Historia de la Siderurgia Minerales de Hierro Obtención del acero



Historia de la Siderurgía

El hierro es el metal dominante en la civilización industrial actual, y su consumo en el mundo crece de un modo exponencial con el transcurso de los años. En efecto: el hierro constituye el 95 por 100 de los minerales que se extraen en la Tierra, y gran parte de otros minerales se extraen para ser aleados con el hierro, como en el caso del cromo y el níquel. El desarrollo y perfeccionamiento de las técnicas siderúrgicas hizo posible la revolución industrial del siglo pasado. El perfeccionamiento en la obtención de aleaciones ha permitido el avance en la técnica espacial.

Si importante es el hierro desde el punto de vista geológico, ya que por su abundancia es el segundo de los metales de la Tierra, todavía lo es más si se atiende al aspecto económico, puesto que constituye, sin lugar a dudas, la base sobre la que se apoya nuestra civilización. El hierro ha ido desplazando a otros materiales, la madera, por ejemplo en ramos tan importantes como el de la edificación.

La cantidad de hierro contenido en la corteza terrestre es verdaderamente extraordinaria: alcanza, en promedio, un valor del 5,05%. A pesar del extraordinario tonelaje que esto representa, no es posible la explotación masiva con los medios técnicos disponibles en la actualidad. Ahora bien, si alguna causa geológica produce una concentración local, aparece un criadero metálico económicamente explotable. Como es natural, la rentabilidad varía a tenor de los progresos técnicos.

El descubrimiento de los metales y la primitiva metalurgia
Es difícil decir cómo, cuándo y dónde fueron descubiertos y utilizados por primera vez los metales. Seguramente su descubrimiento fue casual y, con toda probabilidad, simultáneo en muchos lugares.
Puede asegurarse que el hombre primitivo conocía el hierro meteórico, procedente de los espacios celestes, y el oro nativo, inoxidable por la acción del aire; pero los utilizaba sólo para hacer ornamentos, sin emplearlos en gran escala.

El primer descubrimiento de importancia práctica fue el del cobre, cuyos minerales se distinguían con facilidad por sus coloraciones verdes, azules y rojas, y que debían encontrarse en el suelo en bastante abundancia; hoy en día estos afloramientos han desaparecido debido al lento paso de los siglos.

Trozos de estos minerales, carbonates o sulfuros, puestos en el fuego se «reducían», es decir, el azufre y el carbono se quemaban, y el metal, que quedaba puro, se fundía recogiéndose en pequeños bloques. Golpeados con piedras, se les podía dar con facilidad las formas apropiadas para los instrumentos necesarios, que resultaban de gran resistencia. Entonces se inició la búsqueda sistemática de estos minerales y la construcción de pequeños hornos, con lo que nació la primera metalurgia, que se convirtió desde su origen en un arte para especialistas.

Sin embargo, el uso del cobre puro se extendió poco debido a que en seguida sobrevino el descubrimiento del bronce, aleación formada aproximadamente por cuatro partes de cobre y una de estaño. Cómo se descubrió el mineral de estaño y su aleación con el cobre es imposible establecerlo. Probablemente fue una unión casual entre ambos metales en el lugar donde debían hallarse afloramientos vecinos. Pero la importancia reside en que, obtenido el primer bronce, el hombre se da cuenta que es mucho más resistente y fácilmente fusible que el cobre puro.

El descubrimiento y uso del hierro llegó mucho más tarde; el mineral del hierro —constituido sólo por óxidos— resiste temperaturas más altas que la necesaria para fundir el cobre. Durante muchos siglos no se obtuvo hierro fundido; aunque la iniciación de la edad del hierro se remonta a unos 1.000 años a. de C., hasta la época moderna no se pudo obtener fundido en forma de fundición, esto es, en unión de cierta cantidad de carbono; solamente a alta temperatura tiene lugar esta «carburación» del hierro, y la fundición se recoge líquida.

El mineral de hierro calentado, se reducía parcialmente y se ablandaba; entonces, forjándolo repetidamente se expulsaba la escoria, se completaba la reducción y quedaba en el hierro una pequeña cantidad de carbono; se obtenía, finalmente, lo que hoy llamamos acero, muchas veces en estado de gran pureza.

