07 - Aceros 2017€“ acero al carbono (valores menores a los de la tabla) ... – aceros de uso a...

07 - Aceros

Año 2017

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Contenido

• Definiciones• Fabricación del acero• Clasificación

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Definiciones

• Acero: son aleaciones Fe-C, “deformable plásticamente”, con contenido de C menor a 1,9% y que además contiene otros elementos agregados de forma accidental (impurezas) o deliberada(aleantes). (IRAM-IAS U 500-01)

• Steel: a material that conforms to a specification that requires, by

mass percent, more iron than any other element and a maximum

carbon content of generally less than 2. (ASTM A 941)

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Fabricación

Planta de fabricación de acero

Materias primasMineral de hierroCarbónFundentes (caliza, dolomita)ChatarraHierro esponja (HRD)Gas naturalArrabioAire caliente¡¡¡Energía!!!

Producto terminadosLargos: barras, perfiles, alambrónPlanos: chapas, flejeHuecos: caño, tubo

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Productos finalesbarra maciza, perfil, tubo, caño, hojalata, chapa cincada, alambre, cable

Fabricación

Reducción del mineral

Acondicionamiento de la composición química

Solidificación

Conformado(semiterminados y

terminados)

aglomerado de mineral de hierro + C + (H)

Arrabio (Fe – 4%C)Hierro de reducción directa (hierro esponja) (Fe – 1,5%)

ArrabioHierro de reducción directa (hierro esponja)ChatarraO2 + desulfurantes + ArEnergía

Acero líquido con una determinada composición química

Acero líquido con una determinada composición química

Lingote de aceroAcero de colada continua

Lingote de aceroAcero de colada continua

Semiterminadostocho, planchón, llantónpalanquilla, redondoTerminadoschapa fina o gruesa, barra, perfil, tubo, caño, alambrón

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ENTRADAS SALIDAS

Reducción

• Alto horno- más clásico- Alto: ~50 m ~Diámetro de 10 m- C (coke) + aire caliente � CO

(agente reductor)- C � fuente de S- CaCO3 � forma escoria que

elimina SiO2, Al2O3 y otras impurezas

- mayor volumen de producción

• Arrabio- Fe + ~4%C + Mn + Si +

>0,05%S + 0,5%P- líquido (puede colarse)

• Reducción directa- alternativa al alto horno- inversión menor- menor volumen producción- CO o H2 (agentes reductores)- reducción en estado sólido a

600 °C – 1000 °C- gran variedad de tecnología- se utiliza junto con hornos

eléctricos

• Hierro de reducción directa (DRI)- Fe + Fe2O3 + 1,5%C + 0,005-

0,03%S + SiO2 + Al2O3

- Sólido (caliente) � riesgo de oxidación

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Alto horno

Coque

CaCO3

CO, CO2

Fe +4%C +S+P+Mn+SiCaSiO3 y Ca(AlO2)2

Fe2O3

Fe3O4 + impurezas (Al2O3 y SiO2

3Fe2O3(s) + CO(g) � 2F3O4(s) + CO2(g)

Fe3O4 (s) + CO(g) � 3FeO(s) + CO2(g)

FeO(s) + CO(g) � Fe(l) + CO2(g)

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Reducción directa: Midrex

Utilizado por Tenaris (400.000 t/año) y Acindar (600.000 t/año)

Gas naturalCarbón

pelet briqueta8


• Acondicionado del %C � +O2 � CO, CO2

• Acondicionado del %Mn y %Si � +O2 � MnO, SiO2

• Eliminación de impureza � S y P (eliminados con Ca), minerales no reducidos

Ácido � SiO2, P2O5Básico � CaO, MgO


• Convertidores Básicos de Oxígeno (BOF)• C, Mn, Si + O2 � energía � no es necesario calentar para

mantener el metal líquido• Revestimiento básico (CaO) � S y P bajos niveles• Materia prima: arrabio líquido + chatarra (25-35%)


• ¿Qué función cumple el oxígeno en los convertidores básicos de oxígeno?

• ¿Por qué se denominan “básicos”?


• Horno de arco eléctrico

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• Horno de arco eléctrico– funde HRD y chatarra– en algunas acerías solo funde chatarra– utiliza energía de un arco eléctrico para fundir– puede estar asistido por la combustión de un

gas – electrodos de grafito

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• ¿Qué corriente circula por los electrodos en un horno por arco eléctrico de una acería?

