MATERIALES METALICOS
Configuraciones estructurales, Producción de arrabio y procesos de aceración.


1.1 Imperfecciones Cristalinas.
Introducción.
Los defectos en la red de un material cristalino, son de tres tipos generales: defectos puntuales, defectos de línea o dislocaciones y defectos de superficie.
Las dislocaciones son defectos de línea que se mueven al aplicar una fuerza al material haciendo que se deforme. El esfuerzo cortante resultante crítico es el esfuerzo requerido para que se mueva la dislocación. La dislocación se mueve en un sistema de deslizamiento, formado por un plano de deslizamiento y una dirección de deslizamiento. La dirección de deslizamiento, es decir, el vector de Burgers, típicamente es una dirección compacta. El plano de deslizamiento normalmente también es compacto o casi compacto.
En los cristales metalicos, el número y tipo de direcciones de deslizamiento y planos de deslizamiento influye en las propiedades del metal. En los metales fcc, el esfuerzo cortante resultante crítico es bajo y existe un número óptimo de planos de deslizamiento; en consecuencia, los metales fcc tienden a ser dúctiles. En el caso de los metales bcc, no hay planos compactos disponibles y el esfuerzo cortante resultante crítico es alto; por lo que los metales bcc tienden a ser resistentes. El número de sistemas de deslizamiento en losmetales hcp es limitado, haciendo que estos metales se comporten de manera fragil.
Los defectos puntuales, que incluyen vacancias, atomos intersticiales y atomos sustitucionales, introducen campos de esfuerzos de compresión o de tensión que alteran la red adyacente. Como resultado, las dislocaciones no pueden deslizarse en las cercanías de defectos puntuales, incrementandose la resistencia del material. El número de vacancias, o de puntos de red vacíos, depende de la temperatura del material; los atomos intersticiales (localizados en sitios intersticiales entre atomos normales) y los atomos sustitucionales (que remplazan al atomo normal en puntos de la red) a menudo se introducen de manera deliberada y generalmente su número no se altera por los cambios de temperatura del material.
Los defectos de superficie incluyen los bordes de grano. Al producir un tamaño de grano pequeño se incrementa la cantidad de area de bordes de grano; dado que las dislocaciones no pueden pasar con facilidad a través de un borde de grano, el material se hace mas resistente y se incrementa el número de dislocaciones.

El número y tipo de defectos de red controlan la facilidad del movimiento de las dislocaciones y, por tanto, influyen de manera directa sobre las propiedades mecanicas del material. El endurecimiento por solución sólida involucra incorporar defectos puntuales y el endurecimiento por tamaño de grano se obtiene al producir un material con granos mas pequeños.
1.2 Defectos Lineales.
Son defectosque dan lugar a una distorsión de la red centrada en torno a una línea, se crea durante la solidificación de los sólidos cristalinos o por deformación plastica, por condensación de vacantes. Hay muchos tipos de dislocaciones las cuales son las de cuña y las helicoidales y también se pueden dar combinaciones de ambas, denominada dislocación mixta.

Dislocaciones
Las dislocaciones son defectos de la red cristalina de dimensión uno, es decir que afectan a una fila de puntos de la red de bravías. Las dislocaciones estan definidas por el vector de Burgers, el cual permite pasar de un punto de la red al obtenido tras aplicar la dislocación al mismo. Las dislocaciones suceden con mayor probabilidad en las direcciones compactas de un cristal y son sumamente importantes para explicar el comportamiento elastico de los metales, así como su maleabilidad, puesto que la deformación plastica puede ocurrir por desplazamiento de dislocaciones.

Movimiento de las dislocaciones
En general las dislocaciones se pueden mover en diferentes planos de deslizamiento. La elección de este plano y la dirección de deslizamiento no es arbitraria y por lo tanto el grado de facilidad de deslizamiento vendra determinado por las condiciones a las que esta sometido el cristal y la estructura del mismo. Existen planos con mayor facilidad en la propagación de dislocaciones y dentro de los mismos, existen direcciones preferentes de deslizamiento por las cuales se desplazan las dislocaciones. Se puede definir un plano sobreel que desliza la dislocación y una dirección de deslizamiento, la combinación de ambos se denomina sistema de deslizamiento. Los planos mas favorables para que se dé movimiento de dislocaciones son los de maxima compacidad y las direcciones seran las perpendiculares a estos planos.
Dislocación de cuña



Resultan si las superficies del corte son desplazadas por rotación alrededor de un eje paralelo al de la línea de dislocación. Se crea por inserción de un semiplano adicional de atomos dentro de la red. Los atomos a lado y lado del semiplano insertado se encuentran distorsionados. Los atomos por encima de la línea de dislocación, que se encuentra perpendicular al plano de la pagina, en el punto donde termina el semiplano insertado, se encuentran comprimidos y los que estan por debajo se encuentran apartados.
Dislocación helicoidal
Se llama así debido a la superficie espiral formada por los planos atómicos alrededor de la línea de dislocación y se forman al aplicar un esfuerzo cizallante. La parte superior de la región frontal del cristal desliza una unidad atómica a la derecha respecto a la parte inferior. En este caso, el vector de Burgers es paralelo al plano que contiene la dislocación y perpendicular al plano de deslizamiento.
Esta dislocación se forma cuando se aplica un esfuerzo chilladucha en un cristal perfecto que ha sido separado por un plano cortante.

En los defectos lineales hay dos categorías que son particularmenterelevantes, las cuales son:
-Dislocaciones de borde y tornillo
-Dislocaciones de cuña y giro
Dislocaciones de borde
Resultan cuando las dos nuevas superficies son desplazadas translacionalmente en dirección normal a la línea de dislocación.

Dislocaciones de tornillo
Se producen cuando hay desplazamiento en el plano de corte, paralelo al eje del cilindro.
Las dislocaciones implican el rompimiento de la simetría rotacional a lo largo de la línea de dislocación.
Dislocación de giro
Resultan de la rotación de un eje normal a la línea de dislocación.
Dislocaciones mixtas
Con frecuencia los cristales exhiben mezcla de las dislocaciones anteriores. Su vector de Burgers no es ni perpendicular ni paralelo a la línea de dislocación, pero mantiene una orientación fija en el espacio. La estructura atómica local en torno a la dislocación mixta es difícil de visualizar, pero el vector de Burgers proporciona una descripción conveniente y sencilla.
Aunque los deslizamientos o desplazamientos atómicos pueden ocurrir en ceramicos y polímeros, estos procesos son particularmente útiles para entender el comportamiento mecanico de los metales. Primero que todo, el deslizamiento atómico explica porque la resistencia de los metales es mucho mas baja que el valor teórico predicho de los enlaces metalicos. Cuando los deslizamientos ocurren, solo una pequeña fracción de todos los enlaces metalicos a lo largo de la interface necesita ser roto y la fuerza requerida para deformar el metal es pequeña. Segundo, losdeslizamientos proveen ductilidad en los metales. Si no estuvieran presentes las dislocaciones, una barra de hierro sería fragil y los metales no podrían ser moldeados por varios procesos tales como forjado. Tercero, es posible controlar las propiedades mecanicas de un metal o aleación interfiriendo con el movimiento de las dislocaciones. Un obstaculo introducido dentro del cristal evita que una dislocación se deslice a menos de que se aplique una fuerza muy grande.
Es posible encontrar un gran número de dislocaciones en los materiales. La densidad de las dislocaciones o longitud total de las dislocaciones por unidad de volumen, se usa generalmente para representar la cantidad de dislocaciones presentes.

1.3 Defectos Superficiales.
El arreglo de los atomos o de los iones en los materiales diseñados tienen imperfecciones o defectos. Con frecuencia, estos defectos tienen un defecto profundo sobre las propiedades de los materiales.
Los defectos superficiales son los límites o los planos que separan un material en regiones, cada región tiene la misma estructura cristalina, pero distinta orientación.

Límites de grano
 La estructura de muchos materiales ceramicos y metalicos consiste en muchos granos. Un grano es una porción del material dentro de la cual el arreglo de los atomos es casi idéntico. Sin embargo, la orientación del arreglo de atomos, o estructura cristalina, es distinta en cada grano vecino.

1.4 Movimiento Atómico.
Todas las cosas estan hechas de atomos:pequeñas partículas que se mueven en perpetuo movimiento, atrayéndose mutuamente cuando estan a poca distancia, pero repeliéndose al ser apretadas unas contra otras.
Los atomos tienen 1 o 2x10 –8 cm de radio. Ahora bien, 10-8 cm se denomina un angström de modo que decimos que tienen 1 o 2 angtröms de radio. Otra forma de recordar este tamaño es la siguiente: si se ampliara una manzana hasta el tamaño de la Tierra, entonces los atomos de la manzana tendrían aproximadamente el tamaño de la manzana original.
La atracción molecular hace que las moléculas de las cosas no se deshagan. El movimiento de agitación es lo que se representa como calor: cuando se aumenta la temperatura, aumenta el movimiento.
Los atomos o iones de un sólido se ordenan en una disposición que se repite en tres dimensiones, forman un sólido del que se dice tiene una estructura cristalina, se dice también que es un sólido cristalino o un material cristalino.
Punto reticular: ión, atomo o moléculaque se repite infinitamente figura 1
Líneas rectas imaginarias que forman laCeldilla unidad figura 2
El patrón se repite en el espacio yForma el retículo cristalino figura 3
 
El tamaño y la forma de la celda unidad pueden describirse por tres vectores reticulares a, b, c y por angulos entre las caras y la longitud relativa de las aristas, denominados parametros de red, constantes de red o ejes cristalograficos.
a, b, c : longitud de las aristas correspondientes a los ejes coordenados X, Y,Z.
a , b , g :angulos entre las aristas.

La importancia en la ingeniería de la estructura física de los materiales sólidos depende primordialmente de la disposición de los atomos, iones o moléculas que constituyen el sólido y de las fuerzas de enlace entre ellos.
Asignando valores específicos para las longitudes axiales y los angulos intereaxiales, se pueden construir diferentes tipos de celda unidad. Los cristalógrafos han mostrado que son necesarias sólo siete tipos de diferentes de celda unidad para crear todas las redes puntuales, estos sistemas cristalinos son: el Cúbico, el Tetragonal, el Ortorrómbico, el Romboédrico, el Hexagonal, el Monoclínico y el Triclínico. La mayor parte de los sistemas cristalinos presentan variaciones de la celda unidad basica. A.J. Bravais mostró que 14 celdas unidad estandar podían describir todas las estructuras reticulares posibles. Hay cuatro tipos basicos de celdas unidad (1) Sencilla, (2) Centrada en el Cuerpo, (3) Centrada en las Caras, y (4) Centrada en la Base.
En el Sistema Cúbico hay tres tipos de celda unidad: cúbica sencilla, cúbica centrada en el cuerpo y cúbica centrada en las caras. En el Sistema Ortorrómbico hay estan representados los cuatro tipos. En el Sistema Tetragonal hay solo dos: sencilla y centrada en el cuerpo. La celda unidad tetragonal centrada en las caras parece que falta, pero se puede formar a partir de cuatro celdas unidad tetragonales centradas en el cuerpo. El Sistema Monoclínico tiene celdas unidad sencilla y centrada en la base, ylos Sistemas Romboédrico, Hexagonal y Triclínico tienen sólo una celda unidad.
Principales estructuras cristalinas metalicas
 La mayoría de los metales elementales (90%) cristalizan en tres estructuras cristalinas densamente empaquetadas: cúbica centrada en las caras FCC, hexagonal compacta HCP y cúbica centrada en el cuerpo BCC debido a que se libera energía a medida que los atomos se aproximan y se enlazan cada vez mas estrechamente entre sí. Por lo tanto dichas estructuras densamente empaquetadas se encuentran en disposiciones u ordenamientos de energía cada vez mas baja y estable.
Estructura Cristalina Cúbica Centrada en el Cuerpo BCC
En esta celda unidad las esferas sólidas representan los centros donde los atomos estan localizados e indican sus posiciones relativas. En esta celda unidad el atomo central esta rodeado de 8 vecinos mas cercanos y se dice que tiene por lo tanto un número de coordinación de 8. Cada una de estas celdas unidad tiene el equivalente de 2 atomos por celda unidad. Un atomo completo esta localizado en el centro de la celda unidad, y un octavo de esfera esta localizado en cada vértice de la celda unidad, haciendo el equivalente de otro atomo. De este modo, hay un total de 1 (en el centro) + 8 x 1/8 (en los vértices) = 2 atomos por celda unidad.
Los atomos en este tipo de celdas contactan entre sí a través de la diagonal del cubo, y la relación entre la longitud de la cara del cubo a y el radio atómico R es:

