Acero
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El acero es una aleación de hierro y otros elementos, incluyendo carbono . Cuando el carbono es el elemento de aleación principal, su contenido en el acero es de entre 0,002% y 2,1% en peso. Los siguientes elementos están siempre presentes en el acero: carbono, manganeso , fósforo , azufre , silicio , y trazas de oxígeno , nitrógeno y aluminio . Elementos de aleación añadidos intencionalmente para modificar las características de acero incluyen: manganeso, níquel , cromo , molibdeno , boro , titanio , vanadio y niobio .
Carbono y otros elementos actúan como un agente de endurecimiento, evitando dislocaciones en el átomo de hierro red cristalina se deslicen una sobre otra. La variación de la cantidad de elementos de aleación y la forma de su presencia en el acero (elementos de soluto, el precipitado fase) controla cualidades tales como la dureza, ductilidad, y resistencia a la tracción del acero resultante. De acero con mayor contenido de carbono se puede hacer más duro y fuerte que el hierro, pero tales acero es también menos dúctil que el hierro.
Las aleaciones con un carbono más alto que 2,1% (dependiendo de otros contenidos elemento y posiblemente en el procesamiento) se conocen como hierro fundido. Debido a que no son maleables, incluso cuando está caliente, se puede trabajar sólo por fundición, y tienen menor punto de fusión y buena colabilidad. El acero también se distingue de hierro forjado, que puede contener una pequeña cantidad de carbono, pero se incluye en la forma de escoria inclusiones.
Aunque el acero se había producido en la fragua de un herrero durante miles de años, su uso se hizo más extensa después de métodos de producción más eficientes han sido concebidos en el siglo 17. Con la invención de la Proceso Bessemer en la mitad del siglo 19, el acero se convirtió en un barato material de masa. Otras mejoras en el proceso, tales como la fabricación de acero de oxígeno básico (BOS), bajó el costo de producción al tiempo que aumenta la calidad del metal. Hoy en día, el acero es uno de los materiales más comunes en el mundo, con más de 1,3 millones de toneladas producidas anualmente. Es un componente importante en la edificación, infraestructura, herramientas, barcos, automóviles , máquinas, aparatos y armas. Acero moderno se identifica generalmente por diversos grados definidos por surtidos organizaciones de estándares.
Propiedades materiales
El hierro se encuentra en la Tierra 's corteza sólo en la forma de una mineral, por lo general un óxido de hierro, tales como magnetita, hematita etc. El hierro se extrae de de mineral de hierro mediante la eliminación del oxígeno y combinando el mineral con un socio preferido química tal como carbono. Este proceso, conocido como fundición, se aplicó primero a los metales con una menor puntos de fusión, tales como estaño , que funde a aproximadamente 250 ° C (482 ° F) y de cobre , que se funde a aproximadamente 1100 ° C (2010 ° F). En comparación, el hierro fundido se funde a aproximadamente 1375 ° C (2507 ° F). Pequeñas cantidades de hierro se funden en la antigüedad, en estado sólido, calentando el mineral enterrado en un fuego de carbón y soldar el metal junto con un martillo, exprimiendo las impurezas. Con cuidado, el contenido de carbono podría ser controlado por cambiarlo de sitio en el fuego.
Todas estas temperaturas podrían ser alcanzados con los métodos antiguos que se han utilizado desde la Edad del Bronce . Dado que la tasa de oxidación del hierro aumenta rápidamente más allá de 800 ° C (1470 ° F), es importante que la fundición tiene lugar en un ambiente bajo en oxígeno. A diferencia de cobre y estaño, líquido o sólido de hierro se disuelve de carbono con bastante facilidad. Resultados de fundición en una aleación ( cerdo de hierro) que contiene demasiado carbono que se llamará acero. El exceso de carbono y otras impurezas se eliminan en una etapa posterior.
Otros materiales a menudo se añaden a la mezcla de hierro / carbono para producir acero con propiedades deseadas. níquel y manganeso en el acero se añaden a su resistencia a la tracción y hacen que el forma austenita de la solución de hierro-carbono más estable, el cromo aumenta la dureza y la temperatura de fusión, y de vanadio también aumenta la dureza al tiempo que reduce los efectos de la fatiga del metal.
