1.

Molinoskinpass

Laminación de productos no planos

LAMINACIÓN EN FRÍO

Generalidades

Descripción del Proceso Decapado

Descripción del Equipo

Líneas de Limpieza Electrolítica 3 y 4

Características Básicas de los Productos Laminados en Frío

Prácticas Normales de Fabricación en AHMSA

Servicios auxiliares a producción

BREVE HISTORIA DE LA FABRICACION DEL ACERO

El arrabio es el producto obtenido por la reducción y la fusión del mineral de hierro en el alto horno con la ayuda del coque. Su contenido de carbono varía entre 3% y 4%, lo que lo hace duro y quebradizo.

Hasta mediados del siglo XIX se disminuía el contenido de carbono del arrabio, mediante el primitivo proceso del horno de pudelado, o del horno de crisol y así producir el acero.

Con la revolución industrial del siglo XIX, se fueron mejorando los métodos para reducir el carbono del arrabio, con mayor rapidez y en mayor volumen; los métodos que tuvieron mayor éxito se describen como:

Un notable invento en Inglaterra en el año 1850 viene a revolucionar un viejo procedimiento: la fabricación de acero por un sistema más practico, más económico y de alta producción.

Henry Bessemer, ingeniero inglés, logra por insuflación de aire frío a la masa de hierro en estado líquido, producir acero, el metal más codiciado por sus múltiples usos.

El Convertidor es el nombre que le dio a este invento extraordinario, ya que el arrabio se convertía en acero.

En 1860 sucede la primera aplicación comercial en Estados Unidos del Convertidor Bessemer. A partir de entonces se revoluciona rápidamente toda la industria y la producción que era de 42 mil toneladas en 1871, pasa a 10 millones en 1910.

Inicialmente los convertidores de acero eran insuflados con aire (Hornos tipo Bessemer Thomas y Siemens Martin ), hasta que en 1948 en la ciudad de Linz, Austria, se empieza a utilizar el horno “L.D.”, con inyección de oxígeno, que es el más utilizado hasta nuestros días.

Por otro lado, desde el año 1878 se hacen esfuerzos por desarrollar un horno eléctrico para producir acero, venciendo los problemas de energía eléctrica suficiente y la fabricación de electrodos que pudieran soportar la carga requerida para fundir el metal. Como resultado, en 1890, Heroult pone en operación el primer horno eléctrico.

Quedaron así establecidas las dos vías clásicas para producir acero:

Los primeros procesos de aceración desarrollados y los primeros hornos eléctricos se enumeran a continuación y la mayoría de ellos han operado durante todo el siglo XX.

Procesos de aceración

•Horno de pudelado - Utilizado en el Siglo XVII

•Horno de crisol - Para convertir el arrabio en acero

•Horno Bessemer - Inglaterra 1850

•Horno Thomas - Inglaterra 1878

•Horno Martín - Francia 1870

•Horno Siemens - Alemania 1870

•Horno L. D. (*) - Austria 1948 (Linz & Donawitz)

(*) Este horno se ha impuesto sobre los otros y utiliza oxígeno en vez de aire para insuflar el arrabio y producir acero.

Horno eléctrico para fundir chatarra y producir acero

•Horno Wilhelm Von Siemens - Alemania 1890

•Horno Heroult - Francia 1890

•Horno Stassano - Italia 1895

Dado el auge que han tomado los hornos eléctricos en la producción de acero, se hace a continuación una breve descripción del horno eléctrico, del proceso de fabricación de acero mediante esta vía y de las partes principales que conforman un horno eléctrico.

Vía horno eléctrico

Vía Alto Horno – Convertidor

Básicamente un horno eléctrico está constituido por un recipiente circular cubierto de ladrillos refractarios, con una tapa móvil denominada bóveda y que tiene un sistema bascular que permite el vaciado del acero líquido y de la escoria.

El horno se carga por la parte superior con chatarra o hierro esponja.

La fusión de la chatarra se logra mediante el arco eléctrico producido por los tres electrodos de grafito colocados en triángulo en el centro del horno. El tiempo de la fusión depende de la potencia del transformador que alimenta a los electrodos; la tendencia es hacer cada vez más alta esta potencia. Como el consumo de energía eléctrica para fundir la chatarra es alto, el costo de esta energía tiene gran importancia en el costo del acero.

Aunque inventados y perfeccionados por Siemens, Stassano y Heroult, a principios del Siglo XX, los hornos eléctricos fueron considerados como un procedimiento caro y con perspectivas de desarrollo sólo para aceros especiales. La gran capacidad de generación eléctrica desarrollada a nivel mundial posteriormente, logró revertir esta situación y originó el fenómeno de las miniplantas o miniacerías que operan con chatarra o hierro esponja con gran eficiencia. El primero que tuvo la visión de la miniacería fue el alemán Willy Korf entre los años 1966 y 1970, y empieza a difundirse el concepto de hornos de alta potencia, y ultra potencia dotados de transformadores de mayor tamaño; así como hornos con corrientecontinua.