Si los atomos en la celda BCC se consideran esféricos,el factor de empaquetamiento atómico (APF) puede hallarse empleando la siguiente expresión:

El APF de esta celda es 0.68, es decir, el 68% del volumen de la celda esta ocupado por atomos y el 32% restante en espacio vacío. El cristal BCC no es una estructura totalmente compacta, ya que los atomos aún podrían situarse mas juntos. Muchos metales como el Cromo, Hierro, Wolframio, Molibdeno y Vanadio tienen estructura cristalina BCC.
Estructura Cristalina Cúbica Centrada en las Caras FCC.
 En esta celda hay un punto reticular en cada vértice del cubo y otro en el centro de cada cara del cubo. El modelo de esferas sólidas indica que los atomos de esta estructura estan unidos del modo mas compacto posible. El APF de esta estructura de empaquetamiento compacto es 0.74.
Esta celda tiene el equivalente a cuatro atomos por celda unidad. Un octavo de atomo en cada vértice (8 x 1/8=1) y seis medios atomos en el medio (1/2 x 6= 3).
Los atomos en la celda FCC contactan entre sí a lo largo de la diagonal de la cara del cubo, de tal forma que la relación entre la longitud de la cara del cubo y el radio atómico es:

Metales como el Aluminio, el Cobre, el Plomo, el Níquel y el Hierro a temperaturas elevadas (912 a 1394°C) cristalizan según la estructura FCC.
Ejemplo
El Cu posee una estructura FCC y un radio atómico de 0.1278 nm y considerando que los atomos son esferas sólidas que contactan a lo largo de las diagonales de la celdilla unidad FCC. ¿Cual es el valor teórico de la densidad del Cu?1/8 * 8= 1 atomo½ * 6= 3 atomoa 4 atomos en la celda FCC
Masa atómica del Cu=63.54 g/mol

Parametro de Red:

Volumen de la celda:
V=a3 = (0.361nm)3 =0.047nm3x(1X10-9m)3 = 4.7 x 10-29 m3
Masa de los atomos de Cu en la celda:

Densidad Volumétrica:

El valor tabulado experimentalmente es de 8.96 , la diferencia se debe a que los atomos no son esferas perfectas, a la ausencia de atomos en las posiciones atómicas, a defectos en la red, etc.
Estructura Cristalina Hexagonal Compacta HCP
Los metales no cristalizan en la estructura hexagonal sencilla porque el APF es demasiado bajo. El APF es 0.74 ya que los atomos estan empaquetados de un modo lo mas cercano posible. Cada atomo esta rodeado de otros 12 atomos y por tanto su número de coordinación es 12.
La celda HCP posee 6 atomos, tres forman un triangulo en la capa intermedia, existen 6*1/6 secciones de atomos localizados en las capas de arriba y de abajo, haciendo un equivalente a 2 atomos mas, finalmente existen 2 mitades de atomo en el centro de ambas capas superior e inferior, haciendo el equivalente de un atomo mas.
La relación c/a de una estructura cristalina HCP ideal es de 1.633 que indica esferas uniformes tan próximas como sea posible. Los metales Cinc, Cadmio poseen una relación c/a mas alta que la ideal, lo que indica que los atomos en estas estructuras estan ligeramente alongados a lo largo del eje c en la celda unidad HCP. Los metales como el Titanio, Berilio, Magnesio Y Circonio entre otros tienen relaciones c/amenores que la ideal. Por tanto en estos metales los atomos estan comprimidos a lo largo de la dirección del eje c.
1.5 Difusión y Mecanismos de Difusión.
La difusión puede ser definida como el mecanismo por el cual la materia es transportada por la materia. Los atomos de gases, líquidos y sólidos estan en constante movimiento y se desplazan en el espacio tras un período de tiempo. En los gases, el movimiento de los atomos es relativamente veloz, tal efecto se puede apreciar por el rapido avance de los olores desprendidos al cocinar o el de las partículas de humo. En los líquidos, los atomos poseen un movimiento mas lento, esto se pone en evidencia en el movimiento de las tintas que se disuelven en agua líquida. El transporte de masa en líquidos y sólidos se origina generalmente debido a una combinación de convección (movilización de fluido) y difusión. En los sólidos, estos movimientos atómicos quedan restringidos (no existe convección), debido a los enlaces que mantienen los atomos en las posiciones de equilibrio, por lo cual el único mecanismo de transporte de masa es la difusión. Sin embargo las vibraciones térmicas que tienen lugar en sólidos permiten que algunos atomos se muevan. La difusión de éstos en metales y aleaciones es particularmente importante si consideramos el hecho de que la mayor parte de las reacciones en estado sólido llevan consigo movimientos atómicos; como ejemplo se pueden citar la formación de núcleos y crecimiento de nuevos granos en la re cristalizaciónde un metal trabajado en frío y la precipitación de una segunda fase a partir de una solución sólida.
Mecanismos de difusión
Existen dos mecanismos principales de difusión en los atomos en una estructura cristalina: (1) mecanismo de vacantes o sustitucional, y (2) el mecanismo intersticial.
Mecanismo de difusión por vacantes o sustitucional
Los atomos pueden moverse en las redes cristalinas desde una posición a otra si hay presente suficiente energía de activación, proporcionada ésta por la vibración térmica de los atomos, y si hay vacantes u otros defectos cristalinos en la estructura para que ellos los ocupen. Las vacantes en los metales son defectos en equilibrio, y por ello algunos estan siempre presentes para facilitar que tenga lugar la difusión sustitucional de los atomos. Según va aumentando la temperatura del metal se produciran mas vacantes y habra mas energía térmica disponible, por tanto, el grado de difusión es mayor a temperaturas mas altas.
La energía de activación para la difusión propia es igual a la suma de la energía de activación necesaria para formar la vacante y la energía de activación necesaria para moverla.
La siguiente tabla presenta la relación de algunas energías de activación para la auto difusión en metales puros.
Tabla 1
Metal Punto de fusión, °C Rango de temperatura estudiado, °C EstructuraCristalina Energía deActivación, KJ/mol
Cinc 419 240-418 HCP 91.6
Aluminio 660 400-610 FCC 165
Cobre 1083 700-990 FCC 196
Níquel 1452 900-1200 FCC 293
Hierro a 1530 808-884 BCC 240
Molibdeno 2600 2155-2540 BCC 460
Se pude observar que a medida que incrementa el punto de fusión del material. La energía de activación también aumenta. Esto se da porque los metales con temperatura de fusión mas altas tienden a mayores energías de enlace entre sus atomos.
La difusión también puede darse por el mecanismo de vacantes en soluciones sólidas. La diferencia entre los tamaños de los atomos y las energías de enlace entre ellos son factores que afectan la velocidad de difusión.
Mecanismo de difusión intersticial
La difusión intersticial de los atomos en redes cristalinas tiene lugar cuando los atomos se trasladan de un intersticio a otro contiguo al primero sin desplazar permanentemente a ninguno de los atomos de la matriz de la red cristalina. Para que el mecanismo intersticial sea efectivo, el tamaño de los atomos que se difunde debe ser relativamente pequeño comparado con el de los atomos de la matriz. Los atomos pequeños como los de hidrógeno, carbono, oxígeno y nitrógeno, pueden difundirse intersticialmente en algunas redes cristalinas metalicas. Por ejemplo, el carbono puede difundirse intersticialmente en hierro alfa BCC y hierro gamma FCC. En la difusión intersticial de carbono en hierro, los atomos de carbono deben pasar entre los atomos de la matriz de hierro.

Difusión en estado estacionario
Si consideramos la difusión del soluto en la figura 1. en la direccióndel eje X entre dos planos de atomos perpendiculares al plano de la hoja, separados una distancia X. Supongamos que tras un periodo de tiempo, la concentración de los atomos en el plano 1 es C1 y en el plano 2 es C2. Esto significa que no se produce cambios en la concentración de los atomos de soluto en esos planos, para el sistema, con el tiempo. Tales condiciones de difusión se conocen como condiciones en estado estacionario.

Este tipo de difusión tiene lugar cuando un gas no reactivo difunde a través de una lamina metalica. Si el sistema mostrado en la figura no existe interacción química entre los atomos de soluto y solvente, debido a que existe una diferencia de concentración entre los planos 1 y 2, se producira un flujo neto de atomos de la parte de mas alta concentración a la de mas baja concentración. La densidad de flujo ó corriente se representa mediante la expresión:

Donde:
J= Flujo neto de los atomos
D= Coeficiente de difusión

Se emplea un signo negativo debido a que la difusión tiene lugar de una concentración mayor a una menor, es decir, existe un gradiente de difusión negativo. Esta ecuación es llamada primera Ley de Fick y afirma que para condiciones de flujo en estado estacionario, la densidad de flujo neto de atomos es igual a la difusividad D por el gradiente de concentración dC/dX. Las unidades son las siguientes en el sistema internacional:

Los valores de la difusividad dependen de muchas variables, las mas importantes son las siguientes:
El tipo demecanismo de difusión.
El hecho de que la difusión sea intersticial o sustitucional afectara la difusividad. Los atomos pequeños pueden difundirse intersticialmente en la red cristalina de atomos mayores del solvente. De esta manera los atomos de carbono se difunden intersticialmente en la red BCC o FCC. Los atomos de cobre pueden difundirse sustitucionalmente en una red de aluminio siempre y cuando los atomos de cobre y aluminio sean aproximadamente iguales.
La temperatura a la cual ocurre la difusión. 
Si la temperatura aumenta en el sistema la difusividad también se ve incrementada.
El tipo de estructura cristalina de la red matriz.
La estructura cristalina BCC que posee un factor de empaquetamiento de 0.68 ayuda a que la difusividad sea mayor que una red FCC que posee un factor de empaquetamiento de 0.74. De esta manera los atomos de carbono se pueden difundir mas facilmente en una red de hierro BCC que una red FCC.

