Metales Ferrosos

Metales Ferrosos

1. Introducción

Los metales han estado siempre presentes en la historia de la humanidad desde tiempos muy antiguos, hasta el punto de que su utilización preferente en distintas épocas ha servido de pauta para la denominación de largos períodos del tiempo prehistórico: Edad del Cobre, Edad del Bronce o Edad del Hierro.

Además de los metales utilizados tradicionalmente: plomo, estaño, níquel, magnesio, etc., en la industria metalúrgica moderna han hecho su aparición, como consecuencia del desarrollo tecnológico, nuevos metales (titanio, berilio, niobio, germanio, etc.) que hasta hace pocos años se consideraban como una mera curiosidad científica. Por ejemplo, el espectacular avance experimentado hoy en día por la exploración espacial se debe a las investigaciones realizadas en el campo de las aleaciones de titanio y carburo de boro.

Los metales ferrosos (materiales derivados del hierro) han ocupado (armas, corazas, herramientas...) y ocupan actualmente (puentes, estructuras en la construcción...) un lugar preferente en el conjunto de los materiales metalúrgicos, como pone de manifiesto el hecho de que su producción mundial sea 20 veces superior a la del resto de los metales. Esta supremacía del hierro se debe, sin duda, a la gran diversidad de materiales que se pueden obtener a partir de él mediante distintos procesos y operaciones, y justifica por sí misma el porqué de su estudio.

2. Principales características

Los metales ferrosos o férricos son los que contienen, como elemento base, el hierro (Fe). El hierro técnicamente puro es un material metálico magnético, de color blanco azulado, dúctil y maleable. Su punto de fusión es de aproximadamente 1.535 °C, aunque disminuye cuando se encuentra aleado con carbono (por ejemplo, la aleación con 4,3% de carbono funde a 1.145 °C). Su densidad es 7,87 g/cm3. Es un buen conductor del calor y de la electricidad.

El hierro es un metal químicamente activo (se combina con halógenos, azufre, fósforo, carbono y silicio). Expuesto al aire se corroe, formando sesquióxido de hierro monohidratado (Fe2O3 H2O), una sustancia pardo-rojiza escamosa, denominada comúnmente orín.

Existen cuatro variedades alotrópicas (diferentes tipos de estructuras) del hierro, estables en determinados intervalos de temperatura, y que condicionan sus propiedades; en especial, el contenido de carbono con el que es posible alearlo.

Temperatura Forma alotrópica Red cristalina Parámetro de la red

Hasta 768 °C α BCC 2,86 Ӑ

768 °C- 910 °C β BCC 2,90 Ӑ

910°C-1400°C γ FCC 3,60 Ӑ

1400 °C- 1535 °C δ BCC 2,93 Ӑ

El hierro industrialmente puro tiene aplicaciones muy limitadas (electroimanes, láminas metálicas galvanizadas...), a causa de sus bajas propiedades mecánicas. Por ello, se utiliza más frecuentemente aleado con carbono.

Los metales ferrosos, como se dijo en la introducción, son los más utilizados a nivel industrial. En 2.001 las producciones mundiales estimadas de hierro y de acero fueron respectivamente de 623 y 845 millones de toneladas anuales, mientras que la de metales no ferrosos -aluminio, cobre, plomo, manganeso y cinc- alcanzó solamente la cantidad de 45 millones de toneladas.

3. Formas de obtención

3.1 Proceso siderúrgico.

Se conoce con el nombre de proceso siderúrgico al conjunto de operaciones que es preciso realizar para llegar a obtener un metal férreo (aleación de hierro) de unas determinadas características.

El proceso siderúrgico abarca desde la extracción del mineral de hierro en las minas hasta la fabricación final de un producto comercial.

3.1.1 Obtención del mineral de hierro.

El hierro es uno de los metales más abundantes en la naturaleza (constituye un 4,7% de la corteza terrestre, ocupando, en lo que a metales se refiere, el segundo lugar después del aluminio). Sin embargo, rara vez se encuentra en estado puro, sino en forma de óxidos, carbonatos o sulfuros.

El mineral que se extrae de las minas de hierro contiene una parte de óxidos, carbonatos o sulfuros de hierro (denominada mena), acompañada de sustancias no ferrosas (ganga), tales como rocas, sílice, etc. Una vez triturado el mineral, la mena (parte útil) se separa de la ganga (parte inútil) aprovechando sus diferentes densidades o su distinto comportamiento frente a campos magnéticos.

La obtención industrial del hierro se basa en la reducción (eliminación de oxígeno) de los óxidos de hierro, que son los minerales que presentan un porcentaje mayor del metal. Los carbonatos se calcinan (calentamiento en ausencia de oxígeno) y los sulfuros se tuestan (calentamiento en presencia de oxígeno), convirtiéndose en óxidos; y a partir de ellos se obtiene el hierro por reducción.

3.1.2 Obtención del carbón de coque.

En el proceso siderúrgico, el carbón de coque actúa como:

• Combustible.

• Reductor de los óxidos de hierro.

Se obtiene a partir de carbones de hulla con un bajo contenido en azufre (menor del 1 %) y cenizas (por debajo del 8%); son las llamadas hullas grasas y semigrasas, que poseen un contenido en materias volátiles de entre el 22 y el 30%.

El carbón de coque siderúrgico se obtiene industrialmente eliminando la materia volátil del carbón de hulla y aglutinándolo posteriormente. Para ello, se introduce la pasta de carbón (mezcla de diferentes tipos de hullas trituradas finamente) en las llamadas baterías de hornos de coque. En estos hornos se somete la pasta de carbón a un proceso de coquizado, consistente en calentar el carbón por encima de 1.000 °C, en ausencia de aire y durante 16 horas aproximadamente.

El coque siderúrgico es un material duro y poroso, con un contenido en carbono superior al 90%.

3.2 Sinterización del mineral de hierro.

El objetivo de la sinterización del mineral de hierro es lograr un material poroso, de forma que el tamaño de los granos que se introduzcan posteriormente en el alto horno ofrezca una alta permeabilidad a los gases.

El mineral de hierro se mezcla con el carbón de coque y con granos de materiales llamados fundentes (por lo general, caliza), que tienen una gran importancia en el proceso de reducción del mineral de hierro que se lleva a cabo en el alto horno, como se verá más adelante. Se hace arder el combustible situado en la parte superficial, y la mezcla se conduce por medio de una cinta transportadora metálica provista de orificios a través de los cuales se efectúa una aspiración.

Al final, el calor desprendido en la combustión hace que los materiales adquieran un estado pastoso, de modo que los granos finos del material inicial acaban convirtiéndose en un aglomerado.

...