PRODUCCION DE ARRABIO

ARRABIO

Se denominan propiamente arrabios o hierros de primera fusión los que se obtienen directamente del horno alto en forma de panes o lingotes que, refundidos, dan las fundiciones o hierros de segunda fusión, empleados en coladas, en los que, en general, se introducen correctivos convenientes. Además de carbono, las fundiciones corrientes contienen: silicio, fósforo, manganeso y azufre. La adición de fósforo en pequeños porcentajes mejoran las características mecánicas, mientras que porcentajes mayores del 0,8% le dan gran resistencia al desgaste (fundiciones fosforosas). El fósforo favorece la colabilidad de la fundición, mejorando su fluidez. El azufre confiere fragilidad y, por tanto, su contenido ha de ser muy limitado. Se llama fundición especial a la que contiene otros elementos además de los antes mencionados, particularmente niquel, cromo, molibdeno y vanadio. Se denomina fundición hematites a la de primera fusión que tiene menos del 0, 1 % de fósforo, un 4% de carbono y carece casi de azufre; por su pureza se emplea para obtener fundiciones especiales.

Para la producción de hierro y acero son necesarios cuatro elementos fundamentales:

  • Mineral de hierro.
  • Coque.
  • Piedra caliza.
  • Aire.

Los tres primeros se extraen de minas y son transportados y prepararlos antes de que se introduzcan al sistema en el que se producirá el arrabio.

 

ALTO HORNO

Funcionamiento Elemental.

El alto horno consiste en una especie de deposito troncocónico, en el cual se cargan desde arriba capas alternadas de mineral de hierro carbón y fundente. Un fuerte calentamiento del carbón de las capas inferiores (obteniendo mediante corrientes de aire caliente) provoca una absorción del oxigeno del mineral de hierro por parte del carbono. La alta temperatura así obtenida da lugar a la fusión del hierro, que es recogido, mezclado con grandes cantidades de carbono (arrabio), por un orificio situado en la parte baja del horno. El aire se insufla por medio de una decena de toberas de bronce situadas radialmente en la parte baja del horno y alimentadas por una batería de sopletes accionados por motores de explosión. La escoria, más ligera que el arrabio, se recoge encima de este y sale por orificios practicados en las paredes del crisol. Cada 3 horas, aproximadamente, se extrae el arrabio por unos orificios situados debajo de los anteriores. El aire insuflado en el horno se precalienta haciéndolo pasar por recuperadores Cowper, los cuales están constituidos por cilindros verticales de plancha de 7 mm de diámetro y más de 30 metros de altura llenos de material refractario. Existen 4 Cowper al servicio de cada horno alto; dos de ellos están atravesados por gases muy calientes, obtenidos de la combustión y que proviene de la boca del propio horno, hasta que el instante que el material refractario alcanza una temperatura muy elevada; Un tercero, que ya se halla caliente, cede el calor almacenado al aire que los sopletes envían al alto horno; el cuarto es de reserva. La fase de calentamiento dura de una a dos horas.

En el horno alto tienen lugar fenómenos fisicoquímicos complicados, que no han sido aún aclarados en todos sus detalles. El coque no posee tan sólo la misión de quemar los materiales cargados y ponerlos a elevada temperatura, sino que el óxido de carbono CO, producido por su combustión, reacciona con el óxido de hierro trasformándose en anhídrido carbónico, CO, y liberando el hierro.

La temperatura, que en la boca del horno tan sólo es de 200°C, aumenta cuando se desciende y alcanza los 1 200°C en el vientre y los 1800°C en el crisol. La reacción entre el CO y el mineral tiene lugar a 400°C. A 900°C se inicia la fusión del mineral y el carbono comienza a disolverse en el hierro, hasta que su proporción alcanza el 3,5 o 4% en la parte inferior del horno. En esta parte se completa la reducción del óxido de hierro en contacto con el coque incandescente, y la ganga reacciona con el fundente para formar la escoria, la cual, al trotar sobre el arrabio, lo protege de la acción oxidante del aire insuflado a poca distancia por encima del baño.