Para inhibir la corrosión, se añade al menos 11% de cromo al acero de manera que un disco formas de óxido sobre la superficie del metal; esto se conoce como acero inoxidable. Tungsteno interfiere con la formación de cementita, permitiendo martensita para formar preferentemente a tasas de enfriamiento más lentas, resultando en acero de alta velocidad. Por otro lado, azufre, nitrógeno y fósforo hacen de acero más frágil, por lo que estos elementos se encuentran comúnmente se debe quitar de la mena durante el procesamiento.
La densidad del acero varía en función de los componentes de aleación, pero por lo general oscila entre 7.750 y 8.050 kg / m 3 (484 y 503 libras / pies cúbicos), o 7,75 y 8,05 g / cm 3 (4,48 y 4,65 oz / cu in).
Incluso en el estrecho rango de concentraciones que componen de acero, las mezclas de carbono y hierro pueden formar un número de diferentes estructuras, con propiedades muy diferentes. La comprensión de estas propiedades es esencial para la fabricación de acero de calidad. En temperatura ambiente, la forma más estable de hierro es el centrada en el cuerpo cúbico (BCC) estructura α- ferrita. Es un metal bastante suave que puede disolver sólo una pequeña concentración de carbono, no más de 0,021% en peso a 723 ° C (1333 ° F), y sólo 0,005% a 0 ° C (32 ° F). Si el acero contiene más de 0,021% de carbono a temperaturas de producción de acero se transforma en una cúbico (FCC) estructura centrada en las caras, llamado austenita o γ-hierro. También es suave y metálico, pero puede disolver considerablemente más carbono, tanto como 2,1% de carbono a 1148 ° C (2098 ° F), lo que refleja el contenido de carbono superior de acero.
Cuando se enfrían aceros con menos de 0,8% de carbono, conocido como un acero hipoeutectoide, la fase austenítica de la mezcla intenta volver a la fase de ferrita, lo que resulta en un exceso de carbono. Una forma de carbono para salir de la austenita es que se precipitar fuera de la solución como cementita, dejando tras de hierro que es lo suficientemente bajo en carbono para tomar la forma de ferrita, lo que resulta en una matriz de ferrita con inclusiones de cementita. Cementita es un duro y quebradizo compuesto intermetálico con la fórmula química de Fe 3 C. En el eutectoide, 0,8% de carbono, la estructura de enfriado toma la forma de perlita, llamado así por su parecido con madreperla. Para los aceros que tienen más de 0,8% de carbono de la estructura enfriado toma la forma de perlita y cementita.
Quizás el más importante forma polimórfica del acero es martensita, una fase metaestable que es significativamente más fuerte que otras fases de acero. Cuando el acero se encuentra en una fase austenítica y luego templa rápidamente, se forma en martensita, como la "congelación" átomos en su lugar cuando la estructura celular de los cambios de la FCC para BCC. Dependiendo del contenido de carbono de la fase martensítica toma diferentes formas. Por debajo de aproximadamente 0,2% de carbono que se necesita una forma cristalina BCC ferrita α, pero a mayor contenido de carbono que se necesita una tetragonal (BCT) estructura centrada en el cuerpo. No hay térmica energía de activación para la transformación de austenita a martensita. Por otra parte, no hay ningún cambio de composición de modo que los átomos generalmente conservan sus mismos vecinos.
La martensita tiene una densidad más baja que hace austenita, de modo que la transformación entre ellos resulta en un cambio de volumen. En este caso, la expansión se produce. Las tensiones internas de esta expansión generalmente toman la forma de la compresión en los cristales de martensita y la tensión en la ferrita restante, con una cantidad razonable de trasquilar en ambos componentes. Si la extinción se realiza incorrectamente, las tensiones internas pueden causar una parte para romper medida que se enfría. Por lo menos, que causa interna endurecimiento de trabajo y otras imperfecciones microscópicas. Es común que las grietas de temple para formar cuando el acero se enfría el agua, a pesar de que no siempre pueden ser visibles.
