obtencion del hierro

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OBTENCIÓN DE ALGUNOS ELEMENTOS Obtención del hierro y del acero. Ordinariamente los termino hierro, hierro colado y acero con referencia a un metal en el cual el elemento hierro es el elemento principal no se refieren a una aleación o metal especifico, sino que se usan en forma algo ambigua para indicar un tipo general de aleación. El termino hierro debe usarse solamente cuando se hace referencia al elemento hierro. Al hablar de formas comerciales de hierro pueden emplearse términos tales como lingote de hierro, hierro colado gris, hierro forjado, etc. Cada uno de estos términos representa alguna forma comercial del elemento hierro y, por otra parte, cada forma puede presentarse en muchas variante de composición química, la cual influye en las funciones encomendadas dentro de cada clase. Acero Metal fundamental: se puede obtener en grandes cantidades ya sé colado o forjado. Su plasticidad, ya sea a temperatura ambiente o a altas temperaturas permite trabajarlo en frió o en caliente. La combinación de su resistencia mecánica con su plasticidad le hacen el metal más importante para la construcción de grandes estructuras variando el contenido de carbono y con tratamiento térmicos apropiados pueden variase sus prop. Desde muy blando a acero mecanizable del tipo empleado en piezas de metal prensado, alambre y materiales similares, a duro, acero resistente, apropiado para maquinas y herramientas en que se requiera gran resistencia mecánica y dureza. Esencialmente, el acero es un a aleación de hiero y carbono. El contenido de carbono en los tipos de acero corrientes se halla comprendido entre, aproximadamente, entre 0.08 y 1.4%. el porcentaje de carbono del acero es el factor mas importante que gobierna sus propiedades y aplicaciones. En ciertos aceros especiales el contenido de carbono puede ser más grande de 1.4 %. En un principio el acero se fabricaba por un proceso de adición de carbono al

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OBTENCIÓN DE ALGUNOS ELEMENTOS

Obtención del hierro y del acero.

Ordinariamente los termino hierro, hierro colado y acero con referencia a un metal en el cual el elemento hierro es el elemento principal no se refieren a una aleación o metal especifico, sino que se usan en forma algo ambigua para indicar un tipo general de aleación.

El termino hierro debe usarse solamente cuando se hace referencia al elemento hierro. Al hablar de formas comerciales de hierro pueden emplearse términos tales como lingote de hierro, hierro colado gris, hierro forjado, etc. Cada uno de estos términos representa alguna forma comercial del elemento hierro y, por otra parte, cada forma puede presentarse en muchas variante de composición química, la cual influye en las funciones encomendadas dentro de cada clase.

Acero

Metal fundamental: se puede obtener en grandes cantidades ya sé colado o forjado. Su plasticidad, ya sea a temperatura ambiente o a altas temperaturas permite trabajarlo en frió o en caliente. La combinación de su resistencia mecánica con su plasticidad le hacen el metal más importante para la construcción de grandes estructuras variando el contenido de carbono y con tratamiento térmicos apropiados pueden variase sus prop. Desde muy blando a acero mecanizable del tipo empleado en piezas de metal prensado, alambre y materiales similares, a duro, acero resistente, apropiado para maquinas y herramientas en que se requiera gran resistencia mecánica y dureza.

Esencialmente, el acero es un a aleación de hiero y carbono. El contenido de carbono en los tipos de acero corrientes se halla comprendido entre, aproximadamente, entre 0.08 y 1.4%. el porcentaje de carbono del acero es el factor mas importante que gobierna sus propiedades y aplicaciones. En ciertos aceros especiales el contenido de carbono puede ser más grande de 1.4 %. En un principio el acero se fabricaba por un proceso de adición de carbono al hierro forjado en el estado sólido, esto es, cementación. En la actualidad todos los aceros se fabrican partiendo del hierro en estado de fusión y el carbono se añade al hierro liquido.

Hierro forjado:

Es la forma más antigua fabricada por el hombre. Fue originariamente producido por una reducción lenta del metal en el hogar de la forja partiendo de mineral de hierro. Este proceso de reducción daba un hierro muy impuro, el cual requería un ulterior afino de tipo mecánico, esto es , martillándolo para darle la forma en la cual era utilizado. El hierro forjado es un metal que contiene hierro de elevada pureza y silicato de hierro en asociación física. Su contenido de carbono es muy bajo, y el silicato de hierro o escoria, se halla distribuido por todo el metal base en forma de fibras que le dan un aspecto fibroso cuando se le fractura.

Hierro colado:

Es una aleación cuyos principales elementos son hierro silicio y carbono. En el comercio existen hierro colados con una gran variedad de propiedades. Las especificaciones A.S.T.M. prevén clases de hierro colado con resistencias mínimas a la tracción comprendidas entre 1400 y 5600 kilogramos/cms2 (20000 y 80000 libras/pulgadas2 ). Cada clase tiene sus características y dentro de cada una puede haber regulaciones y modificaciones para adaptarla mejor al servicio particular de que se trate. El lingote de hierro, hierro colado gris, hierro colado blanco, hierro colado templado y hierro colado maleable se consideran todos como hierro colado, principalmente debido a que estas formas de hierro no son suficientemente plásticas, incluso en caliente, para poderse forjar. Por esta razón se obtienen siempre comercialmente por un proceso de fusión y colado para darle la forma prevista. La forma comercial de cada unos de estos metales es la de piezas coladas.

Mineral de hierro:

El principal mineral de hierro es el hematitis, el cual cuando es puro contiene 70% hierro. Cuando este oxido de hierro contiene agua se denomina limonita, y contiene 60% de hierro cuando es puro. La magnetita se halla con menos abundancia. La siderita se a empleado como mineral, pero debido a su pequeño contenido en hierro no se emplea con frecuencia en la actualidad.

Las impurezas mas corriente del mineral de hierro son con sílice, titanio y fósforo. Los minerales que contienen las cantidades más pequeñas de estas impurezas son los que tienen mas valor. Una gran cantidad de sílice y titanio resulta perjudicial porque requiere cantidades extras de fundentes para escorificarlos en el horno alto, mientras que el fósforo y el azufre son perjudiciales debido a su efecto nocivo sobre el hierro y acero. Los minerales de hierro suecos están casi enteramente extensos de fósforos y azufre, lo cual explica la fama de los aceros y hierro suecos por su gran pureza. Casi las tres cuartas partes del mineral de hierro empleado en los Estados Unidos vienen del distrito del Lago Superior. El mineral de estos depósitos naturales es hematites y contiene un 68% de hierro. La mayor parte del mineral de este distrito se presenta tan cerca de la superficie que puede extraer económicamente a cielo abierto.

Coque:

El calor requerido para fundir el mineral en los hornos altos se obtienen de la combustión del coque. El coque es el residuo que queda después de calentar ciertos carbones en ausencia de aire. Es un material duro quebradizo y poroso, que contiene de 85% a 90% de carbono, junto con alto de cenizas, azufre y fósforo. La resistencia mecánica, fragilidad e impurezas del coque dependen del carbón empleado y del método de fabricación utilizado. Exciten dos maneras de hacer coque. En el procedimiento antiguo, en el cual las materias volátiles se destruían, se fabricaban en hornos de mufla sin aprovechar los subproductos destilados. En el proceso moderno se fabrica en retortas y se obtienen al mismo tiempo de los productos destilados muchos subproductos, tales como brea, amoniaco y benzol.

Chatarra:

Solo los metales pueden ser utilizados varias veces. Otros materiales, tales como la madera, vidrio y hormigón constituyen u escombro cuándo han perdido su utilidad. En

cambio, os metales procedentes de estructuras inservibles, tale como calderas, puentes, buques, automóviles, etc., se convierten en chatarra aprovechable.

La necesidad de chatarras en la fabricación de metales y aleaciones férricos y no férricos es unos de los principales problemas que se le presentan al fabricante, particularmente en la industria del acero, en la que se necesitan grandes cantidades de chatarras clasificadas. Durante los periodos ordinarios de productividad no es seria la dificultad de obtener chatarra de buena calidad en suficiente cantidad; no obstante, constituye un factor importante en el funcionamiento cotidiano de una acerería.

La mayor parte de la chatarra llega como subproducto de los procesos de manipulación de metal, o bien de material anticuado, o perdidas y producto de metal considerados como inútiles, comprendidos entre pequeñas piezas y acorazados.

La chatarra requiere una clasificación apropiada con el fin de que resulten satisfactoria. La clasificación comprende la separación por tamaños, forma, clasificación de composición, etc; así como la separación completa de los metales no férricos y férricos, separación de los aceros aleados de los aceros al carbono, y la clasificación de calidades y composición de aceros aleados, esto es, al cromo tungsteno, etc.

Horno alto:

El hierro se extrae del mineral por medio de los hornos altos el hierro tal como se obtiene del horno alto puede volverse a fundir y colar para darle cualquier forma, o bien refinarse para transformarlo en acero o hierro forjado. Hoy en día los hornos pueden producir entre 500 y 1200 toneladas de hierro por día.

El mineral se reduce a metal en el horno alto por medio del coque cargado con el mineral, las impurezas se escorifican mediante la castina cargada también con el m mineral.

El aire inyectado a través del horno, se calienta previamente en estufas que constituyen una parte importante de la instalación del horno alto. La combustión del coque suministra el calor necesario, y el óxido de carbono formado por la combustión parcial del coque, junto con el coque, producen el hierro. El hierro líquido y la escoria se depositan en el fondo del horno, de donde se sacan periódicamente por medio de sangrados.

El mineral, coque y castina se elevan desde el nivel del suelo al tragante del horno mediante dos vagonetas que se mueven sobre planos inclinados. Los materiales se pesan cuidadosamente con el fin de que se carguen en proporciones correctas, las cuales varían según sea el horno y la calidad de mineral usado. Las vagonetas descargan su contenido en el tragante y cae sobre la campana inferior al bajar la campana superior; de esta forma, al bajar la campana inferior entra dentro del horno el empleo de estas dos campanas impide que los gases llamas salgan al exterior por el tragante del horno cada vez que se carga. El aire caliente se inyecta por las toberas, cerca del fondo del horno. Los gases producidos se sacan a nivel próximo al tragante y a continuación se hacen pasar por el separador de polvo y por un lavador. Estos gases contienen nitrógeno, anhídrido carbónico y óxido de carbono. El óxido de carbono es combustible y puede quemarse para producir energía o calor. Aproximadamente un tercio de estos gases se

emplea para calentar los recuperadores los cuales a su vez calientan el aire inyectado en el horno alto. Al quemarse los gases calientan los ladrillos y una vez calientes se suspende la circulación de los gases y en su lugar se hace pasar el aire que se ha de inyectar en el horno.

