1. ​Clasificación
2. Obtención
3. Proceso de fundición: defectos
4. Aditivos de fusión
5. Bibliografía consultada
6. Conceptos relacionados

La industria que se ocupa de la extracción y elaboración del hierro es la siderurgia (‘Eisenhüttenwesen’). El hierro se obtiene de la magnetita (‘Magnetit’), la hematites (‘Hämatit’), la limonita (‘Limonit’) y la siderita (‘Siderit’).

1. Clasificación

• Hierro puro ('reines Eisen'): El hierro puro (Fe) es un metal polimórfico ('polymorphes Metall') que, en función de la temperatura, presenta variantes:

• hierro α ('α-Eisen'): Variedad del hierro por debajo de los 911 ºC con una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo
• hierro γ ('γ-Eisen'):  Variedad del hierro entre 911 ºC y 1392 ºC con una estructura cúbica centrada en las caras
• hierro δ ('δ-Eisen'): Variedad del hierro entre 1392 ºC y punto de fusión ('Schmelzpunkt') de 1536 ºC, con una  estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo

El hierro puro no tiene apenas aplicación práctica sin ser aleado con otras sustancias. La principal es el carbono.

• Fundición de hierro ('Eisengusswerkstoff'): La fundición de hierro es una aleación de hierro y carbono que se conforma por fundición o moldeo ('Gießen'). La fundición es un proceso de conformación que utiliza material fundido ('Schmelze') para fabricar piezas o semiproductos vertiéndolo (colándolo) en un molde. Los materiales empleados en fundición son el hierro de fundición o colado ('Gusseisen') y el acero de fundición o colado ('Stahlguss'). La diferencia básica entre ambos es su contenido de carbono: en el caso del hierro colado, superior al 2,06% y en el caso del acero colado, inferior o igual a esta cifra. La principal característica del hierro de fundición es que no es deformable plásticamente ('plastisch verformbar') y, por tanto, solo puede conformarse por fundición.

Tipos fundición de hierro

Atendiendo a su superficie de fractura ('Bruch'), la fundición de hierro o hierro de fundición o hierro fundido se divide en:

• Fundición blanca o hierro blanco ('weißes Gusseisen'), en la que el carbono se encuentra como cementita,
• Fundición gris o hierro gris ('graues Gusseisen'), en donde el carbono está como grafito
• Fundición atruchada ('meliertes Eisen'), mezcla de fundición blanca y fundición gris

Según la forma geométrica de los cristales de grafito se distingue entre:

• Grafito lamelar (escamas) - 'Gusseisen mit Lamellengraphit'
• Grafito esferoidal (nodular) 'Gusseisen mit Kugelgraphit'
• Grafito compactado (vermicular) – 'Gusseisen mit Vermiculargraphit'

Según la matriz, la clasificación es en:       

• Ferrítico - 'ferritisches Gusseisen'
• Perlítico - 'perlitisches Gusseisen'
• Austenítico – 'austenitisches Gusseisen'
• Martensítico - 'martensitisches Gusseisen'
• Bainítico (austemperado) - 'bainitisches Gusseisen'

Las denominaciones comerciales más usuales en español son:

• Hierro gris - 'Grauguss'
• Hierro dúctil = hierro nodular = hierro de grafito esferoidal – 'Gusseissen mit Kugelgraphit' (también 'Kugelgraphitguss', 'duktiles Gusseisen', 'sphärolitisches Gusseisen', 'Kugelgraphitgusseisen', 'Sphäroguss®')
• Hierro de grafito compactado, grafito vermicular, hierro fundido semidúctil - 'Gusseisen mit Vermiculargraphit'
• Hierro blanco – 'weißes Gusseisen'
• Hierro atruchado – 'meliertes Eisen', fundición intermedia entre la blanca y la gris en la que el carbono se presenta en forma de cementita y de grafito
• Hierro maleable – 'Temperguss', en sus dos versiones:
  • Hierro maleable blanco  - 'weißer Temperguss'
  • Hierro maleable negro – 'schwarzer Temperguss'
• Hierro dúctil austemperado – 'ADI' (austempered ductile Iron) o 'austenitisch-ferritisches Gusseisen mit Kugelgraphit'

2. Obtención

La mena o mineral de hierro que se extrae de las minas es un óxido de hierro (un compuesto formado por hierro y oxígeno ('Eisen-Sauerstoff-Verbindung') mezclado con otras sustancias acompañantes ('Begleitelement'). Para separar el oxígeno del hierro, proceso que se denomina reducción ('Reduktion'), se necesitan agentes reductores ('Reduktionsmittel'), como el coque ('Koks'), el carbón ('Kohle'), el gas ('Gas') o el aceite ('Öl'). Con el proceso de reducción del hierro se obtiene el arrabio ('Roheisen'), que se aprovecha para formar hierro de fundición o acero.

