07 - Aceros

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Contenido• Definiciones• Fabricación del acero• Clasificación

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Definiciones• Acero: son aleaciones Fe-C, “deformable plásticamente”, con

contenido de C menor a 1,9% y que además contiene otros elementos agregados de forma accidental (impurezas) o deliberada (aleantes). (IRAM-IAS U 500-01)

• Steel: a material that conforms to a specification that requires, by mass percent, more iron than any other element and a maximum carbon content of generally less than 2. (ASTM A 941)

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Fabricación

Planta de fabricación de acero

Materias primasMineral de hierroCarbónFundentes (caliza, dolomita)ChatarraHierro esponja (HRD)Gas naturalArrabioAire caliente¡¡¡Energía!!!

Producto terminadosLargos: barras, perfiles, alambrónPlanos: chapas, flejeHuecos: caño, tubo

Productos finalesbarra maciza, perfil, tubo, caño, hojalata, chapa cincada, alambre, cable08/09/2016 Aceros 4

FabricaciónReducción del mineral

Acondicionamiento de la composición química

Solidificación

Conformado(semiterminados y

terminados)

aglomerado de mineral de hierro + C + (H)

Arrabio (Fe – 4%C)Hierro de reducción directa (hierro esponja) (Fe – 1,5%)

ArrabioHierro de reducción directa (hierro esponja)ChatarraO2 + desulfurantes + ArEnergía

Acero líquido con una determinada composición química

Acero líquido con una determinada composición química

Lingote de aceroAcero de colada continua

Lingote de aceroAcero de colada continua

Semiterminadostocho, planchón, llantónpalanquilla, redondoTerminadoschapa fina o gruesa, barra, perfil, tubo, caño, alambrón08/09/2016 Aceros 5

Reducción• Alto horno

- más clásico- Alto: 50 m – Diámetro de 10 m- C (coke) + aire caliente CO (agente reductor)- C fuente de S- CaCO3 forma escoria que elimina SiO2, Al2O3 y otras impurezas- mayor volumen de producción

• Arrabio- Fe + ~4%C + Mn + Si + >0,05%S + 0,5%P- líquido (puede colarse)

• Reducción directa- alternativa al alto horno- inversión menor- menor volumen producción- CO o H2 (agentes reductores)- reducción en estado sólido a 600 °C – 1000 °C- gran variedad de tecnología- se utiliza junto con hornos eléctricos

• Hierro de reducción directa (DRI)- Fe + Fe2O3 + 1,5%C + 0,005-0,03%S + SiO2 + Al2O3- Sólido (caliente) riesgo de oxidación

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Alto horno

CoqueCaCO3

CO, CO2

Fe +4%C +S+P+Mn+SiCaSiO3 y Ca(AlO2)2

Fe2O3Fe3O4 + impurezas (Al2O3 y SiO2

3Fe2O3(s) + CO(g) 2F3O4(s) + CO2(g)Fe3O4 (s) + CO(g) 3FeO(s) + CO2(g)FeO(s) + CO(g) Fe(l) + CO2(g)

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Reducción directa: Midrex

Utilizado por Tenaris (400.000 t/año) y Acindar (600.000 t/año)

Gas naturalCarbón

pelet briqueta08/09/2016 Aceros 8

Acondicionamiento de la composición química

• Acondicionado del %C +O2 CO, CO2• Acondicionado del %Mn y %Si +O2 MnO, SiO2• Eliminación de impureza S y P (eliminados con Ca), minerales no

reducidos

Ácido SiO2, P2O5Básico CaO, MgO08/09/2016 Aceros 9

Acondicionamiento de la composición química

• Convertidores Básicos de Oxígeno (BOF)• C, Mn, Si + O2 energía no es necesario calentar para

mantener el metal líquido• Revestimiento básico (CaO) S y P bajos niveles• Materia prima: arrabio líquido + chatarra (25-35%)

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Acondicionamiento de la composición química

• Horno de arco eléctrico

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Acondicionamiento de la composición química

• Horno de arco eléctrico– funde HRD y chatarra– en algunas acerías solo funde chatarra– utiliza energía de un arco eléctrico para fundir– puede estar asistido por la combustión de un

gas – electrodos de grafito

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Acondicionamiento de la composición química

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Acondicionamiento de la composición química

• ¿Qué corriente circula por los electrodos en un horno por arco eléctrico de una acería?