Simultáneamente se hicieron grandes avances en la calidad de los electrodos y del material refractario para el horno y la bóveda o tapa del horno. Luego surge la idea de dividir el proceso de aceración en sus dos etapas, la fusión del metal (derretirlo) y el afino del acero. Nace así el horno olla, que utilizando un transformador de mucha menor potencia realiza esta operación, denominada metalurgia secundaria. Usualmente la colada del acero en el horno eléctrico se efectúa basculando el horno para que el acero salga por la piquera y sea depositado en una olla o recipiente cubierto de ladrillos refractarios. En la colada del acero se tiene cuidado en no arrastrar la escoria que flota encima.

Una de las mejoras desarrolladas a los hornos eléctricos es el efectuar la colada por el fondo, con lo cual no se requiere el sistema basculante, pero sí de un sistema de cierre mecánico, que mayormente es con una válvula deslizante

Sistemas de fabricación del acero

Todos los países desarrollados y gran parte de los semi-desarrollados poseen plantas siderúrgicas.

La denominación que tienen las plantas siderúrgicas es por el tipo de producto terminado que fabrican y en este caso se denominan de productos “no planos” o de “productos planos”.

Las plantas de productos planos tienen un costo de instalación más alto que las de no planos y por esta razón en los países en desarrollo las plantas de productos “planos” eran de propiedad estatal, no así las plantas de “no planos” que eran de propiedad privada. Desde la década del 80, la tendencia general ha cambiado y tanto las plantas de planos, como no planos, están pasando a manos privadas.

En general, hay dos aspectos importantes a tener en cuenta en una planta siderúrgica, uno de ellos es la disponibilidad de la materia prima (mineral de hierro o chatarra) y el otro es la disponibilidad de energía.

En el caso de las plantas siderúrgicas vía Alto Horno & Convertidor, la materia prima es el mineral de hierro y la energía es la disponibilidad de coque o de carbón coquizable .

En las plantas siderúrgicas, vía Horno Eléctrico, la materia prima es la chatarra de acero o el hierro esponja y la energía necesaria dependerá de la disponibilidad de energía eléctrica en el país. En el caso de disponer de gas natural abundante, Éste permitiría el uso de hierro esponja mediante la reducción directa del mineral de hierro.

Flujo esquemático de la fabricación del acero

La solidificación del acero líquido se efectuaba hasta hace algunos años, en el patio de colada, convirtiéndose en lingotes el acero líquido que se vaciaba en moldes denominados lingoteras. El lingote mediante nuevo calentamiento en hornos especiales era laminado para convertirlo en planchón o tocho y luego repetir la operación para convertirlo en plancha o bobina, o en no planos, para lo cual era calentado el tocho y mediante la laminación se convertía en palanquilla y luego repetir la operación para obtener, de la palanquilla, la barra lisa, corrugada, alambrón o cualquier tipo de perfil.

La colada continua revolucionó completamente el procedimiento y originó un incremento notable de la productividad con la consiguiente reducción de costos, como resultado de vaciar directamente el acero líquido y salir convertido en una palanquilla o en un planchón.

En la actualidad, las modernas plantas de productos planos, producen directamente las bobinas de acero mediante colada continua, suprimiéndose así los costosos procedimientos de calentamiento en las diferentes etapas.

En forma similar las plantas de productos no planos pasan directamente del acero líquido a la palanquilla y al producto terminado.

Colada continua

Uno de los mayores adelantos en la fabricación del acero ha sido la utilización de la colada continua, la cual ha permitido reducir las mermas o desperdicios y reducir el consumo de energía.

En los procedimientos clásicos de fabricación de acero, vía Alto Horno o vía Horno Eléctrico, el acero líquido obtenido a una temperatura del orden de 1650 ºC, es vaciado a lingoteras o moldes, donde luego de volver a ser calentado es sometido a un proceso de laminación para convertirlo a palanquillas o planchones semiterminados y posteriormente vuelto a calentar, se procede a laminarlo para convertirlo en cintas, barras, perfiles, planchas, etc.

En cada uno de los procesos indicados se producen mermas y adicionalmente un mayor consumo de energía y de mano de obra.

La necesidad de idear un sistema que evitara el engorroso proceso descrito antes, era reconocida por los siderurgístas y es así como al comienzo del siglo XIX, el inglés Henry Bessemer patenta un sistema de colada continua que si bien no tuvo el Éxito esperado, confirma la inquietud existente, que animó a continuar experimentando durante todo dicho siglo.

En el siglo XX los progresos en los sistemas de colada continua son ya notables: primeramente en la colada de palanquillas y posteriormente en la colada de planchones.

En la actualidad, no se concibe una planta de productos no planos sin la colada continua de palanquillas y en lo que respecta a las plantas de productos planos, el 95% de ellas tienen en la actualidad colada continua de planchones y con las modernas tecnologías el espesor de los planchones se ha ido reduciendo.

