Materiales de construcción metálicos. Aleaciones. Hierro. Acero. Fundición. Aplicaciones y usos comerciales

1. La metalurgia tiene por objeto la extracción de los minerales por una serie de medios y procedimientos, para lograr su transformación en productos útiles para la aplicación industrial. Antiguamente se podía considerar la metalurgia como un arte, del cual se transmitían de generación en generación los conocimientos empíricos y procedimientos considerados secretos para la obtención del cobre, del hierro y en especial del acero, atribuyéndose a fórmulas secretas la obtención de un buen producto. La capacidad personal del operario era un factor decisivo.
No hace mucho que la metalurgia se basa en amplios conceptos científicos cada vez más desarrollados y eficaces. Se ha demostrado que los procedimientos de extracción pueden ser muy variados, ero lógicamente el dato importante que ha de acompañar a la calidad es el costo de extracción, siendo entonces solamente los métodos que aseguran un mayor beneficio dentro del menor costo, los que la industria aplica como más convenientes.
2. Muy raramente se encuentran metales en estado de pureza como para ser empleados industrialmente, pero con frecuencia se los halla en la mina combinados con otros cuerpo de composición muy variada y de éstos, los más comunes son: los óxidos, sulfuros, carbonatos, silicatos, sulfatos y los fosfatos.
Para obtener los metales debe efectuarse una serie de operaciones que consisten en extraer cuerpos extraños perjudiciales, llamados ganga, y graduar los que pueden contribuir a determinada propiedad particular. Para ello se los somete a la trituración, lavado, calcinación, fusión y afinación.
Trituración. Consiste en fragmentar el metal en trozos de diversos tamaños, por medio de machacadoras mecánicas a mandíbula, molinos, etc.
Lavado. Tiene por objeto la separación de los minerales por medio del agua en movimiento, con lo cual y de acuerdo con sus densidades, se depositan en el fondo o son arrastrados por las aguas. Este proceso es ayudado con mesas y cajas con cernidores de gran tamaño.
Molienda. El material extraído es nuevamente triturado y luego molido, obteniéndose así unos trocitos no mayores a 25 mm. A partir de allí, pasa a la denominada molienda húmeda, donde llega al tamaño menor de 1 mm siendo luego llevado a un separador magnético donde se adhiere la magnetita, rica en hierro y se elimina el resto.
Llevada la magnetita al molino de bolas, en circuito cerrado con clasificadores de hidrociclones, es reducida al tamaño de 44 micrones y que al hacerla pasar por seis separadores magnéticos, sucesivamente, se llega a obtener el 69% de hierro y un mínimo de 0.25% de fósforo. Este último puede ser reducido al 0.15% mediante flotación espumosa.
Para obtener los pellets la magnetita es introducida en tambores, donde se le adiciona un porcentaje de bentonita, como aglomerante, estos pellets, en forma de bolitas, son llevados a los hornos verticales donde son endurecidas a una temperatura de 1300° C. En este estado se los lleva a los altos hornos para la producción del arrabio.
Teniendo en cuenta que la tecnología ha desarrollado procesos de reducción directa que eliminan el uso del alto horno, se está estudiando la aplicación de este nuevo procedimiento a una parte de la producción de pellets, así como también se prevee la posibilidad de producir aceros en la zona aceros en la zona.
Calcinación. Se emplea para eliminar a baja temperatura los productos volátiles que no pueden ser separados con la trituración ni el lavado, para aumentar la porosidad y desecarlos. Este proceso es útil cuando los minerales deben ser transportados a los hornos a grande distancias, pues disminuye los gastos de transporte. Con el empleo de los grandes hornos, esta operación no es necesaria, ya que se verifica en su parte superior.
Fusión. Consiste en llevar el mineral a la temperatura de fusión, para que licuado permita extraer los cuerpos que aún no se hubiera podido separar; éstos por su menor densidad sobrenadan el metal fundido y por medios adecuados se los extrae.