Tratamiento térmico
Hay muchos tipos de tratamiento térmico procesos disponibles para el acero. Los más comunes son de recocido y temple y revenido. El recocido es el proceso de calentar el acero a una temperatura suficientemente alta para que se ablande. Este proceso se produce a través de tres fases: recuperación, recristalización, y el crecimiento del grano. La temperatura requerida para recocer acero depende del tipo de recocido y los constituyentes de la aleación.
Temple y revenido primera implica el calentamiento del acero a la fase austenita, luego enfriar en agua o aceite. Este rápido resultados de enfriamiento en una estructura martensítica dura y quebradiza. Luego se templó el acero, que es sólo un tipo especializado de recocido. En esta aplicación, el proceso de recocido (revenido) transforma algunos de la martensita en cementita, o spheroidite para reducir las tensiones y defectos internos, que finalmente resulta en una dúctil y resistente a la fractura de metal más.
La producción de acero
Cuando el hierro se funde de su mineral por procesos comerciales, contiene más carbono que es deseable. Para llegar a ser de acero, debe fundirse y reprocesarse para reducir el carbono a la cantidad correcta, en la que se pueden añadir otros elementos puntuales. Este líquido es entonces de fundición continua en losas largas o echado en lingotes. Aproximadamente el 96% del acero se funde de forma continua, mientras que sólo el 4% se produce en forma de lingotes.
Los lingotes se calientan en una pit remojo y laminados en caliente en las losas, floraciones, o palanquillas. Las losas son calientes o laminado en frío en hoja de metal o placas. Piezas brutas son caliente o frío en barras, varillas y alambre. Las flores son caliente o frío en acero estructural, tales como Vigas I y carriles. En las fábricas de acero modernos estos procesos ocurren a menudo en uno línea de montaje, con el mineral que entra y acero acabado saliendo. A veces, después de laminación final de un acero que se trata con calor para la fuerza, sin embargo, esto es relativamente raro.
Historia de la siderurgia
Acero antiguo
Acero era conocido en la antigüedad, y puede haber sido producido por la gestión bloomeries o instalaciones de hierro de fundición, en la que la floración contenía carbono.
La producción más antiguo conocido de acero es un pedazo de artículos de ferretería excavado de un sitio arqueológico en Anatolia ( Kaman-Kalehoyuk) y está a unos 4.000 años de antigüedad. Los demás aceros antigua proviene de África del Este , que se remonta a 1400 antes de Cristo. En las armas de acero siglo antes de Cristo, como el cuarto Falcata se produjeron de la Península Ibérica, mientras que Acero Noric fue utilizado por el Militar romano.
Acero se produce en grandes cantidades en Esparta alrededor de 650BC.
Los chinos de la Estados Combatientes (403-221 aC) tenían saciar endurecido de acero, mientras que el chino de la Dinastía Han (202 aC - 220 dC) creado acero fundiendo hierro forjado junto con hierro fundido, obteniendo un producto final de un acero de carbono intermedio por el siglo 1 DC. La Haya pueblo de África del Este inventaron un tipo de alto horno de alta temperatura se utilizan para fabricar acero de carbono a 1802 ° C (3276 ° F) hace casi 2.000 años.
Acero Wootz y acero de Damasco
Evidencia de la primera producción de acero de alto carbono en el Subcontinente Indio se encuentra en Área Samanalawewa en Sri Lanka . Acero Wootz fue producida en la India por el 300 aC. Sin embargo, el acero era una vieja tecnología en la India cuando Poros presentó una espada de acero al Emperador Alejandro en el 326 antes de Cristo. La tecnología del acero obviamente existía antes de 326 aC como el acero que se exportaba al mundo árabe en ese momento. Dado que la tecnología fue adquirido de los tamiles de India del Sur, el origen de la tecnología de acero en la India se puede estimar conservadoramente en 400 a 500 antes de Cristo.
Junto con sus métodos originales de forjar el acero, los chinos también habían adoptado los métodos de producción de la creación Acero Wootz, una idea importada a China desde la India en el siglo 5 dC. En Sri Lanka, este método de fabricación de acero temprana empleó un horno de viento único, impulsado por los vientos monzones, capaz de producir acero de alto carbono.