A medida que se forma el hierro y la escoria van cayendo en el crisol situado en el fondo del horno debido a que el hierro es más denso que la escoria, se deposita en el fondo, mientras que la escoria flota sobre el hierro fundido. Cerca del fondo del horno existen dos orificios. El más bajo, o piquera, sirve para sangrar el hierro y se tapa con bolas de arcilla disparadas mediante aire comprimido. El orificio superior o bigotera sirve para sacar la escoria y se cierra por medio de un tapón metálico. El hierro se sangra cada cuatro o cinco horas quitando el tapón de arcilla; la escoria se saca dos o tres veces entre cada dos sangrados de hierro. Muchas de las impurezas del mineral son recogidas y evacuadas con la castina fundida formando la escoria.

El hierro que sale del horno alto se conduce por canales a la cuchara, sobre dichos canales se coloca un espumador para separar la escoria y el verterla en una vagoneta. El hierro vertido en la cuchara se calienta a continuación en lingoteras, o bien se transporta en estado líquido a los hornos para fabricar acero. Algunas veces las escorias son apropiadas para la fabricación de cemento, pero la mayoría de los casos se descargan en los escoriales.

El hierro tal como sale del horno tiene de 3 a 4% de carbono y cantidades variable de silicio, azufre, fósforo y manganeso. Las cantidades de silicio y azufre se regulan entre ciertos límites con la conducción del horno pero el contenido de fósforo depende exclusivamente de las materias empleadas. El azufre y fósforo son dos de las impurezas más perjudiciales, y como quiera que la eliminación del azufre resulta difícil, excepto si se emplean tratamientos eléctricos especiales, es importante producir hierro con bajo porcentaje de azufre.

Fabricación del acero por el procedimiento Bessemer:

Los aceros fabricados en un horno Bessemer o Siemens se denominan aceros ácidos o básicos según sea la naturaleza del revestimiento refractario del horno. La sílice es un revestimiento básico mientras que la dolomita y magnesita son revestimientos básicos. La naturaleza del revestimiento gobierna la escoria, puesto que una escoria básica disuelve rápidamente un revestimiento ácido, y una escoria ácida tendría el mismo efecto sobre un revestimiento básico. Con un revestimiento básico se puede eliminar un elevado porcentaje de fósforo y algo de azufre pero la cantidad de óxido de hierro más grande que queda en el acero hace que el acero básico sea inferior al acero ácido.

Para fabricar acero Bessemer se vierte hierro directamente del horno alto en el convertidor o recipiente. En el fondo del convertidor existe un cierto número de orificios a través de los cuales se inyecta aire. El aire oxida primero el silicio y manganeso, y estos óxidos, junto con algo se óxido de hierro suben a la parte alta y forman una escoria. Luego empieza a arder el carbono y la inyección del aire se prolonga hasta que no queda más que 0,05% de carbono aproximadamente. La marcha de la oxidación puede seguirse observando el color de las llamas que salen del convertidor. La oxidación de la impurezas hace subir la temperatura del metal hasta el punto que puede colarse convenientemente cuando se ha terminado la inyección de aire,

se agrega el metal fundido la cantidad de carbono necesaria para conseguir el porcentaje de carbono especificado, junto con el manganeso preciso para compensar la influencia del azufre y el silicio requerido para la desgasificación. Después el acero acabado se convierte en una cuchara haciendo vascular el convertidor, y de la cuchara se vierte en las lingoteras para laminarlo o forjarlo subsiguientemente.

El acero Bessemer tiene propensión a estar oxidado e impuro y si bien normalmente se considera inferior al acero producido por otros métodos, puede competir con dichos aceros en trabajos que requieran acero con bajo contenido de carbono y con prescripciones no muy severas a la resistencia mecánica, ductibilidad y tenacidad. El procedimiento ácido no elimina el azufre y fósforo, con lo cual estos elementos quedan en cantidad excesiva para que el acero resulte de buena calidad. Debido a que en el procedimiento Bessemer no utiliza ningún combustible y el tratamiento de 15 a 25 t de hierro puede hacerse en 10 a 15 minutos, el costo del proceso es bajo. Sin embargo, dicho proceso va perdiendo auge y crecen sus costos de fabricación debido a que se van acabando los minerales de hierro pobres en fósforo. Los aceros Bessemer se emplean extensamente para la fabricación de chapas de calidad mediocre, tubos, alambre, fleje para fabricar tubos y tornillería, así como también en aquellos trabajos en el que el acero no esté sometido a cargas severas y en cambio convenga que sea fácilmente mecanízable.

Uno de los procedimientos “Duplex” consiste en fabricar acero Bessemer ácido, el cual se refina a continuación en un horno Siemens básico, dando al obtenido en el hormo Siemens básico, pero sumamente de utilidad debido a su baratura. Otro procedimiento “Duplex” consiste en refinar en un horno eléctrico el acero producido en un horno Bessemer o en un horno Siemens. Este acero es de calidad superior, normalmente, al acero Siemens.

El procedimiento “triplex” comienza haciendo acero por el procedimiento Bessemer, al cual a continuación en un horno Siemens básico se le quita parte del fósforo y, finalmente, se refina en un horno eléctrico.

Procedimiento Siemens:

El horno Siemens es de forma rectangular y más bien de poca altura. Su capacidad oscila de 15 a 200 t de metal. Se calienta con gas, fuel oil o brea, y las llamas salen primero por un extremo del horno y luego por el otro. Los gases producidos pasan por recuperadores equivalentes a los empleados en los hornos altos. Cuando se invierte la marcha de los gases, los recuperadores a través de los cuales han estado pasando los gases calientes calientan al aire y el gas que entra en el horno, mientras que los situados en el otro extremo comienzan a calentarse por el paso a través de los mismos gases quemados.

Los cuatro recuperadores representados debajo del horno propiamente dicho están llenos de ladrillos por cuyo alrededor pasan el gas y el aire. Antes de poner l horno estos ladrillos se calientan con leña. El gas entra en el horno a través del recuperador interior de un extremo mientras que el aire entra por el exterior del mismo extremo; dichos fluidos se encuentran y unen, atraviesan el horno y de este pasan a la chimenea a través de los dos recuperadores situados en el extremo opuesto. De esta forma los ladrillos de las cámaras de salida quedan más calientes debido al calor perdido del horno. La

corriente de gas, aire y productos de combustión se cambia cada 15 minutos, con lo cual los 4 recuperadores se mantiene calientes continuamente. El gas y el aire entran en el horno altamente recalentado dando como consecuencia una temperatura de combustión mas elevada; los productos de combustión salen por la chimenea arrastrando relativamente poco calor, todo lo cual contribuye a ahorrar combustible. La mayor parte de los hornos son de tipo fijo. Sin embargo, algunos hornos modernos muy grandes son del tipo basculante.

El horno Siemens básico tiene paredes y fondo de gran espesor, de magnesita o dolomita sinterizada, con una bóveda en arcos construida con ladrillo silicioso. La solera de los hornos ácidos se hace con arena. El frontis del horno situado en la plataforma de carga, tiene de 3 a 7 puertas, refrigeradas con agua y accionadas hidráulicamente, a través de las cuales se carga el horno y se observa el proceso de fusión y afino. En el centro de la parte posterior del horno se haya el orificio de sangrado, taponado firmemente en los hornos fijos y cerrado ligeramente en los basculantes. Los hornos básicos tienen otro orificio al nivel de la escoria, a cuyo través se evacua parte de la escoria formada. El proceso para producir acero en éstos hornos requiere de 6 a12 horas, dependiendo del horno, su edad, combustible empleado, y carácter de la carga. Ordinariamente para fabricar los aceros Siemens se emplea una gran cantidad de chatarra de acero. En las grandes acererías donde se fabrican perfiles de construcción, raíles, etc. Se gasta casi el 50% de chatarra, y el resto de la carga está constituido por hierro líquido.

Una descripción de la marcha de un horno Siemens básico típico ayudará a ilustrar los principios del proceso verificado en un horno de éste tipo. Inmediatamente después de efectuada la colada, todas las trazas de acero son rascadas del horno y, a continuación, se echa dolomita calcinada sobre el fondo y paredes laterales para reemplazar las pérdidas ocasionadas en la operación anterior. Después se carga el horno, castina sobre fondo, a continuación mineral y, finalmente la chatarra de acero. Todos los grandes hornos Siemens se cargan en la actualidad mecánicamente. Después de unas dos horas, la chatarra de acero empieza a fundirse y al llegar a este punto se añade el hierro fundido. La acción del material sobre el lingote origina la ebullición del baño, formándose una escoria clara, parte de la cual se retira. Después que la chatarra está completamente fundida, la castina empieza a descomponerse en anhídrido carbónico, el cuál asciende a través del metal y escoria, y también en óxido cálcico, que va a la superficie y contribuye a formar una escoria mas espesa.

La acción del mineral, junto con la de la escoria, hace bajar el contenido de carbono del baño, de tal suerte que en una operación bien conducida queda alrededor de un 1% de carbono cuando la castina se ha descompuesto totalmente. La operación subsiguiente consiste en eliminar mas carbono hasta dejarlo en valor deseado, el cual depende del tipo de acero que se trata de fabricar, y de calentar el baño hasta la temperatura conveniente para poder hacer la colada y llenar las lingoteras. El contenido de carbono se baja gradualmente mediante un calentamiento continuado, pero si por ensayos se encuentra que es demasiado elevado, se añade material; si es demasiado bajo, se añade hierro, ya sea fundido o sólido. El contenido de carbono se juzga por las fractura de las probetas que se cuelan en pequeños moldes, las cuales se enfrían y rompen. Si se fabrica un acero blando o de bajo contenido de carbono, tan pronto como el contenido de carbono del acero que se está fabricando llega al porcentaje deseado y el metal está suficientemente caliente, se cuela en una cuchara, y se añaden a ésta el ferromanganeso

y ferrosilicio necesarios para desoxidar y regular la composición química final del acero. Si se fabrica un acero de más porcentaje de carbono, como el empleado para raíles, el contenido de carbono se reduce a un valor comprendido entre 0,15 y 0,25% y se añade suficiente cantidad de hierro fundido un momento antes de hacer la colada, para que el contenido de carbono alcance el valor deseado. El manganeso y silicio se añaden entonces en forma de ferroaleaciones, ya sea en el horno o al acero en el momento de llenar la cuchara. Las cucharas de las cuales se cuela el acero en las lingoteras son del tipo vaciable por el fondo, con el fin de separar el acero de la escoria, la cual flota en la superficie. En los aceros de bajo contenido de carbono se añaden a menudo pequeñas cantidades de aluminio el colarlo en los moldes para desgasificarlo, impidiendo de ésta manera que parte del mismo hierva sobre los moldes al solidificarse.

En los hornos Siemens ácidos no se emplea castina, y la escoria está formada por las impurezas del hierro, junto con parte del revestimiento del horno. Cuando se fabrican aceros de alto contenido de carbono, el acero no se suele carburar como se ha explicado antes, sino que se cuela cuando se alcanza el contenido de carbono deseado, el cual se determina mediante análisis químicos rápidos.

