Hierro perlitico maleable

Constituyentes estructurales de las fundiciones

Las fundiciones son mezclas de acero y grafito. Pueden hallarse presentes los constituyentes de aquellos, más los específicos de estas: grafito, steadita y ledeburita:
– Grafito: Cristaliza en el sistema hexagonal. Muy blando, quebradizo, untoso y color gris. Se presenta en forma de láminas curvadas con aristas muy finas. Estas laminas carecen de resistencia y crean una discontinuidad en la masa metálica, que la hace frágil y muy maquinable. La formación del grafito va acompañada de aumento de volumen, haciendo que la contracción de solidificación de las fundiciones sea muy baja. Resistencia mecánica mayor cuanto menores son las laminas de grafito, y si este adopta forma esférica, la fundición se hace maleable. – Steadita: Eutectica, dura y frágil. Con Tª de fusión de 960ºC. Se presenta en las fundiciones grises. Forma una eutéctica celular binaria de ferrita y Fe3P, mientras que en las fundiciones blancas, forma parte de una eutéctica ternaria de ferrita-cementita-Fe3P. El contenido en fosforo es del 10% – Ledeburita: Eutectica formada por austenita y cementita. Se origina al terminar la solidificación de las fundiciones a 1145ºC. En las fundiciones ordinarias, no aparece a la Tª ambiente, debido a que se descompone en perlita y cementita. – Ferrita: Se diferencia de la de los aceros, en que lleva cantidades elevadas de Si, que la hacen más resistente. La resistencia de la ferrita de los aceros es de 28, y la de las fundiciones con 25%Si, de unos 45 kp/mm2. – Perlita: Se diferencia de la de los aceros en que su % de carbono es mas bajo. Fundiciones blancas: la mayor parte del carbono se convierte en cementita en lugar de grafito al solidificar. Su microestructura se compone de grandes cantidades de cementita en una matriz perlitica. Blanca, porque cuando se rompe, la fractura tiene un aspecto brillante o blanco. Para que se pueda retener el carbono en forma de cementita la aleación deberá tener bajo contenido en carbono y Si y alta velocidad de solidificación. Poco interés industrial.

Se caracterizan por

Gran dureza/densidad:7.7/fuerte contracción al solidificar/difícil mecanización/baja colabilidad – Fundiciones grises: el carbono esta en forma de grafito laminar y el Fe en forma de ferrita. Contenido en carbono del 1.7% y de Si 1-3%. Como el Si, es un estabilizante del grafito se utiliza un elevado contenido de este. Velocidades de enfriamiento moderadas y bjas favorecen la formación del grafito.
Tienen gran interés industrial en la fabricación de piezas sometidas a vibraciones, esfuerzos de compresión y a desgaste. Es el material preferido para colar. Es barata, de fácil colabilidad, bajo coeficiente de contracción y mínima tendencia a la formación de rechupes. Fácil mecanización Se caracteriza por:
Propiedades autolubricantes/menor dureza que las fundiciones blancas/densidad 7.25/gran resistencia a la corrosión/Fácil mecanización/gran capacidad de amortiguación/Buena resistencia a la compresión/Alta colabilidad – Fundición dúctil: llamada de grafito esferoidal. Junta las ventajas de la fundición gris y las de los aceros. Buena fluidez. Su composición en C y Si es similar a la fundición gris. Buenas propiedades debidas a los nódulos esféricos de grafito en sus estructuras internas.

Características

Buena fluidez y colabilidad/buena resistencia al desgaste/ fácil mecanización/ alto limite elástico/ buena tenacidad y ductilidad/alta templabilidad/supera el acero en resistencia a la flexion con entalla/puede ser endurecida con llama. Dentro de las fundiciones dúctiles aleadas destacan las austeniticas donde el grafito esta en forma de laminas. Estas aleaciones no son magnetizables, resistentes a la corrosión y al calor, con buenas propiedades de deslizamiento, y mecanizan mejor que el acero austenitico. – Fundición maleable: Se obtiene de la fundición blanca de buena colabilidad y se genera mediante un proceso de maleabilización. Se someten a un tratamiento térmico dividido en dos etapas: Grafitización: Se calientan a una Tª superior de la eutectoide y se mantiene entre 3 y 20 horas dependiendo la composición, estructura y tamaño de la fundición. Enfriamiento: La austenita se puede transformar en ferrita, perlita o martensita. Se caracteriza por: ser muy tenza, fácilmente mecanizable, y algo maleable. Dentro de las maleables están las maleables blancas, y maleables negras:

Fundición maleable blanca

: Fundición maleable recocida descarburizada. Piezas fundidas se ponen en contacto con una atmosfera rica en oxigeno y se recuecen a 1000ºC. La cementita se descompone en hierro y carbono. Al descarburarse en las capas exteriores la superficie de rotura tiene un aspecto blanco. La fundición maleable blanca es adecuada en piezas pequeñas, en grandes series. Pueden ser cementadas.

