acero

acero Stahl

 

  1. Obtención
  2. Conformación
  3. Procesos térmicos
  4. Productos brutos
  5. Clasificación
  6. Bibliografía consultada
  7. Conceptos relacionados

 

El acero es una aleación de hierro con elementos metálicos (manganeso, titanio, cromo, níquel, molibdeno, etc.) y no metálicos (carbono, silicio, fósforo, azufre, etc.). El elemento más importante de aleación es el carbono (< 2,06 %) (‘Kohlenstoff’). Los diversos aceros que se obtienen son fruto de la diversa composición de estos componentes. Las aleaciones de hierro y carbono con concentraciones de carbono superiores al 2,06 % son fundición de hierro (‘Eisengusswerkstoff’). Estos, a diferencias de los aceros, no pueden deformarse plásticamente (‘plastisch verformbar’) y solo son conformables por fundición o moldeo.

 

1. Obtención

El acero puede producirse a partir del mineral de hierro (‘Eisenerz’) o de la chatarra de acero ('Stahlschrott'). Con el mineral de hierro existen tres procesos para llegar al acero:

  • por reducción (eliminación de O2) del mineral en un alto horno y afino en un convertidor al oxígeno del arrabio resultante,
  • por fusión reductora en cubas de reducción y unidades de fusión y afino, igualmente, en un convertidor al oxígeno del arrabio resultante,
  • por reducción directa utilizando gas o carbón en hornos de cuba, giratorios o de lecho fluidizado y tratamiento posterior de la esponja de hierro resultante en un horno de arco eléctrico.

El acero puede obtenerse, asimismo, a partir de la chatarra de acero fundiéndola directamente, junto con otros componentes, en un horno de arco eléctrico.

 

1.1 Metalurgia primaria

 

1.1.1 Proceso de reducción ('Reduktionsverfahren')

Cuando abandona el alto horno, el arrabio es líquido, tiene un porcentaje de carbono del 4,7 %, es frágil y no puede deformarse.  Para obtener acero a partir del arrabio, este debe someterse a una serie de procesos. El arrabio es transportado desde el horno alto a una cuchara donde se realiza una primera desulfuración del caldo. Seguidamente se realiza el afino (‘Frischen’) para eliminar o reducir los componentes que contiene (carbono, silicio, fósforo, manganeso y azufre) que pueden afectar a las propiedades mecánicas del acero.

Se han utilizado a lo largo de la historia varios métodos para realizar este proceso. Hasta los años 60 predominaban los convertidores (‘Konverter’) de Bessemer y Thomas, por un lado, o los hornos Siemens-Martin, por el otro. Estos métodos han sido sustituidos básicamente por dos versiones: los convertidores al oxígeno (‘sauerstoffblasender Konverter’, ‘O2-Konverter’) (también llamados convertidores LD u hornos de afino de oxígeno básico) y los hornos eléctricos de arco (‘Elektrolichtbogenofen’).

Los convertidores al oxígeno eliminan o reducen los elementos accesorios contenidos en el arrabio mencionados anteriormente inyectando oxígeno (‘Sauerstoff’) directamente en el arrabio, ya que, a excepción del fósforo, todos los elementos pueden eliminarse (o reducirse) por oxidación (‘Oxidation’). En el convertidor no solo se añade oxígeno, sino también chatarra (‘Schrott’), mineral de hierro (‘Eisenerz’) y esponja de hierro (‘Eisenschwamm’). La capacidad de tratamiento de la chatarra de estos convertidores es la que los diferencia básicamente de las versiones antiguas (los de Bessemer y Thomas). Otra de las diferencias es que la aportación de aire se hace por la parte superior mediante una lanza (‘Lanze’) refrigerada, y no por la inferior como en el Bessemer y Thomas, ya que las altas temperaturas de esta zona lo impiden. Esta técnica es conocida también como el procedimiento LD (‘LD-Prozess’) – siglas de las acerías austríacas Linz y Donawitz donde se aplicaron por primera vez – o acería LD (también acería al oxígeno).