PROCEDIMIENTO DEL CRISOL:

Los aceros para herramientas de alta calidad y algunos aceros aleados se continúan fabricando por el procedimiento del crisol, si bien es cierto que el horno eléctrico en la actualidad permite fabricar acero de igual calidad que el obtenido en el crisol. En el procedimiento del crisol, se coloca en un crisol de arcilla o de grafito arcilla, hierro forjado o chatarra de buena calidad, junto con una pequeña cantidad de lingote de hierro de gran pureza, ferromanganeso, los metales de aleación necesarios y los fundentes, todo lo cual se cubre con un fondo de crisol viejo y se funde en un horno calentado con gas o carbón de coque. Una vez la carga está completamente fundida, dejando suficiente tiempo para que asciendan a la superficie los gases e impurezas, se vacía el crisol quitando la escoria con una barra de hierro fría, y los 25 o 50 kilos de acero que contiene el crisol se cuelan en pequeños lingotes, los cuales subsiguientemente se forjan para darles la forma deseada.

La ventaja principal de éste procedimiento consiste en que se quitan la mayoría de las impurezas, incluyendo el oxígeno y partículas extrañas.

ACERO AL HORNO ELÉCTRICO:

Los hornos electricospara la fusión y afino del acero tuvieron su origen en el descubrimiento del arco de carbón por Sir Humprey Davy, en 1800, pero no fue sino hasta 1878 en que la aplicación directa de este método se hizo industrial, que fue cuando Sir William Siemens patentó, construyó e hizo funcionar hornos basados en los principios del arco directo e indirecto. Siemens tenía un horno formado por un pequeño crisol en el cual introduciría la carga y se llevaba a cabo la fusión por la acción de dos electrodos de carbón.

El horno eléctrico ha resultado ser una unidad ideal el la industria del acero para fundir y refinar. Entre sus ventajas merecen citarse: la atmósfera no oxidante del arco de carbón, el cual da calor puro, hace posible construir hornos completamente cerrados y permite mantener atmósferas reductoras; la temperatura alcanzable está sólo limitada

por la naturaleza del reflectario del revestimiento del horno; puede conseguirse una regulación entre límites muy estrechos; el rendimiento de la unidad es extraordinariamente elevado; el afino y aleación se efectúan con rapidez y control.

En la mayoría de los hornos eléctricos el calor es producido por medio del arco eléctrico, ya sea sobre el baño, como el horno Stassano, o por medio de arcos entre la escoria y los electrodos suspendidos sobre el baño; éste último procedimiento es el mas satisfactorio y corriente. Al preparar una carga de acero, la mayor parte de la carga se prepara con chatarrade acero seleccionada cuidadosamente.

MANUFACTURA DE HIERRO FORJADO:

El hierro forjado se fabrica en partidas de 150 a 750 Kg en hornos denominados de pudelado, que son algo similares al Siemens y en ellos la combustion se desarrolla solamente en un extremo. Estos hornos están revestidos con óxido de hierro en forma de mineral. En el horno se cargan lingotes de hierro fríos y a medida que éstos se funden se elimina su carbono con el óxido de hierro del revestimioento. Cuando se ha eliminado prácticamente todo el carbono y otras impurezas, el metal tiene un punto de fusión mas elevado y comienza a adquirir la forma de una masa pastosa. Esta masa de escoria y metal se agita intensamente con lo que se forma una bola que se saca a continuación del horno. La mayor parte de la escoria se elimina de esta masa por un prensado mecánico y a continuación el hierro se lamina en forma de barras. En este momento el material está constituido por una mezcla de hierro de gran pureza y algo de escoria(alrededor de 2 o 3%).Las barras se cortan en trozos y se apilan en capas alternativas a 90º. Estas pilas de barras se atan con alambre , se calientan hasta la temperatura de soldadura y se laminan para darles los perfiles deseados. El fin de éste apilado y laminado es obtener una distribución fina y uniforme de la escoria.

El profesor Aston, ideó un procedimiento para fabricar hierro forjado sintético. Este material tiene la misma composicion quimica y metalográfica del hierro pudelado, pero se puede soldar con más facilidad. En este proceso, el lingote se funde en un cubilote y se transforma en acero dulce.

A continuación el acero se vierte en escoria líquida, tomando la precaución de que el mezclado sea completo. Posterormente se retira el exceso de escoria y se prensa para elimar la escoria que quede. Luego se lamina en barras para la fabricacion de tubos y similares.

El principal valor del hierro forjado es su resistencia a la corrosion y ruptura por fatiga.

Se emplea para la fabricacion de pernos, tubos, clavos, tubos cameros, etc.

FUNDICION:

En la fundición, las piezas coladas de hierro y acero, de casi cualquier forma y tamaño, se fabrican colando el metal fundido en el interior de moldes y arena.

Piezas de Hierro Colado: El lingote para colar las piezas se funde en un cubilote, el cual, es un horno de cuba, muy semejante a un pequeño horno alto, en el cual el coque y el lingote de hierro se cargan por la parte alta y el aire se inyecta cerca del fondo. El hierro

fundido se puede sangrar periodicamente o, en los grandes cubilotes, en forma continua, siendo recibido en una gran cuchara. Los cubilotes varían mucho en cuanto al tamaño, dependiendo de la cantidad de hierro consumido en la fundición.

Los moldes se hacen apisonando arenas apropiadas sobre un modelo colocado en el interior de una caja. La caja consiste simplemente en un recipiente formado por dos o mas elementos, que permite sacar el modelo. El modelo se retira y el espacio por él ocupado se llena con el metal fundido. Los modelos pueden ser de madera o metálicos; son reproducciones exactasde las piezas que se trata de fabricar, exceptuando que son ligeramente más grandes para compensar la contracción del metal durante su enfriamiento.

Piezas de acero moldeado: las piezas de acero moldeado, producto de las acererías, tienen formas mas o menos intrincadas y se cuelan casi exclusivamente en moldes de arena, si bien en ciertos casos se cuelan en moldesmetálicos centrifugados. El tamaño de las piezas de acero moldeado puede varia de 6 mm a 1200 mm, que pesan mas de 200 toneladas.

Aunque el acero se funde en hornos Siemens, Bessemer, crisol y eléctricos, en la actualidad el horno eléctrico es el mediode fusión aceptado en las acererías y domina hoy en el campo de la fundición en capacidad y producción.

Los moldes empleados para colar acero deben poseer propiedades especiales, y debido a als altas temperaturas que deben resisitir se presentan dificultades cuando se trata de fabricar moldes y piezas perfectas. Las arenas empleadas deben ser de elevado porcentaje de sílice, y generalmente están constituídas por mezclas de arena con agentes aglomerantes añadidos para conseguir la correcta cohesión de los granos de arena. La porosidad y la formación de sopladuras son defectos que aparecen en las piezas de acero moldeado a causa de contracciones internas, y gases que no han podido escapar, óxidos, escorias, etc. Algunos de los defectos encontradosen las piezas moldeadas en arena pueden eliminarse con el colado centrifugo.

Las piezas de acero moldeado se suelen someter a tratamientos térmicos para mejorar sus propiedades. Estos tratamientos incluyen la normalización, recocido, eliminación de tensiones internas, templado.

Obtención del hierro y del acero.

Ordinariamente los termino hierro, hierro colado y acero con referencia a un metal en el cual el elemento hierro es el elemento principal no se refieren a una aleación o metal especifico, sino que se usan en forma algo ambigua para indicar un tipo general de aleación.

El termino hierro debe usarse solamente cuando se hace referencia al elemento hierro. Al hablar de formas comerciales de hierro pueden emplearse términos tales como lingote de hierro, hierro colado gris, hierro forjado, etc. Cada uno de estos términos

representa alguna forma comercial del elemento hierro y, por otra parte, cada forma puede presentarse en muchas variante de composición química, la cual influye en las funciones encomendadas dentro de cada clase.

Acero

Metal fundamental: se puede obtener en grandes cantidades ya sé colado o forjado. Su plasticidad, ya sea a temperatura ambiente o a altas temperaturas permite trabajarlo en frió o en caliente. La combinación de su resistencia mecánica con su plasticidad le hacen el metal más importante para la construcción de grandes estructuras variando el contenido de carbono y con tratamiento térmicos apropiados pueden variase sus prop. Desde muy blando a acero mecanizable del tipo empleado en piezas de metal prensado, alambre y materiales similares, a duro, acero resistente, apropiado para maquinas y herramientas en que se requiera gran resistencia mecánica y dureza.

Esencialmente, el acero es un a aleación de hiero y carbono. El contenido de carbono en los tipos de acero corrientes se halla comprendido entre, aproximadamente, entre 0.08 y 1.4%. el porcentaje de carbono del acero es el factor mas importante que gobierna sus propiedades y aplicaciones. En ciertos aceros especiales el contenido de carbono puede ser más grande de 1.4 %. En un principio el acero se fabricaba por un proceso de adición de carbono al hierro forjado en el estado sólido, esto es, cementación. En la actualidad todos los aceros se fabrican partiendo del hierro en estado de fusión y el carbono se añade al hierro liquido.

Hierro forjado:

Es la forma más antigua fabricada por el hombre. Fue originariamente producido por una reducción lenta del metal en el hogar de la forja partiendo de mineral de hierro. Este proceso de reducción daba un hierro muy impuro, el cual requería un ulterior afino de tipo mecánico, esto es , martillándolo para darle la forma en la cual era utilizado. El hierro forjado es un metal que contiene hierro de elevada pureza y silicato de hierro en asociación física. Su contenido de carbono es muy bajo, y el silicato de hierro o escoria, se halla distribuido por todo el metal base en forma de fibras que le dan un aspecto fibroso cuando se le fractura.

Hierro colado:

Es una aleación cuyos principales elementos son hierro silicio y carbono. En el comercio existen hierro colados con una gran variedad de propiedades. Las especificaciones A.S.T.M. prevén clases de hierro colado con resistencias mínimas a la tracción comprendidas entre 1400 y 5600 kilogramos/cms2 (20000 y 80000 libras/pulgadas2 ). Cada clase tiene sus características y dentro de cada una puede haber regulaciones y modificaciones para adaptarla mejor al servicio particular de que se trate. El lingote de hierro, hierro colado gris, hierro colado blanco, hierro colado templado y hierro colado maleable se consideran todos como hierro colado, principalmente debido a que estas formas de hierro no son suficientemente plásticas, incluso en caliente, para poderse forjar. Por esta razón se obtienen siempre comercialmente por un proceso de fusión y colado para darle la forma prevista. La forma comercial de cada unos de estos metales es la de piezas coladas.

Mineral de hierro:

El principal mineral de hierro es el hematitis, el cual cuando es puro contiene 70% hierro. Cuando este oxido de hierro contiene agua se denomina limonita, y contiene 60% de hierro cuando es puro. La magnetita se halla con menos abundancia. La siderita se a empleado como mineral, pero debido a su pequeño contenido en hierro no se emplea con frecuencia en la actualidad.