Un horno alto funciona ininterrumpidamente, día y noche, hasta que, al cabo de un tiempo, que oscila entre 7 y 15 años, debe retirarse del servicio para reconstruir las instalaciones corroídas.

El arrabio que sale por la boca de colada del horno alto (arrabio de primera fusión) se recoge en un gran recipiente (caldero de colada), que es de acero y se halla revestido interiormente de refractario, el cual lo aísla térmicamente y permite su transporte hasta la acerería, en la que será trasformado en acero. Si su empleo no ha de ser inmediato, el arrabio se cuela en moldes rectangulares formados en un lecho de arena con una longitud aproximada de 1 m. Los lingotes solidificados en dichos moldes se separan a golpes de maza, se elevan mediante una grúa y se cargan en vagones para ser expedidos a los consumidores.

El calor necesario para la fusión puede ser suministrado así mismo par energía eléctrica; es el caso de los hornos eléctricos. Estos presentan la ventaja de que no introducen impurezas en el baño y permiten un desarrollo aún más controlado de las diferentes operaciones. Pueden tener una potencia de mas de 3000 Kw.  

 

 

 

 

En la imagen vemos el alto horno de la acereria Scunthorpe, linconnshire (Reino unido) uno de loa mayores que existen en el mundo.

En el alto horno tiene lugar fenómenos fisicoquímicos complicados que no han sido aclarados en todos sus detalles. El coque no posee solo la misión de quemar los metales cargados y ponerlos a elevadas temperaturas, sino que él oxido de carbono CO, producido por su combustión, reaccionaron él oxido de hierro transformándose en anhídrido carbónico, CO2, y liberando el hierro. La temperatura en la boca del horno es de tan solo 200° C, aumenta cuando se desciende y alcanza los 1200°C en el vientre y los 1800°C en el crisol. La reacción entre el CO y el mineral tiene lugar a 400°C. A 900°C se inicia la fusión del mineral y el carbón comienza a disolverse en el hierro, hasta que la proporción alcanza el 3.5 o 4 % en la parte inferior del horno. En este parte se completa la reducción del oxido de hierro en contacto con el coque incandescente, y la ganga reacciona con el fundente para formar la escoria, la cual, al flotar sobre el arrabio, lo protege de la acción oxidante del aire insuflado a poca distancia por encima del baño.  

 

Un horno alto funciona ininterrumpidamente, día y noche, hasta que, al cabo de un tiempo, que oscila entre 7 y 15 años, debe retirarse del servicio para reconstruir las instalaciones corroídas. El arrabio que sale por la boca de colada del alto horno se recoge en un gran recipiente, que es de acero y se halla revestido interiormente de refractario, el cual lo aísla térmicamente y permite su transporte hasta la acereria, en la que es transformado en el acero. Si su empleo no ha de ser inmediato, el arrabio se cuela en molde rectangulares formados en un lecho de arena con una longitud aproximadamente de un metro. Los lingotes solidificados en dichos moldes se separan a golpes, se elevan mediante una grúa y se cargan en vagones para ser expedidos a los consumidores.

El calor necesario para la fusión puede ser suministrado así mismo por energía eléctrica; es el caso de los hornos eléctricos.

El mineral de hierro se convierte en arrabio en un alto horno. Los tres minerales, el mineral de hierro, el coque y la caliza se vacían en el horno a intervalos, haciendo así continuo el proceso. Para producir una tonelada de hierro se requieren aproximadamente dos toneladas de mineral, una tonelada de coque y media de piedra caliza.