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1.1.2 Proceso de reducción directa ('Direktreduktionsverfahren')

La diferencia entre el proceso de reducción directa y el de reducción en el horno alto es que el primero no utiliza coque como elemento reductor, sino gas, carbón o aceite, según la técnica empleada. El producto resultante de estos procesos tampoco es arrabio líquido sino esponja de hierro (‘Eisenschwamm’), ya que los procesos se realizan a temperaturas más bajas que las del horno alto. Al mineral de hierro se le extrae el oxígeno y los componentes de la ganga permanecen en la esponja de hierro resultante (que recibe el nombre de DRI = Direct Reduced Iron). Este producto es tratado posteriormente en un horno de arco eléctrico para obtener el acero.

Entre los procesos de reducción directa que utilizan gas se encuentran el Midrex®, el HYL o el FIOR. El primero y el tercero utilizan hornos de cuba o verticales (‘Schachtofen’) y el segundo, hornos de lecho fluidizado (‘Wirbelschichtofen’). Entre los que utilizan carbón están el SL/RN, el COMET y el IMETCO. La mayoría de ellos operan con hornos rotativos (‘Drehrohrofen’).

1.1.3 Proceso de fusión reductora 

El método de fusión reductora se realiza a dos niveles: en un primer lugar, el mineral de hierro se transforma en esponja de hierro en una cuba de reducción y luego esta se traslada a una unidad de fusión y gasificación donde se le añade carbón y oxígeno y se transforma en arrabio líquido. Al igual que en el horno alto, el arrabio es sometido a un proceso de afino en un convertidor al oxígeno . Uno de los principales procesos que aplica esta técnica es el COREX.

1.1.4 Proceso en horno eléctrico ('Elektrolichtbogenofen')

El acero eléctrico (‘Elektrostahl’) se produce en las acerías eléctricas con hornos eléctricos de arco (‘Elektrolichtbogenofen’). Estos hornos se cargan principalmente con chatarra de acero (‘Stahlschrott’), aunque también pueden añadírseles esponja de hierro, arrabio y mineral de hierro. Los hornos eléctricos realizan el tratamiento metalúrgico completo: desde la fusión de la chatarra hasta el afino del acero. La energía que necesitan para la fusión se genera a través del arco eléctrico que se produce entre los electrodos.

Los hornos eléctricos son más flexibles que los convertidores ya que pueden trabajar con chatarra, con arrabio o con hierro esponja. El proceso de elaboración, además, es más económico. Para conseguir aceros inoxidables o resistentes al calor (‘rost- und hitzebeständiger Stahl’), el caldo obtenido en el horno eléctrico se trata en un convertidor-AOD (AOD-Konverter).

 

1.2 Metalurgia secundaria

Con la evolución tecnológica, los hornos de arco han pasado a emplearse básicamente para las operaciones de fundir y oxidar y se ha trasladado el resto de operaciones (calentamiento, afino, escorificado (‘Schlackenmachung’), desoxidado, desgasificado y aleado) a otro recipiente, la cuchara (‘Pfanne’), que antes se utilizada solo para transportar el arrabio del horno alto a la acería.

Esta evolución ha dado pie a la llamada metalurgia en cuchara (‘Pfannenmetallurgie’) o metalurgia secundaria (‘Sekundärmetallurgie’), que se ocupa del tratamiento del acero tras la operación de afino.

La evolución de la metalurgia en cuchara se debió también a la necesidad de obtener productos laminados con propiedades más específicas y de trabajar con temperaturas más homogéneas y constantes para realizar la colada continua (‘Stranggießen’), cuando esta se constituyó como alternativa a la colada en lingoteras (‘Blockguss’). La metalurgia en cuchara o metalurgia secundaria permite una mejor desoxidación, desulfuración y desgasificación de la colada. Estas propiedades se consiguen sometiendo la colada a un tratamiento de vacío y a un tratamiento con gas inerte.

Con la metalurgia en cuchara se consigue la calidad específica deseada del acero: porcentaje de carbono, elementos de la aleación, homogeneización de la fusión. Estas operaciones se realizan en un horno de cuchara (‘Pfannenofen’) provisto de un arco eléctrico que permite ajustar perfectamente la temperatura del material fundido para la colada. Posteriormente el producto se somete a un tratamiento de vacío para eliminar gases y reducir aún más el carbono.

