Hierro. Materiales y materias primas.

Historia del Hierro y su Metalurgia

Introducción a la metalurgia del hierro

• Desde la antigüedad, el hombre utilizó siete elementos metálicos, siendo uno de ellos tan crucial que dio nombre a una etapa de la prehistoria. Su desarrollo implicó poder y dominio entre pueblos.

• El hierro se convirtió en acero, permitiendo la producción de diversos objetos, desde alfileres hasta estructuras como la Torre Eiffel y puentes importantes. Es esencial para varias industrias, especialmente la ferroviaria.

Dominio del hierro en civilizaciones antiguas

• Los hititas dominaron Asia Menor alrededor de 1900 a.C., desafiando potencias como Egipto y Babilonia gracias al uso efectivo del hierro.

• La metalurgia del hierro marcó el final de la prehistoria, reemplazando al bronce en herramientas y armas. A partir del siglo XV a.C., los hititas usaron técnicas avanzadas para construir carros rápidos.

Difusión cultural y tecnológica

• Se estima que la cultura relacionada con el hierro se difundió desde Medio Oriente hacia Europa; los Alpes suizos fueron clave en esta transición hacia la Edad de Hierro.

• En África, se encontraron objetos de hierro datados en el siglo X a.C., indicando un uso temprano del mineral fundido proveniente de meteoritos.

Espadas de Damasco y nanotecnología

• Las espadas de Damasco eran famosas por su filo y belleza; su fabricación fue un misterio para herreros europeos durante siglos.

• En 1991, se descubrieron nanotubos de carbono en espadas auténticas analizadas bajo microscopios avanzados, lo que explica su fortaleza.

Avances en metalurgia india

• En India, los arqueólogos hallaron una evolución significativa en metalurgia; el acero conocido como "guts" era producido mediante un proceso específico que incluía carbón vegetal.

• Este proceso generaba "hierro esponja", que luego era refinado para eliminar impurezas antes de ser moldeado.

Técnicas forjadoras y sus diferencias

• La habilidad siria en forjar acero radicaba en trabajar a temperaturas específicas (650 - 850 °C), logrando super elasticidad sin romperse.

• Los europeos forjaban a temperaturas más altas (1000 °C), lo cual resultaba contraproducente para ciertos aceros como el "wuts".

Evolución durante la Edad Media

• Durante la Edad Media, las forjas catalanas comenzaron a utilizar hornos más eficientes que permitieron obtener hierro menos impuro.

¿Cuáles son los principales minerales de hierro y su importancia en la industria?

Composición y características de los minerales de hierro

• Los principales minerales de hierro incluyen magnetita, hematita, limonita, siderita y pirita. La ley del mineral se refiere al porcentaje de metal que contiene; para ser utilizado en la industria siderúrgica, debe tener un mínimo del 40% de hierro.

• La magnetita tiene un contenido del 72% de hierro, la hematita el 70%, mientras que la pirita apenas alcanza el 47%. Sin embargo, estos porcentajes pueden disminuir debido a la presencia de ganga (impurezas).

Producción mundial y localización

• China es el tercer productor mundial de mineral de hierro después de Brasil y Australia, además es el primer productor mundial de acero crudo.

• En Argentina existen yacimientos en varias provincias: Jujuy, Salta, Catamarca, La Rioja, Mendoza, San Juan y San Luis. También hay depósitos en Sierra Grande (Río Negro), que es el único actualmente en explotación.

Diferencias entre tipos de acero

• Existen dos tipos principales: acero y fundición. La diferencia radica en un pequeño porcentaje de carbono; las aleaciones con menos del 1.76% se clasifican como aceros.

• El carbono influye significativamente en las propiedades del material; por lo tanto, no se utiliza hierro puro sino aleado con otros elementos.

¿Cómo se produce el acero?

Métodos de producción

• El proceso puede realizarse por reducción directa o indirecta. En la reducción directa se obtiene acero con hasta un 1.7% de carbono a partir de materias primas.

• En métodos indirectos primero se produce arrabio (con entre 3% y 4.5% carbono), que luego se afina para obtener acero deseado.

Proceso inicial

• Los minerales llegan a las acerías como pellets o lumps; alrededor de 55 a 65 mil toneladas son transportadas a través cintas hacia áreas específicas dentro planta.

• En la planta se realiza una transformación inicial donde los pellets son precalentados y reducidos mediante gas natural.

Detalles técnicos sobre hornos eléctricos

Funcionamiento del horno

• El horno tiene dos circuitos: uno superior donde ocurre la reducción del óxido por gases reductores a altas temperaturas (960°C).