Desarrollo de la tecnología del horno eléctrico de arco

Laminación del acero

Es difícil ubicar en el tiempo el inicio de la técnica de laminación. Se atribuye al molido de cereales y a la molienda de la caña de azúcar el inicio de los sistemas de laminación. Los informes que hay al respecto datan del siglo XV y se cita a un italiano procedente de Sicilia, Pietro Speciale, quien en 1449 diseña en madera tres cilindros movidos manualmente y utilizados para moler azúcar.

Simultáneamente en Alemania, Rudolph De Nuremberg, diseña un laminador para joyería.

El dibujo más significativo de un laminador se conserva hasta el presente y pertenece a Leonardo Da Vinci, fue hecho en el año 1495.

En el siglo XVI el francés Brulier, en 1553, diseña un laminador para planchas de oro y plata; y un alemán, Hans Lobsinger, en la misma Época diseña el primer laminador en caliente de la historia, logrando transformar el hierro en flejes o cintas.

En el museo de Cluny en Francia, se conserva hasta hoy un laminador-estirador, fabricado en Alemania, en 1565.

En el mismo siglo XVI Berius Bulmer de Inglaterra, fabrica un laminador en el año 1588.

El siglo XVII presenta un progreso acentuado en los procesos de laminación, existiendo documentos suficientes que así lo demuestran. Una de las ilustraciones más detalladas de una máquina de laminación se debe a Vittorio Zonca. Ya en 1615, se hacían laminadores más grandes, como el diseñado por Caus en Francia.

Merecen también señalar en este siglo, los diseños de Giovanni Branca, en Italia en 1629 y Richard Foley, en Suecia, Thomas Hale en 1670, en Inglaterra y en 1678 otro inglés, Thomas Harvey.

En este siglo XVII hay evidencia de la utilización de cilindros fundidos en la Laminación.

Laminadores diseñados por Leonardo Da Vinci -1495-

El siglo XVIII marca el asentamiento definitivo de los sistemas de laminación. El papel principal lo tuvo el inglés Henry Cort, que es conocido hasta hoy como El padre de la laminación. También sobresalen en este siglo el sueco Christofer Pohiem y el inglés John Payne, así como los franceses Fayolle y Remond.

En 1783, Henry Cort patenta un sistema de laminación en caliente el cual fue el resultado de un trabajo realizado en su taller de herrería en Fontiev, Inglaterra, cuando en 1780 la marina inglesa le envió un lote de chatarra de acero para ser fundido y transformado en perfiles laminados, utilizados en la fabricación de buques de guerra. En la siguiente página se puede apreciar a un grupo de marinos ingleses inspeccionando los perfiles.

En la Época moderna hay que mencionar a Tadeusz Seandzimir, ingeniero polaco que en las décadas de 1930 a 1950 desarrolla notablemente los sistemas de laminación hasta espesores delgados.

Adicionalmente a los procesos de laminación en caliente y en frío, las plantas de productos planos cuentan con líneas de revestimiento. Las que usualmente se utilizan, son las de zincado o galvanizado que consiste en cubrir la plancha con una delgada capa de zinc, mediante un proceso de inmersión en caliente. El otro tipo de recubrimiento es el estañado (para obtener la hojalata) producto que se utiliza en la industria de envases. Las plantas de hojalata utilizan el procedimiento de estañado electrolitito. Otro tipo de recubrimiento es el cromado, pero su mercado es menor.

En la distribución de una planta de laminación de planos y una de productos largos o de “no planos”, existe una gran diferencia, por lo que obligadamente hay que referirlas en forma separada.

Sin tener en cuenta la procedencia del acero, que puede ser vía Alto Horno o vía Horno Eléctrico, una planta de no planos tiene básicamente lo siguiente:

•El acero sale de la colada continua en forma de palanquilla, la palanquilla es una barra cuadrada de acero que tiene de lado 100 mm, 120 mm o 150 mm y una longitud que depende del proceso de laminación. Usualmente salen 4 líneas de palanquilla en forma simultánea.

•La palanquilla puede seguir uno de los dos caminos siguientes:

•En el caso de ir directamente al tren de laminación deberá estar a la temperatura adecuada.

•Si ha estado en la zona de enfriamiento, deberá calentarse en el horno de palanquillas hasta la temperatura adecuada de laminación (1 200 - 1 250°C).

•El tren de laminación está constituido por una serie de cajas de laminación en las cuales hay rodillos que progresivamente van transformando la palanquilla en el producto final, para lo cual los rodillos son previamente tallados en función al producto final que se ha programado producir.

Los laminadores modernos se clasifican en dos grupos principales: los que producen formas planas, por ejemplo: planchas, láminas, bandas y otros, en los que los cilindros son lisos y paralelos entre sí; y los diseñados para producir secciones formadas, como por ejemplo: cuadrados, redondos, rieles y perfiles, en los que se usan cilindros tallados.