Fundición maleable negra

: fundición maleable recocida no descarburada. Las piezas fundidas se envuelven con productos neutros como arena o gases protectores. Cuando se procede a un recocido, la cementita se descompone en hierro y grafito en forma de escamas. La superficie de rotura tiene un aspecto negro.

Recocido

Consiste en ablandar el material para variar las características de la fundición. Tres tipos: – Recocido de estabilización: elimina las tensiones producidas por las variaciones térmicas a las que se somete al material. – Recocido de ablandamiento: ablanda el material de las fundiciones, normalmente grises – Recocido de maleabilidad: Hacer maleables las fundiciones blancas Temple
Consiste en endurecer el material, calentándolo hasta una Tª de 750-900ºC hasta conseguir la austenizacion, y finalmente enfriarlo para que la austenita se transforme en martensita. El enfriamiento se hace en aceite, para evitar roturas o deformaciones de la fundición. Temple superficial: Endurece la superficie de la pieza para aumentar la resistencia la desgaste, manteniendo las características iniciales del resto del material. Los resultados son inferiores a los obtenidos en los aceros.

Revenido

Tratamiento térmico que se aplica a continuación del temple y que sirve como complemento de este. Se calienta el material hasta una Tª inferior a la crítica, someterlo a un enfriamiento al aire. Aumenta la tenacidad y disminuye la dureza.

Mineral de hierro

Las menas de hierro que se extraen de las minas, contienen hiero en proporciones diversas. La mena con más del 70% de hierro es la mejor para la producción de hierro. Existen grandes yacimientos de este mineral en EEUU y suiza. La pirita no es utilizable por su alto contenido en azufre. Una vez obtenido el mineral de la mina se tritura, se separan las impurezas por métodos magnéticos y se transforma en bolas o pelets, con un contenido en hiero puro del 65% Coque
Se obtiene del carbón piedra calentándolo en hornos verticales a Tª de 1150ªC enfriándolo en torres de enfriamiento, obteniéndose así un residuo que es el coque. De los hornos de coque se obtienen: gas, combustible, azufre, aceite y alquitranes. El coque es un material duro, frágil y poroso, con un % en C de 80 a 90%. La función del coque en el proceso de obtención del acero es: – Generar Tª necesaria para que se produzcan las reacciones químicas para la producción de acero. – Producir CO, para la reducción del oxido de hierro. El oxigeno se elimina de un compuesto como el mineral de hierro y se combina con el carbono. Cuando el mineral de hierro se pone el contacto con el coque en el horno alto, se libera hierro metálico en su estado de oxido por reducción.

Piedra caliza

Su misión es eliminar las impurezas. Mediante dos procesos: – Actuar como fundente. Reacciona químicamente con las impurezas, haciendo que estas se fundan a baja Tª. – Formando escorias: Reacciona químicamente con las impurezas produciendo escorias con poca densidad, las cuales se pueden retirar fácilmente porque flotan sobre el metal fundido. La preparación de la caliza, del mineral del hierro y del coque, antes de ser introducidos en el horno alto, se realiza por medio del lavado, del triturado y el cribado para obtener calidad y tamaño.

Horno alto

Instalaciones industriales utilizadas para la producción de hierro, a partir de al arrabio o hierro cochino obtenido en el que se producen los aceros de calidad y fundiciones en procesos posteriores. En la primera fusión, el producto que se obtiene es el arrabio, hierro con un % de carburos y de impurezas incontrolado que hace que no sean utilizables comercialmente. Los hornos altos producen diariamente 1600 tn de arrabio. La parte superior se llama tragante, y permite la entrada del carbón, el mineral y el fundente por capas alternadas. La parte más ancha se denomina vientre. El cono inferior se llama etalaje. En su parte superior puede tener 8 metros de diámetro y una altura de 60m. Está construido de acero, y el interior de materiales refractarios. La caliza, el coque y le mineral de hierro se introducen por la parte superior del horno por medio de vagones. 1tn de arrabio, necesita 2tn de hierro, 0.8 tn de coque, 0.5 tn de piedra caliza y 4000 tn de aire caliente. El aire necesario, se introduce por medio de toberas distribuidas de forma equidistante alrededor del horno. El calentamiento del aire se realiza por estufas COWPER, que aprovechan la Tª de los gases de la combustión del horno alto. Mediante la inyección de aire caliente a 550ºC, se reduce el consumo de coque en un 70% Proceso de pudelado
El hierro pudelado o hierro dulce tiene un contenido en carbono muy bajo y el contenido en escoria no supera el 0.003%. El proceso consisten en fundir arrabio y chatarra en un horno de reverbero de 230kg, este horno es calentado con combustible diversos: carbón, gas natural..
La Tª se eleva lo suficiente para eliminar por oxidación el carbono, el Si y el S. Para eliminar todos los elementos diferentes al hierro, el horno debe estar recubierto con refractario de línea básica. El material se retira del horno en grandes bolas en estado pastoso. Este material se utiliza para la fabricación de aleaciones especiales de metales. El proceso similar Aston, en lugar de horno de reverbero, se usa convertido Bessemer, con lo que se obtiene mayor cantidad de material.