• Se genera "hierro esponja", que es descargado desde el fondo del horno tras eliminar oxígeno combinado.

Consumo energético

• Para producir diariamente 5000 toneladas diarias de hierro esponja se consume un millón m³ gas natural; esto equivale al consumo domiciliario promedio en Rosario durante ese tiempo.

Proceso final para obtener acero líquido

Hornos eléctricos

• Los hornos eléctricos permiten alcanzar temperaturas hasta 3600°C utilizando electrodos verticales que producen arcos eléctricos para fundir materiales.

Refinación del producto final

• El acero líquido obtenido pasa por un proceso automatizado donde se añaden ferroaleaciones para cumplir especificaciones precisas según su aplicación.

Proceso de Transformación del Arrabio en Acero

Introducción al Proceso de Reducción

• El interior del horno está revestido con ladrillos refractarios que resisten el calor y la erosión. La carga ingresa por un tragante a 150 °C, donde se inyecta aire enriquecido con oxígeno.

• Al alcanzar temperaturas de aproximadamente 2000 °C, se forma monóxido de carbono que reduce el mineral al quitarle oxígeno, logrando una reducción significativa.

Producción de Arrabio

• Las altas temperaturas permiten la reducción del óxido de manganeso y la eliminación del azufre, fundiendo el mineral de hierro para formar arrabio, que contiene alto contenido de carbono e impurezas.

• El arrabio se extrae rompiendo un tapón llamado piquera y fluye hacia vagones termos; este proceso se denomina colada.

Transformación a Acero

• El arrabio es transportado a convertidores especiales para su transformación en acero. Este proceso se llama afino y es crucial para obtener productos variados.

• Se menciona la historia de Henry Bessemer y su invención del primer convertidor en 1855, lo que revolucionó la producción siderúrgica en Sheffield.

Evolución Tecnológica en Siderurgia

• El convertidor Bessemer permite un aumento significativo en la producción y una reducción drástica en costos. Su diseño incluye un fondo perforado para facilitar el proceso.

• El proceso consta de tres fases: llenado, soplado (inyección de aire caliente), y vaciado. Cada fase tiene un impacto directo sobre las propiedades finales del acero producido.

Avances Posteriores en Convertidores

• En 1875, Sydney Thomas mejora el convertidor Bessemer al usar dolomita como recubrimiento, permitiendo eliminar fósforo como escoria.

• Las escorias producidas son utilizadas como fertilizantes, mostrando cómo los avances tecnológicos tienen aplicaciones más allá de la metalurgia.

Innovaciones Modernas

• Después de la Segunda Guerra Mundial, se experimenta con oxígeno puro en procesos refinados; esto culmina con el desarrollo del proceso básico de oxígeno en Austria.

• En este nuevo método, el arrabio líquido es tratado con cal para captar impurezas mientras reacciones químicas transforman el material a acero.

Proceso Final: Colada Continua

• La colada continua transforma acero líquido en productos semielaborados mediante moldes específicos; este método permite una producción eficiente y variada.

Proceso de Laminación en Caliente y Tipos de Acero

Proceso de Laminación en Caliente

• La laminación en caliente es un proceso donde se pasa la palanquilla entre dos rodillos que giran a la misma velocidad y en sentidos opuestos, reduciendo su sección transversal.

• Este proceso permite obtener productos como flejes para tubos, perfiles, barras de diferentes secciones, alambrones y chapas.

Productos Derivados del Laminado

• Las chapas laminadas en caliente son sometidas a un laminado en frío para reducir el espesor y mejorar su aspecto superficial.

• Se producen aceros revestidos con materiales como zinc o cromo para aumentar la resistencia a la corrosión.

Clases de Acero

• Existen cinco clases principales de acero: al carbono, aleados de baja aleación ultrarresistentes, inoxidables y para herramientas.

• Más del 90% de los aceros son al carbono, utilizados principalmente en estructuras de construcción y objetos comunes.

Propiedades del Acero Aleado e Inoxidable

• Los aceros aleados contienen elementos como molibdeno y manganeso; se utilizan para fabricar engranajes y cuchillos.

• Los aceros inoxidables poseen alta resistencia mecánica y a la corrosión; son reciclables y se usan en aplicaciones industriales diversas.

Impacto Ambiental de la Siderurgia

• La industria siderúrgica contribuye significativamente al efecto invernadero debido a las emisiones contaminantes generadas durante sus procesos.

• A pesar del impacto ambiental, las empresas siderúrgicas invierten en mejorar procesos para minimizar contaminación.

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