El castillo metálico que contiene a los cilindros laminadores se denomina caja y generalmente es de acero fundido. En las cajas existen dos acanaladuras verticales en las cuales van colocadas la chumacera que tienen cojinetes sobre los cuales van asentados los cuellos de los cilindros. Existen además soportes especiales para asegurar la posición de los cilindros y también tornillos de ajuste para los cilindros superior e inferior.

Laminación no planosy planos

En los trenes para productos no planos se colocan guías delante de los cilindros y guardas detrás de Éstos que tienen por finalidad guiar a la barra en proceso al ingresar a un canal de laminación o al salir de Él respectivamente. Tales guías y guardas van aseguradas a una barra transversal llamada Somier.

El movimiento de rotación de los cilindros es generado por un motor que lo transmite a través de una caja de piñones o reductor que está conectado mediante acoplamientos a un extremo de los cilindros laminadores. Los cilindros poseen las siguientes partes: cuerpo o tabla, cuellos, y cabezales motor.

La laminación es la deformación plástica de los metales o aleaciones, realizada por deformación mecánica entre cilindros, obteniéndose como resultado una forma deseada y propiedades definidas en el material laminado; consiste en modificar la sección de una barra de metal al pasar entre dos cilindros, obteniéndose un espesor menor. Es el método más barato y más eficiente para reducir el área transversal de una pieza de material, de tal manera que el espesor final sea uniforme a lo largo de todo el producto.

En el caso de laminación de productos planos, los cilindros tienen generatriz rectilínea, y para la laminación de productos no planos o perfilados, los cilindros tendrán canales entallados de forma más o menos complicada en muchos casos.

Los productos son arrastrados por los cilindros por efecto de fuerzas de rozamiento que se originan en la superficie de contacto de los cilindros y el metal laminado.

En ausencia de fuerzas de rozamiento sería imposible laminar.

Según el orden de ubicación de las cajas, los laminadores se dividen en: lineales, escalonados, continuos, semi-continuos, etc.

Los laminadores con ubicación lineal tienen el inconveniente de que todas las cajas funcionan con velocidades iguales. Este inconveniente no existe en los laminadores escalonados ya que las cajas forman varias líneas, que funcionan con diferentes velocidades, lo que permite tener mayor velocidad en la caja acabadora, y por consiguiente, elevar el rendimiento del laminador. En los laminadores continuos, el metal que se lamina pasa sucesivamente a través de todas las cajas, ubicadas una detrás de la otra; se puede tener un motor para cada caja o uno solo con accionamiento, en derivación, para las cajas. La velocidad del laminador en cada caja siguiente es mayor que en la anterior. El funcionamiento del laminador requiere una relación determinada de velocidad para evitar que se formen lazos del metal que se lamina o se tense la barra entre las cajas. Los laminadores semicontinuos son combinaciones de continuo y de lineales, o de escalonados.

Durante la laminación, mientras el metal permanece caliente, la resistencia a la comprensión es pequeña aun cuando se lamine a baja velocidad; pero ocurre que por radiación y conducción al contacto con los cilindros entre pase y pase, el metal tiende a bajar su temperatura originando un incremento en la resistencia a la compresión, que va acompañado con una tensión excesiva en los cilindros, lo cual se evita reduciéndose las proyecciones de las áreas de contacto.

De igual modo si el metal tiene una gran longitud, va a permanecer mayor tiempo en contacto con el aire, lo cual va a dar lugar a un enfriamiento mayor que lo normal y va a ocurrir lo descrito en el párrafo anterior.

Un balance de calor puede ser establecido considerándose:

Si la separación de los cilindros es pequeña, lo cual daría una reducción excesivamente alta, la barra no podrá entrar debido a que los cilindros no la pueden agarrar.

A mayor reducción, se tendrá una mayor proyección por área de contacto o sea una mayor tensión en los cilindros. Una resistencia baja de los cilindros limita la reducción.

A mayor reducción, mayor será la potencia requerida; por lo tanto la potencia del motor limitará la magnitud de la reducción.

Cuanto mayor son las reducciones, mayor es el desgaste de los cilindros.

El laminado en caliente casi siempre empieza por el rompimiento de la estructura inicial o dendrítica de los lingotes o de los tochos, palanquillas y planchones de colada continua, ya que a temperaturas elevadas la maleabilidad es generalmente alta, permitiendo la deformación de los metales con relativa facilidad. El proceso de laminado en caliente se lleva a cabo a una temperatura superior a la de recristalización del material que se lamina, de manera que conforme tiene lugar la deformación de este material metálico en la abertura de los cilindros, la recristalización se inicia casi de inmediato. El crecimiento de los granos del metal laminado seguirá a la recristalización y nuevamente se tendrá la deformación en el siguiente juego de cilindros y también será seguida de recristalización. Este proceso se repite sucesivamente para los distintos pares de cilindros. Siempre que la temperatura final no sea demasiado elevada, el tamaño final del grano será satisfactorio.

