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¿Cómo se fabrica el acero?

El acero se fabrica en fundiciones y acerías

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Una introducción a la producción y propiedades de las aleaciones de acero

El acero se fabrica en fundiciones y acerías

Un trabajador en una acería.

De acuerdo con la Asociación Mundial del Acero, 1869.9 millones de toneladas de acero fueron producidas en el 2019. Esto representa un incremento del 3.4% de la producción del 2018 y más del doble de la producción en 1999. El mundo tiene una necesidad creciente de acero. Es usado en construcción, industria y manufactura. Siendo fuerte y barato es ideal para todos tipos de manufactura.

¿De qué está hecho el acero?

El hierro, el principal componente del acero, es uno de los elementos más abundantes en la corteza terrestre. Todas las aleaciones de acero son principalmente de hierro y .002-2-1% de carbono por peso. En este rango, el carbono se une al hierro para crear una estructura molecular fuerte. La microestructura reticular resultante ayuda a conseguir ciertas propiedades del material, como la resistencia a la tracción y la dureza, en las que confiamos en el acero.

Aunque el acero está hecho de hierro y carbono, diferentes tipos de acero contienen diferentes porcentajes de cada elemento. El acero también puede incluir otros elementos como níquel, molibdeno, manganeso, titanio, boro, cobalto o vanadio. Añadir diferentes elementos a la “receta” de una aleación de acero afecta a sus propiedades materiales. El método de fabricación y tratamiento del acero mejora aún más esas capacidades.

Un grupo importante de aleaciones de acero contiene cromo. Todas estas aleaciones se conocen comúnmente como acero inoxidable.

Cómo fabricar acero

De la manera más básica, el acero está hecho de una mezcla de carbono y hierro a muy altas temperaturas (arriba de 2600°F).

La siderurgia primaria crea el acero a partir de un producto llamado “arrabio”. El arrabio es hierro fundido, procedente del mineral, que contiene más carbono del correcto para el acero.

El fabricante de acero utiliza un sistema que hace burbujear oxígeno a través del arrabio fundido. Este proceso crea una oxidación igual en todo el metal fundido. La oxidación elimina el exceso de carbono. También vaporiza o aglutina las impurezas de elementos como el silicio, el fósforo y el manganeso.

La siderurgia secundaria se realiza “en la cuchara”. Es un proceso de refinado y aleación del acero. La siderurgia secundaria puede empezar fundiendo chatarra o continuar un proceso primario. Se pueden añadir elementos para obtener una aleación específica. El siderúrgico también puede eliminar las impurezas superficiales (desescoriado). La cuchara se calienta y se enfría a las temperaturas necesarias para los procesos químicos necesarios.

Una gran máquina corta una lámina de acero en tiras y las hace girar en una bobina

Corte y enrollado de acero para la producción de tubos.

Acabado del acero

En una fundición, el acero se funde en arena o a la inversa para darle formas diferentes. En una acería, el acero se funde mediante una colada continua en materiales de construcción en bruto. Las coladas continuas crean formas estandarizadas de acero en bruto en lugar de piezas casi acabadas. El acero en bruto se mecaniza o se transforma en productos finales. Las acerías suelen fundir y dar forma a láminas, palanquillas, barras, lingotes, tubos y alambres.

Una acería también puede laminar el acero en caliente o en frío durante la producción. Estos procesos crean diferentes formas y acabados. Antes de enviar, el acero puede ser cortado, enrollado o atado antes de salir de la fábrica.

En la fundición o en la fábrica, el acero puede ser tratado térmicamente. Los pasos finales, como el temple, el revenido, la normalización y el recocido, pueden dar forma al comportamiento de la aleación en una aplicación.

Invención del acero

Los arqueólogos encontraron el primer acero hace más de 4,000 años en Turquía. Aceros de crisol como el famoso acero Wootz del sur de la India, se fabricaban de forma constante ya en el siglo IV a.C. Sin embargo, hasta mediados del siglo XIX, la fabricación de acero era muy difícil.  

El acero se funde alrededor de los 2700°F. Mantener este calor tan alto era un reto para los hornos antiguos que fabricaban aceros de crisol. Además, se pueden encontrar impurezas en las aleaciones de acero, hechas de elementos como silicio y manganeso. Manejar esto hoy en día sigue siendo un reto. En la siderurgia antigua realizaban un proceso largo, de varios pasos. Los fundidores pasaban un largo día calentando, removiendo, desescoriando y recalentando sus aleaciones. Una vez que estaba fundido el acero, pasaba a ser trabajado por los herreros. Al ser golpeado en el yunque se creaban las formas finales. También ayudaba a distribuir y mitigar las variaciones de carbono, los poros o las inclusiones.

En 1856, Henry Bessemer obtuvo una patente para un proceso de crear acero de una nueva manera. Usando un convertidor Bessemer, en lugar de los recipientes de fusión tradicionales, permitía al siderúrgico burbujear aire a través del metal fundido. Al reaccionar con el aire, las impurezas se oxidaban y se desprendían. La oxidación también ayudaba a crear y sostener el alto calor necesario para la fabricación de acero.

Un proceso de un día completo en la fundición y más tiempo en la forja fue reemplazado por un proceso de 20 minutos que podía crear cinco toneladas de acero. El acero de Bessemer también era más resistente y de mejor calidad que la mayoría de los siderúrgicos esperaban. Esta innovación apoyó la revolución industrial.