Uno de los tres minerales principales en la producción del arrabio es el coque, resultado de que se alientan ciertos carbones suaves en ausencia de aire. Cuando el carbón de piedra se calienta en hornos de coque y se extraen los resultantes, el residuo es el coque. El coque material duro, frágil y poroso que contiene del 85 % a de carbono, junto con algo de cenizas, azufre y fósforo. Del gas que se produce en los hornos de coque obtienen muchos productos útiles: gas combustible, amoniaco, azufre, aceites y alquitranes. De los alquitranes del carbón de piedra provienen muchos productos importantes como colorantes, plásticos, hules sintéticos perfumes, sulfas y aspirinas.  

 

 

PROCESO

El horno se carga con capas alternadas de capas alternadas de coque, piedra caliza y mineral; desde el fondo se inyecta por toberas aire precalentado a 900 °C a través de la carga efectuándose la combustión completa del coque que adquiere temperaturas máximas entre 1700 a 1800 °C.

El hierro fundido, arrabio o fundición de primera fusión se acumula en el cristal y sobre su superficie flota la escoria durante el sangrado del horno el hierro (Fe) se deja correr por el canal para colectarse en ollas grandes, con las cuales se llenan lingoteras o bien se conducen a mezcladoras calientes donde se almacenan y se mezclan con otras fundiciones para curarse posteriormente en algún proceso de obtención del acero (refinación de arrabio.)Los lingotes se someten a una operación de enfriamiento ara convertirse mediante procesos metalúrgicos posteriores, en hierro colado de segunda fusión, hierro dulce, hierro maleable o bien acero.

El arrabio no se puede utilizar directamente en la industria por ser más quebradizo debido a sus impurezas y poco resistente contiene excesivo carbón 2.2 a 4.5 % mas cantidades de silicio, magnesio, fósforo los cuales son variantes.

Altos hornos de México (AHMSA) tiene dos hornos uno de 400 y otro de 1000 toneladas. Con una carga de 1612 Kg de mineral, 980Kg. de coque, 300 Kg de caliza, 100 Kg de mineral de manganeso e inyectando 3500m3 de aire, se obtiene aproximadamente 1000Kg. de hierro fundido, 600 Kg de escoria, 6310 Kg de gas de alto horno y 80 Kg de polvo.

Por tanto, las piezas se producen llenando con la fundición líquida, el vacío de unos moldes de arena donde se dejan enfriar. Un modelo de madera con igual forma que la pieza sirve para preparar el molde de arena partido en dos. Ambas partes están sostenidas por sendos marcos o cajas de moldeo. La partición se hace con el fin de poder extraer el modelo una vez confeccionado el molde. Se deben dejar los correspondientes agujeros para colar el hierro líquido, así como otros para la eventual descarga de residuos de escoria y para la salida de burbujas. Como consecuencia, la pieza solidificada tiene una forma vasta con apéndices sobrantes, llamados macelotas, que saltan con un simple golpe. En las modernas instalaciones las operaciones de colado, moldeo y desmoldeo están automatizadas. El procedimiento del moldeo también se aplica al acero, sin embargo, éste exige temperaturas muy elevadas que sólo puede proporcionar el horno eléctrico.  

 

FUNDICIONES DE ALTO HORNO O FUNDIONES DE PRIMERA FUSION

 

Las características del hiero fundido de primera fusión dependen en gran forma de la operación del horno y los lingotes obtenidos se clasifican en gris, blanco y atruchado, denominación que va de acuerdo a la superficie de fractura, por el aspecto de las fracturas que presentan al romperse los lingotes de hierro obtenidos en el horno alto colados en arena y por el aspecto que tienen después de rotas las piezas fundidas, se clasifican las fundiciones en las tres primeras clases citadas anteriormente: Fundición gris blanca y atruchada. La fundición gris contiene, en general, mucho silicio, 1,5 % a 3,5 la blanca, poco silicio, generalmente menos de 1 % y la atruchada tiene, generalmente, un contenido de silicio intermedio, variable de 0,6 a 1,5 %. El color oscuro que tienen las fracturas de las fundiciones grises y atruchadas, se debe a la presencia en las mismas de gran cantidad de láminas de grafito