Antes de efectuar la laminación es necesario calentar el metal hasta una temperatura dada durante un tiempo determinado, ya que de esto depende la obtención de una estructura homogénea, un calentamiento uniforme en todo el volumen del metal y una oxidación mínima del metal.

La forma, el tamaño y la calidad del acero influyen en el tiempo de calentamiento; mientras sea de forma más complicada y/o de mayores proporciones es mayor el tiempo de permanencia en el horno.

Una temperatura alta de calentamiento del acero puede originar un crecimiento excesivo de los granos y un defecto llamado quemado del acero que origina grietas que no son eliminables.

Una temperatura baja de calentamiento origina la disminución de la plasticidad del acero, eleva la resistencia a la deformación y puede originar grietas durante la laminación.

Circuitode producción planta de no planos

Por lo tanto la temperatura Óptima de trabajo no es un solo valor, sino que varía en cierto rango de temperatura entre un límite superior y un límite inferior.

Considerando el diagrama Fe ñ C, (Fierro ñ Carbono) cuando el acero durante el calentamiento pasa a través de los puntos críticos AC1 y AC3 va a estar acompañado de un cambio volumétrico y de una absorción de calor, si no hay una buena práctica de calentamiento, puede conducirse a un agrietamiento del acero; por lo tanto durante el paso a través de los puntos críticos hay que calentar el acero con cuidado y lentamente. Una vez pasados estos puntos, se hace necesario de un calentamiento a la velocidad máxima hasta la temperatura deseada con el fin de evitar pérdida del acero por oxidación y descarburación.

La oxidación y descarburación son procesos de difusión, se determinan mediante el control de la atmósfera del horno.

Por oxidación, la pérdida puede ser del orden de 1% a 4% del peso. A altas temperaturas se forman generalmente FeO y Fe2O3, mientras que el Fe3O4 se forma a temperatura más moderada ( < 500°C)

Durante la descarburación, las capas exteriores del acero pierden carbono y por lo tanto la calidad del material baja. La descarburación se difunde a mayor profundidad que la oxidación, por una mayor afinidad química del carbono con el oxígeno que con el hierro.

Variables que influyen en las propiedades mecánicas de los aceros

La composición química, la limpieza del acero, la estructura interna, las temperaturas de laminación y de fin de laminación, el grado de reducción y la velocidad de enfriamiento, son las principales variables que influyen en las propiedades mecánicas del acero.

En el caso específico de barras corrugadas se tiene como variables fundamentales, las siguientes:

Carbono.- es el de mayor importancia para incrementar o disminuir la resistencia y el porcentaje de alargamiento. Un mayor contenido vuelve duro y tenaz a la vez que hace quebradizo el acero, además, influye en un mayor carbono equivalente que es el Índice de una menor aptitud para la soldabilidad.

Manganeso.- contribuyen de igual modo que el carbono en la resistencia.

Micro-aleación.- se tiene el caso de Ferro Vanadio, que permite aumentar las propiedades físicas en un acero común al carbono, al retardar el crecimiento del grano del producto laminado en caliente.

Temperatura de laminado.- mediante la temperatura de igualización se controla indirectamente la temperatura de laminado en cada pase y al final de la laminación.

Si la temperatura de entrada del material a laminar en el tren es baja se va a obtener una baja temperatura de acabado. A mayor temperatura de acabado se va a obtener menores propiedades mecánicas.

Porcentaje de reducción.- a mayor porcentaje de reducción se va a obtener menores tamaños de grano, lo cual da lugar a mayores propiedades mecánicas.

Este porcentaje está ligado al número de pases a efectuar y al diámetro del producto a obtener.

Entre otras variables se puede considerar el contenido de silicio, azufre, fósforo, cromo, níquel, cobre; el ciclo de calentamiento, el sistema de enfriamiento, el peso métrico, etc.

Todas estas variables son las que se han tenido en cuenta para ir mejorando hasta lograr la optimización en la calidad.

Control de proceso.- para controlar el proceso se hace el seguimiento del metal desde su etapa de cálculo a los hornos hasta el producto obtenido de la laminación.

En la etapa de cargado se controla:

En la etapa de calentamiento se controla:

En el proceso de laminación

Metalurgiadel acero

La clasificación de las aleaciones hierro-carbono se hace en tres grupos:

Hierro Dulce.- Es la aleación hierro-carbono que contiene un máximo de 0.06% de carbono, que no puede adquirir temple y de estructura fundamentalmente ferrítica.

Acero.- Es la aleación hierro-carbono que contiene más de 0.06% y hasta 1.90% de carbono, en la que todo el carbono es soluble en el hierro gamma a las temperaturas críticas.

Se define también como la aleación maleable de hierro y carbono, que ha estado fundido en su proceso de manufactura, en el cual el carbono está combinado como carburo de hierro (Fe3C), conteniendo generalmente pequeñas cantidades de silicio, manganeso y azufre.

Es un producto que puede adquirir propiedades muy diferentes mediante tratamientos térmicos, mecánicos, físico-químicos, y otros.

