fabricación del acero

 

  • La verdadera revolución moderna en la fabricación de acero solo comenzó a finales de la década de 1850, cuando el proceso Bessemer se convirtió en el primer método exitoso
    de fabricación de acero en grandes cantidades, siendo seguido por el horno de solera.

  • A 2020, se estima que la fabricación de acero era responsable del 7 al 9 por ciento de todas las emisiones de dióxido de carbono directas procedentes de combustibles fósiles.3
    Para mitigar el calentamiento global, la industria necesitará encontrar la manera de reducir sus emisiones.4 En 2020, la consultora McKinsey identificó una serie de tecnologías para enmarcar la industria de fabricación de acero en una economía
    baja en carbono, como el uso de hidrógeno, la captura y reutilización de carbono y la maximización del uso de hornos de arco eléctrico alimentados por energía limpia.4 Históricamente, la producción industrial de acero fue liderada por Gran
    Bretaña durante la segunda mitad del siglo XIX, siendo relevada por los Estados Unidos desde 1900 hasta la década de 1980.

  • Este método de producción en la industria del acero se denominó “hard driving” en los Estados Unidos y “Schnellbetrieb” en Alemania.34353637 Siglo XX[editar] Vista en sección
    de un horno de arco eléctrico, que muestra los tres electrodos para la alimentación desde arriba del sistema trifásico La generalización del uso de la electricidad permitió la producción de acero mediante los llamados hornos de arco eléctrico.

  • Pero desde la invención del convertidor Bessemer en Gran Bretaña en el siglo XIX y los posteriores desarrollos en la tecnología de inyección y en la instrumentación y control
    de procesos, la producción masiva de acero se ha convertido en una parte integral de la economía global y un indicador clave del desarrollo tecnológico moderno.5 Históricamente, el primer medio sistematizado de producir acero fueron los denominados
    hornos bajos.

  • A medida que se llenaban los pozos de alquitrán alrededor de las fundiciones, los químicos se dieron cuenta y encontraron formas de producir colorantes de anilina y medicamentos
    a partir de esta sustancia.19 La reducción del consumo de carbón/coque se hizo posible gracias al sistema de insuflado de burbujas de aire caliente ideado por James Beaumont Neilson, que además generaba temperaturas más altas y producía un
    acero mejor.20 Había dos métodos diferentes para proteger el hierro del azufre presente en la hulla utilizada para refinarlo.

  • El ímpetu para el rápido aumento de la producción de acero se produjo a mediados del siglo XIX a través de la aplicación simultánea de varias invenciones técnicas: la máquina
    de vapor proporcionó a la industria una fuente de energía mecánica potente y flexible, la hulla se transformaba en coque en grandes plantas y el desarrollo del ferrocarril y los barcos de vapor promovieron el acceso a nuevos y grandes mercados
    para las ventas de acero.

  • La pudelación fue inicialmente un medio empleado para producir hierro forjado, pero luego se aplicó a la producción de acero.

  • Época moderna[editar] Artículo principal: Tecnología en el Renacimiento Tras el final de la Edad Media, la división del trabajo seguía siendo similar a la de la antigüedad,
    con la presencia de artesanos dedicados a la fabricación de herramientas, armas y todo tipo de instrumentos de hierro.14 Además de la división profesional del trabajo, también había diferencias regionales.

  • En el proceso, las impurezas como el nitrógeno, el silicio, el fósforo, el azufre y el exceso de carbono (la impureza más importante) se eliminan del hierro obtenido; y además
    se suelen agregar elementos de aleación como manganeso, níquel, cromo, vanadio y carbono en su caso, para producir diferentes tipos de acero.

  • Si bien el procedimiento permitía obtener mayores volúmenes de producción que antes, era un proceso manual que no podía mecanizarse, convirtiéndose en el cuello de botella
    de toda la cadena de operaciones necesarias para obtener el producto terminado a partir del mineral.22 El hierro, una vez pudelado, se trabajaba bajo el martillo de forja (en una operación denominada cinglado) para eliminar los residuos de
    escoria y homogeneizar el material, un proceso que también tenía un gran impacto en la calidad del acero.

  • Procesos de alta industrialización y siderurgia en masa[editar] Taller de fragua (1890) Convertidor de soplado Bessemer (1941) Las innovaciones más importantes de esta época
    se refieren al desarrollo de procesos para la producción en masa de acero barato y al mismo tiempo de alta calidad; y al movimiento de racionalización, que fue de la mano con una producción más económica.

  • En Europa se hicieron intentos para utilizar nuevos materiales más resistentes al calor, pero en los Estados Unidos, donde había una gran necesidad de acero, simplemente se
    reemplazaba toda la solera en unos minutos y luego se continuaba con la producción.

