CAPÍTULO 11: ACERO

11.1 Introducción.

Este capítulo tiene por fin conocer al acero como material de Ingeniería,

como parte de un proceso de construcción y como integrante de nuestra

realidad. Con ello se busca lograr su mejor aprovechamiento, complementarlo

adecuadamente en la fabricación de estructuras y recoger las enseñanzas de

obras anteriores. La atención se ha centrado en el acero estructural por ser la

variedad usada en la construcción de edificios y obras industriales.

Diagrama de fase del acero:

Clasificación y Características:

Los productos siderúrgicos son compuestos de fierro con porcentajes

controlados de carbono y otros minerales residuales de acuerdo a las

propiedades que se desee obtener.

Para su obtención se emplean minerales ricos en óxidos de fierro como la

Magnetita, la Hematita roja o la Limonita a los que se les elimina el oxígeno

mediante combustión en presencia de carbón, y refinados luego con fundentes

que eliminan las impurezas dejando sólo carbono en porcentajes de hasta 4%

y otros elementos en hasta 2%.

El carbono es el gran regulador de las propiedades del producto final, por lo

que los aceros se clasifican, según su contenido en:

Fundición, con 2 a 4% de carbono, es un material duro,

quebradizo y poco deformable. Se le utiliza en la fabricación de

elementos de máquinas, herramientas, tuberías, etc.

aprovechando su facilidad de fusión y capacidad de ser sometido

a moldes. Debido a su contenido de carbono es autolubricante

Acero, con 0,0 ó al 2% de carbono y un variado contenido

de otros elementos que lo hacen un producto dúctil deformable y

de alta resistencia mecánica.

Fierro dulce, con menos de 0,0ó % de carbono, es

prácticamente infusible, no se deja moldear, blando, deformable

y de baja resistencia mecánica, es fácil de maquinear. Se le

utiliza en la fabricación de chavetas, cuñas, seguros, ejes

sencillos, algunos tipos de engranajes, bases de matrices, etc.

11.2 Acero

Bajo la denominación de aceros se incluye a todos aquellos que por

economía, resistencia, ductilidad y otras propiedades, resultan apropiados para

materializar piezas que soportan cargas en una gran variedad de aplicaciones

en la construcción.

Se destinan a cubrir las necesidades generales de la ingeniería en la

construcción de edificios, estructuras, puentes, minas, industria naval,

calderería, órganos de maquinas, herramientas, etc.

Los aceros son, en general, tanto mas duros cuanto más carbono tengan.

En cambio son más soldables y más resistentes a los golpes, los que poseen

menos carbono. El hecho de ser dúctiles y maleables (capacidad de formar

hilos y planchas) diversifica enormemente su empleo. El carbono ocupa los

huecos insterticiales dentro de la estructura cristalina del fierro (como se vio

en el capitulo 3). Esto produce que las dislocaciones en el fierro se traben

según la cantidad de átomos de carbonos. Al tener mayor cantidad de átomos

en los intersticios la fuerza que hay que ejercer para mover una dislocación es

mucho mayor. Ésta dificultad para mover las dislocaciones hace que el acero

sea más o menos dúctil y resistente

Los aceros se pueden clasificar según su contenido de carbono en:

Aceros con bajo contenido de carbono o extrasuaves. El

porcentaje de carbono fluctúa entre 0,06 a 0,15%. Son aceros de

baja resistencia (36 a 40 kg/mm2 en estado natural), de gran

tenacidad (muy deformables sin romperse) y fácilmente

soldables. Se utilizan en elementos de maquinarias, son

especialmente indicados para lograr estampados profundos,

plegados en frío y fabricación de tubos soldados, alambres,

clavos, tornillos y hojalata. Su resistencia mejora si se les somete

a procesos de estirado en frío.

Aceros estructurales o suaves. El porcentaje de carbono

fluctúa entre 0,20 y 0,28 %. Su resistencia es de 38 a 44

kg/mm2, buena tenacidad y fácilmente soldables. Presentan una

zona elástica bien formada y definida.

Aceros con contenido medio de carbono o semiduros. El

porcentaje de carbono fluctúa entre 0,30 y 0,50 %. Su buena

resistencia (50 a 60 kg/mm2) y poco alargamiento lo señalan

como especialmente adecuados para la fabricación de partes y

piezas en la industria automotriz. Son maquineables y templables

en pequeños espesores.

Aceros duros, con contenido de carbono de 0,50 a 0,65%.

Sus aplicaciones están generalmente en ejes, transmisiones,

tensores y piezas regularmente cargadas y de espesores no muy

altos. Templan bien en agua y aceite y son poco soldables.

Aceros con alto contenido de carbono o muy duros. Su

porcentaje de carbono varía de 0,70 a 0,95%. Se emplean en la

fabricación de piezas de gran resistencia y grandes dimensiones:

cigüeñales, bielas, ejes muy cargados, coronas de reductores, etc.

En algunos casos este tipo de acero debe ser sometido a

tratamiento térmico (recocido) antes de trabajarse. Es soldable

sólo con técnicas y electrodos especiales y difícil de cortar con

soplete oxiacetilénico.

Aparte del contenido de carbono hay otros materiales que también cambian

las propiedades de este:

ELEMENTO

ALUMINIO

En pequeñas cantidades actúa como desoxidante

para el acero fundido.