El tipo de imperfecciones cristalinas. 
La mayoría de estructuras abiertas permiten una difusión mas rapida de los atomos. Por ejemplo, la difusión tiene lugar mas rapidamente a lo largo de los límites de grano que en la matriz del mismo, en metales y ceramicos. Las vacantes en exceso incrementaran las velocidades de difusión en metales y aleaciones.
La concentración de las especies que se difunden.
 Las concentraciones mayores de atomos de soluto difundible afectaran la difusividad. Este aspecto de la difusión en el estado sólido es muy complejo.
Difusión en estado noestacionario
El estado estacionario, en el cual las condiciones permanecen invariables con el tiempo, no se presenta con frecuencia en aplicaciones de ingeniería. En la mayoría de los casos, la difusión es en estado no estacionario, en la cual la concentración de los atomos de soluto en cualquier punto del material cambia con el tiempo, es la que tiene lugar. Por ejemplo si se difunde carbono en la superficie de un arbol de levas de acero para endurecer su superficie, la concentración de carbono bajo la superficie de cualquier punto cambiara con el tiempo a medida que el proceso de difusión avanza. Para casos de difusión en estado no estacionario, en el cual la difusividad es independiente del tiempo, se aplica la segunda ley de Fick sobre difusión, así:

Esta ley establece que la velocidad de cambio de la composición de la muestra es igual a la difusividad por la velocidad de cambio del gradiente de concentración. La derivación y resolución de esta ecuación diferencial se realiza con ayuda de la transformada de Laplace. La solución particular, en la cual un gas se difunde en un sólido, es de gran importancia en aplicaciones de Ingeniería y es aplicada para resolver problemas practicos de difusión industrial.
La aplicación mas importante en metalurgia de los principios de difusión es la carburizaciónasm del acero, cuyo objetivo es crear una capa superficial rica en carbono en la superficie, y de una dureza elevada, sobre la pieza de acero de bajo carbono. Los aceros de cementacióncontienen normalmente 0.25% de carbono como maximo. Su tenor de carbono es a menudo inferior a 0.20% los contenidos maximos obtenidos en la superficie estan entre 0.70% y 1.10%, de ellos 0.80% es el mas empleado.
Si suponemos que un gas carburizante penetra en una barra de acero, a medida que el tiempo de difusión aumenta, la concentración de atomos de soluto en cualquier punto del sólido en la dirección X también aumentara.
La relación entre la profundidad de penetración y el tiempo de carburización se puede calcular a partir de la solución de la segunda ley de Fick:

CS = Maxima concentración producida inmediatamente en la superficie (dada por el diagrama de fases Fe-C)
Co = Concentración inicial de carbono en el acero
CX = Concentración de carbono a la distancia X debajo de la superficie en el tiempo t
D = Coeficiente de difusión del C en Fe a la temperatura del proceso
Ferror = Función error
Debido a lo complejo de las reacciones y las composiciones de los aceros, lo usual es emplear la relación empírica para éste calculo:

X esta dada en mm y t en horas.
K es una constante experimental, la cual varía entre 0.011 y 0.032 al cambiar la temperatura de 815°C a 828°C. Esta constante se obtiene de graficas, para una temperatura de cementación dada.
Efecto de Kirkendall
En los ejemplos anteriores se ha tratado la difusión de un soluto intersticial, y no se mencionó el movimiento de difusión de los atomos de Fe, ya que tal movimiento es insignificante comparado con el correspondientede los atomos mas pequeños y móviles de carbono. Sin embargo, supóngase que se tiene el par de difusión formado por Cu y por Ni como se indica en la figura 2. Éstos atomos son casi del mismo tamaño por lo que se disuelven uno en el otro como soluto sustitucionales y se espera que su movilidad sea muy similar. Se debe considerar la difusión del Cu a la derecha y la del Ni a la izquierda. En general, los solutos sustitucionales no se difunden uno en otro a velocidades iguales y opuestas. Supóngase que los atomos de Ni se difunden hacía la izquierda mas rapido que lo hacen los de Cu a la derecha.

Como una ayuda para determinar el efecto que tiene este movimiento relativo sobre el par de difusión se colocan marcadores inertes (alambres de Ta, Mo ó partículas de óxido) en la intercara soldada. Después de que se ha producido la difusión durante cierto número de horas se habra producido un transporte neto de atomos desde la derecha de los marcadores hacía su izquierda ya que los atomos de Ni se mueven mas rapido. Los atomos adicionales que llegan del lado izquierdo de los marcadores haran que se expanda la red a la izquierda mientras que la pérdida de atomos del lado derecho hara que la red se encoja del lado derecho. De ésta manera, la sección central completa de la barra se desplazara hacia la derecha como se indica en la figura 2 conforme la difusión hace que los atomos se depositen a la izquierda y sean removidos a la derecha.
Por lo tanto, si los atomos se mueven a velocidades diferentes,es de esperarse que haya un desplazamiento de los marcadores con respecto a los extremos de la barra, este efecto fue hallado en los metales por Kinkerdall y se le ha llamado efecto Kinkerdall. La presencia de este desplazamiento significa que la red cristalina completa se mueve realmente con respecto al observador durante el proceso de difusión. Este es un tipo de movimiento de volumen similar al movimiento de convección en los líquidos y se debe tomar en cuenta al analizar los procesos de difusión que ocurren aquí. Tal analisis lo hizo primero Darken en 1948 y obtuvo los siguientes resultados para el flujo ó transferencia de atomos en este tipo de par de difusión:

 
El coeficiente de difusión mutuo DMUTUO es posible medirlo por un método llamado método denominado interface de Matano, el cual permite hacer menos rígida la suposición de que DMUTUO es independiente de la concentración. Esta técnica se emplea usualmente en estudios de difusión sustitucional; permite determinar la dependencia que de la concentración tiene el coeficiente de difusión.
Efecto de la temperatura sobre la difusión en sólidos
El coeficiente de la difusión es una función notable de la temperatura, por experimentación se ha encontrado que la dependencia de la temperatura de la velocidad de la difusión de muchos sistemas puede ser expresada por el siguiente tipo de ecuación de Arrhenius:

Donde, Do es una constante y Q es una constante llamada energía de activación de las especies en difusión en . Los valoresde D casi siempre se dan en unidades cgs ().
R, es la constante molar de los gases que equivale a 8.314 .
La dependencia de la temperatura es muy fuerte; los metales de elevado punto de fusión tienen los mayores valores de D a temperatura ambiente, y los metales de bajo punto de fusión tienen los mas bajos valores de D.
Difusión interfacial
En los metales policristalinos la difusión se puede presentar a lo largo de los límites de grano y de la superficie, así como a través del volumen de los granos. Es de esperarse que la movilidad de un atomo a lo largo de un límite de grano o en una superficie sea mas alta que en el volumen del cristal, debido a que estas intercaras tienen una estructura mas abierta y, por lo tanto, deben ofrecer menos resistencia al movimiento atómico. Por consiguiente, es de suponerse que los coeficientes de difusión en la intercara sera mas altos que los coeficientes de difusión volumétrica ya que el coeficiente de difusión se relaciona directamente con la movilidad. La difusión en los límites de grano contribuye notablemente a la difusión total sólo cuando el tamaño de grano es bastante pequeño.
Fricción interna
La capacidad que posee un sólido vibrante, completamente aislado de sus alrededores, para convertir en calor su energía mecanica, se llama fricción interna ó capacidad de amortiguamiento.
Los efectos de la fricción interna corresponden a un retraso de fase entre la tensión aplicada y la deformación resultante. Esto puede deberse a la deformación plasticaproducida en los niveles altos de tensión, o a reorganizaciones térmicas, magnéticas o atómicas cuando ocurre en los niveles de tensión bajos.
Una rama interesante del campo del comportamiento no elastico es la inelasticidad, éste tema trata de los efectos de la fricción interna independientes de la amplitud de vibración, este comportamiento puede deberse a la difusión térmica ó atómica, a la relajación de tensiones y a las interacciones magnéticas.
Los estudios de fricción interna estan relacionados principalmente con el empleo del amortiguamiento como medio para estudiar la estructura interna y los movimientos atómicos en los sólidos. Las amplitudes de vibración empleadas en esta clase de trabajo son usualmente muy pequeñas, y las tensiones muy bajas.
La fricción interna se mide por medio del péndulo de torsión para las regiones de bajas frecuencias, de alrededor de un ciclo por segundo, la amplitud en cualquier momento AT puede expresarse por medio de la ecuación:
AT = Aoexp(-b t)
Donde b es el coeficiente de atenuación. La fricción interna, se define como el decremento logarítmico d , éste es el logaritmo de la relación de dos amplitudes sucesivas:

El efecto Snoek
La fricción interna resultante de la ordenación preferente de los atomos intersticiales bajo una tensión aplicada fue explicada por Snoek. Este tipo de relajación se ha estudiado ampliamente en el hierro con pequeños contenidos de carbono o nitrógeno en solución sólida. Los atomos intersticiales de carbono en elhierro con red BCC ocupan los sitios octaédricos de la red. El cristal tendra simetría tetragonal. Incluso aunque no se aplique ninguna fuerza externa, a causa de la distorsión producida por los atomos intersticiales. La distribución de atomos entre los lugares octaédricos es aleatoria, mientras no se aplique ninguna fuerza externa de tensión, y los ejes tetragonales de las celdas unidad estan orientados también aleatoriamente con respecto a los ejes de la probeta. Sin embargo, si se aplica una tensión a lo largo del eje Y, los atomos intersticiales emigraran a las posiciones octaédricas que tienden a alinearse en la dirección Y. Cuando cesa la tensión, los atomos emigran hacía una distribución aleatoria. Bajo las tensiones oscilantes impuestas por un aparto de fricción interna, los atomos intersticiales estaran en movimiento continuo, con tendencia hacía la orientación preferente ó apartarse de esta clase de orientación. El resultado es un fuerte maximo de relajación. Se puede observar un maximo de relajación similar aunque mas débil, debido a un orden de corto alcance, en las soluciones sólidas de sustitución.
Unidad III.- Producción de Arrabio y Procesos de Aceración
3.1 Concepto de Metalurgia
Metalurgia
La metalurgia es la ciencia y técnica de la obtención y tratamiento de los metales desde minerales metalicos hasta los no metalicos. También estudia la producción de aleaciones, el control de calidad de los procesos vinculados así como su control contra la corrosión. Ademas derelacionarse con la industria metalúrgica.