Con el proceso de la técnica se introdujeron en la primitiva metalurgia notables perfeccionamientos: del simple horno de pila protegido por piedras se pasó a los hornos verticales, llamados de cuba, en los que el mineral y el carbón de leña, en sustitución de la leña verde, se introducen alternativamente por la parte superior; se utilizó, después, la ventilación forzada mediante fuelles de piel accionados a mano; del bajo horno empleado hasta 1800, llamado «horno a la catalana», se pasó gradualmente a los tipos que fueron los precursores de los actuales altos hornos.



La carburación del hierro, que se transforma en fundición, se verifica a temperaturas de 1600-1700° C; para que el horno pudiera alcanzarlas fue necesario aumentar sus dimensiones e introducir la «ventilación por agua», en la que el paso de agua a gran velocidad dentro de un tubo vertical produce una fuerte corriente de aire. Carburado ya, se obtiene el hierro colado. Al principio se consideró la fundición como un producto de desecho, utilizable sólo para recipientes y tubos, pues es frágil y tiene menos resistencia que el acero; sin embargo, posteriormente se aprendió a eliminarle el exceso de carbono, convirtiéndola en acero.

Con todo, estamos solamente en el siglo XIX, en vísperas de la gran transformación industrial. También las técnicas de la fundición del bronce se remontan a la antigüedad y fueron rápidamente perfeccionadas, como lo demuestran los objetos prehistóricos y las admirables obras de arte de la edad clásica.

En la antigüedad clásica se conocía el plomo, fácil de fundir, con el cual se construían planchas para revestimientos y tubos; el cinc, sin embargo, no se conoció hasta el Renacimiento, ya que si no se toman precauciones especiales pasa directamente al estado de vapor; si después se enfría, se deposita en forma de diminutos cristales.

Este fenómeno recibe el nombre de «sublimación», totalmente incomprensible para la mentalidad del hombre antiguo. El mercurio fue descubierto en estado nativo en pequeñas cantidades sin que fuera empleado; se conocía, sin embargo, su sulfuro, llamado cinabrio, usado como colorante y cosmético. En la Edad Media fue estudiado por los alquimistas, quienes descubrieron la amalgama que forma con los otros metales y sugirieron su empleo para la fabricación de espejos y productos farmacéuticos.

La metalurgia moderna
La época moderna, y en especial el siglo XIX, trajo el descubrimiento de numerosos metales que enriquecieron el escaso patrimonio de los antiguos y pasaron con rapidez, del estudio en el laboratorio químico, a las aplicaciones técnicas en las fábricas.

Bastará señalar el manganeso, níquel, cobalto y wolframio (conocido también con el nombre de tungsteno) que, unidos en porcentajes relativamente pequeños al acero, le confieren gran resistencia; se obtienen así los aceros especiales, entre los que se pueden destacar el acero al manganeso, al níquel, al cromo-níquel, el acero de corte rápido que contiene wolframio, así llamado porque con él se construyen herramientas para la elaboración en frío de los aceros corrientes, debido a que no pierde su dureza aunque se caliente al rojo; por este motivo puede girar rápidamente sobre otro acero sin que, al calentarse, se alteren sus propiedades.

Vemos, pues, que gracias al profundo estudio científico de la metalurgia, se está en condiciones de producir una vastísima gama de aceros con propiedades especiales y aptos para las más diversas aplicaciones.

Se suele decir que la edad del hierro prosigue aún hoy en día, pero ¡qué perfección en los materiales presenta respecto a las simples industrias de hace 200 e incluso 100 años!

El hierro —se le da este nombre, pero en realidad debiera decirse la fundición y el acero— domina todavía la técnica moderna en las construcción Bessemer-Thomas o, simplemente, Thomas. El horno Martín-Siemens es de reverbero, constituido por una cámara rectangular cerrada, de piso horizontal y cubierta por una bóveda baja.

La cámara está dividida en dos compartimentos por un tabique bajo, llamado altar; en un lado arde el combustible, y en el otro el material a tratar, que es hierro muy dulce (en general, trozos) y mineral en proporciones adecuadas.