Una vez preparado, el acero es vertido en la artesa (‘Tundish’)  ─ desde donde pasará a la coquilla  (‘Kokille’) de la colada continua (‘Strangguss’) a través de la buza (‘Gießdüse’)─, o en lingoteras (‘Kokille’). A esta operación se la denomina ‘colada’ (‘Abgießen’).

2. Conformación

Para transformar los productos brutos o los semiproductos de hierro o acero anteriormente mencionados en piezas definitivas se utilizan diversas técnicas de moldeo (►categoría), de conformación (►categoría), de mecanizado ( ►categoría), de unión ( ►categoría), de separación ( ►categoría),  de llenado (►categoría) y de limpieza (►categoría). Una vez fabricadas, las piezas u objetos pueden someterse a diversos tratamientos para mejorar su superficie (categoría ►procesos para superficies).

3. Procesos térmicos

Las características que debe tener el acero de una pieza (‘Werkstück’) en cuanto a dureza, tenacidad, resistencia al desgaste, etc. no se consiguen simplemente mediante el proceso de fabricación. Para lograrlas y adaptarlas a las especificidades de cada producto, el acero se somete a una serie de procesos de calentamiento y enfriamiento controlados con el objetivo de modificar su constitución o mejorar su maquinabilidad y capacidad de conformación.

Todos los procesos térmicos se realizan en tres etapas ─ calentamiento (‘Erwärmen’), mantenimiento a una temperatura constante (‘Halten’) y enfriamiento (‘Abkühlen’) ─ y suelen empezar con la austenitización (‘Austenitisierung’) de la pieza, es decir, su calentamiento hasta alcanzar el dominio austenítico (‘Austenitgebiet’), ya que la austenita (‘Austenit’) es capaz de alojar en su estructura más carbono y provocar, por tanto, una modificación de las propiedades del metal. El proceso de austenización se realiza en hornos continuos ('Durchlaufofen'), de cámara ('Kammerofen'), de vacío ('Vakuumofen') o en baño de sales ('Salzschmelzen').

Al enfriarse la pieza, vuelve a producirse ferrita y perlita. Si el enfriamiento se produce a alta velocidad, la perlita se transforma en bainita, y si se realiza a muy alta velocidad (de 900 ºC a 400 ºC), en martensita. 

Existen procesos que modifican la pieza integralmente (recocido (‘Glühen’), endurecido o temple (‘Härten’), revenido (‘Anlassen’), bonificado (‘Vergüten’) y austemperizado (‘Bainitisieren’) y otros, que solo afectan a la superficie (endurecido superficial (‘Randschichthärten’), nitruración (’Nitrieren’), nitrocarburación (‘Nitrocarburieren’), carbonitruración  (‘Carbonitrieren’)) y otros que, aunque solo modifican las características de la superficie, también influyen en la constitución del interior de la pieza (endurecido por carburación (‘Einsatzhärten’)).

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Tratamientos integrales:

Recocido (‘Glühen’)

Consiste en calentar el acero a una temperatura adecuada, mantenerlo a esa temperatura durante un tiempo y luego enfriarlo muy lentamente. El recocido mejora la maquinabilidad (‘Spanbarkeit’) y la capacidad de conformación de las piezas (‘Umformbarkeit’).

Existen diversas modalidades de recocido: el recocido de homogeneización o difusión (‘Diffusionsglühen’), que permite una mejor homogeneización del material, el recocido de regeneración o total (‘Grobkornglühen’), que mejora la maquinabilidad de los aceros bajos en carbono, el recocido de globulización, el recocido de recristalización (‘Rekristallisationsglühen’), el recocido para reducir tensiones residuales (‘Spannungsarmglühen‘) y el normalizado (‘Normalglühen’), para obtener una estructura de grano fino.

Endurecido o temple (‘Härten’)

Consiste en calentar el acero hasta la temperatura en que se transforma en austenita y enfriarlo rápidamente para convertir la austenita en martensita, que se distingue principalmente por una elevada dureza. El concepto ‘temple’ se refiere strictu sensu al ‘enfriamiento rápido’ (‘Abschrecken’) que se produce en este proceso. Como consecuencia del ‘temple’, el acero se endurece. Por esta razón, endurecido y temple suelen utilizarse de forma sinónima en muchos manuales para denominar este proceso térmico.

