1 Fabricacion y Denominacion de Los Aceros

 ASOCIACIÓN ESPAÑOL A DE SOLDADURA SOLDA DURA Y TECNOLOGÍAS TECNOLO GÍAS DE UNIÓN

TEMA 2.1 F A B RIC A CIÓN  Y Y  D DENOMIN A CIÓN DE  L L OS A CEROS

 Ac  A c t u ali al i zado zad o p o r : CESOL

Jul io 20 2004 04

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ÍNDICE: 1.- INTRODUCCIÓN A LA METALURGIA DE FABRICACIÓN DEL ACERO 2.- PROCESOS DE FABRICACIÓN DEL ACERO 2.1. Proceso Thomas 2.2. Convertidor LD 2.3. Horno Eléctrico 3.- TRATAMIENTOS ESPECIALES 3.1. Tratamiento en vacío 3.2. Soplado del metal con gases inertes 3.3. Tratamiento del metal con escoria elaborada 3.4. Soplado del metal con materiales en forma de polvos 4.- DESOXIDACIÓN 4.1. Desoxidación por precipitación 4.2. Desoxidación por difusión 4.3. Desoxidación tratando el metal por la escoria en la cuchara 4.4. Desoxidación por el vacío 5.- DEFECTOS EN LOS ACEROS 5.1. Aceros calmados 5.2 . Aceros efervescentes BIBLIOGRAFIA

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Tema 2.1 -1-

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ÍNDICE: 1.- INTRODUCCIÓN A LA METALURGIA DE FABRICACIÓN DEL ACERO 2.- PROCESOS DE FABRICACIÓN DEL ACERO 2.1. Proceso Thomas 2.2. Convertidor LD 2.3. Horno Eléctrico 3.- TRATAMIENTOS ESPECIALES 3.1. Tratamiento en vacío 3.2. Soplado del metal con gases inertes 3.3. Tratamiento del metal con escoria elaborada 3.4. Soplado del metal con materiales en forma de polvos 4.- DESOXIDACIÓN 4.1. Desoxidación por precipitación 4.2. Desoxidación por difusión 4.3. Desoxidación tratando el metal por la escoria en la cuchara 4.4. Desoxidación por el vacío 5.- DEFECTOS EN LOS ACEROS 5.1. Aceros calmados 5.2 . Aceros efervescentes BIBLIOGRAFIA

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1. INTRODUCCI INTRODUCCIÓN ÓN A LA L A METALURGIA METAL URGIA DE FABRICACIÓN DEL ACERO A CERO El papel fundamental de los productos férreos en la industria mundial, debido a la gran cantidad de aplicaciones y a las numerosas aleaciones obtenidas con ellos, hace necesario, aun cuando sea con carácter general, un estudio de la fabricación de este tipo de aleaciones. Parece ser indicado, antes de iniciar los procesos de fabricación propiamente dichos, una definición conceptual clara de los productos siderúrgicos. Para ello nos basaremos en las normas UNE sobre este tipo de aleaciones. Productos f érreos érreos.. Son las aleaciones en las que el elemento químico hierro es predominante. Con la denominación hierro se designa: 

El elemento químico hierro.



Los productos férreos de los que, solamente con el carácter de impurezas, pueden formar parte otros elementos.



Productos férreos obtenidos por reducción de un mineral férreo o de un afino con trabajo mecánico.

 Arrab  Ar rabio io..  Es el producto en estado líquido resultante de la primera fusión, obtenido en un proceso de reducción de minerales férreos o materiales similares y destinado a una transformación posterior. Contiene más de 4% de carbono.  Acero  Ac ero.. Es un producto férreo generalmente apto para la conformación en caliente. Con excepción de ciertos aceros de alto contenido en cromo, el contenido de carbono es igual o inferior al contenido de saturación de la austenita ( 1,9% C), límite que los separa de las fundiciones. Los distintos elementos de aleación pueden variar este porcentaje. Lingote de acero. Es acero.  Es el producto obtenido por colada de acero líquido en un molde, y destinado a una laminación o forja posterior. Ferroaleaciones. Son Ferroaleaciones.  Son aquellas aleaciones férreas en bruto, que contengan uno o varios elementos con porcentajes en peso superiores a los incluidos en la Tabla I.

ELEMENTOS Fósforo Silicio Manganeso Cromo Volframio Otros elementos

% 15 (incluido) 8 30 30 40 10 TABLA I

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Tema 2.1 -2-

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La proporción total de elementos de aleación no férreos no será superior al 96% en peso para las ferroaleaciones que contengan silicio; al 92% para las que contengan manganeso sin silicio, y al 90% para las que contengan otros elementos. La evolución histórica de la fabricación de los productos siderúrgicos facilita el estudio de las modernas técnicas de producción, por ello, es indicado hacer un somero análisis de esta evolución. La obtención del hierro, en la antigüedad (hace 3000 años) se lograba por la reducción del mineral que se encontraba en estado sólido o pastoso, un posterior tratamiento de martillado o forja lograba la unión de las partículas obtenidas. El procedimiento utilizado consistía en cargar, en unos hornos bajos, el mineral de hierro conjuntamente con carbón vegetal, soplando aire para acelerar la combustión. El mineral, debido a la acción del carbono y óxido de carbono formado, se reducía, transformándose en hierro. Posteriormente, en los siglos comprendidos entre el XV y el XIX, se obtuvo el hierro empleando dos etapas. En la primera se obtenía la fundición por reducción del mineral. En una segunda fase mediante un afino oxidante de la fundición se lograba el hierro sólido o pastoso. La fabricación del acero por cementación de hierro, se inició sobre el año 1000 a J.C. El procedimiento consistía en introducir pequeñas barras de hierro en crisoles de arcilla rodeados de materiales vegetales, y calentados a unos 1000º C durante 10-40 h. La fabricación del acero fundido se inició en 1740 colocando en crisoles barras de acero cementado e introduciéndolas, estando rodeadas por coque, en un horno. Consiguiendo mediante un fuego enérgico fundir el acero. Con los descubrimientos de Bessemer, Thomas y Siemens se inició la etapa fundamental de la fabricación del acero, logrando aceros con porcentajes de carbonos, variables entre 0,05 y 0,80%. En los primitivos hornos bajos, en ciertas circunstancias, se escapaba un material en estado líquido, frágil y no forjable (fundición). Aún cuando en un principio este material no tenía aplicación, más tarde se descubrió su utilización para fabricar piezas fundidas. Sin embargo, fue fundamental para la evolución de la fabricación del acero, descubrir que la fundición podía ser utilizada como material base para la obtención del acero. Los originarios hornos bajos fueron evolucionando a través de los siglos y se convirtieron en los hornos altos en los que se fabrica, a partir del siglo XVI, la fundición denominada arrabio por reducción del mineral de hierro. El proceso de fusión que tiene lugar en los hornos altos, es continuo. Por la parte superior del horno se introducen los materiales brutos de carga, y mediante toberas que se encuentran en la parte inferior se inyecta el aire caliente y combustible líquido o gaseoso. Un perfil típico de un horno alto es el que podemos ver en la figura 1. Un horno, de gran dimensión, puede producir diariamente 12000 toneladas de arrabio, 4000 t de escoria y 27000 t de gas de tragante, consumiendo 23000 t de materiales de carga, 18000 t de viento (aire), 1700 t de gas natural. Las dimensiones de algunos hornos para distintos volúmenes útiles se indican a título indicativo en las Tablas II y III.

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FIGURA 1

PERFIL DE UN HORNO ALTO -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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Diámetro mm CRISOL VIENTRE TRAGRANTE

2000 9750 10900 7300

Volumen útil (m3) 3000 11700 12900 8200

5000 14900 16300 11200

Volumen útil (m 3) 3000 34650 32200 20100 20100

5000 36900 32200 19500 19500

TABLA II

 Altura mm TOTAL ÚTIL CRISOL CUBA

2000 32350 29200 18200 18200 TABLA III

El tragante es una construcción metálica de muchos pisos que sostienen los dispositivos de carga, de evacuación de gases y de montaje. En la figura 2 mostrada a continuación, podemos ver distintos diseños de equipos de tragantes.