Las impurezas mas corriente del mineral de hierro son con sílice, titanio y fósforo. Los minerales que contienen las cantidades más pequeñas de estas impurezas son los que tienen mas valor. Una gran cantidad de sílice y titanio resulta perjudicial porque requiere cantidades extras de fundentes para escorificarlos en el horno alto, mientras que el fósforo y el azufre son perjudiciales debido a su efecto nocivo sobre el hierro y acero. Los minerales de hierro suecos están casi enteramente extensos de fósforos y azufre, lo cual explica la fama de los aceros y hierro suecos por su gran pureza. Casi las tres cuartas partes del mineral de hierro empleado en los Estados Unidos vienen del distrito del Lago Superior. El mineral de estos depósitos naturales es hematites y contiene un 68% de hierro. La mayor parte del mineral de este distrito se presenta tan cerca de la superficie que puede extraer económicamente a cielo abierto.

Coque:

El calor requerido para fundir el mineral en los hornos altos se obtienen de la combustión del coque. El coque es el residuo que queda después de calentar ciertos carbones en ausencia de aire. Es un material duro quebradizo y poroso, que contiene de 85% a 90% de carbono, junto con alto de cenizas, azufre y fósforo. La resistencia mecánica, fragilidad e impurezas del coque dependen del carbón empleado y del método de fabricación utilizado. Exciten dos maneras de hacer coque. En el procedimiento antiguo, en el cual las materias volátiles se destruían, se fabricaban en hornos de mufla sin aprovechar los subproductos destilados. En el proceso moderno se fabrica en retortas y se obtienen al mismo tiempo de los productos destilados muchos subproductos, tales como brea, amoniaco y benzol.

Chatarra:

Solo los metales pueden ser utilizados varias veces. Otros materiales, tales como la madera, vidrio y hormigón constituyen u escombro cuándo han perdido su utilidad. En cambio, os metales procedentes de estructuras inservibles, tale como calderas, puentes, buques, automóviles, etc., se convierten en chatarra aprovechable.

La necesidad de chatarras en la fabricación de metales y aleaciones férricos y no férricos es unos de los principales problemas que se le presentan al fabricante, particularmente en la industria del acero, en la que se necesitan grandes cantidades de chatarras clasificadas. Durante los periodos ordinarios de productividad no es seria la dificultad de obtener chatarra de buena calidad en suficiente cantidad; no obstante, constituye un factor importante en el funcionamiento cotidiano de una acerería.

La mayor parte de la chatarra llega como subproducto de los procesos de manipulación de metal, o bien de material anticuado, o perdidas y producto de metal considerados como inútiles, comprendidos entre pequeñas piezas y acorazados.

La chatarra requiere una clasificación apropiada con el fin de que resulten satisfactoria. La clasificación comprende la separación por tamaños, forma, clasificación de composición, etc; así como la separación completa de los metales no férricos y férricos, separación de los aceros aleados de los aceros al carbono, y la clasificación de calidades y composición de aceros aleados, esto es, al cromo tungsteno, etc.

Horno alto:

El hierro se extrae del mineral por medio de los hornos altos el hierro tal como se obtiene del horno alto puede volverse a fundir y colar para darle cualquier forma, o bien refinarse para transformarlo en acero o hierro forjado. Hoy en día los hornos pueden producir entre 500 y 1200 toneladas de hierro por día.

El mineral se reduce a metal en el horno alto por medio del coque cargado con el mineral, las impurezas se escorifican mediante la castina cargada también con el m mineral.

El aire inyectado a través del horno, se calienta previamente en estufas que constituyen una parte importante de la instalación del horno alto. La combustión del coque suministra el calor necesario, y el óxido de carbono formado por la combustión parcial del coque, junto con el coque, producen el hierro. El hierro líquido y la escoria se depositan en el fondo del horno, de donde se sacan periódicamente por medio de sangrados.

El mineral, coque y castina se elevan desde el nivel del suelo al tragante del horno mediante dos vagonetas que se mueven sobre planos inclinados. Los materiales se pesan cuidadosamente con el fin de que se carguen en proporciones correctas, las cuales varían según sea el horno y la calidad de mineral usado. Las vagonetas descargan su contenido en el tragante y cae sobre la campana inferior al bajar la campana superior; de esta forma, al bajar la campana inferior entra dentro del horno el empleo de estas dos campanas impide que los gases llamas salgan al exterior por el tragante del horno cada vez que se carga. El aire caliente se inyecta por las toberas, cerca del fondo del horno. Los gases producidos se sacan a nivel próximo al tragante y a continuación se hacen pasar por el separador de polvo y por un lavador. Estos gases contienen nitrógeno, anhídrido carbónico y óxido de carbono. El óxido de carbono es combustible y puede quemarse para producir energía o calor. Aproximadamente un tercio de estos gases se emplea para calentar los recuperadores los cuales a su vez calientan el aire inyectado en el horno alto. Al quemarse los gases calientan los ladrillos y una vez calientes se suspende la circulación de los gases y en su lugar se hace pasar el aire que se ha de inyectar en el horno.

A medida que se forma el hierro y la escoria van cayendo en el crisol situado en el fondo del horno debido a que el hierro es más denso que la escoria, se deposita en el fondo, mientras que la escoria flota sobre el hierro fundido. Cerca del fondo del horno existen dos orificios. El más bajo, o piquera, sirve para sangrar el hierro y se tapa con bolas de arcilla disparadas mediante aire comprimido. El orificio superior o bigotera sirve para sacar la escoria y se cierra por medio de un tapón metálico. El hierro se sangra cada cuatro o cinco horas quitando el tapón de arcilla; la escoria se saca dos o tres veces entre cada dos sangrados de hierro. Muchas de las impurezas del mineral son recogidas y evacuadas con la castina fundida formando la escoria.

El hierro que sale del horno alto se conduce por canales a la cuchara, sobre dichos canales se coloca un espumador para separar la escoria y el verterla en una vagoneta. El hierro vertido en la cuchara se calienta a continuación en lingoteras, o bien se transporta en estado líquido a los hornos para fabricar acero. Algunas veces las escorias son apropiadas para la fabricación de cemento, pero la mayoría de los casos se descargan en los escoriales.

El hierro tal como sale del horno tiene de 3 a 4% de carbono y cantidades variable de silicio, azufre, fósforo y manganeso. Las cantidades de silicio y azufre se regulan entre ciertos límites con la conducción del horno pero el contenido de fósforo depende exclusivamente de las materias empleadas. El azufre y fósforo son dos de las impurezas más perjudiciales, y como quiera que la eliminación del azufre resulta difícil, excepto si se emplean tratamientos eléctricos especiales, es importante producir hierro con bajo porcentaje de azufre.

Fabricación del acero por el procedimiento Bessemer:

Los aceros fabricados en un horno Bessemer o Siemens se denominan aceros ácidos o básicos según sea la naturaleza del revestimiento refractario del horno. La sílice es un revestimiento básico mientras que la dolomita y magnesita son revestimientos básicos. La naturaleza del revestimiento gobierna la escoria, puesto que una escoria básica disuelve rápidamente un revestimiento ácido, y una escoria ácida tendría el mismo efecto sobre un revestimiento básico. Con un revestimiento básico se puede eliminar un elevado porcentaje de fósforo y algo de azufre pero la cantidad de óxido de hierro más grande que queda en el acero hace que el acero básico sea inferior al acero ácido.

Para fabricar acero Bessemer se vierte hierro directamente del horno alto en el convertidor o recipiente. En el fondo del convertidor existe un cierto número de orificios a través de los cuales se inyecta aire. El aire oxida primero el silicio y manganeso, y estos óxidos, junto con algo se óxido de hierro suben a la parte alta y forman una escoria. Luego empieza a arder el carbono y la inyección del aire se prolonga hasta que no queda más que 0,05% de carbono aproximadamente. La marcha de la oxidación puede seguirse observando el color de las llamas que salen del convertidor. La oxidación de la impurezas hace subir la temperatura del metal hasta el punto que puede colarse convenientemente cuando se ha terminado la inyección de aire, se agrega el metal fundido la cantidad de carbono necesaria para conseguir el porcentaje de carbono especificado, junto con el manganeso preciso para compensar la influencia del azufre y el silicio requerido para la desgasificación. Después el acero acabado se convierte en una cuchara haciendo vascular el convertidor, y de la cuchara se vierte en las lingoteras para laminarlo o forjarlo subsiguientemente.

El acero Bessemer tiene propensión a estar oxidado e impuro y si bien normalmente se considera inferior al acero producido por otros métodos, puede competir con dichos aceros en trabajos que requieran acero con bajo contenido de carbono y con prescripciones no muy severas a la resistencia mecánica, ductibilidad y tenacidad. El procedimiento ácido no elimina el azufre y fósforo, con lo cual estos elementos quedan en cantidad excesiva para que el acero resulte de buena calidad. Debido a que en el procedimiento Bessemer no utiliza ningún combustible y el tratamiento de 15 a 25 t de hierro puede hacerse en 10 a 15 minutos, el costo del proceso es bajo. Sin embargo, dicho proceso va perdiendo auge y crecen sus costos de fabricación debido a que se van

acabando los minerales de hierro pobres en fósforo. Los aceros Bessemer se emplean extensamente para la fabricación de chapas de calidad mediocre, tubos, alambre, fleje para fabricar tubos y tornillería, así como también en aquellos trabajos en el que el acero no esté sometido a cargas severas y en cambio convenga que sea fácilmente mecanízable.

Uno de los procedimientos “Duplex” consiste en fabricar acero Bessemer ácido, el cual se refina a continuación en un horno Siemens básico, dando al obtenido en el hormo Siemens básico, pero sumamente de utilidad debido a su baratura. Otro procedimiento “Duplex” consiste en refinar en un horno eléctrico el acero producido en un horno Bessemer o en un horno Siemens. Este acero es de calidad superior, normalmente, al acero Siemens.

El procedimiento “triplex” comienza haciendo acero por el procedimiento Bessemer, al cual a continuación en un horno Siemens básico se le quita parte del fósforo y, finalmente, se refina en un horno eléctrico.

Procedimiento Siemens:

El horno Siemens es de forma rectangular y más bien de poca altura. Su capacidad oscila de 15 a 200 t de metal. Se calienta con gas, fuel oil o brea, y las llamas salen primero por un extremo del horno y luego por el otro. Los gases producidos pasan por recuperadores equivalentes a los empleados en los hornos altos. Cuando se invierte la marcha de los gases, los recuperadores a través de los cuales han estado pasando los gases calientes calientan al aire y el gas que entra en el horno, mientras que los situados en el otro extremo comienzan a calentarse por el paso a través de los mismos gases quemados.