También conocido como acero de Damasco , wootz es famoso por su durabilidad y capacidad de mantener un borde. Fue creado originalmente de un número de materiales diferentes, incluyendo diversos oligoelementos. Era esencialmente una aleación complicado con hierro como su principal componente. Estudios recientes han sugerido que Los nanotubos de carbono se incluyeron en su estructura, lo que podría explicar algunas de sus cualidades legendarias, aunque dada la tecnología disponible en ese momento, que fueron producidos por casualidad más que por diseño. Se utilizó viento natural en el que el suelo que contiene hierro se calentó por el uso de la madera. La antigua cingaleses logró extraer una tonelada de acero por cada 2 toneladas de suelo, una hazaña notable en el momento. Uno de estos hornos se encontró en Samanalawewa y arqueólogos fueron capaces de producir acero como lo hicieron los antiguos.
Crisol de acero, formada por calentamiento y enfriamiento de hierro puro y el carbono (típicamente en forma de carbón vegetal) en un crisol lentamente, se produjo en Merv por 9 al siglo 10 dC. En el siglo 11, hay evidencia de la producción de acero en China Song mediante dos técnicas: un método "berganesque" que produjo, no homogénea de acero inferior y un precursor para el proceso de Bessemer moderna que utiliza la descarbonización parcial a través de la forja repetida bajo una de viento frío.
Siderurgia moderna
Desde el siglo 17, el primer paso en la producción de acero en Europa ha sido la fundición del mineral de hierro en arrabio en un alto horno. Originalmente usando carbón, los métodos modernos utilizan coque, que ha demostrado ser más económico.
Procesos a partir de barras de hierro
En estos procesos de arrabio fue "multado" en un Ferrería para producir barra de hierro (hierro forjado), que luego se utiliza en la fabricación de acero.
La producción de acero por el proceso de cementación fue descrito en un tratado publicado en Praga en 1574 y estaba en uso en Nuremberg de 1601. Un proceso similar para cementación armadura y archivos fue descrito en un libro publicado en Nápoles en 1589. El proceso fue introducido en Inglaterra en aproximadamente 1614 y se utiliza para producir tales acero por Sir Basilio Brooke en Coalbrookdale durante los 1610s.
La materia prima de este proceso eran barras de hierro forjado. Durante el siglo 17, se dio cuenta de que el mejor vino del acero oregrounds hierro de una región al norte de Estocolmo , Suecia . Este fue todavía la fuente de materia prima habitual en el siglo 19, casi tan larga como se utilizó el proceso.
Crisol de acero es acero que ha sido fundido en una crisol en lugar de haber sido forjado, con el resultado de que es más homogéneo. La mayoría de los hornos anteriores no pudieron llegar a temperaturas lo suficientemente altas como para fundir el acero. La industria del acero de crisol moderno temprano fue resultado de la invención de Benjamin Huntsman en la década de 1740. Acero Blister (hecho como anteriormente) se fundió en un crisol o en un horno, y fundido (generalmente) en lingotes.
Procesos a partir de arrabio
La era moderna en la fabricación de acero se inició con la introducción de Henry Bessemer de Proceso Bessemer en 1858, la materia prima de la que era arrabio. Su método le permitió producir acero en grandes cantidades a bajo precio, por lo tanto acero dulce llegó a ser utilizado para la mayoría de los propósitos para los que el hierro forjado fue utilizado anteriormente. El proceso de Gilchrist-Thomas (o proceso básico Bessemer) fue una mejora al proceso de Bessemer, hecho por el forro el convertidor con una material básico para eliminar el fósforo. Otra mejora en la fabricación de acero fue el Proceso Siemens-Martin, que complementa el proceso de Bessemer.
Estos métodos de producción de acero se hagan obsoletas por el proceso de Linz-Donawitz de fabricación de acero de oxígeno básico (BOS), desarrollado en la década de 1950, y otros métodos de fabricación de acero de oxígeno. Fabricación de acero básico de oxígeno es superior a los métodos de producción de acero anteriores debido a que el oxígeno bombeado en las impurezas límites de horno que previamente habían entrado en el aire utilizado. Hoy en día, hornos de arco eléctrico (EAF) son un método común de reprocesamiento chatarra para crear nuevo acero. También pueden ser utilizados para la conversión de arrabio al acero, pero utilizan una gran cantidad de electricidad (alrededor de 440 kWh por tonelada métrica), y son por lo tanto generalmente sólo es económica cuando hay un suministro abundante de electricidad barata.