Se le clasifica a su vez en: Aceros al carbono, y Aceros aleados

Los primeros se suelen subdividir en varios grupos como los siguientes:

•Aceros suaves o de bajo carbono, conteniendo hasta 0.40% C.

•Aceros semiduros, conteniendo hasta 0.60% C.

•Aceros duros, conteniendo hasta 1.10% C.

•Aceros extraduros, con más de 1.10% C.

Los aleados se denominan de acuerdo con los metales más importantes que contienen, o según el uso a que se destinan o sus propiedades más notables, así por ejemplo:

•Aceros al cromo, al níquel, al tungsteno, al molibdeno, etc.

•Aceros de alta velocidad, inoxidables, de corte fácil o en frío, especiales, etc.

Hierro Colado.- Es un producto indeformable plásticamente que contiene de 2.0 a 4.5% de carbono, en el cual la proporción de carbono presente excede a la cantidad que puede ser retenida en la austenita a la temperatura crítica.

Es el hierro producido por la refusión de arrabio, chatarra o ambos, con o sin aleaciones, y que se vacía en moldes de arena o permanentes.

Hierro Colado Gris (Fundición Gris).- Es la aleación de hierro y carbono con otros elementos, generalmente con un contenido de carbono mayor de 2%, en el cual la mayoría del mismo se presenta en forma de grafito laminar (hojuelas de grafito).

Es este elemento el que da el color gris en una fractura reciente.

Hierro Colado Blanco (Fundición Blanca o Hierro Cementítico).- Es el hierro colado en el cual el carbono excedente del eutectoide se separa en forma de carburo de hierro (cementita) al solidificarse el producto.

Hierro Colado Moteado (o Atruchado).- Es una fundición de estructura intermedia entre la fundición blanca y la fundición gris que presenta fractura moteada.

Hierro Colado Aleado.- Es un hierro colado al cual se agregan elementos especiales para modificar sus propiedades con un fin determinado. Este hierro colado se denomina según los elementos de aleación o según la estructura resultante.

Hierro Colado en Enfriador (Coquilla o Templadera).- Es una fundición de hierro gris en la que por un enfriamiento rápido intencional se obtiene una porción de hierro blanco, compuesta por cementita masiva libre, perlita o uno de los productos de transformación de la austenita por enfriamiento rápido.

Hierro Colado Maleable.- Es el producto que se obtiene partiendo de un hierro colado blanco, en el cual se ha transformado el carbono combinado a grafito en forma de nódulos o carbono de recocido, por medio de un tratamiento térmico adecuado que aumenta su tenacidad y maleabilidad, resultando reformable en forma limitada y trabajable mecánicamente con facilidad.

Hierro ColadoNodular (Hierro Dúctil).- Es el hierro colado en el que el grafito se encuentra uniforme disperso, en forma nodular o esferoidal, obtenido por inoculación en el metal líquido de substancias tales como magnesio y cerio que producen dicho efecto. Generalmente se le trata térmicamente con un recocido.

Otras aleaciones no ferrosas

Aleaciones Ligeras.- Son principalmente las que tienen como base el aluminio y el magnesio, por ejemplo, del primero: el duraluminio y el silumin, del segundo: el magnalio, el metal electrón, etc.

Aleaciones de Cobre.- Bronces son las aleaciones a base de cobre y estaño conteniendo eventualmente otros metales. Latones son aleaciones a base de cobre y zinc, pudiendo contener además otros metales, así por ejemplo, la llamada plata alemana o alpaca que contiene níquel.

Aleaciones de Zinc.- Son de mencionarse como importantes los zamak a base de zinc, cobre y magnesio.

Aleaciones de Estaño.- Son de mencionarse la soldadura común, o 50 - 50 conteniendo iguales proporciones de plomo y estaño.

El Metal Babitt o antifricción a base de estaño, cobre, antimonio, y a veces plomo.

Aleaciones de Plomo.- El metal de imprenta conteniendo plomo y antimonio, el kirksite, etc....

Aleaciones Inoxidables.- y resistentes a las altas temperaturas a base de níquel, cromo, molibdeno, cobalto, titanio, silicio, aluminio, etc.

Como ejemplos: el metal monel a base de níquel y cobre, y hasteloy a base de molibdeno, el silcromal a base de silicio y cromo, el cromel o nicrome a base de cromo y níquel, etc.

Aleacionespara Imanes.- permanentes como el alnico a base de aluminio, níquel, y cobalto, etc.

Especificaciones del Acero

Existen diversas modalidades de clasificación.

Clasificación de los aceros por su composición química

El AISI (American Iron and Steel Institute) y la SAE (Society of Automotive Engineers) han hecho clasificaciones de los aceros, que son actualmente las más utilizadas en México.

El sistema de clasificación AISI es numérico y describe parcialmente su composición química.

El primer número indica el tipo al cual pertenece el acero; así el “1” indica acero al carbono, el “2” significa acero al níquel, el “3” indica acero níquel cromo.

