¿Cómo se fabrica el acero?

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

Según la Asociación Mundial del Acero, en 2019 se produjeron 1869,9 millones de toneladas de acero. Esto representa un aumento del 3,4 % en la producción con respecto a 2018 y es más del doble de la producción en 1999. El mundo tiene una necesidad cada vez mayor de acero. Se utiliza en la construcción, la industria y la fabricación. Al ser resistente y económico, es ideal para todo tipo de fabricación.

¿De qué está hecho el acero?

El hierro, el principal componente elemental del acero, es uno de los elementos más abundantes en la corteza terrestre. Todas las aleaciones de acero son principalmente hierro y 0,002–2,1 % de carbono en peso. En este rango, el carbono se une con el hierro para crear una estructura molecular fuerte. La microestructura reticular resultante ayuda a lograr ciertas propiedades del material, como la resistencia a la tracción y la dureza, en las que confiamos en el acero.

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

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

Cómo hacer acero

Básicamente, el acero se fabrica mezclando carbono y hierro a temperaturas muy altas (superiores a 2600 °F).

Acería primaria crea acero a partir de un producto llamado "arrabio". El arrabio es hierro fundido, a partir del mineral, que contiene más carbono que el correcto para el acero.

La siderúrgica utiliza un sistema que burbujea oxígeno a través del arrabio derretido. Este proceso crea una oxidación igual en todo el metal fundido. La oxidación elimina el exceso de carbono. También vaporiza o une las impurezas hechas de elementos como el silicio, el fósforo y el manganeso.

Acería secundaria se hace “en el cucharón”. Es un proceso de refinación y aleación de acero. La fabricación secundaria de acero puede comenzar fundiendo chatarra o continuar con un proceso primario. Se pueden agregar elementos para obtener una aleación específica. El trabajador del acero también puede eliminar las impurezas de la superficie (desescoriado). La cuchara se calienta y se enfría a las temperaturas necesarias para los procesos químicos necesarios.

Acabado de acero

En una fundición, el acero se moldea con arena o inversión en formas estampadas. En una acería, el acero se funde mediante una colada continua en materias primas de construcción. Las coladas continuas crean formas estandarizadas de acero en bruto en lugar de piezas casi acabadas. El acero bruto se mecanizará o trabajará en productos finales. Las acerías suelen moldear y formar láminas, palanquillas, barras, tochos, tubos, lingotes y alambres.

Un molino también puede laminar en caliente o en frío acero durante la producción. Estos procesos crean diferentes formas y acabados. Antes del envío, el acero puede cortarse, enrollarse o empaquetarse antes de salir del molino.

En fundición o molino, el acero puede ser tratado térmicamente. Los pasos finales, como el templado, el revenido, la normalización y el recocido, pueden determinar el comportamiento de la aleación en una aplicación.

Invención del acero

Los arqueólogos han encontrado el acero más antiguo en un sitio que data de hace 4.000 años, en Turquía. Los aceros de crisol, como el famoso acero Wootz del sur de la India, se fabricaron de manera consistente ya en el 4 ^th Siglo aC. Sin embargo, hasta mediados de 1800, la fabricación de acero fue increíblemente desafiante.

El acero se derrite alrededor de 2700°F. Mantener este calor alto fue un desafío para los hornos antiguos que fabricaban acero al crisol. Además, las impurezas se encuentran en las aleaciones de acero, hechas de elementos como el silicio y el manganeso. La gestión de estos todavía presenta un desafío. En la antigua fabricación de acero, se fabricaban para un proceso largo y de varios pasos. Los fundadores pasaban un largo día calentando, removiendo, desescoriando y recalentando sus aleaciones. Después de que el acero fue fundido, pasó a ser trabajado por los herreros. Ser golpeado en el yunque creaba formas finales. También ayudó a distribuir y mitigar la variación, los poros o las inclusiones de carbono.

En 1856, Henry Bessemer sacó una patente para un proceso para crear acero de una manera nueva. El uso de un convertidor Bessemer, en lugar de los recipientes de fusión tradicionales, permitió a la siderúrgica burbujear aire a través del metal fundido. En reacción al aire, las impurezas se oxidarían y liberarían gases. La oxidación también ayudó a crear y mantener el alto calor necesario para la fabricación de acero.

Un proceso que una vez un día completo en la fundición y más tiempo en la fragua fue reemplazado por un proceso de 20 minutos que podría crear 5 toneladas de acero. El acero de Bessemer también era más fuerte y de mayor calidad de lo que la mayoría de los fabricantes de acero podrían esperar. Esta innovación apoyó la Revolución Industrial.