FIGURA 2 DIVERSOS DISEÑOS DE EQUIPOS DE TRAGANTE PARA UN HORNO ALTO DE 14 M DE DIÁMETRO DE CRISOL -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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El horno tiene una envoltura metálica cuyo espesor es del orden de 25 mm en la parte superior y de 35 a 40 mm en la parte inferior. En la zona interior de este recubrimiento, existe un revestimiento refractario enfriado por los refrigeradores. Se denominan refractarios, aquellos elementos que resisten temperaturas de 1580 a 1770º C, conociéndose como superrefractarios aquellos que resisten temperaturas superiores a 2000º C. A causa de que estos materiales han de estar sometidos en el horno, a importantes cargas debe de considerarse como un factor fundamental su resistencia a las cargas a altas temperaturas. Es también muy importante tener en cuenta su resistencia al choque térmico, es decir, la capacidad de resistir, sin deformarse las variaciones bruscas de la temperatura. Dependiendo de la composición del refractario, la capacidad de reacción de éste con las escorias o productos del horno alto varían. Los refractarios formados básicamente por sílice, no han de ponerse en contacto con escorias básicas ni refractarios básicos con escorias ácidas, pues en caso contrario, se produciría la escorificación del refractario y por tanto la inutilización de éste. Normalmente se utilizan para el revestimiento el ladrillo de chamota, el ladrillo hiperaluminoso y bloques al carbono. Los primeros se forman al mezclar arcilla refractaria bruta y arcilla refractaria cocida (chamota), conteniendo 30 ó 40% de Al 2O3  y aproximandamente un 1,5% de Fe 2O3. Estos materiales son muy utilizados por ser suficientemente resistentes y más baratos que los demás refractarios. El ladrillo que contiene más alúmina se utiliza en la zona inferior del horno en la que la temperatura que debe soportar puede ser de 1730º C aproximadamente. Esta utilización, queda limitada por su insuficiente refractoriedad utilizándose en el fondo del crisol ladrillo hiperaluminoso que contiene más del 45% del Al 2O3. Los refractarios de sílice formados por más del 93% de SiO 2 se emplean para las bóvedas de los hornos, también se utilizan ladrillos de magnesio (MgO) y cromita (Cr 2O3) básico. Las materias primas sólidas que se introducen en el horno alto por la parte superior de éste son: a) Oxidos de hierro:  el más usual es la hematita, Fe 2O3  y sólo puntualmente se llega a utilizar la magnetita, Fe3O4. Estas adiciones se realizan normalmente en forma de pellets de 1 a 2 cms de diámetro y como material sinterizado cuyos tamaños oscilan entre 1 y 3 cms de diámetro, fabricándose ambos, a partir de menas concentradas y finamente molidos. También se puede adicionar material de hierro en forma de escoria del proceso de aceración. b) Coque metalúrgico: Es el agente reductor encargado de la reducción y fusión de la mena. Se obtiene por destilación de ciertos tipos de hullas (hullas coquizables). c) CaO y MgO: Actúan como fundentes de las impurezas de sílice y alúmina, que acompañan a la carga, produciéndose una escoria fluida de bajo punto de fusión.  A través de las toberas se introducen: a) Hidrocarburos. Suministran gases reductores (CO y H 2) al proceso reductor total. b)  Aire caliente. Para lograr que el coque incandescente se queme frente a las toberas.

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 Además del producto básico obtenido en el horno (el arrabio) , se obtienen los dos subproductos siguientes: a) La escoria. Contiene, dependiendo de la cantidad y composición de los elementos escorificables que hay en la carga, 30-40% SiO 2, 5-15% Al2O3, 35-45% CaO, 5-15% MgO, 0-1% Na 2O+K2O, 1-25% S. La eficiencia del proceso de reducción nos lo indicará el bajo contenido de óxido de hierro en la escoria. b) Gas. Cuya composición aproximada puede ser 17-25% de CO, 15-20% CO 2, 3% H2, 3% H2O y 4% N2. Este gas sale por la parte superior del horno, a través de unos conductos de salida de gases, que se denominan pantalón. En los altos hornos los materiales descendentes (sólidos) permanecen en ellos durante 4 ó 6 horas y los gases ascendentes entre 1 y 3 seg. Una función importante de estos gases es transferior calor a la carga sólida, originando un enfriamiento de ellos. Como se ha mencionado anteriormente el aire caliente se inyecta al horno a través de las toberas, situadas en la parte superior del crisol, con una presión de 1.5-3 atm. y una velocidad aproximada de 200 m/seg. Con estos valores, el chorro de aire provoca la circulación de partículas ardientes de coque y remolinos de viento. Los pedazos de cok son repelidos por el viento y toman su lugar trozos incandescentes, 1500º C, que se queman en la atmósfera oxidante. En torno a esta zona de circulación se encuentra una región en la que hay CO2. El principal proceso físico-químico que se efectúa en esta región es la transferencia de calor de los gases ascendentes que provienen del remolino a los trozos de coque y a las gotas de hierro y escoria que descienden En el fondo del crisol se forma hierro líquido y escoria que se ha ido filtrando a través del coque. El hierro se satura con carbono. El P2O5, el MnO y el SiO 2 son parcialmente reducidos, constituyendo impurezas de Mn, Si, P en el metal. El coque que se encuentra en los remolinos de las toberas reacciona con el oxígeno que entra por la tobera para formar CO 2 , reaccionando éste con más coque para forma CO. CO2 + C → 2CO

Esta ecuación, se lleva a cabo de manera prácticamente completa a las temperaturas del crisol y a aquellas que existen en la parte inferior de los etalajes. La zona que se encuentra en la parte superior del remolino, formada por coque empacado se encuentra limitada superiormente por una zona de fusión que está constituida por capas alternadas, constituidas por una por ganga, fundente y hierro fundidos y la otra por coque. Estas capas de coque distribuyen el gas reductor de modo radial a través del horno, debido a que las otras capas son impermeables al flujo del gas, obligando, por esta causa, a moverse a los gases de forma horizontal por las zonas de coque. Esta zona de fusión colabora conjuntamente con la presión del gas, a soportar la carga del horno. En este área del horno alto se produce básicamente la fusión del metal y la escoria. Esta escoria aún no contiene cenizas de coque, que se formarán en las zonas de toberas, sino que consta de ganga y óxidos fundentes. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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En la zona inmediatamente superior a la denominada de fusión, se encuentra un área de reducción cíclica, en la que la carga incluye óxido de hierro sólido, concretamente la wustita FeO. Por consiguiente la carga consiste en capas alternadas de coque y ganga sólida, óxidos fundentes, wustita sólida y hierro sólido. Los gases que proceden directamente de la cama de coque situada en la zona de fusión y que por tanto, son virtualmente puro CO, produce las dos reacciones cíclicas siguientes: CO + FeO → Fe + CO2 (1) CO2 + C

→

2 CO (2)

La reacción de reducción (1) es ligeramente exotérmica y el calor que libera no alcanza a compensar el enfriamiento causado por la reacción de gasificación del coque (2). Por lo tanto el resultado neto que se puede deducir, es una disminución de la temperatura de los gases ascendentes produciendo, por tanto, una disminución del proceso de gasificación del gas, siendo virtualmente detenido a temperaturas inferiores a 900º C. Es decir, al no regenerarse de nuevo el CO, todo el proceso de reducción que se producirá en la parte superior del horno, dependerá del CO producido anteriormente por debajo de la isoterma de 900º C, aproximadamente. Según sigue ascendiendo el gas, el CO continua reaccionado con la wustita formando Fe y CO 2, acercándose al equilibrio de la reacción: CO + FeO → Fe + CO2 (3) Esta región corresponde a la zona de temperatura constante, pues al ser la reacción ligeramente exotérmica no se enfrían los gases, también se denomina zona de reserva térmica. El CO durante el ascenso va consumiéndose, hasta un punto en que no hay suficiente cantidad como para reducir el FeO y producir hierro, pero si existe el porcentaje necesario como para reducir el Fe 3O4 a wustita según la reacción: CO + Fe3O4 → 3 FeO + CO2 (4) Las condiciones de estado estacionario de un horno requieren que la wustita producida en (4) sea igual a la reducida en (3) y esto teóricamente, es factible pues hay suficiente CO en los gases que salen de la zona wustita/Fe. Este exceso de CO implica la existencia de dos zonas en el horno alto. Una zona vertical en donde los óxidos superiores han sido reducidos a wustita, y el gas no es capaz de reducir cantidades significativas de wustita a hierro. Una zona correspondiente a la región superior de la cuba, ocupada por óxidos sin reducir, en la que la rapidez de producción de FeO es igual a la de reducción de wustita en las áreas inferiores. En esta última región, mientras se añade Fe 2O3 por el tragante, llega desde el fondo un gas, cuya fuerza reductora es intermedia. Esta región por tanto esta compuesta por diferentes óxidos, wustita, Fe 3O4 y Fe2O3, y se produce la reducción de los óxidos superiores a FeO. La temperatura del gas disminuye rápidamente debido a diferentes factores, como pueden ser el enfriamiento por los sólidos de carga, la evaporación de la humedad y la naturaleza endotérmica de la reducción de los óxidos superiores, -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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CO + Fe2O3 → 2 Fe + CO2 En la tabla IV, se puede observar un cuadro resumen de las distintas zonas en las que se ha clasificado el alto horno, así como, su comportamiento químico y térmico. Gran cantidad de mejoras en la productividad del horno alto, se han debido a la construcción de hornos de grandes dimensiones y por tanto de mayor capacidad, a la vez que se ha optimizado el proceso con un mejor diseño, construyendo máquinas para una distribución de cargas más adecuada, mejores sistemas de refrigeración y refractarios más resistentes. Un factor fundamental en este sentido, ha sido la sustitución de menas cuyo tamaño no estaba controlado por sinter y pellets, uniformemente distribuidos, permitiendo, de esta manera, el paso de los gases a través del lecho rápidamente.