El contenido en silicio de las aleaciones hierro-carbono y la velocidad de enfriamiento, tienen gran influencia en la formación de una u otra clase de fundición. Las velocidades de enfriamiento muy lentas favorecen la formación de fundición gris; el enfriamiento rápido tiende, en cambio, a producir fundición blanca. Finalmente, el azufre y el manganeso ejercen también una cierta influencia contraria a la del silicio, favorecen la formación de fundición blanca. Sin embargo, el manganeso y el azufre, cuando se encuentran formando inclusiones no metálicas de sulfuro de manganeso, no ejercen influencia favorable ni desfavorable en la formación de grafito ni en la aparición de fundiciones grises o blancas. Además de estos tres tipos de fundición, se fabrican también desde hace muchos años las fundiciones maleables, que en lugar de obtenerse por simple fusión, como las que acabamos de citar, se fabrican por recocido de la fundición blanca en condiciones especiales.  

 

FUNDICIÓN GRIS

 

Constituyen la clase más común y reciben este nombre por el color de material recién fracturado. Contienen aproximadamente un 4 % de carbono y un 3 % de silicio; la estructura es perlítica, con láminas de carbono granítico distribuidas por la matriz.

Esta discontinuidad estructural explica las propiedades características de esa clase de fundiciones: valores de resistencia a la tracción y alargamiento muy bajos (R = 10 - 35 kg/mm2), escasa sensibilidad al corte y comportamiento inelástico a las tensiones. Sin embargo, hay que recordar nuevamente que las propiedades y la estructura dependen en gran manera de la velocidad de enfriamiento de la pieza y, por consiguiente, de sus dimensiones.

La fundición gris se fabrica en el alto horno, para esto se utiliza de 900 a 1500Kg. de coque se lleva a cabo la llamada marcha caliente, obteniéndose fundición gris que contiene cantidades altas de carbono en forma de grafito (2.2 a 4.5 %), debido al alto contenido de silicio mas de 1% y pequeñas cantidades de magnesio fósforo y azufre. La escoria contiene una cantidad baja de oxido de hierro debido a su considerable reducción, el enfriamiento es lento

Las fundiciones grises se utilizan para fabricar elementos robustos, debido a su óptima facilidad de colada, pero poco sometidos a fatigas y esfuerzos, tales como soportes, contrapesos, basamentos de máquinas, etcétera. Las aleaciones de esta clase no pueden ser tratadas térmicamente.

Un tipo de fundición gris modificada es la fundición meehartítica: mediante técnicas de colada adecuadas se obtiene una distribución uniforme de grafito en forma de partículas muy finas dispersas por el núcleo o matriz. Este factor produce alguna mejora de las propiedades mecánicas del material colado (R alcanza valores de hasta 45 kg/mm2) Con lo que aumenta notablemente la plasticidad.  

 

PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS Y COMPOSICIONES DE LAS FUNDICIONES GRISES

 

Las fundiciones grises son más blandas, de fractura grisácea y una parte del carbono se encuentra en forma de grafito. Esos ejemplos señalan claramente cómo en las fundiciones la formación del grafito se favorece con la presencia de un elevado porcentaje de silicio y de carbono y con bajas velocidad es de enfriamiento, circunstancia esta última que se consigue en las piezas de gran espesor y con preferencia en el interior de las piezas. Para obtener fundiciones grises, se deben vigilar los porcentajes de azufre y manganeso, que conviene que sean bastante bajos.

Las fundiciones grises son, en general, las más utilizadas en la construcción mecánica y puede decirse que el 95 % de las fundiciones que se fabrican en la actualidad son fundiciones grises. Cuando no se exigen unas características mecánicas muy elevadas, las condiciones más interesantes que, en general, conviene que cumplan las fundiciones son primero que cuelen bien, segunda que se mecanicen con facilidad y tercero que no tengan poros. Para que cuelen bien deben de ser de baja temperatura de fusión y para ello conviene que tengan contenidos en carbono bastante elevados.