Para ayudar a la fusión se emplean elementos auxiliares llamados fundentes, que al combinarse con la materia terrosa forma una escoria flúida a la temperatura de funcionamiento del horno (1900° C) y que puede así ser separada del metal fundido. La naturaleza del fundente depende de la ganga (material terroso que acompaña al mineral en la mena), si es ácida (silícea o aluminosa) se emplea el carbonato de calcio o fosfato de calcio; en cambio, si es básica, se le agrega arcilla, pizarra arcillosa o arenisca. El fundente debe ser agregado al mineral antes de ser introducidos en los hornos.
Afinación. Después de la fusión, hay ciertos metales como el cobre y el plomo, de los cuales aún no ha sido posible extraer toda la ganga. Se procede a fundirlos repetidas veces o a comprimirlos, proceso que denominado de afinación.
Para la separación de la ganga del metal también se ha empleado el método de flotación, que consiste en introducir el mineral en recipientes de agua con un reactivo químico espumante. El mineral flota en la espuma y la ganga terrosa se moja y se sumerge, extrayéndose entonces de la parte superficial las partículas metalíferas. Este procedimiento es interesante por cuanto permite extraer metales de las menas en las que éste es escaso.
3. Los metales empleados en construcción poseen determinadas características y propiedades, a saber:
Olor. Despiden un olor característico, no muy fuerte y que desaparece con el pulido, o simplemente limpiando s superficie, pero que reaparece en cuanto se humedece.
Color. Es también característico en los metales; no es de gran importancia, a menos que sea para usos ornamentales. Por el color pueden clasificarse en blancos: plata, platino, aluminio, estaño, níquel; blancos azulados: plomo, zinc, estaño; grises: acero y fundición; amarillos: oro y aleaciones, cobre, etc.
Sabor. En determinadas condiciones de temperatura suelen dar al agua un sabor metálico característico.
Estructura cristalina. Observando directamente la fractura de los metales, se ve unos granos cristalinos que se clasifican en finos y gruesos. La observación al microscopio de esos granos cristalinos y la micro-fotografía, proporcionan a la ciencia los adelantos necesarios y aprovechables en la metalurgia y muy especial en la siderurgia del hierro.
Densidad. La densidad es variable en los metales; depende del estado sólido o líquido y del procedimiento con que fueron tratados. El metal al estado líquido es menos denso que al sólido, debido al aumento de volumen que experimenta con el calor. Así, si en estado sólido se lo estira, disminuye su densidad, que aumenta si se lo somete a la compresión.
La clasificación general de los metales por su densidad es: ligeros, aquellos cuya densidad es menor de 5, y pesados, los que la exceden. De los metales empleados en construcción, solamente el aluminio entra en la categoría de los livianos.
Conductibilidad. La conductibilidad eléctrica de los metales es máxima en el estado de pureza, disminuyendo a medida que contienen otros elementos, como por ejemplo el fósforo y el aluminio en el cobre. Asimismo aumenta con la temperatura.
Dilatación. Los metales son materiales que tienen una amplia dilatación, en parte debido a su conductibilidad. Las dilataciones son perceptibles a veces aún con los cambios de temperatura ambiental. Se miden linealmente y se fija la unidad de longitud para la variación de 1° C de temperatura.
Maleabilidad. Es la propiedad de los metales de poder ser modificados en su forma y aun ser reducidos a láminas de poco espesor a temperatura ambiente, por presión continua, martillado o estirado.
Produciendo las modificaciones en el metal, se llega a un momento en que el límite de elasticidad es excedido, tornándose el metal duro y quebradizo; es decir, sufre deformaciones cristalinas que lo hacen frágil. La maleabilidad pede ser recuperada mediante el recocido, que consiste en calentar el metal a una alta temperatura luego de laminado o estirado, y dejarlo enfriar lentamente. La maleabilidad se aprecia por la sutileza del laminado. Tomando el oro como base, se suele hacer la siguiente clasificación:
1 Oro. 6 Platino.
2 Plata. 7 Plomo.
3 Cobre. 8 Zinc.
4 Aluminio. 9 Hierro.
5 Estaño. 10 Níquel.
Ductilidad. Es la propiedad de poder ser hilados mediante la tracción. Esta propiedad disminuye con el aumento de temperatura, por lo que el hilado se hace frío, y en consecuencia vuelve duro y frágil, teniendo que ser recocido.
