Produccion de hierro


   


Producción de hierro.

Materias primas para la producción de hierro dúctil. La forma esferidal del grafito que caracteriza al hierro dúctil es producida usualmente con un contenido de magnesio de aproximadamente de 0.04 a 0.06 %. El magnesio es un elemento altamente reactivo a la temperatura del hierro fundido, combinándose fácilmente con oxígeno y azufre. Para economizar magnesio y por la limpieza del metal, el contenido de azufre del hierro a ser tratado debe ser bajo (preferiblemente < 0.02%), esto se logra fácilmente en un horno eléctrico por fundición de cargas basadas en chatarra de acero a hierro en lingotes de calidad especial para la producción del hierro dúctil, junto con chatarra de hierro dúctil. El bajo contenido de azufre puede obtenerse también por fundición en una cúpula básica, ya que el ácido del hierro fundido de la cúpula tiene un alto contenido de azufre y normalmente necesita ser desulfurado antes del tratamiento por desulfurización continua o en serie en un cucharón o recipiente especial. El tratamiento en cúpula ácida del hierro fundido sin la desulfurización previa no es recomendable, porque el hierro consume más magnesio y produce excesiva escoria de sulfuro de magnesio, que es difícil de remover por completo.

Para producir hiero dúctil con la mejor combinación de resistencia, alta ductilidad y dureza, las materias primas que deben elegirse serán aquellas con bajo contenido de elementos indeseables, particularmente aquellos que promueven una matriz de estructura perlítica. Un bajo contenido de magnesio es también necesario para conseguir ductilidad del material colado y para facilitar el éxito de los tratamientos térmicos para producir una estructura ferrítica. Para este propósito es necesario usar chatarra de acero de calidad especial o hierro en lingotes, también de calidades especiales. Las calidades de alta resistencia de hierro dúctil pueden ser hechas de chatarra de acero estructural, hierro en lingotes y retornos de fundición, pero determinados elementos, tales como, plomo, antimonio y titanio, son mantenidos siempre lo más bajo posible para lograr una buena estructura de grafito. Esos efectos indeseables, sin embargo, ser compensados con la adición de una pequeña cantidad de cerio que da un contenido residual de cerio de 0.003 a 0.01%. Un importante control de las materias primas implica la exclusión del aluminio que puede promover fragilizaciones y defectos superficiales en el siguiente cuadro se muestran los contenidos típicos de los elementos menores de tres materias primas usadas en la manufactura de hierro dúctil.

CONTROL DE LA COMPOSICIÓN.

°Carbono. En la práctica de la fundición en hornos eléctricos, el carbono deriva del hierro en lingotes, carburizantes y chatarra de hierro fundido. La carburización de cargas de chatarra de acero se logra agregando grafito de bajo azufre o coque grafitizado, la proporción de solución y la recuperación del carbono aumenta con la pureza de la fuente de carbono usada. En cúpula de fundido, el carbono también deriva del coque cargado.

El rango óptimo para este elemento es de 3.4 a 3.85%, dependiendo del contenido de silicio. Por encima de este rango, hay peligro de flotación de grafito, (especialmente en secciones pesadas) y de un aumento en la expansión durante la solidificación, que conlleva a fragilizaciones, particularmente en moldes de arena blanda. Por debajo de este rango, las fragilidades pueden también ocurrir por la falta de carbono. Silicio. El silicio entra al hierro dúctil desde las materias primas, incluyendo chatarra de hierro fundido, hierro en lingotes y ferroaleaciones, y en pequeña parte desde el contenido de silicio de las aleaciones agregadas durante la inoculación. El rango preferente es de alrededor de 2 a 2.8%. Más bajos niveles de silicio conducen a una alta ductilidad en hierros tratados térmicamente, pero a peligros de carburos en las secciones delgadas, mientras que un alto contenido de silicio acelera el recocido y ayuda a evitar carburos en las secciones delgadas. Así como crece el contenido de silicio, la temperatura de transición dúctil-frágil en hierro ferrítico aumenta. La dureza y la resistencia a la tracción también aumentan.

Carbono equivalente (CE). Los contenidos de carbono, silicio y fósforo pueden ser considerados juntos como un valor de CE, que puede ser una guía muy útil para analizar el comportamiento de las fundiciones y algunas propiedades. Hay varias formulas de CE, y son muy usadas para calcular las propiedades de la fundición y la estructura solidificada del hierro. Cuando el carbono equivalente: CE = c% +1/3 (Si% + P%) Es igual a 4.3%, el hierro será de composición y estructura completamente eutéctica, y la desviación del valor de CE desde este valor es una medida de la cantidad relativa de eutéctico. Si CE es menor que 4.3%, habrá una porción de dendritas; si CE es mayor que 4.3%, habrá nódulos de grafito primario en la estructura. El grado de saturación Sc, es a veces usado, para expresar la proximidad a la composición eutéctica. El valor de Sc puede determinarse por la siguiente ecuación: Sc = %C / 4.23 – 0.3 (%Si + % P) Cuando Sc es menor que 1, el hierro es hipoeutéctico y contendrá dendritas primarias. Si Sc es mayor que 1, habrá grafito primario en la estructura. El carbono equivalente líquido (CEL) es una medida de la temperatura de líquidus, la cual tiene un mínimo valor en la composición eutéctica; que es CEL = %C + %Si /4 + %P /2. la máxima fluidez ocurre cuando es alcanzado este valor. El CEL solo puede ser medido convenientemente para hierros no tratados previamente con magnesio. Es usual pretender valores cercanos a 4.4 – 4.5, valores muy superiores a estos se restringen para evitar la flotación del grafito.