Horno de afino

Pueden controlar el carbono por medio de aire u oxigeno, así como la eliminación de elementos como el P, S, Si y el Mn. El acero se obtiene por transformación del mineral del hierro a Tª de 1600º, en esta transformación se desprende el carbono en forma de CO2 además de formarse óxidos de azufre y de fosforo en forma de escoria, – El fosforo se oxida en forma de oxido de fosforo – El S se oxida en forma de dióxido de azufre – El Si se oxida en forma de dióxido de Silicio – El manganeso se oxida en forma de oxido de manganeso – El C se oxida formando dióxido de carbono Hornos Bessemer
Es un horno en forma de pera que esta forjado con refractario de línea acida o básica. El convertidor se carga con chatarra fría y se le vacía arrabio derretido, se le inyecta aire a alta presión con lo que se eleva la Tª por encima del pto de fusión del hierro haciendo que este alcance el punto de fusión. Las impurezas son eliminadas y se obtiene acero de alta calidad.

Horno básico de oxigeno (BOF)

Es un proceso de producción de acero, rápido y eficiente. Horno similar al Bessemer, pero en lugar de inyectar aire a presión, se le inyecta oxigeno a presión. Se eleva mucho mas la Tª que en el Bessemer y en un tiempo muy reducido. El nombre del horno se debe a que tiene un recubrimiento de refractario de línea básica y a la inyección del oxigeno. La carga del horno es: 200 tn de arrabio, y 90 tn de chatarra. A continuación se insufla oxigeno puro en el horno durante 20 minutos a través de una lanza refrigerada por agua a presión de 1250KPa. La Tª de operación del honro es superior a 1650ºC. Considerado el sistema más eficiente para la producción de acero de alta calidad, reafina 250 tn de acero en un tiempo de 45 minutos, con bajos niveles de impurezas.

Horno de hogar abierto (Martin siemens)

Entre 100 y 375 tn de metal por colada. Cada colada es de 8 a 10 horas. Si se utiliza soplete de oxigeno, sula duración se reduce a 4h y se ahorra 25% de combustible.  Durante este tiempo el arrabio fundido, la chatarra, el mineral de hierro y otros elementos, tales como el manganeso se agregan para controlar la colada. Tienen fondo poco profundo y la llama está en contacto directo con la carga por lo que es considerado como un horno reverbero. El combustible es gas, brea o petróleo. Tienen chimeneas laterales las cuales además de expulsar los gases, calientan el aire y el combustible, por lo que son hornos regenerativos.
La Tª de fusión y oxidación es de 1800ºC y el aire esta precalentado a 1100ºC Durante el proceso se genera CO que ayuda por agitación a un buen mezclado. Se añaden aleantes como niquel, cromo,etc obteniendo aceros de baja aleación. Se añade ferrosiliceo, aluminio o manganeso si el acero ha de ser calmado (aquel que ha sido lo suficientemente desoxidado para que no se produzca gas en la lingotera, haciendo el acero muy uniforme.
Si la colada no es calmada, se produce gas en el lingote que al solidificar producen unas oquedades en el interior. Estos aceros son denominados Efervescentes, y estos defectos se eliminan por laminación. Los recubrimientos de estos hornos pueden ser de línea básica o de línea acida. Los de línea básica controlan o eliminan en fosforo, azufre, silicio magnesio y el carbono. Los refractarios de línea acida, solo se puede controlar el carbono. Los hornos con refractarios de línea básica son los más habituales, pero también más caros.

