Hierro Metal de transición

 

Este metal de transición es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre, representando un 5% y, entre los metales, sólo el aluminio es más abundante. El núcleo de la Tierra está formado principalmente por hierro y níquel, generando al moverse un campo magnético. Ha sido históricamente muy importante, y un período de la historia recibe el nombre de Edad de Hierro. En cosmología, es un metal muy especial, pues es el metal más pesado que puede producir la fusión en el núcleo de estrellas masivas; los elementos más pesados que el hierro solo pueden ser creados en supernovas.

 

Símbolo, Número Fe, 26
Grupo, periodo, bloque 8, 4 , d
Densidad, dureza Mohs 7874 kg/m3, 4,0
Apariencia Metálico brillante con un tono grisáceo
Masa atómica 55,845 u
Estructura cristalina Cúbica centrada en el cuerpo
Estado de la materia Sólido (ferromagnético)
Punto de fusión 1808 K
Punto de ebullición 3023 K
Velocidad del sonido 4910 m/s a 293,15 K
hematite
pirita
 
magnetita
limonita
siderita

Los minerales de hierro más usados como materia prima para la obtención de este metal son:

  • Magnetita, cuyo yacimiento más importante se encuentran en Suecia, España y EE.UU. En la Rep. Dom. Existen pequeños yacimientos de este mineral.

  • Siderita, se halla principalmente en Inglaterra.

  • Hematita, existen yacimiento en Estados Unidos, Alemania, Rusia y España.

  • Limonita, es el nombre dado a ciertos minerales de hierro provenientes de alteración nutrida de los vegetales en aguas ferruginosas. Tiene una fórmula genérica como FeO(OH)·nH2O. Pueden considerarse como un hidróxido de hierro son amorfos y de color pardo oscuro.

    Entre sus variedades se encuentran la hematites parda, la etites, el hierro de los pantanos y la estiprosiderita.

    Se usa como fuente de hierro, y para la obtención del pigmento ocre.

El hierro químicamente puro (Fe) es un elemento de color gris azulado, que funde a 1,259 C. No tiene aplicación en la construcción, por lo que relegamos su estudio a la química.

El hierro que se encuentra en el mercado y se utiliza en la industria no es puro, sino una aliación de hierro y carbono.

Obtención del Hierro.

En la industria, el procedimiento más normal de obtención del hierro, partiendo de los minerales, es la reducción de éstos por carbón.

El proceso simplificado consiste en tratar el óxido de hierro con el carbonato, formándose óxido de carbonato y hierro libre. Si se trata el óxido de carbono con más óxido de hierro, se forma anhídrido carbónico y más hierro libre.

En el proceso indirecto se empieza por reducir el óxido de hierro par obtener colado o fundición.

Aleaciones con otros elementos.

Los productos quirúrgicos comúnmente van acompañado de otros elementos, además del carbono, que pueden ser pequeñas cantidades como impureza o bien grandes cantidades que le modifican sus propiedades. Los más comunes son el silicio (Si), azufre (S), fósforo (P), aluminio (Al) y manganeso (Mn).

El silicio, si está contenido en pequeñas proporciones es favorable a la resistencia, pero si aumenta su contenido, hace el acero más fusible, por lo cual disminuye su soldabilidad.

El azufre es siempre perjudicial.

El fósforo es favorable para el forjado en caliente, pero hace quebradizo al hierro en frío cuando se encuentra en gran cantidad. También dismuye el punto de fusión del hierro.

El manganeso es el metal que con más frecuencia acompaña el acero al que comunica importantes propiedades. Favorece la maleabilidad y disminuya ligeramente la velocidad de corrosión del acero. Aumenta la dureza.

El aluminio hace el acero más fusible y más moldeable.

Hierro Dulce.

Es de color gris claro. Funde a temperatura de 1,500 C y puede soldarse consigo mismo. Es tenaz.

Fundición.

El hierro colado o fundición se fabrica en los llamados altos hornos. Se caracteriza por servir para moldeo, ser resistente a la compresión y tener fragilidad. Se puede obtener varias clases de hierro colado dependiendo del proceso de fabricación, del enfriamiento, de la materias primas y de la ganga del mineral, pudiéndose dividir en dos grupos: fundiciones ordinarias y fundiciones especiales.

Las Fundiciones Ordinarias están formadas principalmente de hierro y carbono. Puede ser: la fundición gris, la fundición blanca y la fundición maleable.

Las Fundiciones Especiales pueden ser: ferromanganesas y ferrosilíeas.

Cuando sale de la fundición del alto horno tiene una gran elevada proporción de carbono y de elementos que alcanza el 7% de la masa total.

Para expulsar de la masa de hierro estas impurezas se procede al afino de la fundición, que consiste en oxidar los elementos por la acción del aire y de escoria ricas en óxido.

Los procedimientos de afino son: pudelado, afino en convertidores (Bessemer o Thomas), Procedimiento de Martin Siemen, acero al crisol, acero eléctrico y acero con cementación.