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Alrededor del año 3500 a. C. ya existía la metalurgia del hierro esponjoso; el hierro colado no se descubrió hasta el año 1600 a. C. Algunas técnicas usadas en la antigüedad fueron el moldeo a la cera perdida, la soldadura o el templado del acero. Las primeras fundiciones conocidas empezaron en China en el siglo I a. C., pero no llegaron a Europa hasta el siglo XIII, cuando aparecieron los primeros altos hornos.
En la Edad Media la metalurgia estaba muy ligada a las técnicas de purificación de metales preciosos y la acuñación de moneda.
El empleo de los metales, característico de la Edad de los metales, es explicable gracias a que el hombre motivado, por sus nuevas actividades necesitó sustituir las herramientas de piedra, hueso y madera, por otras muchos mas resistentes.
El cobre fue el primer metal descubierto por encontrarse en estado casi puro en la naturaleza y fue trabajado al final del periodo Neolítico. Al principio, se le golpeaba hasta dejarlo plano como una hoja. Después se aprendió a fundirlo con fuego y vaciarlo en moldes, lo que permitió fabricar mejores herramientas y en mayor cantidad.
Se calcula que hacia el tercer milenio antes de Cristo, después de un difícil proceso de extracción, se empezó a trabajar con el hierro. Este requiere, como se sabe, altas temperaturas para su fundición y moldeado porque así es mas maleable y resistente.
Los utensilios elaborados con metales fueron: armas, herramientas, vasijas, adornospersonales, domésticos y religiosos. El uso de los metales significó un gran avance técnico que repercutió de diversas formas en la conformación de la civilización humana:
. El hombre ejerció un mejor dominio sobre la naturaleza.
. Se sustituyó el trabajo de la piedra y el hueso.
. Se fabricaron azadas y arados de metal para la agricultura.
Procesos metalúrgicos
Los procesos metalúrgicos comprenden las siguientes fases:
* Obtención del metal a partir del mineral que lo contiene en estado natural, separandolo de la ganga.
* El afino, enriquecimiento o purificación: eliminación de las impurezas que quedan en el metal.
* Elaboración de aleaciones.
* Otros tratamientos del metal para facilitar su uso.
Operaciones basicas de obtención de metales
* Operaciones físicas: triturado, molido, filtrado (a presión o al vacío), centrifugado, decantado, flotación, disolución, destilación, secado, precipitación física.
* Operaciones químicas: tostación, oxidación, reducción, hidrometalurgia, electrólisis, hidrólisis, lixiviación mediante reacciones acido-base, precipitación química, electrodeposición, cianuración.
Metalurgia extractiva
Se define como la parte de la metalurgia que estudia los métodos químicos necesarios para tratar una mena mineral o un material que se va a reciclar de tal forma que se pueda obtener, a partir de cualquiera de ellos, el metal, mas o menos puro, o alguno de sus compuestos.
3.2 Proceso de pre beneficio de mineral de hierro
Beneficio de losminerales de hierro
La extracción de los minerales se realiza de maneras muy diversas según las circunstancias que concurren en cada caso. En general, como el mineral se suele presentar formando grandes masas, siempre suele ser necesario emplear importantes cantidades de explosivos para romperlas y facilitar su extracción. Para arrancar el mineral se emplean potentes maquinas excavadoras y luego se machacan, trituran y criban los trozos de mineral hasta obtener tamaños apropiados para su transporte o utilización. Las explotaciones se hacen a cielo abierto o en galerías subterraneas.
Los minerales después de ser extraídos deben sufrir, según sea su calidad, tratamientos diversos. A veces es necesario lavarlos para eliminar las materias terrosas o arcillas con las que suelen estar mezclados. Otras veces los carbonatos son calcinados para transformarlos en óxidos y también, a veces, se calcinan ciertas magnetitas muy duras y compactas para transformarlas en óxido férrico de mas facil reducción y aumentar su porosidad o para eliminar algo del azufre que contienen.
Los minerales después de ser machacados, triturados y molidos, se clasifican por cribado o por procedimientos magnéticos. Posteriormente, los tamaños finos de riqueza aceptable se suelen aglomerar o sinterizar antes de su carga en los hornos altos. Cuando la humedad que contienen es muy elevada, se secan en hornos rotatorios para reducir el porcentaje de agua que les acompaña.

Machaqueo trituración y molienda.
El machaqueo de losminerales de hierro sirve para reducir el tamaño de los grandes trozos obtenidos en las minas, por voladuras, y conseguir que queden en trozos con dimensiones mas pequeñas y mas adecuadas para el transporte y para los tratamientos y transformaciones que han de sufrir posteriormente.
Generalmente, se suele separar en las minas los trozos de mineral inferiores a 1,5 m de diametro, que son los mayores tamaños que suelen pasar a las grandes maquinas machacadoras que las reducen a trozos inferiores a 300 mm. La elección de la maquinaria depende de la naturaleza de los minerales a tratar, de las dimensiones de los trozos que se desea obtener y del destino final del producto.
En las fabricas suelen montarse instalaciones llamadas de trituración primaria, secundaria y terciaria, que, en ocasiones, se instalan también en las minas. En las maquinas primarias, los grandes trozos que llegan a las fabricas se reducen a tamaños o trozos menores de 150 mm y en las secundarias a tamaños inferiores a 50 mm aproximadamente. Finalmente, en la trituración terciaria se llega a tamaños menores de 10 mm.
El molino sirve para disminuir todavía mas el tamaño de los minerales. Se cargan, generalmente, trozos de 3 a 8 mm y se obtiene polvo muy fino de 0.05 a 0.5 mm. Antiguamente los minerales relativamente porosos se cargaban en los hornos altos en tamaños variables de 25 a 75 mm. Los minerales compactos y densos como las magnetitas, por ejemplo, se cargaban en tamaños mas pequeños, del orden de 25 a 50 mm. En loshornos de poca altura siempre se empleaban trozos mas pequeños que en los grandes. (Barreiro)
Principios teóricos del secado y equipo industrial.
En la concentración de minerales se obtienen, en ocasiones, fangos con partículas muy finas que contienen una gran cantidad de agua, que interesa eliminar.
El secado es una operación que consiste en calentar los minerales y concentrados a una temperatura que permita eliminar el agua que acompaña a los materiales en forma de humedad o sea el agua atrapada entre las partículas por efecto de capilaridad o por absorción.
Considerando el secado teóricamente se analiza la reacción.
H2O(l) = H2O (g) ?H°= 10.5 Kcal
Kp = PH2O
Para esta reacción se puede calcular, a una temperatura determinada, el valor de su constante de equilibrio KP, y de esta manera obtenemos la presión de vapor de equilibrio del agua, PH2O sobre el material.
Se debe tomar en cuenta que la atmósfera del horno tiene su humedad expresada con P´H2O.
Para que el proceso de secado se lleve acabo es necesario que exista la relación
PH2O > P´H2O.
(Jordens, 1984)

Horno rotativo de secado. (Jordens, 1984)
Otro sistema muy utilizado para eliminar el agua es la filtración continua por el vacío.
Los filtros usados en metalurgia se componen de un tambor filtrante, dividido en varias células independientes, que gira en un gran depósito a donde se envía el líquido con las partículas a secar. Una parte de la superficie cilíndrica exterior metalica de este tambor esta perforada muyfinamente y recubierta de una tela que deja pasar a través de ella el agua y no al mineral. En una parte al interior del tambor se hace una fuerte aspiración que arrastra al agua hacia la zona central.

Durante la operación, el tambor gira y en cada célula queda adheridas a la tela solo las partículas sólidas. Luego en su giro al Salir del líquido llegan los concentrados en forma del fango adheridos a la tela a una zona donde son rociados con agua y se separan ciertas sustancias arcillosas, que se separan sin dificultad.
En la última parte del giro el material depositado sobre la tela deja los sectores donde actúa el vacío y entra en otro sector donde, en el interior del tambor, se produce una ligera presión de aire que desprende las materias minerales que hay sobre la tela, que se depositan desprovistas ya de gran parte de su humedad en una cinta transportadora. (Barreiro)
Proceso de coquización
Coquización es un proceso de destilación seca destructiva de carbón para convertirlo de un material denso y fragil a uno fuerte y poroso; los subproductos valiosos se recuperan en el proceso.
No todas las clases de carbón son útiles para fabricar coque. Entre los que no son útiles se encuentran los porosos pero con baja resistencia a la compresión o con residuos de polvo. Fuera de las tres clases de carbón reconocidas en la industria alta, media o baja volatilidad, solo una subclase entre los de alta volatilidad y algunos pero no todos los de media volatilidad son producidos para el altohorno. Por lo tanto la mezcla es de mayor importancia. Grandes cantidades de carbón de alta volatilidad son mezcladas con carbón de media o baja volatilidad. Otra razón para mezclarlos es su química no la estructura del carbón. Muchos carbones contienen grandes cantidades de cenizas de: arena de sílice, arcillas aluminosas, sulfuros de hierro y otros. Por lo tanto casi todos los carbones son lavados.
Como ya se menciono anteriormente la coquización es un proceso de destilación destructiva usando calor externo. El coque es ampliamente clasificado de acuerdo a su temperatura final del proceso de coquización – coque de alta, media y baja temperatura. Solo el último terminado entre 1700 y 2000° F (930 y 1100° C) se unas para el alto horno. Aunque algunos de los de bajas temperaturas se utilizan para mezclarlos.
Las producciones de carbón por tonelada son
De 65 a 73% de coque y de 5 a 10 % de residuos, para una producción de coque del 75%. Puesto que cerca del 75% de sulfuro contenido en el carbón, permanece en el coque, lo cual es que el contenido de sulfuro es alrededor de la misma cantidad carbón en el coque, a menos que se empleen las técnicas adecuadas para remover los sulfuros. (Peters, 1982)

Calcinación
El concepto calcinación es la eliminación de agua y gases atrapados químicamente en el concentrado, de los cuales se pueden considerar los hidróxidos, carbonato, sulfatos y compuestos hidratados.
Termodinamica de la calcinación.
Un estudio termodinamico de la calcinación nos va amostrar el sentido hacia donde se desplaza la reacción en las condiciones estandar (25° C y 1 atm de presión) ya sea hacia los productos o reactivos y el tipo de la reacción a desarrollar, si es exotérmica o endotérmica.
Analizando la calcinación de un carbonato: como queremos la descomposición del carbonato el sentido de la reacción ya se ha definido y es de izquierda a derecha, pero es necesario saber si la reacción genera o absorbe calor para desplazarse en el sentido deseado; y es necesario calcular el cambio de entalpia, obteniendo los valores de entalpia a 298 °K para productos y reactivos, de las tablas termodinamicas.

Cambio de entalpía.

Sustituyendo los valores obtenidos queda:

El resultado positivo nos indica que la reacción es endotérmica y que requiere calor para desplazarse de izquierda a derecha.
Cinética de la calcinación.
El sueco, Jacobus Herlcus Van´t Hoff, (1852 – 1911) sentó las bases para el estudio de la cinética química, al mostrar la influencia de la concentración y la temperatura en el equilibrio fisicoquímico de las reacciones. La cinética pretende determinar la rapidez con que se desarrolla una reacción, y a su vez, poder acelerarla o retardarla, mediante la modificación de los parametros originales como son: La temperatura, radiación de luz que absorben los atomos, y los catalizadores en la reacción.
La cinética se basa en el modelo del núcleo sin reaccionar que se encoge, en el cual considera a una partícula esférica con un diametro (d0), quereacciona bajo la acción del calor.