Los cuatro recuperadores representados debajo del horno propiamente dicho están llenos de ladrillos por cuyo alrededor pasan el gas y el aire. Antes de poner l horno estos ladrillos se calientan con leña. El gas entra en el horno a través del recuperador interior de un extremo mientras que el aire entra por el exterior del mismo extremo; dichos fluidos se encuentran y unen, atraviesan el horno y de este pasan a la chimenea a través de los dos recuperadores situados en el extremo opuesto. De esta forma los ladrillos de las cámaras de salida quedan más calientes debido al calor perdido del horno. La corriente de gas, aire y productos de combustión se cambia cada 15 minutos, con lo cual los 4 recuperadores se mantiene calientes continuamente. El gas y el aire entran en el horno altamente recalentado dando como consecuencia una temperatura de combustión mas elevada; los productos de combustión salen por la chimenea arrastrando relativamente poco calor, todo lo cual contribuye a ahorrar combustible. La mayor parte de los hornos son de tipo fijo. Sin embargo, algunos hornos modernos muy grandes son del tipo basculante.

El horno Siemens básico tiene paredes y fondo de gran espesor, de magnesita o dolomita sinterizada, con una bóveda en arcos construida con ladrillo silicioso. La solera de los hornos ácidos se hace con arena. El frontis del horno situado en la plataforma de carga, tiene de 3 a 7 puertas, refrigeradas con agua y accionadas hidráulicamente, a través de las cuales se carga el horno y se observa el proceso de fusión y afino. En el centro de la parte posterior del horno se haya el orificio de sangrado, taponado firmemente en los hornos fijos y cerrado ligeramente en los

basculantes. Los hornos básicos tienen otro orificio al nivel de la escoria, a cuyo través se evacua parte de la escoria formada. El proceso para producir acero en éstos hornos requiere de 6 a12 horas, dependiendo del horno, su edad, combustible empleado, y carácter de la carga. Ordinariamente para fabricar los aceros Siemens se emplea una gran cantidad de chatarra de acero. En las grandes acererías donde se fabrican perfiles de construcción, raíles, etc. Se gasta casi el 50% de chatarra, y el resto de la carga está constituido por hierro líquido.

Una descripción de la marcha de un horno Siemens básico típico ayudará a ilustrar los principios del proceso verificado en un horno de éste tipo. Inmediatamente después de efectuada la colada, todas las trazas de acero son rascadas del horno y, a continuación, se echa dolomita calcinada sobre el fondo y paredes laterales para reemplazar las pérdidas ocasionadas en la operación anterior. Después se carga el horno, castina sobre fondo, a continuación mineral y, finalmente la chatarra de acero. Todos los grandes hornos Siemens se cargan en la actualidad mecánicamente. Después de unas dos horas, la chatarra de acero empieza a fundirse y al llegar a este punto se añade el hierro fundido. La acción del material sobre el lingote origina la ebullición del baño, formándose una escoria clara, parte de la cual se retira. Después que la chatarra está completamente fundida, la castina empieza a descomponerse en anhídrido carbónico, el cuál asciende a través del metal y escoria, y también en óxido cálcico, que va a la superficie y contribuye a formar una escoria mas espesa.

La acción del mineral, junto con la de la escoria, hace bajar el contenido de carbono del baño, de tal suerte que en una operación bien conducida queda alrededor de un 1% de carbono cuando la castina se ha descompuesto totalmente. La operación subsiguiente consiste en eliminar mas carbono hasta dejarlo en valor deseado, el cual depende del tipo de acero que se trata de fabricar, y de calentar el baño hasta la temperatura conveniente para poder hacer la colada y llenar las lingoteras. El contenido de carbono se baja gradualmente mediante un calentamiento continuado, pero si por ensayos se encuentra que es demasiado elevado, se añade material; si es demasiado bajo, se añade hierro, ya sea fundido o sólido. El contenido de carbono se juzga por las fractura de las probetas que se cuelan en pequeños moldes, las cuales se enfrían y rompen. Si se fabrica un acero blando o de bajo contenido de carbono, tan pronto como el contenido de carbono del acero que se está fabricando llega al porcentaje deseado y el metal está suficientemente caliente, se cuela en una cuchara, y se añaden a ésta el ferromanganeso y ferrosilicio necesarios para desoxidar y regular la composición química final del acero. Si se fabrica un acero de más porcentaje de carbono, como el empleado para raíles, el contenido de carbono se reduce a un valor comprendido entre 0,15 y 0,25% y se añade suficiente cantidad de hierro fundido un momento antes de hacer la colada, para que el contenido de carbono alcance el valor deseado. El manganeso y silicio se añaden entonces en forma de ferroaleaciones, ya sea en el horno o al acero en el momento de llenar la cuchara. Las cucharas de las cuales se cuela el acero en las lingoteras son del tipo vaciable por el fondo, con el fin de separar el acero de la escoria, la cual flota en la superficie. En los aceros de bajo contenido de carbono se añaden a menudo pequeñas cantidades de aluminio el colarlo en los moldes para desgasificarlo, impidiendo de ésta manera que parte del mismo hierva sobre los moldes al solidificarse.

En los hornos Siemens ácidos no se emplea castina, y la escoria está formada por las impurezas del hierro, junto con parte del revestimiento del horno. Cuando se fabrican aceros de alto contenido de carbono, el acero no se suele carburar como se ha explicado

antes, sino que se cuela cuando se alcanza el contenido de carbono deseado, el cual se determina mediante análisis químicos rápidos.

PROCEDIMIENTO DEL CRISOL:

Los aceros para herramientas de alta calidad y algunos aceros aleados se continúan fabricando por el procedimiento del crisol, si bien es cierto que el horno eléctrico en la actualidad permite fabricar acero de igual calidad que el obtenido en el crisol. En el procedimiento del crisol, se coloca en un crisol de arcilla o de grafito arcilla, hierro forjado o chatarra de buena calidad, junto con una pequeña cantidad de lingote de hierro de gran pureza, ferromanganeso, los metales de aleación necesarios y los fundentes, todo lo cual se cubre con un fondo de crisol viejo y se funde en un horno calentado con gas o carbón de coque. Una vez la carga está completamente fundida, dejando suficiente tiempo para que asciendan a la superficie los gases e impurezas, se vacía el crisol quitando la escoria con una barra de hierro fría, y los 25 o 50 kilos de acero que contiene el crisol se cuelan en pequeños lingotes, los cuales subsiguientemente se forjan para darles la forma deseada.

La ventaja principal de éste procedimiento consiste en que se quitan la mayoría de las impurezas, incluyendo el oxígeno y partículas extrañas.

ACERO AL HORNO ELÉCTRICO:

Los hornos electricospara la fusión y afino del acero tuvieron su origen en el descubrimiento del arco de carbón por Sir Humprey Davy, en 1800, pero no fue sino hasta 1878 en que la aplicación directa de este método se hizo industrial, que fue cuando Sir William Siemens patentó, construyó e hizo funcionar hornos basados en los principios del arco directo e indirecto. Siemens tenía un horno formado por un pequeño crisol en el cual introduciría la carga y se llevaba a cabo la fusión por la acción de dos electrodos de carbón.

El horno eléctrico ha resultado ser una unidad ideal el la industria del acero para fundir y refinar. Entre sus ventajas merecen citarse: la atmósfera no oxidante del arco de carbón, el cual da calor puro, hace posible construir hornos completamente cerrados y permite mantener atmósferas reductoras; la temperatura alcanzable está sólo limitada por la naturaleza del reflectario del revestimiento del horno; puede conseguirse una regulación entre límites muy estrechos; el rendimiento de la unidad es extraordinariamente elevado; el afino y aleación se efectúan con rapidez y control.

En la mayoría de los hornos eléctricos el calor es producido por medio del arco eléctrico, ya sea sobre el baño, como el horno Stassano, o por medio de arcos entre la escoria y los electrodos suspendidos sobre el baño; éste último procedimiento es el mas satisfactorio y corriente. Al preparar una carga de acero, la mayor parte de la carga se prepara con chatarrade acero seleccionada cuidadosamente.

MANUFACTURA DE HIERRO FORJADO:

El hierro forjado se fabrica en partidas de 150 a 750 Kg en hornos denominados de pudelado, que son algo similares al Siemens y en ellos la combustion se desarrolla solamente en un extremo. Estos hornos están revestidos con óxido de hierro en forma de

mineral. En el horno se cargan lingotes de hierro fríos y a medida que éstos se funden se elimina su carbono con el óxido de hierro del revestimioento. Cuando se ha eliminado prácticamente todo el carbono y otras impurezas, el metal tiene un punto de fusión mas elevado y comienza a adquirir la forma de una masa pastosa. Esta masa de escoria y metal se agita intensamente con lo que se forma una bola que se saca a continuación del horno. La mayor parte de la escoria se elimina de esta masa por un prensado mecánico y a continuación el hierro se lamina en forma de barras. En este momento el material está constituido por una mezcla de hierro de gran pureza y algo de escoria(alrededor de 2 o 3%).Las barras se cortan en trozos y se apilan en capas alternativas a 90º. Estas pilas de barras se atan con alambre , se calientan hasta la temperatura de soldadura y se laminan para darles los perfiles deseados. El fin de éste apilado y laminado es obtener una distribución fina y uniforme de la escoria.

El profesor Aston, ideó un procedimiento para fabricar hierro forjado sintético. Este material tiene la misma composicion quimica y metalográfica del hierro pudelado, pero se puede soldar con más facilidad. En este proceso, el lingote se funde en un cubilote y se transforma en acero dulce.

A continuación el acero se vierte en escoria líquida, tomando la precaución de que el mezclado sea completo. Posterormente se retira el exceso de escoria y se prensa para elimar la escoria que quede. Luego se lamina en barras para la fabricacion de tubos y similares.

El principal valor del hierro forjado es su resistencia a la corrosion y ruptura por fatiga.

Se emplea para la fabricacion de pernos, tubos, clavos, tubos cameros, etc.

FUNDICION:

En la fundición, las piezas coladas de hierro y acero, de casi cualquier forma y tamaño, se fabrican colando el metal fundido en el interior de moldes y arena.

Piezas de Hierro Colado: El lingote para colar las piezas se funde en un cubilote, el cual, es un horno de cuba, muy semejante a un pequeño horno alto, en el cual el coque y el lingote de hierro se cargan por la parte alta y el aire se inyecta cerca del fondo. El hierro fundido se puede sangrar periodicamente o, en los grandes cubilotes, en forma continua, siendo recibido en una gran cuchara. Los cubilotes varían mucho en cuanto al tamaño, dependiendo de la cantidad de hierro consumido en la fundición.

Los moldes se hacen apisonando arenas apropiadas sobre un modelo colocado en el interior de una caja. La caja consiste simplemente en un recipiente formado por dos o mas elementos, que permite sacar el modelo. El modelo se retira y el espacio por él ocupado se llena con el metal fundido. Los modelos pueden ser de madera o metálicos; son reproducciones exactasde las piezas que se trata de fabricar, exceptuando que son ligeramente más grandes para compensar la contracción del metal durante su enfriamiento.

Piezas de acero moldeado: las piezas de acero moldeado, producto de las acererías, tienen formas mas o menos intrincadas y se cuelan casi exclusivamente en moldes de arena, si bien en ciertos casos se cuelan en moldesmetálicos centrifugados. El tamaño de

las piezas de acero moldeado puede varia de 6 mm a 1200 mm, que pesan mas de 200 toneladas.