  • El mineral de hierro reaccionaba con el carbono del carbón vegetal, y gracias al contenido de carbono, la temperatura del alto horno estaba ahora por encima de la temperatura
    de fusión, por lo que se produjo por primera vez arrabio líquido que, sin embargo, no podía forjarse debido al alto contenido de carbono de alrededor del 4%.

  • Por ejemplo, en el área alrededor de la localidad alemana de Solingen comenzó una incipiente especialización preindustrial: los molinos hidráulicos de martillos accionados
    directamente por las aguas del río Wupper estaban dedicados a la forja de armas e instrumentos afilados (para lo que se necesitaba una mayor potencia), mientras que las piezas sin terminar se preparaban en otros molinos menos eficaces localizados
    en sus afluentes, situados hasta a una hora de distancia de viaje.15 • Fabricante de cotas de malla • Cuchillero • Herrero • Armero • Calderero Época industrial[editar] Artículo principal: Tecnología en la Industrialización Herrero, pintura
    al óleo de Joseph Wright, 1772 La producción de hierro a partir de sus menas requería la realización de varios pasos:16 1.

  • Un aspecto importante de la Revolución Industrial fue el desarrollo de métodos a gran escala para producir metal forjable (hierro forjado o acero).

  • En Alemania adquirieron un gran desarrollo los procesos de ferrería que permitían afinar el hierro para producir acero, y posteriormente aparecieron nuevas técnicas de fabricación
    para obtener acero de cementación y acero de crisol.

  • El convertidor permanecía inactivo el resto del tiempo, debido principalmente a las grandes necesidades de reparación de los fondos de los convertidores, que se desgastaban
    después de seis coladas como máximo, y requerían unas 10 horas para repararse.

  • Después del mantenimiento, se necesitaban unas dos horas para la carga de materiales y aditivos para la formación de escoria.

  • La importancia del acero para esa época está simbolizada por la Torre Eiffel (aunque todavía de hierro pudelado debido al alto requisito de resistencia a la rotura), que se
    construyó con motivo de la Exposición Universal de 1889 de París como un monumento al progreso técnico.

  • Una vez que se ha alcanzado un cierto nivel de temperatura, el aire frío y el flujo de gas se desvían mediante una válvula de cambio y se alimentan a través de estas cámaras
    calentadas al segundo cabezal del horno para la combustión; la dirección del flujo se invierte.

  • El proceso fue desarrollado a mediados de la década de 1970 en la acería de Maxhütte junto con lo que entonces era Vöest-Alpine (su división de construcción de plantas industriales).

  • Los nuevos usos del hierro en el siglo XIX fueron las locomotoras de vapor, los rieles del ferrocarril y sus puentes.25 La industria siderúrgica tenía en todos los países,
    independientemente de consideraciones económicas, una enorme trascendencia política, ya que se trataba también de una cuestión de prestigio nacional además de ser un indicador del desarrollo técnico y económico y de su importancia para la
    industria armamentista.

  • El oxígeno contenido en el aire quemaba el carbono y otros elementos acompañantes indeseables en solo 20 minutos y al mismo tiempo también calentaba el arrabio para que el
    acero pudiera ser fundido y alcanzara el estado líquido por primera vez.

  • Sin embargo, el procedimiento tenía dos desventajas: solo era adecuado para minerales bajos en fósforo (que eran raros, especialmente en Alemania);29 y el nitrógeno químicamente
    neutro del aire se disolvía en la masa fundida del acero, lo que hacía que el material obtenido fuese duro pero también quebradizo.

  • Durante la Alta Edad Media, herreros artesanales producían todo tipo de aperos agrícolas, como guadañas, hoces y rejas de arado.11 Aproximadamente desde el siglo XII, los
    hornos ya no se construían en el suelo, sino en la superficie (precursores de los altos hornos) y, además, para obtener temperaturas más altas, se les suministraba aire mediante fuelles impulsados por agua, y se desarrollaron martillos pilones
    impulsados por molinos hidráulicos o de viento para el mecanizado del acero.

  • Sin embargo, solo se consumía alrededor del 20% del gas, y se realizaron esfuerzos para mejorar su aprovechamiento, pasando a quemarse con el fin de evaporar agua para las
    máquinas de vapor que impulsaban los trenes de laminación, lo que se tradujo en un acoplamiento técnico rígido entre el número de altos hornos y el número de trenes de laminación.

  • Debido a que el hierro con bajo contenido de carbono tiene un punto de fusión más alto, se formaban lentejones que se retiraban del crisol.

  • Los cálibes, (gente de acero), un pueblo de la antigüedad que habitaba el norte de la actual Turquía, recibieron su nombre.