Pasado un tiempo 't' en que se dio la reacción de calcinación, se corta la partícula esférica por la mitad, para observar el avance de dicha reacción, apreciandose lo siguiente:
a.- La reacción de la calcinación MCO3 = MO + CO2 se presentó en la superficie donde la temperatura es igual a la de calcinación.
b.- La reacción continua hacia el centro de la partícula, pero la temperatura en esta zona no fue suficiente para la calcinación.
c.- Un núcleo de reactivo de diametro 'd1' menor al diametro original 'd0' (d1< d0), queda sin reaccionar, disminuyendo de esta manera, la eficiencia de la reacción.
El mecanismo sugerido por la cinética (para que reaccione dicho núcleo de diametro 'd1'), es el siguiente:
1.- Como la reacción de calcinación es endotérmica, es necesario difundir la temperatura de calcinación al frente de reacción 'interface' (limite de contacto entre d1 y d0).
2.- Con el valor de Td (temperatura adecuada para la calcinación), la reacción MCO3 = MO + CO2 es rapida en sí misma.
3.- La reacción de calcinación genera dióxido de carbono como producto, es necesario difundirlo hacia el exterior de la partícula a través de la capa producto, porque al aumentar la concentración frenaría la reacción hasta alcanzar el equilibrio.
La cinética identifica que el paso mas lento que controla una reacción, es la difusión del calor, hacia la interface o núcleo sin reaccionar, y para activar la reacción y aumentar la eficiencia de la misma, es necesarioconocer los parametros que afectan la difusión térmica o transferencia de calor; dichos factores son: tamaño de partícula, conductividad térmica de la capa producto (naturaleza del material) y el gradiente de temperatura existente. (Rodríguez Baiz)
Principios de los procesos de Aglomeración
Son los procesos en los cuales el mineral o concentrado fino, se transforma en terrones o partículas de mayor tamaño, con el propósito de evitar los embanques y el arrastre de polvos metalicos.
El producto final de la aglomeración debe cumplir con:
* Resistencia a la compresión.
* Resistencia a la abrasión.
* Porosidad ó reactividad.
* Tamaño adecuado de partícula.
Sinterización.
Es un proceso de aglomeración para partículas con un diametro mayor o igual a 200 mallas, su objetivo es permitir la unión entre partículas en las zonas de contacto para formar cuellos en dichas aras de contacto, utilizando un calentamiento a temperaturas menores al punto de fusión del mineral. Al calentar las partículas se ablandan en la superficie ya que se producen pequeñas fases fundidas y al estar en contacto unas con otras se unen a través de un crecimiento de cristales o por medio de una difusión en estado sólido.
La capacidad de sinterización depende de la velocidad de succión del aire a través de la carga a sinterizar, y depende del vacío aplicado generalmente 0.1 a 0.2 atmósferas, de la permeabilidad de la carga, de tamaños de partículas mayores a 100 mallas, de la humedad 10% maximo, y del tipode coque empleado.
Mecanismos de sinterización.
En la sinterización se permite la difusión de la materia en estado sólido presentandose los siguientes pasos:
* 1- Difusión de atomos de la superficie hacia el cuello o area de contacto entre dos o mas partículas.
* 2- Difusión atómica del interior de las partículas hacia el cuello de contacto.
* 3- Vaporización y condensación de la materia en la región del cuello de contacto.
* 4- Recristalización de la materia cuando fueron sometidas a deformaciones ya que se libera de esfuerzos e incrementa la región de contacto.
Procesamiento general para sinterizar una carga oxidada.
* 1- Se tienen 4 tolvas de almacenaje con diferentes contenidos en cada una, como es mineral, coque, fundente y material de retorta; de las cuales a través de bandas dosificadoras de velocidad variable se extrae la cantidad necesaria de cada una, para formar un composito y enviarlo a los patios de homogenización.
* 2- Carga homogénea previamente sinterizada llamada sinter de retorno, se carga en el fondo del equipo para absorber calor y evitar la fusión de la parrilla y encima se carga una altura de 300 a 40 cm, del composito mineral a sinterizar.

* 3- Se enciende la mufla y alcanza los 1 700°K que es la temperatura de ignición para calentar los gases existentes en la parte superior de la carga a sinterizar.
* 4- Se hace succión en forma descendente de los gases calientes para encender la carga e iniciar la sinterización.
* 5- Si lacarga a sinterizar contiene un 9% de pirita o un 5% de azufre se puede ahorrar el consumo de combustible.

Peletización.
Es una operación de aglomeración para concentrados o minerales de tamaños de 200 mallas (0.1 mm) que no es posible sinterizar, con el propósito de aumentar el tamaño de partícula y obtenerlas en forma esférica o de pelotillas, particularmente se usa para menas de hierro.
Rolado o boleo del mineral formación del pelet.- Se basa en el principio de la bola de nieve en la pendiente de un cerro, como aglutinante se utiliza en esta etapa la humedad, aunque puede ser bentonita, CaCl2, NaCl, FeSO4, CuSO4, CaSO4, cuyas funciones son regular la basicidad, hacer las partículas esféricas, aumentar la tensión superficial, la resistencia a los choques térmicos y evitar la fragilidad del pelet.
Otros factores que aumentan la aglomeración son las fuerzas de atracción (magnéticas y electrostaticas) entre las partículas y las propiedades físicas (humectabilidad, capilaridad o porosidad del material, superficie de la partícula, forma, aspereza) y la estructura cristali
El equipo puede ser un tambor rotatorio o un disco con cierta inclinación como se muestra en la figura:

El tamaño de partícula a obtener varía de 10 a 30mm, aunque se pueden fabricar de 3mm. Estas son llamadas micro pelotitas, dicho tamaño depende de:
* 1- El angulo de inclinación del equipo: Mayor inclinación menor tamaño de partícula.
* 2- La velocidad de rotación del equipo: Mayor velocidad menor tamañode partícula.
* 3- Humedad varia de 5 a 10% dependiendo de los huecos entre las partículas, el exceso de humedad produce una mezcla pastosa que no permite la formación del pelet.
Cocimiento o endurecimiento. Esta operación se realiza con el propósito de eliminar la humedad y algunas sustancias volatiles a una temperatura de operación entre los 1200 y 1300°C, al evaporarse el agua los pelets, se volverían polvo nuevamente ya que la tensión superficial del agua mantenía unidas las partículas, pero por la adición del aglutinante permanece su forma aún después de la cocción.
Las características generales del pelet deben ser resistencia a la abrasión para soportar los medios de transporte que los conduce hacia la cocción, a la compresión para soportar el peso de la carga sobre ellos en la cocción y en los hornos para obtener el metal, la porosidad ya que aumenta la permeabilidad y la transferencia de calor hacia el núcleo, el tamaño y forma homogéneos para permitir un mayor flujo de gases entre las partículas y hacia el núcleo del pelet, y la composición química homogénea para aumentar la capacidad de reducción del mineral. (Rodríguez Baiz)
Chatarra y su preparación.
Una materia prima muy importante para la fabricación de metales ferrosos es la chatarra; esta representa cerca del 50% de carga en el alto horno, 30% en el proceso basico de oxigeno, y usualmente el 100% de la carga en la fabricación de acero en el horno de arco eléctrico.
La chatarra debe de ser limpia, no tenercontaminación por no metales que tienen que ser removidos en las operaciones tales como pedazos de concreto adheridos a la chatarra estructural, caucho y plastico presentes en la chatarra de automóviles.
El término 'limpia' también incluye elementos no deseados como sulfuros de la acerería, y zinc el cual se volatiliza y se oxida de nuevo con la deposición subsecuente en los conductos del gas que dañan gravemente sus materiales refractarios. El plomo se filtra a trabes del fondo del alto horno y dañandolo de esta manera. El estaño afecta de forma marcada incluso en pequeñas cantidades. El cobre actúa de forma similar, pero es menos dañino.
La anterior consideración hace dos clases diferentes muy importantes de chatarra no deseada en los molinos de acero. Chatarra del incinerador de la ciudad y cuerpos automotrices. La chatarra de la incineración de la ciudad es muy rica en estaño de las latas. Completas cargas de acero han tenido que ser desechadas cuando la cantidad de estaño se muestra por encima del 0.06%. A de mas esta chatarra usualmente trae muchos sulfuros, generalmente por aceites usados en la incineración y a menos que este bien preparado por la separación magnética, también tendra mucha ceniza inútil.
Las carrocerías de los cuerpos automotrices traen generalmente mucho cableado de cobre, zinc para la impermeabilización del moho. Plomo y estaño de la soldadura y sulfuros de los plasticos.
Unas típicas instalaciones consisten en:
Retiro manual y facil de piezas de chatarra,recuperables y rentables. (Cobre y plomo)
Un martillo pesado u otro molino empleado para desintegrar los cuerpos.
Destripador o desfibradora.
Tamiz vibrador: Este remueve muchos no metales, pues soportan el impacto de las operaciones precedentes.
Horno de ignición: Este remueve la mayoría de los no metales que resisten el impacto.
Separador magnético: Los valores no ferrosos se pueden recuperar de la fracción no metalica por la costosa clasificación manual en las correas. (Peters, 1982)
3.3 Producción de Arrabio
Arrabio
Se denominan propiamente arrabios o hierros de primera fusión los que se obtienen directamente del horno alto en forma de panes o lingotes que, refundidos, dan las fundiciones o hierros de segunda fusión, empleados en coladas, en los que, en general, se introducen correctivos convenientes. Ademas de carbono, las fundiciones corrientes contienen: silicio, fósforo, manganeso y azufre. La adición de fósforo en pequeños porcentajes mejoran las características mecanicas, mientras que porcentajes mayores del 0,8% le dan gran resistencia al desgaste (fundiciones fosforosas). El fósforo favorece la colabilidad de la fundición, mejorando su fluidez. El azufre confiere fragilidad y, por tanto, su contenido ha de ser muy limitado. Se llama fundición especial a la que contiene otros elementos ademas de los antes mencionados, particularmente niquel, cromo, molibdeno y vanadio. Se denomina fundición hematites a la de primera fusión que tiene menos del 0, 1 % de fósforo, un 4% de carbono ycarece casi de azufre; por su pureza se emplea para obtener fundiciones especiales.
Para la producción de hierro y acero son necesarios cuatro elementos fundamentales:
* Mineral de hierro.
* Coque.
* Piedra caliza.
* Aire.
Los tres primeros se extraen de minas y son transportados y prepararlos antes de que se introduzcan al sistema en el que se producira el arrabio.
Alto horno
Funcionamiento Elemental.
El alto horno consiste en una especie de deposito troncocónico, en el cual se cargan desde arriba capas alternadas de mineral de hierro carbón y fundente. Un fuerte calentamiento del carbón de las capas inferiores (obteniendo mediante corrientes de aire caliente) provoca una absorción del oxigeno del mineral de hierro por parte del carbono. La alta temperatura así obtenida da lugar a la fusión del hierro, que es recogido, mezclado con grandes cantidades de carbono (arrabio), por un orificio situado en la parte baja del horno. El aire se insufla por medio de una decena de toberas de bronce situadas radialmente en la parte baja del horno y alimentadas por una batería de sopletes accionados por motores de explosión. La escoria, mas ligera que el arrabio, se recoge encima de este y sale por orificios practicados en las paredes del crisol. Cada 3 horas, aproximadamente, se extrae el arrabio por unos orificios situados debajo de los anteriores. El aire insuflado en el horno se precalienta haciéndolo pasar por recuperadores Cowper, los cuales estan constituidos porcilindros verticales de plancha de 7 mm de diametro y mas de 30 metros de altura llenos de material refractario. Existen 4 Cowper al servicio de cada horno alto; dos de ellos estan atravesados por gases muy calientes, obtenidos de la combustión y que proviene de la boca del propio horno, hasta que el instante que el material refractario alcanza una temperatura muy elevada; Un tercero, que ya se halla caliente, cede el calor almacenado al aire que los sopletes envían al alto horno; el cuarto es de reserva. La fase de calentamiento dura de una a dos horas.
En el horno alto tienen lugar fenómenos fisicoquímicos complicados, que no han sido aún aclarados en todos sus detalles. El coque no posee tan sólo la misión de quemar los materiales cargados y ponerlos a elevada temperatura, sino que el óxido de carbono CO, producido por su combustión, reacciona con el óxido de hierro trasformandose en anhídrido carbónico, CO, y liberando el hierro.
La temperatura, que en la boca del horno tan sólo es de 200°C, aumenta cuando se desciende y alcanza los 1 200°C en el vientre y los 1800°C en el crisol. La reacción entre el CO y el mineral tiene lugar a 400°C. A 900°C se inicia la fusión del mineral y el carbono comienza a disolverse en el hierro, hasta que su proporción alcanza el 3,5 o 4% en la parte inferior del horno. En esta parte se completa la reducción del óxido de hierro en contacto con el coque incandescente, y la ganga reacciona con el fundente para formar la escoria, la cual, al trotar sobre elarrabio, lo protege de la acción oxidante del aire insuflado a poca distancia por encima del baño.
Un horno alto funciona ininterrumpidamente, día y noche, hasta que, al cabo de un tiempo, que oscila entre 7 y 15 años, debe retirarse del servicio para reconstruir las instalaciones corroídas.
El arrabio que sale por la boca de colada del horno alto (arrabio de primera fusión) se recoge en un gran recipiente (caldero de colada), que es de acero y se halla revestido interiormente de refractario, el cual lo aísla térmicamente y permite su transporte hasta la acerería, en la que sera trasformado en acero. Si su empleo no ha de ser inmediato, el arrabio se cuela en moldes rectangulares formados en un lecho de arena con una longitud aproximada de 1 m. Los lingotes solidificados en dichos moldes se separan a golpes de maza, se elevan mediante una grúa y se cargan en vagones para ser expedidos a los consumidores.
El calor necesario para la fusión puede ser suministrado así mismo par energía eléctrica; es el caso de los hornos eléctricos. Estos presentan la ventaja de que no introducen impurezas en el baño y permiten un desarrollo aún mas controlado de las diferentes operaciones. Pueden tener una potencia de mas de 3000 Kw.  
Un horno alto funciona ininterrumpidamente, día y noche, hasta que, al cabo de un tiempo, que oscila entre 7 y 15 años, debe retirarse del servicio para reconstruir las instalaciones corroídas. El arrabio que sale por la boca de colada del alto horno se recoge en un granrecipiente, que es de acero y se halla revestido interiormente de refractario, el cual lo aísla térmicamente y permite su transporte hasta la acereria, en la que es transformado en el acero. Si su empleo no ha de ser inmediato, el arrabio se cuela en molde rectangulares formados en un lecho de arena con una longitud aproximadamente de un metro. Los lingotes solidificados en dichos moldes se separan a golpes, se elevan mediante una grúa y se cargan en vagones para ser expedidos a los consumidores.
El calor necesario para la fusión puede ser suministrado así mismo por energía eléctrica; es el caso de los hornos eléctricos.
El mineral de hierro se convierte en arrabio en un alto horno. Los tres minerales, el mineral de hierro, el coque y la caliza se vacían en el horno a intervalos, haciendo así continuo el proceso. Para producir una tonelada de hierro se requieren aproximadamente dos toneladas de mineral, una tonelada de coque y media de piedra caliza.
Uno de los tres minerales principales en la producción del arrabio es el coque, resultado de que se alientan ciertos carbones suaves en ausencia de aire. Cuando el carbón de piedra se calienta en hornos de coque y se extraen los resultantes, el residuo es el coque. El coque material duro, fragil y poroso que contiene del 85 % a de carbono, junto con algo de cenizas, azufre y fósforo. Del gas que se produce en los hornos de coque obtienen muchos productos útiles: gas combustible, amoniaco, azufre, aceites y alquitranes. De los alquitranesdel carbón de piedra provienen muchos productos importantes como colorantes, plasticos, hules sintéticos perfumes, sulfas y aspirinas.
Proceso
El horno se carga con capas alternadas de capas alternadas de coque, piedra caliza y mineral; desde el fondo se inyecta por toberas aire precalentado a 900 °C a través de la carga efectuandose la combustión completa del coque que adquiere temperaturas maximas entre 1700 a 1800 °C.
El hierro fundido, arrabio o fundición de primera fusión se acumula en el cristal y sobre su superficie flota la escoria durante el sangrado del horno el hierro (Fe) se deja correr por el canal para colectarse en ollas grandes, con las cuales se llenan lingoteras o bien se conducen a mezcladoras calientes donde se almacenan y se mezclan con otras fundiciones para curarse posteriormente en algún proceso de obtención del acero (refinación de arrabio.)Los lingotes se someten a una operación de enfriamiento ara convertirse mediante procesos metalúrgicos posteriores, en hierro colado de segunda fusión, hierro dulce, hierro maleable o bien acero.
El arrabio no se puede utilizar directamente en la industria por ser mas quebradizo debido a sus impurezas y poco resistente contiene excesivo carbón 2.2 a 4.5 % mas cantidades de silicio, magnesio, fósforo los cuales son variantes.
Altos hornos de México (AHMSA) tiene dos hornos uno de 400 y otro de 1000 toneladas. Con una carga de 1612 Kg de mineral, 980Kg. de coque, 300 Kg de caliza, 100 Kg de mineral de manganeso e inyectando3500m3 de aire, se obtiene aproximadamente 1000Kg. de hierro fundido, 600 Kg de escoria, 6310 Kg de gas de alto horno y 80 Kg de polvo.
Por tanto, las piezas se producen llenando con la fundición líquida, el vacío de unos moldes de arena donde se dejan enfriar. Un modelo de madera con igual forma que la pieza sirve para preparar el molde de arena partido en dos. Ambas partes estan sostenidas por sendos marcos o cajas de moldeo. La partición se hace con el fin de poder extraer el modelo una vez confeccionado el molde. Se deben dejar los correspondientes agujeros para colar el hierro líquido, así como otros para la eventual descarga de residuos de escoria y para la salida de burbujas. Como consecuencia, la pieza solidificada tiene una forma vasta con apéndices sobrantes, llamados macelotas, que saltan con un simple golpe. En las modernas instalaciones las operaciones de colado, moldeo y desmoldeo estan automatizadas. El procedimiento del moldeo también se aplica al acero, sin embargo, éste exige temperaturas muy elevadas que sólo puede proporcionar el horno eléctrico.  