Procesos históricos

El sistema más antiguo utilizado desde la prehistoria para la obtención de hierro es el horno de cuba baja (Rennfeuer), un horno que se fabricaba con piedras y arcilla en el que el carbón se introducía por la parte superior para calentar el mineral de hierro hasta unos 700 – 900 ºC hasta formar una masa, la lupia ('Luppe'), en la que se mezclaba el hierro, la escoria y los restos de carbón. En épocas prehistóricas el horno se construía en una pendiente para aprovechar mejor la circulación del aire y dirigirla por un orificio hacia el interior de la cuba. La escoria salía ‘corriendo’ (rennen) por un canal practicado en la base.

La siguiente evolución fue la utilización de fuelles ('Balg') para inyectar el aire al interior. En un primer estadio, los fuelles se accionaban manualmente, posteriormente se utilizó agua para propulsarlos. En alemán se denominan estos hornos ‘Stückofen’. Se considera a este sistema el precedente del horno alto. Las piezas de hierro (los ‘Stücke’, en alemán) eran tan grandes que hacían necesaria la utilización de un martinete ('Schwanzhammer’) propulsado igualmente por agua para forjar las piezas.

Una variante de este horno que se implantó en la Edad Media fue la técnica que utilizaba la ‘fragua catalana’ ('katalanische Schmiede'), un sistema que no utilizaba fuelle, sino que inyectaba aire por la parte inferior del horno aprovechando la sobrepresión que generaba la caída del agua en un recipiente al que iba acoplada la tobera de inyección de aire.

Hasta el S XVIII, el horno alto trabajaba con carbón (Holzkohle-Hochofen). A finales del este siglo se implantaron los primeros hornos altos que utilizaban coque.

El horno alto es un horno de cuba ('Schachtofen'). Para obtener el arrabio se han utilizado a lo largo de la historia también hornos de cubilote ('Kupolofen'), hornos de reverbero ('Flammofen') —estos últimos especialmente para realizar la técnica del pudelado ('Puddelverfahren')— y hornos de crisol ('Tiegelofen').

Procesos actuales

El proceso de reducción (eliminación de O₂) del mineral de hierro se realiza a altas temperaturas de producción en los denominados hornos altos o altos hornos.

Un horno alto es un horno de cuba de grandes dimensiones que opera en contracorriente: la carga férrica ('Möller'), compuesta por el mineral de hierro ('Eisenerz'), los escorificantes y fundentes ('Zuschläge') y el coque ('Koks'), se introducen por la parte superior –el tragante ('Gicht')- y se precipitan hacia su interior donde reacciona con el gas reductor ascendente que se inyecta por la parte inferior.

La preparación de la carga férrica en forma de pellas ('Pellet'), sínter ('Sinter'), terrones de hierro ('Stückerz') o finos de hierro ('Feinerz') es básica para que la reducción sea efectiva.

Para generar el gas de reducción se inyecta en la parte inferior del horno aire caliente a 1200 ºC. El carbono del coque se gasifica con el oxígeno del aire y se convierte en monóxido de carbono ('Kohlenstoffmonoxid') -el gas reductor- y provoca un aumento de la temperatura hasta 2200 ºC. Este gas al ascender absorbe el oxígeno del hierro y produce, por consiguiente, su reducción. El arrabio que se obtiene tras el proceso de reducción contiene un 4,7% de carbono. Los componentes del mineral de hierro que no se utilizan, la ganga ('Gangart'), van a parar a la escoria ('Schlacke'). El arrabio y la escoria se acumulan en la parte inferior del horno alto. El horno se sangra ('abstechen') periódicamente practicando un orificio llamado piquera ('Abstichsloch') en la parte baja del mismo. El arrabio es dirigido a los torpedos ('Torpedopfanne') y la escoria a las cucharas de escoria ('Schlackenpfanne')

Existen otros procesos alternativos para reducir el mineral de hierro que trabajan en hornos diferentes al horno alto sin utilizar coque. Se trata de la reducción directa ('Direktreduktion') y de la fusión reductora ('Schmelzreduktion').