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Zona

Comportamiento químico

Comportamiento térmico

Crisol (debajo de toberas)

Saturación del hierro con carbono y reducción Las gotas de metal y escoria que final de (CaO3), P2O5, MnO y SiO2. Las descienden traen calor al crisol. impurezas alcanzan sus concentraciones finales.

Remolinos de las toberas

Coque e hidrocarburos que se oxidan formando Gran liberación de calor por el CO2 y posteriormente CO. quemado de coque incandescente con aire caliente.

Zona de coque (etalaje y vientre)

activo Los óxidos de las impurezas se reducen y el hierro absorbe carbón durante la percolación de gotas de metal y escoria. La cama de coque actúa como una reserva que garantiza la completa reducción de los óxidos de hierro.

Zona de fusión

Zona de reducción cíclica

Zona media de la cuba

Transferencia de calor del gas ascendente a las gotas de metal y escoria. El gas suministra la entalpia para sobrecalentar la escoria y el metal líquido y para reducir los óxidos de las impurezas.

Formación y fusión de escoria, reducción final Transferencia de calor de los gases de Fe0,947 O y fusión del Fe. ascendentes para fundir los sólidos.

Reducción de wustita (reacción gasificación de coque (reacción 1,2).

1,3)

La temperatura de los gases y ascendentes disminuye rápidamente debido a la absorción de entalpia por la reacción (1,2).

Ocurre muy poca gasificación de coque. En la mayor parte de la zona se lleva a cabo la reducción de Fe0,947  O con CO. En las porciones más altas ocurre poca o ninguna reacción debido al agotamiento de CO (zona de reserva química). La wustita es el único óxido. Reducción de Fe2 O3 y Fe3O4 a wustita.

Cuarto superior de la cuba

TABLA

La temperatura se mantiene constante a lo largo de la zona (1,200º K) (zona de reserva térmica). La reducción de wustita a hierro no requiere entalpia.

La temperatura de los gases disminuye rápidamente por la transferencia de calor a los sólidos que entran. La reacción de reducción y la evaporación de humedad también absorben entalpia.

IV

Se puede lograr una disminución, en cierto grado, de la cantidad de coque necesario, introduciendo por las toberas hidrocarburos, que a la vez de minimizar el coste del proceso, incrementa el espacio físico, dentro del horno, para aumentar la cantidad de material de hierro. La inyección de aire, previamente calentado, ha supuesto una compensación del enfriamiento debido a la entrada de los hidrocarburos, produciendo, además un aumento de entalpia al sistema.

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El hecho de aumentar el porcentaje de oxígeno puro, en el aire que se introduce, ha producido una disminución del nitrógeno que pasa por el horno permitiendo a causa de ello un aumento de temperatura enfrente de las toberas y un aumento en la producción de CO. De forma periódica se sangra el horno es decir, se vacía el crisol por un orificio llamado piquera. Por encima de este orificio se sitúan piqueras para evacuación de las escorias. El arrabio se conduce, hasta colocarlo en unas cucharas llamadas torpedos.

2. PROCESOS DE FABRICACIÓN DEL ACERO Cuando el hierro se combina con pequeñas cantidades de carbono, se obtiene el acero, y sus propiedades dependen, además de su contenido de carbono de otros elementos de aleación como el Mn, Cr, Si, Al etc. Los materiales que se utilizan para la fabricación del acero normalmente se dividen en los que contienen hierro, los fundentes y los desoxidantes. Como carga metálica se considera: 1) El arrabio (líquido o sólido); 2) La chatarra de acero, y en algunos casos también la de la fundición; 3) Los productos de reducción directa del hierro a partir de la mena de hierro; 4) Las ferroaleaciones. La parte fundamental de la carga del material está formada por el arrabio y la chatarra. En la fabricación de 1000 Kg de acero se utiliza aproximadamente 1150 Kg de carga metálica, siendo más del 40% de esta cantidad, arrabio y chatarra. Los arrabios, por su utilización, se pueden dividir en arrabio para la moldería, para la fabricación de acero y las ferroaleaciones. La parte fundamental del arrabio, es destinada para la fabricación del acero. Con el fin de mejorar la composición del arrabio, se le puede someter al tratamiento fuera del alto horno para eliminar el exceso de azufre o de silicio, tal y como podemos ver en la figura 3 siguiente.

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FIGURA 3 ESQUEMA DE INSTALACIÓN DE DESULFURACIÓN DE ARRABIO

La segunda parte integrante fundamental de la carga de metal es la chatarra. Del total de la chatarra un 50% se forma directamente en las plantas metalúrgicas, recortes del metal durante la laminación, lingotes defectuosos, chatarra, etc. Aproximadamente un 20% se forma durante el tratamiento de metales en las fábricas de construcción de maquinaria, viruta, desechos del estampado, etc. Entorno al 30% es la chatarra de amortización, máquinas inutilizadas, rieles, objetos de uso doméstico, etc. Las ferroaleaciones son aleaciones de hierro con los elementos (manganeso, cromo, silicio, titanio, vanadio, etc.) que se utilizan en la fabricación de acero para alearlo y desoxidarlo. Como carga también se pueden usar los productos de la reducción directa del hierro ( prerreducidos ), o los llamados materiales metalizados. Los prerrducidos son esponjas metálicas conseguidas por reducción directa del mineral de hierro. Se suele usar gas natural o carbón como elementos reductores del mineral. Según su utilización los prerreducidos se pueden dividir en tres categorías: 1) contenido de hierro de 70 a 85%. Este producto sirve de carga para la fundición en horno alto; 2) el contenido de hierro de 90 a 98%. Se obtiene para utilizarlo como carga en la fabricación de acero; 3) el contenido de hierro cerca del 99%. Este producto se emplea para fabricar el polvo de hierro. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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En la fabricación de acero como fundentes ( se añaden al arrabio para conseguir una adecuada composición y tipo de escoria ) por regla general se usan: Caliza.  El componente principal de la caliza es CaCo 3. Con el calentamiento CaCO 3 se descompone: CaCO3 → CaO + CO2. Cal. Se obtiene en las instalaciones para calcinar la caliza. La cal recién calcinada debe tener 90% de CaO, 3% de SiO2 y una cantidad lo menor posible de azufre. Fluorita. Se usa en la fabricación de acero como material que acelera la disolución de la cal en la escoria básica y provoca el aumento de la fluidez de la escoria. El componente fundamental de la fluorita es CaF 2 (de 90 a 95%). Corrientemente, la fluorita contiene menos de 5% de SiO 2, por tanto, al introducirla en la escoria, la basicidad de esta no disminuye. Pedazos de chamota. Son desechos del ladrillo de chamota caído en desuso. Se los carga al horno con el fin de disminuir con rapidez la viscosidad de la escoria de alta basicidad. Con la introducción en el baño de una pequeña cantidad de este material se reduce la temperatura de fusión de la escoria de alta basicidad y aumenta su fluidez. Mezclas y briquetas. Para acelerar la formación de escoria. Para acelerar los procesos de oxidación de carbono y de otras impurezas se le añaden al baño los oxidantes. Se los introduce en forma sólida (mineral de hierro, aglomerado, granallas de mineral de hierro, costra de laminación) o en forma gaseosa (aire comprimido, oxígeno, mezclas de diversa composición, incluido el oxígeno, el vapor de agua, el gas carbónico, etc.). La fabricación del acero implica, por un lado, eliminar las impurezas que se encuentran en el arrabio o en las chatarras y por otro lado, controlar los contenidos de los elementos que influyen en sus propiedades. En el proceso de obtención, las reacciones químicas que tienen lugar, requieren altas temperaturas, para eliminar los elementos nocivos, bien en forma gaseosa o bien llevándolos a la escoria. Por lo tanto, los métodos de fabricación de aceros necesitan aporte de energía para elevar la temperatura del arrabio líquido y fundir la carga sólida. Este aporte de energía se realizaba en los antiguos hornos Martin-Siemens quemando un combustible líquido o gaseoso, mediante unos quemadores situados en las paredes del horno. En los convertidores Bessemer y Thomas, apenas utilizados hoy día, este aporte se realizaba insuflando aire por el fondo del convertidor. En el convertidor LD y similares, se inyecta oxígeno por la boca del convertidor. En los hornos eléctricos se aprovecha el calor que genera un arco eléctrico que se hace saltar entre unos electrodos y la carga metálica, o bien el calor que producen las corrientes inducidas en el caso de hornos de inducción. La invención del proceso Bessemer que tuvo lugar en 1855, fue de vital importancia para el desarrollo de la producción de acero. Hasta este momento, aun cuando la demanda de productos siderúrgicos era muy elevada, la fabricación del acero se hacía por cementación o en crisoles, lo que suponía una producción muy baja. En esencia, el procedimiento consiste en insuflar aire en un convertidor en el que se ha introducido el arrabio. El oxígeno contenido en el aire oxida las impurezas de la fundición y consecuentemente esta se