Industria siderúrgica
Hoy en día es común hablar de "la industria del hierro y el acero", como si se tratara de una sola entidad, pero históricamente eran productos separados. La industria del acero a menudo se considera un indicador de progreso económico, debido al papel fundamental desempeñado por el acero en la infraestructura y en general desarrollo economico.
En 1980, había más de 500 mil trabajadores del acero de Estados Unidos. Para el 2000, el número de trabajadores del acero se redujo a 224.000.
La auge económico de China, y la India ha causado un aumento masivo de la demanda de acero en los últimos años. Entre 2000 y 2005, la demanda mundial de acero aumentó en un 6%. Desde 2000, varias firmas de acero de India y China han adquirido importancia como Tata Steel (que compró Grupo Corus en 2007), Shanghai Baosteel Group Corporation y Grupo Shagang. Sin embargo ArcelorMittal es el mundo de el mayor productor de acero.
En 2005, la British Geological Survey indicó China fue el productor de acero superior con alrededor de un tercio de la cuota mundial; Japón, Rusia y los EE.UU. siguieron respectivamente.
En 2008, comenzó acero el comercio como una mercancía en el Londres Bolsa de Metales. A finales de 2008, la industria del acero sufrió un fuerte revés que llevó a muchos recortes.
La industria siderúrgica mundial alcanzó su punto máximo en 2007. Ese año, ThyssenKrupp gastó 12 mil millones dólares para construir las dos plantas más modernas del mundo, en Alabama y Brasil. La gran recesión en todo el mundo a partir de 2008, sin embargo, con sus fuertes recortes en la construcción, fuertemente bajó la demanda y los precios cayeron. ThyssenKrupp pierde $ 11 mil millones en sus dos nuevas plantas, que se vendió de acero debajo del costo de producción. Finalmente en 2013, ThyssenKrupp ofreció las plantas para la venta en menos de $ 4 mil millones.
Reciclaje
Acero Contemporáneo
Aceros modernos están hechos con diferentes combinaciones de metales de aleación para cumplir muchos propósitos. Acero al carbono, compuesto simplemente de hierro y carbono, representa el 90% de la producción de acero. Alta resistencia de acero de baja aleación tiene pequeñas adiciones (generalmente <2% en peso) de otros elementos, típicamente 1,5% de manganeso, para proporcionar resistencia adicional para un aumento de precios modesto.
Acero de baja aleación está aleado con otros elementos, por lo general de molibdeno , manganeso, cromo o níquel, en cantidades de hasta 10% en peso para mejorar la templabilidad de secciones gruesas. Los aceros inoxidables y aceros inoxidables quirúrgicos contienen un mínimo de 11% de cromo, a menudo combinado con níquel, para resistir la corrosión (oxidación). Algunos aceros inoxidables, tales como el Los aceros inoxidables ferríticos son magnético , mientras que otros, como el austenítico, es no magnético . Los aceros inoxidables se abrevian de la CRES.
Algunos aceros más modernas incluyen aceros para herramientas, que se alea con grandes cantidades de tungsteno y cobalto o de otros elementos para maximizar endurecimiento por solución. Esto también permite el uso de endurecimiento por precipitación y mejora la resistencia a la temperatura de la aleación. Aceros de instrumento se utiliza generalmente en ejes, taladros y otros dispositivos que necesiten un borde afilado, de larga duración de corte. Otras aleaciones para usos especiales incluyen aceros meteorización como Cor-ten, que el tiempo mediante la adquisición de una superficie estable y oxidado, y así se puede utilizar un-pintado.
Existen muchas otras aleaciones de alta resistencia, tales como de acero de doble fase, que se trata térmicamente para contener tanto una microestructura ferrítico y martensítico para la fuerza adicional. Transformación plasticidad inducida (TRIP) de acero de aleación, que implica tratamientos térmicos especiales para estabilizar cantidades de austenita a temperatura ambiente en aceros ferríticos de baja aleación normalmente libre de austenita. Mediante la aplicación de tensión al metal, la austenita se somete a una transición de fase en martensita sin la adición de calor. Aceros martensíticos es aleado con níquel y otros elementos, pero a diferencia de la mayor parte de acero casi no contiene carbono en absoluto. Esto crea una muy fuerte pero todavía metal maleable.