Fundiciones de alto horno o fundiciones de primera fusión
 
Las características del hiero fundido de primera fusión dependen en gran forma de la operación del horno y los lingotes obtenidos se clasifican en gris, blanco y atruchado, denominación que va de acuerdo a la superficie de fractura, por el aspecto de las fracturas que presentan al romperse los lingotes de hierro obtenidos en el horno alto colados en arena ypor el aspecto que tienen después de rotas las piezas fundidas, se clasifican las fundiciones en las tres primeras clases citadas anteriormente: Fundición gris blanca y atruchada. La fundición gris contiene, en general, mucho silicio, 1,5 % a 3,5 la blanca, poco silicio, generalmente menos de 1 % y la atruchada tiene, generalmente, un contenido de silicio intermedio, variable de 0,6 a 1,5 %. El color oscuro que tienen las fracturas de las fundiciones grises y atruchadas, se debe a la presencia en las mismas de gran cantidad de laminas de grafito
El contenido en silicio de las aleaciones hierro-carbono y la velocidad de enfriamiento, tienen gran influencia en la formación de una u otra clase de fundición. Las velocidades de enfriamiento muy lentas favorecen la formación de fundición gris; el enfriamiento rapido tiende, en cambio, a producir fundición blanca. Finalmente, el azufre y el manganeso ejercen también una cierta influencia contraria a la del silicio, favorecen la formación de fundición blanca. Sin embargo, el manganeso y el azufre, cuando se encuentran formando inclusiones no metalicas de sulfuro de manganeso, no ejercen influencia favorable ni desfavorable en la formación de grafito ni en la aparición de fundiciones grises o blancas. Ademas de estos tres tipos de fundición, se fabrican también desde hace muchos años las fundiciones maleables, que en lugar de obtenerse por simple fusión, como las que acabamos de citar, se fabrican por recocido de la fundición blanca en condicionesespeciales.  
 
Fundición gris
 
Constituyen la clase mas común y reciben este nombre por el color de material recién fracturado. Contienen aproximadamente un 4 % de carbono y un 3 % de silicio; la estructura es perlítica, con laminas de carbono granítico distribuidas por la matriz.
Esta discontinuidad estructural explica las propiedades características de esa clase de fundiciones: valores de resistencia a la tracción y alargamiento muy bajos (R = 10 - 35 kg/mm2), escasa sensibilidad al corte y comportamiento inelastico a las tensiones. Sin embargo, hay que recordar nuevamente que las propiedades y la estructura dependen en gran manera de la velocidad de enfriamiento de la pieza y, por consiguiente, de sus dimensiones.
La fundición gris se fabrica en el alto horno, para esto se utiliza de 900 a 1500Kg. de coque se lleva a cabo la llamada marcha caliente, obteniéndose fundición gris que contiene cantidades altas de carbono en forma de grafito (2.2 a 4.5 %), debido al alto contenido de silicio mas de 1% y pequeñas cantidades de magnesio fósforo y azufre. La escoria contiene una cantidad baja de oxido de hierro debido a su considerable reducción, el enfriamiento es lento
Las fundiciones grises se utilizan para fabricar elementos robustos, debido a su óptima facilidad de colada, pero poco sometidos a fatigas y esfuerzos, tales como soportes, contrapesos, basamentos de maquinas, etcétera. Las aleaciones de esta clase no pueden ser tratadas térmicamente.
Un tipo de fundición grismodificada es la fundición meehartítica: mediante técnicas de colada adecuadas se obtiene una distribución uniforme de grafito en forma de partículas muy finas dispersas por el núcleo o matriz. Este factor produce alguna mejora de las propiedades mecanicas del material colado (R alcanza valores de hasta 45 kg/mm2) Con lo que aumenta notablemente la plasticidad.  
 
Principales características y composiciones de las fundiciones grises
 
Las fundiciones grises son mas blandas, de fractura grisacea y una parte del carbono se encuentra en forma de grafito. Esos ejemplos señalan claramente cómo en las fundiciones la formación del grafito se favorece con la presencia de un elevado porcentaje de silicio y de carbono y con bajas velocidad es de enfriamiento, circunstancia esta última que se consigue en las piezas de gran espesor y con preferencia en el interior de las piezas. Para obtener fundiciones grises, se deben vigilar los porcentajes de azufre y manganeso, que conviene que sean bastante bajos.

Las fundiciones grises son, en general, las mas utilizadas en la construcción mecanica y puede decirse que el 95 % de las fundiciones que se fabrican en la actualidad son fundiciones grises. Cuando no se exigen unas características mecanicas muy elevadas, las condiciones mas interesantes que, en general, conviene que cumplan las fundiciones son primero que cuelen bien, segunda que se mecanicen con facilidad y tercero que no tengan poros. Para que cuelen bien deben de ser de baja temperatura defusión y para ello conviene que tengan contenidos en carbono bastante elevados.
Las fundiciones para ser facilmente mecanizables deben contener en general altos, porcentajes de silicio. Si el contenido en silicio es bajo, puede aparecer fundición blanca, muy difícil de mecanizar. En la figura A se señalan los contenidos en silicio que se deben rebasar para poder obtener fundición gris con diferentes espesores cuando se cuela la fundición en moldes de arena secados en estufa. Se observa que varían desde 1 % para piezas de 100 mm de espesor hasta 2 % para piezas de 25 mm de espesor y 2,5 %, para piezas de 15 mm de espesor.
El hierro gris o fundición gris se utiliza en la fabricación de bancadas. Puede tornearse, limarse y su temperatura de fusión es mas alta que la del hierro blanco, es mas fluido cuando esta fundido, es menos fragil y su resistencia aumenta con la finura del grano.  
 