¿El acero es magnético?

La mayoría del acero es magnético, pero no todo. El acero está hecho principalmente de hierro, y el hierro es magnético. El ferromagnetismo se descubrió por primera vez en la naturaleza en “piedras de imán”, piedras hechas de magnetita, un óxido de hierro. Otros elementos también son ferromagnéticos, como el cobalto y el níquel. Estos elementos también se encuentran a veces en el acero.

Los aceros inoxidables son famosos por no ser magnéticos, aunque todos los aceros inoxidables contienen hierro y muchos contienen níquel. A decir verdad, solo algunas aleaciones de acero inoxidable no son magnéticas. El acero inoxidable austenítico, que contiene níquel, no es magnético en la mayoría de los casos (aunque puede volverse ligeramente magnético cuando se trabaja). Otros tipos, como las aleaciones ferríticas o martensíticas, son inoxidables y magnéticos.

Propiedades del acero

El acero se usa tan comúnmente debido a sus propiedades materiales específicas combinadas con su costo relativamente bajo. En comparación con muchos otros materiales de construcción y fabricación de herramientas (como madera, piedra, hormigón o hierro fundido), las aleaciones de acero ofrecen:

• Dureza :resistencia a la indentación cuando se presiona con una presión que aumenta gradualmente
• Resistencia :cuando el material se deforma, la tenacidad describe hasta dónde llega antes de fracturarse
• Límite elástico :resistencia a cambiar de forma mientras se tira con una presión que aumenta gradualmente
• Resistencia a la tracción :la capacidad de un material para resistir la tracción antes de romperse
• Maleabilidad :la capacidad de moldearse martillando o presionando sin romper
• Ductilidad :la capacidad de moldearse sin perder dureza:trabajar el metal a menudo lo vuelve más frágil, pero los materiales dúctiles no se quebrantan con el trabajo tan rápido.

El rango probado de estas propiedades varía entre las aleaciones, pero en general, el acero logra ser más duro y resistente (menos quebradizo) que muchos otros materiales.

Tipos de acero

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

• Acero al carbono —Los aceros al carbono suave, medio y alto varían principalmente según la dureza y la ductilidad. Los aceros suaves o bajos en carbono tienden a ser más dúctiles en comparación con otros aceros, pero también ofrecen menor dureza. En el otro extremo de la gama, los aceros con alto contenido de carbono son más duros. Sin embargo, el acero con alto contenido de carbono suele tener una ductilidad más baja.
• Acero para herramientas —El acero con alto contenido de carbono con elementos agregados como tungsteno, vanadio o molibdeno, tratado térmicamente y templado a una dureza superior, se usa para aceros para herramientas.
• Acero aleado —Esta familia de aceros generalmente se refiere a aceros mezclados con elementos específicos para propiedades materiales extraordinarias, fuera de las que comúnmente pertenecen a otras familias. Todos los aceros son aleaciones y muchos tienen elementos adicionales. Sin embargo, los aceros aleados son aceros inusuales construidos para una aplicación específica y pueden variar desde formulaciones de valor hasta aleaciones exóticas utilizadas para motores a reacción.
• Acero inoxidable —Estos aceros están aleados con cromo para hacerlos resistentes a la corrosión mediante pasivación.

Producción de acero:una historia de reciclaje

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

Por lo tanto, el crecimiento en la producción de acero no requiere un crecimiento equivalente en la fundición de nuevo mineral (aunque la producción de arrabio sigue siendo una parte vital de la cadena de suministro de acero). La recuperación y el procesamiento de chatarra de acero significa que el panel del automóvil de ayer puede ser la viga en I del mañana.

Con un 98 % de acero recuperable, el metal es uno de los productos más reciclables del mundo. Aún así, no está exento de desafíos ambientales. El coque, una forma de carbón, generalmente se usa como insumo de carbono para la fabricación de acero. Además, la alta energía requerida para derretir o fundir y la oxidación y otros procesos de producción crean químicos y dióxido de carbono. Afortunadamente, se está investigando mucho en el sector siderúrgico para mitigar los problemas de producción. Algunos incluyen el reciclaje de dióxido de carbono en el propio acero, como fuente de carbono, lo que reduce la necesidad de otras fuentes como el coque.

Con estas tecnologías refinadas e implementadas, la fabricación de acero seguirá siendo una de las principales industrias del futuro. Sostiene, impulsa y construye nuestra economía.