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MATERIALES METÁLICOS

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MATERIALES EMPLEADOS EN INGENIERÍA : MATERIALES SÓLIDOS : (basados en composición química y estructura atómica) se clasifican en tres grupos: • Metales. • Cerámicos. • Polímeros. Además existen otros dos grupos importantes de materiales técnicos denominados: • Materiales compuestos. • Semiconductores. METALES: (combinaciones de elementos metálicos) • Conducen perfectamente el calor y la electricidad. • Son opacos a la luz visible. • La superficie metálica pulida tiene apariencia lustrosa. • Resistentes, aunque deformables (aplicaciones estructurales). CERÁMICOS: (constituidos por metales y no metales [óxidos, nitruros, carburos]). Incluye minerales de arcilla, cemento y vidrio. • Por lo general son aislantes de electricidad y térmicos. • A elevadas temperaturas y ambientes agresivos son más resistentes que los metales y los polímeros. • Desde el punto de vista mecánico, son más frágiles y más duros. POLÍMEROS: (materiales que van desde los plásticos al caucho [compuestos orgánicos basados en el C, H, y otros no metálicos]) • Gran longitud de las estructuras moleculares. • Posee bajas densidades y extraordinaria flexibilidad. MATERIALES COMPUESTOS : (formados por mas de un tipo de material) • Fibra de vidrio (vidrio en forma filamentosa, embebido dentro de un material polimérico) Mecánicamente resistente debido al vidrio y flexible debido al polímero • Mayoría de los materiales desarrollados últimamente son materiales compuestos. SEMICONDUCTORES: • Tienen propiedades eléctricas intermedias entre los conductores y de los aislantes eléctricos que posibilitan la fabricación de los circuitos integrados que han revolucionado en las últimas décadas la industria electrónica y de ordenadores. A pesar de los espectaculares progresos en el conocimiento y en el desarrollo de los materiales en os últimos años, el permanente desafío tecnológico requiere materiales cada vez más sofisticados y especializados. La mayoría de los materiales que utilizamos proceden de fuentes no renovables,

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es decir, no son capaces de regenerarse, entre ellos se encuentran los polímeros cuya principal fuente es el petróleo. Estas fuentes no renovables se empobrecen paulatinamente por lo que es necesario descubrir nuevas reservas o desarrollar nuevos materiales con propiedades comparables, y con menos impacto medio-ambiental. Algunas de las propiedades más importantes de los materiales sólidos, dependen de la composición y disposición geométrica de los átomos y de las interacciones que existen entre los átomos y moléculas constituyentes. La comprensión de muchas propiedades físicas de los materiales se basa en el conocimiento de las fuerzas interatómicas, que enlazan los átomos. Los principios de enlaces atómicos, se pueden ilustrar mejor considerando la interacción entre los átomos aislados que se van aproximando desde una distancia de separación infinita, a grandes distancias las interacciones son despreciables, pero al aproximarse, cada átomo ejerce fuerzas sobre el otro. Estas fuerzas son de dos tipos: • Atractivas. • Repulsivas. La magnitud de cada una de estas fuerzas varía en función de la separación a distancia interatómica. Existen distintos tipos de enlace interatómicos a saber: • ENLACE IÓNICO: se pueden formar entre elementos muy electropositivos (metálicos) y elementos muy electronegativos (no metales). Las fuerzas de enlace son debida a la fuerza de atracción electrostática o coulombianas, entre iones con cargas opuestas. Los enlaces iónicos se forman entre iones opuestamente cargados, porque se produce una disminución neta de energía potencial para los iones enlazados. • ENLACE COVALENTE : la configuración electrónica estable del enlace covalente se consigue compartiendo electrones entre átomos vecinos. Se forman entre átomos con pequeñas diferencias de electronegatividad. La energía de los átomos asociados con el enlace covalente son menores (más estables) como consecuencia de la interacción de los electrones. • ENLACE METÁLICO : los metales y aleaciones presentan este tipo de enlaces. Se ha propuesto un modelo sencillo, que se aproxima bastante al esquema de este enlace. Los materiales metálicos tienen uno o dos o a lo sumo tres electrones de valencia, en este modelo los electrones de valencia del solido no pertenecen a ningún átomo en particular y son mas o menos libres de circular a través de todo el metal. Se puede interpretar que pertenecen al metal, formando un MAR DE ELECTRONES o nube de electrones. • ENLACE DE VAN DER WALLS : es un enlace secundario físico que son débiles con respecto a los primarios o químicos, en realidad existen enlaces secundarios entre todos los átomos de las moléculas, pero su presencia puede pasar desapercibida si concurre alguno de los tres tipos de enlaces primarios. Este tipo de enlace es evidente en los gases inertes que tienen configuración electrónica estable y además entre moléculas cuyos átomos estén unidos covalentemente. Las fuerzas de los enlaces secundarios surge de los dipolos atómicos o moleculares. Un dipolo aparece si hay alguna separación entre las regiones positivas y negativas de un átomo o molécula.

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TEORÍA BÁSICA DEL ESTADO METÁLICO : METALES: • Tienen un marcado orden de ubicación de los átomos que lo componen. • Los electrones de la capa de valencia son pocos (de 1 a 3). • Siempre tienen buena conductividad eléctrica y térmica (cuanto más puro es el metal, mejor conductor es del calor y la electricidad). • Tienen brillo característico. • 74 de los 98 sustancia elementales son metales. METALES PUROS: son los que contienen por lo menos 99.99% de átomos del mismo metal. ORIGEN DE LOS METALES : se obtienen a partir de minerales metálicos que son productos naturales, formados por una parte metálica que es un compuesto químico de uno o mas metales y una parte no metálica llamada “ganga” y que casi siempre es arena o sílice (SiO2). Los metales se obtienen a partir de sus “menas” (mineral o material natural que puede ser tratado para la extracción de uno o mas metales). La combinación química más conveniente para obtener metales más o menos puros, es la forma de óxidos. Por ejemplo para el hierro formado por óxido férrico (Fe2O3) y sílice (SiO2), en teoría se separa la SiO2 con agregado de fundente, el óxido de calcio (CaO) y se obtiene la escoria, que sería el silicato de calcio. (SiO2+ CaO SiO3Ca).

La parte metálica se descompone usando un agente reductor que se combina con el oxígeno que acompaña el hierro, o sea, que obtenemos dos átomos de Fe y tres moléculas de anhídrido carbónico (Fe2O3+3CO2Fe+3CO2). Ningún método de obtención de metales produce metales puros, siempre aparecen otros elementos químicos (metales o no) que acompañan al metal puro. En el caso del Fe, el producto principal obtenido del mineral se denomina “arrabio” o “hierro de primera fusión”, con aproximadamente de un 92% a 93% de Fe. Luego para obtener metal más puro se debe realizar un afino, que puede realizarse en altos hornos o convertidores. MINERALES METALICOS : Tenor, riqueza o ley: es el porcentaje de metal que se puede obtener de 100kg de mineral. Características de los metales puros: los metales puros son los que tienen más del 99,9% de un elemento químico metálico definido. Los átomos metálicos se ubican en posiciones fijas y definidas, formando figuras geométricas que se repiten indefinidamente, predominando la forma cubica, y también la hexagonal, conocida como SISTEMA CRISTALINO. CUBO DE CARA CENTRADA

(un átomo en cada vértice mas un átomo

en centro de cada cara)

CUBO DE CUERPO CENTRADO (un átomo en cada vértice mas un átomo en el centro

del cubo)

CUBO SIMPLE (un átomo en cada

vértice)

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En el hierro se ordenan formando cubos de cuerpo centrado entre 0ºC y 900ºC, se llama Fe α (alfa) que no disuelve, o que disuelve poco carbono. Entre 900ºC y 1400ºC, el hierro forma cubos de caras centradas, se llama Fe γ (gamma), y puede disolver hasta 1.7%C. Los metales plásticos y deformables, como el cobre, oro, plata, platino, son cúbicos de caras centradas. Los metales más resistentes como el hierro, cromo, molibdeno, son cúbicos de cuerpos centrados a temperatura ambiente. Red de átomos metálicos: es la representación grafica de la posición ordenada de los átomos de un metal, y se pueden deformar dentro de ciertos límites. Deformación elástica: desaparece al quitar la fuerza deformante. Deformación plástica: no desaparece al quitar la fuerza deformante.

SOLIDIFICACIÓN DE UN METAL PURO : Diagrama Temperatura (tiempo)

A METAL LÍQUIDO B NÚCLEOS SÓLIDOS C CRECIMIENTO

D GRANO METÁLICO

Metal líquido: átomos en desorden, no están quietos debido a la energía térmica o calórica del metal. Gérmenes o núcleos sólidos: son grupos de átomos ordenados que aparecen cuando el metal llega a temperatura del solido. Zona II punto b. Crecimiento: se produce por la incorporación de nuevos átomos en los gérmenes, siguiendo el orden de las figuras cristalinas del metal. Granos: en la zona II punto d, los crecimientos hacen contacto, se tocan y el último líquido al solidificar se une o sella a los granos ya formados, conocido como borde de grano.

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Grano metálico: borde de grano: todos los materiales metálicos, metales puros y aleaciones, están constituidos por granos (agrupación ordenada de átomos) y de bordes de granos con átomos que no tienen orden definido, siempre que el material metálico se enfríe con lentitud desde el estado liquido. Por ejemplo el Fe funde a 1535ºC, si se pierde al enfriarse 10ºC por minuto, demora alrededor de dos horas y media en solidificarse. En cambio, si pierde 40ºC por minuto necesita algo menos de 40 minutos para solidificar. La velocidad de enfriamiento en solidificación puede ser de tres tipos: a) Velocidad normal: se logra cortando el suministro de calor y dejando que el calor contenido en el metal se pierda o disipe en el medio ambiente. En este caso, el material solido tendrá tamaño y borde de grano llamado NORMAL. b) Velocidad menor a la normal: en lugar de cortar la entrada de calor se reduce la intensidad de la llama u otro medio de aporte de calor. El enfriamiento es mas lento, se forman menos granos y mas grandes que en velocidad normal y con menos bordes de grano. c) Velocidad mayor a la normal: se logra suprimiendo totalmente el aporte de calor, y además acelerando el enfriamiento, soplado con aire a presión o con camisa de agua, rodeando el recipiente. Se obtiene un material con muchos granos pequeños y muchos bordes de grano.

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METALURGIA – MINERALES: Existen rocas o menas que contienen químicamente compuestos definidos de los metales. Si la proporción de metales compuestos es elevada, y su naturaleza permite extraer fácilmente el metal, estas rocas o menas se explotan constituyendo los minerales, primeras materias de las distintas metalurgias. No es suficiente que la roca sea rica en cierto metal para que se la pueda considerar mineral, es necesario que el tratamiento de extracción del metal a partir de su combinación química sea fácil y remunerador. También es necesario que las rocas no tengan impurezas pasando al metal y sean susceptibles de modificar sus propiedades y hacerlo inutilizable. El progreso de la metalurgia permite hacer utilizable las rocas más o menos ricas y complejas. TIPOS DE MINERALES : Solo en estado metálico se encuentran los metales preciosos (oro, platino) que resisten la acción de los agentes químicos. Los demás se encuentran combinaciones que pueden ser compuestos binarios (óxidos o sulfuros); o compuestos ternarios (silicatos y carbonatos). Ejemplos: Óxidos: minerales de hiero, oxido magnético, oxido férrico. Anhídrido: de aluminio (alúmina), anhídrido de estaño. Sulfuros: sulfuro de plomo, sulfuro de cinc, sulfuro doble de hierro y cobre. Silicatos: garnierita (mineral del níquel) Carbonatos: carbonato de cinc, carbonato doble de calcio y magnesio, carbonato de hierro. MINERALES DE HIERRO : Oxido férrico (hematina) Fe2O3 Oxido magnético (magnetita) Fe3O4 Oxido férrico hidratado (limonita) 2Fe2O3H2O Carbonato de hierro (siderita) CO3Fe Sulfuro de hierro (pirita) S2Fe OBJETO DE LA METALURGIA : Obtener un metal utilizable en la industria a partir de su mineral. Método directo: cuando el metal se extrae tratando directamente el mineral; se separa el metal de la ganga por simple fusión. (Ej. Mineral de Cu). Método indirecto: se realiza en tres etapas. 1) Tratamiento premetalúrgico: son tratamientos preparatorios que consiste en reducir el mineral en fragmentos de dimensiones convenientes y en una concentración por eliminación de una cierta cantidad de ganga. Son normalmente procesos físicos y/o mecánicos. 2) Obtención del material bruto (metalurgia):

i.- Se realiza una primera separación de la ganga y la parte útil del mineral y luego por extracción del metal a partir de una combinación química así preparado. Esto normalmente puede ser la metalurgia del níquel y del aluminio.

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ii.- Primero se reduce el óxido y el metal queda ligado a la ganga, y segundo se realiza la separación del metal y de la ganga, transformado ésta en escoria (Ej: el hierro – alto horno). 3) Afino del metal bruto: el metal obtenido es impropio para usos industriales por la presencia de impurezas. Estas impurezas se eliminan por un afino y a veces una segunda operación llamada refino. TRATAMIENTOS PREMETALÚRGICOS DE LOS MINERALES : TRATAMIENTOS MECÁNICOS TRITURACIÓN Y MOLIENDA : Generalmente estos procesos tiene la finalidad de aumentar su contacto o superficie específica por unidad de volumen. Tiende así a favorecer alguna reacción química o transformación superficial. Además la regularización del descenso de las cargas en las cubas de altos hornos depende de la regularidad del calibrado del mineral y en ciertos procedimientos de enriquecimiento de los minerales sulfurados se pueden aplicar solamente a partículas de dimensiones estrechamente definidas de 1±0,5 [mm]. Los bloques que se extraen de las rocas o menas son de algunos centímetros y las partículas necesarias son del orden del milímetro. Quebrantadoras: De mandíbulas: Son construidas con material resistente al desgaste, por ejemplo, acero de alto contenido de Mn (12-14%). Pueden tratar 400 Tn/h con una rotación de 200 r.p.m. Giratorias: Tritura por compresión entre la pared de una cuba troncocónica fija y un rodillo cónico que puede tener una velocidad de 500 r.p.m. y se pude tratar 1000 Tn/h con un coeficiente de reducción inferior al de mandíbula. Trituradoras: A martillo: Se basa en el principio de transformación de la fuerza del golpe en trabajo de trituración, o sea, por la acción de percusión. Consta de una caja cilíndrica, con unas nervaduras longitudinales en la cara inferior. En el eje central se tiene una serie de paletas en forma de cruz giratorias que muelen el material contra las nervaduras de la pared.

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A volandera: Formadas por dos muelas redondas en los extremos de un eje horizontal, las muelas tienen un movimiento de giro alrededor del eje vertical, y otro alrededor del eje horizontal. Entre la muela y la solera se ejerce un esfuerzo de frotamiento que será tanto mayor, cuanto mayor sea la velocidad periférica de las muelas. Esta trituración se presta para tratar materiales fibrosos.

Molinos:

A cilindro: Están formados por dos cilindros huecos de igual diámetro con ejes centrales paralelos, que giran en sentido contrario. Las superficies de los cilindros pueden ser lisas o estriadas de acero al manganeso. Los soportes de uno de los cilindros son fijos, y el otro esta montado sobre ranuras, lo que permite regular las distancia entre ejes. Cuando un fragmento demasiado duro resiste el molido, el cilindro regulable puede separarse para darle paso, unos resortes vuelven al cilindro a su posición original. Los diámetros de los cilindros varían de 45 a 150 cm. y su longitud de 30 a 60 cm. La velocidad de rotación puede llegar a 100 rpm y el rendimiento horario puede ser de 5 toneladas. A bolas: A percusión: Está formado por una caja robusta que gira alrededor de un eje horizontal, la trituración se realiza por unas bolas de acero puesta en movimiento por la rotación misma de la caja. Un tamiz situado en la periferia deja salir solamente granos de tamaño deseado. Estas están protegidas por unas placas de acero para que no sean dañados por las bolas. El diámetro varía de 0,6 a 3mts y la longitud es de ¾ del diámetro. Las bolas pesan 1 kg y puede haber 1000 unidades. La velocidad es de 100 rpm. Cilindros tubulares: En este caso el cilindro es de mayor longitud que de diámetro, las bolas tienen diámetros que pueden variar entre 30 y 90 mm. El material íntegramente se pulveriza, tiene carga y descarga continua. Tiene una ligera inclinación en el sentido de la salida. La velocidad de giro del cilindro debe ser tal que la fuerza centrífuga que esta velocidad

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comunique a las bolas, no debe sobrepasar de un valor que ocasione el arrastre de las bolas por el cilindro en el movimiento de rotación ya que si ambos hacen un movimiento solidario no habrá molienda. 1) Baja velocidad: las bolas se elevan poco y luego resbalan y no muelen. 2) Velocidad alta: las bolas se adhieren al cilindro y giran juntos, no se realiza trabajo de molienda. 3) Para velocidades menores a la crítica las bolas recorren una parte del trayecto adherida al tambor, pero al llegar cierto punto, se desprende de la pared y se mueve como un cuerpo libre arrojado contra el material desde un cierto punto. Se toma generalmente que la velocidad máxima es igual a [ siendo d el diámetro del tambor.

Centrifugo: Consta de un par de platos verticales, cada uno de los cuales, lleva una serie de barras o dientes colocados de tal forma que no se corresponden los de un plato con los del otro, de manera que al girar ambos en sentido contrario dichos dientes no se toquen sino que pasen cerca del centro. La velocidad de los platos y la distancia que se deje entre dientes, deciden el grado de finura de la molienda. SEPARACIÓN Y CONCENTRACION DE MINERALES : El mineral bruto de extracción que le hemos realizado una operación de trituración, debe ser sometido a una concentración, lo que se realiza es separar el producto de molienda en dos lotes: uno muy rico en combinación química del mineral, y el otro formado casi exclusivamente por la ganga del mineral. Las diferencias físicas de ambos lotes se fundan en los métodos que permiten separarlos. Separación significa hablar de mejorar la concentración del material útil. Los métodos pueden ser mecánicos, hidráulicos, neumáticos, magnéticos, electrostático.

SEPARACIÓN MECÁNICA : La clasificación mecánica de los minerales se realiza por tamizado de la mezcla a través de parrillas o cribas. Parrillas: se fabrica de acero de sección trapezoidal, con la base menor hacia abajo, lo que impide que se obstruya. Cribas o tamices: pueden ser de planchas perforadas o de tejidos metálicos. Las cribas de planchas son de acero con perforaciones en forma variada (cuadradas, redondas, rectangulares u ovaladas). La distribución de las distintas perforaciones mas usables es la de los vértices de un triángulo equilátero. Las de alambre metálico son tejidos, y el material recomendado es acero blando, también puede ser de bronce, latón o cobre. El tipo de malla se designa en dos sistemas: la europea y la norteamericana. La europea designa separadamente el ancho o luz de la malla y el grosor del alambre. La norteamericana al número de la malla expresa el número de hilos por pulgada lineal, por ejemplo: malla 4, son 40 hilos por pulgada lineal.

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Métodos de tamizado:

En este proceso siempre se obtienen dos productos: el superior y el inferior. Si se trata de obtener más de dos productos se efectúa el tamizado múltiple, a través de varias cribas, obteniendo varios productos. El tamizado múltiple se puede realizar por dos métodos: 1) Primero se tamizan los más grandes y luego los más finos. 2) Tamizado primero de los más pequeños y luego los más grandes. Los aparatos para la clasificación mecánica se pueden dividir en cribas planas y cribas de tambor. Cribas planas: están construidas por parrillas de chapas perforadas o tela de tamices dispuestas horizontalmente o en posición inclinada, pueden ser fijas, vibratorias u oscilantes. Criba de tambor: consta de un cilindro hueco fabricado con chapa metálica perforada, con un tejido de alambre, provisto de las aberturas, por los cual caen los trozos de determinados tamaños. El eje del tambor puede estar en ángulo de 5º a 7º respecto de la horizontal. El cribado es poco costoso y consume poca fuerza motriz. Constituye un buen complemento para los molinos y los triturados que son costosos.

SEPARACIÓN HIDRÁULICA : La separación hidráulica de los minerales, según su tamaño y densidad está basada en las diferentes velocidades de caída de los granos en una corriente de agua. Si se toma una cierta cantidad de granos de un mismo material, pero de distinto tamaño, la resistencia que ofrece el líquido a la caída de las partículas es notablemente mayor para los de pequeños tamaños. Si, en cambio, se mezclan dos sustancias de igual tamaño y densidades diferentes, la resistencia del líquido es igual para todos los granos, pero los más livianos caen a menor velocidad que los más pesados. Recordemos que una partícula sólida de cierto volumen y densidad, se abandona sin velocidad inicial en un líquido en reposo que está sometida a tres fuerzas: 1- Su peso (P) que empuja hacia abajo: P=V.ρ.g 2- El empuje de Arquímedes: Pa=V. ρ H2O.g 3- La fuerza de frotamiento (F) ejercida por el líquido sobre el sólido y que es una función variable.

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Separador a émbolo o pistón: Permite separar granos de iguales dimensiones pero densidades diferentes, se compone de una cuba llena de agua, un émbolo comunica a la masa de agua un movimiento de pulsación. Las partículas finas son elevadas por el líquido en un movimiento, llegando hasta una rejilla. Las partículas pesadas caen al fondo de la cuba. Separador por arrastre o decantación: Aprovecha la existencia de las diferentes aceleraciones debido a distintas densidades, la separación de la ganga del material útil se mejora efectuando el principio de la caída en un líquido animado en movimiento horizontal. La caída de las partículas pesadas no se modifica, pero las partículas ligeras se anula prácticamente y la corriente de agua las arrastra. El aparato está formado por una serie de cajas de forma de pirámide invertida y cuyas dimensiones van en aumento, lo que supone una disminución progresiva de la velocidad de la corriente horizontal que arrastra al mineral. Las partículas pesadas se reúnen en el fondo de las primeras cajas, para asegurar que las partículas más pesadas no arrastren a las más pequeñas se le inyecta una corriente de agua o aire por el medio para que vuelva a suspenderlas. Flotación: Es un procedimiento de los minerales sulfurosos y consiste en que si se deposita mineral fino sobre una superficie de un líquido apropiado, la ganga se hunde y el compuesto metálico no se moja y flota debido a la tensión superficial aunque su densidad sea superior a la del líquido. Froment demostró que introduciendo en el fondo de una cuba llena de agua una mezcla formada por un mineral sulfuroso molido y una pequeña cantidad de ácido sulfúrico se provoca la separación de la ganga que se deposita en el fondo, mientras que el sulfuro sube a la

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superficie. El fenómeno es más evidente, si se inyecta en el agua aire en forma de pequeñas burbujas que se fijan únicamente en las partículas de sulfuro y las arrastra a la superficie en forma de espuma. El esquema muestra una célula de flotación, el aire se envía por un tubo que está rodeando al eje agitador, este en forma de plato, recibe lateralmente la pulpa y por su movimiento de rotación aseguran la suspensión de la misma. Las espumas formadas se depositan en la parte superior de la cuba y se evacuan hacia otras células donde siguiendo el procedimiento se realiza una separación más intensa. A veces son necesarias 3 a 4 flotaciones sucesivas. Las células son barcas de base cuadrada de 0,5 a 1,5 m y la altura varía de 1 a 2,5 m, los métodos de flotación también pueden aplicarse a sustancias no metálicas, por ejemplo el azufre. SEPARACIÓN NEUMÁTICA :

La operación de dividir el material según el tamaño por medio del aire se basa en las diferencias de las velocidades de caída de los granos de distintas dimensiones en una corriente de aire. La corriente de aire dirigida sobre los granos, al arrojarlos en la dirección de su movimiento los obliga a moverse siguiendo distintas trayectorias según su tamaño.

Si un grano A está situado frente al orificio desde el cual sale un chorro de aire estará bajo la acción de dos fuerzas, la presión dinámica del aire P y el peso G. La dirección

de la resultante de estas fuerzas R formará un ángulo α con la horizontal y dependerá del peso del cuerpo tal ángulo.

Estos separadores pueden dividirse en tres grupos:

a) Separadores con movimiento de partículas bajo la acción de la gravedad: pueden ser separadores de aire horizontal y/o separadores con corriente de aire ascendente.

1 – INGRESO MATERIAL

2 – CORRIENTE DE AIRE

3 – TABIQUE DIVISORIO

4 – PARTICULAS

LIVIANAS

5 – PARTICULAS

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b) Separadores con movimiento de partículas bajo la acción de la fuerza centrífuga.

c) Separadores con movimiento combinado de partículas.

Ciclones: Son aparatos que utilizan la separación neumática. El material arrastrado por el aire que entra en el conducto 1 a un recipiente cilíndrico 2 de mayor sección, perdiendo velocidad el aire y dejando caer las partículas pesadas, mientras las partículas livianas salen por el conducto 3 pudiendo entrar a otro ciclón para hacer una nueva separación. El recipiente cilíndrico 2 tiene una parte cilíndrica y una cónica. Además el aire y las partículas entran en forma tangencial a gran velocidad.

1 – CAJA EXTERIOR

2 – CAJA INTERIOR

3- VENTILADOR

4 – CASQUILLO

5 – PLATO GIRATORIO

6 – PERSIANAS

7 – EMBUDO (PART FINAS)

8 – EMBUDO (PART GRUESAS)

9 – ARBOL HUECO

10 – TOLVA DE ENTRADA

1 – TOLVA ENTRADA DE

MATERIAL

2 – PLANO GIRATORIO

3 – CANALETAS,

RECOLECCION DE

MATERIAL

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Separación magnética: Es aplicable a elementos magnéticos estando el mineral colocado en un campo magnético. Los elementos magnéticos son separados por atracción. A veces la separación magnética es precedida de un tratamiento térmico conveniente cuyo objetivo es acentuar las propiedades magnéticas de un elemento del mineral a fin de hacer más fácil la separación. Al estar estas sustancias bajo la acción de un imán, éste ejerce una fuerza de atracción considerable sobre la parte magnética del material, mientras no tiene acción sobre la ganga, produciendo la separación de las dos partes. La operación se realiza con el compuesto seco o en forma de barro. Separador magnético Likov: El material entra por la tolva instalada en la parte superior. Los imanes están dispuestos sobre ejes en forma alternada de manera que el material pase por sobre ellos. Estos tienen una forma de esfera con una parte plana por donde toca el material y reteniéndose la parte que es magnética. La limpieza de los imanes se efectúa deteniendo el suministro de material y haciéndolo girar hacia afuera la parte plana de los imanes y rascando con cepillo se retira el mineral enriquecido. Separadores magnéticos a tambor: Consta de un marco sobre cuyo eje está calzado un tambor hueco que gira alrededor de un eje horizontal. La superficie de este tambor está formada por barras de hierro y cobre alternadas. Un electroimán imanta las barras de hierro y le permite retener momentáneamente los bloques de material magnético, mientras lo que no lo son continúan con su caída y cae en la tolva a la derecha. El material magnético es atraído a la superficie del tambor y al llegar al límite de la zona magnetizada se separa de la superficie y cae en la tolva de la izquierda. Un rascador en contacto con el tambor hace caer las partículas que pudieran haber quedado ligadas al tambor. Separador magnético de cinta transportadora: Consta de una cinta sin fin tendida en sus extremos por dos tambores. Uno de los tambores está provisto por un electroimán y la cinta consta de planchuelas metálicas. Los materiales magnéticos que se encuentran sobre la cinta en su desplazamiento son atraídos por las planchuelas imantadas que mantienen

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sobre la cinta hasta un cierto punto mientras que los no magnéticos caen en la primera tolva y los magnéticos en la segunda. Separador magnético Gröndal: Cuando el mineral es muy pobre y las necesidades lo justifican se emplean estos separadores magnéticos por vías húmedas. El material llega por la tolva 1 y cae sobre una cuba que contiene agua. La rotación del tambor 2 dentro del cual hay un potente electroimán, establece la circulación del mineral hacia la izquierda según el dibujo. El mineral pobre permanece y pasa del compartimiento 3 al 4. El material rico se adhiere al tambor y cae en 5 por la acción del tabique 6 que lo separa y el mineral pobre sale por 7 y el estéril y parte del agua por 8. Separación electrostática: Cuando los polvos en suspensión son verdaderos aerosoles más o menos estables por la carga eléctrica que llevan engendrada por la molienda o por su naturaleza química de manera que anulando esas cargas la suspensión se destruye y el polvo cae. Estos separadores se conocen con el nombre de Cottrell. En ellos se hace pasar el gas con polvo por un tubo metálico con un conductor central de cobre. Entre el tubo y el conductor se mantiene una gran diferencia de potencial (hasta 100.000 V) y las partículas sólidas se electrizan y se depositan sobre el tubo recogiéndose en la parte inferior. Se usan también cuando los gases provenientes de un alto horno contienen partículas. La separación es completa. Permite ser usado el gas para por ejemplo motores de combustión interna.

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TRATAMIENTOS TÉRMICOS PRELIMINARES : Estos tratamientos tienen por objeto modificar la naturaleza química de los minerales y transformarlos en productos intermedios de los cuales puede extraerse el metal más fácilmente. Se realiza al mineral ya concentrado, hay dos tipos de operaciones: la calcinación y la tostación. Calcinación: Consiste en llevar a los minerales carbonatados a elevadas temperaturas para provocar la descomposición por efecto del calor y transformarlos en óxidos, cuya metalúrgica es más simple. Ejemplo: el carbonato de zinc a 400º C y a la presión atmosférica se descompone en oxido de zinc y anhídrido carbónico. CO3Zn CO2 + ZnO 15,5 kcal (Endotérmica) Hay una concentración de mineral de 125 kg CO3Zn se transforman en 21 kg de óxido, obteniendo el mismo peso del metal de 65 kg; resultando también una reducción de los gastos de transporte del orden del 30%. También la calcinación realiza un aumento de la porosidad del mineral que facilita la reducción. Carbonato de hierro a 400º C a la presión atmosférica y con la presencia de un exceso de aire se descompone en óxido férrico y anhídrido carbónico. 2 CO2Fe 2 CO2 + Fe2O3 + 15 kcal Hay enriquecimiento del mineral, su riqueza pasa del 48% al 70% de Fe. Además el Fe2O3 es muy fácil de reducir. Horno de calcinación: La calcinación se realiza en hornos de cuba, formados por una cubierta de mampostería troncocónica del tipo hornos de cal. El mineral, junto con el carbón, se introduce por la parte superior de la cuba o tragantes. Unos orificios en la parte inferior de la cuba permite la descarga de los productos calcinados [2]. El aire se sopla en la base a través de toberas regularmente repartidas, dispuestas en el zócalo del horno [1]. Las dimensiones pueden ser: - Altura: 9 a 10 m. - Diámetro de la base: 3,85 m. - Diámetro tragante: 2,5 m. Puede calcinar unas 70 Tn diarias. Se puede utilizar como combustible gas de alto horno.

