I. ¿Qué son el hierro y el acero?

El hierro y el acero son aleaciones compuestas de hierro (Fe), carbono (C), silicio (Si), manganeso (Mn), fósforo (P), azufre (S) y pequeñas cantidades de otros elementos. Entre estos, excepto por el hierro (Fe), el contenido de carbono juega un papel importante en la determinación de las propiedades mecánicas del hierro y el acero, por lo que se les denomina colectivamente aleaciones de hierro-carbono. Son los materiales metálicos más importantes y utilizados en la tecnología de ingeniería.

2. Significado del acero

El acero es una aleación de hierro y carbono con un contenido de carbono que varía del 0.03% al 2%. El acero al carbono es el acero ordinario más utilizado, caracterizado por su fácil fundición y procesamiento. Según la diferencia en el contenido de carbono, el acero al carbono se divide además en acero de bajo carbono, acero de carbono medio y acero de alto carbono. El acero aleado, también llamado acero especial, se fabrica añadiendo uno o más elementos de aleación al acero al carbono para cambiar la microestructura y las propiedades del acero. Los elementos de aleación comunes que se añaden al acero incluyen Si, Mn, Cr, Ni, Mo, V, Ti, etc.

3. Significado del Hierro Fundido

Los aleaciones de hierro-carbono con un contenido de carbono entre el 2% y el 4.3% se llaman hierro colado. El hierro colado es duro y quebradizo, y tiene buena resistencia a la presión y resistencia al desgaste. Se divide en hierro colado blanco, hierro colado gris y hierro dúctil. El hierro colado blanco tiene una apariencia blanco plateada, es duro y quebradizo, y no se puede mecanizar; es una materia prima para la fabricación de acero, por lo que también se llama hierro colado para la fabricación de acero. El hierro colado gris tiene una fractura gris plateada, es fácil de cortar y fundir, y tiene buena resistencia al desgaste. El hierro dúctil tiene propiedades cercanas a las del acero. Se puede obtener hierro colado especial añadiendo elementos de aleación especiales al hierro colado.

II. Proceso de Producción de Hierro y Acero

El proceso moderno de fundición de hierro y acero implica fundir mineral de hierro en hierro colado en un alto horno, verter el hierro fundido en un convertidor o horno eléctrico para fundirlo en acero, luego colar el acero fundido en lingotes de colada continua o lingotes de acero, y procesarlos en productos de acero para diversos propósitos a través de métodos de deformación plástica como el laminado.

2. Obras Integradas de Hierro y Acero

Una planta integrada de hierro y acero generalmente incluye enlaces de producción como el procesamiento de materias primas, la fabricación de hierro, la fabricación de acero, la laminación de acero, el suministro de energía y el transporte. Es un sistema de producción complejo y a gran escala. La mayoría de las empresas de hierro y acero en China son empresas integradas de proceso completo.

III. Materias Primas y Proceso de Fabricación de Hierro

Los principales materias primas para la fusión en un alto horno incluyen mineral de hierro (mineral rico natural y mineral rico artificial), combustible (coke y combustible inyectado) y fundente (caliza y dolomita). Para fundir una tonelada de hierro fundido, se requieren aproximadamente 1.60-1.65 toneladas de mineral de hierro con un grado del 63%, 0.3-0.6 toneladas de coke y 0.2-0.4 toneladas de fundente.

2. Proceso de fabricación de hierro

La fabricación de hierro en alto horno es un método tradicional de fabricación de hierro basado en el coque como energía. Cooperado con la fabricación de hierro en convertidor, actualmente es el principal método para la producción de hierro. Se espera que la posición de liderazgo de la fabricación de hierro en alto horno no cambie durante un período bastante largo. La esencia de la fabricación de hierro en alto horno es un proceso de reducción de hierro, en el cual el coque actúa como combustible y agente reductor para reducir el hierro de mineral de hierro o materias primas que contienen hierro del estado de óxido o mineral a hierro fundido líquido a altas temperaturas.