Un gran electroimán circular en una grúa atrae un montón de acero oxidado en un vertedero

Moviendo chatarra de acero con un electromagneto

¿El acero es magnético?

La mayoría del acero es magnético, pero no todo. El acero está hecho en su mayoría por hierro y el hierro es magnético. El ferromagnetismo fue descubierto inicialmente en la naturaleza en la “calamita” – piedras hechas de magnetita, un óxido del hierro. Otros elementos son también ferromagnéticos, como el cobalto y el níquel. Estos elementos son encontrados también algunas veces en el acero.

Los aceros inoxidables son famosos por ser no magnéticos, aunque todos los aceros contienen hierro y muchos contienen níquel. Lo cierto es que solo algunas aleaciones de acero inoxidable son no magnéticas. El acero inoxidable austenítico – que contiene níquel – es no magnético en la mayoría de los casos (aunque puede convertirse en ligeramente magnético al ser trabajado). Otros tipos, como las aleaciones ferríticas o martensíticas, son inoxidables y magnéticas.

Propiedades del acero

El acero es comúnmente usado debido a las propiedades específicas del material combinadas con su relativo bajo costo. Comparado con muchos otros materiales de construcción y fabricación de herramientas (como madera, piedra, concreto, o hierro fundido, las aleaciones de acero ofrecen:

  • Dureza: resistencia a la indentación al ser presionado incrementando gradualmente la presión.
  • Solidez: cuando el material se deforma, la solidez describe lo lejos que puede ir antes de fracturarse
  • Resistencia a la deformación: resistencia a cambiar de forma cuando se jala con una presión que aumenta gradualmente
  • Resistencia a la tracción: capacidad de un material de soportar la tracción antes de romperse
  • Maleabilidad: la capacidad de ser moldeado mediante martilleo o presión sin romperse
  • Ductilidad: capacidad de ser moldeado sin perder su dureza: el trabajo del metal a menudo lo hace más frágil, pero los materiales dúctiles no se fragilizan con el trabajo tan rápidamente.

El rango probado de estas propiedades varía de acuerdo con las aleaciones, pero en conjunto, el acero puede ser más duro y resistente (menos frágil) que muchos otros materiales.

Cortado y fresado de herramientas para una máquina CNC

Las herramientas de acero frecuentemente son templadas para una máxima dureza

Tipos de aceros

Existen cuatro grandes grupos de aleaciones de acero: aceros al carbono, para herramientas, aleados e inoxidables.

  • Acero al carbono: los aceros suaves, medios y altos en carbono varían principalmente por su dureza y ductilidad. Los aceros suaves o de bajo carbono tienden a ser más dúctiles comparados con otros aceros, pero también ofrecen una menor dureza. En el otro extremo de la gama, los aceros de alto carbono son más duros. Sin embargo, los aceros con alto contenido en carbono suelen tener una menor ductilidad.
  • Acero para herramientas: el acero de alto carbono con elementos agregados como el tungsteno, el vanadio o el molibdeno, tratado térmicamente y templado para obtener una dureza superior, se utiliza para los aceros para herramientas.
  • Acero de aleación-Esta familia de aceros se refiere generalmente a los aceros mezclados con elementos específicos para obtener propiedades de material extraordinarias, fuera de aquellos que caen comúnmente en otras familias. Todos los aceros son aleaciones y muchos tienen elementos extra. Sin embargo, los aceros aleados son aceros inusuales construidos para una aplicación específica, y pueden ir desde formulaciones de valor hasta aleaciones exóticas utilizadas para motores de reacción.
  • Acero inoxidable: estos aceros se alean con cromo para hacerlos resistentes a la oxidación mediante la pasivación.

Producción de acero: una historia de reciclaje

Una de las mejores características del acero (y otros metales) es que la chatarra puede convertirse en un material nuevo y de alta calidad. El proceso de siderurgia secundaria crea aleaciones tan buenas como cualquiera que proviene del arrabio. Los artículos de metal pueden degradarse de su uso, pero la química elemental de metal significa que la fundición y aleación crea un producto completamente nuevo.

El crecimiento de la producción siderúrgica no requiere un crecimiento equivalente de la fundición de nuevos minerales (aunque la producción de arrabio sigue siendo una parte vital de la cadena de suministro de acero). La recuperación y procesamiento de la chatarra permiten que el panel de un coche de ayer se convierta en el perfil doble T del mañana.

Con un 98% de acero recuperable, este metal es uno de los productos más reciclables del mundo. Sin embargo, no está exento de retos medioambientales. El coque, una forma de carbón, suele utilizarse como insumo de carbono para la fabricación de acero. Adicionalmente, la alta energía necesaria para fundir o fundir y la oxidación y otros procesos de producción crean sustancias químicas y dióxido de carbono. Afortunadamente, existen muchas investigaciones en el sector de la siderurgia para mitigar los problemas de producción. Algunas incluyen el reciclaje del dióxido de carbono en el propio acero, como fuente de carbono, reduciendo la necesidad de otras fuentes como el coque.

Con estas tecnologías refinadas e implementadas, la siderurgia continuará siendo una de las mayores industrias del futuro. Sustenta, impulsa y construye nuestra economía.