El Proceso de Fabricación del Acero Explicado: Del Mineral de Hierro a la Aleación

Introducción a la producción y propiedades de aleaciones de acero

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

¿De qué está hecho el acero?

El hierro, el componente elemental principal 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 al hierro para crear una estructura molecular fuerte. La microestructura de red resultante ayuda a lograr ciertas propiedades materiales, como resistencia a la tracción y dureza, en las que confiamos en el acero.

Aunque todo el acero está hecho de hierro y carbono, 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. Añadir diferentes elementos a la "receta" de 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 contienen cromo. Todas estas aleaciones se conocen comúnmente como acero inoxidable.

Cómo hacer acero

En lo más básico, el acero se hace mezclando carbono y hierro a temperaturas muy altas (superiores a 1427 °C / 2600 °F).

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

El acerero usa un sistema que burbujea oxígeno a través de arrabio fundido. Este proceso crea oxidación igual a través del metal fundido. La oxidación remueve exceso de carbono. También vaporiza o une impurezas hechas de elementos como silicio, fósforo y manganeso.

Producción secundaria de acero se hace "en el cucharón". Es un proceso de refino y aleación de acero. La producción secundaria puede empezar fundiendo chatarra, o continuar un proceso primario. Elementos pueden añadirse para obtener una aleación específica. El acerero también puede remover impurezas superficiales (desescoriación). El cucharón se calienta y enfría a las temperaturas necesarias para los procesos químicos necesarios.

Acabado del acero

En una fundición, el acero se funde en arena o por inversión en formas patrón. En una acería, el acero se funde por un colador continuo en materias primas de construcción. Los coladores continuos crean formas de acero crudo estandarizadas en lugar de piezas casi terminadas. El acero crudo será mecanizado o trabajado en productos finales. Las acerías comúnmente funden y forman chapas, tochos, barras, bloques, tubos, lingotes y alambres.

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

En fundición o molino, el acero puede ser tratado térmicamente. Pasos finales como temple, templado, normalizado y recocido pueden moldear cómo la aleación se comporta en una aplicación.

Invención del acero

Los arqueólogos han encontrado el acero más antiguo en un yacimiento que data de 4000 años atrás, en Turquía. Los aceros de crisol, como el famoso acero Wootz del sur de India, se fabricaban consistentemente desde el siglo IV a.C. Sin embargo, hasta mediados del 1800, la fabricación de acero era increíblemente desafiante.

El acero se funde alrededor de 1482 °C (2700 °F). Mantener este alto calor era un desafío para hornos antiguos haciendo acero de crisol. Además, impurezas se encuentran en aleaciones de acero, hechas de elementos como silicio y manganeso. Gestionar estas aún presenta un desafío. En la fabricación antigua de acero, hacían un proceso largo y de múltiples pasos. Los fundidores pasaban un largo día calentando, removiendo, desescoriando y recalentando sus aleaciones. Después de que el acero era fundido, iba a ser trabajado por herreros. Ser golpeado en el yunque creaba formas finales. También ayudaba a distribuir y mitigar variación de carbono, poros o inclusiones.

En 1856, Henry Bessemer patentó un proceso para crear acero de una nueva manera. Usando un convertidor Bessemer, en lugar de vasijas de fundición tradicionales, permitió al acerero burbujear aire a través del metal fundido. En reacción al aire, las impurezas se oxidarían y liberarían gas. La oxidación también ayudaba a crear y mantener el alto calor necesario para la fabricación de acero.

Un proceso que una vez tomó un día completo en la fundición y más tiempo en la forja fue reemplazado con un proceso de 20 minutos que podía crear 5 toneladas de acero. El acero de Bessemer también era más fuerte y de mayor calidad que la mayoría de acereros podían esperar. Esta innovación apoyó la Revolución Industrial.

¿Es magnético el acero?

La mayoría del acero es magnético, pero no todo. El acero está hecho principalmente de hierro, y el hierro es magnético. El ferromagnetismo fue descubierto primero en la naturaleza en "piedras imán" —piedras hechas de magnetita, un óxido de hierro. Otros elementos también son ferromagnéticos, como cobalto y níquel. Estos elementos también a veces se encuentran en acero.

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

Propiedades del acero

El acero es tan comúnmente usado debido a sus propiedades materiales específicas combinadas con su bajo coste relativo. Comparado 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 al presionar con presión gradualmente creciente
• Tenacidad: cuando el material se deforma, la tenacidad describe qué tan lejos va antes de fracturarse
• Límite elástico: resistencia a cambiar forma mientras se tira con presión gradualmente creciente
• Resistencia a la tracción: capacidad de un material para soportar ser estirado antes de romperse
• Maleabilidad: capacidad de ser moldeado por martilleo o prensado sin romperse
• Ductilidad: capacidad de ser moldeado sin perder tenacidad —trabajar metal a menudo lo hace más frágil, pero materiales dúctiles no se embritlen por trabajo tan rápido.

El rango probado de estas propiedades varía entre aleaciones, pero en conjunto, el acero logra ser tanto más duro como más tenaz (menos frágil) que muchos otros materiales.

Tipos de acero

Hay cuatro agrupaciones principales de aleaciones de acero: carbono, herramienta, aleado, y aceros inoxidables.

• Acero al Carbono—Bajo, medio y alto carbono varían mayormente por dureza y ductilidad. Los aceros de bajo carbono tienden a ser más dúctiles comparados con otros aceros, pero también ofrecen menor dureza. En el otro extremo, los aceros de alto carbono son más duros. Sin embargo, el acero de alto carbono usualmente tiene menor ductilidad.
• Acero para Herramientas—Acero de alto carbono con elementos añadidos como tungsteno, vanadio o molibdeno, tratado térmicamente y templeado a dureza superior, se usan 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 caen en otras familias. Todos los aceros son aleaciones y muchos tienen elementos extra. Sin embargo, los aceros aleados son aceros inusuales construidos para una aplicación específica, y pueden variar desde formulaciones de valor hasta aleaciones exóticas usadas para motores a reacción.
• Acero Inoxidable—Estos aceros son aleados con cromo para hacerlos resistentes al óxido 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 de alta calidad. El proceso de producción secundaria de acero crea aleaciones tan buenas como cualquier que venga de arrabio. Los artículos metálicos pueden degradarse por uso, pero la química elemental del metal significa que fundir y alear crea un producto completamente nuevo.

El crecimiento en la producción de acero por tanto no requiere crecimiento equivalente en fundición de mineral nuevo (aunque la producción de arrabio sigue siendo una parte vital de la cadena de suministro de acero.) Recuperar y procesar chatarra de acero significa que el panel de coche de ayer puede ser la viga I de mañana.

Con 98 % del acero recuperable, el metal es uno de los productos más reciclables del mundo. Aún así, no está sin desafío ambiental. El coque, una forma de carbón, se usa usualmente como entrada de carbono para la fabricación de acero. Además, la alta energía requerida para fundir o fundir y oxidación y otros procesos de producción crean químicos y dióxido de carbono. Afortunadamente, hay mucha investigación en el sector siderúrgico para mitigar problemas con la producción. Algunos incluyen reciclar dióxido de carbono de vuelta al acero mismo, como fuente de carbono, reduciendo necesidad de otras fuentes como coque.

Con estas tecnologías refinadas e implementadas, la siderurgia continuará siendo una de las industrias mayores del futuro. Sostiene, impulsa y construye nuestra economía.