Fundiciones blancas
 
La fundición blanca cuando se fabrica en alto horno se utilizan 830 a 990 Kg de coque, para que obtenga la fundición blanca se debe trabajar el horno en marcha fria, obtiene fundición blanca, con menos grafito o sin él. El carbono permanece combinado con el carburo de hierro (45%) por enfriamiento rapido de lingote, su contenido es del 3% de carbono y posee menos del 1% de silicio ya que la temperatura de marcha es relativamente baja; la reducción en este caso es incompleta por lo que determinada cantidad de FeO pasa ala escoria.
Las fundiciones blancas son duras, fragiles, defractura blanca y cristalina Y en ellas el carbono se presenta combinado en forma de cementita. En las fundiciones blancas, el carbono, en porcentaje nunca superior al 3 %, esta combinado por completo en forma de cementita y la estructura es mixta: perlítica-cementítica. Este efecto es favorecido por la presencia de ligantes como el cromo y el manganeso, por la reducción del contenido de silicio y por el aumento de la velocidad de enfriamiento. Presentan una dureza notable y resistencia al desgaste, por lo que son utilizadas fundamentalmente para fabricar mazos de trituradores, cilindros de laminadores, etcétera.
Sin embargo, su función mas importante consiste en constituir el punto de partida para la obtención de fundición maleable: mediante un adecuado tratamiento térmico se provoca la coalescencia (capacidad de fundirse) de las laminas de grafito en nódulos separados o también, ademas de la coalescencia del grafito, la descomposición de la perlita hasta obtener un núcleo ferrítico, con nódulos de grafito dispersos en él.
Las fundiciones maleables se consideran productos intermedios entre las fundiciones grises y los aceros; pueden ser tratadas térmicamente y son adecuadas tanto para piezas robustas como para las sometidas a tensiones del tipo medio. Se utilizan en gran escala en la industria automovilística y de producción de maquinas agrícolas, para obtener ejes, soportes, puentes posteriores, basamentos, horquillas, etc.… igualmente, son muy empleadas para empalmes roscados detubos. Sin embargo, existe una limitación de caracter dimensional, ya que no es posible obtener la estructura deseada cuando se trata de piezas muy gruesas.
La fundición blanca es la materia para fabricar aceros, es extremadamente dura, fragil con bajo punto de fusión debido al carbono de hierro; la dureza y fusibilidad aumentan; la maleabilidad y soldabilidad disminuyen en proporción con el contenido de carbono.
Antes de fundirse pasa por un estado pastoso y después funde rapidamente esto lo hace apropiado par la fabricación de hierro dulce y hiero maleable su densidad es de 7.5 Se caracteriza porque presenta una fractura blanca metalica. Es una aleación de Fe-C (>1,7%C) que se enfría según el diagrama metaestable de equilibrio, es decir, mediante un enfriamiento rapido, formando un compuesto eutéctico que es la ledeburita. Son muy duras y poco mecanizables. Se utilizan para fabricar piezas que resistan la abrasión y fuertes desgastes (trituradores).
Se las puede someter a tratamientos térmicos para mejorar su capacidad de deformación plastica que se aplican a piezas con forma definitiva:
Maleabilización grafitizante: Se calienta y mantiene la fundición a una temperatura y se enfría lentamente provocando el retorno al equilibrio estable por descomposición de la cementita. Para que se produzca la vuelta al equilibrio estable, la fundición debe tener un contenido bajo en C y alto en Si (1-1,5%). El grafito procedente de la descomposición de la cementita, se obtiene en forma nodular, loque proporciona ductilidad. A la fundición obtenida se la denomina maleable de corazón negro.
Maleabilización decarburante: Se decarbura la cementita de una fundición blanca mediante una reacción del carbono con el oxígeno del aire a 950 º, lo que da lugar a una expulsión de dióxido de carbono. Se obtiene una estructura perlítica que es mas blanda que la cementita. Es necesario la ausencia de Si, ya que de lo contrario se produciría un retorno al equilibrio estable.  
 
Fundición atruchada  
 
La fundición atruchada es una variedad intermedia que tiene el especto de hierro blanco con manchas color gris oscuro. El carbono se encuentra en forma libre y combinada. Este hierro se produce en condiciones controladas.
Generalmete no tiene mucho uso comercial, se utiliza donde no se requiere que soporte mayores esfuerzos o realice trabajos forzados, un ejemplo son las bancas que estan en los parques, son de hiero atruchado.  
 
Aplicaciones de las fundiciones
 
En cuanto a las aplicaciones mas importantes de las fundiciones, dependen del tipo de fundición :
Fundición blanca: se trata de fundiciones cuyo enfriamiento se ha realizado de una manera rapida y, por lo tanto, el exterior de la pieza es fundición blanca hasta 4 cm de espesor, y el interior es una fundición gris, así se obtienen piezas duras en la periferia y un alma suficientemente resistente. Las aplicaciones principales suelen ser para piezas que resisten fuertes desgastes: cilindros laminadores, mandíbulas demachacadoras, ruedas de vagones, zapatas de freno de ferrocarril, etc. Los procedimientos de maleabilización se aplican a objetos que tienen su forma definitiva, así permiten obtener piezas de formas complicadas que serían difíciles de realizar en acero, sea por colada, sea por forja. El producto obtenido en las maleabilizaciones es blando y tenaz. Algunas aplicaciones son las siguientes: para soportes del motor de un coche, maquinaria agrícola, conexiones de tuberías, etc.
Fundición gris: la industria no utiliza apenas estas fundiciones ya que sus propiedades mecanicas son mediocres. Tienen una gran capacidad de amortiguamiento de las vibraciones, y de ahí su utilización para las bancadas de las maquinas. La fundición gris, tratada térmicamente, se utiliza para maquinas herramientas, motores de combustión interna y otras piezas sometidas a vibración y desgaste. En cuanto a la fundición gris de grafito esferoidal, poseen una resistencia mecanica y una ductilidad mayor que las de las fundiciones grises usuales. La facilidad de mecanización es excelente. Las principales aplicaciones son: tubos para la conducción de agua, de gas y de petróleo.
Fundiciones aleadas: los tipos principales que utiliza la industria son:
1. Fundiciones de alta resistencia mecanica: son fundiciones grises de débil contenido en Ni (de 1-2%) y en Cr (0,2-0,8%) en las cuales la mejora es originada por la finura de perlita y de grafito, y fundiciones blancas de contenidos mas altos (3 a 5 Ni, 0,5 a 2 Cr). Se emplean paracilindros de motores de explosión, elementos de machacadoras, cilindros de laminadores, etc. a causa de su excelente resistencia al desgaste.
2. Fundiciones resistentes a la corrosión: Se utilizan fundiciones de 15Ni, 3Cr, 6Cu o de alto contenido en cromo (30-35%). Las aleaciones de 15-18% sí resisten los acidos y en particular al acido sulfúrico.
3. Fundiciones amagnéticas: en la industria eléctrica se emplean ciertas fundiciones con un 10% Ni y 4%
3.4 Proceso de Aceración
Actualmente en el mundo solo 2 procesos de aceración son lo que producen la totalidad del acero que es alrededor de 1.2 billones de toneladas. Estos procesos son el BOF(LD) u oxiconvertidor al oxígeno y el HEA o Horno Eléctrico de Arco.
En el caso del primer proceso, cuya característica es la insuflación de oxígeno a una velocidad supersónica y cuya materia prima lo constituye cerca de un 70% de arrabio o hierro primario líquido y el resto de chatarra, se utilizan las variantes de su union con el proceso Q-BOP( inyección de oxigeno y gas natural por el fondo)que dieron como resultado la tecnología actual llamada
“Soplo Combinado” es decir, fabricar aceros inyectando oxígeno tanto por la parte superior como por la parte inferior del Convertidor y en el que desde el punto de vista metalúrgico trabaja con una escoria del tipo Oxidante y Basica.
Para el caso del HEA, en el que la principal fuente de energía es la electricidad en conjunto con la inyección de oxígeno y de quemadores de oxiconbustible, ha tenidotantos desarrollos que le permiten en el mundo participar en el mundo con una producción de aproximadamente el 40% de la producción mundial y en México con cerca del 60%.
El HEA tiene mayor flexibilidad que el BOF, puesto que puede operar con 1 o 2 Escorias, oxidantes o reductoras, basicas o acidas, según las necesidades de producción.
Es muy importante mencionar que con el advenimiento de la tecnología de Refinación Secundaria, tanto el BOF como el HEA solo se utilizan practicamente para decarburizar y las demas reacciones se realizan fuera de estos hornos, ya sea en la Olla o en unidades especiales.
Por otra parte, todos los procesos diferentes a estos 2 mencionados anteriormente( mas un % pequeño que aportan el LDAC y el Q-BOP)los demas son obsoletos y solo se deben tomar como antecedentes o referentes dentro de la historia de la Siderurgia.
1.- BESSEMER
2.- THOMAS
3.- SIEMENS
4.- LD
5.- H.E.A.
6.- LDP
7.- LDAC
8.- OLP
9.- KALDO
10.-ROTOR
11.-Q-BOP

1.- Convertidor Bessemer
En el convertidor Bessemer, la fundición (material fragil e impuro con 3 a 4% de carbono) se transforma en acero de 0.10% de carbono aproximadamente, que es muy tenaz, dúctil y maleable.
El método ideado por Bessemer consistió en hacer pasar un chorro de AIRE a través de la fundición que en estado líquido contenía un gran crisol en forma de pera. Al oxidarse el Silicio, el Manganeso, el Hierro y el Carbono que contiene la fundición se producía una gran cantidad de calor y se elevabala temperatura del baño metalico de 1250 a 1650ºC. Los óxidos de estos elementos se combinan entre sí dando lugar a silicatos complejos de poca densidad que formaban la ESCORIA. El óxido de carbono se quema al contacto con el aire.
Problemas del proceso.
Fósforo: La fundición usada contenía un elevado % de fósforo y se trasmitía completamente al acero, el cual poseía una alta fragilidad.
Azufre: En aceros con bajos contenidos de manganeso (0.1 a 0.4%) el azufre ejercía una acción muy perjudicial, aparece en forma de sulfuro de hierro que rodea los granos de hierro, que por su baja temperatura de fusión, durante la forja o laminación se agrieta el material.
Oxígeno: El oxígeno causaba porosidades y problemas de fabricación en aceros bajos en manganeso. El hierro y los aceros fundidos siempre disuelven a elevadas temperaturas cantidades importantes de oxígeno.
Material refractario utilizado en el convertidor Bessemer
Si O 2 = 93%
Al 2 O 3? = 4%
Fe 2 O 3? = 2%
Espesor de las paredes : 600 mm. (400 coladas)
Espesor del fondo : 600 mm. (20 coladas)
Presión del soplo : 1.5 a 1.75 Kg/cm2 .
Etapas del proceso
1.- Carga del horno
2.- Inicio del soplo y giro
3.- Oxidación del silicio, manganeso y carbono
4.- desoxidación y carburación del baño metalico
5.- Colada.
Composición de la fundición
C = 4%, Si = 2%, Mn = 1%, P < 0.070, S = < 0.050