La ductilidad se aprecia por la disminución de la selección con relación a la inicial. El coeficiente varía entre 1 y 2, resultando de la relación (S - S’) / S, donde S es la sección primitiva y S’la de rotura. Suelen ser clasificados por su ductilidad en:
1 Oro. 6 Níquel.
2 Plata. 7 Cobre.
3 Platino. 8 Zinc.
4 Aluminio. 9 Estaño.
5 Hierro. 10 Plomo.
Tenacidad. Es la resistencia que oponen los metales a la separación de las moléculas que los integran, al ser sometidos a esfuerzos de tracción y a los ensayos de elasticidad y alargamiento, expresándose en cm².
La tenacidad aumenta con el temple, laminado, trefilado y añadiendo carbono, con lo que se obtiene el acero; otros agregados la disminuyen, como por ejemplo el azufre.
Fusibilidad. Es la propiedad de los metales de pasar del estado sólido al líquido y viceversa, mediante cambios adecuados de temperatura. El momento de transición de un estado al otro se denomina punto de fusión. Cuanto más bajo es el punto de fusión, tanto más manuable es el metal. Este, al estado líquido debe tener cierta fluidez para poder penetrar en los huecos más finos de los moldes, interesando también la contracción de volumen que experimentan al pasar del estado líquido al sólido.
Dureza. Es la resistencia que oponen los cuerpo a dejarse penetrar por otro. La tenacidad está íntimamente ligada con ésta, y sobre la cual se ha hablado al tratar de las piedras.
Elasticidad. Es la propiedad que tienen los metales de recuperar su forma primitiva cuando cesa la carga que tendía a deformarlos. Un cuerpo solicitado por una carga en aumento progresivo, pero aplicada alternadamente, sufre deformaciones y recuperaciones de su estado hasta llegar a una determinada carga llamada carga límite, a partir de la cual no recupera su forma, comenzando el período de las deformaciones permanentes. El procedimiento de carga y descarga en forma alternada aumenta la carga límite.
Temple. El acero, en mayor proporción que cualquier otro metal, tiene la propiedad de aumentar su tenacidad y dureza cuando luego de calentado al rojo vivo se lo enfría repentinamente. En cambio, con el enfriamiento lento disminuye la dureza y aumenta la maleabilidad.
Soldabilidad. Es la propiedad de unirse de dos metales hasta constituir una sola unidad. Esta unión puede hacerse siempre y cuando las superficies a soldar estén perfectamente limpias. El aluminio es difícil de soldar debido al constante recubrimiento de óxido. En cambio, el hierro, fácil de limpiarse, puede ser nido a baja temperatura.
Estando las dos superficies perfectamente limpias y calentadas al rojo las piezas, se las junta y al golpearlas con el martillo se produce una unión firme. Este procedimiento se denomina por martilleo.
La soldadura blanca es otro sistema empleado para la unión de los metales. En él se usan otros metales auxiliares llamados metales de soldar, que en estado líquido cubre las superficies calentadas formando una capa de varios centésimos de milímetro de espesor, que al enfriarse unen firmemente ambas piezas.
La soldadura autógena es la que se hace sin empleo de fundentes no metales auxiliares, uniendo directamente las piezas por fusión. De este sistema existen dos métodos, uno con el empleo del soplete oxhídrico y el otro con el del soplete oxiacetilénico.
El soplete oxhídrico emplea el hidrógeno y el oxígeno comprimidos a 150 atmósferas, con los que se obtiene la temperatura de 2400° C. En cuanto al soplete oxiacetilénico, consiste en una mezcla de oxígeno y acetileno cuya llama tiene 3000° C. Regulando el paso del oxígeno y del acetileno, el soplete se ajusta al tipo de llama en las condiciones requeridas por el metal que ha de soldarse.
La soldadura a presión es un proceso por el cual los dos trozos a soldar son unidos mediante presión en caliente, sin la presencia de ningún metal en forma líquida.
En la soldadura por arco eléctrico es necesario que el operario sea experto, porque si se demora, la elevada temperatura abre un agujero en el metal, y si trabaja demasiado rápido no alcanza a producir una buena soldadura. El procedimiento se basa en producir el calor mediante la formación de un arco eléctrico entre la pieza y la varilla metálica, que es de la misma composición del metal a soldar.