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convierte en acero. Esta oxidación produce gran cantidad de calor, elevándose la temperatura del baño de 1260 a 1650º C. Los convertidores son recipientes en forma de pera, fabricados de acero y con un revestimiento ácido constituido normalmente por 90% SiO 2; 8,5% Al2O3 y 1% CaO+MgO. Por la parte superior tiene un orificio que se utiliza para echar el arrabio y retirar el acero. En el fondo lleva una caja de aire que trasmite el viento a las toberas desde donde entra al convertidor. La parte cilíndrica está envuelta por un anillo que lleva los muñones, en los cuales el convertidor gira alrededor del eje horizontal. La fabricación de acero con este procedimiento, presenta dificultades debido a los siguientes factores: Fósforo. La utilización de fundiciones con cantidades elevadas de fósforo, fabricadas con minerales de procedencia inglesa con alto porcentaje en este elemento, implica que el acero obtenido tuviera también fósforo en gran cantidad, y por tanto gran fragilidad a temperatura ambiente.  Azufre.  A partir de fundiciones con bajo contenido en manganeso se obtenía un acero, en el que la acción del azufre, era muy nociva. En el contorno de los granos de hierro, se constituye el azufre en forma de sulfuro, que debido a su baja temperatura de fusión, durante la laminación o forja, fundía apareciendo grietas en el material. Oxígeno. También en el caso de la utilización de fundiciones bajas en manganeso, se producía un acero con problemas de porosidades. Estas dificultades se soslayaron, utilizando fundiciones con bajos contenidos en fósforo, y haciendo el final de los procesos de conversión, adiciones de Mn. Una composición tipo puede ser: 4% C; 2% Si; 1% Mn; P 0,070%; S 0,050%.

2.1. Proceso Tho mas La necesidad de utilizar materiales fosforosos para la fabricación de aceros, impulsó a la creación de procesos que, al contrario que sucedía con el Bessemer, pudieran utilizar estos materiales. La creación de un convertidor con revestimiento básico fue realizada por el metalúrgico inglés Thomas en 1878. Básicamente el procedimiento consistía en insuflar aire en arrabios fosforosos. El convertidor Thomas tiene una estructura análoga a la de Bessemer, ya señalada, existiendo una diferencia en cuanto al volumen, siendo mayor este, en el caso Thomas. Este procedimiento requiere una carga de cal previa al suministro del arrabio, posteriormente el convertidor adquiere la posición vertical y se inicia el soplado. Las etapas simplificadas del procedimiento Thomas son tres. En la primera se produce la combustión del silicio y manganeso, iniciándose la escorificación. La temperatura del baño asciende como consecuencia de las reacciones exotérmicas de oxidación, pero en menor grado que en el convertidor Bessemer, puesto que el arrabio en el Thomas tiene menor silicio (0,2% a 0,6%). Al aumentar la temperatura comienza la oxidación del carbono, iniciándose la segunda etapa, que podríamos denominar de efervescencia. El mezclado de este baño favorece la formación de escoria, que es ferruginosa-calcárea activa, que activa el comienzo de la tercera fase, es decir, la desfosforización. En el transcurso del proceso de oxidación y escorificación del fósforo se desprende calor y la temperatura del metal asciende a 1600C.

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2.2. Convertidor LD Los anteriores procedimientos de obtención de aceros f ueron, en su práctica totalidad, desplazados por el método de fabricación de acero con oxígeno, sistema que se empezaron a utilizar a partir de 1952. El proceso de conversión con oxígeno, básicamente, consiste en inyectar oxígeno a presión (10 a 14 atmósferas) en el baño metálico, formado por arrabio y chatarra, mediante un tubo regrigerado denominado lanza, hasta lograr la completa transformación en arrabio. En la figura 4 mostrada a continuación podemos ver la sección de un convertidor con soplado combinado.

FIGURA 13

FIGURA 4 ECCIÓN DE CONVERTIDOR CON SOPLADO COMBINADO

Las elementos fundamentales de este procedimiento son: Convertidor: recipiente cilíndrico de chapa gruesa, forrado de refractario básico. La parte superior es cónica. La capacidad de un convertidor puede oscilar entre 45 t y 250 t. Lanza: tubo de acero refrigerado por agua por cuyo interior fluye el oxígeno a presión, para atravesar la escoria y llegar a la superficie del baño. En algunas variantes también se inyecta cal, propano, argón, polvo de carbón, etc., además de oxígeno.

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Sistema de captación y depuración de humos:  destinado a recoger los humos y gases de salida y depurarlos de sus partículas sólidas, para su posterior utilización en otras instalaciones de la planta. El calor generado por las reacciones químicas de los elementos de arrabio aporta la energía necesaria para el afino del baño. Este proceso tomó su nombre de las ciudades austríacas de Linz y Donavitz, cuyas acerias fueron las primeras que aplicaron esta técnica. Sin embargo, se han desarrollado una serie de variantes.

Proceso LD LD-CL  AOD LD-AC y OLP KALDO ROTOR LD-OB

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LD-AB y LD-KG

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LBE

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Q-BOP K-BOP KMS

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Características principal Inyección de oxígeno por lanza. La lanza está dotada de un moviento circular. Inyección de oxígeno y gas inerte por el fondo, a través de toberas. Por la lanza se inyecta oxígeno y polvo de cal. Convertidor rotatorio e inyección a baja presión. Horno horizontal rotatorio con lanza de oxígeno. Inyección de oxígeno con lanza y soplado de oxígeno por el fondo a través de toberas. Se combina la inyección de oxígeno por lanzasuperior con el soplado de un gas inerte por el fondo a través de toberas. Combina la inyección de oxígeno por lanza con el soplado de argón a través de ladrillos porosos. Soplado por el fondo de oxígeno y propano. Combina el proceso Q-BOP con el LD. Soplado por el fondo de oxígeno, hidrocarburos, polvos de cal y carbón a través de toberas.

Carga (chatarra y fundición). Estando el convertidor vacío, se le hace girar hasta colocarlo en posición de carga y por la boca se carga la chatarra (un 10-35% aproximadamente de la carga total) y el arrabio líquido caliente, procedente del mezclador. Una vez completada la carga, se pone el convertidor en posición vertical y se introduce la lanza hasta pocos centímetros de la carga. Soplado y afino. Se insufla oxígeno puro a presión (entre 10 y 14 atmósferas) iniciándose las reacciones de oxidación. Inmediatamente se adiciona la cal necesaria (en ocasiones, además magnesita y espato flúor) para obtener la escoria adecuada. La enorme velocidad del chorro de oxígeno hace que éste atraviese la escoria y reaccione con el metal, lo que da lugar a una rápida elevación de la temperatura (en la zona donde incide el oxígeno puede alcanzar temperaturas entre 2500º C y 3500º C) que facilita las reacciones de afino. La escoria se espuma y

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atrapa las impurezas (óxidos, silicatos, fosfatos, etc.) mientras el carbono se quema y, en forma de CO y CO2, escapa con los humos. La fase de soplado dura entre 12 y 15 minutos. Terminado el período de afino, se corta la entrada de oxígeno, se espera unos minutos para que se produzca la homogeneización y se vuelca el metal sobre la cuchara, con una ligera capa de escoria para evitar la oxidación del baño por el aire. La duración completa de la operación, en un convertidor LD de 150 t puede oscilar entre 40 y 55 minutos. Después de cada colada se toman muestras de caldo y de la escoria y su análisis regula la marcha de la colada siguiente. Los humos, a la salida del convertidor, se recogen en una campana y se los hace recorrer un largo trayecto para enfriarlos y hacerlos perder velocidad, a fin de que se depositen las partículas sólidas. Son ya muchas las acerías que hacen recorrer los humos calientes por unas instalaciones de recuperación de calor que permite aprovechar la energía residual de los mismos para generar vapor, que es aprovechando en otras instalaciones de la factoría. Los aceros fabricados en el convertidor se caracterizan por su bajo contenido en nitrógeno (0.015 a 0.040%) y bajo contenido de impurezas, que se queman a las altas temperaturas desarrolladas en el proceso. Elementos como el arsénico, plomo o cinc, se vaporizan y eliminan con los humos. La gran capacidad de producción de este proceso lo hace especialmente apto para la fabricación de grandes cantidades de acero, por lo que no es rentable en aceros aleados especiales en tonelajes limitados. En la figura 5 mostrada a continuación, podemos ver una instalación completa de acería LD.