En casos de aleación simple, el segundo número indica el porcentaje del elemento predominante de la aleación.

Normalmente los dos o tres últimos números indican el porcentaje de carbono en “puntos” (por ciento). Por ejemplo, un acero “2340” indica un acero al níquel con aproximadamente 3% de níquel (3.25 a 3.75%) y 0.40% de carbono (0.35 a 0.45%).

Las series básicas para varios tipos de acero según la clasificación AISI (incluyendo aceros al carbono simples) son:

•10 XX grados al carbono

•11 XX grados al carbono resulfurados

•12 XX grados al carbono refosforados

•13 XX con 1.75% de manganeso

•23 XX con 3.50% de níquel

•25 XX con 5.00% de níquel

•31 XX con 1.25% de níquel y 0.65% de cromo

•33 XX con 3.50% de níquel y 1.55% de cromo

•40 XX con 0.25% de molibdeno

•41 XX con 0.50% ó 0.95% de cromo, 0.12% de molibdeno

•43 XX con 1.80% de níquel, 0.50% ó 0.80% de cromo y 0.25% de molibdeno

•46 XX con 1.55% ó 1.80% de níquel, y 0.20% ó 0.25% de molibdeno

•47 XX con 1.05% de níquel, 0.45% de cromo, y 0.20% de molibdeno

•48 XX con 3.50% de níquel, y 0.25% de molibdeno

•50 XX con 0.28% ó 0.49% de cromo

•51 XX con 0.80, 0.90, 0.95, 1.00 ó 1.05% de cromo

•5 XXXX con 1.00% de carbono y 0.50, 1.00 ó 1.45% de cromo

•61 XX con 0.80 ó 0.95% de cromo, y 0.10 ó 0.15 mínimo de vanadio

•86 XX con 0.55% de níquel, 0.55 ó 0.65% de cromo, y 0.20% de molibdeno

•87 XX con 0.55% de níquel, 0.50% de cromo, y 0.25% de molibdeno

•92 XX con 0.85% de manganeso, y 2.00% de silicio

•93 XX con 3.25% de níquel, 1.20% de cromo, y 0.12% de molibdeno

•98 XX con 1.00% de níquel, 0.80% de cromo, y 0.25% de molibdeno

TS significa aceros con norma tentativa.

B significa aceros al boro, como p.e. 46B12.

BV significa aceros al boro - vanadio, como p.e. TS43BV12.

Esta lista representa una estandarización y simplificación de miles de diferentes composiciones químicas de aceros, siendo muy útil para denominar o seleccionar aceros con aleación para diferentes usos.

En esta clasificación no se han incluido una serie de aceros para usos especiales como son: para herramientas, alto silicio para uso en equipo eléctrico, inoxidables, y para servicio en altas temperaturas (refractarios).

Además se utilizan las siguientes clasificaciones de acero según el AISI: Alta velocidad.- Incluye los aceros de la serie M y T.

Inoxidable.- Incluye las series siguientes:

Grupos

No.de Serie

Austenítico

2XX

Austenítico

3XX

Martensítico

4XX

Ferrítico

4XX

Martensítico

5XX

Grado herramienta.- Incluye los aceros de las series siguientes:

Serie

W

Serie

S

Serie

O

Serie

A

Serie

D

Serie

H

Serie

L

Serie

F

Serie

P

Tipos de acero

Los aceros producidos en los procesos siderúrgicos, muchos de ellos de preferencia o exclusivamente en horno eléctricos, constituyen una gran variedad que a grandes rasgos pueden clasificarse en:

Acero al Carbono.- Es el acero cuyo contenido de carbono es de 1.90% como máximo, y el de otros elementos menor de:

Manganeso

1.65 %

Fósforo

0.12 %

Azufre

0.10 %

Fósforo + Azufre

0.20 %

Silicio

0.60 %

Manganeso + Silicio

2.00 %

Cobre

0.40 %

Níquel

0.20 %

Cromo

0.20 %

Molibdeno

0.05 %

Vanadio

0.05 %

Tungsteno

0.20 %

Cobalto

0.30 %

Plomo

0.10 %

Otros elementos considerados separadamente 0.10% máximo. Los aceros al carbono se pueden clasificar a su vez en:

Aceros suaves o al bajo carbono, con 0.06 hasta 0.25% de carbono. Aceros semiduros al medio carbono, 0.26 al 0.50% de carbono.

Aceros extraduros o alto carbono, con más de 0.70% y hasta 1.5% de carbono generalmente

Acero Aleado, o Especial.- Es el acero que contiene en mayores cantidades los elementos indicados en componer al carbono, o además otros elementos que se agregan para modificar sus propiedades.

Se les llama al manganeso, al silicio, al níquel, al cromo, al tungsteno, al molibdeno, al vanadio, etc.

Entre los tipos más usuales e interesantes son de mencionarse:

Aceros austeníticos.- Son los aceros aleados cuya estructura normal, a la temperatura ambiente es austenítica, como por ejemplo:

Los aceros austeníticos al alto manganeso, o tipo hadfield, que se endurecen al recibir golpes o presiones en frío, y son resistentes al desgaste.