3. Proceso de Fabricación de Hierro

Durante el proceso de fusión, la carga del horno (mineral, fundente, coque) se carga por lotes en el horno desde la parte superior a través de equipos de carga en una proporción determinada. El aire caliente a alta temperatura soplado desde los tuyères inferiores reacciona con el coque para generar gas reductor a alta temperatura, que asciende y calienta, reduce, funde y forma escoria a partir de la carga del horno, desencadenando una serie de cambios físicos y químicos. Finalmente, la escoria líquida y el hierro se acumulan en el hogar y se descargan periódicamente del alto horno. Durante el proceso de ascenso, la temperatura del flujo de gas disminuye continuamente y su composición cambia gradualmente, y finalmente, se forma gas de alto horno que se descarga desde la parte superior del horno.

IV. Materias Primas y Proceso de Fabricación de Acero

Descarbonización → desfosforización → desulfurización → desoxidación → desnitrificación, deshidrogenación, etc. → eliminación de inclusiones no metálicas → aleación → aumento de temperatura → solidificación y conformado.

2. Principio de fabricación de acero y materias primas

El proceso de fabricación de acero es un proceso de oxidación. El método principal para eliminar impurezas es soplar oxígeno en el baño fundido y agregar agentes formadores de escoria para formar escoria fundida para su eliminación. La reacción de descarbonización es el principal medio del proceso de fabricación de acero, y elementos como el silicio, manganeso, fósforo y azufre también se eliminan a través de reacciones de oxidación. Las materias primas para la fabricación de acero incluyen hierro fundido, chatarra de acero, fundentes (caliza), desoxidantes (ferrosilicio, ferromanganeso, aluminio, etc.) y materiales de aleación.

3. Proceso de fabricación de acero

Tratamiento previo del metal caliente → fabricación de acero en convertidor o horno de arco eléctrico → refinación secundaria (refinación en colada) → colada continua.

V. Procesos de fabricación de acero (Enlaces clave)

La colada continua de acero es un proceso que funde continuamente acero fundido en lingotes de acero a través de un colador continuo. En comparación con la colada en lingote, la colada continua tiene las siguientes ventajas: proceso simplificado y ahorro de energía; tasa de corte de cabeza de lingote reducida, con un rendimiento metálico de 7-12% superior al de la colada en lingote; solidificación eficiente; y formación optimizada.

El flujo del proceso de colada continua es el siguiente: El acero fundido se inyecta en el molde a través de un tundish y se enfría rápidamente para formar una cáscara solidificada con un cierto grosor, mientras que el interior permanece líquido (lingote semi-sólido). La parte inferior del lingote está conectada a una barra de prueba que se extiende hacia el fondo del molde. Después de que comienza la colada, la máquina de extracción de lingotes tira del lingote en el molde a una cierta velocidad a través de la barra de prueba. Cuando el lingote pasa por la zona de enfriamiento secundario de la colada continua, se enfría aún más mediante rociado de agua hasta que se solidifica completamente. Después de la solidificación completa, el lingote se endereza mediante un enderezador, se corta en longitudes especificadas y se transporta hacia afuera a través de un transportador.

2. Laminado de acero

El proceso de laminado es un proceso en el que la fricción entre la pieza laminada y los rodillos tira de la pieza laminada hacia el espacio entre los rodillos que giran en diferentes direcciones, causando que sufra deformación plástica. Un proceso general de laminado de acero se puede dividir en: horno de calentamiento, laminado en bruto, laminado intermedio, laminado de acabado y acabado.

VI. Propiedades Mecánicas del Hierro y el Acero (Indicadores Clave)

El hierro y el acero tienen buenas propiedades físicas, mecánicas y tecnológicas, con seis indicadores clave como sigue:

Cuando un material o muestra de acero se estira, si el esfuerzo supera el límite elástico, el material o muestra de acero continuará experimentando una deformación plástica evidente incluso si el esfuerzo ya no aumenta. Este fenómeno se llama fluencia, y el valor mínimo de esfuerzo en el que ocurre la fluencia es el punto de fluencia.

2. Resistencia a la tracción

El punto de fluencia de algunos materiales metálicos no es obvio, lo que dificulta la medición. Por lo tanto, para medir las características de fluencia de los materiales, se define el esfuerzo que causa una deformación plástica residual permanente para alcanzar un cierto valor (generalmente el 0.2% de la longitud original) como la resistencia a la fluencia condicional, o simplemente resistencia a la fluencia.