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Tostación: La tostación de un mineral consiste en su oxidación por el oxígeno del aire a temperaturas más o menos elevadas. En general se tuestan casi exclusivamente los minerales sulfurados y excepcionalmente ciertos minerales de bajo grado de oxidación, como el oxido magnético. Hay dos maneras de conducir la tostación: a) Tostación a muerte. Se quema totalmente el azufre. Se realiza a aproximadamente a 800º C. Se practica principalmente en los sulfuros de Fe, Zn, Pb. 4 S2Fe + 11 O2 8 SO2 + 2 Fe2O3 2 SZn + 3 O2 2 SO2 + 2 ZnO 2 SPb + 3 O2 2 SO2 + 2 PbO b) Tostación sulfatizante. Cuando se somete a un sulfuro a la acción del oxígeno y a temperatura relativamente baja (150º - 200º C) se forman sulfatos y ahí su nombre. SZn + O2 SO2Zn Las reacciones de tostación son exotérmicas, pero la cantidad de calor liberada no siempre son suficientes para la tostación total. Para ciertos minerales ricos en azufre y que se tuestan a temperaturas relativamente bajas, la tostación una vez iniciada puede continuar sin añadir combustible. Dichos minerales se llaman autocombustibles, por el contrario la tostación de sulfuros pobres en azufre que se tuestan a temperaturas altas consumen siempre cierta cantidad de combustible, se trata de minerales no autocombustibles. La tostación total de sulfuros da un gas anhídrido sulfuroso (SO2), subproducto utilizado en la obtención de ácido sulfúrico, principalmente en los minerales autocombustibles, ya que en los no autocombustibles el gas resultante contiene otros elementos como el anhídrido carbónico proveniente del combustible usado que es difícil de separar. Hornos de tostación: 1) Hornos de solera múltiples. a) Para minerales autocombustibles. Estos hornos no tienen hogar, sino simplemente un quemador para iniciar el encendido. Tienen forma cilíndrica con 6 a 10 soleras de cemento armado, agujereados para dejar paso a un eje hueco con brazos en forma de rastrillo, cuyas paletas convenientemente inclinadas aseguran en cada solera el pasaje del mineral a la solera inferior a través de aberturas situadas alternadamente en la periferia y cerca del eje. El mineral encuentra en su caída una corriente de aire ascendente inyectada por la parte inferior del horno y calentada previamente. Circula por el interior del eje y los rastrillos que también son huecos. Este

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aire también protege a los rastrillos del exceso de calor y de la acción corrosiva del gas. Un horno de 6 m de diámetro y 9 m de altura, puede tostar 20 Tn de mineral por día. b) Para minerales no autocombustibles. (Horno Mufla) Estos hornos están formados por un hogar pero no hay contacto entre el combustible y los productos de combustión por una parte y el mineral de tostación por otra. Son conocidos como hornos Spirlet que está compuesto de 3 soleras. La solera central está fija y las dos restantes pueden girar por unos rodamientos a bolas que reposa sobre un carril circular. Las paredes laterales están formadas por la unión de coronas cilíndricas unidas a las soleras. Su aislamiento está asegurado por uniones de arena. El removido de material se realiza por medio de ladrillos suspendidos encima de cada solera, separando los gases de combustión de los que provienen de la tostación. Un horno de 4 m de diámetro y 3 m de altura puede tratar 65 Tn/día. 2) Horno reverbero. Esta compuesto de una solera rectangular o circular, en la cual la materia que se ha de tostar avanza gracias a un removido mecánico de la parte menos caliente del horno hacia el hogar. La solera está tapada por una bóveda más o menos deprimida sobre la cual las llamas reverberan, proyectándose después hacia el mineral. Esto asegura un buen rendimiento térmico. El combustible utilizado es de carbón pulverizado y el mineral generalmente en fino concentrado por flotación. La solera rectangular fija puede tener 25m x 2,05m de ancho, recubierta por una bóveda a una distancia de unos 60cm. La solera es calentada por un hogar h, las puertas P permiten regular el acceso de aire. La tolva del horno esta atravesado por una serie de árboles verticales provistos de rastrillos que son huecos y se refrigeran por agua, giran continuamente removiendo el mineral y haciéndole descender hacia el hogar. Tiene una capacidad de producción de 30 Tn/día.

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3) Convertidores. Se designa con el nombre de convertidores a aparatos en los cuales el producto a tratar es atravesado por una corriente gaseosa susceptible de producir una acción química conveniente. En los usados para tostación la masa de los sulfuros es atravesado por una corriente de aire oxidante. La temperatura puede elevarse hasta que la descomposición de los sulfuros sea total. El convertidor más usado es del tipo de aspiración, que esta constituido por una cadena sinfín que se mueve por rotación de dos tambores y que lleva pequeños cangilones, cuto fondo esta formado por una chapa perforada. El mineral se carga por la ayuda de una tolva (T), es encendida en (F) por un quemador y continua la acción mientras es sometido a la aspiración que se hace por medio de la cámara (A), al terminar el recorrido cae por el extremo, ya aglomerado, en forma de briquetas (B). El espesor del mineral en cada caja es de unos 10cm. El aparato de 13m de longitud y 40 cajas de 1 m tuestan 20 toneladas diarias. 4) Hornos rotativos. Son largos cilindros de hasta 60 m, cuyo diámetro es undécimo de la longitud. Giran a una velocidad de 5 a 6 r.p.m. Están ligeramente inclinados sobre la horizontal. El aire se conduce cerca del eje del cilindro mediante toberas dispuestas a lo largo de sus generatrices. La marcha del mineral se retarda por anillos de moderación El rendimiento diario puede llegar a las 100 Tn.

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AGLOMERACIÓN DE LOS MINERALES :

Los minerales después de su concentración por alguno de los métodos indicados, se presentan a menudo en forma de polvos y son en estas condiciones inutilizables en los hornos metalúrgicos. Es necesario transformarlos en elementos de tamaño determinado, susceptibles de presentar cierta resistencia al aplastamiento y no obturar el paso de los gases. Las soluciones más corrientes son el briqueteado y el sinterizado. Briqueteado: Consiste en formar briquetas con una mezcla de mineral y aglomerante (cal, escoria, Cl2Ca) fuertemente comprimidas. Generalmente se endurecen por cocción en un horno de túnel, que es una galería circular con un hogar en el centro, recorrida por vagonetas llenas de la carga que se han de cocer. Los productos de la combustión circulan en sentido inverso al de las vagonetas. Sinterizado o fritado: Consiste en calentar la mezcla del mineral aglomerante y el combustible hasta la aparición de un estado pastoso, mediante su enfriamiento se obtiene productos muy porosos y resistentes.

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OBTENCIÓN DE LOS METALES :

Una vez concentrado y reducido a tamaño adecuados, los minerales se someten a los tratamientos metalúrgicos propiamente dicho, que comprende la obtención del metal y su afino. Estas operaciones provocan cambio de estado y reacciones químicas fuertemente endotérmicas, cuya realización exige grandes cantidades de calor y de temperatura elevada, con un gasto importante de combustible. La metalurgia clásica por vía térmica, caracterizada por la importancia fundamental de combustible, es a veces impotente para resolver ciertos problemas de obtención de algunos de los metales; se recurre entonces a la energía eléctrica que por medio del efecto Joule y del arco eléctrico, permite disponer de grandes cantidades de calor a temperaturas elevadas y por electrolisis posibilitan reducciones imposibles o difíciles de obtener por vía química. Así, gracias a la electrometalurgia, se han obtenido metales como el aluminio, magnesio, y se han modificado técnicas en la obtención de cobre y cinc. Metalurgia por vía térmica: Son los tratamientos aplicados a los óxidos, carbonatos, sulfuros y silicatos. a) Tratamiento de los óxidos, carbonatos y silicatos. La metalurgia por vía térmica tiene siempre por resultado la eliminación del oxígeno del óxido del metal que se quiere obtener. MO + R RO + M MO: oxido metálico R: reductor (generalmente carbono, óxido de carbono) M: metal obtenido El óxido MO puede provenir del mineral en forma de óxido o de la transformación de otro mineral, por ejemplo: si es un carbonato, por calcinación se transforma en un óxido. CO3Zn + Φ CO2 + ZnO Si se trata de un silicato, por transformación de la cal: SiO3Zn + CaO SiO3Ca + ZnO En estos dos casos (carbonato y silicato) se lo transforma en óxido y se los trata como el primer caso con un reductor. Aunque la reacción fundamental de reducción sea la misma, le proceso de las diferentes metalurgias que las emplea varía mucho con la temperatura de reducción a la cual se produce esta reacción.

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1) la temperatura de reducción del óxido Tr es inferior al punto de fusión del metal Tf En este caso se obtiene un metal al estado sólido, no habiendo fusión. Para obtener el metal con cierta pureza, se debe partir de óxidos muy puros. Ejemplo: Níquel; Tr = 1250º C Tf = 1450º C 2) La temperatura de reducción del óxido es superior al punto de fusión del metal, pero inferior al punto de ebullición. Te>Tr>Tf El metal se obtiene en estado líquido, la ganga del mineral forma una escoria líquida más liviana que el metal, se separa por densidad y sobrenada al metal. Este es el caso más general. Ejemplo: Hierro, Plomo, Estaño 3) La temperatura de reducción del óxido es superior al punto de ebullición del metal. En este caso el metal se separa en forma de vapor. Ejemplo: Metalurgia del Zn. Tr =1100ºC>Te = 918º C b) Tratamiento con sulfuros. Los sulfuros son los constituyentes principales de los minerales de cobre, níquel, cinc, plomo. Se lo somete a una tostación y puede presentarse dos casos. 1) Tostación y reacción: En los minerales ricos, la tostación produce una mezcla de óxido y de sulfato que se somete a la acción del sulfuro no oxidado. Ejemplo: 2 SPb + 3 1/2 O2 SO4Pb + PbO + SO 2 (tostación) SPb + 2 PbO SO2 + 3 Pb SPb + SO4Pb 2 SO2 + 2 Pb 2) Tostación y reducción: Cuando el mineral es menos rico, se procede a la tostación y reducción. El sulfuro es transformado totalmente en óxido y luego se reduce con el carbono. SPb + 3 1/2 O2 SO4Pb + PbO + SO2 PbO + C CO + Pb Electrometalurgia: Alguno de los cuerpos electrolíticos llevados al líquido mediante fusión o disolución acuosa, se disocian en sus iones cargados de electricidad de signo contrario. Ejemplo: SO4Cu SO4

-2 + Cu+2

En general: AM A- + M+ Los iones metálicos están cargados siempre positivamente (iones electropositivos). Si se introducen en una cuba que contenga un electrolito ionizado; dos conductores (electrodos) unidos respectivamente a cada uno de los polos de un generador de corriente continua, los iones cargados (-) son atraídos por el electrodo positivo (ánodo), mientras que los iones cargados (+) son atraídos por el electrodo negativo (cátodo). Al contacto con los electrodos,

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los iones pierden su carga por neutralización y recobran el estado de átomo o de radicales que pueden recombinarse con la sustancia del electrodo o con su componente del baño. Ejemplo: electrolisis del sulfato de cobre en solución acuosa. SO4Cu SO4

-2 + Cu+2 (IONIZACION)

Paso de corriente ánodo SO4-2 Cu+2

cátodo En el cátodo, el Cu+2 + 2e- Cu, metal que se deposita. En el ánodo pueden producirse dos reacciones. Si le electrodo es un metal susceptible de convertirse en sulfato, se tendrá: SO4 + M SO4M O bien si se trata de un ánodo insoluble, se tendrá: SO4 + H2O SO4H2 + O O sea formación de ácido sulfúrico con desprendimiento de oxígeno. Obtención de los metales por electrolisis: El baño electrolítico puede obtenerse por disolución de alguna sal del metal o por fusión de una combinación electrolizable del metal que se quiere obtener. Se opera con un ánodo insoluble porque no puede dar lugar a reacciones con los aniones del baño electrolítico. El metal se deposita en el cátodo. a) Electrolisis acuosa: El baño electrolítico se obtiene mediante la disolución de la sal en el agua. De esta forma se trata los electrolitos acuosos del sulfato de cobre, sulfato de cinc y sulfato de cadmio. b) Electrolisis ígnea: En este caso el baño es una sal o una mezcla de sales fundidas y es preciso operar a temperaturas elevadas. Ejemplo: el magnesio se obtiene a 750º C de una mezcla de cloruro de magnesio y de cloruros alcalinos fundidos. También se puede obtener de esta manera el aluminio. Afino de los metales. Generalmente un metal obtenido por los métodos de obtención citados, suelen contener impurezas, que no lo hacen apto para su uso industrial, es preciso entonces afinarlos, es decir, eliminar sus impurezas que alteran sus cualidades. No obstante, no hace falta que esta eliminación sea total; sino llevarlos a valores mínimos a partir del cual se manifiestan los efectos perjudiciales. A veces es más conveniente transformar las impurezas en una combinación química que es menos perjudicial. El afino se realiza por una vía térmica o electrolítica. A veces se emplean los dos métodos sucesivamente reservándose ele término de afino para le primero y de refino para el segundo.

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Afino por vía térmica: Se distinguen la depuración física y química. Depuración física: La acción de la temperatura se reduce a provocar cambios físicos, que facilitan la eliminación de las impurezas. a) Fusión del metal: se licua el mineral a purificar permaneciendo las impurezas en estado sólido (se denomina licuación). Por ejemplo, el plomo impuro al calentarlo a 350º C pasa al estado líquido (punto de fusión 327º C), sus impurezas (Fe, Cu, etc.) se separan flotando en la superficie del baño. b) Resudación: se mantiene el metal en estado sólido y pasan las impurezas al estado líquido. Por ejemplo, el zinc impuro calentado a 370º C se mantiene en estado sólido (punto de fusión 419º C) peor el plomo que forma la impureza se licua, y aparece en forma de gotas en la superficie del cinc. c) Destilación: el afino por destilación se aplica al magnesio y al cinc. Se calientan por encima del punto de ebullición y se condensan en vapores puros. d) Depuración química: Las impurezas se transforman en una combinación química, fácil de separarla del metal. Se pude hacer por oxidación selectiva o por afino de la escoria. Oxidación selectiva: Se aplica a los metales cuyas impurezas son más oxidables que el metal. El agente oxidante es generalmente el oxígeno que forma óxidos con las impurezas. Si los óxidos formados son gaseosos o en estado de vapor, se eliminan en la atmósfera; si son líquidos (SiO2) o sólidos (Al2O3) forman escoria que son más livianas que el metal, lo sobrenadan y se separan por decantación. En algunos casos la eliminación total de las impurezas no puede hacerse sin provocar una oxidación parcial del metal, entonces es necesario provocar una reducción. La operación se llama “perchado”. Se introduce en el baño troncos verdes de asbesto produciendo su calcinación, el carbono que reduce el óxido de cobre. Cu2O + C 2 Cu + CO El óxido de carbono se elimina y los restos de carbón forman la escoria. Afino por acción de la escoria: Muy importante en siderurgia. Consiste en eliminar una impureza de función ácida (P2O5) combinándola con una escoria antagónica básica (cal), que forman una escoria fluida menos densa que el metal. Afino por vía electrolítica: El metal bruto se constituye en el ánodo, que es soluble porque se disuelve en el transcurso de la electrólisis. El cátodo esta formado por una placa muy delgada del metal puro, obtenido en afinos anteriores. El afino se reduce a un transporte del metal del ánodo al cátodo. En la cuba electrolítica, el cátodo está formado por n placas unidas entre si e intercaladas por n-1 placas de ánodos, también unidas entre si. El metal se

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Ánodo

Cu bruto

deposita entre las dos caras de las placas catódicas. Un caso típico del afino electrolítico es el cobre cuando se lo usa para fines eléctricos. En el ánodo se forma sulfato de cobre, soluble y reconstituyente del baño. El cobre se deposita en el cátodo. Las impurezas del ánodo, como el hierro, entran en la solución, otras como el plomo, metales preciosos caen al fondo de la cuba, constituyendo los barros anódicos.

Baño

SO4-2

+ Cu+2

Cátodo

Cu puro

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AGENTES METALÚRGICOS :

Combustibles: Todas las transformaciones metalúrgicas indispensables para transformar los minerales en metal se realizan utilizando calor como agente físico. Los combustibles almacenan cierta cantidad de energía calórica y por lo tanto son los agentes naturales de dicha transformación. Para ello es necesario producir la reacción rápida mediante el oxígeno del aire y que se denomina combustión. Los combustibles se clasifican por su estado físico y método de obtención. Se encuentra fundamentalmente el carbono y el hidrógeno, pero algunos también poseen oxígeno, azufre, nitrógeno. COMBUSTIBLES SOLIDOS: NATURALES: ANTRACITA LIGNITO HULLA TURBA LEÑA ARTIFICIALES: COQUE CARBON VEGETAL AGLOMERADOS COMBUSTIBLES LIQUIDOS: NATURALES: PETROLEO ARTIFICIALES: NAFTA GAS OIL FUEL OIL ALCOHOL KEROSENE COMBUSTIBLES GASEOSOS: NATURALES: GAS NATURAL ARTIFICIALES: GAS DE DESTILACION GAS DE ALTO HORNO GAS LICUADO ACETILENO

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En la composición de todos ellos se encuentran fundamentalmente el C y el H, pero algunos también poseen O, S, Ni. Combustión: La combustión es un fenómeno químico que en esencia es una reacción de oxidación donde quedan liberadas importantes cantidades de calor. Una sustancia se combina con el oxígeno formando distintos productos resultantes de dicha combustión. La sustancia que se quema se llama combustible y el medio, o sea, la atmósfera donde se realiza la reacción, se llama comburente. Para la combustión se requiere grandes cantidades de oxígeno, que normalmente es suministrado por el aire, aunque se debe tener en cuenta el que pueda hallarse en la composición del mismo combustible, a fin de llegar a resultados exactos. Cada combustible necesita una correcta relación aire-combustible que debemos asegurar para obtener una combustión completa. Poder o potencia calorífica de un combustible: Es el calor que se libera por unidad de peso o de volumen durante la combustión. Se lo expresa en kcal/h para combustibles sólidos y líquidos y en kcal/m3 para combustibles gaseosos. En los combustibles líquidos y sólidos que tienen en su composición química agua o hidrógeno, se destacan dos potencias caloríficas: a) Potencia calorífica superior (PCS): que expresa todo el calor desprendido en la combustión incluyendo el calor de condensación del agua formada. b) Potencia calorífica inferior (PCI): que expresa para ese mismo combustible todo el calor desprendido en la combustión, despreciando el calor de condensación del agua. Las bombas calorimétricas pueden determinar el poder calorífico superior. La diferencia del PCS y el PCI está en considerar o no el calor latente de condensación del vapor de agua formado: PCS = PCI + calor latente de condensación (agua total) Siendo 600 el calor latente de condensación de 1 kg de agua, tendremos: PCS = PCI + 600 W Siendo w la cantidad de agua total en el combustible, que esta dado por el valor del agua que tenga el combustible y el que corresponda a la oxidación del hidrógeno que tenga el combustible. Industrialmente interesa el poder calorífico inferior, pues el agua que contiene el combustible se considera en este caso al estado de vapor, lo que implica la absorción de cierta cantidad de calor. Es el caso del cálculo del hogar de una caldera, por ejemplo. El poder calorífico también se puede obtener en forma analítica utilizando fórmulas racionales en las que interviene los porcentajes de cada componente y sus calores de combustión. C + O2 CO2 + 8100 kcal/kg

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H2 + ½ O2 H2O + 34000 kcal/kg S + O2 SO2 + 2200 kcal/kg H2 + O H2O 2 + 16 18 1 + 8 9 O sea por cada kg de hidrógeno vale 9 de agua. Formula de Dulong: PCS = 8100 C + 34000 (H-O/8) + 2200 S PCI = 8100 C + 34000 (H-O/8) + 2200 S – 600 (9H+ H2O) Todo el oxígeno del combustible se transforma en agua, tomando 1/8 de su peso. Se debe conocer la composición porcentual del combustible y se considera el tanto por uno de cada elemento. Aire de combustión: Todo combustible necesita de oxígeno del aire para su combustión. En la práctica, además del aire mínimo o teórico, se necesita un cierto exceso de aire que asegure la combustión completa del combustible. Aire teórico: C + O2 CO2

12 kg + 22,4 m3 22,4 m3

S + O2 SO2 32 kg + 22,4 m3 22,4 m3

2H2 + O2 2H2O 4 kg + 22,4 m3 22,4 m3

H2O (líquida) H2O (vapor) 18 kg 22,4 m

O2 (en combustible combinado) O2 (libre)

32 kg 22,4 m3

Volumen de oxigeno mínimo para cada elemento será: 12 kg C 22,4 m3 O2 1 kg C (22,4/12) m3 O2/kg comb. - Para el hidrógeno (22,4/4) m3 O2/kg comb. - Para el azufre (22,4/32) m3 O2/kg comb. - Para el oxígeno (22,4/32) m3 O2/kg comb. O2 mín. = (22,4/12) C + (22,4/4) H + (22,4/32) S – (22,4/32) O Donde los distintos elementos químicos (C, H, S y O) están considerados en tanto por uno, por estar referidos a 1 kg de combustible.

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El aire que sirve para la combustión considerándolo seco, tiene una composición volumétrica de 21% O y 79% N, o sea, 21 m3 de O por cada 100 m3 de aire, por lo que el volumen mínimo necesario para el aire será:

Expresado en m³ por kg de combustible. Esto está medido en condiciones normales de presión y temperatura (760 mmHg y 0º C). Si queremos medir en condiciones normales ambientales debemos tener en cuenta:

Siendo: V1: Volumen de aire mínimo en condiciones ambientales T1: temperatura absoluta a temperatura ambiental p1: presión ambiental en mmHg T0: temperatura normal absoluta (273º K) p0: presión normal de 760 mmHg V0: volumen de aire mínimo en condiciones normales. En el caso de combustibles gaseosos, y en particular para hidrocarburos, se tiene: Hidrocarburo (gas) + oxígeno anhídrido carbónico + agua + calor CxHy + (x + y/4) O2 XCO2 + y/2 H2O + calor Ejemplo: Metano CH4 + (1 + 4/4) O2 CO2 + 4/2 H2O + 9530 kcal/m3 comb. CH4 + 2 O 2 CO2 + 2 H2O + 9530 kcal/m3 comb. H2 + ½ O2 H2O + 3050 kcal/m3 H2O CO + ½ O2 CO2 + 3034 kcal/ m3 CO El oxígeno mínimo para estas reacciones: - para el CO 22,4 m3 CO 11,2 O2 1 m3 CO x = 0,5 m3 O2

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Para el monóxido de carbono, la cantidad de oxígeno será 0,5 del porcentaje de CO; igual para el hidrógeno, la cantidad de oxigeno será 0,5 del porcentaje de hidrógeno. Para hidrocarburos, la cantidad de oxigeno será: (x + y/4) CxHy

El oxígeno mínimo necesario para la combustión de un combustible gaseoso por m3 de combustible será: O2 mín. = 0,5 CO + 0,5 H2 +(x + y/4) CxHy - O2 El volumen mínimo de aire será:

Todos los cálculos que realizamos son de aire mínimo para una combustión perfecta. En la práctica debe asegurarse que todas las partículas del combustible estén bien rodeadas de suficiente aire, para asegurar esto es necesario proveer una cantidad algo superior a la teórica de manera que podamos escribir la relación:

Dependerá de la naturaleza del combustible que se quema y también puede influir el tipo de quemador empleado. Para combustibles: - Sólidos λ 1,5 a 2 - Líquidos λ = 1,1 a 1,2 - Gaseosos λ = 1 a 1,1 El suministro de aire puede hacerse por tiro natural (chimenea), por aire a presión (compresores), por aire a baja presión (ventiladores centrífugos) y también mixtos. Gases de combustión: Los gases producidos son: a) productos indicados en las reacciones químicas (CO2; CO; H2O) b) provenientes directamente del combustible (N; H2O) c) nitrógeno del aire (volumen de aire 0,79) d) exceso de aire O2, nos da oxígeno libre

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Resumiendo, tenemos CO2 de las reacciones, CO de las reacciones incompletas, H2O de las reacciones más el combustible más la humedad que pueda tener el aire; N2 del combustible más del aire; O2 del exceso de aire. Las reacciones pueden ser: a) Correctas y perfectas: el aire mínimo y en los gases de combustión el carbono solo forma CO2. b) Correcta e imperfectas: el aire mínimo y el los gases de combustión el carbono quema formando CO2 y CO. c) Correcta y muy imperfecta: el aire mínimo y los gases de combustión el carbono forma solamente CO. d) Incorrecta por defecto: el aire es menor que el mínimo. Siempre es imperfecta. e) Incorrecta por exceso: el aire es mayor que el mínimo. Puede ser perfecta o imperfecta. Hay aparatos que nos pueden dar los porcentajes de los distintos gases de combustión, por ejemplo el Orsat. También se puede determinar el diagrama de Ostwald que es una representación gráfica de los valores de los componentes de los gases de combustión, en los cuales varía la cantidad de gas utilizados. Fundentes: Los fundentes son cuerpos que se agregan al mineral que debe tratarse en un horno para buscar la separación de la ganga. Esta separación se hace por reacción, o sea, que a altas temperaturas el fundente se combina dando lugar a cuerpos compuestos de más fácil fusión que cualquiera de los elementos que los compone, llamado escoria. La composición de la ganga determina cual es el fundente que más conviene utilizar. Si la ganga es silicosa conviene un fundente de naturaleza básica, y si es básica conviene un fundente ácido. Las principales materias que se emplean como fundente son: Sustancia Carácter Composición Cal Básico CaO Piedra caliza Básico Cao3 Dolomita Básico CaCO3; MgCO3 Arcilla ácido Al2O3 y SiO2 Cuarzo arena ácido SiO2 Espato flúor Básico CaF2 Materiales refractarios: Son aquellos materiales para revestir interiormente los hornos con el propósito de resistir las temperaturas elevadas que hay en ele interior y la acción corrosiva de los materiales que hayan de estar en contacto con el horno, también de sus gases y vapores.

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Las condiciones que deben tener un refractario son un alto punto de fusión, porosidad (la mayor porosidad para tener una mayor compacidad) así el ladrillo es mas resistente a las cargas y al ataque químico. Los ladrillos porosos se usan como aislante por su baja conductibilidad térmica. Debe tener resistencia al resquebrajamiento provocado por las contracciones y dilataciones, esto se tiene en cuenta por su composición química y la forma de la pieza del refractario. La norma IRAM 1543 P clasifica los refractarios según su carácter químico: 1- Ácido a) silito aluminoso b) Silicosis 2- Básicos a) cal b) magnesita c) cromo-magnesita d) dolomita 3- Neutro a) de elevado contenido de alumina b) carbón cromo zirconio carburo de silicio Los materiales refractarios ácidos se emplean en procedimientos de ese carácter del mismo modo que los básicos; y los neutros cuando se requiere neutralidad en las reacciones.