Los aceros de alta resistencia mecánica y tenacidad para maquinaria y equipos diversos, generalmente al níquel-cromo, molibdeno, etc.

Los aceros herramienta son los aceros aleados al carbono que generalmente después de templarse y revenirse quedan con elevada dureza, lo que los hace capaces de deformar, conformar, cortar o romper otros materiales.

Los aceros de corte fácil al alto azufre y fósforo, o al plomo, que son aceros que se maquinan con facilidad. Los aceros indeformables al temple, al manganeso, molibdeno, y cromo.

Los aceros inoxidables son los aceros que contienen un mínimo de 12% de cromo, pudiendo también contener otros elementos de aleación. Se clasifican en cuatro categorías: ferríticos, martensíticos, austeníticos y endurecimiento por precipitación, de acuerdo con sus características microestructurales. Tiene alta resistencia a la corrosión y a temperaturas elevadas.

Los aceros de alta velocidad, al tungsteno, cromo, vanadio, y molibdeno, utilizados para cierto tipo de herramientas:

Los aceros refractarios o resistentes a la oxidación a alta temperaturas, al níquel cromo, al cromo-silicio, al cromo-aluminio, al cobalto, molibdeno, etc.

Los aceros para imanes permanentes, al tungsteno, aluminio, níquel y cobalto. Los aceros para resortes que suelen contener entre 0.50 y 0.85% C.

Clasificación según el método de manufactura

Aceros Muertos o Calmados.- Son los aceros desoxidados con un agente desoxidante enérgico, tal como el silicio o el aluminio con el fin de reducir al mínimo el contenido de oxígeno para evitar que se produzca reacción entre el carbono y el oxígeno durante la solidificación. La solidificación debida al enfriamiento y su consiguiente reducción de volumen dá origen a una cavidad o “rechupe” en la parte central superior del lingote, cuyos efectos se reducen mediante el uso de materiales aislantes o exotérmicos colocados en la parte superior de la lingotera, y que se elimina por corte durante el proceso de laminado.

Este tipo de acero se caracteriza por una ligera variación de composición química de la superficie al centro, y de la parte superior a la parte inferior del lingote.

Aceros Semimuertos o Semicalmados.- Son los aceros desoxidados en forma incompleta para permitir el desprendimiento de monóxido de carbono suficiente para compensar la contracción por solidificación.

La composición química de estos aceros es menos uniforme que en los aceros muertos, pero en grado menor que la variación de análisis que caracteriza a los aceros efervescentes. El desprendimiento de gas es poco intenso durante el vaciado y solidificación del lingote de este tipo de acero y está determinado por la cantidad de desoxidante agregado. El rechupe es menos marcado en estos aceros, y depende del volumen de gases generados en el seno del lingote.

Aceros Capados o Tapados.- Son los aceros en los cuales después del vaciado, la acción efervescente se detiene después de un corto tiempo mediante un tapado mecánico o por la adición de desoxidantes enérgicos.

El objeto de estos aceros es tener las características superficiales de los aceros vivos con una composición química y propiedades físicas más homogéneas que éstos.

Son los aceros con efervescencia franca y vigorosa, que después de un corto tiempo forman una “piel” con una concentración de elementos químicos muy inferior a la del corazón del lingote, momento en el cual se capan mecánica o químicamente para obtener las propiedades de homogeneidad química que se persiguen. En todo caso el gas atrapado durante la solidificación es en exceso del necesario para contrarrestar la contracción normal resultante al enfriarse y solidificarse el acero en el molde. La acción de capar el lingote limita el tiempo de evolución del gas y previene la formación de un número excesivo de sopladuras en el lingote.

La acción de capar el lingote puede ser:

Mecánica, mediante el uso de moldes de cuello de botella y tapas pesadas.

Química, en este caso la solidificación se hace en moldes abiertos, y la acción de capar se obtiene por acción de aluminio y/o ferrosilicio en la parte superior del lingote, lo que origina que esta parte solidifique rápidamente. Esta parte del lingote se desecha posteriormente.

Aceros Vivos y Efervescentes.- Son los aceros cuyos contenidos de carbono y manganeso son normalmente menores de 0.25% y 0.60% respectivamente, y cuya composición química no es uniforme, debido a que presentan una marcada formación de gas durante la solidificación de la parte exterior del lingote.

Se caracterizan por marcadas diferencias en la composición química, tanto en la sección transversal del lingote, como en la sección longitudinal, así como por un franco desprendimiento de gases durante el vaciado y solidificación. Tiene una “piel” que es más baja en carbono, fósforo, manganeso y azufre, que la composición promedio del corazón del lingote, la estructura típica de los aceros vivos, tanto en segregación como en la distribución de las sopladuras, es el resultado de la evolución marcada del gas durante la solidificación.

Efectos de la composición química del acero