Los tres primeros pueden dar hierro dulce o aceros y los otros métodos se emplean únicamente para la obtención de acero.

Formas Comerciales.

Las formas comerciales del hierro y del acero son muy variables basta consultar los catalagos de la casa distribuidoras para verificar la gran diversidad. Las principales formas son barra y hierro perfilados, los cuales son considerados como productos elaborados.

Las barras pueden ser planas, cuadradas, hexagonales y redondas. Se laminan a partir de acero y hierro dulce. El acero dulce estirado en grandes longitudes constituye el alambre con diámetro que varia de 0.2 mm. a 5 mm.

Dentro de los hierros perfilados se encuentran los angulares, los canales, las T, las dobles T.

Las formas comerciales más corrientes de la fundición son tubos y columnas.

Aplicaciones.

Los productos siderúrgicos tienen una numerosa y versátil aplicación. Son elementos resistentes en las estructuras, integrantes de las instalaciones o bien piezas decorativas.

a) Fundición: Su aplicación más importante, de acuerdo a algunos autores, es el afino para transformarla en acero o en hierro dulce.

Se emplea, además, en la obtención de piezas moldeadas como tubos, usados mayormente en al conducción de agua potable; piezas especiales de fontanería, como codos, reducciones, etc.; Columnas, las cuales en la actualidad han sido sustituida por perfile; piezas ornamentales.

b) Hierro Dulce: Los comunes se usan en perfiles, los ordinarios en trabajos de cerrajería, los finos en piezas en general y los extrafinos en piezas metálicas.

c) Acero: Según el contenido de carbono los aceros se clasifican en extradulce, muy dulce, dulce, semiduro, duro, muy duro, y extraduro.

El acero extradulce se emplea para fabricar clavos y remaches.

El acero muy dulce se emplea en la fabricación de piezas de construcción como varilla y perfiles.

El acero dulce se destina a la confección de piezas de máquinas y tornillos.

El acero semiduro se utiliza en la fabricación de piezas mecánicas de carros.

El acero duro se utiliza en la fabricación de carriles grandes, resortes, martillos, cuchillos, ejes y muelles sencillos.

El acero muy duro tiene su principal aplicación de carriles pequeños, resorte de gran resistencias, cuchillos finos y sierras.

El acero extraduro tiene su principal utilidad en la confección de herramientas.

La diferencia principal en esos acero consiste en el porciento de carbono que contiene. Los aceros extradulce son los que menos por ciento de carbono contienen, mientras que los extraduro son los que más cantidad de carbono contiene y también mayor resistencia y dureza.

Los aceros también se clasifican atendiendo al procedimiento de obtención, a sus usos y al elemento aleado que los acompañan.

Atendiendo al proceso de obtención se clasifican en: Bessemer, eléctricos y duplex.

Por el uso en acero estructural, acero naval, acero de remaches, etc..

Y por medio de elementos en aleación en aceros Sílice, acompañado de Si, es de alta resistencia y bajo peso; acero manganeso, acompañado de Mn; acero cromo, aleado con Cr, conocido comúnmente como acero inoxidable por tener esa propiedad; acero níquel, acompañado de Ni.

Protección del Hierro.

El hierro se protege de la oxidación por medio del revestimiento con:

Pintura: Se empieza por limpiarlos y lavarlos con agua acidulada, con clorhídrico y cepillo metálico después se recubre con una capa de pintura de aceite.

Grasa: Protege a los cuerpos ferroso no expuesto a la intemperie y durante corto tiempo. Deben ser neutro, ya que de lo contrario se convertirían ellas mismas en oxidantes.

Cemento: Con una lechada de mortero de cemento Portland se puede proteger el hierro de la oxidación.

Electrólisis: Consiste en colocar una capa de oxigeno al pieza siderúrgica, lo cual proporciona una protección eficaz. Esto se logra mediante la oxidación del ánodo. Es lo mismo que sucede con el aluminio y el cinc, y que evita que éstos se oxiden. La diferencia está en que estos últimos ocurre por vía natural y no artificial, como en el hierro.

Metalización: Consiste en recubrir el hierro con una película de cinc, estaño o plomo, fundidos por medio de inmersión. Cuando se usa cinc en el hierro se llama galvanizado o cincado. Si se usa estaño las piezas se llaman estañadas, si en cambio se usa plomo el hierro se conoce como emplomado. De estos el cinc y el estaño se adhieren mejor al hierro.

La Galvanización: Consiste en calentar el cinc hasta fundirlo y darle un baño de inmersión al hierro en el cinc fundido, para que se recubra por una capa delgada de este metal.

HISTORIA

Se tienen indicios de uso del hierro, cuatro milenios antes de Cristo, por parte de los sumerios y egipcios.

En el segundo y tercer milenio, antes de Cristo, van apareciendo cada vez más objetos de hierro (que se distingue del hierro procedente de meteoritos por la ausencia de níquel) en Mesopotamia, Anatolia y Egipto. Sin embargo, su uso parece ser ceremonial, siendo un metal muy caro, más que el oro. Algunas fuentes sugieren que tal vez se obtuviera como subproducto de la obtención de cobre.