Este se calienta tanto por los humos del combustible como por el calor que refleja la bóveda. A este tipo de horno, ideado por el francés Martín, el alemán Siemens le añadió un dispositivo para recuperar parte del calor que se escapa con los productos de la combustión. De aquí su nombre.

El acero puede obtenerse también mediante el horno eléctrico de arco o de inducción. Los aceros especiales se obtienen al crisol, es decir, en vasos cerrados de material refractario, a fin de preservar a los componentes de las impurezas que contienen los humos del horno.

La producción siderúrgica en el mundo
Desde la fundición, en todas sus variedades, hasta los aceros especiales ya mencionados (al cromo, al níquel, al manganeso, al cromo-níquel, al cromo-vanadio, al wolframio, etc.), la gama de los productos de la industria del hierro, llamada siderurgia, es extensísima y representa la base del sistema productivo de todos los países, constituyendo la denominada industria pesada.

Sin ésta no serían posibles las construcciones de maquinaria en general, ni las ferroviarias, automovilísticas, navales, aéreas y agrícolas. La siderurgia puede tomarse, por consiguiente, como un índice del potencial industrial de una nación. La cantidad de fundición y acero producidos anualmente alcanza cifras del orden de millones de toneladas. La mayor potencia siderúrgica son los EE.UU., seguidos por la Unión Soviética y, con menor producción, por Japón, República Federal de Alemania, Inglaterra y Francia.

La edad del hierro, iniciada hace cerca de 3.000 años, continúa, pues, en nuestros días. A pesar del descubrimiento de otros muchos metales, esté sigue siendo fundamental, pues ningún otro ha podido mejorar su resistencia y demás propiedades mecánicas; y algunos, que quizá las igualarían, son raros, y su producción industrial difícil y antieconómica.

El único que ha mantenido su importancia junto al hierro, en el transcurso del último siglo, es el aluminio. Este es el metal más abundante en la corteza terrestre (casi el doble que el hierro) y conduce el calor y la electricidad mejor que aquél. Su escasa densidad y la facilidad para producir aleaciones ligeras le hacen insustituible en la fabricación de las estructuras y revestimientos de los modernos aparatos de aviación así como en muchas otras industrias de todo tipo.

Sin embargo, los campos de aplicación del hierro y del aluminio están perfectamente delimitados, aunque ambos metales se emplean provechosamente unidos en producciones de todo género que abarcan una extensa gama, que comprende desde la industria pesada antes mencionada a los pequeños objetos de uso cotidiano.

alto horno

Imagen Alto Horno

Un alto horno, un horno de fundición, trabaja constantemente. El trabajo puede disminuir y aun cesar en otros departamentos de una fábrica de acero, pero el horno de fundición funciona sin interrupción alguna día y noche para producir los lingotes de hierro.



LOS MINERALES DE HIERRO…

Los minerales de hierro importantes son: magnetita, oligisto, limonita y siderita, los cuales pueden hallarse en muy diversos tipos de yacimientos. Cuando una masa de materiales fundidos —un magma— cristaliza, no todos sus componentes lo hacen simultáneamente, y se produce la concentración de determinados compuestos. Así, se han originado los yacimientos magmáticos.

La diferenciación puede haber ocurrido en el sitio donde se encuentra el mineral, o haber sobrevenido una inyección de él, como ocurre en el depósito de magnetita de Kiruna (Suecia), que es el mayor del mundo. En él, la gran masa de magnetita aflora a lo largo de 2.800 m con una anchura de 145 m. Se halla dentro del círculo polar ártico, en la Laponia sueca, y se le atribuye una longitud real de 160 kilómetros.

En otros casos, si bien el agente causante de la mineralización continúa siendo una masa de materiales fundidos, no es ella la única que colabora en la formación del yacimiento. En efecto, durante el proceso de consolidación se desprenden emanaciones gaseosas a elevada temperatura, las cuales, al actuar sobre las rocas próximas, producen reacciones que engendran la mineralización. De esta forma se originaron los yacimientos metasomáticos, como los de Cornwall e Iron Springs (Estados Unidos). En Cornwall (Pengilvania) la magnetita se halla en contacto con una diabasa que, durante el triásicó, cortó rocas sedimentarias del cámbrico.