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• Metalurgia de cuchara (refinación secundaria)• Del BOF u HE se obtiene un acero base, en esta etapa se alcanza

la composición final del acero– Al � desoxidación (Al2O3) y reductor de grano austenítico (AlN)– Si � desoxidación (SiO2)– Mn � desulfuración (MnS) – Ar � desgasificación (O2, N2, H2)– Vacío � desgasificación (O2, N2, H2)– Ca � tratamiento de inclusiones y desulfuración (CaS)– aleantes (por ejemplo Cr, Ni, Mo, V, Ti, V, Nb)– ajuste de la temperatura

• Es una de las instalaciones más complejas y sofisticadas de la acería

• El diseño es de acuerdo a las necesidades de la planta � “pulmón”entre BOF u HE y el proceso de colada

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¿En qué clase de equipo se acondiciona la composición química del arrabio?

1. horno eléctrico2. horno cuchara3. horno BOF4. reactor de reducción directa5. alto horno

Solidificación

• Lingotes– se cuelan cantidades

finitas de material– pueden colarse aceros

efervescentes o calmados– menor inversión – más trabajo intensivo

(confección de moldes)

• Colada continua– se cuela el acero de

manera continua (teóricamente sin limitación)

– no se pueden colar aceros sin desoxidar (efervescentes)

– menor segregación química

– productos más homogéneos

– menor desperdicio por despuntes

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Solidificación

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Ejemplos de fabricación de acero

• http://www.tenaris.com/es-ES/AboutUs/ProductionProcesses.aspx

• http://www.ternium.com.ar/productos-proceso-productivo/

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Preguntas

• ¿Qué productos fabrica...?– Tenaris– Aceros Bragado– Acindar– Siderar– Sidersa

Clasificación

• IRAM-IAS U 500-01 Parte 2, según– composición química– proceso de fabricación– grado de desoxidación– estructura metalográfica– características específicas– conformación por colado

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Clasificación según composición química

• IRAM-IAS U 500-01 Parte 2– acero al carbono (valores menores a los de la tabla)

• de bajo carbono � %C < 0,25• de medio carbono � 0,25 ≤ %C < 0,6• de alto carbono � %C ≥ 0,6

– acero aleado (valores mayores a los de la tabla)• de baja aleación � ∑ %aleantes < 2• media aleación � 2 ≤ ∑ %aleantes < 5• alta aleación � ∑ %aleantes ≥ 5

– acero microaleado� %Nb, %Ti y %V como formadores de carburo y refinadores

de grano19/09/2017 Aceros 25

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Clasificación según composición química

• Clasifique según su composición química a los siguientes aceros:

Acero %C %Mn %Si %S %P %Ni %Cr %Mo %otros

SAE 1020 0,19 0,5 --- 0,04 0,03 --- --- --- ---

15B27 0,28 1,3 0,2 0,04 0,04 --- --- --- B=0,009

ASTM A36 0,18 1,2 0,3 0,03 0,04 --- --- --- Cu=0,25

ASTM A234 WPB

0,30 1,00 0,25 0,03 0,05 0,3 0,2 0,1 ---

UNS S30400

0,05 1,5 0,3 0,02 0,01 9,0 19,5 --- ---

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Clasificación según el proceso de fabricación

• Aceros Siemens-Martin (solera abierta)• Acero de horno eléctrico

– arco eléctrico– inducción � la masa metálica es el circuito secundario

• Acero de convertidor• Acero de horno de crisol• Acero de laminación controlada (fuera de la

norma) o microaleados (Nb, Ti, V � bajos contenidos para

control de tamaño de grano y endurecimiento por precipitación)

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Clasificación según el grado de desoxidación

• Acero calmado � desoxidado

• Acero efervescente � con oxígeno que al momento de solidificar genera CO

• Acero semicalmado� desoxidación intermedia

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Clasificación según su estructura metalográfica

• Acero eutectoide• Acero hipoeutectoide• Acero hipereutectoide• Acero ferrítico• Acero austenítico• Acero martensítico• Acero bainítico• Acero ledeburítico

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Clasificación según sus características específicas

• Acero de baja aleación y alta resistencia (HSLA)• Acero para herramientas

– matrices, estampas, elementos de corte y mecanizado

• Acero rápido – acero de alto carbono y alta aleación, especialmente formadores

de carburos (Cr, W, Mo, V)

• Acero inoxidable – %Cr > 11 y %C < 1,2

• Acero refractario – resistente a la oxidación a alta temperatura

• Acero magnético – ferromagnético

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• Acero para herramientas – IRAM/IAS U 500-669