Produce un acero de grano fino.

Disminuye temperatura de transición

BORO

Aumenta la templabilidad (profundidad a la que

puede ser endurecido un acero)

CROMO

Aumenta la profundidad de endurecimiento.

Mejora la resistencia al desgaste.

Mejora la resistencia a la corrosión.

COBRE

Mejora significativamente la resistencia a la

corrosión atmosférica.

MANGANESO

Elemento básico en todos los aceros

comerciales.

Actúa como desoxidante.

Neutraliza efectos nocivos del azufre,

facilitando la laminación, moldeo y otras

operaciones de trabajo en caliente.

Aumenta la penetración de temple.

Contribuye a la resistencia y dureza.

MOLIBDENO

Aumenta la penetración de temple y mejora las

propiedades del tratamiento térmico.

Aumenta la dureza.

Aumenta la resistencia a altas temperaturas.

NÍQUEL

Mejora propiedades del tratamiento térmico

reduciendo la temperatura de endurecimiento y

distorsión al ser templado.

En conjunto con el cromo, aumenta la dureza y

resistencia al desgaste.

Eleva resistencia al impacto.

SILICIO

Se emplea como desoxidante.

Actúa como endurecedor.

AZUFRE

Normalmente es una impureza y se mantiene a

un bajo nivel.

A veces se agrega intencionalmente en grandes

cantidades (0,06 a 0,30%) para aumentar la

maquinabilidad (habilidad para ser trabajado

mediante cortes)

FÓSFORO Elemento menos deseable (< 0,04%)

TITANIO

Se emplea como desoxidante.

Inhibe el crecimiento granular.

Aumenta la resistencia a altas temperaturas.

TUNGSTENO

Imparte gran resistencia al desgaste y dureza a

altas temperaturas.

VANADIO Imparte dureza.

Ayuda a la formación de granos de tamaño fino.

Aumenta la resistencia a los impactos.

Aumenta la resistencia a la fatiga.

Nomenclatura de los aceros.

Los aceros se pueden clasificar de tres diferentes maneras, estas son

por:

Composición química.

Resistencia mecánica.

Normas ASTM.

Designación de los aceros por composición química.

Para esto se usa un sistema de numeración de cuatro dígitos:

SAE * YYXX

En que:

SAE: Society of Automotive Engineers.

YY: Indica el elemento aleado que se ha agregado al hierro y al

carbono.

XX: Indican el número de centésimas de porcentaje del

contenido de carbono (0,XX%), con algún porcentaje

de tolerancia.

* : Prefijo que denota el método de obtención del acero,

por ejemplo:

B es acero Bessemer.

C es acero por proceso Siemens Martin.

E es acero de horno eléctrico.

Nomenclatura para los aceros SAE.

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NUMERO COMPOSICIÓN

10 XX Aceros al carbono

11 XX Aceros al carbono resulfurados para maquineabilidad

13 XX Manganeso (1,5 - 2,0%)

23 XX Níquel (3,25 - 3,75%)

25 XX Níquel (4,75 - 5,25%)

31 XX Níquel (1, 10 - 1,40%), Cromo (0,55 - 0,90%)

33 XX Níquel (3,25 - 3,75%), Cromo (1,40 - 1,75%)

40 XX Molibdeno (0,20 - 0,30%)

41 XX Cromo (0,40 - 1,20%), Molibdeno (0,08 - 0,25%)

43 XX Níquel (1,65 - 2,0%), Cromo (0,4 - 0,9%),

Molibdeno(0,2 - 0,3%)

46 XX Níquel (1,40 - 2,00%), Molibdeno (0, 15 - 0,30%)

48 XX Níquel (3,25 - 3,75%), Molibdeno (0,20 - 0,30%)

51 XX Cromo (0,70 - 1,20%) Acero inoxidable

61 XX Cromo (0,70 - 1,10%), Vanadio (0,10%) Acero

inoxidable

81 XX Níquel (0,2 - 0,4%), Cromo (0,3 - 0,55%),

Molibdeno(0,08 - 0,15%)

86 XX Níquel (0,3 - 0,7%), Cromo (0,4 - 0,85%),

Molibdeno(0,08 - 0,25%)

87 XX Níquel (0,4 - 0,7%), Cromo (0,4 - 0,6%), Molibdeno

(0,2- 0,3%)

92 XX Silicio (1,80 - 2,20%)

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Designación de los aceros por resistencia mecánica (Sistema de Norma

Chilena)

Se usa un sistema de numeración de cuatro dígitos:

A XX – YY *

En que:

A: Acero.

XX: indica la resistencia a la tracción en Kilogramos fuerza por

mm2

YY : indica el límite de fluencia en Kilogramos fuerza por

mm2

* : Sufijo que denota variedades de acero como por ejemplo:

H: barras para hormigón armado

E: acero estructural

ES: acero estructural de soldabilidad garantizada

CS: acero comercial soldable

TS: acero para tubos soldados.

Nomenclatura para los aceros ASTM.

ASTM = American Society for Testing Materials:

A XXX - YY

En que:

XXX = Número de orden de la norma.

YY = Año de revisión.

Algunos tipos de aceros. Para comparar tipos de acero en este anexo se

muestran tablas de propiedades mecánicas para algunos tipos de acero

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Acero en barras para pernos corrientes.