Las fundiciones para ser fácilmente mecanizables deben contener en general altos, porcentajes de silicio. Si el contenido en silicio es bajo, puede aparecer fundición blanca, muy difícil de mecanizar. En la figura A se señalan los contenidos en silicio que se deben rebasar para poder obtener fundición gris con diferentes espesores cuando se cuela la fundición en moldes de arena secados en estufa. Se observa que varían desde 1 % para piezas de 100 mm de espesor hasta 2 % para piezas de 25 mm de espesor y 2,5 %, para piezas de 15 mm de espesor.

El hierro gris o fundición gris se utiliza en la fabricación de bancadas. Puede tornearse, limarse y su temperatura de fusión es mas alta que la del hierro blanco, es mas fluido cuando esta fundido, es menos frágil y su resistencia aumenta con la finura del grano.  

 

FUNDICIONES BLANCAS

 

La fundición blanca cuando se fabrica en alto horno se utilizan 830 a 990 Kg de coque, para que obtenga la fundición blanca se debe trabajar el horno en marcha fria, obtiene fundición blanca, con menos grafito o sin él. El carbono permanece combinado con el carburo de hierro (45%) por enfriamiento rápido de lingote, su contenido es del 3% de carbono y posee menos del 1% de silicio ya que la temperatura de marcha es relativamente baja; la reducción en este caso es incompleta por lo que determinada cantidad de FeO pasa ala escoria.

Las fundiciones blancas son duras, frágiles, de fractura blanca y cristalina Y en ellas el carbono se presenta combinado en forma de cementita. En las fundiciones blancas, el carbono, en porcentaje nunca superior al 3 %, está combinado por completo en forma de cementita y la estructura es mixta: perlítica-cementítica. Este efecto es favorecido por la presencia de ligantes como el cromo y el manganeso, por la reducción del contenido de silicio y por el aumento de la velocidad de enfriamiento. Presentan una dureza notable y resistencia al desgaste, por lo que son utilizadas fundamentalmente para fabricar mazos de trituradores, cilindros de laminadores, etcétera.

Sin embargo, su función más importante consiste en constituir el punto de partida para la obtención de fundición maleable: mediante un adecuado tratamiento térmico se provoca la coalescencia (capacidad de fundirse) de las láminas de grafito en nódulos separados o también, además de la coalescencia del grafito, la descomposición de la perlita hasta obtener un núcleo ferrítico, con nódulos de grafito dispersos en él.

Las fundiciones maleables se consideran productos intermedios entre las fundiciones grises y los aceros; pueden ser tratadas térmicamente y son adecuadas tanto para piezas robustas como para las sometidas a tensiones del tipo medio. Se utilizan en gran escala en la industria automovilística y de producción de máquinas agrícolas, para obtener ejes, soportes, puentes posteriores, basamentos, horquillas, etc.… igualmente, son muy empleadas para empalmes roscados de tubos. Sin embargo, existe una limitación de carácter dimensional, ya que no es posible obtener la estructura deseada cuando se trata de piezas muy gruesas.

La fundición blanca es la materia para fabricar aceros, es extremadamente dura, frágil con bajo punto de fusión debido al carbono de hierro; la dureza y fusibilidad aumentan; la maleabilidad y soldabilidad disminuyen en proporción con el contenido de carbono.

Antes de fundirse pasa por un estado pastoso y después funde rápidamente esto lo hace apropiado par la fabricación de hierro dulce y hiero maleable su densidad es de 7.5 Se caracteriza porque presenta una fractura blanca metálica. Es una aleación de Fe-C (>1,7%C) que se enfría según el diagrama metaestable de equilibrio, es decir, mediante un enfriamiento rápido, formando un compuesto eutéctico que es la ledeburita. Son muy duras y poco mecanizables. Se utilizan para fabricar piezas que resistan la abrasión y fuertes desgastes (trituradores).