1.- Carga del horno
La operación comienza cuando se carga el arrabio o la fundición líquida en el convertidor, que alcomenzar la operación se encuentra en posición horizontal. La fundición, que tiene una temperatura de unos 1250ºC, se acumula en la panza y queda debajo del nivel de las toberas.
2.- Comienzo del soplo y giro del convertidor.
Estando todavía el convertidor en posición horizontal, se comienza a inyectar aire a presión y luego se gira el convertidor hasta la posición vertical. Así se evita que la fundición líquida se cuele por loa agujeros de las toberas de entrada de aire, que estan situadas en el fondo del convertidor.
3.- Oxidación del silicio, Manganeso y Carbono.
Una vez en posición vertical el convertidor, se puede considerar que comienza la fase de AFINO de la fundición que dura aproximadamente 15 minutos. En los primeros momentos de esta fase, se produce la oxidación del hierro, por ser el elemento que se encuentra en mayor cantidad, y se inicia la oxidación del silicio que provoca una rapida elevación de la temperatura, pasando el acero en esta fase, que dura unos 5 minutos, de 1250 a 1650ºC aproximadamente. Casi al mismo tiempo que el silicio, pero con un ligero retraso, se realiza también la oxidación y eliminación de parte del manganeso.
Es interesante destacar que en este proceso no se emplea ningún combustible auxiliar para aportar calor a la operación, lo que aporta el calor necesario es el proceso de oxidación de los elementos por acción del oxígeno que esta presente en el aire que se sopla por el fondo.
La oxidación de los diferentes elementos se realiza deacuerdo con las siguientes reacciones:
Fe + 1/2O2 = FeO +63.2 kcal (exotérmica) H = - 63.2 kcal
Si + 2FeO = 2 Fe + Si O2 +78.0 kcal (exotérmica) H = - 78.0 kcal
Mn + FeO = Fe + MnO +32.0 kcal (exotérmica) H = - 32.0 kcal
C + FeO = Fe + CO −37.9 kcal (edotérmica) H = + 37.9 kcal
La sílice (Si O2 ) y el óxido de manganeso (MnO) que se forman al oxidarse el silicio y el manganeso, se combinan con el óxido de hierro (FeO) produciéndose una pequeña cantidad de escoria fluida de caracter acido, de acuerdo con la siguiente reacción:
2 Si O2 + MnO + FeO = (MnO FeO) 2 Si O2
Al final de la operación , el peso de la escoria es aproximadamente de 5 al 10% del peso total de la carga y su composición aproximada es :
Si O2 = 60%, MnO = 20%, FeO = 15%, Al 2 O 3 , CaO y MgO el resto.
El baño de acero al final del proceso de soplado tiene una temperatura de 1650ºC y la siguiente composición:
C = 0.08%, Mn = 0.02% Si = 0.05%
4.- Desoxidación y carburación del baño metalico.
DESOXIDACIÓN.- Después del soplo, el acero contiene una alta cantidad de oxígeno (0.07%) y presenta problemas de desprendimiento de gases, sopladuras y agrietamiento durante el proceso de solidificación. Esos defectos se evitan adicionando al acero fundido, al final del proceso Ferro Manganeso? y Ferro Silicio? que sirven para realizar la desoxidación del baño.
NOMBRE % C Si % P
Ferro Manganeso normal 7.00 80.00 0.50 0.25
Ferro Manganeso 1.5% de C 1.50 80.00 0.75 0.20
Ferro Manganeso 1.0% de C 1.00 80.00 0.75 0.20Ferro Manganeso 0.5% de C 0.50 80.00 0.75 0.20
Ferro Manganeso 0.1% de C 0.10 80.00 0.75 0.20
Silico Manganeso normal 1.25% de C 1.25 70.00 20.00 0.05
Silico Manganeso bajo 0.1% de C 0.10 70.00 20.00 0.05
Spiegel 6.50 20.00 2.00 0.05
Sililico-Spiegel 3.00 25.00 5.00 0.05
Ferro Silicio 50, normal 0.50 0.10 50.00 0.05
Ferro Silicio 75 0.50 0.10 75.00 0.05
Ferro Silicio 90 0.50 0.10 90.00 0.05
La acción desoxidante del manganeso y silicio se realiza en la siguiente forma:
Mn + 1/2 O2 = MnO
Si + O2 = Si O2
C + 1/2 O2 = CO
2Al + 3/2 O2 = Al 2 O 3
5.- Carburación
Para dejar el acero con la composición de carbono adecuada, debe añadirse al baño metalico la cantidad de carbono necesaria para alcanzar en cada caso la composición exacta. Ese aumento se consigue con las adiciones de desoxidantes debidamente calculadas.

Cuando se fabrican aceros de bajo carbono, se añade Ferro Manganeso con
C = 7% y Mn = 80%, cuando se fabrican aceros de alto carbono, se añade Spiegel con C = 6.5%, Mn = 20% y Si = 2%. Estas FERROALEACIONES se añaden fundidas para evitar un descenso exagerado de la temperatura del baño metalico.
Colada.
Después de haber sido desoxidado y carburado el baño metalico, se procede a la colada del acero. Para esto, se coloca la cuchara de colada debajo del convertidor, se gira éste y el acero cae a la cuchara. En algunas ocasiones, en este momento se realizan también adiciones de ciertas ferroaleaciones al chorro del acero.
Convertidor Thomas.Sydney G. Thomas sabía que en el convertidor Bessemer el fósforo de la fundición era oxidado por el aire y formaba P2 O5 . Pensó que este óxido no se podía eliminar mas que combinandolo con una escoria calcarea, que no era posible utilizar con el revestimiento silicoso empleado en los convertidores Bessemer, porque al combinarse la cal con ese refractario ACIDO lo destruiría rapidamente. Por ello, consideró que para eliminar el fósforo de los aceros era necesario revestir los convertidores con algún tipo nuevo de refractario que fuera de caracter BASICO y que no reaccionara con la cal.
El fondo tiene un espesor de 800 mm y debe ser reemplazado cada 50 coladas. La presión del aire que se emplea es de 1.5 a 2.5 Kg/cm2 .
La composición del material refractario utilizado es:
Dolomía calcinada; CaO = 55% y MgO = 40%
Ladrillos sílico-aluminosos; Al 2 O 3 = 38% y Si O2 = 60%
Composición de la fundición: C = 4%, P =2%, Mn =1%, Si =0.5% y S = 0.10%
En el proceso Thomas es posible eliminar una parte del azufre que contiene la fundición.
El contenido de fósforo debe de ser alto, del orden del 2% por ser el principal elemento termógeno. La presencia del fósforo en estas fundiciones es necesaria porque gracias a este elemento se consigue obtener temperaturas altas. El proceso en el convertidor Thomas comienza cargandose una fundición de 1250ºC y termina colandose a la cuchara un hierro dulce o acero a 1650ºC.
Las principales reacciones de oxidación que se producen en el proceso Thomas sonlas mismas que en el Bessemer con la diferencia del fósforo.
Fe + 1/2O2 = FeO +63.2 kcal (exotérmica) H = - 63.2 kcal
P + 5/2FeO = 1/2 P2 O5 + 5/2Fe+20.0kcal (exotérmica) H = - 20.0 kcal
Si + 2FeO = 2 Fe + Si O2 +78.0 kcal (exotérmica) H = - 78.0 kcal
Mn + FeO = Fe + MnO +32.0 kcal (exotérmica) H = - 32.0 kcal
C + FeO = Fe + CO −37.9 kcal (edotérmica) H = + 37.9 kcal
En el proceso Thomas se carga una cierta cantidad de cal (15% del peso de la fundición), para formar la escoria basica que sirve para eliminar el fósforo que contiene la fundición
Composición de la escoria:
CaO = 60%, P2 O5 = 20%, FeO = 15%, MnO = 4%, MgO = 5%
Desfosforación y sobresoplado.
Esta fase que no empieza a producirse con intensidad hasta que el carbono caso ha desaparecido y es muy característica del proceso Thomas, recibe el nombre de sobresoplado.
2P + FeO = P2 O5 + 5Fe
P2 O5 + 3CaO = P2 O5 3CaO
P2 O5 + 4CaO = P2 O5 4CaO
Desulfuración.
La desulfuración es posible en el proceso Thomas y se produce durante el sobresoplado a partir del momento en que la escoria esta suficientemente fluida y la cal participa activamente en la reacción. El azufre se elimina mejor cuanto mas basica sea la escoria y menos óxido de hierro contenga. Es posible bajar de 0.12 a 0.06%.
Para conseguir todavía mas bajos contenidos de azufre, ha sido practica frecuente en los procesos Thomas acentuar la desulfuración del arrabio a su salida del Alto Horno; para ello se utiliza la practica dedesulfurar el arrabio en el canal o en la cuchara con sosa o carbonato sódico con lo que se consigue eliminar del 30 al 50% del azufre de la fundición.
Horno siemens.
William Siemens concibió la idea de fabricar acero con fundición y mineral de hierro. Pensó que los elementos que contenía la fundición podían ser oxidados por el oxígeno del mineral y el oxígeno de los gases del horno. Siemens patentó el procedimiento de fabricación de acero denominado “Pig and Ore Process” (Proceso de Fundición y Mineral).
En este procedimiento, cargaban en el horno mezclas de lingote de hierro y carriles, y el metal fundido que obtenían con alto contenido de carbono, era descarburado por acción del mineral que oxidaba el baño metalico y lo transformaba en acero.
Pierre Martín tenía la idea de fabricar acero a partir de Chatarra y fundición y patentó el proceso llamado “Pig and Scrap Process” (Proceso de Fundición y Chatarra).
Estos hornos fueron construidos con refractarios acidos con composiciones y posteriormente con refractarios basicos para eliminar el fóforo y el azufre a cantidades de P = 0.020% y S = 0.040%.
HORNOS ACIDOS : Si O 2 = 95%
HORNOS BASICOS : CaO = 55% y MgO = 40%
DESULFURACIÓN
FeS + CaO = CaS + FeO
FeS + MnO = MnS + FeO
Convertidor ld (linz-durrer)
Soplando oxígeno puro sobre la superficie del baño metalico (fundición) que contiene el convertidor se podía obtener acero de alta calidad. En los procesos que se emplearon anteriormente al LD para fabricar acero, laoxidación del baño metalico se realizaba por el oxígeno del aire o por el oxígeno que contenían los minerales de hierro o la chatarra.
Aunque Bessemer patentó el empleo de oxígeno puro para la fabricación de acero, como no pudo utilizarlo por no disponer del oxígeno necesario, se atribuye al Profesor Robert Durrer el mérito de haber desarrollado este nuevo proceso.
Principales características
El proceso LD se caracteriza porque emplea convertidores de revestimiento basico cerrados por abajo, con una lanza vertical que se introduce por la boca del convertidor y por la que se inyecta oxígeno puro a velocidad supersónica sobre la superficie de la fundición que se debe de afinar.
Ventajas
1.- La calidad del acero es superior a los métodos Bessemer o Thomas. Es de la misma calidad que los aceros que se fabrican en Siemens y se aproxima a los aceros fabricados en Hornos Eléctricos de Arco. Fósforo = 0.015 a 0.040%, Nitrógeno = 0.0020 a 0.0050%.
2.- El costo de la acería es muy inferior al Siemens y al Eléctrico de Arco, con misma capacidad de producción.
3.- El proceso es de corta duración. Cada colada dura aproximadamente 40 minutos en total. El Siemens dura de 5 a 6 horas y los Hornos Eléctricos de Arco duran de 2 a 4 horas.
4.- Tienen la ventaja de basarse fundamentalmente en el empleo del arrabio líquido obtenidos en los altos hornos. Ademas tiene la ventaja de cargar del 10 al 35% de chatarra. La adición de cargas de chatarra u óxido de hierro en cantidades importantes sirven paraenfriar el baño metalico.
5.- Los aceros fabricados con este método contienen generalmente menos oxígeno.
Todo el convertidor esta cubierto por un revestimiento refractario basico (Dolomita calcinada y Magnesita) de espesor variable de 250 a 800 mm de espesor.
Resumen del proceso
Una operación LD es en cierto modo parecida a las que corresponden a los convertidores Bessemer y Thomas. Durante el proceso se gira el convertidor para que presente la boca en la dirección mas apropiada para las diferentes fases del proceso.
Con el crisol en posición inclinada, se hace la carga de la chatarra y luego la de la fundición líquida. A continuación se endereza y se baja la lanza comenzando con el soplo del oxígeno. Para formar la escoria se añade cal (5% del peso de la fundición) y en ocasiones también caliza.
En los primeros minutos del soplado comienza la eliminación del silicio y casi al mismo tiempo la del manganeso.
El carbono y el fósforo se eliminan un poco después, pero casi simultaneamente.
A los 20 minutos de comenzado el proceso, cuando se considera que se ha gastado el volumen de oxígeno calculado para la operación, se interrumpe el soplado y se sacan muestras del acero y de la escoria para analizar y se mide la temperatura del baño. Si en ese momento la composición de baño y la temperatura son las adecuadas, se procede a realizar la colada..
Composición de la fundición
C = 3.5–4.5%, Mn = 1.5–2.5%, Si = 0.20–1.0%, P = Menor a 0.30–0.20%, S =