Acero en barras para tuercas corrientes.

Acero en barras para pernos de alta resistencia. (P.A.R.)

Acero para barras para hormigón armado.

Aceros especiales

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Fabricación del acero

Introduccion

11.3 Fabricación del Acero.

Procesos en la Producción de Estructuras.

El largo camino que debe recorrer el mineral de hierro hasta transformarse en

una estructura útil es como una cadena cuyos eslabones son las industrias y

empresas que participan del proceso en etapas bien definidas, esquematizadas

en el gráfico siguiente:

El análisis de cada etapa incluirá preferentemente los sistemas universales,

haciendo mención a los productos nacionales con el fin de dar un panorama de

nuestra realidad.

Materias Primas.

Las materias primas de la acería son básicamente tres:

El mineral de hierro natural o procesado

Los combustibles

Los fundentes

Además, se incluirá un rápido análisis de los procesos de sinterización y

peletización del mineral, debido a la importancia que actualmente tienen a

nivel mundial.

Material de hierro:

Es el que aporta el hierro necesario para la producción de acero. Los

principales tipos utilizados son Magnetita (Fe3O4), Hematita (Fe2O3),

Limonita (2 Fe2O3 x 3 H2O). Este material puede ser natural o procesado, eso

es concentrado o aglomerado (sinter, pellet).

El mineral es extraído de la mina, tanto subterránea como a tajo abierto, por

medio de explosivos controlados para lograr trozos con tamaño máximo de 1 a

1,2 m. El mineral de alta ley es sólo necesario reducirlo de tamaño (molienda)

y clasificarlo (harneo) para ser usados en Alto Horno. Generalmente en la

misma mina se tritura a un tamaño máximo de 100 a 200 mm (molienda

primaria), para luego triturarlo y cribarlo de 10 a 20 mm en la mina, en el

terminal de exportación o de importación, o en la propia siderúrgica.

En el caso de minerales de baja ley o de aquel de buena ley, pero que se desee

aún mejorar, se emplea algún método de concentración. Entre los principales

destacan:

Separación magnética de baja o de alta

intensidad

Separación gravitacional.

Flotación

Separación electrostática

Tuesta magnetizante combinada con

separación magnética

de baja intensidad.

Para regularizar las características físicas y químicas de los minerales se

practica el mezclado homogeneizador, especialmente mediante el

almacenamiento de los minerales por apiladores de correas transportadoras

que depositan el mineral en hileras alargadas y alternadas, retirando luego

secciones trasversales de la pila.

De estos procesos se obtienen los siguientes productos:

Mineral grueso o colpas, de 6 a 100 mm, con

alto contenido de Fe.

Finos resultantes de la clasificación o por

trituración del mineral, con tamaños de 0 a 6 mm.

Concentrados con alto contenido de fierro,

producidos por enriquecimiento de minerales de

baja ley y más finos que los anteriores, llegando a

tener un 80% que pasa por 350 mallas.

Procesos de aglomeración. (hipervínculo) esto es peletización y sinterización.

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Procesos de Aglomeración

La necesidad mundial de entregar el producto final a un precio competitivo,

ha significado aplicar sistemas de Aglomeración del mineral buscando la

economía en transporte y un aprovechamiento más racional de los recursos.

Los principales objetivos que justifican la creciente aplicación de la

aglomeración son:

- Hacer más estrecho el rango granulométrico y aumentar la reductibilidad

del material sin desperdiciar los finos, incluso los polvos recuperados de los

gases del Alto Horno.

- Minimizar los volátiles incorporados al Alto Horno.

- Utilizar los concentrados finos obtenidos de minerales de baja ley.

- Permitir el proceso de los finos y concentrados cerca de la mina

incrementando su valor de exportación (pelets).

La validez de este último punto queda claramente establecida al comparar

los precios internacionales de los productos (sólo como referencia, valores

del año 1975):

Producto Tamaño Precio FOB US$/Ton

Colpas 6a 100 mm 10,07

Granzas 6 a 31 mm 10,33

Finos 0 a 6 mm 8,00

Pelets 6 a19 mm 12,14

Los procesos de aglomeración del acero son:

a) Sinterización:

Las modernas plantas de sinter tienen por objeto:

- Posibilitar la recuperación de finos aglomerándolos en partículas mayores.

- Entregar un producto resistente y reductible.

- Disminuir los volátiles y el azufre en el Alto Horno.

- Minimizar en el Alto Horno los fundentes sin calcinar.

Según el contenido de fundente, se conocen los siguientes tipos:

- Sinter ácido (silícico) en que todo el fundente se agrega en el Alto Horno.

- Sinter autofundente en que se agrega sólo el fundente necesario para los

otros minerales, pelets y coque.

- Sinter super-autofundente que contiene el fundente para toda la carga del

Alto Horno.

La Sinterización se presta más para efectuarse en la siderúrgica misma, ya

que parte de sus materias primas se producen en sus instalaciones: los finos

del último harneo de minerales y pelets, el polvo de coque y el polvo de los

gases de salida del Alto Horno. Además, el sinter no soporta bien la

manipulación y el transporte.