Aunque el acero se funde en hornos Siemens, Bessemer, crisol y eléctricos, en la actualidad el horno eléctrico es el mediode fusión aceptado en las acererías y domina hoy en el campo de la fundición en capacidad y producción.

Los moldes empleados para colar acero deben poseer propiedades especiales, y debido a als altas temperaturas que deben resisitir se presentan dificultades cuando se trata de fabricar moldes y piezas perfectas. Las arenas empleadas deben ser de elevado porcentaje de sílice, y generalmente están constituídas por mezclas de arena con agentes aglomerantes añadidos para conseguir la correcta cohesión de los granos de arena. La porosidad y la formación de sopladuras son defectos que aparecen en las piezas de acero moldeado a causa de contracciones internas, y gases que no han podido escapar, óxidos, escorias, etc. Algunos de los defectos encontradosen las piezas moldeadas en arena pueden eliminarse con el colado centrifugo.

Las piezas de acero moldeado se suelen someter a tratamientos térmicos para mejorar sus propiedades. Estos tratamientos incluyen la normalización, recocido, eliminación de tensiones internas, templado.

El hierro colado (o fundido)Para la producción del hierro fundido se parte de los minerales naturales ricos en hierro, los que se someten a un proceso metalúrgico bastante complejo cuyo producto final es el hierro colado. Durante el proceso de producción se pueden agregar además las chatarras ferrosas a fin de aprovecharlas como material de reciclaje.

Obtención del hierro fundido

Durante el proceso de producción del hierro colado se usan elevadas temperaturas (mas 1750°C) como veremos mas adelante, en un horno especial conocido como alto horno, esto hace que el producto final esté en estado líquido.El hierro colado líquido puede tomar básicamente tres caminos:

1. Trasladado en estado líquido a otros hornos (convertidores) donde será convertido en acero.

2. Vertido en las "lingoteras" para que solidifique como un lingote y pueda ser almacenado, transportado y luego utilizado.

3. Vertido directamente en moldes para producir piezas fundidas de formas especiales.

Minerales de hierro

Por su abundancia en la corteza terrestre el hierro ocupa el cuarto lugar después del oxígeno, silicio y aluminio. La corteza terrestre contiene cerca del 4.2% de hierro en diferentes compuestos químicos.

Los mas abundantes son los compuestos de hierro con oxígeno, con carbono, combinaciones de óxido de hierro con óxido de silicio y otros óxidos y compuestos donde el hierro está unido al azufre (compuestos sulfurosos).Para obtener el hierro fundido se utilizan aquellos minerales mas ricos en hierro y con menos impurezas (especialmente las nocivas), es decir los que están constituidos por los compuestos que son técnica y económicamente mas ventajosos. Tales compuestos se les llama menas.La mena es una roca compuesta por minerales ferrosos y ganga, esta última es un material inútil pero inevitable en las rocas naturales. La ganga generalmente contiene sílice (SiO2), alúmina (Al2O3), óxido de calcio, magnesio y otros.Las principales  menas de hierro son

Magnetitas: (Fe3O4), óxido ferroso-férrico que tiene propiedades magnéticas. Contiene hasta un 69% de hierro.

Hematitas: Compuesta básicamente por óxido de hierro. Contiene un 62% de hierro y es el fundamento de los principales yacimiento de hierro.

Limonitas: Contiene hierro en forma de óxido hidratado (nFe2O3 . mH2O). El contenido de hierro en la limonita se de 30 a 50%

Sideritas: Contienen el hierro en forma de carbonatos (FeCO3). Pueden tener hasta 43% de hierro mezclado con carbonatos de manganeso y magnesio.

Piritas: El hierro está presente unido al azufre (FeS2). Contiene 46.7% de hierro y 53.3% de azufre. Estas menas, dado el alto contenido de azufre que es un elemento nocivo nunca se usan directamente, pero pueden ser sometidas a una tostación previa para separar el azufre y producir ácido sulfúrico, luego son utilizables para la producción del acero.

De los componentes básicos de la ganga la alúmina no se modifica durante el proceso de producción del hierro fundido y termina flotando en el hierro líquido como componente principal de la nata que se forma conocida como escoria. Altos contenidos de estos materiales en la mena producen grandes cantidades de escoria que reducen la eficiencia del proceso y tienen otros efectos indeseables.En las menas ferrosas, junto con el hierro, a menudo suelen estar presentes otros metales: manganeso, cromo, níquel, vanadio, titanio, cobre, zinc y otros. Sus incorporaciones al hierro fundido se comporta de manera diferente:

El manganeso pasa al hierro en 40-70%. El cromo en 80-95%. El níquel en 100% El vanadio hasta 70% El titanio  hasta 70%. El cobre en un 100% y en ocasiones constituye una mezcla indeseable. El zinc no pasa al hierro y se deposita sobre las paredes del horno como óxido.

De los elementos no metálicos pasan en mayor o menor proporción al hierro fundido el silicio, fósforo, arsénico y azufre.El paso del silicio al hierro dependerá de su cantidad en la mena y del régimen térmico del proceso por lo que un tanto manejable. El fósforo se incorpora por completo y constituye una inclusión nociva. El azufre también puede pasar en diferentes cantidades al hierro en dependencia de las condiciones del proceso. El arsénico es raro en las menas de hierro pero pasa totalmente al hierro fundido empeorando su calidad.

Además de las menas típicas de hierro hay otras donde este elemento está mezclado con otros metales en cantidades apreciables, así tenemos:

Menas de hierro al manganeso Cromitas (hierro y cromo) Menas de cromo al níquel Menas de hierro al vanadio, estas además de vanadio contienen titanio.

En ocasiones, y debido a algún interés especial, en la mezcla de materiales a procesar para producir hierro fundido se agregan al horno cantidades de estas menas complejas para obtener el hierro colado con el elemento aleante incorporado.

Preparación de las menas para entrar en el proceso.

Al horno de producción de hierro colado (alto horno) se incorporan las menas de forma que favorezcan el trabajo normal del horno y la producción de un producto final homogéneo y de calidad constante, por esta razón las menas se tratan antes de incorporarlas al proceso. Las principales acciones que se realizan para preparar las mezclas son:

Molienda: La carga del horno debe tener una granulometría adecuada, si se incorporan grandes trozos estos pueden circular por el horno sin que se produzca la debida separación elemental del hierro y pueden terminar taponando los conductos por donde se extrae el hierro colado. Tampoco pueden ser muy pequeños porque pueden impedir la circulación adecuada del oxígeno que se inyecta al horno (material base de la generación de calor en el interior). En este caso los grandes trozos se muelen y los muy pequeños se benefician (extracción de componentes indeseables) y se aglutinan por sinterización.

Cocción: este proceso se hace a ciertas menas para eliminar el agua higroscópica y de hidratación presente, así como reducir el contenido de azufre. La cocción se hace de manera simultánea durante la sinterización de los pedazos pequeños.

Composición: No todas las extracciones de mena de un mismo yacimiento tienen exacta composición, hay zonas mas ricas y mas pobres en hierro, lo mismo con mas o menos ganga, de manera que debe medirse la composición de cada extracción y mezclarse entre ellas para obtener una materia prima homogénea e incorporarla al proceso.

El alto horno

Como ya se ha dicho, el proceso de conversión de las menas de hierro a hierro colado se realiza en un horno denominado alto horno en donde se realiza la transformación de manera continua.En la materia prima para la obtención del hierro colado, él está siempre en forma de óxido (Fe2O3), de manera que tenemos que eliminarle el oxígeno para que quede solamente el hierro elemental. A este proceso se le llama reducción y para que se produzca, debemos contar con un elemento que tome el oxígeno pero que no se combine apreciablemente con el hierro, es decir un elemento reductor.Como elemento reductor del alto horno se utiliza el monóxido de carbono (CO) a alta

temperatura, que es generado por el propio horno a partir de coque (carbón mineral pre-elaborado), de manera que se desarrollan las reacciones químicas siguientes:3Fe2O3

+ CO ------>

2Fe3O4

+ CO2

2Fe3O4

+ 2CO

----- >

6FeO

+ 2CO2

6FeO

+ 6CO

----->

6Fe + 6CO2

El resultado final es que se incorpora al alto horno óxido de hierro (Fe2O3) y coque como componentes fundamentales, se insufla aire a presión a través de la masa para producir el calor por combustión y generar el CO  y se obtiene hierro elemental mas dióxido de carbono (CO2), que escapa como gas a la atmósfera. También se agregan los llamados fundentes que sirven para facilitar la fusión de la ganga y que flote formando la escoria.Veamos ahora como está construido un alto horno típico para que todo este proceso se produzca y se pueda extraer el hierro colado.

Construcción del alto horno.

Los altos hornos son hornos de cuba, y como todo horno de cuba funciona a base del principio de contracorriente. Las materias primas (menas, aglomerados y a veces chatarra ferrosa), fundentes y combustible (coque), se cargan desde arriba. Bajo su propio peso descienden ininterrumpidamente hacia la base del horno. En la parte inferior, se inyecta aire y a consecuencia de la combustión que se produce, se desarrolla mucho calor que se trasmite mediante los gases que suben a los materiales que bajan.

En la figura 1 se puede ver de manera simplificada la estructura del alto horno.Aunque en el esquema que se muestra no aparecen para simplificar, el alto horno es un complejo de aparatos constituidos por el horno mismo y los mecanismos accesorios; de alimentación, extracción de la escoria y del hierro colado, sistemas de limpieza de los gases producidos, los regeneradores de calor etc.Por fuera el horno tiene una camisa de acero recubierta interiormente con ladrillos refractarios. La parte superior se llama tragante y sirve para cargar la mezcla a través de las tolvas y dar salida a los gases.Por debajo del tragante se encuentra la parte mas grande, la cuba que termina en una parte cilíndrica o vientre. Por debajo del vientre se encuentra el etalaje que conduce al crisol. El fondo del crisol se llama solera. En la parte superior del crisol están las toberas que sirven para suministrar el aire impulsado por los sopladores, este aire ha sido previamente calentado en los regeneradores de calor donde se queman los gases del alto horno que contienen una parte de CO que es combustible. Por debajo de las toberas se encuentran las bigoteras para descargar las escorias y por arriba de la solera y en el fondo del crisol se ubica la piquera para extraer el hierro fundido.En el crisol del horno la temperatura alcanza los 1750°C. Para evitar que se fundan el crisol, las toberas y el etalaje se suelen refrigerar con agua.

Procesos físico-químicos

Figura 1

que se desarrollan.