  • La fundición de hierro es un material duro y quebradizo que es difícil de trabajar, mientras que el acero es maleable, relativamente fácil de moldear y de gran versatilidad.

  • En los últimos tiempos, la tecnología de fabricación de acero con oxígeno se ha ido generalizando a medida que se ha introducido más energía química en el proceso.2 La siderurgia
    es una de las industrias más intensivas en emisiones de carbono del mundo.

  • En el proceso Thomas, se utilizaba una mezcla de dolomía-alquitrán para revestir el horno, que tiene un efecto básico.

  • Los últimos minutos del proceso se empleaban para eliminar el oxígeno, añadir los elementos de aleación y realizar el colado después de alcanzar la temperatura requerida.30
    El proceso Martin-Siemens proporcionó un acero de mayor calidad, pero algo más caro debido a que el procedimiento era más complejo.

  • Forjado y laminado en barras, carriles o planchas El principal aspecto novedoso de la fabricación del acero en la época industrial fue el desarrollo de las técnicas metalúrgicas,
    que a partir del siglo XVIII se pusieron en práctica a escalas impensables hasta entonces.

  • Este proceso sirvió para producir la mayor parte del acero hasta 1960, ya que también era una excelente forma de reciclar la chatarra.

  • En la actualidad, existen dos procesos comerciales principales para fabricar acero, a saber, la acería de oxígeno básico, que utiliza arrabio líquido de alto horno y chatarra
    de acero como principales materias primas, y el horno de arco eléctrico (EAF), un sistema que utiliza chatarra de acero o hierro de reducción directa (DRI) como las principales materias primas.

  • Anteriormente, Plinio el Viejo (23/24–79 d. C.) pensaba que la calidad del agua era el factor clave.8 El nombre en griego del hierro o acero endurecido era χάλυψ (chalybs).

  • Historia La fabricación de acero ha jugado un papel crucial en el desarrollo de las sociedades tecnológicas antiguas, medievales y modernas.

  • Para satisfacer la gran demanda de los ferrocarriles, también se hicieron algunos intentos para mecanizar el proceso de pudelado, pero no tuvieron éxito.

  • De esta forma, se podían lograr importantes ahorros de energía y se podrían mantener temperaturas por encima de la de fusión del acero el tiempo deseado.

  • La fabricación de acero con oxígeno se alimenta principalmente de la naturaleza exotérmica de las reacciones dentro del recipiente; por el contrario, en la fabricación de
    acero en horno eléctrico, la energía eléctrica se utiliza para fundir la chatarra sólida y/o el hierro reducido.

  • Hoy se conserva como patrimonio histórico industrial.313233 El proceso se adaptó en los últimos años del siglo XIX para la producción continua de vidrio en masa, y se desarrolló
    aún más en términos de diseño y eficiencia energética, de forma que continúa usándose en la actualidad con este propósito.

  • También es importante limitar los gases disueltos como nitrógeno y oxígeno y las impurezas arrastradas (denominadas “inclusiones”) para garantizar la calidad de los productos
    fundidos a partir del metal obtenido.1 La fabricación del acero ha existido durante milenios, pero no fue comercializado en una escala relativamente masiva hasta finales del siglo XIV.

  • Un antiguo proceso de fabricación de acero fue el crisolado.

  • Aunque el acero se refinaba en grandes plantas industriales en un convertidor Bessemer después de solo 20 minutos, únicamente se podían producir de cinco a seis lotes por
    día.

  • Estas acerías eran excelentes recicladoras de chatarra, pero solo desempeñaban un papel menor en el mercado general, donde seguían compitiendo tres sistemas diferentes: los
    convertidores Bessemer y Thomas, capaces de producir acero un poco más barato; y el proceso Martin-Siemens con el que se obtenía un acero de mejor calidad.

  • El contenido de carbono deseado se podía establecer con mucha precisión a través de este proceso lento, que requería un período de varias horas.

  • Los primeros métodos modernos de producción de acero a menudo requerían mucha mano de obra y eran actividades altamente cualificadas.

  • Herreros especializados en grandes piezas y otros dedicados a producir piezas más delicadas a menudo trabajaban en la misma fragua.

  • Para fundir los minerales en el alto horno, era necesario que el mineral entrara en contacto con el carbón, cuyo contenido en carbono formaba parte de las reacciones químicas
    necesarias para convertir el hierro en acero.

  • Hasta entonces, se habían hecho intentos para optimizar los costos de cada sistema, y el volumen de producción era una variable resultante.