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FIGURA 5 SECCIÓN DE LA INSTALACIÓN DE ACERÍA LD

2.3. Horno eléctrico El fundamento de la fabricación del acero en el horno eléctrico es la fusión de las chatarras por una corriente eléctrica y el afino posterior del baño fundido. Existen dos tipos de hornos eléctricos, según el modo en que se utiliza la corriente para producir el calor necesario para la fusión. En los hornos de inducción, la carga se coloca en un crisol rodeado de una bobina por la cual se hace pasar una corriente eléctrica; las corrientes inducidas en el interior de la bobina funden la carga. En los hornos de arco -que son los mas ampliamente utilizados con carácter industrial- se hace saltar un potente arco entre los electrodos y la carga y se aprovecha el calor generado por el arco. Las acerías modernas están generalmente equiparadas con hornos de arco directo con tres electrodos verticales. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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En esencia el horno eléctrico es un gran recipiente cilíndrico de chapa gruesa forrado de material refractario que forma la suela o solera que albergará el baño de acero líquido y de escoria. En la figura 6 siguiente podemos ver el esquema de un horno eléctrico.

FIGURA 6 ESQUEMA DE UN HORNO ELÉCTRICO CON COLADA INFERIOR EXCÉNTRICA

 Aunque algunos tipos de hornos son de bóveda fija, y se cargan a través de unas puertas abiertas en las paredes, los hornos más frecuentes son de bóveda desplazable lo que permite la carga de las chatarras por la parte superior mediante cestas adecuadas.  A través de unos orificios practicados en la bóveda se introducen los electrodos, generalmente tres, que son gruesas barras de grafito y cuyo diámetro puede alcanzar hasta 700 mm. Los electrodos son desplazables de forma que permiten regular su distancia a la carga a medida que se va consumiendo. La corriente se suministra a los electrodos mediante un transformador en el que se consiguen los parámetros (voltaje e intensidad) adecuados para hacer saltar el arco, con intensidad variable, según la fase de operación del horno. La instalación se completa con una captación de humos a través de un orificio practicado en la bóveda (cuarto agujero) y se conducen a la instalación de depuración, con lo que se evita contaminar la atmósfera.

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FIGURA 7 ESQUEMA COMPLETO DE UN HORNO ELÉCTRICO DE CORRIENTE ALTERNA

Fundamentalmente podemos considerar las siguientes fases: Fusión. La marcha de la operación se inicia, como en el caso del convertidor, con la carga de horno, formada ésta por las chatarras y por los componentes formadores de la escoria, principalmente cal. Se tapa el horno con la bóveda, se bajan los electrodos hasta la distancia apropiada y, conectando la corriente, se hace saltar el arco hasta fundir completamente los materiales cargados. Cada vez se utiliza con más frecuencia la inyección de oxígeno para acelerar la fusión. -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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 Afino. Oxidación: Cuando la carga se encuentra en estado líquido, se inyecta oxígeno, lo que favorece la oxidación que, como ya se ha indicado, permite eliminar los elementos indeseables del baño (silicio, manganeso, fósforo.., etc.), formando óxidos que pasan a la escoria y quemando el carbono (descarburación) que se elimina en forma gaseosa (monóxido de carbono CO) y produce el hervido del baño. Terminada la oxidación, se retira cuidadosamente la escoria que sobrenada en el baño (desescoriado). Reducción:  Las operaciones en este período tienen por objeto obtener un metal de bajo contenido en oxígeno y eliminar la mayor parte de azufre. Para ello se añade cal, que actúa de desulfurante, espato, que baja el punto de fusión de la escoria, y algunos elementos desoxidantes para fijar el oxígeno. Se forma así una nueva escoria desulfurante y desoxidante.  Ajuste final de la composición:  En este período se ajusta la composición del baño añadiendo las ferroaleaciones que contienen los elementos químicos que se desea incorporar al acero para darle las propiedades especiales y características de una buena aleación. Se espera que las adiciones se disuelvan y se produzca la homogeneización la composición del baño y cuando se alcanza la temperatura adecuada, se cuela el acero en la cuchara, basculando el horno o colando por el fondo. En los hornos modernos, la fusión dura alrededor de una hora. En la composición de un acero fabricado por cualquiera de los procesos anteriormente expuestos, existen elementos químicos que, en mayor o menor proporción, le confieren ciertas propiedades físico-químicas, que pueden ser de gran importancia para su posterior utilización. La influencia que ejerce cada uno de ellos son, entre otros, los siguientes:  Aluminio. Proporciona una desoxidación eficaz. Afina el tamaño de grano.  Azufre.  Aumenta la fragilidad de los aceros. Mejora la máquinabilidad. Boro.  Aumenta la templabilidad de los aceros. Carbono.  Aumenta la resistencia, el límite de elasticidad y la dureza. Disminuye la ductilidad y maleabilidad. Fósforo. Eleva la resistencia en los aceros bajos en carbono. Aumenta la resistencia a la corrosión. Mejora la maquinabilidad. Disminuye la tenacidad.

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Hidrógeno. Produce fragilidad en el acero. Elemento nocivo. Manganeso. Elimina la fragilidad en caliente originada por el azufre. Aumenta la templabilidad. Aumenta la resistencia y con contenidos elevados, aumenta la resistencia al desgaste. Molibdeno.  Aumenta la templabilidad. Aumenta la resistencia en caliente. Aumenta la resistencia al desgaste. Níquel. Eleva la resistencia de los aceros no templados. Proporciona tenacidad, especialmente a bajas temperaturas. Mejora la resistencia a la corrosión. Nitrógeno. Controla el tamaño de grano. Aumenta la templabilidad. Aumenta la resistencia de algunos aceros inoxidables. Oxígeno.  Aumenta la fragilidad del acero. Elemento nocivo. Disminuye la resistencia al choque. Plomo. Mejora la maquinabilidad. Silicio. Se emplea como desoxidante en general. Elemento de aleación en chapas magnéticas y eléctricas.  Aumenta la resistencia. Titanio. Se emplea como desoxidante. Afina el tamaño de grano de los aceros. Mejora la capacidad de conformación.

3.- TRATAMIENTOS ESPECIALES La continua y creciente exigencia de la técnica actual, en cuanto a calidad de acero fabricado, requiere unos métodos especiales del proceso de fabricación. Las operaciones que aseguran la calidad del acero pueden realizarse en la propia instalación, o bien, para mejorar su rendimiento, se pueden trasladar a la cuchara o recipiente auxiliar. Esta forma última de conseguir un acero con las condiciones exigidas, constituye lo que se denomina metalurgia secundaria.

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Los sistemas de metalurgia secundaria se han desarrollado en los últimos años conjuntamente con los grandes convertidores y hornos eléctricos, que pueden trabajar en condiciones óptimas para determinadas etapas de afino pero que son inadecuados para otros procesos. Estos métodos se basan en procedimientos tecnológicos que se exponen a continuación.

3.1. Tratamiento en v acío Este tipo de tratamiento influye sobre los procesos en que toman parte la fase gaseosa. Si el oxígeno se encuentra disuelto en el metal en forma de inclusiones de óxidos no metálicos, la disminución de la presión por encima del material fundido, produce la destrucción de estas inclusiones, como resultado de su combinación con el carbono, puesto que en estas condiciones la reacción C + O → CO se desplaza hacia la derecha. La eliminación del hidrógeno y el nitrógeno, se produce también debido a la disminución de presión. Podemos agrupar en tres técnicas fundamentales el tratamiento en vacío: a) Desgasificación del chorro de colada. Consiste en situar el recipiente receptor del acero líquido en una cámara de vacío. Debido a este vacío, el chorro de acero se fracciona en gotas que favorecen la eliminación de los gases. b) Desgasificación del acero en la cuchara. La cuchara se encuentra en una cámara de vacío. Para facilitar la desgasificación el acero se remueve por una corriente de gas o electromagnéticamente. c) Desgasificación del acero por recirculación. (Figura 8). Se hace circular repetidas veces el acero por un recipiente que actúa de cámara de vacío.

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FIGURA 8 DESGASIFICACIÓN AL VACÍO RH-OH

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3.2. Soplado del metal con gases inertes Mediante el soplado con gases inertes, principalmente el argón, se consigue una disminución de las inclusiones que se encuentran en el metal, así como una homogeneización de la composición del metal y de la temperatura. Cuando el metal no contiene elementos que forman nitruros como cromo, titanio, vanadio, etc. se suele utilizar el nitrógeno. Debido a que la mayor pérdida de calor está relacionada con el aumento de la radiación de calor, a veces, se cubre la cuchara con una tapa durante el soplado, reduciendo de esta manera las pérdidas de calor, disminuyendo, al mismo tiempo el grado de oxidación de metal. En la figura 9 , podemos ver el método de inyección de gas interte argón por el fondo de la cuchara, con el fin de provocar la agitación del baño.