Se las puede someter a tratamientos térmicos para mejorar su capacidad de deformación plástica que se aplican a piezas con forma definitiva:

Maleabilización grafitizante: Se calienta y mantiene la fundición a una temperatura y se enfría lentamente provocando el retorno al equilibrio estable por descomposición de la cementita. Para que se produzca la vuelta al equilibrio estable, la fundición debe tener un contenido bajo en C y alto en Si (1-1,5%). El grafito procedente de la descomposición de la cementita, se obtiene en forma nodular, lo que proporciona ductilidad. A la fundición obtenida se la denomina maleable de corazón negro.

Maleabilización decarburante: Se decarbura la cementita de una fundición blanca mediante una reacción del carbono con el oxígeno del aire a 950 º, lo que da lugar a una expulsión de dióxido de carbono. Se obtiene una estructura perlítica que es más blanda que la cementita. Es necesario la ausencia de Si, ya que de lo contrario se produciría un retorno al equilibrio estable.  

 

 

FUNDICION ATRUCHADA  

 

La fundición atruchada es una variedad intermedia que tiene el especto de hierro blanco con manchas color gris oscuro. El carbono se encuentra en forma libre y combinada. Este hierro se produce en condiciones controladas.

Generalmete no tiene mucho uso comercial, se utiliza donde no se requiere que soporte mayores esfuerzos o realice trabajos forzados, un ejemplo son las bancas que estan en los parques, son de hiero atruchado.  

 

APLICACIONES DE LAS FUNDICIONES

 

En cuanto a las aplicaciones más importantes de las fundiciones, dependen del tipo de fundición :

Fundición blanca: se trata de fundiciones cuyo enfriamiento se ha realizado de una manera rápida y, por lo tanto, el exterior de la pieza es fundición blanca hasta 4 cm de espesor, y el interior es una fundición gris, así se obtienen piezas duras en la periferia y un alma suficientemente resistente. Las aplicaciones principales suelen ser para piezas que resisten fuertes desgastes: cilindros laminadores, mandíbulas de machacadoras, ruedas de vagones, zapatas de freno de ferrocarril, etc. Los procedimientos de maleabilización se aplican a objetos que tienen su forma definitiva, así permiten obtener piezas de formas complicadas que serían difíciles de realizar en acero, sea por colada, sea por forja. El producto obtenido en las maleabilizaciones es blando y tenaz. Algunas aplicaciones son las siguientes: para soportes del motor de un coche, maquinaria agrícola, conexiones de tuberías, etc.

Fundición gris: la industria no utiliza apenas estas fundiciones ya que sus propiedades mecánicas son mediocres. Tienen una gran capacidad de amortiguamiento de las vibraciones, y de ahí su utilización para las bancadas de las máquinas. La fundición gris, tratada térmicamente, se utiliza para máquinas herramientas, motores de combustión interna y otras piezas sometidas a vibración y desgaste. En cuanto a la fundición gris de grafito esferoidal, poseen una resistencia mecánica y una ductilidad mayor que las de las fundiciones grises usuales. La facilidad de mecanización es excelente. Las principales aplicaciones son: tubos para la conducción de agua, de gas y de petróleo.

Fundiciones aleadas: los tipos principales que utiliza la industria son:

  1. Fundiciones de alta resistencia mecánica: son fundiciones grises de débil contenido en Ni (de 1-2%) y en Cr (0,2-0,8%) en las cuales la mejora es originada por la finura de perlita y de grafito, y fundiciones blancas de contenidos más altos (3 a 5 Ni, 0,5 a 2 Cr). Se emplean para cilindros de motores de explosión, elementos de machacadoras, cilindros de laminadores, etc. a causa de su excelente resistencia al desgaste.
  2. Fundiciones resistentes a la corrosión: Se utilizan fundiciones de 15Ni, 3Cr, 6Cu o de alto contenido en cromo (30-35%). Las aleaciones de 15-18% sí resisten los ácidos y en particular al ácido sulfúrico.
  3. Fundiciones amagnéticas: en la industria eléctrica se emplean ciertas fundiciones con un 10% Ni y 4%