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También se encuentran yacimientos de mineral de hierro formados por transformación de otros minerales existentes (yacimientos por reemplazamiento). Los más característicos son los de Lyon Mountain (Nueva York), donde masas muy ricas en magnetita forman reemplazamientos en un gneiss granítico. La masa mayor tiene de longitud más de 1.500 metros y 6 de anchura. Dentro del mineral existen cavidades miarolíticas lo suficientemente grandes para que quepa en ellas un hombre. En Iron Mountain (Montana) se explota, a su vez, una masa de reemplazamiento de considerable tamaño, formada por hematites y magnetita.

Los yacimientos de hierro sedimentario representan la mayor parte de la producción y de los recursos identificables del mundo. Casi todas las menas proceden de sedimentación química, y el período de la historia de la Tierra durante el cual se depositaron los mayores sedimentos ricos en hierro datan de entre los 3,2 y los 1,7 mil millones de años de antigüedad. Estos sedimentos forman en el Lago Superior (Estados Unidos) bandeados muy finos, que consisten en una alternancia de mineral de hierro y sílice.

Los yacimientos residuales se forman donde hay meteorización y el hierro ferroso presente en una roca es oxidado hasta la forma férrica relativamente insoluble. Muchos constituyentes inútiles son arrastrados y permanece insoluble el hierro, que, poco a poco, es concentrado. El conocido yacimiento de Vizcaya aparece instalado en una capa de calizas cretácicas, en parte de las cuales el carbonato cálcico fue reemplazado por siderita; además, en la parte superior, la meteorización originó una concentración residual de oligisto y limonita.

magnetitaOligisto
MagnetitaOligisto
Limonitasidorita
LimonitaSidorita

AMPLIACIÓN: DEL HIERRO AL ACERO
El hierro obtenido en los altos hornos es una materia prima, no un producto acabado. Para ser útil tiene que ser convertido en hierro colado o en acero. El hierro colado se produce mediante la refundición de lingotes de hierro (hierro fundido en moldes y enfriado), ajustando cuidadosamente las proporciones de carbono, silicio y demás elementos que entran en la aleación.

Fuerte y resistente al desgaste, el hierro colado puede ser trabajado y es fácilmente moldeable en formas bastante complejas. Los moldes en los que se funde el hierro son cajas llenas de arena. La forma se graba en la arena y se vierte sobre ella la colada. Cuando la pieza de hierro ha solidificado, se saca y la arena se reutiliza para un nuevo molde.

La mayor parte del hierro tratado en los altos hornos se convierte en acero, reduciendo considerablemente su contenido de carbono. En 1857 el ingeniero inglés Henry Bessemer (1813-1898) descubrió una forma muy económica de eliminar el carbono del hierro fundido.

En el procedimiento Bessemer, se inyecta aire combinado con algo de carbono a través del hierro fundido, eliminando el monóxido de carbono y el dióxido de carbono. También se oxida parte del hierro, que entonces se combina con el silicio y el manganeso para formar la escoria. En tan sólo 15 minutos se convierten en acero varios centenares de toneladas de hierro. El convertidor entero gira sobre un eje, como una hormigonera, para verter el acero fundido.

En la década de 1860, un grupo de ingenieros inventó un proceso mucho más lento y más controlable: el procedimiento de horno de solera. En este procedimiento se utiliza gas de carbón de baja concentración para calentar hierro fundido en un horno poco profundo. Los cambios químicos son los mismos que en el convertidor Bessemer, pero el procedimiento tiene la ventaja de que se puede añadir chatarra de hierro a la mezcla. Con este método se tarda unas doce horas en producir acero, lo que permite un control muy exacto de la composición final.
Actualmente, tanto el procedimiento Bessemer como el procedimiento de solera han sido sustituidos en la mayor parte de los países por un proceso que combina las ventajas de los dos.

En el procedimiento LD (abreviatura de Linz-Donawitz), se insufla un chorro de oxígeno casi puro a través de una lanza sobre la superficie del hierro fundido. El proceso es rápido y puede absorber hasta un 20% de chatarra, a la vez que produce un acero de muy alta calidad. La adición de cal al oxígeno permite convertir en acero hierro con un mayor contenido en fósforo; este último procedimiento se denomina horno básico de oxígeno.