La diferencia entre el proceso de reducción directa y el de reducción es que el primero no utiliza coque como elemento reductor, sino gas, carbón o aceite, según la técnica empleada. El producto resultante de estos procesos tampoco es arrabio líquido sino esponja de hierro ('Eisenschwamm'), ya que los procesos se realizan a temperaturas más bajas que las del horno alto. Al mineral de hierro se le extrae el oxígeno y los componentes de la ganga permanecen en la esponja de hierro resultante (que recibe el nombre de DRI = Direct Reduced Iron).

 Entre los procesos de reducción directa que utilizan gas se encuentran el Midrex®, el HYL o el FIOR. El primero y el tercero utilizan hornos de cuba o verticales ('Schachtofen') y el tercero, hornos de lecho fluidizado ('Wirbelschichtofen'). Entre los que utilizan carbón están el SL/RN, el COMET y el IMETCO. La mayoría de ellos operan con hornos rotatorios ('Drehrohrofen').

El método de fusión reductora se realiza a dos niveles: en un primer lugar, el mineral de hierro se transforma en esponja de hierro en una cuba de reducción y luego esta se traslada a una unidad de fusión y gasificación donde se le añade carbón y oxígeno y se transforma en arrabio. Uno de los principales procesos que aplica esta técnica es el COREX.

Para la transformación de arrabio en acero, consúltese esta entrada.

3. Defectos en el proceso de fundición

Al colar la fundición se produce un empaquetamiento (‘Packungsdichte’) de los cristales del material al pasar del estado líquido al sólido que puede provocar una contracción (‘Schrumpfung’, ‘Schwindung’) del metal fundido (‘Schmelze’). Esta reducción del volumen - que se compensa añadiendo más material - puede generar rechupes (‘Lunker’) en la pieza fundida (‘Gussstück’).  También los gases que genera la colada pueden provocar sopladuras (‘Gasblase’) o poros (‘Pore’) en la pieza. Otro defecto que puede producirse en la colada es la segregación (‘Seigerung’), que consiste en una variación en la composición de los cristales causada por el enfriamiento excesivamente rápido del metal fundido.

4. Aditivos de fusión

Para conseguir una estructura más fina y homogénea se inoculan (‘Impfen’) sustancias (los inoculantes –‘Impfmittel’) en el metal fundido que contribuyen a mejorar el proceso de nucleación (‘Keimbildung’). También se utilizan nodulizantes (‘kugelgraphitförderndes Element’) para promover la transformación del grafito laminar en esferoidal o vermicular. 

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Bibliografía consultada

Punto 1

• Werkstofftechnik Maschinenbau, Läpple, Drube, Wittke, Kammer - Europa - Lehrmittel
•  Werkstofftechnik, Seidel y Hahn - Hanser Verlag
• Estudio de la viabilidad del empleo de nuevos materiales y tecnologías para las aplicaciones tradicionales de los fabricados metálicos – Instituto tecnológico metalmecánico

Punto 2 ​

• “Vom Eisen zum Stahl”, Industriemuseum Brandenburg an der Havel
• Wege zum Stahl, Stahl-Informations-Zentrum
• Procesos alternativos de producción de arrabio, Jorge Madías
• The Catalan process for the direct production of malleable iron and its spread to Europe and the Americas, Estanislau Tomàs – Institut d’Estudis Catalans
• Werkstofftechnik 2, Bergmann - Hanser Verlag
• Realidad estratégica de la sostenibilidad de los recursos naturales: la explotación del hierro, Luis de la Torre de Palacios – Tesis Doctoral de la Universidad Politécnica de Madrid.
• Revisión y evaluación de procesos alternativos al horno alto, Alberto Conejo Nava

Versión: enero de 2015 —  Bibuch SL^® - Todos los derechos reservados.