La templabilidad (‘Härtbarkeit’) de un acero indica su capacidad para ser endurecido (‘Härten’) al aplicarle un enfriamiento rápido. Se trata de una propiedad específica que determina el grado de dureza que puede alcanzar un acero. Para medir la templabilidad de un acero se utiliza el ensayo Jominy (’Jominy-Versuch’). Se conoce como ‘Aufhärten’ a la máxima templabilidad superficial que puede lograr un acero y como ‘Einhärten’, al grado de penetración del temple en una pieza.

Mediante el endurecido o temple se consigue aumentar la resistencia al desgaste (‘Verschleißwiderstand’) y a las cargas por movimientos oscilantes (‘Dauerschwingfestigkeit) y se eleva el límite de elasticidad (‘Streckgrenze’).

El endurecido o temple puede ser integral o superficial (‘Randschichthärtung’) y siempre va acompañado de un recalentamiento posterior de la pieza a 100 – 700 °C que se denomina revenido.

Revenido (‘Anlassen’)

Aumento de la temperatura tras el endurecido o temple que genera un aumento de la tenacidad (‘Zähigkeit’) pero una disminución de la dureza (‘Härte’) y de la resistencia mecánica (‘Festigkeit’) del producto.

Bonificado (‘Vergüten’)

Recibe este nombre el proceso conjunto de endurecido o temple y revenido

Austemperizado (‘Bainitisieren’)

Con el austemperizado o temple bainítico se consigue una microestructura bainítica caracterizada igualmente por una gran dureza, aunque no llega al nivel de la que se consigue por endurecido o temple ('Härten'). El austemperizado, sin embargo, no requiere de ningún revenido posterior y produce menores modificaciones en las dimensiones y en la forma que endurecido. Las piezas austemperizadas tienen, además, un mejor comportamiento respecto del desgaste y una mayor resistencia a las oscilaciones (‘Schwingfestigkeit’).

 

Tratamientos superficiales (‘randschichthärtende Verfahren’)

Endurecido o temple superficial (‘Randschichthärten’).

Se busca con estos tratamientos modificar la dureza de la superficie de una pieza para lograr una mayor resistencia al desgaste en la superficie y un núcleo con tenacidad. La pieza se calienta rápidamente hasta alcanzar la zona austenítica e inmediatamente se enfría por rociado con agua (‘Abschreckbrause’). Según el modo de calentamiento se distingue entre:

  • Temple a la llama (‘Flammhärten’),
  • Temple por inducción (‘Induktionshärten’)
  • Temple por láser (‘Laserstrahlhärten’)
  • Temple por rayos de electrones (‘Elektronenstrahlhärten’)

 

Endurecido o temple por cementación o carburación (‘Einsatzhärten’)

Tratamiento superficial que provoca un cambio de la composición química de la pieza enriqueciendo su superficie con carbono (carburación ‘Aufkohlen’ o cementación: ‘Zementieren’). La pieza seguidamente se templa y a continuación se aplica un revenido. Con ello se consigue aumentar la dureza de la superficie y mantener la tenacidad del núcleo.

La combinación de los tres estadios (carburación, temple y revenido) recibe en alemán en nombre de ‘Einsatzhärten’ o temple por cementación. En los manuales españoles suele utilizarse, sin embargo, el concepto ‘cementación’ o ‘carburación’ para designar el conjunto del proceso. (véase ‘acero de cementación’, ‘acero de carburación’).

Nitruración (‘Nitrieren’)

Tratamiento superficial que provoca un cambio de la composición química de la pieza enriqueciendo su superficie con nitrógeno (‘Stickstoff’). Puede hacerse por gas (‘Gasnitrieren’) o mediante un baño (‘Badnitrieren’). Si el enriquecimiento se hace no solo con nitrógeno, sino también con carbono, el proceso se denomina carbonitruración (‘Carbonitrieren’) o carbonitruración  (‘Carbonitrieren’).