FIGURA 9

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3.3. Tratamiento del metal con escoria elaborada Este tratamiento permite intensificar el paso de las impurezas no deseadas, que contiene el acero, a la fase de escoria. Las dos variedades de este procedimiento más utilizados en la práctica son las siguientes. a) Tratamiento del metal con las escorias calcáreo-aluminiosas para desulfurar y desoxidar el metal. b) Tratamiento del acero, durante la colada, con las escorias de diversa composición para eliminar impurezas. Las escorias de CaO y Al 2O3  se derriten en el horno de arco eléctrico y se vierten en la cuchara. La escoria elaborada, que se encontraba en la cuchara, reacciona con el acero, mezclándose intensamente. Una composición aproximada de una escoria de este tipo puede ser: 50-55% de CaO, 40% Al 2O3, 47% SiO2 y 5-7% MgO.  Aún cuando el tratamiento con esta escoria disminuye la oxidación del metal, no lo hace en un grado lo suficientemente elevado como para no utilizar los desoxidantes. Es por esto, que se introduce en la cuchara además de la escoria cierta cantidad de desoxidante. Considerando la baja densidad del ferrosilicio, se carga éste en el fondo de la cuchara aún antes de introducir la escoria elaborada. Durante la colada, se añaden ferromanganeso y ferrocromo al acero incidente en la cuchara. A continuación se añaden las aleaciones que contienen los elementos de aleación.

3.4. Soplado del m etal con materiales en forma de polv os Este procedimiento tiene por objeto producir un contacto mayor entre los reactivos sólidos inyectados con el metal y acelerar la formación de las gotas de escoria. Según este tratamiento, para eliminar el fósforo se inyecta, la mezcla de cal, mineral de hierro y fluorita,  junto con la corriente de oxígeno. Para eliminar el azufre, se insufla una corriente de argón con la mezcla de cal y fluorita. El método puede utilizarse para elevar el contenido de carbono en el metal hasta los límites necesarios, insuflando carburantes en forma de polvo (grafito, coque, etc). También se puede desoxidar el metal, inyectando polvo de carbono, desarrollándose vertiginosamente la reacción de descarburación. La metalurgia secundaria tiene una serie de inconvenientes como son: a) La necesidad de sobrecalentar el metal líquido en la unidad de la fundición con el fin de compensar la caída de temperatura del metal durante su tratamiento en la cuchara. b) La acción limitada sobre el metal, sólo la desulfuración o únicamente la desgasificación, etc. Los mejores resultados de la acción sobre la calidad del metal se logran al emplear los métodos combinados o complejos. Su realización requiere complicar la estructura de la cuchara. En este sentido se puede sustituir la cuchara corriente por la cuchara provista de la bóveda.

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Un ejemplo de estos métodos puede ser el proceso ASEA-SKF que tuvo lugar en Suecia en 1964. La unidad se transporta en una carretilla y esta unidad, es la cuchara al vacío de bóvedas recambiables. El metal se caldea con ayuda de tres electrodos de grafito que se introducen por una de la bóvedas de la cuchara. El mezclado del metal se realiza con auxilio de un inductor situado fuera de la cuchara. Normalmente, la cuchara tiene dos bóvedas: una al vacío que se coloca durante el tratamiento por el vacío y otra, sencilla, que se fija durante el calentamiento del metal. El mezclado prolongado del metal bajo las escorias de gran basicidad y bajo el vacío permite obtener el metal de las concentraciones muy bajas del azufre y de los gases. La aplicación de las escorias básicas de alta actividad presenta las exigencias singulares a los materiales refractarios que se usan para revestir la zona de escoria de la cuchara.

Una variedad de este método puede considerarse el llamado proceso LF (procedimiento a la cucharahorno) elaborado en 1971 en el Japón. La tecnología del proceso LF prevé el mezclador del metal con argón en la cuchara, el calentamiento por el arco eléctrico y el tratamiento del metal por el vacío y con la escoria.

Otro método de tratamiento del metal es el VOD consistente en que la masa se somete a una acción simultánea del vacío y del oxígeno inyectado. Puesto que con este tratamiento se logra obtener el alto grado de desoxidación, el procedimiento también fue denominado desoxidación por el vacío y el oxígeno. Este procedimiento , usualmente es utilizado para fabricar los aceros inoxidables y refractarios y las aleaciones mediante la oxidación del carbono sin perder el cromo. El método de descarburación por el argón y el oxígeno apareció aproximadamente al mismo tiempo que el procedimiento VOD. Gracias a su sencillez y la flexibilidad en el funcionamiento el procedimiento AOD es de uso bastante amplio. Básicamente el proceso AOD consiste en que en la masa fundida se inyecta la mezcla de argón y oxígeno. La aplicación del oxígeno para el soplado asegura el potencial oxidante necesario, al propio tiempo que la sustitución gradual del oxígeno por su mezcla con argón garantiza la disminución del valor de Pco y el desplazamiento a la derecha del equilibrio de la reacción C+ O 2 = CO. El argón que es relativamente caro, se puede sustituir por el vapor de agua, constituyendo el denominado proceso CLU. Este método consiste en que el producto semiacabado producto del horno eléctrico, se sopla por las toberas montadas en el fondo del convertidor, mezclando oxígeno y vapor.

Los métodos de la refinación mediante el soplado con argón y oxígeno y del afino con oxígeno y por el vacío sufren modificaciones de forma periódica. Este es el caso de la elaboración del método para obtener el acero inoxidable combinando el soplado con oxígeno en el convertidor y el tratamiento por el vacío; este procedimiento fue llamado proceso LD-RHOB, ya que combina la aplicación del convertidor LD, el tratamiento por el vacío y de circulación en la cuchara (proceso RH) y el soplado con oxígeno. Para la transformación del acero en productos aplicables, es preciso solidificarlos. Hasta hacer unos años sólo cabían dos posibilidades. 

Verter el acero sobre moldes con la forma de la pieza que se deseaba obtener (acero moldeado).

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Colocar el acero líquido sobre moldes prismáticos (lingoteras) para su transformación posterior por laminación o forja en dos etapas: semiproductos y, estos, en productos acabados.

En los últimos años se ha desarrollado un tercer proceso, la colada continua, que permite pasar directamente del acero líquido a los semiproductos. En la colada en lingotera la cuchara de colada es un recipiente metálico, ligeramente cónico, revestido en su interior de material refractario, con un agujero en el fondo, que aloja una boquilla (buza) para la salida del caldo. La buza se cierra con un tapón refractario, accionado con un vástago, o bien mediante placas deslizantes accionadas eléctrica o hidráulicamente. La lingotera, en la mayoría de los casos, es un molde de fundición, de forma troncónica y cuya sección transversal es cuadrada, rectangular, poligonal, redonda o con f ormas especiales. El llenado de las lingoteras puede realizarse de dos maneras: Colada directa, o col ada por arriba (figu ra 10): La cuchara se sitúa encima de la lingotera y se abre la buza haciendo que el chorro caiga directamente en la lingotera.

FIGURA 10

COLADA DIRECTA

Colada en sifón (figura 11), o colada por el fondo: En este procedimiento, el llenado de la lingotera se hace por el fondo. La cuchara se sitúa sobre un conducto central y vertical del que parten unos canales horizontales de distribución a cada lingotera.

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FIGURA 11 COLADA DE SIFÓN

La colada continua es un procedimiento, consistente en verter directamente acero líquido en un molde de fondo desplazable, cuya sección transversal tiene la forma geométrica del semiproducto que se desea fabricar: desbastes y palanquillas de sección cuadrada, planchones de gran sección, redondos y secciones especiales, etc. Se llama “continua” porque el semiproducto sale sin interrupción de la máquina hasta que la cuchara (o cucharas, en caso de coladas en secuencia), ha vaciado todo el acero líquido que contiene. Una instalación de colada continua puede ser de una o varias líneas. Las partes fundamentales de una instalación de este tipo son: La cuchara de colada que contiene el acero y es análoga a la descrita para la colada convencional. La artesa o distribuidor, recipiente intermedio que recibe el chorro de acero de la cuchara, lo acumula durante un cierto tiempo y lo distribuye entre las distintas líneas, regulando su caudal. La lingotera o molde, generalmente de cobre y paredes huecas, por donde circula el agua de refrigeración, que sirve para dar forma al producto. Durante el proceso de la colada, la lingotera se mueve alternativamente hacia arriba y hacia abajo con el fin de que se despegue la costra sólida que se forma por la refrigeración. El sistema de refrigeración secundaria, constituido por duchas de agua fría que riega la superficie exterior del acero y acelera su solidificación. La zona de enfriamiento por aire. Los rodillos de arrastre, que conducen y guían el semiproducto. Están accionados automáticamente. Los mecanismos de corte que trocean el semiproducto a las longitudes deseadas. Se emplean sopletes o cizallas que se desplazan durante el corte. Los sistemas de manipulación y evacuación de los semiproductos cortados.

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El conjunto de todos estos componentes forma lo que se llama una línea de colada, pero lo usual es que las instalaciones estén formadas por varias de estas líneas. La figura 12 nos indica un esquema comparativo entre distintos procesos de colada.