Twinning Induced Plasticidad (TWIP) de acero utiliza un tipo específico de tensión para aumentar la eficacia del trabajo de endurecimiento de la aleación. Eglin acero utiliza una combinación de más de una docena de elementos diferentes en cantidades variables para crear un metal relativamente bajo costo para su uso en armas revienta-búnkeres. Acero Hadfield (después Sir Robert Hadfield) o acero al manganeso contiene 12-14% de manganeso que cuando se raspa forma una piel muy duro que resiste al desgaste. Los ejemplos incluyen orugas de los tanques, bordes de la hoja topadora y hojas cortantes en la quijadas de la vida.
La mayoría de las aleaciones de acero más comúnmente utilizados se clasifican en diferentes grados por organizaciones de estándares. Por ejemplo, el Sociedad de Ingenieros Automotrices tiene una serie de grados que definen muchos tipos de acero. La Sociedad Americana para Pruebas y Materiales tiene un conjunto de normas, que definen como aleaciones A36 de acero, el acero estructural más comúnmente utilizado en los Estados Unidos.
Aunque no es una aleación, acero galvanizado es una variedad comúnmente utilizada de acero que ha sido caliente por inmersión o electrochapado en zinc para la protección contra la oxidación.
Usos
El hierro y el acero se utilizan ampliamente en la construcción de carreteras, ferrocarriles, otras infraestructuras, electrodomésticos y edificios. La mayoría de las grandes estructuras modernas, como estadios y rascacielos, puentes , y aeropuertos, son apoyados por un esqueleto de acero. Incluso aquellos con una estructura de hormigón emplean acero para refuerzo. Además, se ve uso generalizado en los electrodomésticos y automóviles . A pesar del crecimiento en el uso de aluminio , todavía es el material principal para carrocerías de automóviles. El acero se utiliza en una variedad de otra materiales de construcción, tales como pernos, clavos y tornillos .
Otras aplicaciones comunes incluyen la construcción naval, transporte por tuberías, la minería , construcción marítima, aeroespacial, productos de línea blanca (por ejemplo, lavadora), equipo pesado como excavadoras, muebles de oficina, estropajo de acero, herramientas, y armadura en forma de chalecos personales o blindaje de vehículos (más conocido como armadura homogénea enrollado en este papel). Acero fue el metal de elección para el escultor Jim Gary y una opción frecuente para la escultura por muchos otros escultores modernos.
Histórico
Antes de la introducción del proceso de Bessemer y otras técnicas modernas de producción, el acero era caro y sólo se utiliza cuando no existía una alternativa más barata, sobre todo para el filo de los cuchillos, navajas, espadas, y otros artículos que se necesitaba un borde afilado duro. También se utilizó para manantiales, incluidas las utilizadas en aparatos de relojería .
Con el advenimiento de los métodos de producción más rápida y ahorrativos, el acero ha sido más fácil de obtener y mucho más barato. Ha reemplazado hierro forjado para una multitud de propósitos. Sin embargo, la disponibilidad de los plásticos en la última parte del siglo 20 permitió que estos materiales para sustituir el acero en algunas aplicaciones debido a su menor coste de fabricación y el peso. Fibra de carbono está sustituyendo el acero en alguna aplicación insensible costo tales como aviones, equipos deportivos y coches de gama alta.
Aceros largos
- Como las barras de refuerzo y malla en concreto reforzado
- Vías del tren
- El acero estructural en la moderna edificios y puentes
- Alambres
- Entrada a las aplicaciones Reforjar
Productos planos
- Electrodomésticos
- Núcleos magnéticos
- El cuerpo en el interior y el exterior de automóviles, trenes y barcos .
Acero inoxidable
- Cuchillería
- Gobernantes
- Quirúrgica equipo
- Relojes de pulsera
Acero de bajo fondo
Acero fabricado después de la Segunda Guerra Mundial se contaminó con radionucleidos debido a las pruebas de armas nucleares. Acero de bajo fondo, de acero fabricados antes de 1945, se utiliza para ciertas aplicaciones sensibles a la radiación, como Contadores Geiger y protección contra la radiación.