REFRACTARIOS ÁCIDOS: Arcilla refractaria: Esas arcillas consisten principalmente en silicatos de alúmina hidratados que pueden tener 39,5 % de Al2O3; 46,5 % de sílice y 14 % de H2O. El mineral más conocido es la caolinita, el que por efecto de la elevación de la temperatura elimina el H2O y queda reducido a 45,9 % de Al2O3 y 54,1 % de SiO2. Todas las arcillas, aun la más pura, contienen pequeñísimas porciones de hierro, magnesio, calcio, titanio, sodio, potasio. Ningún silicato de alúmina es completamente fusible a la temperatura de los hornos y cuando hay un exceso de alúmina o sílice el cuerpo es aun más refractario. El agua de la hidratación está en estado de combinación química y no puede eliminarse por desecación a la temperatura de ebullición del agua. Su presencia en la arcilla da a esta una de sus propiedades mas importantes, la de admitir agua mezclada mecánicamente tornándose blanda y plástica. La arcilla no absorbe la máxima cantidad de agua inmediatamente, sino solo gradualmente. El agua absorbida mecánicamente puede separarse por secado. Cuando la arcilla se cuece, el agua de hidratación es expulsada y queda una sustancia anhídrida dura. Este cuerpo no es capaz de absorber agua y

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volverse plástico, desconociéndose métodos artificiales para devolver a la arcilla a su estado primitivo. La expulsión del agua y la aglomeración resultante del efecto descorificante de las impurezas existentes durante la cocción determinan la concentración de la arcilla, circunstancia que es preciso tener en cuenta. En los ladrillos, bloques, lozas y otros artículos de forma sencilla basta simplemente dar forma al cuerpo las dimensiones necesarias con suficiente exceso para compensar la contracción. No pudiéndose hacer esto en el caso de crisoles, retortas y otros productos de arcilla refractaria debido a la desigual concentración de las partes de gruesos diferentes. Se resquebrajarían o deformarían durante la cocción, siendo por esto no utilizados. En estos casos será necesario impedir total o parcialmente la concentración, esto se logra mezclando la arcilla cocida con sustancias que no se contraen o que se dilaten cuando se calientan. A la misma clase pertenecen la arcilla cocida, polvo de coque y el grafito; y a la segunda clase la sílice, la arena y el pedernal. El pedernal molido es usado principalmente en alfarerías. Una mezcla corriente para hacer crisoles de arcilla consiste en dos partes de volumen de arcilla refractaria cruda o una mezcla de varias arcillas y una parte de crisoles molidos u otra arcilla refractaria cocida. Los ladrillos refractarios deben ser fuertes y de tamaño uniforme. El poder refractario se comprueba haciendo con la arcilla una pieza de ensayo cuyos cantos son mantenidos tan agudos como sea posible. Después de un secado cuidadoso, la pieza es fuertemente calentada examinando los bordes una vez cocida. Si permanecen afilados a la arcilla refractaria hasta la temperatura a la que ha sido calentado. Cualquier resblandamiento se conoce por redondearse los cantos y quedar barnizada la superficie. Los ladrillos refractarios deberán cocerse a la temperatura más alta a la que han que estar sometidos en su empleo. Los ladrillos que se contraen pueden comprometer la construcción del horno, por ejemplo originar aberturas de las juntas y permitir escape de los gases. Ganister: Esta sustancia es un cuerpo altamente de silicio, una especie de piedra arenisca en la que los granos están cementados con materia arcillosa. Su particularidad está en que no se dilata ni se contrae gran cosa durante la cocción, esto permite hacer y cocer el revestimiento en el mismo horno. El material húmedo en forma de polvo basto es apisonado entre la envolvente y en núcleo de madera que se separa después calentando gradualmente el revestimiento así confeccionado. Este revestimiento es el usado en los hornos de viento para la fabricación de aceros al crisol y en los convertidores Bessemer. La ausencia de de juntas y la gran refractariedad de

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este cuerpo hace que este revestimiento sea muy duradero, se encuentra en los yacimientos carboníferos. LADRILLOS DE SILICE Y DINAS: Los ladrillos refractarios conocidos con estos nombres son mucho más refractarios que los ladrillos refractaros ordinarios. Están compuestos principalmente de sílice. Los materiales con los cuales se fabrican difieren en su característica, los de dinas están hechos con una caurzita y los de sílice con un material de composición semejante mas granular. Los materiales se muelen y se mezclan con 1 a 3 % de la lechada de cal, esta mezcla es moldeada a presión en moldes de acero con falso fondo, después secado cuidadosamente se cuecen a muy altas temperaturas durante varios días. Los ladrillos de dinas rompen con fractura de gruesos pedazos en la que pueden distinguirse las partículas lechosas de cuarzo dentro de la matriz amarilla en que están enclavadas. Los ladrillos de sílice tiene una fractura granular grosera y áspera la tacto. Sus principales aplicaciones están en la construcción de quemadores, bóvedas de los hornos de recuperación y en las bóvedas de hornos de reverbero. Su composición a base de sílice los hace inapropiados para aquellas partes de un horno que está en contacto con materiales o escorias corrosivas. Arena: Es muy usada par hacer los pisos de los hornos. La empleada para este objeto es altamente siliciosa. Se usa para la confección de pisos de hornos a solera con recuperación para la fabricación de acero. Durante el servicio se impregna de oxido metálico formando revestimiento firme y duradero. REFRACTARIOS BÁSICOS: De pocas sustancias básicas podemos disponer ya que por su escasez y lato precio, ya que son poco refractarios, además estas sustancias carecen de la facultad de ligarse. Cal: Cuando esta expuesta al aire absorbe humedad, forma hidratos de calcio y se hace polvo. Su aplicaron es por esto muy limitada. Se ha empleado en bloques para la fusión de platino. Magnesita: No tiene el inconveniente de absorber humedad. La forma pesada y compacta obtenida calcinando fuertemente la magnesita o carbonato de magnesio natural forma un excelente material para revestimiento.

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Sin embargo, no posee el poder de aglomerarse y de aquí que deba emplearse con alguna otra materia como cemento. Su principal empleo es ara formar las soleras de los hornos Siemens-Martin básico. Dolomita: Es una piedra caliza de montaña, está constituida por carbonato de cal y magnesia. Sometida a una calcinación enérgica queda expulsando anhídrido carbónico quedando un residuo mezcla de cal y magnesia que no es rápidamente afectado por la humedad atmosférica. El material es producido de la forma más compacta posible por calcinación a una temperatura próxima al punto de fusión del hierro. Con una corriente de aire y coque duro de modo que la máxima concentración se verifica antes de su empleo en revestimiento. Contrae cerca de un 50 % y pierde aproximadamente la misma proporción en peso. Al igual que la magnesita no posee la propiedad de ligar y aglomerar; y se emplea mezclando el material molido con un 10 % de alquitrán. La mezcla se hace también en bloque para revestimiento de los convertidores Bessemer, con esto objeto se emplean una prensa hidráulica y moldes de acero. Bauxita: Es una mezcla de alúmina hidratada y oxido perico. Su composición es muy variable. La Al2O3 oscila entre 65-75 %, el Fe de 2-38 % el H2O del 10-30%, mientras que la sílice de 1-15%. Estos ladrillos se usan para construir el fondo del horno basculante Siemens. Plombagina: Es una forma de carbono y por lo tanto completamente infusible. Su principal empleo es la fabricaron de crisoles. El material después de pulverizado se trata con ácido clorhídrico para separar el oxido de hierro, luego se lava y se mezcla con bastante arcilla para amasar el material y darle la resistencia necesaria. El grafito en forma de láminas y hojuelas es el mejor para este objeto, los crisoles de plombagina contienen 22-25 % de grafito. Los crisoles son vasijas en forma de tazas de material refractario empleadas para operaciones de fusión que se llevan a cabo en hornos de viento donde el crisol esta rodeado por el fuego. Terminada la fusión se agarra el crisol con tenazas adecuadas y levantando fuera del horno se vierte su contenido. Las vasijas deben tener las siguientes cualidades: 1- Refractariedad para resistir las altas temperaturas. 2- No quebradizas en caliente

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3- No debe decrepitar cuando se retiran del fuego y se ponen a la temperatura ordinaria, entonces deben ser capaces de resistir cambios de temperaturas grandes y repentinos, 4- No deben ser atacadas y corroídas por los materiales que en ellas se calientan ni por las cenizas de combustible. Obtención del arrabio:

En el transcurso de los siglos la obtención del arrabio fue cambiando, evolucionando. Se pueden distinguir cuatro fases. Fase 1: Obtención del arrabio a baja temperatura hasta el siglo XIV. No se conocía otro hierro que el obtenido en una sola operación por reducción directa del mineral por medio del carbón de madera. Los medios rudimentarios para activar la combustión de que se disponía no permitían obtener una temperatura lo suficientemente elevada para fundir el material. El hierro reducido se separaba del mineral bajo forma de pequeños granos, mediante martillos y forjas se eliminaban las escorias. Fase 2: Los primeros altos hornos. Desde el siglo XV se aumenta la altura hasta los 7 metros, gracias al perfeccionamiento de los medios de insuflación. El metal obtenido se colaba líquido del horno, lo que permitía fundir en moldes. Esto era un arrabio de primera fusión que contenía además de hierro, carbono y otros elementos. Fase 3: Los aceros. A mediaos del siglo XVIII, la sustitución del carbón de madera por el coque metalúrgico y el empleo de la máquina de vapor para impulsar los sopletes permitieron aumentar las dimensiones del alto horno. Al mismo tiempo, calentando con el hierro en un crisol sometido a la acción de un hogar con coque incandescente, se obtuvo por fusión el primer acero homogéneo llamado “acero al crisol” Fase 4: La moderna siderurgia. Durante la segunda mitad del siglo XIX aparecieron diversos procedimientos que permitían el tratamiento de masas de metal y obtener productos de calidad superior partiendo de materiales menos ricos y con más impurezas que los tratados anteriormente. El calentamiento previo del aire a insuflar por los gases provenientes del alto horno ha permitido rebajar el consumo de coque. El arrabio se afina rápidamente en estado líquido, transformándolo en acero líquido por los procedimientos Bessemer, Martin ácido, Thomas, Martin básico y finalmente la aparición de los hornos eléctricos, que permiten el control riguroso de las reacciones durante el afino y permite garantizar la composición del acero. Actualmente, se puede esquematizar: Mineral Arrabio Acero

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Hornos metalúrgicos: Un horno es un dispositivo donde se realizan transformaciones físicas y químicas a elevadas temperaturas. Se pueden clasificar en: a) hornos a combustibles b) hornos eléctricos. Los hornos a combustible se clasifican en: 1) Hornos de cuba: en los cuales la sustancia a calentar está solo en contacto con el combustible. Por ejemplo: Alto horno, cubilotes. 2) Hornos de reverbero: son en los cuales la sustancia a calentar está solo en contacto con la llama. Ejemplo: Siemens Martin, horno pudelado, horno de recalentamiento. 3) Horno de mufla: son en los cuales la sustancia a calentar está separada del combustible y la llama. Ejemplo: horno a crisol, horno de cementación. 4) Convertidores: son en los cuales la combustión es debida a reacciones especiales. Ejemplo: convertidor Bessemer, Thomas para la fabricación de aceros. Los hornos eléctricos se pueden clasificar en: 1) A resistencia: que puede ser por conducción, por irradiación o por convección. 2) A arco: pueden ser directos o indirectos. 3) A inducción: que puede ser de alta frecuencia o de baja frecuencia. Arrabio obtenido de alto horno. El arrabio se obtiene en un gran horno con cuerpo de eje vertical de secciones rectas circulares llamado “alto horno”. Consta de arriba hacia debajo de las siguientes partes: a) Tragante: abertura por la cual se introduce la carga y donde a su salida son recogidos gases. b) Cuba: troncocónica que se ensancha ligeramente hacia la parte inferior. c) Vientre: es la parte más ancha del alto horno. d) Etalaje: tronco de cono que une el vientre con el crisol. e) Crisol: donde se mezcla el arrabio y la escoria líquida. El aire es insuflado por toberas dispuestas en la parte superior del crisol. El crisol lleva un agujero superior para la colada de la escoria llamada “bigotera” y otro agujero en el nivel inferior para la colada del arrabio llamada “piquera”.

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La carga sólida introducida por el tragante están compuestas por: a) Minerales: óxido de hierro, ganga, algunos óxidos CaO, MnO, Al2O3 b) Fundentes calcáreos: compuestos esencialmente de carbonatos de calcio acompañados de un poco de MgO y óxido de sílice. c) Coque: carbono, cenizas silicias y azufre. Estas cargas descienden por su propio peso y sufren el efecto de una corriente de gas ascendente compuesto inicialmente de nitrógeno y óxido de carbono, producto de la oxidación del coque por el aire al nivel de las toberas. Resulta que desde lo alto de la cuba hasta el atalaje se produce un conjunto complejo de reacciones de entre las cuales, la más importante es la reducción de los óxidos de hierro y que finalmente dan por resultado la formación de: a) Arrabio: solución en estado líquido de carbono, silicio y de manganeso en el hierro. b) Escoria: silicatos complejos de calcio y de magnesio, de aluminio y de hierro. En el tragante se desprenden los gases resultantes de las diferentes reacciones que han tenido lugar y que contienen esencialmente óxido de carbono, gas carbónico, nitrógeno con un poco de hidrógeno y vapor de agua. Detalles constructivos de un alto horno:

La altura total es aproximadamente 32m y su diámetro interior en el vientre es de 8,74m, o sea, hay una relación h=3,5d 4 del diámetro. Las paredes son en su interior de refractario y en el exterior pueden ser de ladrillos comunes o chapas de aceros, entre ellas se coloca una caja aislante que puede ser amianto en polvo que permite las dilataciones. Los espesores de los refractarios varían desde 36cm a 90cm en el largo, además se refrigeran con cajas embutidas en el refractario. La producción diaria puede llegar a las 2300 toneladas de arrabio.

Los altos hornos tienen instalaciones auxiliares que son montacargas para llevar el mineral, el combustible y el fundente al tragante, además de máquinas soplantes que alimentan con aire a presión en las toberas más o menos 4,5m3 de aire por cada kilogramo de coque. También hay recuperadores de calor que son utilizados para precalentar el aire que alimenta al alto horno. Reacciones en un alto horno: En un alto horno existen dos corrientes inversas. Una corriente de gas caliente ascendente y una corriente descendiente de materiales sólidos. 1- Corriente ascendente de gas caliente. Estos gases provienen de la combustión del coque y que se produce en contacto con el aire caliente inyectado por las toberas. En las zonas de contacto entre el aire y el coque se forma CO2, mientras que en las zonas superiores, habiendo carbón en condiciones favorables de temperatura se produce la reacción endotérmica: CO2 + C 2 CO – q

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A altas temperaturas la reacción anterior, que es reversible, tiende hacia la derecha formando solo monóxido de carbono (CO). Este monóxido hace que la columna ascendente tenga un poder reductor efectuando la desoxidación de los óxidos de hierro y transformándolos en hierro metálico. Debido a la gran velocidad de los gases y el tiempo requerido por las reacciones de reducción, grandes cantidades de monóxido salen por la parte superior del alto horno, determinando la posibilidad de utilizar el gas de ato horno como combustible. El aire inyectado constituye una masa elevada y puesto que esta masa debe pasar por los sitios que deja libre la carga la velocidad de los gases es grande, aproximadamente 200 [m/s]. Por ello el contacto entre gas y sólido dura muy poco. Esta alta velocidad de la masa gaseosa facilita el intercambio calórico pero dificulta las reacciones de reducción. Las que se completan únicamente porque los gases reaccionantes se renuevan continuamente. Dichos gases salen del alto horno sin haber desarrollado toda su capacidad desoxidante. Un valor normal es 0,6. El aire que entra en la tobera a una temperatura de 700° – 850° reacciona con el coque C + O2 CO2 + Q2 El anhídrido carbónico encuentra al coque a menor temperatura y realiza la reacción: CO2 + C 2 CO2 – Q2 El calor liberado en la zona de las toberas será Q1 – Q2, y el monóxido llevar calor latente de combustión que en parte será para reducir los óxidos de hierro. También la humedad contenida en el aire de soplado reacciona con el carbono. H2O + C CO + H2 – Q3 Por lo que la corriente ascendente contiene monóxido, hidrógeno, anhídrido y actúan aportando calor a la carga descendiente. Alrededor de los 900º C, en la base de la cuba se producen estas reacciones:

- Descomposición de los carbonatos: CO3Ca CaO + CO2 – Q4

- Reducción del hierro :

3 C + Fe2O3 3 CO + 2 Fe A temperaturas superiores a 900º C, descomposición del anhídrido: CO2 CO + ½ O2 En la vecindad de la boca del horno se verifica la reacción: 2 CO CO2 + C + Q5 Determinando la reposición de carbón libre y desarrollando calor.

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En la parte superior de la cuba, los gases ejercitan una acción desecadora de la carga. Al mismo tiempo, por su elevada velocidad arrastran una cantidad notable de polvos. El porcentaje de monóxido con el gas de alto horno varia de 18-30% y el poder calorífico es de 950 kcal/m3. 2- Corriente descendente de los materiales que constituyen la carga.

I) Zona entre temperatura ambiente y 400º C Desecación de los materiales y la transformación de todos los óxidos hidratados en óxidos anhídridos. Fe2O3nH2O Fe2O3 + n H2O

II) Zona de 400º C a 700º C a) Reducción indirecta de los óxidos de hierro. 3 Fe2O3 + CO 2 Fe2O4 + CO2 + 22840 cal Fe3O4 + CO 3 FeO +CO2 + 5860 cal

FeO + CO Fe + CO2 + 2340 cal Fe2O3 + 3 CO 2Fe + CO2 +8520 cal b) Solución del carbono por reacción de CO2 CO2 + C 2 CO – 38800 cal c) Descomposición de los óxidos de manganeso. Mn3O4 + CO 3 MnO + CO2 + 12740 cal MnO2 + CO MnO + CO2 + 33640 cal

III) Zona de 700º a 1350º C a) Reducción directa del óxido férrico FeO + C Fe + CO – 36540 cal

Fe2O3 + 3 C 2Fe + 3 CO – 108120 cal

b) Disociación de los carbonatos CaCO3 CaO + CO2 – 45150 cal

c) Reducción de los óxidos de manganeso MnO + C Mn + CO – 61740 cal Formación de escorias varias: la sílice contenida en el mineral forma con los óxidos distintos silicatos MnO + SiO2 SiMnO3 + 600 cal

FeO + SiO2 SiFeO3 + 10000 cal

CaO + SiO2 SiCaO3 + 18680 cal

A los 1100º C, el silicato de hierro se vuelve muy fluido y al encontrarse con el óxido de calcio, se descompone en: SiO3Fe + CaO SiO3Ca + FeO

IV) Zona de 1350º a 1550º C En esta zona, el hierro conserva su estado semisólido, pastoso y esponjoso mezclado aún con parte de ganga, cal y coque. a) Carburación de la fundición. 3 Fe + C Fe3C

3 FeO + 5 CO Fe3C + 4 CO2

b) Reducción del óxido y formación de la escoria. MnO + C Mn + CO – 61670 cal

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SiO2 + 2 C Si + 2 CO – 137680 cal P2O5 + 5 C P2 + 5 CO – 219500 cal

c) También se descompone el silicato de manganeso SiO3Mn + CaO SiO3Ca + MnO

V) Zona de 1550º a 1880º C (zona de combustión) a) Reacción del combustible Mn3O4 + CO 3 MnO + CO2 + 12740 cal

Mn3O4 + CO 3 MnO + CO2 + 12740 cal b) Desulfuración de la fundición

Mn3O4 + CO 3 MnO + CO2 + 12740 cal Mn3O4 + CO 3 MnO + CO2 + 12740 cal Una condición necesaria para la buena desulfuración del arrabio es la elevada fluidez de las escorias.

VI) Zona de 1350º a 1550º C (separación metal – escoria) En esta zona se produce un descenso de temperatura como consecuencia de la absorción de calor exigida por las reacciones endotérmicas anteriores y por estar por debajo de la zona de activación de la combustión. En esta zona ocurre la separación de las escorias y del arrabio, por diferencia de densidades, mientras la escoria sigue liberándose de los óxidos de hierro, el arrabio se libera del azufre y baja en ella el título de manganeso y carbono, mientras que el fósforo continúa en aumento por la reducción del óxido de fósforo (P2O5). Materiales que se requieren para el funcionamiento de un alto horno: Para producir una tonelada de arrabio se necesita: + 1,9 Tn de mineral con una riqueza del 65 % + 0,9 Tn de coque metalúrgico + 0,4 Tn de piedra caliza (fundente) + 10 Tn de agua que se usa para refrigeración y otros usos. + 3,5 Tn de aire, equivalentes a 2700 m3 Tipos de arrabio: El arrabio o hierro de primera fusión es el hierro que procede directamente del alto horno. Es en realidad una aleación compleja que además de hierro contiene hasta un 10 % de otros elementos tales como: C; Si; Mn; P y S Se pueden distinguir dos tipos: a) Arrabio para fundición: Son las calidades destinadas a coladas en moldes y se presentan de fractura gris o negruzca. Contiene mucho silicio, que la hace gratificante, y poco azufre. Ciertos arrabios contiene un mínimo de fósforo y bastante manganeso toman el nombre de arrabios hematíticos y sirven para fundir piezas grandes.

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Si contiene algo más de fósforo tiene mucha fluidez y se usa para colar piezas pequeñas. b) Arrabios para aplicación: Sirven para la fabricación de aceros y se distinguen en: - Arrabio para pudelado. - Arrabio para Bessemer: ricos en Si y casi exentos de P. - Arrabio fosforoso tipo Thomas: con mucho P y poco Si. - Arrabio para Martin Básico: de composición variada, salvo la exclusión de cantidades excesivas de P y S. Para obtener estos arrabios la marcha del alto horno debe ser: - Marcha caliente: Se obtienen fundiciones grises, siliciosas, muy fluidez. - Marcha media: Se obtienen mezcla de fundiciones blancas y grises. - Marcha fría: Se obtienen fundiciones blancas duras, frágiles, menos fluidas para la fabricación de aceros. También se pueden caracterizar de la siguiente manera: - Arrabio gris: llamado así por su fractura causada porque el carbono se encuentra como grafito. Alto porcentaje de Si y bajo de Mn. - Arrabio blanco: se debe su aspecto a la presencia de cementita (CFe3), carburo de hierro que se forma cuando hay poco Si o mucho Mn. - Arrabio atruchado: es el que contiene una composición intermedia presentando zonas grises y blancas entremezcladas. Colada de arrabio: La colada del arrabio se hace a intervalos regulares, practicando la operación llamada “sangría”, que consiste en abrir con barras de acero o con soplete el agujero de colada que existe en la parte más baja del alto horno. La colada se realiza utilizando grandes recipientes denominados cucharas de colada, en donde se deposita el arrabio líquido extraído del alto horno. Se puede efectuar de dos modos: a) En panes pequeños. b) En grandes mezcladores. Colada en panes: Delante del alto horno se prepara un plano de arena ligeramente inclinado, en le cual se practican con moldes de madera una serie de cavidades por donde se hace escurrir el arrabio líquido. A veces los moldes de los canales y las lingoteras se hacen de fundición y antes de colar se pintan con una lechada de arcilla para que el arrabio no se pegue. También hay máquinas de moldeo que consisten una serie de moldes de hierro, montadas sobre una cadena sin fin y trabajan en forma continua.

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Colada en mezcladores: Son capaces de contener hasta 1300 Tn de arrabio líquido. Los mezcladores son grandes recipientes horizontales revestidos interiormente con refractarios y construidos en acero. Sirven para la carga líquida de los arrabios destinados a fabricar aceros. Escorias y su utilización. Se distinguen dos categorías:

a) Escorias ácidas o neutras que presentan gran viscosidad al estado líquido y se llaman filantes o larvas.

b) Escorias básicas, no viscosas, frágiles al estado sólido, se llaman secas o cortas.

Las escorias ácidas o neutras son utilizadas como material de pavimentación en forma de bloques o para hacer lana de escoria, que se obtiene lanzando un chorro de aire comprimido contra un chorro de escoria y se utiliza como material aislante. Las escorias básicas son las que se producen en mayor cantidad dada la necesidad de proceder a una enérgica desulfuración del arrabio y forman la materia prima para fabricar el llamado cemento de escoria. Para fabricar el cemento de escoria se muelen la escoria con cal y la harina obtenida se cuece en un horno rotativo. Altos hornos eléctricos. La energía eléctrica puede ser convenientemente empleada para suministrar el calor a la mezcla del mineral y carbón como reductor de para producir arrabio. Uno de los más notables es el horno Gronwall, de origen sueco. Sus formas son semejantes a las de un alto horno de coque, especialmente en la cuba y en el vientre el crisol tiene una forma especial de cápsula con el diámetro mayor en la parte superior. Además presenta un revestimiento de magnesia y debido a su forma de cápsula deja en la parte más alta un recinto anular suficientemente amplio. Tiene tres electrodos convenientemente dispuestos, a los cuales llega una corriente trifásica y se sumergen en la carga, por lo tanto ella se encuentra en el campo formado por el arco voltaico. La carga se calienta por el efecto del calor producido por el arco voltaico. El calor es suministrado por la corriente eléctrica solamente en esa parte.

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El carbón es necesario para la combustión y reducción. Por esto si en los hornos a coque se tiene un consumo de 0,9 Tn C / Tn de arrabio, en los hornos eléctricos se tiene un consumo de 0,25 Tn. La economía del carbón es evidente pero para que sean económicos como los de coque, la energía eléctrica debe ser baja. Obtención del hierro pastoso: El proceso siderúrgico conducirá a la obtención del hierro pastoso siempre que el metal reducido se caliente a una temperatura mayor que la fase sólida pero sin llegar a la temperatura de la fase líquida. Trabajando así la carburación del hierro se mantendrá inferior al 1,7%, por consiguiente el metal será acero y no fundición de arrabio, es decir, este proceso transforma directamente el mineral en acero. Constituye por lo tanto un procedimiento de obtención directa. El principal método lo constituye el procedimiento Renn – Krugg, es un horno tubular rotatorio. El mineral y el carbón bien triturado y mezclado entran al horno en forma continua. Obtención de los aceros. Los aceros se obtienen a partir de arrabios de afino que normalmente contienen más de 2,5% C y los aceros ordinarios siempre contienen menos de 1,7% C. La obtención de acero a partir de arrabio consiste en la eliminación de una gran parte del carbono. Clasificación de los métodos de obtención de los a ceros:

Acero obtenidoal estado pastoso

Acero obtenidoal estado sólido

Acero obtenidoal estado líquido

A) Directamente del mineral

C) Del hierroD) De la fundición

- Forjas catalanas- Hornos rotativos

- Cementación carburante- Cementación oxidante

- Procedimiento de fabricación- Procedimiento de afinado

B) De la fundición - Horno de pudelar

- Ácido - Bessemer- Básico - Thomas

- Siemmens - Martin(Ácido - Básico - Neutro)(Carga sólida - líquida)

- Hornos a arco- Hornos a inducción- Hornos a resistencia- Hornos a resistencia y arco

E) Al crisol

F) Afinado por aire

G) Afinado por reacción

H) Procedimientos eléctricos

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La obtención de los aceros al estado pastoso como método directo ha sido abandonada en la actualidad y era el obtenido a baja temperatura. El procedimiento de pudelado es de poco uso, se afina la fundición y tiene por objeto depurar ésta, eliminando parte del carbono, silicio y manganeso, transformándola así en acero. El agente oxidante es el oxígeno que se combina directamente con dichos elementos. La fundición, funde debido a la alta temperatura del horno y adquiere un estado pastoso a medida que se produce la acción oxidante del aire y de los óxidos; pues el punto de fusión se eleva a medida que se produce la descarburización. Se requieren hornos de reverbero en los cuales las soleras tengan gran amplitud de superficie y poca profundidad para que los elementos oxidantes actúen rápidamente. Es necesario remover el baño continuamente, pues los óxidos siendo más livianos suben a la superficie. Luego de la formación de esponjas ferrosas, se somete a un martilleo a la masa de hierro para expulsar las escorias y unir las partes entre sí; soldándolas para darle luego la forma de barras. Aceros obtenidos al estado sólido: Se trata la materia prima sin llevarla al estado de fusión. A este sistema de fabricación se lo denomina “cementación”. Se realiza de dos maneras distintas, carburando el hierro o también descarburando la fundición; denominando al primero cementación carburante y al segundo carburación oxidante. La cementación carburante es un método antiguo en el cual se coloca barras de hierro en un horno y se colocaba carbón de leña en polvo rodeando el material, llevando todo a 1000º C, ya que a esa temperatura el hierro disuelve carbono incorporándolo a su masa. La cementación oxidante es un proceso similar, lo único que la materia prima es fundición maleable y se usa un cemento oxidante. La descarburización se aplica a la pieza de fundición obtenida por moldeo, colando las fundiciones líquidas en moldes de tierra o metálicos. La fundición tratada de este método se convierte en acero por lo menos superficialmente o hasta una cierta profundidad. Aceros obtenidos al líquido: Procedimiento de fusión al crisol: Es un procedimiento antiguo. Una ventaja es la falta de contacto del metal con el combustible y de la posibilidad de obtener la calidad requerida por la ausencia casi completa de reacciones fundamentales que pudieran ser perjudiciales durante la operación.

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A estas condiciones debe agregarse la pureza y homogeneidad, y la ausencia de gases disueltos que se traducen en burbujas en la masa metálica y conocida con el nombre de sopladura. Hay tres maneras distintas de acuerdo a los elementos que intervienen: a) fundición y mineral. b) Hierro y carbón. c) Hierro y fundición. Afino por aire: Se inyecta una corriente de aire fría a través del arrabio líquido contenido en un convertidor. El aire quema las impurezas (Si, Mn, P, C) que se comportan como verdaderos combustibles. El arrabio debe contener cantidades suficientes de éstas impurezas para que el calor desprendido por estas diferentes combustiones pueda mantener el estado líquido del baño del metal, pues la temperatura de fusión no cesa de aumentar de 1250º C – 1530º C a medida que el carbón se elimina. La operación se efectúa sin aporte de calor exterior, o sea, sin gasto de combustible. Poder termógeno: Cada elemento combustible se caracteriza por su poder termógeno, es decir, por la elevación de temperatura del baño resultante de la combustión neutra de 1 kg de cada elemento contenido en 100 kg de hierro. Los valores aceptados para las combustiones efectuadas a 1300º C son: Silicio230º C; Fósforo156º C; Manganeso50º C; Hierro30º C; Carbono27º C. Estos valores disminuyen si la temperatura de la combustión se eleva, por ejemplo si es de 1500º C, el poder termógeno del silicio es de 160º C. Esto explica por qué el aire se inyecta frío y no caliente. Procedimiento Bessemer ácido o Bessemer propiament e dicho. El convertidor esta revestido de ladrillo de sílice, o sea, ácido. Los arrabios tratados son pobres en fósforo pero ricos en silicio, del cual se utiliza su elevado poder termógeno. Procedimiento Bessemer básico o procedimiento Thom as. El convertidor está revestido por ladrillos básicos (cal, magnesia) o hechos con dolomita calcinada. Los arrabios tratados se denominan Thomas, son pobres en silicio pero ricos en fósforo cuyo poder termógeno desempeña en este caso un papel importante.

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Arrabio Tipo C Si Mn P S Bessemer 35 a 45 1 a 2 0,5 a 3 0,1 0,05 Thomas 30 a 40 0,2 a 0,6 0,3 a 2 1,7 a 3 0,1

El convertidor. Todos los convertidores, ya sean ácidos o básicos, tienen el mismo perfil. Está compuesto por las siguientes partes: - Cuerpo en forma cilíndrica a) Pico: prolongación del cuerpo para la introducción de las cargas y salida de las llamas y humos de combustión. b) Fondo: a través del cual pasa el aire divido por cierto número de agujeros o conductos. c) Soporte metálico: con cojinetes para apoyar en ellos los gorrones que permiten inclinar y enderezar el convertidor durante el proceso de fabricación. Uno de los gorrones es hueco y pasa el aire que entra al horno por medio de una caja de vientos y luego por las turbinas. d) Mecanismos de movimiento: compuesto por un dispositivo hidráulico que acciona una cremallera y estas a la rueda dentada solidaria al eje del convertidor. Los convertidores de gran tamaño están formados por tres partes: el cuerpo cilíndrico, el pico troncocónico y el fondo. Las paredes son de acero de 2,5 a 3 cm. de espesor que soportan el revestimiento refractario interior.

El aire se inyecta con una presión efectiva de 1,5 a 2,5 kg/cm2 y la cantidad necesaria es de 300 a 400 m3 por cada tonelada de fundición. Es necesario que el aire tenga la presión necesaria: a. Para evitar que la fundición líquida se escurra por gravedad a través de los orificios de la caja de viento. b. Para vencer la resistencia que presenta el metal líquido cuyo espesor es del orden de los 40 cm.