Aceros 32H21 – resistente al desgaste a temperaturas elevadas

Medio carbono y aleados

H13 – resistente al choque térmicoHAcero al CrAceros para trabajo en caliente

P420 – inox martensíticoInoxidables

P20 – para cementaciónPAl carbono y de baja aleación

Aceros para moldes

De mínima deformabilidadDAlto carbono y alta aleación

Templables en aguaWAl carbonoAceros para trabajado en frío

ObservacionesDesignaciónClaseGrupo


• Acero amagnético� no ferromagnético

• Acero de corte libre � S o P como aleantes � mejora el mecanizado

• Acero soldable• Acero resistente al desgaste• Acero patinable

� %Cu > 0,4 � resistente a la corrosión atmosférica

• Acero estructural

• Acero para construcciones mecánicas

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Clasificación de aceros

• ¿Cómo puede clasificar un acero que responde a la especificación ASTM A 249 TP 316?

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Aceros estructurales vs acero para construcciones mecánicas

• Estructurales– composición química– propiedades

mecánicas– estructura

metalográfica (a veces)

– tipo de producto (geometría y forma)

– ¡listos para cortar, conformar y soldar!

• Construcciones mecánicas– composición química– sus propiedades

mecánicas las obtiene el usuario luego de tratamiento térmico

– se suelen mecanizar

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• Estructurales– IRAM-IAS U 500– ASTM– API– EN– ISO– GB

• Construcciones mecánicas– SAE– AISI– IRAM-IAS U 500-600

• Ejemplo– 1010, 1020, 1045– 15B20– 4140– 4340– 862019/09/2017 Aceros 36


• Clasificación de aceros de construcciones mecánicas (IRAM-IAS U 500-600)– Aceros al carbono

• 10XX, 11XX, 12XX, 14XX, 15XX

– Aceros aleados• 13XX � Mn• 41XX � Cr + Mo• 43XX � Ni + Cr + Mo• 86XX � Ni + Cr + Mo• XXBXX � B• XXLXX � Pb• XXSXX � S 37


• Estructurales típicos– ASTM A36 chapa estructural– IRAM-IAS U 500-207 barras

para construcción– API 5L caños y tubos para

industria del petróleo– IRAM-IAS U 500-42 chapa

laminada en caliente– IRAM-IAS U 500-503

propiedades mecánicas– ASTM A 516 recipientes a

presión– IRAM-IAS U 500-214 chapa

cincada– IRAM-IAS U 500-231 chapa

laminada en caliente

• Construcciones mecánicas típicos (según IRAM-IAS U 500-600)– 1010, 1020, 1040, 1045, 1080– 1140, 12L13, 15B24– 3115, 4130, 4140, 4340, 5140,

8620,

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Aceros - Conclusiones

Es el grupo de aleaciones metálica más utilizado, su producción mundial es de unas 15 veces la producción de todo el resto de aleaciones metálicas.

– bajo costo (abundancia del mineral, facilidad de reducción, alta capacidad de reciclado)– alta rigidez (Eacero»3EAl; 1,7ETi; 1,7ECu; 4,6EMg; 1,3 a 3EFundición; 0,9ENi; 0,5Ew; 0,24EDiamante)– versatilidad: gran variedad de propiedades obtenible por aleación y/o tratamiento térmico– rango de resistencia: desde 150 MPa hasta 2700 MPa– aceros magnéticamente blandos, magnéticamente duros, amagnéticos– aceros altamente resistentes a la corrosión– aceros de uso a alta T, aceros de uso criogénico– se puede cortar fácilmente con oxi-corte (acero al carbono)– respaldo de la experiencia en servicio

Preguntas

1. Defina acero ¿Qué diferencias hay entre la definición de IRAM-IAS U 500-01 y la de ASTM A941?

2. ¿Cuáles son las principales materias primas para la fabricación de acero?

3. ¿Cuáles son los productos de salida de una acería? ¿Qué familia de productos de aceros fabrican las principales acerías de Argentina?

4. ¿Cuáles son las principales etapas del proceso “fabricación de acero”?

5. Describa brevemente las dos modalidades que se utilizan industrialmente para la reducción del mineral de hierro.

6. ¿Cuáles son los agentes reductores en el proceso de alto horno y cuáles en el de reducción directa?

7. Plantee las ecuaciones químicas en cada uno de los procesos.8. ¿Qué función cumple la caliza en la reducción por alto horno? 40

Preguntas

9. ¿Qué diferencias hay entre el producto de salida del alto horno y el del horno de reducción directa?