En su fabricación se emplea finos de mineral de hierro menores a 12 mm, pero

con bajo contenido inferior a 100 mallas, generalmente ya concentrados y

polvo de recuperación de gases del Alto Horno como aporte de mineral, polvo

de coque menor a 3 mm. como combustible y caliza o dolomita menor a 3 mm

como fundente. Estos - materiales se combinan> mezclan y humedecen para

formar la carga que se depositará sin compactación en una capa de espesor

uniforme (30 a 45 cm) sobre una parrilla móvil. Esta parrilla pasa bajo una

campana de ignición y es sometida a succión de aire desde abajo. En su lento

avance, la carga se expone al calor, durante un lapso en que el coque de la

parte superior alcanza la temperatura de ignición y luego esta combustión

sigue avanzando hacia abajo gracias a la succión de aire, el que se precalienta

al pasar por las capas superiores ya sintetizadas y perdiendo calorías al

evaporar el agua de las capas inferiores.

Así la zona de combustión desciende hasta llegar a la base de la mezcla

sinterizada poco antes que la paleta de la parrilla móvil llegue al final del

recorrido. El aire circulante ha formado un producto poroso. Al llegar al final,

las paletas se vuelcan para retornar al punto de carguío, durando unos 30

minutos su ciclo completo. El sinter cae y los trozos grandes son quebrados

por ruedas dentadas, pasando todo a un harnero vibra torio generalmente

de 8 mm de abertura.

El sobre tamaño se enfría usualmente con succión de aire, se somete a

molienda y se harnea nuevamente, retornando los finos juntos con los de

primera etapa a la mezcla de alimentación.

b) Peletización.

La peletización en general se efectúa cerca de la mina utilizando las reservas

de minerales que necesitan concentración. los que están in situ como

material fino o el fino producido en la extracción del mineral.

El proceso comienza con la concentración previa por vía húmeda del mineral

molido fino (mínimo 80% bajo 350 mallas) al que se baja su humedad a 10%

antes de agregar un 0,5 a 1% de aglomerante, generalmente bentonita.

Luego se forman los pelets verdes en tambores de 2,7 m de diámetro y 9 m

de largo, inclinados de 5 a 10' y que giran a unas 15 RPM, aglomerándose y

compactándose en pelotas de unos 12 mm de diámetro por el simple rodado

en el tambor. Finalmente serán secados, quemados y enfriados por medio de

hornos verticales o parrillas móviles obteniéndose un producto duro y

transportable.

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Combustibles:

Los combustibles usados en la metalurgia del fierro deben llenar el

doble objetivo de ser un agente reductor y de proporcionar el calor necesario

para el proceso. Como combustible se puede usar Carbón vegetal, Carbón

mineral, Coque siderúrgico, Petróleo, Gas Natural, Gas de refinería. Siendo el

mejor de ellos el Coque.

Fundentes:

El fundente tiene la misión de combinarse con las sustancias extrañas (ganga)

que no pueden eliminarse por fusión directa del mineral, formando escoria de

fácil eliminación. El fundente empleado puede ser básico o ácido, según si la

ganga a eliminar tiene carácter ácido o básico respectivamente. El mejor

fundente básico es la cal viva, que se produce a partir de la piedra caliza

(carbonato de cal) con 95% de pureza o calizas dolomíticas (carbonato de cal

y magnesio). El gasto es de 1900 kg de caliza por tonelada de cal producida.

El fundente ácido más empleado es la sílice que se encuentra con pocas

impurezas en algunos tipos de arena.

Otros:

Se puede agregar otros elementos como Aire (oxígeno) y

Ferroaleaciones con el fin de aumentar la productividad o dar características

especiales al acero.

Fabricación del Acero:

La fabricación del acero se puede lograr en acerías de dos tipos claramente

diferenciadas:

Planta de productos múltiples, que corresponden a las

acerías tradicionales, con producción de 2 a 5 millones de

toneladas anual-es para que resulten de nivel competitivo y

empleo de unas 6.000 personas. Entregan una gran variedad de

calidades de acero, y su proceso está esquematizado en el gráfico

siguiente.

Método de reducción directa, de reciente aparición, en que

el mineral pasa a acero líquido en una sola operación,

eliminando los altos hornos. Se combina la reducción directa con

hornos eléctricos y colada continua empleando gas natural como

combustible en reemplazo de coque siderúrgico. Su producción

económica es de aproximadamente 400.000 tons. anuales en una

sola calidad de acero.

Como esta acería no tiene una posibilidad real de instalarse en Chile, se

analizará en detalle sólo la planta de productos múltiples.

Las áreas básicas de una planta de acero son:

Altos Hornos, que procesan las materias primas para

producir fundición líquida, llamada arrabio.

Acería , donde se transforma el arrabio en lingotes de

acero.

Laminación, donde se transforman los lingotes en

productos terminados.

Alto Horno

Se distinguen las siguientes secciones fundamentales:

Muelles de descarga y canchas de materias primas, para el almacenamiento

del mineral de hierro, carbón mineral y piedra caliza. Son operados por un

sistema de correa transportadoras elevadas para llevar la materia prima del

barco a la zona de apilado y otro subterráneo que, cuando se requiera, lo

llevará desde éste a la coquería (carbón) o acería (mineral y caliza).

Coquería, que consiste en una batería de cámaras cerrada donde se destilará el

carbón mineral, obteniendo Coque siderúrgico y una serie de subproductos

como alquitranes fenol, xilol, amoniaco y grandes cantidades de gas.