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Dimensión y capacidad: Una tonelada de arrabio líquido ocupa aproximadamente 0,14 m3, se calcula que para un convertidor ácido cosa de 1 m3 por tonelada de arrabio, y de 1,4 m3 para un convertidor básico, atendiendo a la formación de una escoria más voluminosa. Por ejemplo, un convertidor Thomas de 30 Tn. tiene 4 m de Øint. y 6m de altura. Operaciones y reacciones: Para cargar el convertidor se lo coloca en posición horizontal, haciéndolo bascular sobre sus muñones y se vuelca en él el arrabio que la cuchara ha recogido de un alto horno o de un mezclador. El nivel del metal líquido cargado está limitado por el borde y las toberas. Inmediatamente después se vuelve el convertidor a su posición vertical, después de haber empezado a inyectar aire, lo que continúa durante un ¼ de hora aproximadamente. Al cabo de ese tiempo el arrabio ha quedado afinado y convertido en acero. Se lo inclina nuevamente al convertidor para retirar las escorias que sobrenadan y finalmente se vuelca el acero en las cucharas que debe repartirlo en los moldes de arena, si es acero moldeado o en lingoteras si se obtiene lingotes de acero bruto. Las fases del proceso son por lo general cuatro: 1. Escorificación y elevación de la temperatura. Al comenzar el soplado, el oxígeno comienza a oxidar al hierro dando Fe + ½ O2 FeO, este oxígeno se disuelve en el baño oxidando al silicio y al manganeso y formando una escoria de silicato doble de manganeso y hierro que asciende a la superficie del baño. Las reacciones que se producen son: FeO + Si 2 Fe + SiO2 FeO + Mn Fe + MnO El hierro que queda en estas reacciones se incorpora al líquido pero siempre queda algo de óxido que e combina con la sílice formando silicato. SiO2 + FeO SiO3Fe SiO2 + MnO SiO3Mn Los silicatos forman escorias que ya que ha su vez es capaz de disolver grandes cantidades de óxido de hierro, manganeso y sílice. Este período dura unos ocho minutos y la temperatura crece debido principalmente a la oxidación del silicio. En esta fase no se producen llamas aunque salen gases calientes.

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2. Descarburación. Período que comienza a quemarse el carbono, lo que sucede una vez eliminado el silicio y el manganeso. Las reacciones son: C + ½ O2 CO CO + ½ O2 CO2 El monóxido formado sale por la boca del convertidor y en la presencia de aire a la salida se inflama dando llamas largas. Estas llamas van aumentando de luminosidad debido a vapores que provienen del sodio del revestimiento. El pasaje del monóxido a través de la masa fundida produce una especie de hervidero al metal fundido, con fuertes vibraciones del convertidor, burbujeo y rumor sordo. Este período dura unos siete minutos y su final lo da la llama al reducirse completamente. 3. Calma y oxidación. Eliminando una gran parte del carbono cesa el ruido y el hervido, produciéndose un período de calma durante el cual continúa actuando el aire que se sigue insuflando para eliminar por completo al carbono y a otras impurezas. Esta fase dura tres minutos y produce la oxidación de grandes cantidades de hierro. 4. Final y adición. De la operación anterior, el líquido se halla ligeramente oxidado por la presencia de FeO el que es eliminado por intermedio del agregado de aleaciones manganesíferas que pueden ser agregadas al convertidor antes de la colada o bien directamente en la cuchara después de la escorificación, lo que tiene su ventaja. A parte de la desoxidación, se consigue con la adición de aleaciones llevar al Manganeso a valores deseados principalmente para anular los efectos nefastos del azufre que no se pueden eliminar en la marcha del proceso. Igualmente se consigue una recarburación del material al valor deseado por incorporación de carbono. Los correctivos agregados son: - Spiegeleises (21% Mn; 5% C) - Ferro manganeso (80% Mn; 7% C; resto Fe) - Ferro silicio (10% Si) - Fundición (4% C) En toda operación Bessemer el fósforo y el azufre que lleva el arrabio no se elimina porque aunque se oxiden, la escoria que es ácida no se disuelve, haciendo falta una escoria básica

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Procedimiento Thomas: El convertidor Thomas es análogo al Bessemer pero se tratan arrabios ricos en fósforo pero para tener una escoria básica proveniente de la oxidación del fósforo y azufre se deben realizar las siguientes modificaciones en el proceso: -Revestimiento básico. -Arrabios fosforosos. -Agregado de cal viva (12% del peso del metal) -Violento soplado final. Marcha de la afinación: Se observa también en el proceso Thomas cuatro períodos: 1. Oxidación. Primero el hierro, luego el silicio y manganeso con la formación de escoria. Se nota una llama corta; chispa oscurecida por el polvo de la cal. Dura de 2 a 4 minutos. 2. Descarburación Conformación de monóxido que arde con llama larga. Se observa primero una notable fluidez del baño debido al fósforo que comienza a oxidarse, solo después que la descarburación se ha completado en gran parte. Cuando el tenor de carbono es de 0,6% aproximadamente, el metal adquiere una notable viscosidad y debe aumentarse la presión del aire. Al final de la descarburación, la llama es corta y se notan ruidos sordos y vibraciones del convertidor. Período que dura de 6 a 10 minutos. 3. Desfosforación y soplo final. Cuando el carbono se ha reducido al 0,4% y el tenor de fósforo que aun habiéndose iniciado la desfosforación alcanza más de 1,5%, comienza rápidamente a disminuir. Por esto es necesario insuflar violentamente aire, la temperatura se eleva rápidamente por la combustión del fósforo, mientras el óxido de fósforo formado se fija con la cal dando origen a una escoria constituida, sobre todo, por fosfato tricalcico. La temperatura llega a los 3600º C. Comienza a salir humos color pardo. 4. Colada de escoria y agregado de correctivos. Se para le aire y se evacua la escoria inclinando el convertidor, luego se procede a la recarburación agregando ferro manganeso y según la necesidad se agregan otros aditivos. Aceros al oxígeno: Estos son los obtenidos por el afino del arrabio mediante la acción de oxígeno casi puro (98%). Son procedimientos similares al Bessemer y Thomas e incluso las reacciones son las mismas. Las diferencias esenciales son:

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a) Empleo exclusivo del oxígeno, por lo tanto ausencia del nitrógeno. b) Soplado en la superficie del baño (no por el fondo del crisol), con la ayuda de una caña metálica refrigerada por agua. Existen dos tipos de ejecución que varían según el aparato a utilizar: a) que permanecen inmóvil. Procedimiento LD, LPD y OPL. b) que esté animado de un movimiento de rotación. Procedimiento Kaldo y Rotor. El acero obtenido equivale a un acero Martin y como su proceso resulta más económico se ha desarrollado más que el Martin. Procedimiento LD: Este procedimiento ha sido concebido para afinar los arrabios demasiado pobres en silicio para ser tratados al Bessemer y demasiado pobres en fósforo para hacerlo por el Thomas. Aparato: Es un crisol de fondo lleno similar a un convertidor. Puede tener una altura de 7,4 m y 2,7 m de diámetro interior, con un espesor de recubrimiento de 60 cm. y de ladrillos de dolomita. El oxígeno se inyecta a una presión de 6 a 15 bar, por medio de una caña metálica refrigerada colocada en el eje del crisol, estando su extremidad inferior distante a unos 40 – 100 cm. de la superficie del baño. Se inyecta alrededor de 60 m3/tn de arrabio.

Reacciones: Bajo el impacto del oxígeno el metal se lleva a una temperatura que puede alcanzar los 3000º C. Esta zona se convierte en centro de reacciones extremadamente fuertes, que provocan la turbulencia del baño y la formación de una lechada espumosa.

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La descarburación y la desfosforación corren parejo y alrededor de la mitad del azufre queda eliminado. Una operación dura 30-40 minutos. La carga también incluye chatarra 20-35% de la masa de arrabio fundido. También se incluye cal. Se efectúa la limpieza de la escoria antes de la colada como en el procedimiento Thomas. Procedimiento LPD: Como el procedimiento LD no responde satisfactoriamente al tratamiento de fundiciones fosforosas se ha modificado. Las cargas contienen: además de arrabio, cal, un fundente y mineral alrededor de 150 Kg. por tn de arrabio. La característica consiste en no vaciar completamente el convertidor durante la colada, conservando siempre una determinada masa de lechada sobre la que se introduce la nueva carga. La operación dura unos 45 minutos entre coladas sucesivas. Procedimiento OPL: En este procedimiento el chorro de oxígeno puro insuflado en el crisol, va cargado de cal en polvo, cuya presencia aumenta la potencia de penetración del chorro de oxígeno en el baño y además provoca el enfriamiento de la zona de las reacciones vivas. También asegura una buena desfosforación y una buena desulfuración e impide el espumado de la escoria. Procedimiento KALDO: Es un crisol de fondo lleno, en el cual, en posición de marcha está inclinado unos 17º sobre la horizontal y está animado de un rápido movimiento de rotación alrededor su eje (30 rpm) y puede hacerse bascular el conjunto para el llenado y vaciado. El procedimiento se caracteriza por el hecho que actuando sobre el caudal de oxígeno y la velocidad de rotación puede retrasarse la formación de la escoria hasta que el contenido de carbono haya descendido a 1,5%. La descarburación se efectúa como en el procedimiento Martin, por intermedio del óxido de hierro de la escoria. La desfosforación se produce con retraso sobre la descarburación, formándose fosfato a partir de la escoria básica.

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El rendimiento térmico resulta excelente ya que el óxido de carbono arde en el interior del crisol lo que permite utilizar una alta proporción de mineral o chatarra (45%). La duración de una operación entre dos coladas sucesivas varía entre 85 y 100 minutos, el acero obtenido es similar a un acero Martin y su precio es mas bajo. Procedimiento Rotor: Se vale de un horno cilíndrico (rotor) de 15m de longitud para 60Tn de carga. La velocidad del horno es de 1 rpm. El aparato contiene dos toberas de soplado, una sumergida en el baño envía oxigeno puro, otra emergiendo envía oxigeno al 70% que asegura la combustión en el interior del cilindro y el oxido del carbono resultante de la descarburación la temperatura es elevada, los humos salen a 1800 ºC, cada operación dura unas 2 horas por términos medio. Afino sobre solera: Procedimiento Siemens-Martin: El afino de este proceso se efectúa cargando la fundición que se que se trata de afinar, es un horno de reverbero cuyas llaman calientan el hierro al pasar sobre él, sin que sus gases prácticamente oxiden las impurezas de las cargas. Esta oxidación es producida principalmente por el mineral de hierro que se agrega, es decir, a expensas del mineral o del óxido que acompaña a la chatarra cuando se utiliza ésta. La dificultad esencial consiste en obtener sobre la solera una temperatura que permita fundir el acero y mantenerlo al estado líquido, o sea, a más de 1600º C. Esta dificultad ha sido superada gracias al precalentamiento del aire y del combustible y por la recuperación de los calores sensibles de los humos de la combustión. Procedimiento perfeccionado por los hermanos “Siemens” en 1856, de aquí el nombre del procedimiento, ya que “Martin” trabajo en fundir una mezcla de arrabio y chatarra en un horno de reverbero obteniendo así acero fundido. Según sea la naturaleza química del revestimiento de la solera, se distinguen los procedimientos ácidos y bases; este último permite el afino de los arrabios fosforosos. La carga de un horno esta formada ordinariamente por arrabio, residuo de acero (chatarra), mineral de hierro y en la solera básica, cal. Según las proporciones relativas de estas diversas materias se utiliza: a) El procedimiento a la chatarra: la mezcla fundición – chatarra se afina por la acción oxidante de la herrumbre de la chatarra y por el oxígeno en exceso de los gases de combustión. b) El procedimiento al mineral: en el cual la carga metálica se afina por el óxido de hierro del mineral. El proceso a la chatarra puede aplicarse indistintamente a la solera ácida o básica. El proceso mineral produce siempre una escoria básica por lo que no se puede aplicar sino a la solera básica.

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Descripción del horno: El horno propiamente dicho está formado por una solera rectangular, cubierta por una bóveda y limitada por cuatro muros verticales. Los muros longitudinales tienen aberturas de carga y de trabajo y también el agujero de colada. Sobre uno de los muros laterales lleva los quemadores con llegada de gas y aire y en el otro muro están los conductos de salida de humos. Debajo del horno se encuentran las cámaras de recuperación de los calores de los humos y también el conjunto de conductos que aseguran la circulación del aire y del gas, y la evacuación de los humos hacia la chimenea. La solera para un horno de 60 tn tiene una longitud de 11 m de largo y 4 m de ancho. Se mantiene una altura del baño de 40 a 75 cm para los hornos ácidos y solo 35 cm para los básicos, a causa de la abundante escoria. A fin de facilitar el enfriamiento por aireación favorable para la conservación de la solera, se hacen de unas placas de acero remachado sobre perfiles metálicos, estas placas sostienen el revestimiento. En una solera ácida el revestimiento esta formado por tres capas de ladrillos de sílice recubierta de un aglomerado de arena arcillosa que puede ser de 30 cm de espesor. Los muros laterales están formados del mismo material que la solera, pero el espesor varía de 70 cm en la base a 40 cm en la parte superior.

Normalmente el horno lleva cuatro recuperadores consistentes en cámaras que contienen pilas de ladrillos y en un momento dado dos de ellas están recorridas por los humos que salen del horno (1580º C) y los ladrillos se calientan hasta 1300º C en la parte superior y a 300º C en la base. Las dos cámaras están recorridas, una por aire y la otra por el gas, saliendo respectivamente a 1200º C y 1000º C. La corriente gaseosa se invierte dos veces por hora gracias a un dispositivo automático con dos válvulas en forma de campana con punta hidráulica, éstas están situadas en cuatro orificios que se comunican con los recuperadores, la chimenea y la llegada de aire y de gas. La inversión de la corriente gaseosa se efectúa llevando las válvulas y haciéndolas girar 90º. En principio los dos recuperadores para el aire están debajo del horno, y los delgas están situados a los lados del horno. La circulación de las corrientes gaseosas está asegurada por un ventilador y por una chimenea alta de fuerte tiraje. En estos hornos se pueden utilizar los siguientes combustibles: gas de alto horno, gas de los hornos eléctricos, gas de los gasógenos, gas natural, aceites pesados.

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Es necesario enviar más aire que el teórico al combustible, el exceso varía de 1,75 durante la fusión a 1,20 durante el afino.

Afino sobre solera ácida:

Naturaleza de las cargas: Como en el proceso a la chatarra es el único en el cual se puede usar la

solera ácida, en él la desulfuración y desfosforación son imposibles. Las cargas de arrabio más residuos, no deben llevar una cantidad de impurezas que disueltas en la masa total perjudiquen la calidad del acero; máximo 0,04% de fósforo y azufre.

El afino más largo y por consiguiente más costoso, cuanto más elevado es el contenido global de carbono limitándose al 1% para una composición conveniente de la carga con 30% de arrabio, como máximo no debe pasar el 1% de magnesio para evitar el ataque rápido de solera.

Reacciones de oxidación: El oxígeno viene suministrado por la atmósfera del horno, pero las

reacciones de oxidación, el silicio, manganeso y carbono se efectúan por medición de los óxidos de hierro preexistentes o que se forman rápidamente durante la fusión de las cargas. La escoria formada está compuesta esencialmente por silicio, hierro, manganeso y también de silicio.

Si + 2 FeO SiO2 + 2 Fe SiO2 + FeO SiO3Fe

SiO3Fe + Mn SiO3Mn + Fe Al contacto con la atmósfera oxidante, el óxido ferroso se transforma en

férrico, el cual en presencia del baño metálico es reducido por el hierro en óxido ferroso (Fe2O3 + Fe 3 FeO). Este óxido ferroso asegura la oxidación del

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silicio, del manganeso y del carbono. Es muy importante pues el contacto del baño – escoria sea lo más íntimo posible; esto sucede cuando a descarburación es apreciable. Fe + C CO + Fe.

El desprendimiento del óxido de carbono provoca una agitación en el baño que acelera las reacciones, intensifica los cambios térmicos y favorece la obtención de un acero homogéneo.

Reacciones de reducción: El baño llevado a 0,1% de carbono contiene óxido ferroso que se reduce

por la adición de ferrosilicio, que asegura eventualmente la recarburación del baño.

El contenido de silicio se calcula, para que el metal esté calmado, es decir, que pueda colarse sin desprendimiento gaseoso. Afino sobre solera básica:

Naturaleza de la carga: El proceso sobre solera básica, al igual que el proceso Thomas, permite

la desulfuración y desfosforación del arrabio gracias a la existencia en el transcurso del afino de una escoria básica, cuya formación se debe a la adición de cal (10% de la carga total) realizada al principio de la operación.

La marcha a la chatarra como es natural puede efectuarse en solera básica, pero la marcha al mineral está mucho más extendida.

Reacciones de oxidación: Se efectúan por medición de los óxidos de hierro, de la escoria pero son

mucho más rápido que en los procesos ácidos. La oxidación del silicio se acelera y la del manganeso se retarda por la

presencia de la cal; que fija inmediatamente a la sílice oponiéndose así a la combinación con el óxido de manganeso, la descarburación se intensifica rápidamente y puede llegar hasta 0,02% de carbono (acero extra dulce).

La desfosforación resulta de la oxidación del fósforo al estado de óxido, seguida de la combinación del anhídrido fosfórico con la cal de la escoria para formar fosfato tricalcio; el contenido final de fósforo es tanto más pequeña cuanto más básica y más oxidante es la escoria.

La desulfuración debería estar favorecida también por la presencia de la escoria básica, pero el exceso de óxido de hierro constituye un medio que la limita y prácticamente el contenido de azufre no desciende de 0,02%.

Reacciones de reducción: Finalmente el baño resulta muy oxidado, se reduce ele óxido por

adiciones de silicio Spirgel y algunas veces aluminio. Cuando el baño está reducido su temperatura no es tan elevada para que se produzca una desulfuración sensible, no obstante la sulfuración del sulfuro ferroso, en sulfuro de manganeso menos nocivo, prosigue durante todo el enfriamiento.

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Afino con el horno eléctrico:

Idéntico en principio al afino sobre solera, difiere profundamente de este por el modo de calentar el horno. Las altas temperaturas necesarias para la obtención del acero se alcanzan por la transformación de la energía eléctrica en calor y no por combustiones. Según los casos se emplea:

a) El calor desprendido por la corriente eléctrica en un conductor resistente (calentamiento por resistencia).

b) El calor producido por el arco eléctrico que salta entre dos electrodos (calentamiento por arco).

Hornos a resistencia:

Como los hornos con resistencia aisladas no permiten alcanzar temperaturas suficiente para la obtención de los aceros, debe producirse el calor en el seno del mismo baño metálico.

Es lo que tiene lugar en los hornos de inducción, gracias a las corrientes creadas dentro del metal, por variación de una corriente alterna. Hornos de arco:

El más empleado es el horno Héroult, la corriente pasa de un electrodo al otro por intermedio del baño. Es un crisol cilíndrico y la capacidad varía de 5 a 100 Tn. Lleva un revestimiento refractario, cuya naturaleza ácida o básica condiciona la naturaleza del afino. El horno tiene en la parte superior una bóveda que permite el paso de los electrodos. Para cargar el horno se levanta la bóveda verticalmente y se lo hace pivotear en un plano horizontal, con lo que se descubre enteramente la apertura del crisol. El horno está montado sobre dos sectores dentados que permiten inclinarlo hacia adelante para la colada y hacia atrás para la limpieza.

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Generalmente están alimentados por una corriente trifásica, la intensidad puede alcanzar 15000 A por electrodo.

Hay tres tipos de electrodos: a) De carbono amorfo: se fabrican a partir del coque de antracita

calcinada, pulverizad, molida y procesada. b) De grafito: obtenidos como los anteriores peor tiene una cocción de

2000º C por el paso de una corriente de 40 A/cm2 durante cuatro a seis días, seguida de un enfriamiento leve. Estos son los más usados en la actualidad.

c) Electrodos continuos: estos se preparan, cuecen y alargan en posición de servicio sobre el mismo horno. Horno eléctrico básico: El funcionamiento de esos está caracterizado por: a) La temperatura muy elevada del baño (superior a los 1800º C), que acelera las reacciones, favorece las reducciones endotérmicas y permite fundir fácilmente escorias ultra básicas refractarias, indispensables de una desfosforación y una desulfurción muy enérgica. b) Por la ausencia de gases de combustión oxidantes en contacto con el baño. La atmósfera limitada del horno es neutra, no interviene en las reacciones entre el metal y las adiciones. El horno eléctrico puede utilizarse: 1) como horno de afino, siendo su función idéntica al horno Martin básico, 2) como horno de superafino a partir de las cargas líquidas.

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Marcha de una operación de afino a partir de cargas sólidas. La carga de un horno de bóveda movible se efectúa rápidamente por el proceso de varios recipientes independientes en forma de sectores. El orden de las cargas puede ser el siguiente: - La carga. - Fracción de mineral. - Chatarra. El resto del mineral se adiciona después de la fusión. El agente oxidante es el óxido férrico del mineral. Los elementos oxidables (silicio, manganeso y carbono) se eliminan como en el horno Martin. La descarburación es completa, lo que permite llevar la desfosforación a 0,01% de fósforo. Al mismo tiempo se produce un principio de desulfuración y el hierro de la chatarra se oxida parcialmente. Reducción y dosificación. Se restablece la corriente y se dosifica una mezcla de ferrosilicio más cal más cloruro de sodio. Se forma una escoria muy fluida que contiene carburo de calcio muy reductor cuya presencia acelera la desoxidación y la desulfuración. Al final se ajusta el acero a la composición deseable mediante aditivos de aleaciones de ferromanganeso, ferrosilicio y si es necesario otros elementos. Duración de 5 a 6 horas. Marcha con cargas líquidas. El horno eléctrico puede cargarse con el acero líquido procedente de un convertidor. Lo que se realiza en estos hornos es aceros especiales. Otro tipo de horno de arco, de solera conductora es del tipo Girod, en el cual el arco salta entre electrodo y metal y la corriente atraviesa este, saliendo por el electrodo empotrado en el piso, refrigerado con agua. Hornos de inducción: Cuando un conductor está situado en un campo magnético de intensidad variable, se crean corrientes llamadas inducidas. Este campo magnético variable puede obtenerse con la ayuda de una bobina, por la cual circula una corriente alterna, que constituye el primario de la instalación, y de un conductor cede de las corrientes inducidas que es el secundario. La carga a fundir, que constituye el secundario, se coloca en un crisol refractario alrededor del cual se arrolla un serpentín de cobre, el primario, casi siempre alimentado por una corriente alterna de alta frecuencia, que oscila entre 500 y 2000 Hz. El recubrimiento refractario puede ser ácido o básico y de espesor relativamente pequeño, 5 a 10 cm. Los revestimientos ácidos de sílice son muy resistentes y permiten realizar hasta 300 coladas. La operación esencial en este horno consiste en una fusión. Las reacciones de afino se reducen a una desoxidación por el carbono. Comparándolo con hornos de presenta las siguientes ventajas:

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a) Permite la obtención de una temperatura más elevada. b) El baño está animado de movimientos producidos por lo acción electrodinámica del baño, resultando un metal muy homogéneo. c) La marcha puede ser discontinua y el proceso puede empezar instantáneamente.

Sistemas de coladas. No es conveniente colar el metal del horno directamente al sistema de colada a usar, sino toda carga del horno se hecha en una cuchara de colada, y de esta al sistema de colada. El metal en su breve estadía en la cuchara, se calma, es libre de escorias e impurezas que suben a la superficie y así resulta más homogéneo. Sistemas de colada: a) Llenar moldes de formas determinadas: se hace coladas sobre moldes de forma determinada, por ejemplo piezas de máquinas, y luego son ajustadas y terminadas con máquinas herramientas. Es conocido como acero colado. b) Llenar lingoteras: los moldes se llaman lingoteras, son de fundición, de forma ligeramente acampanada para facilitar la salida del lingote. c) Colada continua: es un proceso que se está difundiendo y que tiene la característica de que elimina la operación de colada en lingotes. En este proceso el metal pasa por una boquilla que la da la forma primaria y luego pasa por un tren laminador, o sea, sin la obtención previa del lingote, con lo cual se ahorra calor, acortándose también, todas las operaciones intermedias. El lingote de acero. La solidificación se efectúa a partir de de los bordes de las lingoteras y se dirige hacia el centro. Un lingote colado normalmente presenta una heterogeneidad cristalina y una heterogeneidad química. Heterogeneidad cristalina. Se distinguen cuatro zonas de estructuras: 1) La piel: primera parte del metal que se ha solidificado contra la pared finamente cristalizada. Su espesor es de alrededor de 1 cm. 2) La zona bosáltica formada por grandes dendritas. 3) Una zona de dendritas no orientadas.

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4) En el centro una zona de cristalización confusa correspondiente al final de la solidificación. La solidificación del acero calmado viene acompañada de una contracción equivalente a un 8% del volumen resultando en la parte central del lingote un vacío llamada cavidad de rechupe. Esto debe tratarse de desecharse o procurar que sea lo más pequeña posible. Algunos métodos para que el rechupe sea pequeño son: a) la colada en cono invertido. b) el recalentamiento de la coraza del lingote a de retardar el enfriamiento. c) empleo del dispositivo de la “mazarota” que constituye una suerte de reserva del metal líquido destinado a llenar la cavidad del rechupe. d) compresión del lingote en el transcurso del enfriamiento. Heterogeneidad química. El estudio teórico de la solidificación del acero, deja entrever esta heterogeneidad química, las capas exteriores son menos ricas en carbono que las del centro del lingote, formado de aceros más duros y más fusibles. En esta región, principalmente alrededor de la cavidad de rechupe, se acumulan otros elementos como el azufre y el fósforo. Esta distribución desigual de los constituyentes que conduce a un sólido heterogéneo a partir de un líquido homogéneo, constituye una segregación mayor. Se acentúa la heterogeneidad química por un tratamiento de calor seguido de un recocido de homogeneización. Las heterogeneidades cristalinas y químicas se consideran como defectos normales en los lingotes inevitables por los procedimientos ordinarios de colada. Pero también existen defectos accidentales que el fundidor debe evitar y son: 1) Sopladuras: son pequeñas cavidades llenas de hidrógeno y nitrógeno. 2) Grietas: son defectos externos resultantes del desgarro de las superficies del lingote al iniciarse el enfriamiento. 3) Gotas frías: se producen por las gotas del metal líquido que saltando en el transcurso de la colada se solidifican en la superficie del lingote. 4) Poros: son desgarros internos debidos a las tensiones que por efecto de la diferencia de temperatura y viscosidades se producen en la masa del metal en la solidificación. 5) Copos. Se llaman así a unas manchas redondas más claras que el mismo metal y que aparecen en la rotura de ciertos aceros, se trata de fisuras debido al desprendimiento del hidrógeno cuya solubilidad en el metal disminuye abruptamente a baja temperatura.

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CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS - Aceros al carbono. - Aceros de baja aleación y alta resistencia. - Aceros aleados. - Aceros resistentes al calor y a la presión. - Aceros inoxidables. - Aceros para herramientas. - Aceros rápidos. Aceros al carbono. Se denomina a una aleación ferrosa de hierro y carbono donde no se exige ningún mínimo de elementos como silicio, manganeso, níquel, cobre, o aluminio y se exigen máximos, por ejemplo: 1,6% de Si, 1,6% de Mn, 0,2% de Ni, 0,2% Cu.

Fe + C + impurezas Dentro de las impurezas podemos tener las agregadas intencionalmente y las indeseables. Dentro de las impurezas agregadas intencionalmente, tenemos: - Silicio: que sirve para neutralizar el FeO. - Manganeso: que sirve para neutralizar el FeO y SFe. - Aluminio: para calmar el acero (sacar los gases).