Los materiales suministrados al alto horno: mena, combustible, aglomerado, fundentes y aire sufren cambios físicos y químicos. De acuerdo a las zonas térmicas en el horno tienen lugar los siguientes cambios;

La quema del combustible

La evaporación del agua La descomposición de

los carbonatos La reducción del hierro

y de otros elementos La carburación del

hierro (reacción de hierro con el carbono)

La fundición del metal La formación y

fundición de la escoria otros

Reducción del hierro

Al descender hasta el nivel de las toberas, el coque incandescente, se quema en el chorro de aire suministrado y la alta temperatura ( 800-1000°C) según la reacción:C+O

2

------->

CO2

+O2

Note que se insufla suficiente aire para que sobre oxígeno, esto es necesario para que se garantice la formación del CO2.

Al salir de las toberas los gases contienen oxígeno libre, pero al

alejarse de las toberas su cantidad disminuye y la de dióxido de carbono aumenta. A una distancia determinada este alcanza su máximo, como la reacción del oxígeno con el carbono para formar dióxido de carbono genera calor en la zona de concentración máxima se obtiene la temperatura máxima unos 1900°C.Bajo tales condiciones el CO2 entra en reacción con el carbono sólido y se reduce según la reacción endotérmica:CO2 + C -

---->

2CO

Al encontrar a su paso la hornada de mena, el monóxido de carbono reduce los óxidos de hierro y al mismo tiempo se transforma de nuevo en dióxido. La marcha general de la reducción de los óxidos de hierro por medio del monóxido de carbono puede ser expresada por las siguientes reacciones:

3Fe2O3

+ CO ------>

2Fe3O4

+ CO2

2Fe3O4

+ 2CO

----- >

6FeO

+ 2CO2

6FeO

+ 6CO

----->

6Fe + 6CO2

También se produce en la zona superior del etalaje y en el vientre la reducción de los óxidos ferrosos de hierro por el carbono sólido según la reacción:FeO + C -

--

Fe + CO

---->

Además durante el proceso del alto horno se reducen por el carbono sólido: el silicio (si está en gran cantidad), el manganeso, el fósforo, el cromo, titanio y vanadio. Con respecto al azufre, una parte se escapa con los gases en forma de dióxido de azufre SO2

y otra pasa a la escoria como sulfuro de calcio (CaS) en dependencia de varios factores del proceso.También se produce la cementación del hierro según la reacción:

3Fe + C ----->

Fe3C

formando carburo de hierro que se disuelve en el hierro líquido.

Formación de la escoria

Como fundente para que la ganga y las cenizas del coque pasen a la escoria se introduce con la carga piedra caliza fracturada (CaCO3) que bajo la temperatura de unos 900°C se descompone en cal (CaO) y dióxido de carbono, la cal al entrar en contacto con la ganga y las cenizas del combustible forman la escoria que se funde en la zona del vientre y etalaje y gotea en el crisol del horno flotando sobre el hierro fundido.Finalmente por las piqueras se sangra el hierro fundido de vez en cuando a las cucharas y en ellas se transporta al destino final, ya sea para su vertido en las lingoteras, en moldes o su transporte directo como líquido a la producción de acero.El producto terminado, el hierro colado, con una cantidad de carbono entre 3.5 y 4.5% de carbono, en dependencia de como fue elaborado en el alto horno, la naturaleza de la mezcla original, y otros factores puede ser bien diferente. En general se diferencian dos tipos básicos de hierro colado.

El hierro colado que contiene grafito libre, con una fractura gris oscuro y estructura macrogranulosa se denomina fundición gris y se usa para la elaboración de lingotes.

El hierro fundido que contiene el carbono combinado con el hierro (carburo de hierro o cementita), posee generalmente una fractura brillante y se llama fundición blanca o arrabio. Este hierro suele ser convertido en acero.

BIBLIOGRAFÍA –

John von Neuman nació en Budapest el 28 de diciembre de 1903, en el seno de una familia de banqueros acomodada.

De origen húngaro, fue un gran matemático del siglo XX que realizó contribuciones importantes en la física cuántica, análisis funcional, teoría de conjuntos, ciencias de comunicación, economía, análisis numérico, cibernética, hidrodinámica de expresiones, estadística y otros campos de las matemáticas.

Considerado por muchos como “una persona jovial, inteligente, optimista, vividor y mujeriego”, sus antepasados eran originarios de Rusia, y aunque refugiados y pobres, prosperaron en un par de generaciones. Su padre poseía el título de hidalguía dado por José I de Habsburgo, mediante la política aristocrática del imperio, con el fin de servir a fines políticos.

Desde muy pequeño demostró aptitudes en idiomas y matemáticas, además de tener una memoria prodigiosa.

Estudio en el colegio luterano Fasori Gimnazium de Budapest, a pesar de su origen judío. Además, fue instruido por profesores privados que le dieron una educación en idiomas, memorización y matemáticas.

Posteriormente, curso matemáticas y química en las universidades de Budapest y Berlín (donde asistió a los cursos de Albert Einstein) e Ingeniería química en el Instituto Federal de Tecnología de Zurich en Suiza en 1925 a instancias de su padre, que quería que su hijo invirtiera tiempo en temáticas con mayor futuro que las temáticas. Aunque también frecuentó la Universidad de Gotinga, donde conoció al matemático David Hillbert , cuya obra ejerció relativa importancia sobre él, y contribuyó de manera importante al desarrollo de la teoría de la demostración y aportó diversas mejoras a la fundamentación de la teoría de conjuntos de Zermelo.

En 1921, recibió su doctorado en matemáticas por la Universidad Pázmány Péter en Budapest con una tesis sobre los números ordinales.

Por otra parte, en lo referente a su experiencia docente, fue profesor de universidad. Entre 1927 y 1930 estuvo como profesor en la universidad de Berlin y Hamsburgo. Convirtiéndose así en el profesor más joven de la historia. Y posteriormente,  en América enseño durante más de 25 años en la Universidad de Princeton hasta su muerte, donde emigro al morir su padre ante la inseguridad que tenía por la opresión naci junto a su madre, su mujer y sus hermanos.

Al instalarse en  Estados Unidos convirtió su nombre al inglés manteniendo el apellido aristócrata de Von Neumann.

Una vez en Estados Unidos fue invitado a la Universidad de Princeton y posteriormente fue una de las cuatro personas seleccionadas para el personal docente del Instituto de Estudios Avanzados (junto con Albert Einstein y Kurt Gödel).

En lo que respecta a su vida sentimental, esta fue un poco escabrosa debido a la fama que tenia de mujeriego. Se casó dos veces. De la primera mujer tuvo descendencia. Su hija es, actualmente, profesora de comercio internacional y política pública en la universidad de Michigan. Posteriormente, se casó con una mujer que conoció en sus continuos viajes de retorno a Budapest antes del estallido de la Segunda Guerra Mundial. Junto a la cual fue muy activo socialmente en la comunidad académica de Princeton.

Finalmente, en 1955 le diagnosticaron un cáncer de páncreas, del cual murió unos años después.

Durante los últimos días de su vida se reconvirtió a la iglesia católica, cosa que conmociono a algunos de los amigos que tenía.

Murió el 8 de febrero de 1957 bajo seguridad militar por miedo a que revelase secretos militares mientras se estaba medicando.

- VIDA PROFESIONAL DE JOHN VON NEUMANN. -

Por lo que respecta a su vida profesional, von Neuman tuvo una larga y provechosa vida (de ahi que se dedique un apartado especial a su vida profesional).

Aparte de ser profesor de universidad, donde tuvo la suerte de participar los proyectos de desarrollo del ENAIC y EDVAC,  fue tutor de Alan Turing en la tesis doctoral de éste. Y entre 1943 y 1955, fue asesor del laboratorio científico de los alamos de la Marina norteamericana. Y posteriormente, trabajo en el Special Weapons Project de las fuerzas aéreas.

Respecto a las diferentes temáticas sobre las cuales se interesó von Neuman destacan el campo de las matematicas y la lógica computacional, política y asuntos sociales, economía y mecánica cuántica, entre otras.

MATEMÁTICAS Y LÓGICA COMPUTACIONAL.

En el campo de las matemáticas, es notable su interés a partir de la apertura de nuevas vías al desarrollo de la matemática estadística a partir de su estudio en 1928 sobre juegos de estrategia. Además de participar en la axiomatización de las matemáticas.

Además, también contribuyó al mundo de las matemáticas haciendo significativas aportaciones en el desarrollo de la lógica computacional.

La necesidad de automatizar sistemas complejos en unidades de tratamiento y memorias de flujos de información lo llevaron a plantear cuestiones sobre la posibilidad de reproducir maquinas autómatas. Lo cual le llevo a participar en la construcción de las primeras computadoras, de ahí su teoría de la arquitectura von neuman.

De ahi que diese su nombre a la arquitectura de von Neumann, utilizada en casi todos los computadores, ya que fue el el que publicó el concepto; aunque muchos piensan que este nombramiento ignora la contribución al concepto de J.Presper Eckert y John Willian Mauchly. Virtualmente, cada computador personal, microcomputador, minicomputador y supercomputador es una máquina de von Neumann, que más adelante se nombra en un apartado especial. El termino de máquina de von Neumann se refiere alternativamente a las maquinas autorreplicativas.

También creo el campo de los autómatas celulares sin computadores, construyendo los primeros ejemplos de autómatas autorreplicables con lápiz y papel. El concepto de constructor universal fue presentado en su trabajo póstumo “Teoría de los autómatas autorreproductivos”.  Y, interesándose así por la robótica, en 1952 propuso dos modelos de máquinas autorreproductoras, una de ellas con la modalidad de reproducción parecida a la de los cristales, mientras que la otra era más próxima a la forma de reproducirse los animales.

Más tarde, probó que el camino más efectivo para las operaciones mineras a gran escala, como mirar una luna entera o un cinturón de asteroides, se debía de hacer a través del uso de máquinas auto-replicativas, para tomar ventaja en el crecimiento exponencial de tales mecanismos.

Y también contribuyó al estudio de algoritmos. Donald Knuth denomina a von Neumann como el inventor en 1945 del “algoritmo de merge sort”.

Y entre 1944 y 1946 colaboró en la elaboración de un informe para el ejército sobre las posibilidades que ofrecía el desarrollo de las primeras computadoras electrónicas; de su contribución destaca la concepción de una memoria que actuase secuencialmente y no solo registrara datos numéricos de un problema sino que además almacenase un programa con las instrucciones para la resolución del mismo.

Además investigo en problemas del campo de la hidronamica numérica. Junto con R.D. Richtmyer desarrollo un algoritmo de viscosidad artificial para entender las ondas de choque.

Arquitectura Von Newmann.

Debido a la importancia de la von Neumann en el desarrollo de las computadoras, cabe destacar por encima lo que es este tipo de máquina.

Es una familia de arquitecturas de computadoras que utilizan el mismo dispositivo de almacenamiento tanto para las instrucciones como para los datos.

La mayoría de las computadoras de hoy en día se basan en este tipo de arquitectura, aunque pueden incluir otros dispositivos adicionales.