10. ¿Cuál es la etapa siguiente a la reducción del mineral en la fabricación de acero? Mencione los principales métodos con los que se lleva a cabo esta etapa.

11. ¿Qué ocurre en los convertidores básicos de oxígeno (BOF)?12. ¿Qué diferencias hay entre un convertidor Bessemer y uno BOF?13. Describa el funcionamiento del horno eléctrico ¿Cuáles son sus

características y funciones?14. ¿Qué ocurre en el horno cuchara? Mencione tres items que se

lleven a cabo en el horno cuchara.15. ¿Cuáles son las dos formas de solidificar al acero?16. Mencione los productos semiterminados de acero.

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Preguntas

17. Mencione tres maneras de clasificar un acero.18. ¿Cuándo un acero se debe considerar de medio carbono y baja

aleación?19. Clasifique según su composición química al acero de

construcción mecánica AISI o SAE 5160 ¿Cuál es su uso más habitual? (buscar en www.matweb.com )

20. ¿Qué es un acero microaleado?21. ¿Qué se entiende por acero eutectoide? ¿Qué contenido de

carbono debería de tener?22. ¿Qué significa que un acero sea inoxidable austenítico?23. ¿Qué diferencia hay entre un acero para herramienta y un acero

rápido?24. ¿Qué diferencia hay entre un acero estructural y un acero para

construcciones mecánicas?19/09/2017 Aceros 42

Preguntas

25. ¿Cuáles de los siguientes son elementos agregados en un acero de forma accidental?

a. C y B

b. Mn y Sic. S y Pd. Todos son agregados a propósito

26. De acuerdo a la IRAM-IAS U 500-600, ¿cuánto es el contenido de carbono que puede tener un acero designado 1020?

a. 0,15% - 0,20%b. 0,22% - 0,28%c. 0,20%

d. 0,18% - 0,23%e. 2,00%

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Preguntas

27. ¿Cuáles de los siguientes aceros están listos para cortar, conformar y soldar?

a. aceros para herramientas

b. aceros Siemens-Martinsc. aceros de bajo carbonod. aceros estructurales

e. aceros para construcciones mecánicas

28. ¿Cuáles de los siguientes elementos de aleación no es característico de un acero microaleado?

a. Crb. Nb

c. Tid. Ve. Cb

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Preguntas

29. El arrabio líquido es el producto de qué etapa en un proceso siderúrgico

a. Horno Siemens-Martín

b. Convertidor Básico de Oxígenoc. Horno eléctricod. Colada continua

e. Alto horno

30. ¿Cuál es la diferencia entre acero y fundición de hierro?a. el proceso de conformado de la pieza, los aceros no se fundenb. el contenido de carbono

c. los aceros se sueldan y las fundiciones nod. las fundiciones no son metalese. el contenido de Mn

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Preguntas

31. ¿Qué tipo de acero se caracteriza por el alto contenido de Cr en su composición?

a. aceros magnéticamente blandos

b. aceros de bajo carbonoc. aceros soldablesd. aceros inoxidables

e. aceros austeníticos

32. Un acero fuertemente desoxidado es un acero...a. mecanizableb. calmado

c. semicalmadod. efervescentee. microaleado

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Preguntas

33. ¿Cuál de los siguientes elementos de aleación no es requerido en un acero 8620 según IRAM-IAS U 500-600?

a. C

b. Mnc. Nid. Cr

e. V

34. ¿De los siguientes cuál no es materia prima del proceso de reducción directa tipo Midrex?

a. chatarra de acerob. gas natural

c. carbónd. pellets de FeOe. todas las anteriores son incorrectas

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Preguntas

35. ¿Cuál es típico valor de %C que utilizan las normas para definir “acero”?

a. 0,25b. 2,00c. 0,80d. 4,00e. 0,07

36. ¿Cuál es la clasificación según, la composición química, de un acero designación 1524 según IRAM/IAS U 500-600?

a. acero de medio carbonob. acero de baja aleaciónc. acero al carbonod. acero de alta aleacióne. todas las anteriores son incorrectas

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Preguntas

37. ¿Cuál de los siguiente aceros es más apropiado para un matriz de trabajado en caliente?

a. H13b. 1020c. W1d. cualquiera es apropiadoe. 15L20

38. ¿Qué tipo de acero es uno que cumple la IRAM/IAS U 500-42 designación F-24?

a. acero de medio carbonob. acero de baja aleaciónc. acero para herramientad. acero estructurale. acero para construcción mecánica

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Bibliografía adicional

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