Dentro de las impurezas indeseables: - No metálicos: S y P. Se detectan mediante un ensayo “sharpit”, que es

de choque, e interfieren en las soldaduras. - Metálicos: Cu, Ni. Por razones económicas se regulan para dar

determinadas características. - Óxidos: FeO; SiO2; MnO; Al2O3 - Gaseosos: O2; N2; H2 y burbujas. - Escorias: los silicatos de Fe, Mn (SiO3Fe; SiO3Mn; SiO3Ca)

El oxígeno aumenta la carga de rotura, le da dureza y fragilidad, también interfiere en lo que es soldadura. El nitrógeno también aumenta la fragilidad y mejora el maquinado. El hidrógeno produce ampollamientos. Los óxidos, las escorias y las burbujas rompen la continuidad del material, y forman fibras después de la laminación. Estos aceros pueden variar sus propiedades variando la composición química por un método físico, realizando un forjado o laminación. De acuerdo a los porcentajes de carbono se pueden clasificar:

• De 0,05% a 0,15% se llaman aceros muy dulces • De 0,25% a 0,40% aceros de bajo carbono • De 0,55% a 0,65% aceros de altos carbonos • De 0,65% a 0,75% aceros para resortes • De 0,80 a 0,90% aceros perlíticos • De 1,1% a 1,3% aceros muy duros (SAE 11XX, SAE 10XX)

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Aceros de baja aleaciones y alta resistencia. Tiene una gran cantidad de pequeños elementos aislantes. Se llaman aceros construccionales, hay aceros que son endurecibles por temple y algunos no. Son dúctiles, maleables, fácilmente soldables, no están normalizados, se los conoce con sus nombres comerciales. Son de bajo porcentaje de C (0,20% – 0,25%) Debido a su alta resistencia son más livianos que otros tipos de aceros,

tiene una relación de elasticidad muy alta. σf/σR = 0,55 (limite de fluencia/limite de rotura) para aceros al carbono. Pero estos aceros trabajan con una relación de 0,55 y no pierden ductilidad. La dureza superficial de un acero depende exclusivamente del porcentaje de carbono. La dureza de profundidad depende del porcentaje de carbono y del elemento aleante, esto se da en el temple. Aceros aleados. Se lo puede considerar un acero al carbono, al cual se le añaden elementos, en porcentajes lo suficientemente grandes para alterar las características del acero. Aceros al Níquel: son de la serie SAE 25XX, el níquel es un elemento que le confiere tenacidad al acero, adicionándole del 2% al 5% de níquel, aumenta su resistencia sin volverse frágil y sobre todo le da tenacidad a altas temperaturas, evita el herrumbre y aumenta algo la dureza. Aceros para cementación: Se le adiciona del 2% al 7% de níquel. Se utiliza para evitar el crecimiento del grano, no siendo necesario efectuar el doble temple al acero. Permite utilizar el temple en aceite en lugar de agua; el níquel modifica el coeficiente de dilatación, disminuyéndolo de tal manera que con un 35% de Ni el coeficiente de dilatación es tan bajo como el del vidrio, sirviendo esta aleación para fabricar el vidrio armado. Aceros al Cromo – Níquel: es de la serie SAE 33XX. La introducción del cromo de los aceros al níquel en la proporción 2 partes de níquel y 1 de cromo, da un acero de mejores propiedades que un acero al 3% de níquel y resulta más barato, por ello, estos aceros tienen tanta utilización, el tonelaje de los aceros al cromo níquel utilizados es superior de todos los otros aceros aleados. Aceros al cromo (SAE 51XX): El cromo se utiliza desde el 1% al 30% solo o en combinación. Este se disuelve tanto en la austenita como en la ferrita, pero con la presencia del carbono forma un carburo muy duro. Le confiere al acero dureza, resistencia al desgaste, penetración más profunda en la dureza cuando se templa y le aumenta la resistencia a la corrosión. Aceros al Manganeso (SAE13XX): El manganeso es un elemento barato para endurecer el acero, se lo utiliza en 1% a 1,75% de Mn con 0,4% de carbono con o sin silicio. Si es sin Si es de la serie 13XX y cuando tiene Si es de la serie 90XX y se lo denomina Silicio-Manganeso. Con estos aceros se fabrican la mayoría de los resortes. El manganeso tiene la propiedad de bajar y

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correr hacia la izquierda el punto perlítico, así cada 1% de Mn baja el 50% el punto perlítico, de tal manera que con 14% de Mn se tiene austenita a temperatura ambiente. La austenita es dúctil, maleable, pero es inestable con tendencia a transformarse en perlita y martensita. Esta tendencia se acentúa con el trabajo mecánico. Con estos aceros se fabrican las vías del ferrocarril, carcasas de molinos trituradores. En ambos casos, a que medida que va trabajando se va endureciendo. Se lo conocen con un nombre comercial: “Hardfield”. Aceros al Vanadio: Aunque no es un elemento de aleación principal, el papel que juega como elemento de aleación secundario es muy importante. Es un elemento formador de carburo, que se disuelve muy lentamente en la austenita, por eso lleva dureza especialmente a altas temperaturas. Se lo usa principalmente porque evita el crecimiento del grano, todos los aceros fundidos llevan vanadio en su composición química en un porcentaje no mayor a 0,15% porque sino se vuelve frágil. Aceros al Molibdeno: Es uno de los elementos de aleación más reciente empleados en el acero. El molibdeno se disuelve tanto en el Fe γ como en el Fe α pero en presencia del C se combina para formar un carburo. Es de la serie 4100 de la norma SAE. El molibdeno al igual que el tungsteno mejora la resistencia mecánica y dureza en caliente a los aceros. El carburo complejo formado por la adición de molibdeno actúa como estabilizador de la martensita, reduce la tendencia hacia el crecimiento del grano a elevadas temperaturas y disminuye la velocidad de transformación de la austenita en perlita. Esto hace que aumente la templabilidad de estos aceros. Permite el temple en el aire de mucho de los aceros aleados para herramientas, en lugar de temple en aceite. El molibdeno a menudo se combina con otros elementos de aleación, en los aceros aleados comerciales, por ejemplo Cromo-Molibdeno, Níquel-Molibdeno, Molibdeno-Tungsteno, son combinaciones corrientemente utilizadas. Aceros para tuberías de alta presión y temperatura. Estos aceros fueron diseñados para la industria petrolera. Son básicamente aleaciones de hierro-carbono-cromo-molibdeno y de hierro-carbono-molibdeno. La característica más especial que se le exige es que tengan resistencia a las altas temperaturas por lo cual los procesos de soldaduras en ellos son especiales. El cromo puede variar del 4% al 9% y el molibdeno menor al 1%. Aceros inoxidables. Es una aleación compuesta principalmente de hierro y cromo, identificada por la serie 400 de los aceros de las normas SAE. El níquel se añade a las aleaciones de hierro-cromo para formar una serie de aleaciones inoxidables y resistentes a la corrosión e identificada por la serie 300 de los aceros. El níquel mejora la resistencia a la corrosión, así como sus propiedades mecánicas, plasticidad, tenacidad y facilidad de soldadura.

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Tiene la propiedad de resistir la oxidación y formación de escamas, además de la conservación de la resistencia mecánica a elevadas temperaturas, el más conocido e importante es el tipo 188, 18% de cromo y 8% de níquel. La adición de de níquel en estos aceros es suficiente para hacerlos austeníticos a temperatura ambiente. Aceros para herramientas. Estos aceros se caracterizan no tanto por su composición química sino por la perfección en su fabricación. Son técnicamente perfectos, trabajan sin coeficiente de seguridad, se parte de chatarra seleccionada, se lo funde en hornos eléctricos de inducción de poca capacidad, con control permanente del baño líquido y se lo solidifica en moldes de diseños especiales para evitar los efectos de la solidificación. Los lingotes se los transforman en paniquillas y barras en forma geométrica comercial por forjado y no por laminado. Con estos aceros se fabrican cepillos, sierras, fresas, machos, cuchillas. Son básicamente aleaciones de hierro-carbono-tungsteno. Las propiedades que se exigen son la tenacidad, gran resistencia al desgaste y dureza. Las normas SAE y AISI las designa de la siguiente manera:

• W1-W7: aceros para herramientas para trabajos en frío, endurecidos al agua.

• S1-S3: aceros para herramientas resistentes al Chopin. • O1-O7: aceros para herramientas, para trabajos en frío endurecidos en

aceite. • M1-M36: aceros para herramientas de alta velocidad con molibdeno. • A1-A7: aceros para herramientas endurecidos al aire, para trabajos en

frío. • H1-H43: aceros para herramientas, para trabajos en calientes.

Aceros rápidos. Son básicamente aleaciones de hierro-carbono-tungsteno-cromo. Las propiedades que se le exigen son resistencia al desgaste, tenacidad y dureza en caliente. Se los denomina así porque su descubrimiento permitió incrementar notablemente la velocidad de las máquinas-herramientas. La dureza al acero se lo da el carbono. Así un acero al carbono y un acero rápido con igual porcentaje de carbono templados tienen igual dureza, la diferencia está en que el acero al carbono la pierde inmediatamente cuando la herramienta se calienta, en cambio el acero rápido puede estar al rojo sin perder sus cualidades de corte. También estos aceros pueden tener cobalto para aumentar su dureza; molibdeno para aumentar al máximo su tenacidad y también se le agrega vanadio junto con cromo para aumentar la resistencia al desgaste.

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FUNDICIONES DE HIERRO Las fundiciones son aleaciones de Fe-C en las cuales la riqueza del carbono está comprendida entre 1,7% y 6,67%, pero en las fundiciones industriales varía entre el 3% y 4%. Sus constituyentes y sus propiedades dependen evidentemente de esta riqueza en carbono, pero de la forma en la cual se halla este elemento tiene su papel preponderante. Dos fundiciones con la misma cantidad de carbono, por ejemplo 3%, poseen propiedades muy diferentes según que tengan grafito (carbono libre) o cementita, (carburo de hierro). Prácticamente por el color que presenta la fractura, se distinguen en: - Fundiciones grises: Las que tienen grafito. - Fundiciones blancas: Las que tienen cementita. Para una misma composición, un enfriamiento lento produce una fundición gris, mientras que un enfriamiento rápido permite obtener una fundición blanca. Así pues un cubilote produce normalmente fundición gris mientras que las gotas que se proyectan en el transcurso de la colada y se solidifican instantáneamente, son de fundición blanca. Fundiciones grises. Composición. Estas fundiciones se caracterizan por al pequeña proporción de carbono combinado respecto al carbono libre. Esto se debe a la presencia de 2% a 5% de silicio que impide la combinación del carbono y del hierro, también contiene fósforo que disminuye la temperatura inicial de fusión, da al metal fluidez en caliente y fragilidad en frío. Por encima del 5% de silicio se pasa de las fundiciones grises a las ferrosilicias. Las fundiciones pobres en fósforos, 0,04% se llaman hematitas, las que contienen 0,8% semifosforosas y por encima del 1% las fundiciones se llaman fosforosas. El manganeso favorece la combinación del hierro y el carbono, parece pues indeseable para las fundiciones grises. No obstante como se opone a los efectos nefastos de la presencia del azufre, se mantiene casi siempre entre el 0,5% y el 1,5%. El azufre disminuye la fluidez y provoca sopladuras. Es necesario eliminarlo al máximo y tiene que tener de 0,01% a 0,02%. Propiedades: Empiezan a fundir hacia los 1150 ºC, se pueden trabajar con lima y con máquinas herramientas, la ductibilidad de las fundiciones grises es tanto más grande cuanta más pequeña son las partículas de grafito. Aplicaciones. Las fundiciones grises son esencialmente fundiciones de moldeo. Las fundiciones grises ricas en sílice se utilizan para desoxidar los baños de acero, tienen gran ductilidad.

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Fundiciones blancas. Composición. Estas se caracterizan por la ausencia de grafito debido a la existencia de manganeso del 2% al 5%. Todo el carbono está combinado formando cementita. El contenido de silicio varía del 0,5% al 1,5%. Propiedades: Las fundiciones blancas empiezan a fundir hacia los 1050 ºC, son muy duras, muy frágiles y no se dejan trabajar ni con la lima ni con las máquinas herramientas. Aplicaciones. La imposibilidad de trabajar las fundiciones blancas limita su empleo en fundición a la obtención de piezas que no necesiten un mecanizado complejo después de salir del molde. Por ejemplo se usan en cilindros de laminadores o piezas de molinos, son esencialmente fundiciones de afino destinadas a ser transformadas en acero. Las fundiciones llamadas ricas en manganeso se utilizan frecuentemente como compuesto desoxidante al final de las operaciones de afino para eliminar el oxido de hierro que aun podría hallarse en el baño. Fundiciones aleadas. Son fundiciones en las cuales hay elementos que habitualmente no entran en la composición de las fundiciones de moldeo y que se adicionan voluntariamente con el fin de obtener propiedades especiales, tales como elevada resistencia mecánica elevadas en frío y en caliente, resistencia a la acción corrosiva de los líquidos o gases, resistencia a la oxidación especialmente a las temperaturas elevadas. Propiedades físicas determinadas, resistividad. Estas fundiciones contienen aproximadamente 3% de carbono. Los valores límite por encima de los cuales, los elementos aleados se consideran como añadidos voluntariamente son: - 0,1% para el aluminio, molibdeno, titanio y vanadio. - 0,2% para el cromo. - 0,3% para el cobre y el níquel. - 1,5% para el manganeso. - 5% para el silicio. El cromo, el manganeso y el vanadio son los estabilizadores de la cementita, por lo que tienden a blanquear las fundiciones. El aluminio, el molibdeno, el níquel, el titanio y el silicio son grafitizantes, tienden a dar fundiciones grises. El cobre mejora la fluidez y el colado de las fundiciones.

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Fundiciones Esferoidales o Nodulares. Durante la solidificación de una fundición gris, puede obtenerse el grafito en forma esferoidal mediante la adición de agentes nucleantes tales como el Mg-Ni, Mg-Fe-Si. Para obtener grafito esferoidal debe partirse de materiales muy puros con contenidos de azufre menor del 0,01% y fósforo menor de 0,04%, para evitar reacciones e interferencias con la acción del magnesio. La acción del magnesio es sencillamente nucleante lo que realiza es retrasar la nucleación y crecimiento de la austenita con lo que se posibilita la aparición de esferoide, antes de que estos se vean envueltos por la cantidad proporcional de austenita. Los nódulos formados son de grafito, estas fundiciones son dúctiles y tienen una mayor aptitud a la deformación plástica que las fundiciones de grafitos laminadas. Presentan límite elástico y la resistencia a la tracción es mayor. Las fundiciones esferoidales presentan menor capacidad de amortiguar vibraciones que las laminares, su maquinabilidad es excelente y además puede ser sometida a tratamientos térmicos para modificar la estructura de la matriz metálica. Fundiciones maleables. Posteriormente de obtener fundiciones blancas, se puede maleabilizar o conferir más deformabilidad por tratamiento térmico en estado sólido a piezas obtenidas previamente por moldeo. Hay 2 tipos: - Maleable blanca o europea: es como un recocido oxidante. Antes del tratamiento las piezas de fundición blanca suelen ser embaladas en cajas juntamente con materiales que proporcionan oxígeno, como por ejemplo óxido férrico (Fe2O3). Después se calientan a 950º C y 1050º C y se permanece durante un periodo 95 a 100 horas. Con ello se intenta descomponer toda la cementita en átomos de hierro y carbono. Simultáneamente se pretende también descarburar el hierro gamma que a la temperatura del tratamiento puede llegar a tener en soluciones sólidas entre 1,4% y 1,7% de carbono. Esto se emplea para piezas de pequeños espesores. - Maleable negra o americana: En este caso se trata de maleabilizar una fundición blanca mediante la transformación de la cementita en grafito, sin modificar la composición química de la fundición. El tratamiento se realiza en atmósferas neutras o bien atmósferas controladas para evitar que el carbono desagregado de la cementita se oxide posteriormente, exactamente lo contrario de lo que se procura para obtener fundición maleable europeo. En estas fundiciones los contenidos de carbono son menores que en las fundiciones maleables europeas. Se necesitan unas 50 horas para calentar hasta 950º C y entre 20 y 50 horas de permanencia a esa temperatura y luego se enfría a diferentes velocidades según sea el tipo de matriz que se busca (ferrítica o perlítica).

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Procedimiento de obtención de la fundición de hierr o. Generalmente las piezas de fundición se obtienen después de una 2da fusión, la que permite preparar para cada fabricación la composición más conveniente mezclando varios tipos de arrabio y chatarra. La 2da fusión se efectúa:

a) En crisoles: para pequeñas cantidades de fundición b) En el horno de reverbeo; pudiéndose obtener más de 10 toneladas de

fundición en una sola operación, pero durante la fusión hay una gran oxidación del silicio y el metal se blanquea notablemente.

c) En el cubilote en la mayoría de los casos. Fusión en el Cubilote. Se pueden obtener por diferentes hornos (cubilote, eléctrico, etc.). El cubilote es horno de eje vertical denominado también horno de cuba, dentro del cual se coloca por capas alternadas el combustible y el metal a fundir, inyectándose por la parte inferior aire a presión por medio de toberas convenientemente distribuidas para activar la combustión sin oxidar sensiblemente el metal líquido obtenido. Está formado por una envoltura cilíndrica de chapa de acero dulce, esta a su vez revestido internamente por mampostería refractaria, defendiéndola de altas temperaturas, que se forman en el interior por la combustión. El conjunto se compone de las siguientes partes principales:

• Patas de sostén: generalmente columnas metálicas que sostiene el cubilote.

• Cámara de viento: a la cual llega el aire procedente de un soplante o ventilador y se reparte en el espacio anular pasando por toberas.

SAE C total Si Mn Pmáx Smáx Dureza (Br)

Tracción (mín)

Flexión (mín)

110 3,4-3,7 2,8-2,3 0,5-,08 0,25 0,12 187 14,06 1,8 111 3,25-3,50 2,3-2 0,6-0,9 0,20 0,12 170-223 21,05 5,08 120 3,20-3,50 2,2-1,9 0,6-0,9 0,15 0,12 187-245 24,06 6,09 121 3,10-3,30 2,1-1,8 0,6-,09 0,12 0,12 202-255 28,12 6,85 122 3-3,20 2,1-1,8 0,7-1,0 0,10 0,10 217-265 31,64 7,62

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En la parte media se encuentra la boca de carga, a través de la cual se introducen los materiales que componen la carga. En la parte más alta se dispone una chimenea para la evacuación de los humos. Por debajo de la cámara de viento se encuentra el crisol, el cual puede estar en su propia base o bien separada, es donde el metal se encuentra fundido. En la parte superior del crisol encontramos el escoriadero, por donde salen las escorias, las dimensiones normales son de 5 a 6 metros y el diámetro de 1,50 metros. La carga se compone de tres elementos fundamentales: fundición o arrabio de primera fusión, coque y fundente. También se puede cargar chatarra de fundición.

Funcionamiento. El cubilote se carga previamente con cierta cantidad de combustible (carga de encendido) hasta llenar el crisol y la zona de las toberas. Las cargas se completan luego con combustible, fundente y chatarra de fundición, además de lingotes de arrabio.

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Realizado el encendido y luego el encendido total del combustible lo que requiere varias horas, pues es necesario calentar el cubilote progresivamente, se completan recién las cargas activando la combustión mediante el aire a presión proveniente de las toberas. El cubilote es eminentemente un aparato térmico, su objeto es el de producir la cantidad de calor necesaria para la fusión el arrabio. Contrariamente a lo que ocurre en un alto horno, la atmósfera del cubilote es oxidante y el contenido de arrabio en manganeso y sobre todo en silicio disminuye en el trascurso de la fusión. Su régimen de marcha es intermitente y de periodos variables. Como no es posible efectuar correcciones en la carga, no se realiza prácticamente una regulación efectiva. Para obtener fundiciones de mayor calidad y más controlada suele hacerse trabajar el cubilote en sistema duplex con un horno eléctrico de inducción. La fundición se pasa del cubilote al horno de inducción donde se eleva la temperatura en breve tiempo y se pueden realizar correcciones necesarias para obtener piezas más sana y de mejor calidad. El combustible de encendido se consume poco a poco y es reemplazado por las cargas nuevas. Alcanzado el estado de fusión mediante una activación por la entrada de aire por las toberas, el metal cuela y se acumula en el crisol, las escorias sobrenadan y salen por el escoriadero. Para retirar el metal fundido se rompe el tapón de arcilla que cierra el agujero de salida. Se recoge el metal en una cuchara. Estructuras de las fundiciones de hierro. La estructura es un factor determinante de la calidad de la fundición. La cementita (carbono combinado) es el elemento duro o resistente. La ferrita es el elemento blando, cuando estos dos elementos se encuentran en proporción adecuada dan lugar a fundiciones, también adecuada a su utilización. La buena distribución de estos dos elementos no depende solamente de la cantidad, sino también de su forma, así por ejemplo, largar laminillas de grafito interrumpiéndose la masa metálica afectaría considerablemente su resistencia, mientras que no sucederá lo mismo si el grafito se reparte en pequeños núcleos uniformemente distribuidos. Estas dos formas en que aparece el grafito dependen a su vez de otros factores:

a) Velocidad de enfriamiento del metal en el molde y por consiguiente de su forma, temperatura de colado y dimensiones de la colada

b) De la influencia de los otros elementos presentes en la fundición como el silicio, manganeso, fósforo, por cuento alguno de ellos durante el enfriamiento pueden entorpecer dicha formación.

c) Temperatura del horno y por consiguiente de la fundición líquida.

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Influencia de la velocidad de enfriamiento y espeso r de la pieza. La misma calidad de la fundición puede dar lugar según la forma, según la forma como se realiza el enfriamiento: a carbono disuelto (cementita), grafito libre y ambas a la vez simultáneamente. El enfriamiento brusco favorece la formación de la cementita, y el enfriamiento lento da lugar a la separación del carbono en forma de grafito. El enfriamiento también depende del espesor del metal que presenta la pieza moldeada. Esto demuestra que una pieza de fundición en forma compleja y espesores variables es heterogénea en cuanto a su resistencia y composición, y en ella existirán tensiones internas latentes como consecuencia de la no uniformidad en el enfriamiento de las partes. Esto explica también as deformaciones y roturas que se producen aun mucho tiempo después de haber sido coladas. Los espesores muy desiguales deben evitarse en lo posible al proyectar las piezas de máquinas.

MOLDEO EN LAS FUNDICIONES

La fundición liquida tiene la propiedad de rellenar exactamente las cavidades y los recipientes en el cual se los introducen y una vez solidificada se reproduce fielmente la forma del molde, esta propiedad es la base del moldeo. El elemento fundamental para designar a estos procesos como moldeados es la presencia y utilización del molde dentro del cual se va a colar el metal líquido para la obtención de la pieza requerida. Los moldes pueden ser transitorios o permanentes. Los primeros se hacen de tierras especialmente preparadas y su utilización es limitada a un solo llenado debiendo romperse para la extracción de la pieza. Los moldes permanentes sirven para un número grande de coladas y generalmente son metálicos. Para preparar los moldes transitorios o de tierra, se requieren los siguientes elementos u operaciones: 1- Preparación de la tierra y arena de moldeo. Las tierras y arenas deben poseer las siguientes propiedades comunes:

a) Plasticidad: para producir fielmente la forma del modelo, tomar cierta consistencia por presión, esta propiedad es favorecida por la humedad y se presenta mas acentuada en las tierras denominadas verdes.

b) Refractariedad: para cuidar convenientemente al calor, evitando un enfriamiento prematuro que afecte la estructura metálica, especialmente en la fundición, pues se forma cementita por disolución el carbono, es conveniente que ella no se funda ni aglomere a la temperatura.

c) Permeabilidad: para permitir la fácil evacuación de los gases que se desprenden del metal en fusión, producidas además por el vapor de agua de los moldes o por la sustancia aglutinante de los noyos, tierras y arenas deben ser suficientemente porosas.

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d) Resistencia: para que las piezas puedan moldearse en verde las tierras del mole deben tener suficiente resistencia para retener forma una vez ejecutado y soportar luego el manipuleo y la acción del metal líquido cuando se cuela.

Y finalmente una vez fundido el molde, deberá ser suficientemente colapsable para permitir que el metal se contraiga sin roturas en la pieza y un fácil desmolde y limpieza. Hay laboratorios equipados con instrumental adecuado para evaluar cuantitativamente todas estas propiedades de la tierra de moldeo. Hay dos tipos clásicos de tierras: según sean destinadas a moldes en seco (secados en estufas antes de ser llenados) y a moldes en verde (a los que funde sin previo secado) por la humedad del moldeo. Hay tierras naturales que reúnen las condiciones anteriores, por su composición química y estado físico, pero generalmente es necesario proceder a preparar partiendo de arenas clasificadas y secas y de un aglutinante y el más común y económico es la arcilla que se agrega en proporciones variables entre 5-10%, pero debe limitarse su empleo a los límites compatibles con la resistencia del molde, cierra los poros e impermeabiliza el escape de gases. Para moldes en verde se debe emplear como aglutinante la bentonita (arcilla especial), las tierras para moldes en verde tiene un agregado de un 5% de polvo de carbón mineral, cuya misión es formar una capa gaseosa de contacto con el hierro evitando que la arena se pegue. Para permitir el moldeo, todas las tierras clásicas deben tener un agregado de agua (5%). Para preparar la tierra para el moldeo, generalmente se mezclan entre 70-80% de tierra ya utilizada y el resto tierra nueva. La mezcla se hace en molinos de rodillos, con lo que se logra buena homogeneidad, pasando por un desintegrador centrífugo que desarma todos los terrones. Hay instalaciones mecanizadas que preparan la tierra ya usada, zarandeando la misma, eliminando los trozos metálicos mezclados, y luego conduciendo la tierra ya preparada a los lugares de empleo. 2- El modelo. Es la forma que nos va a reproducir en el molde a la pieza a obtener, puede construirse en madera o metal y debe tenerse en cuenta que el metales contrae al fundir y por consiguiente el modelo debe tener medidas mayores a que la pieza, de acuerdo con la contracción propia de cada metal. Ejemplo: fundición 1%, aceros 1,7%. Además si la pieza fundida debe ser maquinada, debe dejarse un sobre espesor conveniente donde haga falta. Para facilitar su extracción del molde, una vez que este ha sido confeccionado, se le debe dar al modelo una salida, o sea, una inclinación en las paredes de aproximadamente 2º.

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Las piezas a fabricar pueden ser macizas o contener huecos, en el último caso deberá llevar un núcleo o noyo y el modelo deberá contenerlo de manera que al terminar el moldeo y retirar el modelo, debe quedar el espacio conveniente para la colocación de los noyos con sus apoyos o por trabas. Por otro lado, si las piezas tienen entrantes o salientes, el modelo debe ser dividido en dos o más partes para poder sacarlos. Estos se pintan con barniz de goma laca pigmentado con colores convencionales para facilitar la comprensión de su utilización durante el moldeo. 3- Preparación de los noyos. Serán rodeados completamente por el metal líquido de manera que debe tener las mejores condiciones refractarias, se preparan con arenas silicosas pobres en arcilla, como aglutinante se puede aceite de lino. Existen productos preparados completos. Una vez preparada la tierra en un mezclador a paletas, el noyo se moldea en la caja de noyo, que es el molde que permite fabricarlo, también de madera o metal, compuesto de dos o más partes separables, si es muy grande se agrega una armadura metálica interiormente para darle rigidez. Los noyos formarán los vacíos de las piezas y deberán llevar sus apoyos o portadas, una vez preparados, se llevan a estufas para su secado. Hay máquinas para la fabricación en serie de noyos perfilados o de formas determinadas. 4- Ejecución del molde. Puede hacerse manualmente o mecánicamente. Para el moldeo a mano debe colocarse la caja de moldeo sobre un tablero y allí se ubica el modelo procediéndose al agregado de tierra de moldeo en porciones y a su apisonado con herramientas adecuadas. Terminado esto se da vuelta la caja y se alisa. Luego se coloca la caja superior, se encaja la otra parte del modelo y la colada para el llenado. Se agrega tierra, se apisona como antes, se separan las dos cajas y se extraen los modelos. Si liándole del modelo o el tamaño de la pieza lo exigen, se agregan cajas intermedias llamadas “fajas”, una vez terminado el molde se arreglan las imperfecciones y se realiza el secado. El moldeo en verde se emplea cuando la pieza a fundir es de mediano espesor. Luego de secado los moldes quedan listos para recibir el metal líquido.

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Máquinas de moldeo. Se aplican para la producción de grandes series, preferentemente para moldeo en verde. Hay máquinas que trabajan por prensado donde se coloca la caja de moldeo sobre una placa que lleva el o los modelos se llena con tierra de moldeo y se prensa. Este sistema se aplica cuando el modelo no es muy alto, si esto ocurre se emplea el sistema por sacudida. Hay un pistón accionado por aire que levanta y deja caer repetidamente una placa y la caja de moldeo, con lo cual debido a golpes la tierra de moldeo se reparte en todos los recovecos del modelo. Generalmente hay sistemas combinados por prensado y sacudida, hay un sistema que proyecta la tierra sobre la caja que contiene al modelo de manera que se mecaniza el llenado y la compactan a la vez. Moldeo en cáscara. Es un sistema moderno conocido también con el nombre de “shell molding”. Emplea arenas revestidas por mezclado con una resina plásticas que se endurecen por calentamiento. Se moldea sobre moldes metálicos, los cuales son luego calentados, y la capa que está en contacto con él se endurece formando una costra dura o “cáscara” y el resto de la arena puede volver a utilizarse, uniéndose las dos cáscaras de bajo y sobre, para formar el molde, con un adhesivo sintético y se procede a su colado. Como se observa no se requiere estufado, es un proceso altamente mecanizado para producción en grandes series. Otros procesos de moldeo. Para la fabricación de moldes y noyos evitando estufados y calentamientos, existe hoy un aglutinante plástico que se agrega a la arena y que se endurece por reacción química de sus componentes (auto curado) por consiguiente las piezas pueden ser moldeadas y fundidas de inmediato. En el proceso de fabricación de noyos, se utiliza silicato de sodio que se agrega a la arena mezclándose bien. Una vez apisonada dentro de la caja del noyo se hace pasar una corriente de dióxido de carbono con lo cual el endurecimiento es instantáneo. Limpieza. Una vez que los moldes han sido llenados y el metal se ha solidificado y enfriado se procede al desmolde, o sea, separar la caja y la tierra de la pieza fundida. El desmoldeo puede hacerse a mano o a máquina. Estas consisten en una rejilla vibratoria sobre la cual se coloca el molde con la pieza fundida, la vibración produce el desprendimiento de la tierra, la que atraviesa la rejilla y cae sobre una cinta transportadora que la lleva para ser usada nuevamente como se dijo anteriormente.

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A las piezas se les debe eliminar la tierra adherida, lo que se hace con tambores que se llenan y no se hacen girar desprendiéndose la tierra por los golpes mutuos, también puede terminarse la limpieza por chorros de arena, chorros de agua o chorros de perdigones. Rebabado e inspección de piezas fundidas. Una vez limpia la pieza debe ser rebabada, es decir, que se les debe eliminar las babas, esto se hace con cinceles manuales o neumáticos para finalmente terminar con las piedras de amolar. La operación final antes de que las piezas sean entregadas al maquinado o al comprador es la inspección, es decir, la revisión individual para reconocer los defectos, es una operación que requiere criterio y conocimiento del trabajo a que se está destinada la pieza.

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MATERIALES METÁLICOS NO FERROSOS .

ALUMINIO

Minerales. Procedimientos de obtención. Los principales minerales de aluminio son la bauxita, el óxido hidratado de aluminio (AL3O2H2O). Hay dos tipos de bauxitas, blancas inutilizables en metalurgia por poseer gran cantidad de sílice y bauxitas rojas que son los que utilizan. Su color se debe a la presencia de oxido de hierro (Fe2O3) y dióxido de titanio (TiO2). El aluminio reductor enérgico se oxida demasiado fácilmente, para que sea posible afinar un aluminio impuro por el método térmico de oxidación y reducción, así pues es necesario obtener directamente un metal lo bastante puro para ser utilizado industrialmente, por ello es por lo que a partir del mineral bruto se prepara alúmina, para que por electrólisis da un aluminio de 99,5%. Transformación de la bauxita en alumina. Consta de los siguientes pasos: 1. Trituración de la bauxita. 2. Ataque de la bauxita por soda. El objeto de la operación es transformar la alumina en un producto fácilmente separable de las impurezas insolubles. La soda cáustica concentrada reacciona con la alumina dando aluminato de sodio soluble. El oxido de hierro queda insoluble al igual que la sílice y el dióxido de titanio. 3. Filtración. Los productos de la reacción se envían a un filtro que separa, el líquido que contiene el aluminato de sodio de los productos insolubles que constituyen los barros rojos. 4. Obtención de la alumina hidratada. El aluminato de sodio, salen de un ácido débil y de una base fuerte, se hidroliza por una disolución conveniente, se puede descomponer del 60% a 70% del aluminato inicial, después de decantar se filtra, se separa la soda cáustica que volverá a servir para otro ataque de las bauxitas y la alumina hidratada se envía luego a los hornos de calcinación. 5. Calcinación. Se opera a 1200º C en hornos cilíndricos giratorios y se obtiene alumina anhídrida de más de 99% de alumina, 0,10% de sílice y 0,10% de óxido de hierro. Electrólisis de la alumina. Es imposible reducir la alumina por el carbono o óxido de carbono para obtener aluminio. Es necesario recurrir a la electrólisis. La alumina no es un electrolito, es necesario disolverla en un electrolito susceptible de dar un ión aluminio, se utiliza a este efecto un baño de criolita (Fe3Al; 3FNa) fundida a 950º C conteniendo un 13% de alúmina.