3. Resistencia a la tracción

El valor máximo de tensión alcanzado desde el inicio del estiramiento hasta la fractura del material. Representa la capacidad del acero para resistir la fractura. Correspondiente a la resistencia a la tracción, también existen la resistencia a la compresión, la resistencia a la flexión, etc.

4. Alargamiento

El porcentaje de la longitud de elongación plástica del acero después de la fractura con respecto a la longitud original de la muestra se llama elongación o porcentaje de elongación.

5. Tasa de rendimiento

La relación entre el punto de fluencia (resistencia a la fluencia) del acero y su resistencia a la tracción se llama relación de fluencia. Cuanto mayor sea la relación de fluencia, mayor será la fiabilidad de las partes estructurales. Generalmente, la relación de fluencia del acero al carbono es de 0.6-0.65, la del acero estructural de baja aleación es de 0.65-0.75, y la del acero estructural aleado es de 0.84-0.86.

6. Dureza

La dureza se refiere a la capacidad de un material para resistir la indentación de un objeto duro en su superficie. Es uno de los indicadores de rendimiento importantes de los materiales metálicos. Generalmente, cuanto mayor es la dureza, mejor es la resistencia al desgaste. Los indicadores de dureza comunes incluyen la dureza Brinell, la dureza Rockwell y la dureza Vickers.

VII. Factores que Afectan las Propiedades del Hierro y el Acero

Influencia de la Composición Química en las Propiedades del Hierro y el Acero

El carbono es el elemento más importante después del hierro. A medida que aumenta el contenido de carbono, la resistencia del acero aumenta, mientras que la plasticidad y la tenacidad (especialmente la tenacidad al impacto a baja temperatura) disminuyen. Al mismo tiempo, la soldabilidad, la resistencia a la corrosión y el rendimiento de doblado en frío se reducen significativamente. Por lo tanto, el contenido de carbono del acero estructural generalmente no es superior al 0.22%, y el de las estructuras soldadas debe ser inferior al 0.2%.

2. Manganeso

El manganeso es un desoxidante débil. Un contenido adecuado de manganeso puede mejorar eficazmente la resistencia del acero y eliminar el efecto de fragilidad en caliente del azufre y el oxígeno en el acero sin reducir significativamente la plasticidad y la tenacidad del acero. El contenido de manganeso en el acero estructural de carbono es del 0.3%-0.8%, y en el acero de baja aleación es generalmente del 1.0%-1.7%.

3. Silicio

El silicio es un fuerte desoxidante. Un contenido adecuado de silicio puede mejorar la resistencia del acero sin efectos adversos obvios en la plasticidad, tenacidad, rendimiento de doblado en frío y soldabilidad. Sin embargo, cuando el contenido de silicio es demasiado alto, reducirá la plasticidad, tenacidad, resistencia a la corrosión y soldabilidad del acero.

4. Vanadio, Niobio, Titanio

El vanadio, el niobio y el titanio pueden refinar el tamaño de grano del acero. Los aceros de baja aleación en China contienen estos tres elementos. Como elementos de aleación además del manganeso, no solo pueden mejorar la resistencia del acero, sino también mantener una buena plasticidad y tenacidad.

5. Oxígeno, Nitrógeno

El oxígeno y el nitrógeno también son impurezas dañinas, que pueden entrar en el metal desde el aire cuando el metal está en estado fundido. El oxígeno puede causar fragilidad en caliente del acero, y su efecto es más intenso que el del azufre; el nitrógeno puede causar fragilidad en frío del acero, similar al fósforo.

VIII. Clasificación del Hierro y el Acero

Acero ordinario (P ≤ 0.045%, S ≤ 0.05%)

Acero de alta calidad (tanto P como S ≤ 0.035%)

Acero de alta calidad y alta gama (P ≤ 0.035%, S ≤ 0.03%)

2. Clasificación por Composición Química

Acero al carbono

Acero de bajo carbono (C ≤ 0.25%)

Acero de carbono medio (C: 0.25%-0.6%)

Acero de alto carbono (C > 0.6%)

Acero Aleado

Acero de baja aleación (contenido total de elementos de aleación ≤ 5%)

Acero de aleación media (contenido total de elementos de aleación: 5%-10%)

Acero de alta aleación (contenido total de elementos de aleación > 10%)