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Acondicionamiento de la composición química

• Metalurgia de cuchara (refinación secundaria)• Del BOF u HE se obtiene un acero base, en esta etapa se alcanza la composición final del acero

– Al desoxidación (Al2O3) y reductor de grano austenítico (AlN)– Si desoxidación (SiO2)– Mn desulfuración (MnS) – Ar desgasificación (O2, N2, H2)– Vacío desgasificación (O2, N2, H2)– Ca tratamiento de inclusiones y desulfuración (CaS)– aleantes (por ejemplo Cr, Ni, Mo, V, Ti, V, Nb)– ajuste de la temperatura

• Es una de las instalaciones más complejas y sofisticadas de la acería• El diseño es de acuerdo a las necesidades de la planta “pulmón” entre BOF u HE y el proceso de colada

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Acondicionamiento de la composición química

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Acondicionamiento de la composición química

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Solidificación• Lingotes

– se cuelan cantidades finitas de material

– pueden colarse aceros efervescentes o calmados

– menor inversión – más trabajo intensivo

(confección de moldes)

• Colada continua– se cuela el acero de

manera continua (teóricamente sin limitación)

– no se pueden colar aceros sin desoxidar (efervescentes)

– menor segregación química

– productos más homogéneos

– menor desperdicio por despuntes

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Solidificación• Lingotes

– imagen• Colada continua

imagen

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Conformado primario: semiterminados

• Lingotes– se cuelan cantidades

finitas de material– pueden colarse aceros

efervescentes o calmados– menor inversión – más trabajo intensivo

(confección de moldes)

• Colada continua– se cuela el acero de

manera continua (teóricamente sin limitación)

– no se pueden colar aceros sin desoxidar (efervescentes)

– menor segregación química

– productos más homogéneos

– menor desperdicio por despuntes

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Ejemplos de fabricación de acero• http://www.tenaris.com/es-

ES/AboutUs/ProductionProcesses.aspx• http://www.ternium.com.ar/productos-

proceso-productivo/

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Clasificación• IRAM-IAS U 500-01 Parte 2, según

– composición química– proceso de fabricación– el medio– grado de desoxidación– estructura metalográfica– características específicas– conformación por colado

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Clasificación según composición química• IRAM-IAS U 500-01 Parte 2

– acero al carbono (valores menores a los de la tabla)• de bajo carbono %C < 0,25• de medio carbono 0,25 ≤ %C < 0,6• de alto carbono %C ≥ 0,6

– acero aleado (valores mayores a los de la tabla)• de baja aleación ∑ %aleantes < 2• media aleación 2 ≤ ∑ %aleantes < 5• alta aleación ∑ %aleantes ≥ 5

– acero microaleado %Nb, %Ti y %V como formadores de carburo y refinadores

de grano08/09/2016 Aceros 23

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Clasificación según composición química• Clasifique según su composición química a los

siguientes aceros:Acero %C %Mn %Si %S %P %Ni %Cr %Mo %otros

SAE 1020 0,19 0,5 --- 0,04 0,03 --- --- --- ---15B27 0,28 1,3 0,2 0,04 0,04 --- --- --- B=0,009ASTM A36 0,18 1,2 0,3 0,03 0,04 --- --- --- Cu=0,25ASTM A234 WPB

0,30 1,00 0,25 0,03 0,05 0,3 0,2 0,1 ---UNS S30400

0,05 1,5 0,3 0,02 0,01 9,0 19,5 --- ---08/09/2016 Aceros 25

Clasificación según el proceso de fabricación

• Aceros Siemens Martin• Acero de horno eléctrico

– arco eléctrico– inducción la masa metálica es el circuito secundario

• Acero de convertidor• Acero de horno de crisol• Acero de laminación controlada (fuera de la

norma) o microaleados

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Clasificación según el grado de desoxidación

• Acero calmado desoxidado

• Acero efervescente con oxígeno que al momento de solidificar genera CO

• Acero semicalmado desoxidación intermedia

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Clasificación según su estructura metalográfica

• Acero eutectoide• Acero hipoeutectoide• Acero hipereutectoide• Acero ferrítico• Acero austenítico• Acero martensítico• Acero bainítico• Acero ledeburítico08/09/2016 Aceros 28

Clasificación según sus características específicas

• Acero de baja aleación y alta resistencia (HSLA)• Acero para herramientas

– matrices, estampas, elementos de corte y mecanizado• Acero rápido

– acero de alto carbono y alta aleación, especialmente formadores de carburos (Cr, W, Mo, V)

• Acero inoxidable – %Cr > 11 y %C < 1,2

• Acero refractario – resistente a la oxidación a alta temperatura

• Acero magnético – ferromagnético08/09/2016 Aceros 29

Clasificación según sus características específicas

• Acero amagnético no ferromagnético

• Acero de corte libre S o P como aleantes mejora el mecanizado

• Acero soldable• Acero resistente al desgaste• Acero patinable %Cu > 0,4 resistente a la corrosión atmosférica

• Acero estructural• Acero para construcciones mecánicas08/09/2016 Aceros 30

Clasificación de aceros• ¿Cómo puede clasificar un acero que responde a

la especificación ASTM A 249 TP 316?