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La densidad de este baño es de 2,15 de forma que el aluminio líquido, densidad 2,32, se deposita en el fondo a medida que se va formando y así se halla protegido de la oxidación, el mecanismo de la electrólisis es muy complejo pero sucede como si la alúmina en solución en la criolita estuviera ionizada en aluminio y oxigeno (Al+++ y O--). El aluminio va al cátodo y el oxígeno va a los ánodos de carbono que arden con desprendimiento de dióxido de carbono, una parte del cual se reduce al estado de monóxido de carbono. La intensidad de la corriente 1 A/cm2 de electrodo es suficiente para mantener el baño a la temperatura deseada. Aparatos. Son cubas de sección rectangular, están provistas de un espeso revestimiento de ladrillos de carbono unidos entre sí por una mezcla de coque pulverizado y brea. El polo negativo está formado por conductor unido al suelo de la cuba. Los ánodos del tipo de horno eléctrico de acería son de carbono, lo más puro posible para evitar que las impurezas ensucien el metal. Marcha de la operación. Se adiciona alúmina cada 4 horas y cuando el baño difiere demasiado de su composición inicial se añade creollita. Su número es de 12 a 18 por cuba, es necesario colocar ánodos a 4 cm del nivel del metal que en el fondo de la cuba forma un lecho de unos 10cm. La colada se puede realizar por:

a) Introduciendo en la cuba un crisol de fondo agujereado por donde penetra el metal.

b) Por aspiración: el metal oscila entre 98% y 99,9% de aluminio para la obtención de una tonelada de aluminio se necesita 4Tn de bauxitas, 0,5Tn de electrodos, 8Tn de carbón, 200Kg de soda cáustica, 75Kg de creollita y unos 16000 KW/h de energía eléctrica.

Aluminio afinado. Mediante el afinado electrolítico, se puede obtener aluminio de 99,995% de gran resistencia a la corrosión. Al aluminio a refinar se le adiciona 33% de cobre formándose una aleación de densidad 3 que ocupa el fondo de la cuba y está en contacto con el ánodo. Por encima se halla el lecho electrolítico formado por una mezcla de fluoruro de aluminio y sodio. El aluminio afinado forma el lecho superior en contacto con el cátodo. Propiedades del aluminio. Metal ligero, densidad = 2,7, punto de fusión 658º C; punto de ebullición 2056º C; es buen conductor del calor y de la electricidad. Se puede usar en los siguientes casos: a) Construcción de material de transporte en industria mecánica. b) Industria eléctrica. c) Agente aislante.

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Características mecánicas. Metal laminable en caliente, dúctil pero poco resistente. Tiene una resistencia a la rotura de 7 a 10 daN. Propiedades químicas. Se caracteriza por una gran afinidad por el oxígeno lo que lo hace un reductor utilizado para la desoxidación de los baños de acero y la preparación de ciertos metales Cr, Mg. En contacto con el aire, el aluminio se recubre de una delgada película transparente de alúmina que lo protege contra la oxidación más intensa gracias a su impermeabilidad. La liviandad del aluminio sería poco útil sino está acompañada de una adecuada resistencia, por esto, se lo usa en piezas que deben ser transportadas, como parte de un auto, un avión; además cuando la pieza es de gran medida y debe soportar el peso propio como en el caso de alambre de transmisión suspendido. El aluminio puede presentarse en forma de planchas, tubos, polvos, este último es en el uso de pinturas. La resistencia a los agentes de corrosión aumenta con la pureza del metal. La facilidad del moldeo de aluminio en arena y coquilla aumenta aun más el número de aplicaciones debido a sus propiedades físicas, mecánicas o químicas. Aleaciones de Aluminio. Las aleaciones de aluminio empleado en las industrias son generalmente complejas, pero sino se consideraran como elementos aleados, sino aquellos agregados intencionalmente, muchas aleaciones corrientes pueden considerarse vinales, se consideran también como tales aquellas en que ciertos elementos se agregan intencionalmente en cantidades pequeñas para mejorar alguna propiedad sin modificar fundamentalmente la estructura cristalográfica del grupo binario correspondiente. Se dividen en dos grupos: aleaciones para fundiciones y aleaciones para forja, cada uno de estos grupos se dividen también en aleaciones tratables térmicamente o no tratables.

Los siete principales elementos agregados al aluminio comercial para fabricar aleaciones de aluminio, son los siguientes y se dividen en tres grupos:

a) cobre, magnesio y cinc. b) Silicio. c) Hierro, manganeso, níquel.

Junto a estos actualmente se esta agregando cromo hasta un 0,3%, el titanio se utiliza como agente refinador de grano y ciertas aleaciones de menor importancia contienen estaño, plomo y bismuto.

Grupo A: Comprenden los elementos que forman sólidos con el aluminio, hasta límites de varios cientos, el exceso se separa en la forma de compuesto intermetálicos o como películas constituyente de cinc cuando este elemento entra en la composición, cada uno de estos tres elementos es soluble en el aluminio sólido, a mayor porcentaje a elevada temperatura que a la temperatura ambiente por este motivo pueden ser endurecidas y aumenta su resistencia por tratamiento térmico.

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Grupo B: El silicio forma un eutectico con el aluminio conteniendo una pequeña cantidad de silicio en solución sólida, no forma compuesto intermetálicos con el aluminio y tiene mucha menor solubilidad sólida que los elementos del Grupo A.

Grupo C: Comprende los elementos los cuales son relativamente insoluble en aluminio sólido, pero forman definidos compuestos intermetálicos, los cuales tienen un pronunciado efecto en pequeñas cantidades.

Todos los principales elementos aleantes tienen algún efecto en común aunque el grado anchamente variables y todos tienen ciertos efectos especiales, en general, todos los elementos aumentan la dureza y resistencia, y todos mejoran las cualidades de fundición del aluminio, todos reducen la conductividad eléctrica y todos tienden a reducir la ductibilidad aunque en algunos casos el efecto no es grande. El aluminio puro tiene la mejor resistencia a la corrosión, pero la aleación con magnesio y manganeso son virtualmente como el aluminio puro.

La adición de cromo mejora la resistencia a la corrosión de algunas aleaciones. Los elementos del grupo C adicionan dureza y resistencia sin tomar parte en los efectos de los tratamientos térmicos, en particular proporcionan mayor resistencia a elevada temperatura que los otros elementos. La presencia del hierro es del orden del 0,5% y es debido a que esta presente en el aluminio comercial con el cual se fabrican las aleaciones.

Ej. De aleaciones: Aleaciones para fundición: 43____5% Si 112____7% Cu____1,7% Zn 355____1,3% Cu___3% Si____0,5% Mg Aleaciones para forja: 35____1,2% Mn 145____4,4% Cu___0,8% Si____0,8% Mn____0,4% Mg

EL COBRE (CU) Su obtención se realiza a través de los siguientes minerales: - cuprita (OCu2), es un oxido también denominada cobre rojo. - Calcocina o sulfuro cuproso (Cu2S). - Calcopirita o sulfuro de cobre-hierro (SCuFe). - Malaquita, carbonato básico de cobre, mineral de color verde que

responde a la formula: CO3CuH2O. - Pirita de cobre, es un sulfuro de hierro-cobre (S2CuFe). - Borlita: Cu3FeS3

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La metalurgia de los distintos minerales del cobre varía según la composición de esta. El cobre nativo, mineral con ciertas impurezas es fundido en presencia de fundentes apropiados obteniéndose de esta manera cobre rojo, mineral excelente para ser utilizado como primera materia del afino por medios electrolíticos.

La metalurgia de cobre ocupa también una refusión de la chatarra de cobre, la que en forma de virutas, recortes o piezas en desuso se incluyen en las cargas de los hornos de fusión. Los minerales son refinados por medio de fusión en distintos hornos de reverberos o cristales realizándose la reducción de los óxidos de cobre mediante la acción de una corriente de aire que transforma las impurezas en productos que se desprenden en los gases o son arrastrados por las escorias. Los óxidos se reducen por medio de su mezcla en el crisol con carbón produciéndose de esa manera la total reducción del mismo y se transforma en cobre rojo. El proceso cuando se trata de la extracción de cobre de su compuesto sulfurado y carbonatado debe ser precedido de un enriquecimiento por tostación o calcinación de los minerales. El cobre rojo obtenido por fusión se utiliza en la preparación de aleaciones cuprosas en procesos industriales en lo que se usa el cobre de menor calidad o como materia prima del proceso de reclinación electrolítica. Este proceso se realiza para producir cobre de alta pureza, 99,9%, constituyendo el mismo el 80% de la producción en los países altamente industrializados. Se destina a la fabricación de aleaciones de alta calidad o para la fabricación de conductores eléctricos u otros elementos de la industria electrónica.

La electrolisis de Cu se realiza utilizando como electrolito una solución acuosa de sulfato de cobre y ácido sulfúrico, utilizando como ánodo láminas finas de Cu electrolítico y como cátodo, planchas de cobre rojo o negro utilizado como primera materia. El sulfato de cobre de la solución se haya parcialmente disociado en carbón de Cu y anión sulfato según la siguiente ecuación:

SO4Cu SO4--Cu++

El ión de cobre disociado del sulfato bajo la acción de una reacción de

una corriente continua se dirige hacia el cátodo como cobre metálico que capta dos electrones, refinado por este método se obtiene con una pureza superior al 99,9%. El cobre electrolítico si bien presenta un alto grado de pureza posee una proporción de hidrógeno relativamente alta proporciona al metal una gran fragilidad por ello y para poder ser usado industrialmente, el cobre electrolítico debe ser refundido de alguna de las siguientes maneras: cobre electrolítico sin oxigeno y de alta conductividad, el cobre es refundido, oxidado al máximo y desoxidado con carbono.

• Cobre desoxidado, tratado de la misma manera, pero desoxidable totalmente mediante la acción de otra sustancia, en especial el fósforo, que elimina el oxigeno de una masa fundida en forma de óxidos insolubles que se separan con la escoria.

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Las propiedades generales del cobre son las siguientes: - Alta conductividad eléctrica y térmica. - Alta maleabilidad y ductibilidad. - Las tensiones debidas al calentamiento desigual se equilibran con

facilidad, conserva gran tenacidad a altas temperaturas, es fácilmente laminable, forjable y trafilable.

- Alta resistencia a la tracción, (20 Kg. /mm2) en el cobre natural que puede ser aumentado hasta 45 Kg. /mm2 mediante trabajos mecánicos en frío, o sea, laminación, estampado. Su punto de fusión es de 1083 ºC su peso específico es de 8,93 Kg. /dm3 las formas comerciales del cobre son: chapas, barras de reacción rectangular, redondas, cuadradas, hexagonal, caños con o sin costura, pernos, alambres. El cobre electrolítico sin tratamiento posterior en forma de plancha de

cátodo tiene una resistencia a los ataques químicos y especialmente a los e una humedad atmosférica. Se usan en equipos para industrias químicas, alimenticias, también para equipos eléctricos y mecánicos en la que es necesaria una alta conductibilidad eléctrica y térmica. Aleaciones de cu:

Los cobres aleados dan lugar a diversos materiales de gran aplicación industrial, los platones, materiales antifricción (metal blanco), aleaciones de cadmio-cobre, cuproníquel, constituyen una familia de metales de importante aplicación industrial.

Las aleaciones constituidas por cadmio-cobre son metales por su alta resistencia mecánica y su excelente conductividad eléctrica, dichas condiciones han conducido a un amplio uso en conductores al aire libre en líneas de transmisiones y de alta tensión.

La familia de las aleaciones de cuproníquel son fáciles de trabajar, se pueden unir por medio de soldaduras, conservan bien sus propiedades mecánicas y químicas mecánicas a alta temperatura mejorando dichas condiciones cuando es mayor el tenor de níquel fabricándose tubos de humo de calderas, piezas de válvulas que trabajan a temperaturas, pasan bajo coeficiente de dilatación. Latones. Los latones son en esencia aleaciones de cobre y zinc, aunque en algunos casos contienen otros elementos de adición que le confieren propiedades especiales. El latón utilizado industrialmente admite la siguiente clasificación:

a) latones simples: son aleaciones livianas de Cu y Zn que contienen proporciones de este último elemento que oscilan entre 25 y 43%. Los latones simples son aleaciones que pueden trabajarse con facilidad en caliente o en frío, aunque los que poseen menos del 30% de Zn tienden a ser frágiles a los 400-700 ºC por lo que debe trabajárselo en frío y de ser necesario con abundantes recocidos intermedios. Es conveniente

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evitar la formación de macromoléculas, pues el grano grueso disminuye sus propiedades mecánicas y causan superficies rugosas del tipo conocido bajo el nombre de piel de naranja. Las aleaciones de alto contenido de Zn (40-43%) pueden ser trabajado con mucha facilidad en caliente, especialmente en laminado, estampado, trafilado. La mecanización también aumenta con el tenor de Zn. La utilización industrial de estas aleaciones se realiza para todo tipo de pieza que exija embutido profundo.

b) Latones macanizables: son latones que contienen 22% de Zinc y hasta un 3% de aluminio. Los latones mecanizables o de libre mecanización están constituidos por aleaciones cuprosas que contienen hasta 22% de cinc, 3% de AL y pequeñas proporciones de plomo. Se utiliza para trabajos extruidos que deban sufrir mecanizados posteriores.

c) Latones resistentes a la corrosión: son aleaciones terciarias a ase de Cu, estaño y Al. Los denominados latones navales que son resistentes a la corrosión en especial a la salinidad marítima constituyen una aleación especial de esta. Realmente son bronces con alto tenor de Al y estaño. Son aleaciones utilizadas en la industria naval, conocido como latón de Al y poseen hasta 22% de Zn y 3% de Al.

d) Latones de alta resistencia a la tracción: son los también denominados bravos de magnesio, son aleaciones complejas a base de: Cu, Al, Fe y Mn, con proporciones menores de níquel y estaño. Son conocido también como bronce al manganeso. Según su composición varían sus propiedades de resistencia a la tracción hasta 36 Kg. /mm2 con un coeficiente de alargamiento de 38%. Las aleaciones binarias de cobre manganeso son muy utilizadas en electricidad y electrónica por las excelentes propiedades que presentan como alambres para resistencia. Por ejemplo: la resistencia: 85% Cu, 15% Mn, para un punto de fusión de 960ºC y una resistencia eléctrica específica de 0,5 Ω.mm2/m. cabe mencionar los bronce al manganeso de Heussler compuesto por: Cu, Mn, Al, estaño, bismuto, pues poseen propiedades magnéticas que los convierten en un material especialmente apto para algunos usos en electrotecnias y electrónica.

e) Latones especiales para soldaduras: son aleaciones de Cu y Zn con alto contenido de Zn, del 45% al 50%. Estas aleaciones también denominadas soldaduras de bronce, son muy utilizadas para soldar gran cantidad de metales y aleaciones ferrosas y no ferrosas, entre los que se encuentran diversos tipos de bronces y latones, cobre metálico, fundiciones de hierro, aceros comunes y especiales, placas de metal duro. Son aleaciones de cobre-cinc, cuanto mayor es la proporción de este último menor la temperatura de trabajo, así por ejemplo: la soldadura de latón 85 con 86% de Cu y 13 de Zn funde 1020ºC. el latón 42 – 43% de Cu y 56% de Zn funde a 845ºC. la soldadura de plata-latón

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más conocida como soldadura de plata posee una proporción de 50% de Cu, 40%Zn y hasta 6 o 7% de plata con una temp de trabajo de 810ºC.

Bronces. Son aleaciones cuyos componentes fundamentales son el cobre y el estaño, aunque pueden poseer proporciones variables de otros elementos. El porcentaje de estaño puede llegar hasta un 30%, pues una proporción mayor lo torna sumamente quebradizo, son forjables y laminables, siempre que contengan un bajo tenor de estaño (menor del 10%). Una aleación muy usada contiene 94% de Cu y 6% de estaño, dicha aleación es forjable, laminable y permite un estirado mediante el trafilado, se usa para la fabricación de tubos sin costura. Se distinguen otros tipos de bronces en los que el cobre se haya aleado de forma binaria con otros elementos, por ejemplo, bronces fosforosos, de aluminio y de níquel. Bronces fosforosos:

Es uno de los más importantes bronces utilizados en la industria mecánica, merced a su gran capacidad para la fabricación de piezas sometida a deslizamiento como bujes, cojinetes, etc. También tienen excelentes resistencias contra la corrosión y diversos agentes químicos. Su nombre se deba no a su composición, pues posee más de 1% de fósforo se torna muy quebradizo, sino al hecho de que es desoxidado por medio del mismo, consiguiéndose de esta manera una aleación de muy buena resistencia mecánicas, dureza y plasticidad, además de tener una excelente fluidez que la hace apta para todo los labores de cátodo, en especial cuando se debe fundir piezas de paredes delgadas, de esta menara la acción depurativa del fósforo que se añade al baño en forma de cobre fosforoso o estaño fosforoso permite la obtención de piezas muy aptas para la fabricación de bujes cojinetes, cuerpos de bombas y en especial cuando deben ser utilizadas para movimientos de químicos ácidos y corrosivos. Bronces de campana:

Uno de los empleos más primitivos del bronce lo constituye la fabricación de campana. El material más adecuado para la misma debe tener una suficiente dureza, pues de ella depende un sonido apropiado sin excesiva fragilidad que impediría su percusión. La experiencia aconseja una aleación formada por: 77 a 80% de Cu y 23 a 20% de estaño, sin la adición voluntaria de ningún otro elemento. Bronce de aluminio:

Son aleaciones binarias Cu-Al. Al ejercer una fuerte aleación desoxidante en el metal líquido, por lo cual aumenta la dureza y la resistencia de la aleación. No suelen usarse proporciones mayores del 10%, pues un porcentaje mayor aumenta su fragilidad. El bronce de aluminio más utilizado industrialmente es el que se obtiene con 95% de Cu y 5% de Al. Posee un alto coeficiente de alargamiento una resistencia a la tracción que puede llegar a 60 Kg. /mm2. Adicionalmente Fe en una proporción de hasta 4% y níquel de hasta 7,5%

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mejora mucho su resistencia mecánica. Esta aleación debe considerarse comprendida entre los bronces especiales. Bronce de níquel:

Son aleaciones binarias de Cu-níquel más conocida con el nombre genérico de cuproníquel, revierte extraordinaria importancia industrial por su excelente resistencia a la corrosión a temperaturas y elevadas durezas, por lo cual son muy utilizadas para tubos de humos de caldera, etc. Por su elevada resistencia eléctrica son confeccionados con cuproníquel diversos tipos de alambres de resistencias, las proporciones mas comunes son: 70 y 80% de Cu y 30 a 20% de Ni. Un nombre comercial de estos conductores es de constantán, tiene 60% de Cu y 40% de Ni. También el magnasina que tiene 51% de Cu, 48% de Ni y 1% de Mn. Bronces especiales:

El concepto de ronce especial no se halla perfectamente definido, no obstante consideramos como tal a aquella aleación binaria, ternaria o especial que teniendo como metal fundamental el Cu mínimo 70% y como adición otro metales y no contenga cinc, los metales de adición pueden ser estaño, Mn, Al, Ni, Fe. Bronces conductores:

Cuando se desean fabricar aleaciones con buenas características de conductividad eléctricas y resistencias mecánicas como por Ej. Para alambres conductores aéreas de alta tensión se apela a los denominados bronces conductores. En general tienen alto tenor de cobre con pequeñas adiciones de estaño, Mn, Ni, cadmio, logran aleaciones más usadas en la fabricación de los conductores eléctricos es la que tiene 97,9% de Cu, hasta un 2% de estaño y un máximo de 0,1% de fósforo.

EL ZINC (ZN) El principal mineral del zinc es el sulfuro de cinc o la blenda (SZn) y el carbonato de cinc denominado calamina, siendo el principal la blenda que en estado puro contiene 67% de zinc. Su ganga es silicosa o silicocalcaria. Se lo obtiene de dos maneras, metalurgia por vía seca, donde el óxido de zinc se reduce con el carbono obteniéndose vapor de zinc que se condensa, y metalurgia por vía húmeda, donde el óxido de zinc se transforma en sulfato y se le disuelve por electrólisis. El metal así obtenido es más puro pero más caro. Normalmente 2/3 de la producción de cinc se obtiene por vía seca, o sea, condenando el vapor de cinc y 1/3 por vía húmeda. Propiedades y usos del cinc: Los cuatro usos principales del zinc son:

1. Recubrimientos de hierros y aceros para protegerlos contra la corrosión o galvanizado.

2. Fabricación de latones. 3. Uso en matrices para fundición.

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4. Zinc laminado en planchas o flejes. Alrededor del 50% del latón se emplea en el galvanizado. Las propiedades mecánicas:

Es necesario hacer notar que las propiedades mecánicas del cinc que aunque la resistencia y la ductibilidad son satisfactorios para muchos propósitos estructurales, su utilización se ve limitado por el hecho que está sujeto a una relativamente alta creep. La resistencia bajo carga constante o cree tiene la mayor importancia más que la resistencia en carga estática, en el dueño de elementos a base de Zn. La resistencia y ductibilidad del Zn depende de su pureza y se ha sido fundido o forjado. El cinc es uno de los pocos metales cuyo reticulado cristalino pertenece al sistema exagonal, el cinc fundido cristaliza normalmente en muy grandes granos que tienden a crecer en estructura columnar a partir de las paredes del molde, como resultado de estos, el cinc no puede ser directamente laminada en caliente, laminado y afinado el grano, el metal se vuelve altamente dúctil. Resistencia a la corrosión:

La durabilidad del Zn contra la intemperie tan importante en el galvanizado es debido a que se recubre de una delgada película de óxido de cinc hidratado, el cual, retarda la penetración del oxígeno, el color del recubrimiento es gris pardo. El cinc es resistente a la corrosión del agua, pero reacciona con muchos productos químicos prácticamente todos los ácidos, lo disuelve rápidamente. Recubrimiento de Zn: Galvanizado en caliente:

Se realiza por inmersión de planchas de hierro o aceros perfectamente decapados y libre de óxidos. Durante unos pocos segundos en un cinc fundido a temperaturas de 425 a 460ºC, el recubrimiento de Zn no es simplemente una capa de cinc sobre el hierro, el Zn forma rápidamente una aleación con el hierro por difusión del Fe en el recubrimiento de cinc, se forman diversas aleaciones desde la base, la microestructura del material galvanizado, excepto el electro galvanizado muestra una capa exterior de Zn, una interior de Fe o acero y entre ellas varias zonas de aleación hierro-cinc ricas en cinc. La protección ofrecida por el cinc al Fe es de dos clases: una mecánica, derivada del propio recubrimiento y la otra debido al hecho de que el cinc ocupa un lugar más negativo en la escala electro potencial de tal forma que si se produce algún desprendimiento de cinc o picadura el Fe y el Zn forman una dupla galvánica actuando el cinc como ánodo y el hierro como cátodo. Como el Zn mismo es gradualmente oxidado y como la acción electroquímica no es suficientemente fuerte para proteger las severas corrosiones, el tiempo y grado de protección de recubrimiento es proporcional a su espesor, por lo tanto es falsa economía hacer recubrimientos muy delgados. Aleaciones de cinc:

El cinc se emplea principalmente por su costo reducido, su resistencia a la corrosión y por impartir importantes propiedades a las aleaciones sobre todo

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a las del Cu. La principal aplicación del Zn como dijimos es la galvanización y sigue la preparación de latones con un 28 de lo producido. Una aleación conocida del cinc es el zamac, con aproximadamente 4% de Al y su aplicación más importante es la fundición de piezas a presión por el método de inyección. El cinc en el Zamac tiene que tener una alta pureza (99,9%) y su uso se debe a las siguientes razones: - bajo costo - adecuada resistencia mecánica y deformabilidad plástica, superiores a la

de aleaciones de Al. - Muy buena colabilidad - Baja temperatura de fusión (menor de 400ºC) - Facilidad de mecanización - Adaptabilidad a diversos procesos de terminación.

Las principales aplicaciones del Zamac se relacionan con la producción de piezas no estructurales para automóviles, máquinas de labor, refrigeradores, etc. Metal blanco azulado, de densidad 7 g/cm3, de punto de fusión 420 ºC y punto de ebullición 907 ºC. Metal poco resistente pero maleable. En contacto con el aire húmedo el cinc se recubre de una capa protectora de hidrocarbonato. El cinc es atacado por ácidos y sosa cáustica.

ESTAÑO (SN)

Hay un solo mineral de gran importancia llamado casiterita, que es un dióxido de estaño, fácilmente reducible, se consigue por simple reducción fundiendo un carbón, parecería ser lo indicado, pero hay un número de dificultades. El mineral oxido no es fácilmente concentrado por flotación, la casiterita es muy pesada, pero los minerales contiene generalmente otros pesados incluyendo sulfuros como impurezas, es dificultosa su separación. La tostación se emplea comúnmente no como medio de extraer estaño, sino como etapa en el proceso de concentración. El concentrado contiene alrededor de 70% de estaño, la fusión se realiza en hornos de reverteos ocasionalmente en hornos de cuba. En los primeros se agrega carbón a la carga como agente reductor, con calcita como fundente. Como el óxido de estaño se puede efectuar como base o como ácido, en la formación de compuesto es dificultoso obtener una escoria con bajo porcentaje de estaño, por ello se realiza una fusión en dos etapas, en la primera ningún esfuerzo se hace para producir una escoria baja de Zn y esta contiene de un 10 a un 25% de estaño, esta es refundida, la segunda escoria contiene de 1 a 2% de estaño. El estaño crudo obtenido por fusión contiene hierro y a menudo azufre, bismuto, wolframio. Se refina primero por licuación y luego oxidando las impurezas de baño fundido. Quizás ¼ de las necesidades de estaño son suministradas por chatarra

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de estaño. El arrabio de estaño se obtiene por desestañado de hojalata. Hay dos métodos para tal fin:

1. El estaño es disuelto por soda cáustica y el estaño puro se deposita por electrólisis de la solución resultante de estañado de sodio.

2. Se usa un gas cloro para combinarse con el estaño formando cloruro de estaño líquido a temperatura ambiente.

Propiedades del estaño.

Sus principales propiedades son: la resistencia a la corrosión, su fusibilidad y blandura. Es estructuralmente débil y altamente plástico. Es un constituyente de numerosas aleaciones, los principales usos del estaño están dentro de la misma categoría que los del zinc. Su más grande aplicación es la de recubrir aceros como hierro estañado, ambos metales se usan como aleantes con el cobre, en bronces y latones. El zinc tiene mejores propiedades mecánicas y por ello es usado en la forma fundida y laminada más que es estaño, mientras que la más grande maleabilidad, facilidad de trabajo de estaño permiten utilizarlo en tuberías y en forma de hojas más que el Zn. Tienen aproximadamente la misma densidad. Resistencia a la corrosión:

El estaño es de color blanco plata y retiene su brillo satisfactoriamente, aunque recibe el un tono amarillento cuando se lo expone mucho tiempo, tiene una posición intermediaria en la serie electro potencial de los metales. Su resistencia a la corrosión es favorecida por una fina película de oxido estánico, normalmente invisible, bajo condiciones atmosféricas, el estaño no protege al hierro electrolíticamente como el Zn, el Fe se corroe en ellas para que dejen el recubrimiento. El estaño es fácilmente atacado por los ácidos fuertes y álcalis, pero tiene alta resistencia a la corrosión contra ácidos y álcalis débiles, como los que están presentes en los alimentos, es virtualmente inatacable por el agua y resiste a las soluciones salinas. El estaño no es venenoso, una propiedad del estaño es en la forma de tuberías utilizadas en la fabricación y expendio de bebidas. El estaño se usa porque es fácil de formar serpentinas en enfriamiento y porque no interfiere en el sabor. Usos del estaño.

Su principal uso es como hojalata. Luego para soldadura, metales babbit (antifricción), tubos flexibles y hojas.

MAGNESIO (MG)

Los minerales naturales de los que se obtiene el magnesio la contienen principalmente en forma de carbonatos, además se la puede obtener partiendo de subproductos de la industria de la sal, que lo contiene en forma de cloruros.

Para la obtención de este metal se emplean métodos electrolíticos muy semejantes al del aluminio. En lo que puede operarse una disociación de un

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óxido o de un cloruro. También métodos térmicos de reducción, en lo que se tratan óxidos y en menor medida cloruros. Procesos químicos previos:

Generalmente se obtiene un óxido bastante puro por la calcinación de minerales que contienen el magnesio en forma de carbonatos, se los denomina magnesio calcinado. El proceso electrolítico es más fácil de realizar transformando esta en cloruro haciendo circular a través del oxido una corriente de loro gaseoso. Proceso electrolítico de separación:

Partiendo de la magnesita calcinada, el proceso electrolítico presenta dificultades vinculadas a la obtención de un electrolito adecuado debido a las elevadas temperaturas trabajando con cloruros, el proceso es menos dificultoso, el ánodo es de carbón, el cátodo es de hierro y el electrolito está constituido por una mezcla de cloruro de calcio, sodio, potasio y varía aparte el Mg, en ambos casos el Mg líquido tiene menor densidad que las sales fundidas por lo que este se separa en la parte superior de la cuba. La formación de escoria evita la oxidación del material. Para retirar el metal se quiebra la corteza de escoria y luego se introducen más reactivos. Proceso térmico de separación:

Se obtiene por la reducción de sus óxidos a elevadas temperaturas, los reductores más empleados son el carbono y el silicio.