°Manganeso. La principal fuente de manganeso es la chatarra de acero usada en la carga. Este elemento debe ser evitado para obtener la máxima ductilidad. En hierros ferríticos este debe ser de 0.2% o menos. En hierros para ser usados en la condición perlitica, este puede estar en 1%. El manganeso esta sujeto a una microsegregacion indeseable, esto es así especialmente en secciones pesadas, en las que el manganeso fomenta la aparición de carburos en los bordes de grano, lo cual promueve a una baja ductilidad, baja tenacidad y perlita persistente. Magnesio. El contenido de magnesio requerido para producir grafito esferoidal, varia entre 0.04 y 0.06%. Si el contenido de azufre inicial es mas bajo que 0.015%, un contenido de magnesio mas bajo (0.035 a 0.04%) pude ser satisfactorio. Si el contenido de magnesio es demasiado bajo pueden obtenerse estructuras de grafito compacto con propiedades inferiores, mientras que un contenido demasiado alto puede promover a defectos superficiales.

°Azufre. El azufre deriva del cargado de materias primas metálicas. En cúpulas de fundido, este también es absorbido por el coque. Antes del tratamiento con magnesio, el contenido de azufre debe ser lo más bajo posible, preferiblemente por debajo de 0.02%. El contenido final de azufre del hierro dúctil está generalmente por debajo del 0.015%, pero si el cerio está presente, éste puede ser más alto por la presencia de sulfuro de cerio en el hierro. Contenidos finales excesivos de azufre son asociados con escorias de sulfuro de magnesio. Cuando se usa cúpula de hierro fundido, es común desulfurizar el metal – generalmente con cal o carbura de calcio, continuamente o en series, antes del tratamiento de magnesio- a niveles de 0.02% o menores.

°Cerio. Puede ser agregado para neutralizar partículas indeseables de elementos que interfieren en la formación del grafito esferoidal y para ayudar a la inoculación, en % que pueden variar entre 0.003 y 0.01%. En fundiciones de muy bajo contenido de elementos menores, el cerio puede ser indeseable y puede promover formaciones de grafito no esferoidal, especialmente en secciones gruesas. El cerio es agregado como un constituyente menor en aleaciones de adición de magnesio e inoculantes para mejorar la estructura del grafito. Elementos menores que promueven el grafito no esferoidal. Plomo, antimonio, bismuto y titanio son elementos indeseables que pueden incorporarse en pequeñas partes con las materias primas en la carga, pero sus efectos pueden ser neutralizados con la adición de cerio. Elementos menores que promueven la perlita. Níquel, cobre, manganeso, estaño, arsénico y antimonio, todos promueven la perlita y son listados en orden creciente de influencia. Pueden ingresar en el hierro como partículas constituyentes de la materia prima. El cobre hasta un 0.3% y el estaño hasta un 0.1% son usados deliberadamente cuando se requieren estructuras completamente perlíticas. Una carga de alta pureza es esencial para lograr estructuras completamente ferríticas o con recocido mínimo.

°Aluminio. La presencia de finísimas cantidades uniformes de aluminio en el hierro dúctil promueve la porosidad subsuperficial y superficial, por lo tanto debe ser evitado. La mayoría de las fuentes comunes de aluminio son contaminantes en aceros y en chatarra de hierro fundido (como ejemplo tenemos, los pistones de aluminio provenientes de las chatarras de motores de aluminio). Otra fuente es el aluminio contenido en los inoculantes. Un porcentaje de aluminio tan bajo como 0.01% puede ser suficiente como para causar cavidades en el hierro dúctil conteniendo magnesio.

°Fósforo. Es normalmente mantenido por debajo del 0.05%, porque promueve fragilidades y reducciones en la ductilidad. Elementos menores que promueven carburos. Cromo, vanadio y boro son todos promotores de carburos. El magnesio puede también acentuar los efectos estabilizantes de carburos de estos elementos, especialmente en secciones pesadas donde la segregación provoca la formación de carburos en los bordes de grano. Son controlados por una cuidadosa selección de las materias primas metálicas para fundición.

Elementos aleantes que promueven el endurecimiento. El níquel hasta un 2% y el molivdeno hasta un 0.75% son los elementos que se agregan generalmente para promover el endurecimiento cuando se vayan a aplicar tratamientos térmicos. Pequeñas cantidades de manganeso y cobre promueven también el endurecimiento, pero son normalmente usados en combinación con otros elementos. El cobre tiene una solubilidad limitada y debe ser mantenido por debajo del 1.5%.

Elementos aleantes para lograr propiedades especiales. Las estructuras de matriz austenítica son logradas por adición de 20% o más cuando se requiere resistencia al calor, a la corrosión o a la oxidación, y hasta un 5% de cromo puede también agregarse para tales fines. Los contenidos de níquel hasta un 36% producen hierros de propiedades controladas de baja expansión. Hasta un 10% de manganeso en los hierros austeníticos conduce a una baja permeabilidad magnética, y se acepta un bajo contenido de níquel para lograr una austenita estable. Un contenido de silicio de hasta un 6% produce estructuras de matriz ferríticas con reducido crecimiento, distorsión térmica y rotura a elevadas temperaturas. La adición de hasta un 2% de molibdeno a los hierros perlíticos, ferríticos y austeníticos confieren mejoras en el creep y resistencia a temperaturas elevadas.

Colaborado por:  Peter E.

 

 


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