El Coque incandescente se vacía a carros de ferrocarril, se enfría con una

lluvia controlada de agua para evitar impregnarlo y luego se transporta a la

acería

El gas se lleva a una torre de purificación para obtener gas combustible que se

utilizará en la misma planta o se venderá.

Altos Hornos propiamente tal, están destinados a obtener el hierro de primera

fusión (arrabio) reduciendo el mineral.

Nota 1: Comienza descomposición de la piedra caliza desprendiendo C02, el

que es reducido por el C a CO. La cal desciende a la zona de fusión a separar

la porción ácida.

Nota 2: El fierro absorbe carbono hasta su saturación (3,5 a 4.5%). Se hace

fusible y fluido.

Nota 3: Reducción de las impurezas del mineral y del combustible. Los óxidos

son reducidos por el C con desarrollo de CO.

Nota 4: El Mn, Si y P se unen al fierro. Los óxidos restantes se separan con la

escoria.

Los reductores más usados son el carbono sea en forma elemental o como

CO, y el hidrógeno, ambos en reacción endotérmica. Así, para que la

reducción avance, debe incorporarse energía al sistema sea como combustión

externa (energía eléctrica) o por combustión del exceso de agente reductor

dentro del sistema, que es el método usado normalmente en la producción

comercial de fierro.

Dependiendo de las condiciones de reducción el producto entregado será

sólido (fierro esponja, producido por reducción a baja temperatura) o líquido.

Para el producto líquido se incorporan fundentes que se unen con la ganga

del mineral y las cenizas del combustible formando una escoria líquida que se

separa fácilmente del metal. El líquido obtenido contendrá generalmente

impurezas como C, Si, Mn, y en menor proporción P y S. Esto se logra en el

Alto Horno, sistema empleado en producir mas del 95 % de la producción

mundial de fierro.

El mineral de fierro, el Coque y los fundentes se cargan por la doble

campana de la parte superior. Aire precalentado a unos 10000 C es insuflado

en la parte inferior de la cuba a través de toberas, a una presión:, aproximada

de 30 psi.

El alto horno se carga con: Mineral de hierro, coque, caliza, aire (oxígeno),

petróleo, manganeso, otros.

Después del proceso de alto horno sale: Arrabio, escoria, gas de alto horno,

polvillo.

La producción de una tonelada de arrabio requiere de 1550 kg de mineral, 580

ka de Coque y 250 kg de cal. Es por ello que el Coque influye notablemente

en el valor final del acero.

En la operación de Alto Horno se trata de obtener una elevada producción de

metal de características constantes con un bajo consumo de combustible.

Para obtener una operación óptima se recomienda:

Uniformidad en la composición de la carga sólida.

Uniformidad en la composición de los gases ascendentes.

Uniformidad en la temperatura.

Debe advertirse que, si bien solo el 5% de los minerales no se procesa en Alto

Horno, los avances tecnológicos logrados en procesos alternativos indican que

esta situación está variando.

Acería.

La transformación del arrabio en acero, lograda en convertidores, consiste

básicamente en refinar el hierro de primera fusión eliminando las impurezas

que aún contiene y regulando la composición química del producto.

El convertidor más usado es el convertidor al oxígeno.

Convertidor al Oxígeno.

Los objetivos de este convertidos son:

Bajar el porcentaje de carbono contenido en el arrabio

desde un 4% a niveles entre 0,01 y 1,0 %.

Disminuir el contenido de elementos perjudiciales.

Agregar otros elementos, que son los que determinan las

propiedades de cada tipo de acero.

El proceso de refinación es el siguiente:

Oxidación 2C + 02 -> 2CO

Proceso no requiere de fuente externa de calor. Energía térmica generada por

las reacciones de la corriente de oxígeno puro con los elementos del arrabio,

debe controlarse mediante la adición de refrigerantes (chatarra o mineral de

hierro) para llevar el acero al término del soplado, a la temperatura y

composición especificada. El soplado del oxígeno dura 18 minutos.

Las materias primas necesarias para el funcionamiento de este convertidor

son:

Arrabio: principal aporte metálico para la. producción de

acero y representa el 95% de la entrada de calor al sistema.

Chatarra: principal enfriador y aporte del saldo metálico

para el balance de materiales.

Oxígeno puro: actúa como fuente de calor y para la

oxidación de las impurezas.

Mineral de hierro: para ajuste en el balance de energía.

Cal: material esencial de la escoria. Fija en la escoria los

elementos indeseables.

Dolomita: se agrega para saturar la escoria de magnesio y

así disminuir el ataque químico de la escoria al revestimiento

refractario del convertidor.

Espato flúor: disminuye el punto de fusión de la escoria

facilitando de esta manera la disolución de la cal.

Ferroaleaciones: comunican características al acero.

Otros convertidores.

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Convertidor Bessemer:

La refinación se produce mediante una corriente de aire inyectada a través del

arrabio desde el fondo del convertidor. Este convertidor tiene un rendimiento

del 88%.

Ventajas:

a) Bajo tiempo de proceso (10 a 20 minutos).

b) No necesita combustible.

Desventajas:

a) No elimina el fósforo.

b) Absorbe N2 del aire.

c) Es necesario carburar el baño al vaciar para obtener los distintos tipos de

acero.

d) Acero de mala calidad.