Tratamientos Isotérmicos (isotherme Verfahren)

En estos procesos la temperatura durante el enfriamiento o al transformarse la austenita se mantiene constante. Son:

  • Austemperizado (‘Bainitisieren’) 
  • Temple escalonado o ‘martempering’ (‘Warmbadhärten’), con este proceso se consiguen eliminar las tensiones residuales y los riesgos de agrietamiento. Al final del ‘martempering’, la microestructura que se obtiene es ‘martensita’.
  • Patentado (‘Patentieren’), proceso que provoca la transformación de la austenita en perlita. Se utiliza sobre todo con alambres (‘Draht’).

 

Tratamientos termomecánicos (thermomechanisches Verfahren)

Combinan el conformado por deformación plástica (‘Umformung’) con tratamientos térmicos. Existen dos variantes:

Antes de la transformación de la austenita

  • Procesos a alta temperatura, HTMT (‘Hochtemperaturthermomechanische Behandlung, HTMB)
  • Procesos a baja temperatura, ‘ausforming’ o LTMT (‚Niedertemperaturthermomechanische Behandlung‘, ‚NTMB‘)

Transformación durante la deformación de la austenita:

4. Productos brutos (‘Vormaterial’) y semiproductos (‘Halbzeug’)

Los productos que se obtienen por colada del acero y no han sido sometidos todavía a ningún proceso de transformación reciben el nombre de ‘brutos’. Entre estos se encuentran:

  • Los lingotes
  • Las palanquillas
  • Los palancones
  • Los planchones o slabs, producto plano rectangular conformado mediante colada continua
  • Las bandas
  • Las barras

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El tratamiento de los productos brutos, generalmente en trenes de laminación, da origen a semiproductos como, p. ej.,:

  • La chapa
  • El fleje
  • La pletina
  • El alambrón
  • Los perfiles
  • Las barras
  • Los tubos

5. Clasificación

El acero puede alearse con otros ingredientes (acero aleado, al. ‘legierter Stahl’) o combinarse con distintos porcentajes de carbono. El acero no aleado (‘Kohlenstoffstahl’ o ‘carbon steel’ en inglés) es más económico que el aleado pero más propenso a la oxidación. Este tipo de acero, en sus diversas variantes, es el que se utiliza para formar los distintos semiproductos: chapa, alambrón, raíles de tren, etc. El contenido en carbono de esta variante puede alcanzar hasta el 2,06%.

5.1 Diferencia entre acero básico, acero de calidad y acero fino

Según la norma alemana DIN EN 10020 se considera acero básico (‘Grundstahl’) todo aquel acero que no se somete a procesos especiales durante su fabricación para obtener sus propiedades finales. Los aceros básicos no pueden someterse a tratamientos de calor y tienen unas prestaciones mecánicas mínimas. Excepto con silicio y manganeso, no suele alearse con otros elementos.

Los aceros de calidad (‘Qualitätsstahl’), por su parte, pueden ser aleados o no aleados y tienen una calidad intermedia entre los aceros básicos y los aceros finos.

El acero fino (‘Edelstahl’) es un concepto genérico que agrupa las variantes de acero que en la metalurgia de cuchara se someten a técnicas especiales para que adquieran un grado de pureza elevado y reaccionen de forma homogénea a los procesos de calentamiento que se les somete. Se suele traducir el ‘Edelstahl’ alemán con frecuencia con ‘acero inoxidable’. No todos los ‘Edelstähle’, sin embargo, son inoxidables. La variante inoxidable del acero fino recibe en alemán el nombre de ‘Edelstahl Rostfrei’.

5.2 Aceros de última generación

Se trata de los denominados aceros avanzados de alta resistencia o aceros AHSS (advanced high strength steel ) (‘AHSS-Stahl’). Este tipo de acero puede ser conformado por laminación o forja y permite obtener piezas de menor espesor que las habituales sin merma alguna en cuanto a su resistencia. Se consigue con ellos reducir el peso de los elementos y abaratar costes.

Existen diversas variantes: aceros de fase dual (‘Dualphasenstahl’), aceros TRIP (transformation induced plasticity) y aceros TWIP (twinning induced plasticity).