MgO + C CO + Mg 2 MgO + Si SiO2 + 2Mg

El metal se obtiene en forma de vapor debido a la temperatura, empleando carbón se utilizan hornos eléctricos de arco con temperaturas cercanas a los 2000 ºC, empleando silicio, los hornos son de mufla con calentamiento eléctrico a resistencia y temperaturas de 1200 ºC. Refinación:

El grado de pureza del Mg electrolítico es alto, pero cuando se requiere puede ser refinado por frío termoquímica o por destilación. Aleaciones:

Las razones térmicas que justifican su uso son: su menor densidad, lo que permite disminuir el peso de la estructura sin disminuir la resistencia mecánica, su poca aplicación se debe a dificultades de su elaboración. Titanio:

Los minerales usados para su obtención los contienen en estado de óxido. Los procesos físicos previos conducen a la obtención del mineral en forma de polvo y a su concentración por método de flotación. Su elevado punto de fusión impide el tratamiento por vía electrolítica y también su reducción en fase líquida, por lo que se utiliza la reducción en fase sólida, para la cual conviene llevarlo a estado de cloruro y utilizar magnesio metálico como reductor a una temperatura a la que este se halle en estado líquido, pero el titanio no.

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Proceso de reducción: La reducción de cloruro de titanio mediante Mg, se realiza en retortas de

aceros a unos 900 ºC bajo una atmósfera de argón, el metal se obtiene en forma de polvo o esponja y debe ser compactada. Refinación:

Las principales purezas que contienen son: Mg y oxido de magnesio. La refinación se realiza por fusión del metal bajo vacío o atmosfera controlada. Las impurezas pasan a integrar la escoria por su menor densidad. Los hornos utilizados son eléctricos de arco, el crisol empleado es de Cu refrigerado, pues el titanio líquido ataca a la mayoría de los refractarios incluyendo el grafito, también puede refinarse por el método de electrodos consumibles. Aleaciones:

El titanio puro se utiliza para la fabricación directa de elementos obtenidos por deformación y tienen mayor resistencia a la corrosión y buena soldalubilidad, las ventajas que proporcionan sus aleaciones son fundamentalmente una mayor resistencia mecánica y mejor mecanización. El costo del titanio es muy elevado con respecto a otro material y por ello su empleo esta vinculado como características muy específicas del material de fundamental importancia en la industria aeronáutica. El uso de pieza de estas aleaciones como la de Mg son menos utilizadas con respecto a las del Al debido no solo al precio del metal, sino también a los cuidados especiales que hay que tener durante su fabricación.

PLOMO (PB) El principal mineral que constituye la mena más importante es la galena, cuyo componente mayoritario es el sulfuro de plomo que puro contiene 86% de metal. En zonas muy concretas otros minerales pueden ser material de partida para procesos viables económicamente para la obtención del plomo, minerales como la cerecita, cuyo componente mayoritario es el carbonato de plomo (PbCO3) o la anglesita cuyo componente mayoritario es el sulfato de plomo. Se señalan como posibles menas de plomo. Generalmente esta mezclado con sulfatos o carbonatos, resultantes de su oxidación.

La metalurgia del plomo ha evolucionado desde mediados del siglo XIX principalmente ha sufrido variaciones que se traducen en el tipo de horno a utilizar y en el ahorro de la energía a emplear. Inicialmente se empleaban hornos de reverberación que se construyen con una bóveda superior de material sumamente refractario, este actúa como reflector del calor puesto en juego en los procesos de reducción de los minerales, así se consigue un buen ahorro de energía. Posteriormente se adecuó la tecnología de la siderometalúrgica y se utilizaron altos hornos parecidos a los que manufacturan aceros. En la actualidad se utilizan hornos eléctricos muchos menos voluminosos y mucho más eficaz.

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La metalurgia del plomo comprende la concentración mediante flotación, la tostación de los concentrados de galena, la reducción de los productos de la tostación y el afino del plomo. Fusión en hornos de cuba:

Es el mejor proceso porque permite recuperar la plata y el oro porque pueden manejarse minerales bajos en plomo y altos en impurezas, los concentrados son previamente tostadas para remover la mayor parte del sulfuro cambiando a óxidos, como el azufre no se elimina completamente se forma una pequeña cantidad de mata, la mata tiene la valorable función de retener la mayor cantidad de cobre y el cobre que no entra en ella para al plomo metálico del cual es necesario eliminar posteriormente. Este horno difiere grandemente del alto horno de hierro, en rectangular, en vez de cilíndrico y no es tan alto. La forma rectangular de larga y estrecha sección es necesaria para permitir utilizar relativamente baja presión y que penetre el aire en el centro del horno a través de las toberas, el plomo se colecciona dentro del horno y pasa a través de un sifón, la escoria y la mata se separan juntas en un recipiente donde se separan por diferencia de densidad, el mineral se carga en el horno, generalmente, en la forma de un sinter (sinterizado) junto con coque y fundente, el fundente está formado por minerales de Fe y cal dando a la escoria que es esencialmente silicato de hierro y calcio, el aire de soplado no es precalentado. Procesos de refinación:

El plomo contiene impurezas como: cobre, estaño, arsénico, bismuto y antimonio que influyen desfavorablemente sobre las propiedades mecánicas, la resistencia a los ataques químicos, además metales nobles en cantidades que resultan remuneradores para su obtención. Los métodos de eliminación son los siguientes:

1) Eliminación de cobre: El cobre es solo poco soluble en plomo líquido y da un eutéctico situado a 99,945% de plomo, por esto se puede separar el Cu calentando el plomo hasta un poco por encima del punto eutéctico. Se forma un producto sólido más rico en Cu que nada sobre el plomo líquido llamado de Cu que está impurificado por plomo adherido, mientras que el plomo líquido tiene sólo poco Cu.

2) Eliminación de estaño, arsénico y antimonio: a) Oxidación selectiva sencilla: Al tener estos tres metales con mayor afinidad hacia el oxígeno que el plomo puede separase de él por oxidación, cediendo el plomo oxidado al mismo tiempo su oxigeno parcialmente al antimonio. b) Método de Harris: Este método esta basado en el hecho de que los compuestos de mayor grado de oxidación de estaño arsénico y antimonio pasan calentado con una sal alcalina o compuestos alcalinos que están prácticamente exento de plomo. La ventaja de este método está en la producción de productos intermedios libres de plomo.

3) Eliminación de los metales nobles: La eliminación se efectúa según el método de Parkes por adición de cinc metálico puro, el método está basado en el hecho de que después de añadir cinc, el plomo líquido se separa al enfriar

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una aleación sólida de plata, cinc y plomo que contiene todos los metales nobles, de esta aleación puede expulsarse el cinc por destilación y de la aleación de plata y plomo que queda, llamado plomo rico, el plomo por oxidación.

4) Eliminación del cinc: Está fundada en la mayor afinidad del cinc con el O2 en comparación con el Pb, esta oxidación se efectúa por agitación del cinc al rojo vivo. Afino electrolítico: Es el único procedimiento que permite eliminar el bismuto, por el contrario el estaño se deposita con el plomo en el cátodo. Propiedades y aplicaciones del plomo: Es un metal blando, bastante maleable y no dúctil cuyo punto de fusión es 327 ºC, su punto de ebullición es 1774 ºC y su densidad es de 11,34 g/cm3. En contacto con el aire húmedo el plomo se recubre de una delgada capa protectora de óxido. Las aguas naturales cargadas de sulfatos y carbonatos forman al estar en contacto con el plomo un depósito de sulfato y carbonato de plomo insoluble, lo que hace posible el empleo de tuberías de plomo para las canalizaciones que por el contrario no servirían para conducir agua de lluvia exenta de sales. El ácido sulfúrico poco concentrado no ataca al plomo, y es por ello que se lo emplea en la industria de este ácido y también para la construcción de acumuladores, hay que tener en cuenta que el plomo es venenoso principalmente cuando está en polvo. Aleaciones de plomo:

Los objetivos que se persiguen al preparar aleaciones de plomo con fines industriales son:

1. Conseguir metales de punto de fusión bajo para soldaduras, baños metálicos y fusibles eléctricos.

2. Conseguir plomos duros. 3. Obtener metales antifricción.

En soldadura el metal soldador debe fundir a temperatura más baja que el metal a soldar, los dos metales que presentan mayores dificultades para soldar son el plomo y la hojalata, el primero por su bajo punto de fusión y el segundo porque fundirá parte del estaño, debemos buscar un metal que tenga un punto de fusión inferior a 232 ºC, condición no ofrecida por ningún metal corriente, otra solución consiste en buscar una aleación de dos o más metales insolubles entre sí o por lo menos parcialmente soluble en estado sólido ya que estas aleaciones experimentan una disminución en su temperatura de fusión que culmina con la composición eutéctica. La solución la encontramos en la aleación plomo-estaño cuya temperatura de fusión a composición eutéctica es de 130 ºC, se debe tener presente que si el metal a soldar se destina a pieza de hojalata que deban estar en contacto con materias alimenticias no debe contener más de un 10 % de Pb ya que con mayor concentración serían peligrosas por las propiedades tóxicas del plomo.

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Metales blancos antifricción: Estas aleaciones son muy semejantes por sus propiedades y

aplicaciones a la del estaño y resultan generalmente más baratos, es común considerar a los metales blancos de plomo como constitutivos de sus puntos más económicos que de los estaños, sin embargo la tendencia moderna es preferir estos no solo por el costo sino por presentar mejores propiedades cuando son empleados correctamente. Con un buen diseño es posible conseguir mejores resistencia mecánicas en caliente y a la fatiga con aleaciones de plomo, pero de todos modos las diferencias no son grandes, la resistencia a la corrosión es siempre superior a las aleaciones de estaño. Metales refractarios:

Existen cuatro metales refractarios, el molibdeno (Mo), el niobio (Nb), el tungsteno o wolframio (W) y el tantalio (Ta). Se llaman refractarios en razón a su elevado punto de fusión, aunque estos elementos refractarios fueron descubiertos hace aproximadamente 200 años y desde entonces han sido usados como importantes elementos de aleación en aceros y en súper aleaciones. Su uso como metales y aleaciones de ingeniería no se inició, sino hasta aproximadamente la década de 1940 en un grado elevado la mayor de otros metales y aleaciones. Estos metales mantienen su resistencia a temperaturas elevadas, son por lo tanto, de gran importancia de uno en motores a reacción, tuberías de gas y otras aplicaciones aeroespaciales, en la industria electrónica de energía nuclear y química y como materiales para herramientas. El rango de temperatura para algunas de estas aplicaciones es de 1100 ºC a 2200 ºC, donde la preocupación principal es la resistencia mecánica y la oxidación.

MOLIBDENO (MO)

Punto de fusión: 2893 ºK, 2620 ºC. el metal puro es de color blanco plateado y muy duro, en pequeñas cantidades se emplean en distintas aleaciones de aceros para endurecerlos a hacerlos más resistentes a la corrosión.

Aproximadamente 2/3 del molibdeno consumido se emplea en aleación. El uso del molibdeno se remonta a la 1º guerra mundial, cuando hubo demanda de wolframio que lo hizo escasear y se necesitaban aceros muy resistentes.

El molibdeno se usa pues en aleaciones de alta resistencia y que soportan temperaturas y corrosiones. Estas aleaciones se usan en la construcción y en piezas de aviones y automóviles. El molibdeno se usa como catalizador en la industria petrolera, en concreto es útil para la eliminación de azufre. Se emplea también en la industria de isótopos nucleares. Se emplean en distintos pigmentos, con un color anaranjado, para pinturas, tintas, plásticos y compuesto de caucho.

El bisulfuro de molibdeno es un buen lubricante por si mismo, y brinda propiedades de toleraciones de presiones extrema a los lubricantes al

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reaccionar con el metal de tal manera que se forma una capa cristalina en la superficie de estas.

Gracias a ello, el contacto metal-metal, destructivo de largo plazo, se reduce al mínimo y se puede emplear a altas temperaturas.

• El molibdeno se emplea en determinadas aplicaciones electrónicas como en las capas de metal conductores en los transistores. El molibdeno no se encuentra libre en la naturaleza y los compuestos que se pueden encontrar fueron confundidos con otros compuestos de otros elementos, por Ej. carbono o plomo.

• La principal fuente de molibdeno es el mineral de molibdenito, también se puede encontrar en otros minerales como la wolfinita (PbMoO4) y la powelita (CaMoO4). El molibdeno se obtiene de la minería de sus minerales y como subproducto de la minería del Cu, siendo esta última el principal modo de explotación comercial. El molibdeno está presente en las minas en un rango entre 0,01% y un 0,5%.

Niobio:

Punto de fusión: 2750 º K, es un metal dúctil, gris, blando y poco abundante. Se encuentra en el mineral Niobita y se usa en aleaciones. Se usa principalmente aleado en Aceros, dándole una alta resistencia. El Niobio es un metal dúctil Gris Brillante que pasa a presentar una coloración Azul cuando aparecen en contacto con el aire a temperatura ambiente en largo períodos de tiempo.

Sus propiedades químicas son muy parecidas a la del Tantalio, la aplicación más importante es como elemento de aleación para la construcción de máquinas y gasoductos de Alta Presión. También se usa en superaleaciones para soportar temperaturas mayores a 650ºC, por ejemplo, en las turbinas de aviones y en los tubos de escape de los autos. En el campo de superconductividad eléctrica se usa en aleaciones con Titanio para construir electroimanes súper enfriados empleados en resonancia magnética nuclear.

Tungsteno o Wolframio:

Punto de Fusión: 3410 º C. Metal escaso en la corteza terrestre, se encuentra en forma de óxidos y sales en ciertos minerales de color Gris Acerado muy duro y denso, tiene punto de fusión más elevado que todos los metales. Se usa en los filamentos de las lámparas incandescentes, en electrodos no consumibles de soldaduras en resistencia eléctrica y aleado con el Acero en la fabricación de Aceros Especiales.

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Su variedad de Carburo de Tungsteno sinterizado se emplea para fabricar herramientas de corte, esta variedad absorbe más del 60% de la demanda mundial de Wolframio.

Éste es un material estratégico y a estado en la lista de productos más codiciados desde la 2º Guerra Mundial, ya que se usa para blindar la punta de los proyectiles anti-tanque.

Para la soldadura TIG, consiste en usarlo en Electrodo no Fusible que no se funde, para hacer el arco eléctrico entre la pieza y la máquina. Ya que soporta 3410 ºC, cuando es puro se usa para soldar Aluminio o Magnesio en corriente alterna, asi mismo es aleado con Torio al 2% soporta los 4100 ºC y su uso engloba la soldadura con Aceros Inoxidables.

Otros usos son por ejemplo, fabricación de bujías de encendido, contactos eléctricos, placas de tubos rayos X.

Para extraer el elemento de su mina se funde ésta con Carbonato de Sodio, obteniéndose Wolframiato de Sodio, soluble que después se extrae con agua caliente, y se trata con Ácido Clorhídrico para conseguir Ácido Wolfrámico, este último compuesto una vez lavado y secado forma óxido que se reduce con Hidrógeno en un horno Eléctrico. El fino polvo obtenido se recalienta en moldes con atmósfera de Hidrógeno y se prensa en forma de barras que se enrollan a altas temperaturas para hacerlas compactas y dúctiles.

Tantalio:

Punto de Fusión: 3017 ºC. Se trata de un metal azul grisáceo, duro, presenta brillo metálico y resiste muy bien la corrosión. Se encuentra en el mineral Tantalita, y es Fisiológicamente inerte por lo que entre sus variadas aplicaciones se puede usar para la fabricación de instrumentos quirúrgicos y en implantes.

En ocasiones se lo llama Tántalo, pero el único nombre reconocido por la Real Academia Española es Tantalio. Es buen conductor de electricidad y calor, muy resistente al ataque por ácidos, se disuelve empleando Ácido Clorhídrico o mediante fusión alcalina. Es muy parecido al Niobio y se suele encontrar en los minerales Columnita-Tantalita.

Metalografía:

Consiste en el estudio de las características estructurales o constitutivas de un metal o Aleación, relacionándolas con las propiedades físicas y mecánicas. Entre las características estructurales están el tamaño de grano, tamaño, forma y distribución de las fases que comprenden la aleación y las inclusiones no

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metálicas así como la presencia de segregaciones y otras irregularidades que profundamente pueden modificar las propiedades mecánicas y el comportamiento en general de un metal. El objetivo principal es la realización de una reseña histórica del material buscando micro-estructuras, inclusiones, Trat. Térmicos a los que han sido sometidos, con el fin de determinar si dicho material cumple con los requisitos para los cuales ha sido diseñado. Se realizan exámenes micrográficos y macrográficos.

Examen macrográfico:

La forma más sencilla de hacer el estudio es examinando la superficie metálicas a simple vista, logrando determinar de ésta forma las características macroscópicas, de este examen se extraen datos, es decir, sobre los tratamientos mecánicos sufridos por el material, determinar si el material fue prefilado, laminado, forjado, entre otros. Comprobar la distribución de defectos como grietas superficiales, de forja, rechupes de partes soldadas. Así mismo los exámenes Macroscópicos se realizan generalmente sin preparación especial, pero a veces es necesario una cuidadosa preparación de la superficie para poner de manifiesto las características macroscópicas. En macroscopía se utilizan criterios para el tipo de corte a realizar: transversal o longitudinal para extraer la muestra dependiendo el estudio a realizar. Por ejemplo:

- Corte transversal: naturaleza del material, homogeneidad, segregaciones, procesos de fabricación y otros.

- Corte longitudinal: procesos de fabricación de la pieza, tipo y calidad de las soldaduras y otros.

Examen micrográfico:

Es una técnica más avanzada y se basa en la amplificación de la superficie mediante instrumentos ópticos: microscopios, para observar las características microscópicas, o sea, las microestructuras. Para este estudio se necesita una preparación aun más cuidadosa de la superficie.

Observación práctica del Grano y Tipo: se efectúa sobre probetas de metal cilíndricas de 20 cm de diámetro y 2cm de altura, rectangulares de 2x1 cm y 2 cm de altura, o cuadradas de 1,5 cm de lado y 2cm de altura. Los valores son orientativos. Tamaños menores impiden tener una probeta bien plana, y tamaños mayores alargan el tiempo de preparación. Cuando el material es muy chico se realizan inclusiones en baquelita.

Desbaste Mecánico: la cara de la probeta a observar, uno de los extremos se pasa primero por piedra de Amolar de grano fino de Carburo de Si. Luego se

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pasa la cara elegida por papeles o telas esmeril de grano decreciente, por ej, 80,160,320,400,600, a mayor número más fino es el abrasivo. Cada paso se hace cambiando la posición de la probeta 90 º. Hay que lavar la probeta después de cada paso, el trabajo de cada tamaño termina cuando se borra la marca de la pasada previa. Al pasar la probeta, se borra las marcas o rayas y se debe obtener un pulido tipo espejo que se debe reflejar la cara del preparador de la probeta.

Pulido: Se hace en placa giratoria en la parte superior del plato tiene un paño tipo billar que es mojado con agua y alúmina en polvo fino ( Al2O3).

Ataque: para la observación de bordes y granos en un microscopio de 100 de aumento se le coloca a la cara a mirar un reactivo nital que es Ácido Nítrico al 3% y 97% de Alcohol Etílico.

Aleaciones:

Cuando se deja solidificar junto 2 o más metales y a veces un metal con un no metal, como el Fe y C, se obtiene una aleación con propiedades mecánicas diferentes a la de cada componente. Siempre hay un metal fundamental que aporta el retículo propio y dentro de éste con cierto orden se disponen o se disuelven los átomos del otro elemento formando una solución donde el soluto y el solvente son sólidos, con lo cual ésta se llama solución Sólida. No siempre se forma solución sólida sino que a veces los átomos de los elementos se agrupan en átomos diferentes. Según el número de elementos que la forman, las aleaciones se denominan binarias, ternarias o cuaternarias. En el proceso de enfriamiento de una aleación desde el estado líquido hasta la temperatura ambiente se presenta alteraciones en su equilibrio debido a apariciones y desapariciones de fase que se traducen por puntos irregulares en la curva de enfriamiento.

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Formación e interpretación de los diagramas:

Consideremos el caso más sencillo de 2 metales, A y B, que siendo totalmente solubles en estado líquido conservan su solubilidad total en estado sólido. Tomemos diversas concentraciones del metal B en A y tracemos su curva de enfriamiento, empezando por la aleación de 0% de B, o sea metal A puro y terminando con la de 100% de B, o sea metal B puro.

Estas 2 curvas por corresponder a la solidificación de metales puros tienen la forma que se indica en I y IV, la temperatura irá bajando según el metal se enfría rama I-II, hasta que empieza la solidificación, durante ella la temperatura se mantiene constante, rama II-III, porque el calor que se invierte en el trabajo de cristalización, cuando ésta ha terminado vuelve a descender, curva 3-4, es decir, vuelve a enfriarse el metal ya sólido.

Si trazamos las curvas de Aleaciones intermedias, m %B y n %B, estas aleaciones solidifican a temperaturas decrecientes, por efecto de la adición de metal B, y esa depresión del punto de solidificación es proporcional al número de moléculas del metal B añadidas al metal A. las curvas II y III, representan el enfriamiento de estas aleaciones.

El primer punto anguloso de la curva tiene por ordenada T2, en vez de T1, y así como en el caso de un metal puro la curva presenta una porción horizontal 2-3, en las aleaciones II y III dicha porción es inclinada y termina en un vértice redondeado, esto se debe a que en el momento de comenzar la precipitación de los cristales del disolvente A, el resto del líquido se enriquece en metal B, lo cual hace bajar el punto de solidificación de la disolución líquida. Refiriendo los resultados de los diagramas anteriores a un sistema de ejes coordenados cuya abscisa representa el % de A y B contenidos en la aleación y cuyas ordenadas sean las temperaturas, podemos marcar para cada concentración la temperatura de principio y fin de solidificación. Uniendo por una línea los distintos puntos de principio de solidificación obtendremos la línea de SÓLIDO.

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Las líneas del diagrama no sólo nos permiten conocer las concentraciones de las fases líquidas y sólidas que se hallan en equilibrio, sino que nos indica también para una determinada aleación la proporción en que cada temperatura se presentan estas fases.

Si consideramos una aleación m a la temperatura T1, comienza la solidificación del primer grano y termina a la temperatura T2. Los cristales se inician con una concentración superior a los de la Aleación, el metal de alto punto de fusión y conforme van desarrollando se empobrecen en dicho componente, variando su concentración media con arreglos a las que le corresponden a la línea de Sólido m`1- m2, hasta terminar con la concentración de m2 que corresponde a la de la aleación. Este fenómeno que constituye una segregación que engendra la heterogeneidad dentro de un mismo cristal será controlada por la difusión a virtud de la cual la composición tiende a homogeneizarse. Además para una temperatura T se puede determinar en peso los distintos componentes líquidos y sólidos de la aleación. También la Horizontal nos indica que la fase sólida debe tener una concentración p y la líquida q siendo P1, peso total del sólido a temperatura T1; P2: peso del líquido y Pt, peso total de la aleación. Tenemos que: P1 + P2 = Pt

Pt x m = P1 x p + P2 x q

De las 2 igualdades anteriores, se deduce la llamada regla de los Segmentos inversos, expresado por la relación: P1 / P2 = q – m / m - p

O sea q-m, peso de la fase sólida de concentración p, y m-p: peso de la fase líquida de concentración q.

Clasificación de los Diagramas:

Los diversos diagramas que pueden presentarse tendrán que referirse a los siguientes casos fundamentales:

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A) Solubilidad Total en estado Líquido; B) Solubilidad Parcial; C) Insolubilidad total.

A) En el caso que halla solubilidad total entre los componentes de un sistema binario, las aleaciones solidifican dando lugar a una solución Sólida y tenemos el diagrama ya visto y un ejemplo es el Cu-Ni.

C) Son aleaciones cuyos metales son del todo soluble en estado líquido e

insolubles en estado sólido. Cuando 2 metales, A y B, son fundidos juntos cualquiera de los 2 puede considerarse como disolvente del otro, si el disolvente es A su punto de solidificación bajará por el efecto de la adición del metal B. Si la aleación fundida A disolvente, B cuerpo disuelto, es enfriada hasta que se solidifique, A se separa cristalizándose en forma de metal puro siempre que A y B sean recíprocamente insolubles.

1500º C

1400º C

1300º C

1200º C

1100º C

Cu % 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Ni % 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

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En el diagrama vemos en las curvas I y VI el enfriamiento de metales puros, la curva II representa el enfriamiento de esta clase de aleación, el primer punto anguloso de la curva tiene ordenada t2 en lugar de t, a medida que avanza el enfriamiento van separándose los cristales de A hasta que el metal B, a partir de este momento el disolvente y el cuerpo disuelto se solidifican juntos, ocasionando otra discontinuidad en la curva correspondiente a la temperatura t4. Como la composición ya no puede variar la temperatura t4 tiene que mantenerse constante hasta la solidificación de toda la masa, lo cual produce un conglomerado de cristales A y B en forma de placas ínter estratificadas, sólo entonces volvería a descender la temperatura de aleación ya sólida.

En la curva III ocurre lo mismo, lo único que como aumenta el porcentaje de B, crece la duración de la temperatura constante t4. La aleación correspondiente a la curva IV no contiene exceso, la solidificación empieza hasta la temperatura t4, al cristalizar toda la masa de un conglomerado de placas paralelas. Esta aleación saturada se llama aleación Eutéctica, o simplemente Eutéctica, y la proporción de ambos metales en ella se llama proporción Eutéctica.

Si graficamos en las abscisas las concentraciones y en ordenadas la temperatura vemos un diagrama que consta de dos ramas A-E y E-B que se cortan en un punto Eutéctico E, situado sobre la línea Eutéctica H-K. La eutéctica se caracteriza pues porque entre todas las aleaciones que pueden formar 2 metales es la de menor punto de fusión. Su composición y por la tanto el punto al que se solidifica es constante y no constituye una combinación química, sino una mezcla bien definida de ambos elementos. La estructura eutéctica pura es la más dura, más resistente y menos desfavorable de todas las que se pueden formar entre ambos metales, su estructura metalográfica será:

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B) Solubilidad Parcial: Son aleaciones cuyos metales son cada uno totalmente soluble en el otro en estado líquido, pero en estado sólido cada uno de ellos es parcialmente soluble en el otro.

En estas aleaciones los puntos M y N se alejan de los extremos de las ordenadas y se aproximan al punto E. En el diagrama podemos ver que la línea de Líquido es como la de antes A-E-B, la del Sólido tienen que pasar por A y B, pues son metales puros que solidifican a temperatura constante y tendrá que pasar por E, puesto que es un Eutéctico que solidifica a temperatura constante. El Sólido será pues la línea A-M-E-N-B, si tomamos una aleación I de concentración P, inferior a m, cuando la ordenada corta la línea de líquido dando cristales de solución sólida de concentración inicial P`, la temperatura descenderá sin que se rompa el equilibrio solidificando la aleación y teniendo 2 fases líquido y Sólida. Las concentraciones que marcan la línea A-E y A-B, a la temperatura P2 terminará la solidificación quedando en fase sólida formada por cristales de solución sólida de concentración P, igualmente veríamos en el otro extremo en el cual se forma solución Sólida . En las soluciones sólidas, las estructuras se originan por el proceso normal de nucleación y crecimiento, sus propiedades son similares a la de los metales puros, buena elasticidad, fácil de deformar y mediana resistencia y dureza.

Diagrama con Cambio de Solubilidad:

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El caso más sencillo de las líneas de transformación se presenta cuando en los sistemas de solubilidad parcial las soluciones sólidas presentan una variación continua del límite de saturación conforme desciende la temperatura. En este caso los 2 metales A y B al solidificar pueden dar 2 soluciones sólidas y que se saturan con las concentraciones M y N y forman un Eutéctico de soluciones sólidas, pero al enfriarse las soluciones sólidas, el límite de saturación puede ir variando y pasar de m a p y n a q a la temperatura ambiente. Al cambio de solubilidad puede presentarse inversamente a como lo hemos presentado y los límites de saturación aproximarse en lugar de alejarse.

Formación de un Eutectoide:

Cuando la pérdida de solubilidad da lugar a una transformación completa en la red espacial bien por convertirse en insolubilidad total o bien por formarse otras soluciones sólidas, se presentan generalmente un punto de Eutectoide que presenta en el estado Sólido lo que el Eutéctico representa en el estado sólido en la solidificación.

Compuestos Intermetálicos:

Se denominan intermetálicos aquellos compuestos que además de enlaces metálicos presentan otros tipos de enlaces para distinguirlos de los compuestos químicos que sólo tienen no metálicos. Cuando entre 2 elementos existe afinidad química para formar un compuesto sólido Ax y By. La red cristalina del compuesto C suele ser distinta de la red de A y de la red de B y más estables que éstas. Esto se debe a que la agrupación de A como la de A y B obedece a una atracción entre ambos enlaces iónicos, enlace covalente, etc. Superior a la

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energía de enlaces de átomos de A entre sí y de B entre sí. Estos compuestos normalmente tienen gran dureza.

Estados Alotrópicos:

Alotropía es la propiedad que poseen determinados elementos químicos de presentarse bajo estructuras moleculares diferentes, para que a un elemento se lo pueda denominar como alótropo sus diferentes estructuras moleculares deben presentarse en el mismo estado físico.

Estados Alotrópicos del Hierro:

Si se analiza el proceso de enfriamiento del hierro a partir de temperaturas mayores a los 1600 º C la curva de enfriamiento en función del tiempo presenta una serie de escalones que corresponden a estados particulares de transformaciones durante el proceso. El primer escalón se produce a los 1535 º C y corresponde al pasaje de estado Líquido a Sólido. Ahí se forma el Fe DELTA, que tiene una estructura cúbica de cuerpo centrada y va hasta los 1396 ºC, (Ar4) en el cual hay otro escalón y pasa a una estructura cúbica de cara centrada conocida como Hierro GAMMA. A los 898 ºC (Ar3) hay otro escalón y pasa a una estructura cúbica de cuerpo centrado conocido como Hierro ALFA no Magnético, anteriormente conocido como Hierro BETA. A los 768º C (Ar2) hay otra detención que corresponde a la aparición de magnetismo sin cambios en la estructura atómica, conocida como Hierro ALFA Magnético y que continúa hasta la temperatura ambiente.