Para los aceros más caros, incluidas las aleaciones y los aceros inoxidables, se utilizan hornos de arco eléctrico (ver fotografía). El calor lo proporcionan tres electrodos de carbono introducidos en una mezcla de chatarra con los elementos» de adición propios de cada aleación. El silicio si manganeso y el fósforo se eliminan e! carbono se elimina al añadir de hierro, que reacciona exactamente igual que en un alto horno. El hecho de que los hornos de arco eléctrico puedan fundir cargas constituidas en su totalidad por chatarra es una gran ventaja en los países desarrollados, donde el acero reciclado representa una gran proporción de la producción total.

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Tipos de acero
El acero se vende en forma de planchas fundidas, enrollado en láminas, en tiras, en barras (para clavos, tornillos y alambre) o en vigas (para edificios, puentes y otras utilizaciones propias de la construcción). Las características del acero se pueden modificar con ciertos procedimientos, como el tratamiento por calor y las aleaciones, a fin de que resulte adecuado para usos específicos. El factor más importante en cualquier acero es el contenido de carbono.

Los aceros con alto contenido de carbono son más duros y fuertes, pero también más quebradizos y no se pueden soldar. Para que la soldabilidad sea adecuada, el contenido de carbono debe ser inferior al 0,2%. Las características precisas de cualquier tipo de acero dependen también del tratamiento por calor, que determina su micro-estructura.

El acero puede endurecerse calentándolo al rojo vivo —en torno a los 850°C— y apagándolo entonces con agua, pero también en ese caso resulta quebradizo. Es posible conservar la dureza en gran parte y reducir la fragilidad mediante una segunda cocción a temperatura más baja —unos 250°C—, seguida del enfriamiento del acero a temperatura ambiente. Este acero recibe el nombre de acero templado.

La aleación del acero con otros elementos, además del carbono, también es importante. El acero que contiene un 3% de níquel, por ejemplo, es extraordinariamente duro y se utiliza para ruedas dentadas y ejes que deben soportar grandes esfuerzos. Los aceros que contienen hasta un 13% de manganeso tienen bordes muy duros, y se emplean para hacer determinadas maquinarias como las excavadoras y taladradoras.

El molibdeno se alea con algunos aceros para reducir su fragilidad. Los aceros inoxidables, que contienen en torno a un 14% de cromo y a veces también níquel, no se oxidan debido a la formación en su superficie de una capa impermeable de óxido. En la actualidad, estos aceros son muy empleados para la realización de cuberterías y fregaderos de cocina, así como para el revestimiento de edificios.

hierro moldeado

El acero fundido (izquierda) es moldeado en formas básicas y estandarizadas, como barras y planchas, antes de ser laminado o convertido en productos para la venta. En el pasado, todo metal fundido pasaba siempre por una etapa intermedia de lingotes antes de ser recalentado y laminado. Sin embargo, el desarrollo del sistema de fundición continuo ha permitido verter directamente el metal fundido en una máquina especial para producir barras o planchas.

chatarra autos

La disponibilidad de chatarra reciclable es un factor importante a la hora de determinar el proceso más adecuado para la fabricación de acero, in una economía desarrollada típica, la chatarra disponible es tanta que cualquier objeto nuevo fabricado con acero puede estar constituido por chatarra reciclada hasta en un 50%: los automóviles nuevos llevan otros viejos en su interior. En las economías en desarrollo, donde hay menos acero viejo, se usa una proporción mucho menor de chatarra. No toda la chatarra procede de productos que han llegado al final de su existencia. En las propias fábricas de acero se el material que no alcanza el nivel requerido. Por otra parte, los recortes de la industria vuelven a las acerías para su reprocesamiento.

Petróleo               Carbón              Gas natural

Fuente Consultada:
Natura Las Reservas Económicas Naturales
Biblioteca Temática UTEHA – El Mundo Que Nos Rodea

https://historiaybiografias.com/archivos_varios5/estrella1_bullet.png

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