4.3 Formatos de suministro

El acero puede suministrarse en diversos formatos:

  • Plano – ('Flachstahl')
  • En forma de barras – ('Stabstahl'), que pueden ser redondas ('Rundstab') o planas ('Flachstab')
  • Con formas especiales (p. ej. perfiles) – ('Formstahl')
  • En forma de banda (producto de la laminación) – ('Bandstahl')

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Bibliografía consultada

Punto 1

  • Werkstofftechnik 2, Kap. 1.2 
  • Acería eléctrica, José Luis Enríquez, Enrique Tremps, Susana de Elío, Daniel Fernández - Universidad Politécnica de Madrid
  • Procesos alternativos de producción de arrabio, Jorge Madías
  • Broschüren des Stahl-Informations-Zentrums
  • Aplicación tecnológica de un residuo de la industria del acero en la eliminación de metales contaminantes — Memoria para optar al grado de Doctor de Dña. María Isabel Martín Hernández (Unversidad Complutense de Madrid)
  • Werkstofftechnik 2, de Wolfgang Bergmann (Editorial Hanser)
  • Revisión y evaluación de procesos alternativos al horno alto, Alberto Conejo Nava – Revista de Metalurgia

Punto 3

  • Tecnología de los metales, H. Appold, K. Feiler, A. Reinhard, P. Schmidt. (Editorial Reverté)
  • Análisis de las propiedades y diferencias entre un acero aleado y sin alear, María Vallejo – Proyecto de investigación fin de carrera – E.U.I.T.I.Z.
  • Aceros y fundiciones: estructuras, transformaciones, tratamientos térmicos y aplicaciones. F.J. Belzunce (Universidad de Oviedo, 2001)
  • Werkstofftechnik, Wolfgang W. Seidel, Frank Hahn, Hanser Verlag
  • Industrielle Fertigung, Europa- Lehrmittel
  • Wärmebehandlung von Stahl – Merkblätter: 450, 236, 447(Stahl-Informations-Zentrum)
  • Einsatzhärten – Merkblatt 452 (Stahl-Informations-Zentrum)

Punto 5

  • Folletos de ‚Stahl-Informationszentrum‘
  • Nuevos aceros TWIP/TRIP en los automóviles del futuro, Rafael Pla Ferrrando, Samuel Sánchez Caballero, Miguel Ángel Sellés Cantó, José Enrique Crespo Amorós — Revista de investigación 3Ciencias. 

Versión: enero de 2015 —  Bibuch SL® - Todos los derechos reservados.

 

Conceptos relacionados

variantes:
_según su función
acero de blindajes, acero estructural, chapa eléctrica
_según el producto final
acero para barcos, acero para cadenas, acero para construcciones ligeras, acero para construcciones offshore, acero para herramientas, acero para moldes de piezas de plástico, acero para muelles, acero para rodamientos, acero para tanques de presión, acero para válvulas
según sus propiedades
acero inoxidable, acero refractario, acero resistente a la cascarilla, acero resistente a la intemperie
según el tratamiento térmico
acero bonificado, acero de carburación, acero de nitruración
según temperatura de conformación
acero para conformación en caliente, acero para conformación en frío
según la aleación
acero al carbono, acero no aleado
según técnica de conformación
acero para embutición, acero para laminación en frío
según clase de calidad
acero básico, acero de calidad, acero noble
_variante especial
acero AHSS, acero CORTEN, acero de doble fase, acero dúplex
equipamientos_
acerería, empresa de transformación de la chapa, empresa metalúrgica, fundición de acero
materiales_
bauxita, chatarra
productos brutos
banda, palanquilla, planchón
semiproductos_
alambrón, banda de acero, barra de acero, chapa de acero, perfiles y vigas, plano de acero, redondo de acero, ángulos de acero
productos
hierro esponja
procesos:
fundición de acero
tratamientos térmicos
afino, austemperizado, bonificado, endurecido, recocido, revenido
estructura_
austenita, bainita, cementita, ferrita, ledeburita, martensita, perlita
verbo_
aplicar un baño de plomo, cadmiar, cobrear, cromar, estañar, galvanizar, niquelar