El agregado de elementos aleantes modifica la solubilidad de los componentes estructurales del Hierro. Se denominan elementos Gammagenos a aquellos cuya influencia sobre el Hierro consiste en ampliar el campo de existencia del Fe Gamma. De manera que puede decirse que para % crecientes de un elemento aleante la transformación Ar4 comienza antes y la Ar3 después que pasa el Fe puro. Por lo tanto se amplió el campo de existencia del Fe Gamma

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disminuyendo el del Fe ALFA. Esto implica también que el agregado de elementos aleantes en proporción adecuada puede dar estructuras austeníticas a temperaturas ambiente.

Los elementos Alfágenos hacen disminuir la temperatura de aparición Ar4 y aumenta la de Ar3 de modo que el campo del Fe Gamma se reduce ampliando el del Fe Alfa. Los elementos Gammágenos C, Cu, Cobalto, Níquel, Manganeso y los Alfágenos Al, Cromo, Molibdeno, Banadio.

Diagrama Hierro- Carbono:

Este se puede considerar también como diagrama Fe-Carburo de Fe o Cementita, ya que para 6,67 % de C corresponde una estructura teórica de 100% de Cementita.

El diagrama se puede considerar divido en 2 grandes partes: de 0 a 1,7 % de C, el proceso de solidificación termina mostrando un único componente que es la Austenita con cantidades variables de C disuelto. Esta zona se denomina de los Aceros. Entre 1,7 y 6,67 % de C aparecen al estado sólido un eutéctico formado inicialmente por austenita y cementita denominada Ledeburita. Todas las aleaciones de Fe-C que al terminar de solidificar tienen Ledeburita se denominan Fundiciones y se llaman Hipoeutéctica las que tienen de 1,7 a 4,3 % de C; Eutéctica o Ledeburita de 4,3 % de C e Hipereutécticas entre 4,3 y 6,67 % C.

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Los Aceros Hipereutectoide hacen una disminución de la solubilidad del C, a medida que baja la temperatura el Fe segrega C formando en los bordes de grano Cementita.

A temperatura Ambiente tenemos:

Fundición (1,7 a 6,67 % C):

El eutectoide en la parte de Fundición (E) se llama Ledeburita, a 1140 ºC tenemos una Ledeburita que esta formada por una base de Cementita y láminas anchas de Austenita.

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A medida que bajamos la temperatura tenemos una variación de solubilidad. A menos de 720 ºC tenemos

:

Menos de 4,3 a 1,7 % C( la más usadas en la industria) tenemos las fundiciones Hipoeutécticas, ahí tenemos Austenita + Ledeburita.

Para las fundiciones Hipereuctécticas es prácticamente Cementita con Ledeburita (con el proceso similar a las fundiciones Hipoeutéctica).

Tratamientos Térmicos:

Las propiedades de los metales no sólo depende de su naturaleza y condición. Sino también de su estado definido por su estructura y constitución. Los Tratamientos Térmicos son procesos térmicos para modificar constitución y estructura de los metales y aleaciones. A veces para modificar la estructura, otras la constituyen y dan lugar a equilibrios más o menos estables según sea el trat. Térmico que se aplique. La condición indispensable para modificar los procesos mecánicos de las aleaciones es que experimenten transformación en el estado desde la temp. De solidificación a la temp. Ambiente. Por el trat. térmico se favorecen o se alteran los procesos y reacciones que se producen en el estado sólido. Las aleaciones que no presentan transformaciones no responden al tratamiento térmico, pero por deformación mecánica se les puede alterar su equilibrio estructural. Salvo el caso de piezas fundidas o moleadas. Los metales se emplean siempre con una estructura secundaria diferente a la primaria obtenida en la solidificación.

Factores de los Tratamientos Térmicos:

Se pueden distinguir 3 etapas:

a) Calentamiento hasta una determinada temperatura. b) Permanencia en ella hasta la homogeneización. c) Enfriamiento hasta la temp. Ambiente.

En las 3 etapas los factores son: temperatura y tiempo que regulan los resultados y así un tratamiento térmico queda definido por la temperatura alcanzada y por el tiempo que permanece en ella y por la velocidad de enfriamiento.

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La temp. Y el tiempo son los factores más importantes y se fijan en función de composición del metal o aleación, forma y tamaño de la pieza y características que se quieran obtener.

Clasificación:

Hay varias maneras de clasificarlas, pero la más corriente es de acuerdo a la estabilización final de la estructura en:

- Temple: que proporciona estructuras inestables. - Recocido, normalizado, revenido, esferoizado: estructuras estables.

Endurecimiento por Temple:

Hay 2 grupos principales de aleaciones que se pueden endurecer por templado:

a) Aleaciones que pueden endurecerse por tratamientos de precipitación o envejecimiento.

b) Aleaciones que pueden endurecerse mediante la supresión de cambios de equilibrio con el fin de que puedan producirse las transformaciones martensíticas.

Las primeras se centran en las aleaciones no Ferrosas, principalmente las de Aluminio y la segunda en los Aceros.

Recocido:

Este tratamiento consiste en calentar el acero generalmente hasta la temperatura de austenización y luego enfriar lentamente, cuyo objeto es a veces ablandar el acero o regenerar estructuras o eliminar tensiones. Según el objeto que se persiga y el porcentaje de C del Acero se pueden dividir en:

a) De regeneración o propiamente de recocido. b) De regeneración teórica (hipereuctectoide). c) De regeneración de red para los hipereuctectoides. d) Oscilante o de globulización total. e) Subcrítico de globalización de red. f) Subcrítico de eliminación de tensiones. g) Subcrítico de recristalización. h) Hipercrítico de difusión.

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a) Recocido de Regeneración: es de austenización completa. Se lo emplea para favorecer el maquinado de aceros de 0,35 a 0,60 % de C. Se calienta a temperatura Ac3 + 30ºC, según el porcentaje de C. se aplica a aceros forjados o laminados para regenerar su estructura, se enfría a velocidad menos a 30 ºC / hora hasta los 600 ºC y luego puede enfriarse al aire porque ya esta transformada totalmente en austenita. Ablanda el acero y regenera su estructura que queda formada por Perlita aislada y bordeada por grano de Ferrita. La temperatura de austenización es de suma importancia, debe mantenerse solamente 30 a 40 ºC por encima de Ac3 para que la medida del grano de austerita sea fina y también la de la estructura transformada y de esta manera se beneficia las propiedades.

b) Recocido de Regeneración teórica: es para los aceros hipereutectoides. Se debe recalentar por encima de Ac3 y llega a la austenización completa, luego se debe enfriar lentamente hasta llegar que la austenita se transforme totalmente.

Caso no es usado, ya que no se llega a un acero para que pueda ser maquinado. Se usa para ello el de regeneración de red.

c) Recocido de Regeneración de Red: para hipereutectoide. Es calentado por encima de Ac1 y produce una recristalización total. Se consigue la disolución de la mayor parte de la cementita excesiva, luego se enfría lentamente hasta los 620º C, en este tiempo se genera la Perlita en forma granular y la Cementita en forma laminar. Luego el enfriamiento se realiza al aire libre, el acero posee menor dureza y puede ser maquinado.

d) Recocido oscilante o Globulización total: se realiza empleando un ciclo oscilante de temperatura que son unas veces superiores y otras inferiores a Ac1. Se realiza en aceros Hipereutectoides para globulizar la cementita. Como en aceros Hipereutectoides es difícil obtener estructura globular, sin embargo, con permanencia prolongadas y oscilaciones de temperatura se consigue también en los aceros de bajo contenido de C. hay ciertas tortillerías de 0,25 a 0,35 % de C que son roscados por laminado en frío, se rigen luego de que posean este tipo de estructuras granulares.

e) Recocido subcrítico de Globalización de red: son también conocidos globular de austenización incompleta. El fin que se persigue con estos recocidos es obtener la menor pureza posible y una estructura microscópica favorable para el mecanizado de piezas. En los aceros hipereutectoides se trata que la cementita y los carburos de la aleación adopten una disposición más o menos globular que la para la composición una dureza muy inferior a cualquier otra microestructura e incluso a la perlita laminada.

f) Recocido subcrítico de eliminación de Tensiones: para eliminar tensiones y aumentar la ductibilidad, para disminuir la dureza pero no hay tanto interés de

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obtener la menor dureza posible y sí interesa un tratamiento rápido y económico. Se calienta por debajo de Ac1 y se enfría al aire, no hay peligro de endurecimiento al enfriar, se obtiene dureza menos a las que se obtienen directamente de la forja y laminación, pero mayor a las que se obtienen de recocido de regeneración.

g) Recocido Subcrítico de Recristalización: se efectúa a una temperatura alrededor de los 650 ºC y tiene por objeto principalmente aumentar la ductibilidad de los aceros de poco contenido de C estirado en frío. Con el calentamiento a esa temperatura se destruye la cristalización alargada de la Ferrita apareciendo nuevos cristales más dúctiles que los primitivos que permiten estirar o laminar nuevamente el material sin dificultad. El enfriamiento suele hacerse al aire.

h) Recocido Hipercrítico de Difusión: es conocido también como recocido de homogeneización y se realiza a las piezas fundidas y coladas y a las laminadas en caliente, es necesario calentar por encima de Ac3 unos 200 o 300 º C más y mantenerla a esa temp. Alrededor de 10 a 20 horas. La homogeneización química se fundamenta en la difusión de los átomos de los elementos segregados en la zona interdendrítica donde su concentración es mayor. En el calentamiento del acero se realiza la transformación 3 etapas:

1) Formación y crecimiento posterior de los gérmenes o núcleos de austenita proveniente de la Ferrita y de la Perlita para la cual se requiere que se produzca la transformación de la fase alotrópica de Fe Alfa a Fe Gamma para permitir la posterior disolución del C ya que el Fe Alfa no lo disuelve sino en pequeñas proporciones.

2) Disolución de la Cementita.

3) Homogeneización de la Austenita obtenida por difusión del C por permanencia prolongada, luego se realiza un enfriamiento lento.

Normalizado:

Se calienta a 50º C arriba de Ac3 y se enfría al aire. Se usa cuando se sospecha que el grano tiene heterogeneidad proveniente del laminado o forjado.

Se uniformiza la estructura y en aceros de bajo % de C se favorece el maquinado. Los granos de Ferrita que se forman son más pequeños porque menor es el salto de temperaturas en que se forma. La Perlita es más fina aumentando el límite elástico sin variar la carga de rotura por lo cual se mejora al relación de elasticidad. Hay poca pérdida de ductibilidad conservando tenacidad, se lo refiere al recocido de Aceros de bajo % de C, menor del 0,4 %

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y en Aceros de más C salvo que se quiera máxima maquinabilidad. El calentamiento para el Normalizado puede hacerse en baño de sales por la ventaja de la alta velocidad de transferencia del calor y evitar ulterioridades que se traducen en oxidación, descarburación, etc. Tiene la desventaja de la limpieza posterior. Tratamiento fácil de ejecutar, sirve para piezas fundidas, forjadas, mecanizadas o soldadas, afina la estructura y elimina Tensiones.

Temple:

Es un trat. térmico que consiste en calentar un producto siderúrgico durante un cierto tiempo a una temperatura por encima del punto Crítico Superior y luego enfriarlo bruscamente en un medio líquido o gaseoso. Tiene por objeto endurecer y aumentar su resistencia al desgaste. La dureza que se tiene en el Temple de los Aceros y la Templabilidad o penetración del Temple son 2 características que se confunden con mucha frecuencia. Si templamos varias clases de aceros podemos ver que unos se endurecen más que otros, también vemos que la penetración de la dureza hacia el interior es también unas veces mayor que otras. La dureza es la resistencia que opone el material a la penetración y la templabilidad viene determinada por la profundidad y distribución de la dureza en el interior de la pieza.

Objeto del Temple: se persiguen distintos objetivos entre los que se encuentra obtener la estructura martensítica que modifican las distintas propiedades del producto siderúrgico de las siguientes formas:

Propiedades Físicas: densidad, aumenta el volumen por acción de dicho tratamiento; Resistividad: la resistencia eléctrica del acero aumenta; magnetismo, la intensidad magnética del acero disminuye; sonoridad: la sonoridad del arco disminuye.

Propiedades físico-químicas: el temple constituye un tratamiento preparatorio o previo para la obtención de determinadas estructuras y en consecuencia definidas características mecánicas.

Tratamiento Heterogéneo: El temple puede tener entre otro por finalidad principal producir la máxima dureza en el acero, propiedad que puede obtenerse para afectar solamente la periferia, superficialmente o localizada a determinada zona, integralmente a toda la masa metálica.

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Factores del Temple: los factores que tienen relación directa con el temple son:

a) Comparación química y estado estructural del producto antes de templar. b) Temperatura de Temple. c) Tiempo de calentamiento. d) Velocidad de enfriamiento.

Diámetro crítico ideal:

Se define así en un Acero al diámetro del mayor redondo de ese acero, en cuyo centro se consigue una estructura microscópica con 50% de Martensita, después de ser enfriado desde la temperatura de Temple en un medio de enfriamiento teórico cuya capacidad de absorción del calor fuese infinita. El diámetro crítico se determina para un tipo de acero y para un medio de enfriamiento determinado, dicho de otra forma, para un acero determinado se puede determinar distintos diámetros críticos para cada medio de enfriamiento.

Temple superficial: es un procedimiento en el que endurece únicamente la capa superficial de las piezas. El calentamiento se puede hacer por llama o por corriente inducida de alta frecuencia.

a) Calentamiento por llama oxiacetilénica: se emplean con mucho éxito para endurecer superficialmente ciertas piezas de aceros de 0,30 a 0,90 % de C que por su forma y dimensiones no pueden ser endurecidas por otro método. Se emplean instalaciones que constan de uno o varios sopletes que calientan las piezas que se van a endurecer y varios chorros de agua que enfrían rápidamente las zonas calientes que quedan templadas y con gran dureza superficial.

b) Calentamiento por corriente de inducción de alta frecuencia: este procedimiento se utiliza para endurecer superficialmente pequeñas piezas de acero por temple en la zona periférica. El recalentamiento se efectúa en muy pocos segundos pudiéndose además si se desea localizar el tratamiento en zonas muy limitadas. Las piezas se colocan en el interior de unas espiras a través de las cuales se hace pasar una corriente eléctrica de alta frecuencia que calienta la pieza. Luego se enfría rápidamente con una ducha de agua o introduciéndose en un recipiente con aceite o agua. Las espiras están construidas con un tubo de Cobre refrigerado por agua. En este método se puede regular la profundidad del calentamiento y con ello la penetración de la dureza.

Curva de temperatura Tiempo- Transformación, TTT o curva de la S:

La mejor manera de estudiar la descomposición meta estable o de no equilibrio de la Austenita es por medio de la curva de la S. Los diagramas TTT se determinan experimentalmente para cada acero. Factores tales como la medida del grano, heterogeneidad pueden cambiar la curva de un acero de determinada composición pero generalmente no se lo tiene en cuenta. La curva

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de la S depende fundamentalmente de la composición y en especial del contenido de los elementos aleantes.

La curva permite determinar la menor velocidad de enfriamiento, permite obtener estructura Martensítica en un determinado acero. Esta velocidad se denomina velocidad Crítica de Enfriamiento, a velocidades menores a la Crítica no se obtendrá estructura Martensítica porque la curva de velocidad cortará a la curva de las S en zona que no son de la formación de Martensita. El tamaño de grano al aumentar disminuye la velocidad crítica por lo tanto desplaza a la curva hacia la derecha. La curva de las S es una curva que dan las transformaciones que se realizan a temperatura constante, es Isotérmica. En la práctica las transformaciones se realizan a enfriamiento continuo. El enfriamiento continuo varía ligeramente la forma con respecto a la Isotérmica, no obstante conserva en general la forma de la Curva de las S, y las trasformaciones, por la tanto ocurren a temperatura más bajas y retardan más, es decir, el enfriamiento continuo desplaza a la curva hacia la derecha y hacia abajo.

Revenido:

En estado de Temple la estructura está compuesta por Martensita más la Austenita retenida o residual, esta estructura es muy dura pero frágil, no es práctico su uso por no tener tenacidad. El tratamiento Térmico que se practica posterior al Temple con el objeto de restituirle ductibilidad con sacrificio de dureza se denomina Revenido. Es un Trat. Térmico subcrítico y sus efectos son funciones directas de la temperatura alcanzada y del tiempo de permanencia en ella, en general la velocidad de enfriamiento es indiferente en los resultados, por ejemplo, se reviene a baja temperatura entre 120 y 250 º C si la resistencia y dureza son importantes y es suficiente una tenacidad moderada como en el

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caso de rodamientos, limas, etc. Pero si se Reviene a 400 y hasta 600 ºC se sacrifica la resistencia y dureza, pero hay un aumento muy significativo de la tenacidad. La estructura final del Revenido es Carburo Globulares en matriz ferrítica. El estudio del revenido puede hacerse en intervalo de 4 temperaturas:

1) Subenfriamiento: cuando se templa un acero no toda la Austenita pasa a Martensita, algún porcentaje queda sin transformarse, se denomina Austenita Retenida y su cantidad puede variar de 1 a 50 % a temperatura ambiente. La Austenita Retenida es muy común en aceros de herramientas, su cantidad aumenta con el porcentaje de % y la presencia del Manganeso y Níquel, para disminuirla se debe efectuar luego del templado un enfriamiento a temperatura subcero, algunos se enfrían hasta menos de 30 ºC, este enfriamiento se debe efectuar inmediatamente luego del temple, de lo contrario, la Austenita retenida se estabiliza y no se descompone más.

2) Calentamiento entre 95 y 200 ºC: al calentar a esta temperatura un acero templado se produce la migración del C con la consiguiente pérdida de Tetragonalidad, hay precipitación de Carburo muy fino, se mantiene todavía alto el valor de su resistencia y su dureza y se aumenta algo la tenacidad, todavía hay Austenita Retenida.

3) Revenido entre 230 y 370 ºC: se usa para acero templado en muy pocos casos, esta zona de temperatura queda entre el intervalo donde la dureza es el principal objetivo (inferior a 250 ºC) y aquel donde es fundamental la tenacidad (superior a 370ºC).

4) Intervalo entre 370 y 675ºC: este intervalo tiene 2 subdivisiones y el Revenido se efectúa entre 370 y 540 ºC, proporciona excelente tenacidad y grado de dureza aceptable, pero si el Revenido se realiza en la parte superior entre 540 y 675ºC, se obtiene máxima tenacidad sacrificando la resistencia y la dureza, en el revenido no hay que pasar Ac1 porque aparece la perlita, esto se debe especialmente a tenerse en cuenta en aceros al Nitrógeno, porque el N baja la temperatura Eutectoide.

Tratamientos Isotérmicos:

Recibe este nombre cierto tratamiento a los que el enfriamiento de las piezas no se hace de una forma regular progresiva, sino que se interrumpe o modifique diversas temperaturas inferiores a la Crítica Ac1.

Recocido Isotérmico:

Tiene la ventaja de ser mucho más rápido que los recocidos ordinarios de enfriamiento lento. Debido a la información que dan las curvas de las S, es posible elegir la temperatura de transformación conveniente para corregir determinada micro estructura y diversas. El Recocido Isotérmico consiste en calentar el acero a una temperatura ligeramente superior a la crítica y enfriarlo

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lo más rápidamente posible a una temperatura ligeramente inferior a A1 manteniendo el acero a esta temperatura el tiempo necesario para que se unifique la transformación de la Austenita y luego se enfría al aire. El recocido Isotérmico es muy interesante para los Aceros de Herramientas de alta aleación. Debido al ahorro de tiempo que se consigue de esta forma, aproximadamente la mitad de tiempo. En los tratamientos tiene gran importancia el enfriamiento del material hasta la temperatura del Bronce se logra muy rápidamente y con el proceso puede ser costoso y el acero quedará blando.

Recocido con Enfriamiento Lento:

Calentamiento a 789ºC. Mantenimiento de 1 hora, enfriamiento lento con una velocidad de 15º/ hora enfriamiento al aire desde 625 ºC. duración de 12 a 24 horas.

Recocido Isotérmico:

Calentamiento 787ºC, mantenimiento de 1 hora. Enfriamiento a 700 º C, mantenimiento en 2 horas. Enfriamiento al aire desde 700 ºC, Duración de 6 a 12 horas.

Austempering:

Se utiliza en la fabricación de pequeñas piezas de herramientas de acero al C de baja aleación con dureza de 40 a 50 Rostwell- C. Las piezas sometidas a este tratamiento quedan con estructura Bainíticas que tienen una tenacidad mucho más elevada que la que corresponde a piezas iguales obtenidas por temple y Revenido. Además debido a la transformación Isotérmica de la Austenita y la no existencia de una etapa martensítica el peligro de grietas y deformaciones desaparece. El Austempering consiste en calentar el Acero a una temperatura ligeramente superior a la Crítica y enfriarlo luego en un baño caliente que es mantenido a temperatura constante durante un tiempo suficiente para que se verifique la transformación total de Austenita de Bainita. La temperatura del baño suele variar de 250 a 500 ºC.

Martempering:

Este tratamiento se hace calentando el acero y manteniéndolo a una temperatura superior a la crítica durante un tiempo suficiente para su completa

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austenización y enfriarlo luego en un baño de sal fundida cuya temperatura suele oscilar entre los 200 y 300 º C donde debe ser superior al punto de comienzo e formación de Martensita. El material debe permanecer en el baño caliente el tiempo suficiente para conseguir que toda la masa del acero incluso el corazón de la pieza alcance e iguale la temperatura del baño. No prolongando demasiado la permanencia para evitar que se inicie la transformación en ningún otro punto enfriándose luego la pieza en aire. De esta forma se obtiene una estructura Martensítica con muy poca tensiones, es necesario que el enfriamiento en el Martempering sea lo suficientemente rápida para que la curva de enfriado no corte la nariz de la S en ningún punto, pues si lo hiciera, parte de la Austenita se transformaría en otro constituyente y al llegar a la zona de formación de la Martensita, tendríamos que parte de la masa no sería ya Austenita y no se podrá transformar.

Patenting:

Este tratamiento se suele utilizar en la industria de trefilería para la fabricación de alambres de alta resistencia, unas veces se emplea como tratamiento intermedio para destruir el efecto del estirado y conseguir estructuras muy finas del tipo Sorbítico, Trostítico o Bainítico, muy convenientes para los trabajos de Trefilería, pues tiene gran tenacidad una excelente aptitud para el estirado, y otras veces se emplea como operación final para que el alambre de acero quede con una resistencia muy elevada. El proceso que se sigue en los tratamientos de estos aceros consiste en calentar por encima de la temperatura crítica hasta conseguir el estado austenítico completo y enfriarlos luego con relativa rapidez según el espesor del alambre y los resultados que se quieren obtener al aire o en baño de sales o en Plomo fundido.

Tratamientos en los que hay cambio de composición:

En esta clase de tratamientos además de considerar el tiempo y la temperatura como factores fundamentales hay que tener en cuenta también el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. Este tratamiento se suele utilizar para obtener piezas que deban tener gran dureza superficial para resistir el desgaste y buena tenacidad en el núcleo. Los tratamientos pertenecientes a este grupo son:

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Cementación:

Por medio de este tratamiento se modifica la composición de las piezas aumentado el contenido de C de la zona periférica obteniéndose después por medio de temple y revenido una gran dureza superficial.

Se pueden emplear cementantes sólidos, líquidos y gaseosos, oscilando la duración de la cementación de 6 a 10 horas cuando se usan cementantes sólidos, de 1 a 6 horas cuando se trata de sales o cementantes líquidos y de 1 a varios días para los gaseosos.

La operación se realiza normalmente a temperatura comprendidas entre 850 y 1000 ºC, siendo la temperatura próxima a 900 º C la más usada.

En el proceso de cementación se pueden distinguir 2 etapas distintas: la absorción del C por el acero y el mejoramiento e características por medios de tratamientos térmicos adecuados, una pieza después de cementada se puede considerar compuesta por 2 zonas principales de composición química diferentes. El alma o núcleo central y las periferias de capa cementada, existiendo entre ellas otra tercera zona en transición de menor importancia. Para quedar después de la cementación la capa exterior con un alto contenido de C y el corazón con la composición inicial es posible obtener luego gran dureza en la periferia y alta tenacidad en el núcleo, pero como sólo con la cementación las piezas no adquieren esas propiedades es necesario darle después unos tratamientos térmicos adecuados. Después de la cementación la periferia a pesar de tener un elevado porcentaje de C está todavía relativamente blando y el núcleo central aún siendo de muy bajo contenido de C puede ser frágil por tener la estructura muy grosera por haber permanecido el acero durante mucho tiempo a alta temperatura. Como la periferia y el núcleo central de las piezas cementadas son distintas composición necesitarán diferentes tratamientos, pero como ambas partes son inseparables estos tratamientos deberán ser de tal naturaleza que actúen favorablemente para ambas partes o que si favorecen a una sea la menos desfavorable para la otra.

Cianuración:

Es un tratamiento parecido a la cementación en el que el acero absorbe C y N en las zonas superficiales quedando luego esa zona periférica muy dura después de un temple final. Este procedimiento se emplea para endurecer superficialmente pequeñas piezas de acero. Los baños de cianuración contienen Cianuro, Carbonato y Cianato Sódico con o sin Cianuro Sódico como diluyente. El contenido de Cianuro eme ñ baño suele variar del 20 al 90 %, el Cianato Sódico no se añade intencionalmente al baño, sino que se forma por oxidación del Cianuro durante el trabajo, operando a Temperaturas de 750 a

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950 ºC y empleando baños cubiertos con escamas de grafito, el porcentaje de Cianato Sódico no suele Exceder de 3 %, el Carbonato Sódico es el último producto que se forma en los baños por descomposición u oxidación del Cianuro por la acción oxidante del aire. La carburación del acero se realiza por la acción del Monóxido de Carbono que se desprende del baño y la cianuración por efecto del Nitrógeno.

Carbonitruración:

La carbonitruración es un procedimiento muy empleado e la actualidad para endurecer superficialmente los aceros. Este tratamiento se diferencia de la cementación en que parte del endurecimiento se consigue por la acción del Nitrógeno. Las piezas que se carbonitruran se calientan a temperaturas próximas a los 850 ºC en una atmósfera gaseosa que cede al acero simultáneamente C y N y luego se enfrían en forma adecuada para obtener gran dureza en la zona superficial con buena tenacidad en el núcleo. El endurecimiento se consigue al templar las piezas cuya periferia ha absorbido una cantidad importante de C favoreciéndose el endurecimiento como veremos luego por la presencia de N en el acero. Para introducir el C en el acero se puede emplear un gas carbonoso o un líquido carburante que se vaporiza en el horno. El N absorbido por el acero proviene del amoníaco que se incorpora al gas. Este procedimiento ha recibido diversos nombres como cianuración seca, cianuración gaseosa y/o nitrucarburación.

Una de las ventajas más importantes de la carbonitruración es el Nitrógeno absorbido en el proceso, que disminuye la velocidad crítica de temple en el acero. Esto significa que la capa periférica de un acero carbonitrurado templa mucho más fácilmente que cuando el acero ha sido cementado. Esto facilita mucho la sustitución de los aceros de alta aleación por aceros de bajo precio, además se amplia el campo de aplicación de aceros comunes baratos.

Sulfinización:

Es un tratamiento que se da a los aceros a 560ºC aproximadamente en baños de sales de composición especial que mejora extraordinariamente la resistencia al desgaste, esta mejora se consigue por la incorporación de Azufre a la superficie de la pieza de acero sin que con ella se aumente mucho la dureza. Para el tratamiento se suele usar un baño formado por sales, una de bajo punto de fusión formada por Carbonato Sódico, con Cianuro Sódica y Cloruro Potásico que en cierto modo puede considerarse como una típica sal de Cianuración, y una sal portadora de Azufre constituida por Cloruro Potásico con Cianuro Sódico y Sulfito Sódico. El contenido de Sulfito Sódico del baño suele

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ser del 12 % aproximadamente a veces se suele usar para relleno una tercera sal de carácter neutro.

En la Sulfinización se produce una transformación superficial del metal con penetración de ciertos cuerpos en la capa superficial del metal que se produce en forma parecida a la Fosfatación pero en la Sulfinización el agente de penetración es el Sulfocianuro y la temperatura de transformación es de565 º C, son mucho más elevada que la Fosfatación.

En la Sulfurización se forman 2 capas, una superficial dura y frágil, de muy poco espesor, de 10 a 30 micrones y otra interior más blanda y de mayor espesor. La profundidad total que se alcanza en el trabajo es de 0,30 mm. En numerosos ensayos tecnológicos hechos sobre ejes, cojinetes, levas, etc, con aceros templados, con aceros cementados y templados, con aceros Sulfinizados, se observa que las piezas sulfinizadas tienen una resistencia al desgaste extrordinariamente y mucho más elevada que las demás, esto se debe a un aumento de dureza y a la gran aptitud que tiene la capa sulfinizada al rozamiento. Se comportan en cierto modo como metales antifricción.

Nitruración:

Es un proceso de endurecimiento superficial en el que por absorción de Nitrógeno se consiguen durezas extraordinarias en la periferia de las paredes del acero. Los objetos que se desean nitrurar son siempre templados y revenidos antes de la nitruración para que el núcleo central quede con una resistencia elevada y ser capaz de resistir durante el trabajo las grandes presiones que les transmite la capa exterior dura. Las piezas después de templadas y revenidas se colocan en una caja cerrada a través de la cual se hace pasar durante toda la operación una corriente de Amoníaco, y todo el conjunto se introduce dentro de un horno en el cual se mantienen a una temperatura muy próximas a los 500 ºC. Con procesos normales de 20 a 80 horas de duración se obtienen capas nitruradas de espesores variables desde 0,20 a 0,70 mm. Como después de la Nitruración las piezas ya quedan duras superficialmente no es necesario enfriarlas rápidamente desde elevadas temperaturas, después de estar completamente mecanizada como se hace en la cementación evitándose por lo tanto las deformaciones que en estos enfriamientos bruscos se originan. Además la Nitruración no modifica las características que se han obtenido previamente en el núcleo por temple y revenido pudiéndose conseguir durezas muy superiores a las que se obtienen en la Cementación.