Convertidor Thomas:

Similar al Bessemer, pero se ocupa revestimiento básico y debido a la escoria

con cal se logra la desfosforación. Rendimiento: 82 - 84 %

Procedimiento Siemens-Martin:

• Se realiza en hornos tipo reverbero de hogar abierto.

• Necesita combustible y aire, el que se introduce a 1.000 - 1.200 'C.

• El tiempo promedio de colada es de 9.0 horas (rango 8 a 10 horas).

• Rendimiento: 88 %

Procedimiento Horno Eléctrico:

Calor suministrado por un arco eléctrico generado entre un electrodo de

carbono (grafito) y un baño de escoria. Produce aceros de alta calidad.

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Laminación.

El propósito principal de la laminación es transformar lingotes en productos

terminados. Sin embargo, el trabajo mecánico a alta temperatura a que se le

somete también mejora las propiedades físicas del acero al impedir el

crecimiento de los cristales y romper los planos de clivaje a lo largo de los

cuales ellos cederían. Por esto y por evitar las fisuras, poros y "rechupes" en el

producto terminado es que la laminación debe ser un proceso bien controlado.

Objetivos:

Comprimir el material para hacerlo más denso. Se

eliminan las cavidades y rechupes formados dentro del lingote, y

se hace salir las posibles adherencias de escoria.

Reducir la sección del material.

Cambiar la forma del material.

Unidades de laminación tradicional:

Laminación Primaria:

1. Laminador desbastador (Productos.

semiterminados:)

tochos: sección cuadrada lado > 150 mm l60xl6O a

300x3OO mm L = 4.500 y 7.500 mm.

Palanquillas: sección cuadrada lados < 150 mm

80x8O y 127xl27 mm L = 1.500 y

7.000 mm

planchones: sección rectangular

e = 51 a 146 mm

a = 600 y 1.050 mm

L = 1.300 y 4.800 mm

2. Laminador de barras

Laminación Secundaria:

1. Laminador de productos planos en caliente

2. Laminador de productos planos en frío

Laminación en caliente.

Las ventajas de este tipo de laminación son:

Refinación de los granos gruesos.

Mejora dureza, resistencia y

ductilidad.

Elimina porosidad.

Quiebre de las inclusiones.

Las desventajas son:

Oxidación/escamación de la superficie.

Baja tolerancia dimensional.

Laminación en Frío:

Las ventajas de este tipo de laminación son:

Aumenta dureza.

Aumenta resistencia.

Precisión dimensional.

Superficie lisa y brillante.

Las desventajas son:

Alta distorsión estructura granular.

Altas tensiones internas.

Baja ductilidad.

Recocido.

Este proceso es muy importante ya por el se puede reducir la dureza del

acero, aliviar tensiones internas, aumentar tanto su ductilidad como su

maquinabilidad, además de cambiar su microestructura.

Laminador de temple.

Mediante este proceso se puede dar dureza específica al acero, así como

mejorar la regularidad superficial y obtener una superficie con un pulido

mucho mejor.

Acero Estructural

Fabricación del acero

11.4 El acero estructural

Ventajas del acero estructural :

1. Relación Resistencia-Peso.

Dentro de los materiales usados en la industria de la construcción el

acero es el de mejor Relación resistencia - peso. Esto implica disponer de

beneficios tales como:

a) Aumento del espacio disponible debido a la menor sección de

vigas y columnas. Además, ofrece una gran libertad arquitectónica, ya que el

módulo económico en acero es un 60% mayor que en hormigón armado.

b) Reducción del tamaño de las fundaciones debido al menor peso

propio de la estructura.

c) Reducción de los costos de montaje por la eliminación de

moldajes, alzaprimas y andamios.

d) Reducción de las fuerzas de inercia (fuerzas sísmicas que

dependen en gran medida del peso propio de la estructura.

2. Versatilidad y Adaptabilidad.

El acero se presta, prácticamente, para estructurar cualquier

concepción arquitectónica factible de construirse. Incluso, una vez

construido, el esqueleto metálico puede alterarse, reforzarse o modificarse

con facilidad, generalmente sin interrumpir el uso de la estructura,

empleando tan sólo el soplete oxiacetilénico para cortar, la soldadura para

unir y, en caso necesario, el uso de resinas epóxicas para dar continuidad a

hormigones en ampliaciones de fundaciones.

3. Velocidad de Construcción.

El tiempo de construcción de un edificio con esqueleto de acero se verá

disminuido respecto a otro similar en hormigón armado debido a que:

a) La construcción de la estructura se fabrica en maestranza

paralelamente con las fundaciones u otras obras ejecutadas en terreno.

b) La estructura se carga inmediatamente después de montada,

eliminando el tiempo de fraguado que requiere el hormigón

c) El trabajo se realiza simultáneamente en varios pisos, tanto en

obra gruesa como en terminaciones.

d) El tiempo de limpieza final se reduce por la simplicidad de la

instalación de faenas empleadas.

4. Simplicidad y Seguridad en las Conexiones.

Si bien las conexiones en estructuras de acero pueden no ser simples,

están suficientemente respaldadas por ensayos de laboratorio como para

confiar plenamente en ellas. En este aspecto, no hay ventaja del acero sobre

el hormigón armado, pero sí sobre el hormigón prefabricado, para edificios

en altura, que no ha podido solucionar satisfactoriamente este problema.