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Aceros estructurales vs acero para construcciones mecánicas

• Estructurales– composición química– propiedades

mecánicas– estructura

metalográfica (a veces)

– tipo de producto (geometría y forma)

– ¡listos para cortar, conformar y soldar!

• Construcciones mecánicas– composición química– sus propiedades

mecánicas las obtiene el usuario luego de tratamiento térmico

– se suelen mecanizar

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Aceros estructurales vs acero para construcciones mecánicas

• Estructurales– IRAM-IAS U 500– ASTM– API– EN– ISO

• Construcciones mecánicas– SAE– AISI– IRAM-IAS U 500-600

• Ejemplo– 1010, 1020, 1045– 15B20– 4140– 4340– 812008/09/2016 Aceros 33

Aceros estructurales vs acero para construcciones mecánicas

• Clasificación de aceros de construcciones mecánicas (IRAM-IAS U 500-600)– Aceros al carbono

• 10XX, 11XX, 12XX, 14XX, 15XX– Aceros aleados

• 13XX Mn• 41XX Cr + Mo• 43XX Ni + Cr + Mo• 86XX Ni + Cr + Mo• XXBXX B• XXLXX Pb• XXSXX S08/09/2016 Aceros 34

Aceros estructurales vs acero para construcciones mecánicas

• Estructurales típicos– ASTM A36 chapa estructural– IRAM-IAS U 500-207 barras para construcción– API 5L caños y tubos para industria del petróleo– IRAM-IAS U 500-42 chapa laminada en caliente– IRAM-IAS U 500-503 propiedades mecánicas– ASTM A 516 recipientes a presión– IRAM-IAS U 500-214 chapa cincada– IRAM-IAS U 500-231 chapa laminada en caliente

• Construcciones mecánicas típicos (según IRAM-IAS U 500-600)– 1010, 1020, 1040, 1045, 1080– 1140, 12L13, 15B24– 3115, 4130, 4140, 4340, 5140, 8620,

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Preguntas1. Defina acero ¿Qué diferencias hay entre la definición de IRAM-

IAS U 500-01 y la de ASTM A941?2. ¿Cuáles son las principales materias primas para la fabricación

de acero?3. ¿Cuáles son los productos de salida de una acería? ¿Qué familia

de productos de aceros fabrican las principales acerías de Argentina?

4. ¿Cuáles son las principales etapas del proceso “fabricación de acero”?

5. Describa brevemente las dos modalidades que se utilizan industrialmente para la reducción del mineral de hierro.

6. ¿Cuáles son los agentes reductores en el proceso de alto horno y cuáles en el de reducción directa?

7. Plantee las ecuaciones químicas en cada uno de los procesos.8. ¿Qué función cumple la caliza en la reducción por alto horno?08/09/2016 Aceros 36

Preguntas9. ¿Qué diferencias hay entre el producto de salida del alto horno y

el del horno de reducción directa?10. ¿Cuál es la etapa siguiente a la reducción del mineral en la

fabricación de acero? Mencione los principales métodos con los que se lleva a cabo esta etapa.

11. ¿Qué ocurre en los convertidores básicos de oxígeno (BOF)?12. ¿Qué diferencias hay entre un convertidor Bessemer y uno BOF?13. Describa el funcionamiento del horno eléctrico ¿Cuáles son sus

características y funciones?14. ¿Qué ocurre en el horno cuchara? Mencione tres items que se

lleven a cabo en el horno cuchara.15. ¿Cuáles son las dos formas de solidificar al acero?16. Mencione los productos semiterminados de acero.08/09/2016 Aceros 37

Preguntas17. Mencione tres maneras de clasificar un acero.18. ¿Cuándo un acero se debe considerar de medio carbono y baja

aleación?19. Clasifique según su composición química al acero de

construcción mecánica AISI o SAE 5160 ¿Cuál es su uso más habitual? (buscar en www.matweb.com )

20. ¿Qué es un acero microaleado?21. ¿Qué se entiende por acero eutectoide? ¿Qué contenido de

carbono debería de tener?22. ¿Qué significa que un acero sea inoxidable austenítico?23. ¿Qué diferencia hay entre un acero para herramienta y un acero

rápido?24. ¿Qué diferencia hay entre un acero estructural y un acero para

construcciones mecánicas?08/09/2016 Aceros 38