FIGURA 12 COMPARACIÓN DE LOS PROCESOS DE COLADA CONVENCIONAL Y COLADA CONTINUA

4.- DESOXIDACIÓN  Aún cuando en el punto anterior ya se ha mencionado el concepto de desoxidación, dada la extrema importancia para la calidad del acero que tiene este proceso, a continuación se estudia este procedimiento con más intensidad. La operación tecnológica con la cual el oxígeno disuelto en el metal se transforma en un compuesto insoluble en el metal o se elimina de este último se llama desoxidación. El acero desoxidado durante la solidificación en las lingoteras se comporta de un modo “calmo”, de ella casi no se desprenden los gases y por eso se llama con frecuencia acero calmado. Si no se efectúa esta operación de desoxidación, durante el enfriamiento gradual en la lingotera transcurrirá la reacción entre el oxígeno disuelto en el metal y el carbono [O] + [C] = COgas. Las burbujas de óxido de carbono formadas se desprenderán desde el lingote en cristalización, el metal se agitará enérgicamente en la lingotera y la superficie del metal será tumultuosa. Este acero se llama efervescente. En algunos caso la desoxidación del acero se lleva a cabo de modo tal que a partir del metal no se elimine todo el oxígeno. El oxígeno disuelto provoca una efervescencia breve del metal a comienzos de su cristalización. Tal acero se denomina acero semicalmado. Los procedimientos utilizados para la desoxidación son:

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4.1. Desoxidación p or pr ecipitación Este procedimiento consiste en transformar el oxígeno disuelto en el acero en óxido insoluble agregando al metal un elemento llamado desoxidante. El desoxidante debe ser más afin por el oxígeno que por el hierro. Como resultado de la reacción se forma un óxido, poco soluble en el metal, cuya densidad es menor que la del acero. El “precipitado” obtenido de tal modo emerge pasando a la escoria. En calidad de desoxidantes se suelen usar el manganeso (en forma de ferromanganeso), el silicio (en forma de ferrosilicio), el aluminio, etc. La desoxidación transcurre por la reacción siguiente: [Mn] + [O] = (MnO); [Si] + 2[O] = (SiO2); 2[Al] + 3[O] = Al2O3sól; 2[Ce] + 3[O] = Ce3O3sól, etc. Todas estas reacciones van acompañadas con el desprendimiento de calor. A medida que desciende la temperatura del acero, las reacciones de desoxidación continúan desarrollándose y se forman cada vez nuevas cantidades de óxidos que, no tienen tiempo para subir a la superficie. Por esta causa en este método de desoxidación no se puede obtener un acero completamente exento de inclusiones no metálicas, lo que es un inconveniente esencial de tal procedimiento de desoxidación, sin embargo, tiene una amplia aplicación, ya que es el más simple y más barato. Los desoxidantes se añaden al metal al final de la fusión. La mayor parte del acero se desoxida por precipitación. En los casos en que se desea obtener un acero puro se emplean otros procedimientos de desoxidación.

4.2. Desoxidación por di fusión En la desoxidación por difusión es la escoria la que se somete a esta operación. En los casos en que el metal no está en efervescencia, entre las actividades del oxígeno en el metal y en la escoria existe una relación determinada a (FeO)/a[O]  = const (la ley de distribución de las impurezas disueltas en dos líquidos inmiscibles). Un procedimiento cualquiera para disminuir la actividad de los óxidos de hierro en la escoria origina el decremento del grado de oxidación del metal. Al efectuar la desoxidación por difusión suelen suministrarse a la escoria las mezclas de cuya parte forman reductores fuertes: el carbono (coque, carbón vegetal, pedazos de electrodos de carbón), el silicio (en forma de ferrosilicio), el aluminio. Los óxidos de hierro presentes en la escoria interaccionan con los reductores (desoxidantes) desarrollándose las reacciones: (FeO) + [C] = COgas + Fe; 2(FeO) + Si = (SiO2) + 2Fe; 3(FeO) + 2Al = (Al 2O3) + 3Fe. Este procedimiento de desoxidación por difusión, implica que los productos de desoxidación no quedan en el metal y el acero obtenido contiene menos inclusiones no metálicas, lo que es una gran ventaja de este procedimiento en comparación con el de desoxidación por precipitación. Sin embargo, tiene inconvenientes -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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entre los cuales los principales son los siguientes: la velocidad de difusión del oxígeno en un metal calmado es pequeña, el proceso de eliminación del oxígeno transcurre lentamente, la duración de la fusión crece y desciende el rendimiento.

4.3. Desoxidación tratando el metal po r la escoria en la cuc hara Este procedimiento, ya mencionado anteriormente, de desoxidación del metal tratándolo por la escoria en la cuchara se puede considerar como una variedad de la desoxidación por difusión que no se lleva en el horno, sino en la cuchara y se distingue por gran velocidad del proceso. Si durante la salida desde el horno a la cuchara el metal se mezcla con una escoria que no contiene óxidos de hierro, entonces ocurre la difusión del oxígeno (en forma de óxidos) que pasa del metal a la escoria. Las escorias se preparan en un aparato de fusión separado. Para tratar el metal durante su salida del horno se usa la escoria compuesta casi por completo por CaO y  Al2O3, la composición de la escoria se elige de modo tal que ésta tenga una temperatura de fusión más baja, en la medida de lo posible. Las escorias sintéticas se caracterizan no sólo por una temperatura de fusión y un precio lo más bajos posible, sino también deben reunir una condición más, deben humectarse mal con metal para que, después de mezcladas, se separen completamente de este último.

4.4. Desoxidación por el vacío El tratamiento del metal por el vacío, para lograr la desoxidación se basa en la utilización de la acción desoxidante del carbono. Al tratar por el vacío, disminuye la cantidad de inclusiones no metálicas en forma de óxidos. En los casos en que el metal está desoxidadado por el ferrosilicio o el alumínio se forman óxidos estables SiO2 y Al2O3  que no se puede destruir, más que haciendo permanecer el metal durante largo tiempo debajo de un vacío profundo en los hornos de vacio especiales.

5. DEFECTOS EN LOS ACEROS En el epígrafe anterior se realizó una clasificación de los aceros en virtud del proceso de desoxidación realizado. En este apartado estudiaremos la solidificación y los defectos producidos en los distintos tipos de aceros.

5.1. Aceros calmados Después de ser colado el acero en las lingoteras, al disminuir su temperatura desde el estado líquido, se produce una ligera contracción que se acentúa como consecuencia del paso de líquido a sólido. Al comenzar la solidificación del acero que está junto a las paredes laterales y en el fondo de las lingoteras, se forma una capa o costra de acero sólido. Esa capa aumenta su espesor, observándose que, al final, las últimas partes del metal líquido adoptan una forma de V o Y.

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FIGURA 13 FORMACIÓN DEL RECHUPE EN DIFERENTES TIPOS DE LINGOTES

El rechupe se puede reducir si se utiliza sobre la lingotera una mazarota, que es una pieza de refractario, de arena reforzada exteriormente por una pieza metálica, que se coloca en la parte superior de la lingotera para conseguir que el acero en esa zona se enfríe muy lentamente y se mantenga líquido durante el mayor tiempo posible. Con ese acero líquido se puede ir alimentando los huecos que se f orman en la zona central y se limita la altura del rechupe, que queda concentrado en la zona superior del lingote. Después de la solidificación del acero, quedan en su parte superior o mazarota diversos tipos de huecos o porosidades. Esos huecos suelen quedar cerrados más o menos completamente por una delgada capa sólida superior. El tamaño y la disposición del rechupe y de las porosidades que le rodean depende de la forma de tocho, de la temperatura de colada y de algunas circunstancias que varían con el tipo de lingoteras o mazarotas empleadas. Se da el nombre de la segregación a las variaciones de composición que siempre aparecen en las aleaciones metálicas después de la solidificación. En los lingotes de acero siempre hay zonas con variaciones sensibles de composición. En ellas aparecen mayores o menores procentajes de algunos elementos, que los valores medios que corresponden a esos elementos en el acero. La composición de los aceros calmados no es uniforme en todas las zonas del lingote. Como las segregaciones son fundamentalmente el resultado de una solidificación diferencial, que es característica de todas las soluciones, todos los elementos que están en solución en el acero segregan de forma parecida, aunque no con la misma intensidad. Un lingote de acero calmado tiene varias zonas de segregación positiva, en las que los contenidos de los diferentes elementos en el acero son superiores a los valores medios, y una zona de segregación negativa, en la que los contenidos de esos elementos son inferiores.  Aparecen algunas zonas segregadas positivas en la zona superior del lingote. La segregación positiva más importante se encuentra en la zona central superior a lo largo del eje del lingote . -CURSO DE FORMACIÓN DE INGENIEROS EUROPEOS/INTERNACIONALES DE SOLDADURA-

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Otras segregaciones positivas menos importantes se encuentran en la zona superior y media más al exterior en forma de conos con superficies paralelas y ligeramente inclinadas con respecto al eje del lingote. Tienen forma de campana y el vértice de unión de esas líneas o superficies está algo más alto que la cabeza del lingote. La segregación negativa más importante se encuentra abajo, cerca del pie, y en la parte central del lingote , en lugares próximos al eje central y tiene la forma de una gota.