5. Valor Residual.

Los edificios de acero se diseñan para una vida útil de 50 años, pero es

corriente que se demuelan antes por razones urbanísticas o mejor

aprovechamiento del espacio. En todo caso su desarme es sencillo y se

financia fácilmente con el valor residual del esqueleto.

6. Comportamiento Sísmico.

El esqueleto de acero, debido a su favorable relación resistencia peso, a

sus características elastoplásticas, deformabilidad y gran capacidad de

absorción de energía antes de la falla, es considerado como el mejor material

constructivo en áreas sísmicas. Como en general las estructuras de acero,

especialmente edificios, tienen un alto grado de hiperestaticidad, habrá

varios elementos (o nudos) capaces de formar rótulas plásticas manteniendo

la integridad de la estructura, y aún en caso de colapso, éste se producirá sin

falla brusca.

Defectos del Acero como Elemento Estructural.

1. Resistencia al Fuego.

El acero no es combustible, pero la temperatura afecta sus propiedades,

ya que su resistencia decae a partir de los 300 ºC hasta casi desaparecer a

los 800ºC. Este problema se puede solucionar de varias formas, por

ejemplo:

1. Recubrir al acero con algun material que retarde el alza de temperatura en el acero, por ejemplo en el caso del hormigón armado, hormigón recubre la estructura de acero.

2. Pintar con alguna pintura resistente a la temperatura.

2. Resistencia al Frío.

El acero a baja temperatura pierde considerablemente su ductilidad,

con lo que disminuye la capacidad de absorción de energía por impacto,

transformándose en acero frágil. Por ello es necesario que estructuras

expuestas a temperaturas inferiores a 15 ºC bajo cero, sean fabricadas en

aceros especiales con alto contenido de níquel, que disminuye su

temperatura de transición.

3. Resistencia al Medio Ambiente.

El medio ambiente actúa sobre el acero a través de procesos

electroquímicos conocidos con el nombre de corrosión, de los cuales la

oxidación del acero en presencia de humedad y el ataque químico en

ambientes industriales son los más conocidos. La solución de este tipo de

problema pasa principalmente por la prevención, es decir utilizar algún

método de protección contra la corrosión y diseñar de tal manera que la

corrosión no sea un problema importante.

4. Flexibilidad

El acero estructural al ser un material flexible, sufre desformaciones

debido a cargas externas, como pueden ser sismos, vientos , nieve, etc.

Propiedades del Acero

Acero estructural

11.5 Propiedades Físicas y Mecánicas del acero.

El comportamiento del acero queda representado por el gráfico tensión-

deformación obtenido de un ensayo de tracción a baja velocidad sobre una

probeta normalizada.

El resultado muestra una curva que presenta sectores característicos

bien definidos, a saber:

a)Zona elástica, donde se cumple la ley de Hooke. Ante una descarga de la

probeta, el material recupera sus dimensiones originales.

b) Zona plástica, dúctil o de fluencia, que muestra una gran deformación

sin que aumente la tensión sobre la probeta. Las descargas seguirán una recta

paralela a la porción elástica, manteniendo una deformación res¡ dual. Al

recargar, el material se comporta en forma elástica hasta retornar a la curva

original.

c) Zona de endurecimiento bajo deformación, en que el material vuelve a

absorber tensión al producirse un reordenamiento cristalino. Las descargas son

similares a la zona plástica. Al recargar, la zona elástica será mayor sin

presentar zona plástica al retomar la curva original.

d) Zona de estricción, en que el área original se reduce considerablemente

hasta producirse la ruptura. Si en esta zona la tensión unitaria se calculase en

base al área real en cada instante, el gráfico se modificaría según la línea

segmentada.

Resistencia y Ductilidad

Se observa en el gráfico que cuando aumenta la resistencia del material

virgen, disminuye la ductilidad, característica que se mantiene en todos los

productos siderúrgicos.

Otra propiedad del acero, la dureza, es normalmente dependiente

también de su resistencia. La dureza está relacionada con la capacidad de

prevenir el desgaste y deterioro por acciones mecánicas, por lo que será mayor

en aceros más resistentes.

Esfuerzo de corte.

Una probeta sometida a esfuerzo de corte genera una curva tensión-

deformación unitarias similar a las curvas del ensayo de tracción, con límita

de fluencia al corte 3 veces menor que el de tracción y tensión de ruptura entre

2/3 y ¾ de la de tracción.

Curva tiene una zona elástica definida por el módulo de elasticidad al corte

G:

Absorción de Energía.

El comportamiento del acero puede ser de dos tipos:

Dúctil, cuando su curva tensión-deformación muestra las zonas

características bien definidas.

Frágil, cuando la ruptura se alcanza repentinamente, con baja

deformación, y por tanto con un mínimo de energía absorbida

durante el ensayo.

Varias son las causas que pueden transformar total o parcialmente un

acero dúctil en frágil.

a) Acero sometido a tratamiento térmico.

Entre otras texturas, las que más influyen en el comportamiento del acero

están la perlita (laminillas finas de ferrita y cementita) que es de cristales

finos, deformable y dúctil, y la cementita (carburo férrico CF3) de cristales

mayores y que sé caracteriza por ser dura y frágil.

