Obtención de acero y fundiciones

En la entrada de producción de arrabio hemos visto cuales son los materiales de partida y el funcionamiento de un alto horno para convertir la mena de hierro en arrabio, con un alto contenido en hierro, pero con algunas impurezas (0.6-1.2% de silicio, cerca de un 0.2% de fósforo, 0.4-2% de manganeso y cerca de un 0.03% de azufre, entre otros). Una pequeña parte del arrabio producido se destina directamente al moldeo de primera fusión (fundiciones moldeadas). La mayor parte se destina a la fabricación de acero (transportado en estado líquido hacia la planta que lo fabrica), y el resto se cuela en lingoteras para ser sometido a una nueva fusión para obtener las fundiciones de segunda fusión.

Aunque la mayor parte del oxígeno de los óxidos de hierro ya ha sido removido en el alto horno, el arrabio aún contiene demasiado carbono y demasiadas impurezas (silicio, fósforo, manganeso....) que lo hace demasiado frágil y poco adecuado para la fabricación de objetos tecnológicos; siendo necesario su purificación en un proceso que tiene como principales objetivos:

Reducir el contenido en carbono
Eliminar impurezas
Añadir otros elementos que les confiera las características o propiedades deseadas.

Básicamente, el proceso de refinación consiste en un proceso de oxidación, llamado afino. Dicha operación puede lograrse con el oxígeno de aire y óxidos férricos en forma de chatarra. Así, al oxidarse (quemarse) el carbono con el aire se libera monóxido y dióxido de carbono escapando ambos en forma de gas, mientras que el silicio, el manganeso y el fósforo forman óxidos que se escapan con la escoria.

Una dificultad para la fabricación de los derivados del arrabio es su alto punto de fusión (1400-1500ºC) lo que impide que el proceso de refinado sea llevado a cabo en hornos convencionales.

Obtención de fundiciones

El horno más empleado para afinar las fundiciones es el horno de cubilote, los cuales permiten la adición de otros elementos. Estos hornos, son de cuba cilíndrica recubiertos interiormente por material refractario donde se carga el arrabio y el combustible (normalmente coque) a través de aberturas laterales introduciéndose aire por las toberas que rodean el horno por encima del crisol, situado en la parte inferior.

Este tipo de equipo es muy parecido al alto horno, sólo que sus dimensiones disminuyen notablemente. Debido al contacto directo entre el metal, las cenizas y el oxígeno el acero colado producido no puede ser rigurosamente controlado desde el punto de vista metalúrgico.

Podéis ver como funciona un horno de cubilote y la colada en el siguiente vídeo del canal Ciberboy25.

Obtención de acero

En el afino del arrabio se emplean los siguientes materiales de partida:

Arrabio: procedente del alto horno suele transportarse en estado fundido.
Chatarra: aporta óxidos de hierro.
Fundentes: con las mismas funciones que en el alto horno, y la cuál conllevará la formación de escoria.
Ferroaleaciones: aleaciones con altos contenidos en otros elementos (cromo, boro, wolframio, molibdeno, cobre, niquel...) para aportar nuevas propiedades y facilitar tratamientos posteriores del acero (como por ejemplo el temple).

A lo largo de la historia se han desarrollado diferentes tipos de hornos o convertidores (horno de hogar abierto, horno Martin-Siemens, convertidores Thomas-Bessener, hornos de arco eléctricos, hornos de inducción) siendo el horno de oxígeno básico, LD o BOF el más usado para el tratamiento de arrabios.

El convertidor LD consta de una cubeta vasculante de acero recubierta interiormente de material refractario. En posición inclinada se carga el arrabio líquido y la chatarra (25%). A continuación, en posición vertical, se hace descender una lanza de oxígeno puro o de oxígeno disuelto en argón refrigerado durante unos 20 min, al mismo tiempo que se añade el fundente.

Al lanzar el oxígeno se producen una serie de reacciones de oxidación(no voy a entrar en ellas) que altamente exotérmicas (desprenden mucho calor), por lo que no precisa de combustible. Tras cesar el aporte de oxígeno, se obtiene una muestra del metal fundido, la cual se somete a análisis para determinar su composición. De acuerdo con los resultados, se puede añadir más oxígeno, inyectándolo o más mineral. Cuando se obtiene la composición deseada, se elimina la escoria inclinando el horno, se vierte el acero en una cuchara y se añade carbón (normalmente antracita) y/o las ferroaleaciones para ajustar la composición fina y producir aceros con diferentes propiedades. Las ventajas de este convertidor frente a otros son que proporciona aceros de alta calidad con bajos contenidos en carbono, dosajes exactos, bajos costes, altos rendimientos y todo ello en un espacio corto de tiempo.

En los siguientes vídeos podéis ver parte del proceso:

Colada

Una vez obtenido el acero propiamente dicho, es necesario llevarlo a estado sólido mediante su su colada o vaciado. Habitualmente se distinguen dos tipos de colada:

Colada en lingotes: Es el procedimiento convencional. Por medio de una cuchara se va vertiendo el acero fundido en lingoteras, que una vez enfriadas dan lugar a lingotes manejables para seguir con el resto de procesos.
Colada en continuo: El método más empleado hoy en día, procedimiento mediante el cual se producen unas barras, perfiles o planchas que se solidifican a medida que se va vertiendo el metal líquido en una lingotera sin fondo, que se alimenta indefinidamente. A continuación os dejo otra infografía, elaborada por Ternium México, que puede ayudaros e entender cómo funciona el horno alto.

Para ampliar información:

Os presento una animación buenísima para que podáis repasar ¿qué es el acero? ¿cómo se fabrica? ¿para qué sirve? ¿cómo se utiliza? ¿para qué? ¿cómo se recicla?.. La infografía es de la Asociación para la Promoción Técnica del Acero (APTA), en cuya página de curiosidades sobre el acero podéis acceder a algunas cifras sorprendentes sobre este material.

Asociación para la Promoción Técnica del Acero

En el portal de la Office Technique Pour L' Utilisation de L'Acier (OTUA) podéis ver todo el proceso de obtención del acero, ya sea a partir del mineral (en alto horno) como a partir de chatarra (en horno de arco eléctrico).

Obtención de acero según Office Technique Pour L' Utilisation de L'Acier

En la siguiente animación, diseñada por Celsa Group, se muestra el proceso de obtención del acero a partir de chatarra, su refino en horno de cuchara, su colada en continuo y posterior laminación.

De la página de Altos Hornos de México, he rescatado una página y otra animación, donde se explica el procesado de las materias primas para la obtención de arrabio, el funcionamiento de un alto horno, el afino en convertidores LD o , la colada en contínuo y la laminación del acero.

En la siguiente animación, de Acerbrag, podéis comprobar cómo se obtienen alambres de acero a partir de chatarra, procesada en un horno eléctrico.

Si queréis jugar con varias simulaciones relativas a la fabricación del acero y productos derivados, os recomiendo que visitéis la página SteelUniversity, donde podréis encontrar además, abundante información y recursos.

En la siguiente infografía, podéis ver un esquema de cómo se fabrica el acero, sus tipos, algunas curiosidades, ventajas del reciclado de acero y su uso en arquitectura.