5.2. Aceros efervescentes Cuando se solidifica la capa exterior, se separa oxígeno de la masa metálica. Al reaccionar con el carbono según la reacción 2C + O 2 = 2 CO, se forma CO gaseoso que puede escapar a través del metal líquido, todavía muy fluido. Posteriormente al disminuir la temperatura del acero, llega un momento en que las burbujas de CO que se forman, comienzan a quedar aprisionadas por el metal pastoso o sólido, formando en la parte media e inferior del lingote sopladuras alargadas perpendiculares a la pared de la lingotera. Después aparece, más hacia el interior, otra línea de sopladuras de menor tamaño que las primeras, que forman una especie de aglomerado de sopladuras. Finalmente, en la cabeza del lingote suelen aparecer una cierta cantidad de poros irregularmente distribuidos. En los aceros efervescentes es muy interesante conocer la distribución de los diferentes elementos en la masa del lingote y, en especial, lo que ocurre con el carbono. En la cabeza del lingote es donde se encuentra la mayor parte de las impurezas. El pie es la parte más pura. En la cabeza o zona superior del lingote, el contenido en carbono llega a 0,18, mientras en el pie hay 0,04%. Las diferencias del contenido de carbono del centro a la periferia que se observa en las secciones transversales son muy mayores en la cabeza que en el pie del lingote.

Esas diferencias en el contenido en carbono, en el centro y en la periferia de los aceros efervencentes, es debida principalmente a las dos causas siguientes: 

Por cumplirse, como en todos los aceros, las leyes de solidificación de las aleaciones, que indican que los primeros cristales que se solidifican contienen siempre muy pocas impurezas.



Por producirse la reacción FeO + C = Fe + CO, que reduce el contenido en carbono del metal y desprende CO en forma gaseosa.

Como conclusión al presente capítulo, daremos unas breves especificaciones de los acero según su uso.  A.S.T.M

American Society for Testing and Materials (Sociedad Americana para Pruebas y Materiales).

 A.P.I.

American Petroleum Institute (Instituto Americano del Petróleo). Especifica los aceros que se usan en tuberías.

 A.S.M.E.

American Society of Mechanical Engineer (Sociedad Americana de Ingeniería Mecánica). Específica aceros, pero generalmente utiliza los mismos números que la ASTM.

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S.A.E.

Society of Automotive Engineer (Sociedad de Ingeniería Automovilística).

 A.I.S.I.

American Iron and Steel Institute (Instituto Americano del Hiero y del Acero). La SAE y el  AISI usan números de códigos que indican su combinación.

La identificación de los aceros según AISI y SAE usan números de códigos que indican su combinación. El primer número indica a cuál grupo pertenece el acero, el segundo número expresa el porcentaje de aleación predominante y los dos últimos indican el promedio de carbón contenido en centésimas de 1%. En cuanto a los aceros inoxidables, podemos establecer cuatro categorias, basadas en la estructura cristalina y el mecanismo de endurecimiento, según podemos observar en la tabla que se expone.

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TIPOS DE ACEROS  Aceros al carbón Carbón normal Corte franco  Aceros al manganeso  Aceros al níquel Níquel 3,15% Níquel 5,00%  Aceros cromo-níquel Níquel 1,30% cromo 0,75% Níquel 1,90% cromo 11,5% Níquel 3,50% cromo 1,50%  Aceros al molibdeno Carbono molibdeno  Aceros-cromo-molibdeno (Cr 1%, Mo 0,20%)  Aceros níquel cromo molibdeno Ni 1/80%, Cr 0,45%, Mo 0,35%  Aceros níquel molibdeno Níquel 1,50% molibdeno 0,25% Níquel 3,50% molibdeno 0,25%  Aceros al cromo Cromo 0,40% Cromo 1,00% Cromo 1,50%  Aceros al cromo vanadio Cromo 1,00% Vanadio 0,10%  Aceros de bajo Níquel-Cromo-Molibdeno Ni 0,55% - Cr 0,50% - Mo 0,20% Ni 0,55% - Cr 0,50% - Mo 0,20% Ni 0,55% - Cr 0,50% - Mo 0,25%  Aceros al silicio manganeso Silicio 2,00% Manganeso 0,85%  Aceros níquel, cromo, molibdeno Ni 3,00% - Cr 1,20% - Mo 1,10% Ni 0,45% - Cr 0,40% - Mo 1,10% Ni 0,55% - Cr 0,20% - Mo 0,20% Ni 1,00% - Cr 0,80% - Mo 0,25%

Números Dígitos Número de pertenencia del acero 1XXX 10XX 1 11XX 13XX 2XXX 23XX 2 25XX 3XXX 31XX 3 32XX 33XX 4XXX 40XX 41XX 4 43XX 46XX 48XX 5XXX 50XX 51XX 52XX 6XXX 61XX 8XXX 86XX 87XX 9XXX 92XX 93XX 94CC 97XX 98XX

5

6

8

9

9

 Aunque las designaciones expuesta hasta ahora son las más conocidas, la designación de aceros inoxidables también ha sido explicitada por la Comunidad Europea, que ha editado las Euronormas que marcan estos aceros según : -

Una letra ( A , B, C, ... ) que indica el grado de calidad del acero

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-

Un símbolo inicial X, predecido por la letra G en el caso de aceros moldeados, indicando X que el acero tiene un elemento en un porcentaje superior al 5 % .

-

El número correspondiente a 100 veces el valor medio del porcentaje de carbono

-

Los símbolos químicos de los principales elementos dispuestos en orden cuantitativo descendente

-

Grupos de cifras que indican, en orden, los porcentajes de los elementos de aleación según los símbolos anteriormente dispuestos

En España , el organismo acreditado para el desarrollo de las actividades de normalización y certificación es AENOR ( Asociación Española de Normalización y Certificación ) . Entre las normas publicadas de esta organización se puede considerar para los aceros inoxidables, la Norma UNE – EN 10088 : -

UNE – EN 10088 – 1 : 1996 . ACEROS INOXIDABLES. PARTE 1 : RELACIÓN DE ACEROS INOXIDABLES.

-

UNE – EN 10088 – 2 : 1996 . ACEROS INOXIDABLES. PARTE 2 : CONDICIONES TÉCNICAS DE SUMINISTRO DE PLANCHAS Y BANDAS PARA USO GENERAL

-

UNE – EN 10088 – 3 : 1996. ACEROS INOXIDABLES. PARTE 3 : CONDICIONES TÉCNICAS DE SUMINISTRO PARA SEMIPRODUCTOS, BARRAS, ALAMBRON Y PERFILES PARA  APLICACIONES EN GENERAL

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Los aceros al carbono se pueden clasificar según una designación numérica o mediante una simbólica, dentro de estos dos tipos , cada acero se incluirá en la Norma relativa a su aplicación concreta. Citaremos como ejemplo las siguientes normas : UNE-EN 10025 : PRODUCTOS LAMINADOS EN CALIENTE, DE ACERO NO ALEADO, PARA CONSTRUCCIONES METÁLICAS DE USO GENERAL. CONDICIONES TÉCNICAS DE SUMINISTRO UNE-EN 10225 : ACEROS DE CONSTRUCCIONES SOLDABLES PARA ESTRUCTURAS MARINAS FIJAS. CONDICIONES TÉCNICAS DE SUMINISTRO UNE – EN 10016-2 : ALAMBRON DE ACERO NO ALEADO PARA TREFILADO O LAMINADO EN FRÍO. PARTE 2 : CARACTERÍSTICAS DEL ALAMBRON DE USO GENERAL UNE-EN ISO 683-17 : ACEROS PARA TRATAMIENTO TÉRMICO, ACEOS ALEADOS Y ACEROS DE FACIL MECANIZACIÓN. PARTE 17 : ACEROS PARA RODAMIENTOS UNE – ISO 4957 : ACEROS PARA HERRAMIENTAS UNE – EN 10087 : ACEROS DE FACIL MECANIZACIÓN. CONDICIONES TÉCNICAS DE SUMINISTRO PARA SEMIPRODUCTOS , BARRAS Y ALAMBRON LAMINADOS EN CALIENTE UNE – EN 10084 : ACEROS PARA CEMENTAR, CONDICIONES TÉCNICAS DE SUMINSTRO En la tabla mostrada a continuación podemos ver la comparación entre las dos designaciones citadas anteriormente. Designación UNE simbóli ca

Designación UNE numéric a

Norma UNE

95 Mn W Cr 5

1.2825

UNE-EN ISO 4957

70 M n Mo Cr 8

1.284

UNE-EN ISO 4957

10 S 20

1.0721

UNE -EN 10087

28 Cr 4

1.7030

UNE-EN 10084

S 355 G7

1.8808

UNE-EN 10225

S 275 JR

1.0044

UNE-EN 10025

C 70 D

1.0615

UNE-EN 10016

80 Mn Cr V 42-16

1.3551

UNE-EN ISO 683-17

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