  • El hierro forjable, y por primera vez el acero endurecible simple, aparecieron sobre el siglo V a. C. El hierro6 reemplazó gradualmente a los materiales a base de cobre utilizados
    anteriormente (como el bronce), gracias a su mayor dureza y resistencia.

  • Los hornos Martin-Siemens estaban inicialmente diseñados para la producción de 10 toneladas de acero en cada ciclo, pero debido a cuestiones de economía de escala, llegaron
    a ampliarse a las 600 toneladas de capacidad en los Estados Unidos.

  • Solo con el aire inyectado, el convertidor Thomas-Bessemer podía generar y mantener las temperaturas más altas en metalurgia hasta ese momento, generando calor sin consumír
    combustible adicional como pasaba en el pasado.

  • La fabricación del acero es el conjunto de procedimientos necesarios para producir este material a partir de mineral de hierro y/o chatarra.

  • Los productos de la reacción son acero en bruto y escoria.

  • Cuando se alcanza un cierto nivel de temperatura, la dirección del flujo en las cámaras se invierte nuevamente.

  • Así mismo, aparecieron otras labores de forja especializadas en fabricar determinados utensilios como cuchillos, herraduras, hoces, clavos, armaduras, lanzas, flechas o cerraduras.9
    En la antigüedad, las tareas más duras relacionadas con el trabajo del hierro a menudo eran realizadas por esclavos.10 Edad Media[editar] Escoria de horno medieval A principios de la Edad Media, la división del trabajo no estaba muy marcada.

  • Pudelación[editar] Artículo principal: Pudelación Puente ferroviario de Griethausen, una celosía hecha de hierro pudelado (1865) Planos de un horno de pudelación (1895) La
    pudelación, un proceso inventado por Henry Cort en Inglaterra en 1784, adquirió rápidamente una gran difusión.

  • El acero Thomas era incluso un poco más duro y más frágil que el acero Bessemer y era muy adecuado por su flexibilidad para fabricar cables o tuberías, y menos para la construcción
    de puentes o barcos.

  • Dentro de la tecnología de producción, el hierro o el acero ahora podían usarse como material de construcción para las máquinas herramienta,17 cada vez más precisas y eficientes.

  • El gas también se calienta por separado en otra cámara, aunque a un nivel de temperatura más bajo, mediante celosías de ladrillos refractarios calentados en las cámaras regenerativas.

  • Sin embargo, a partir de ese momento pasó a estar predeterminado por los carteles, la formación de Konzern en Alemania (grupos de empresas vinculados por relaciones financieras),
    las tarifas protectoras preconizadas por algunos estados y otras influencias económicas.

  • Este requisito no constituía un problema con el carbón vegetal, que es casi en su totalidad carbono, pero el carbón bituminoso más económico estaba muy contaminado con azufre
    y otros elementos que degradaban el metal producido.

  • El hierro recién obtenido se dejaba enfriar lo suficiente como para solidificarse y luego se laminaba.

  • El horno también requería un intensivo mantenimiento que consumía mucho tiempo, durante el que estaba inactivo.

  • Este material casi no contenía carbono y era bastante parecido al acero actual, pero se obtenía de una manera diferente y, por lo tanto, estaba más contaminado con impurezas.

  • El cuello de botella en la producción del acero seguía siendo el refinado en los hornos de pudelación.

  • En los grupos siderúrgicos integrados verticalmente, propietarios de sus minas de mineral, altos hornos, plantas Bessemer o Martin-Siemens y trenes de laminación, se trataba
    de minimizar los costos de todas las empresas del grupo.38 Proceso OBM Convertidor de acero/oxígeno mediante el proceso OBM (inyección de oxígeno en el fondo), utilizado de 1974 a 1992 en el complejo industrial de Maxhütte (Unterwellenborn,
    Alemania) En el proceso OBM (procedimiento metalúrgico de soplado inferior de oxígeno desarrollado en el complejo industrial de Maxhütte), se inyectan oxígeno y metano o propano en la masa fundida a través de boquillas situadas anularmente
    en la parte inferior del convertidor, refrigeradas por gas.

  • El auge de la minería del carbón de hulla en Gran Bretaña permitió prescindir del escaso y costoso carbón vegetal, de forma que los materiales ferrosos se abarataron y los
    volúmenes de producción aumentaron espectacularmente.

  • Las acerías estadounidenses producían las 24 horas del día y, por primera vez, de manera rápida y eficiente, lo que impresionó particularmente a los observadores procedentes
    de Europa.

  • Plantas metalúrgicas integradas[editar] Soplador de pistón con motor de gas de alto horno (foto de 1905) Para aumentar la eficiencia, pronto surgieron plantas metalúrgicas
    integradas capaces de utilizar los subproductos generados en la fabricación de acero.

 

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