Cuando el acero estructural, de textura perlita, es sometido a

calentamientos y enfriamientos bruscos (mayores a 720 ºC) la ferrita se

carbura, transformándose en cementita, no siendo ya apto para usos

estructurales. Por ello, los procesos de soldadura, oxicorte, recalentamientos y

quemazones que alteran localmente al acero deben ser muy controlados.

b) Trabajo mecánico en frío.

En general, el excesivo trabajo mecánico en frío produce efectos análogos.

El acero estructural puede ser sometido en taller a procesos de plegado o

estiramiento, lo que produce fragilidad por autotemple natural y por mantener

deformaciones residuales que reducen su capacidad de Absorción de energía.

c) Concentración de tensiones.

La Concentración de tensiones, por muescas en ángulos entrantes sin

esquinas redondeadas, o estado de tensiones triaxiales, como es el caso de 3

cordones de soldadura que convergen en un punto, aumentan considerable

mente la fragilidad del acero.

Por ser vital la ductilidad del acero estructural, el control de su

composición química y del proceso de fabricación de estructuras debe ser

riguroso.

Resistencia a esfuerzos repetitivos

Fatiga es el deterioro progresivo de un metal hasta la rotura parcial o

total bajo el efecto de tensiones alternadas o repetidas. Esto es, un elemento

estructural sometido a esfuerzos cíclicos, puede fallar eventualmente, aún

cuando la tensión máxima a que esté sometido sea menor que el límite de

fluencia.

El origen de la falla por fatiga debe ser buscado a nivel del átomo,

puesto que ella parece ser, esencialmente, una acumulación de microtensiones

plásticas.

Determinación de las propiedades mecánicas del acero a partir de los

componentes químicos

Las propiedades mecánicas en los aceros se pueden estimar sabiendo los

porcentajes de carbono y de manganeso con las siguientes formulas:

· Fluencia (kgf/mm2) :

Sigmay = 14,6 + 28,0*C + 5,9*Mn s = 0,9 (kgf/mm2)

· Resistencia a la tracción (kgf/mm2) :

SigmaR = 21,7 + 73,5*C + 9,1*Mn s = 1,5 (kgf/mm2)

· Alargamiento (%) :

e = 38,2 - 32,6*C - 3,2*Mn s = 2,4 (%)

· Temperatura de Transición (°C) :

T = K + 194*C - 41*Mn s = 6,5 (°C)

en que: C = % de Carbono

Mn = % de Manganeso

K = Constante en función de % Mn

% Mn 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,5

K -25,0 -27,7 -30,0 -32,8 -31,1 -27,2 -23,3 -21,7

11.6 Factores que afectan las propiedades mecánicas.

Composición química

Las características mecánicas de un acero y su habilidad para mantenerlas

después de los procesos de trabajo en frío y caliente dependen básicamente de

la Composición química.

El compuesto más importante en la aleación es el carbono que por sí solo

define las características generales del producto. Su presencia aumenta la

tensión de ruptura y la tensión de fluencia del acero, aunque disminuye la

ductilidad y la soldabilidad.

El manganeso tiene una acción similar al carbono, aunque más suavizada.

En los aceros corrientes se encuentra en proporción de 0,8 a 1,2 %, lo que

permite además neutralizar al azufre, uno de los elementos más perjudiciales

en el acero. Tiene propiedades desoxidantes durante la conversión.

El silicio se encuentra normalmente en proporción de 0,3%, ya que ello

permite elevar considerablemente el límite de elasticidad y la tensión de

ruptura del acero, sin reducir prácticamente su ductilidad. Es desoxidante en la

conversión.

El fósforo es el menos deseable por cuanto confiere alta fragilidad a la

masa y afecta la soldabilidad del acero. Por ello, su porcentaje se limita al

0,04%.

El azufre no contrarrestado por el manganeso se une con el fierro

formando laminillas en la masa metálica reduciendo tanto la resistencia como

la ductilidad. Por ello, su porcentaje se limita a 0,05 %.

El níquel es altamente positivo en el acero. Aumenta la dureza y

resistencia sin afectar la ductilidad y soldabilidad. Mejora la resistencia al

impacto del material a bajas temperaturas y protege al acero contra la

corrosión.

Temperatura de transición

El acero a baja temperatura pierde considerablemente su ductilidad, y si

bien no es menos resistente, la energía proveniente de impactos o vibraciones

puede producirle su ruptura frágil sólo por falta de capacidad para absorberla.

En el gráfico siguiente se ha determinado mediante el ensayo de Charpy

cuál es la máxima energía absorbida por un acero a diferentes temperaturas,

definiendo un nivel llamado “Temperatura de Transición” correspondiente al

punto en que se produce el primer cambio de pendiente de la curva.

Bajo esta temperatura, el acero tendrá un comportamiento frágil no

adecuado para resistir cargas de impacto o vibraciones.

Fatigamiento:

Es el fenómeno de pérdida de tensión del acero debido al efecto de

cargas repetidas y alternadas. En las estructuras normales, este fenómeno se

ve afectado por el tipo de perfil y de conexión empleada.

Efecto de la temperatura

El acero, constituido por cristales de ferrita (hierro puro precipitado) y

laminillas de ferrita y cementita, en condiciones de operación normales es

prácticamente estable entre la temperatura de transición y los 300 ºC.

Superada esa temperatura y sometido a cargas, se altera la constitución

cristalina, lo que hace variar las propiedades características del acero.