Entre 1600 a. C. y 1200 a. C. va aumentando su uso en Oriente Medio, pero no sustituye al predominante uso del bronce.

Entre los siglos XII a. C. y X a. C. se produce una rápida transición en Oriente Medio desde las armas de bronce a las de hierro. Esta rápida transición tal vez fuera debida a la falta de estaño, antes que a una mejora en la tecnología en el trabajo del hierro. A este periodo, que se produjo en diferentes fechas según el lugar, se denomina Edad de Hierro, sustituyendo a la Edad de Bronce. En Grecia comenzó a emplearse en torno al año 1000 a. C. y no llegó a Europa occidental hasta el siglo VII a. C. La sustitución del bronce por el hierro fue paulatina, pues era difícil fabricar piezas de hierro: localizar el mineral, luego fundirlo a temperaturas altas para finalmente forjarlo.

En Europa Central, surgió en el siglo IX a. C. la cultura de Hallstatt (sustituyendo a la cultura de los campos de urnas, que se denomina primera Edad de Hierro, pues coincide con la introducción de este metal.

Hacia el 450 a. C. se desarrolló la cultura de La Tène, también denominada segunda Edad de Hierro. El hierro se usa en herramientas, armas y joyería, aunque siguen encontrándose objetos de bronce.

Junto con esta transición del bronce al hierro se descubrió el proceso de carburización, consistente en añadir carbono al hierro. El hierro se obtenía como una mezcla de hierro y escoria, con algo de carbono o carburos, y era forjado, quitando la escoria y oxidando el carbono, creando así el producto ya con una forma. Este hierro forjado tenía un contenido en carbono muy bajo y no se podía endurecer fácilmente al enfriarlo en agua. Se observó que se podía obtener un producto mucho más duro calentando la pieza de hierro forjado en un lecho de carbón vegetal, para entonces sumergirlo en agua o aceite. El producto resultante, que tenía una superficie de acero, era más duro y menos frágil que el bronce, al que comenzó a reemplazar.

En China el primer hierro que se utilizó también procedía de meteoritos, habiéndose encontrado objetos de hierro forjado en el noroeste, cerca de Xinjiang, del siglo VIII a. C. El procedimiento era el mismo que el utilizado en Oriente Medio y Europa. En los últimos años de la Dinastía Zhou (550 a. C.) se consigue obtener hierro colado (producto de la fusión del arrabio). El mineral encontrado allí presenta un alto contenido en fósforo, con lo que funde a temperaturas menores que en Europa y otros sitios. Sin embargo durante bastante tiempo, hasta la Dinastía Qing (hacia 221 a. C.), no tuvo una gran repercusión.

El hierro colado tardó más en Europa, pues no se conseguía la temperatura suficiente. Algunas de las primeras muestras de hierro colado se han encontrado en Suecia, en Lapphyttan y Vinarhyttan, del 1150 a 1350.

En la Edad Media, y hasta finales del siglo XIX, muchos países europeos empleaban como método siderúrgico la farga catalana. Se obtenía hierro y acero bajo en carbono empleando carbón vegetal y el mineral de hierro. Este sistema estaba ya implantado en el siglo XV, y se conseguían alcanzar hasta unos 1200 °C. Este procedimiento fue sustituido por el empleado en los altos hornos.

En un principio se usaba carbón vegetal para la obtención de hierro como fuente de calor y como agente reductor. En el siglo XVIII, en Inglaterra, comenzó a escasear y hacerse más caro el carbón vegetal, y esto hizo que comenzara a utilizarse coque, un combustible fósil, como alternativa. Fue utilizado por primera vez por Abraham Darby, a principios del siglo XVIII, que construyó en Coalbrookdale un alto horno. Asimismo, el coque se empleó como fuente de energía en la Revolución industrial. En este periodo la demanda de hierro fue cada vez mayor, por ejemplo para su aplicación en ferrocarriles.

El alto horno fue evolucionando a lo largo de los años. Henry Cort, en 1784, aplicó nuevas técnicas que mejoraron la producción. En 1826 el alemán Friedrich Harkot construye un alto horno sin mampostería para humos.

Hacia finales del siglo XVIII y comienzos del XIX se comenzó a emplear ampliamente el hierro como elemento estructural (en puentes, edificios, etcétera). Entre 1776 a 1779 se construye el primer puente de fundición de hierro, construido por John Wilkinson y Abraham Darby. En Inglaterra se emplea por primera vez en la construcción de edificios, por Mathew Boulton y James Watt, a principios del siglo XIX. También son conocidas otras obras de ese siglo, por ejemplo el Palacio de Cristal construido para la Exposición Universal de 1851 en Londres, del arquitecto Joseph Paxton, que tiene un armazón de hierro, o la Torre Eiffel, en París, construida en 1889 para la Exposición Universal, en donde se utilizaron miles de toneladas de hierro.