Horno de arco eléctrico

La fuente de calor es generada por un arco eléctrico de corriente continua a Tª de 3800 ºC, obteniendo aleaciones de tungsteno y aleaciones de molibdeno. La fuente de calor está libre de impurezas, lo que permite un mayor control de la fundición. Estos arcos funcionan con tres electrodos de grafito de 40V de tensión y una corriente eléctrica de 12000A. Estos hornos pueden producir hasta 270tn de material fundido por colada. Para fundir 100 tn se requieren tres horas y 50000KWh de potencia. También se inyecta oxigeno puro por medio de una lanza. Se cargan de chatarra de acero de alta calidad, de una pequeña cantidad de carbono y de cal. Se obtienen aceros para herramientas, de alta calidad, resistentes a la Tª y los aceros inoxidables. Como estos hornos son para la producción de aceros de alta calidad siempre están recubiertos con ladrillos de línea básica. El crisol es una placa de acero forrado con refractario mientras que la bóveda es de refractario.

Hornos de inducción

Horno de inducción sin núcleo
Crisol rodeado por una bobina de cobre refrigerada por agua a través de la cual se hace pasar una corriente de alta frecuencia que oscila entre 500Hz y 3000Hz. El calentamiento se produce por la acción de las corrientes parasita de foucalt, al circular una corriente de alta frecuencia, produce a alrededor de la bobina un campo magnético variables de la misma frecuencia, lo que hace inducir las corrientes parasitas en el metal, produciéndose un calentamiento rápido y la fusión del metal. La acción de las corrientes parasita en el metal fundidos producen una agitación que se aprovecha para realizar la mezcla de las aleaciones. Estos hornos se cargan con chatarra de calidad. El T de fusión es 50-90min, con carga de hasta 3.6 Tn Horno de núcleo o de canal
Usa el principio de los transformadores para generar la Tª que produce la fusión del metal. El horno es un transformador donde el primario lo forma una bobina que rodea a un núcleo de hierro dulce y la bobina del secundado lo forma el metal a fundir.

Horno de aire o crisol

Proceso más antiguo, formado por un crisol de arcilla y grafito, lo que lo hace extremadamente frágiles. El crisol se coloca dentro de un confinamiento que puede contener algún combustible sólido como carbón, gas natural, petróleo.. Utilizados en la actualidad para la fusión de metales no ferrosos, se capacidad es de 50-100Kg Horno de cubilote
Los hornos de cubilote pueden producir fundición de hierro de hasta 20 tn cada tres horas. Muy parecido al horno alto, pero de dimensiones mas reducidas. Requieren equipos para el control de emisiones contaminantes, que pueden ser más costosos que el propio horno. Son equipos muy económicos y de poco mantenimiento, para producir fundición de hierro. Formados por un tubo vertical de 4+ y un diámetro de 0.8-1.4 m, son de acero e interiormente están forrados por un material refractario. Se cargan por la parte superior con arrabio troceados o pelets de hierro, chatarra de hierro, coque, y piedra caliza. Iniciando su encendido, se alternan capas de arrabio troceados y de carbón de coque con fundente, Lleno el cubilote, se inyecta aire a alta presión por las toberas para realizar la combustión del coque. El cubilote va provisto de mirillas de cuarzo que permiten observar el proceso de fusión. La fundición se retira del crisol, previa retirada de la escoria, y se deposita en moldes para su solidificación. Por cada Kg de coque, se procesan 8-10Kg de hierro, y por cada Tn de hierro fundid se requieren 40Kg de piedra caliza y 5.78 metro cúbicos de aire a 100Kpa de presión.

Colada continúa

El método tradicional de obtención de lingotes, consiste en el colado de la fundición en moldes de arena, en dejar solidificar y desmoldear. El lingote se conformara por medio de la laminación par obtener barras, láminas y alambres. Mediante este proceso se observan variaciones microestructurales y químicas. Un método para reducir los problemas del colado en lingotes es la colada continua. A la hora de fabricar un material de sección constante y en grandes cantidades, se puede utilizar el método de la colada continua, que consiste en fundir el metal en un crisol que limpia el metal con laTª homogenizada mediante una corriente de nitrógeno durante 10 minutos. El metal pasa a un distribuidor donde se retiran las impurezas superficiales. Del distribuidor pasa al recipiente de vaciado intermedio, el cual puede ir dosificando material fundido al molde. Por gravedad, el material fundido pasa por el molde, que esta enfriado por un sistema de agua; al pasar el material fundido por el molde frío se convierte en pastoso y adquiere la forma del molde. Posteriormente, el material es conformado con una serie de rodillos, que lo arrastran hacia la parte exterior del sistema. Una vez lograda la forma y la longitud, el material se corta y almacena. La colada continua es un proceso muy eficaz y efectivo, con velocidad media de 25mm/s.