Surgió como consecuencia de la colaboración de Newmann en el proyecto ENIAC. Newmann , consciente de la torpeza de la aritmética decimal utilizada en las computadoras de este proyecto podría reemplazarse utilizando la aritmética binaria, realizo un diseño básico llamado la máquina de Von Newmann . El programa se implanto en la computadora de EDVAC.

Se estructura en 5 partes básicas:

1. Memoria (MI)2. Unidad aritmética lógica(ALU)3. Unidad de control del programa.4. Equipos de entrada y salida.

MEMORIA: Expresada en bits, constaba de 4096 palabras cada una de 40 bits. Cada palabra contenía hasta 2 instrucciones de 20 bits cada una o un numero entero de 39 bits y su signo.

UNIDAD ARITMÉTICA LÓGICA (ALU) : Supervisa la transferencia de información y la indica a la unidad aritmética lógica la operación que debe ejecutar.

UNIDAD DE CONTROL DEL PROGRAMA: Se encarga de realizar las operaciones aritméticas y lógicas necesarias para la ejecución de una instrucción.

EQUIPOS DE ENTRADA Y SALIDA: La entrada o input es cualquier dispositivo a través del cual se introduce información a la computadora. La salida o output es cualquier dispositivo que recibe información de la máquina para poder ser  utilizada por usuarios.

Los primeros ordenadores, con sistemas de numeración decimal y complicada electrónica con muchos fallos y un sistema de programación cableado, hizo que von Newman propusiese dos principios básicos que llevarían a la revolución de la informática del momento. En primer lugar, la utilización del sistema de numeración binario y en segundo lugar el almacenamiento de la secuencia de instrucciones de que consta el programa de memoria interna.

A continuación se expone el esquema del modelo de von Newmann:

 

 

POLITICA Y ASUNTOS SOCIALES.

Habiendo experimentado una carrera académica “Relampago” obtuvo con 29 años una de las primeras cinco plazas profesionales en el Institute for Advanced Study (instituto para estudios avanzados) en Princeton (una de las cuales fue para Einstein).

Sintiéndose por esta época obligado a buscar otros campos de interés con el objetivo de satisfacer su ambiciosa personalidad, y lo encontró en su colaboración con el complejo militar-industrial americano.

Fue frecuentemente consultado por la CIA, el Ejercito de los Estados Unidos, la corporación RAND, Standard Oil, IBM y otros.

Políticamente se definía “violentamente anticomunista y mucho más militarista que la normal”.

Como presidente del Comité para misiles de von Neumann y como miembro de la comisión de energía atómica, era el científico con mayor poder político de estados unidos.

Desarrollo varios escenarios de proliferación nuclear, misiles submarinos e intercontinentales con cabezas atómicas y el muy controvertido equilibrio estratégico llamado destrucción mutuamente asegurada.

En pocas palabras, era la mente diestra de los aspectos científicos de la guerra fría que condiciono al mundo occidental por cuarenta años.

En 1943 el ejército estadounidense reclamo su participación para fabricar bombas atómicas, y a partir de entonces colaboro con los militares, y posteriormente colaboró en la fabricación de la bomba de hidrogeno y en el desarrollo de misiles balísticos.

Por lo tanto, el resultado notable de su investigación en este campo fue el descubrimiento de que las bombas de larga dimensión son más devastadoras que si se detonan antes de tocar el suelo; la participación en proyectos para el diseño de

explosivos de contacto; y la especial contribución a la construcción de la bomba de hidrogeno.

De ahí que su interés en problemas de matemática aplicada, e hicieran convertirse en uno de los más grandes expertos en materia de explosivos y se comprometió con un gran número de consultorías militares, principalmente para la marina de estados unidos.

En 1955 fue nombrado miembro de la comisión de energía atómica del gobierno estadounidense.

Su exposición a la radiación de las pruebas nucleares pudo ser el desencadenante de su muerte trágica, aunque no ha sido demostrada.

 

ECONOMÍA.

Contribuyo significativamente en el “teorema minimax”. Que culminó con la teoría de juegos y el comportamiento económico.

Otra contribución importante fue la solución a un problema de Leon Walras en 1874 de la existencia de situaciones de equilibrio en modelos matemáticos de desarrollo del mercado basado en oferta y demanda.

Además, fue el primero en emplear el método de prueba utilizado en teoría de juegos , conocido como backward induction (inducción hacia atrás).

MECÁNICA CUÁNTICA.

Después de completar la axiomatización de la teoría de conjuntos, empezó a enfrentarse a la axiomatización de la mecánica cuántica.

Fue el autor de la primera teoría axiomática abstracta que a partir de 1923 habrían empezado a demostrar su condición de instrumento matemático por excelencia de la mecánica cuántica; la estructura lógica interna de esta última se puso de manifiesto merced de los trabajos de von Neumann, quien contribuyo a proporcionarle una base rigurosa para su exposición.

También asistió al nacimiento de la teoría cuántica de Heisenberg y se interesó por la aplicación del programa formalista de Hilbert a la formulación matemática de esa nueva rama de la física.

En 1932 publicó The Mathematical Foundations of Quantum Mechanics, en el que recoge sus formulaciones sobre la matemática cuántica. En 1944, en un texto escrito con Oskar Morgenstern, plantea la teoría del juego Theory of Games and Economic Behaviour. En 1958, The Computer and the Brain. Después de su muerte, en 1966, apareció la obra Theory of Self-Reproducing Automata, con Arthur W. Brurks.

- OTROS DATOS DE INTERÉS SOBRE VON NEUMANN. -

 

CARGOS QUE OSTENTO.

En lo que respecta a cargos que ostento durante su vida cabe destacar que fue director de las revistas Academicas annals of mathematics y Composition Mathematica, y presidente de la American Mathematical Society entre 1951 y 1953. También fue miembro de la American Academy of Arts and Sciences; de la Academia Nacional de Ciencias Exactas de Perú; de la Academia Nazionales dei Lincei y del Instituto Lombardo di Scienze e Lettere de Italia, de la Academia Real de Ciencias y Letras de los Países Bajos, etc.

HONORES.

Por otra parte, remarcar las numerosas distinciones que recibió tanto en su carrera investigadora como docente. Entre ellas, recibió la distinción “honoris causa” por la universidad de Pennsylvania, Harvard, Martland, Munich, Estambul, etc.

También obtuvo entre otros galardones las medallas presidenciales del mérito y de la libertad de los estados unidos por el presidente Dwight Eisenhower en 1956, y los premios Einstein, Bôcher y Fermi.

También se le rindieron varios tributos en su nombre, incluso a título póstumo, como son un premio de teoría John von Neumann del instituto para la investigación de operaciones y la ciencia administrativa que  se otorga anualmente al individuo o grupo que haya hecho contribuciones fundamentales y sustentadas a la teoría en investigación de operaciones y las ciencias administrativas; una medalla que se otorga por la IEEE para los logros excepcionales en ciencia y tecnología de la computación; y además, hay un cráter en la luna que lleva su nombre, un centro de computación también con su nombre, una sociedad profesional de científicos de la computación húngaros en su honor, y un premio en su honor a la contribución en el ámbito de las ciencias sociales.

Además, es significativo el hecho de que en 2005 se publicaron una serie de estampillas conmemorativas de científicos americanos por el servicio postal de los Estados Unidos, entre los cuales uno de ellos era von Newmann.

EL MODELO DE VON NEUMANN

La maquina de Von Neumann tenia 5 partes básicas: La memoria, la unidad Aritmética lógica, la unidad de control del programa y los equipos de entrada y salida. La memoria constaba de 4096 palabras, cada una con 40 bits (0 o 1). Cada palabra podía contener 2 instrucciones de 20 bits o un número entero de 39 bits y su signo. Las instrucciones tenían 8 bits dedicados a señalar el tiempo de la misma y 12 bits para especificar alguna de las 4096 palabras de la memoria.

Dentro de la unidad aritmética - lógica, el antecedente directo actual CPU (Unidad central de Proceso), había un registro interno especial de 40 bits llamado en acumulador. Una instrucción típica era sumar una palabra de la memoria al acumulador o almacenar éste en la memoria.

La máquina no manejaba la aritmética de punto flotante, porque Von Neumann pensaba que cualquier matemático competente debería ser capaz de llevar la cuenta del punto decimal (en este caso del punto binario), mentalmente.

Un elemento importante del hardware de la PC es la unidad del sistema, que contiene una tarjeta de sistema, fuente de poder y ranuras de expansión para tarjetas opcionales. Los elementos de la tarjeta de sistema son un microprocesador, memoria de solo lectura (ROM) y memoria de acceso aleatorio (RAM).

El cerebro de la PC y compatibles es un microprocesador basado en la familia 8086 de Intel, que realiza todo el procesamiento de datos e instrucciones. Los procesadores varían en velocidad y capacidad de memoria, registros y bus de datos. Un bus de datos transfiere datos entre el procesador, la memoria y los dispositivos externos.

Aunque existen muchos tipos de computadoras digitales según se tenga en cuenta su tamaño, velocidad de proceso, complejidad de diseño físico, etc., los principios fundamentales básicos de funcionamiento son esencialmente los mismos en todos ellos.

Se puede decir que una computadora está formada por tres partes fundamentales, aunque una de ellas es subdividida en dos partes no menos importantes. En la figura 1.2 se muestran dichas partes, llamadas genéricamente unidades funcionales debido a que, desde el punto de vista del funcionamiento, son independientes.

Figura 1.2.- Unidades Funcionales de la computadora

El nombre de cada parte nos indica la función que realiza. Así, la Unidad Central de Proceso (CPU) es la que coordina el funcionamiento conjunto de las demás unidades y realiza los cálculos necesarios; por eso la podemos subdividir en una Unidad de Control (UC) y en una unidad de cálculo o Unidad Aritmético-Lógica (UAL). La unidad de Memoria Principal (MP) se encarga de almacenar las instrucciones que realizará la Unidad de Control al ejecutar un programa y los datos que serán procesados. La Unidad de Entradas y Salidas será la encargada de la comunicación con el exterior a través de los periféricos. Estos periféricos pueden ser: de entrada, como los teclados; de salida, como los tubos de rayos catódicos, y de entrada y salida, como los discos magnéticos.

Unidad de Memoria Principal

La memoria principal esta formada por un conjunto de unidades llamadas palabras. Dentro de cada una de estas palabras se guarda la información que constituye una instrucción o parte de ella (puede darse el caso de que una sola instrucción necesite varia palabras), o un dato o parte de un dato (también un dato puede ocupar varias palabras).

A la cantidad de palabras que forman la MP se le denomina capacidad de memoria. De este modo, cuanto mayor sea el número de palabras mayor será el número de

instrucciones y datos que podrá almacenar la computadora. Una palabra esta formada a su vez de unidades mas elementales llamadas bits, del mismo modo que en el lenguaje natural una palabra esta formada por letras. Cada bit solo puede guardar dos valores, el valor 0 o el valor 1; por eso se dice que son elementos binarios.

El número de bits que forman una palabra se llama longitud de palabra. Por regla general, las computadoras potentes tienen memorias con longitud de palabra grande, mientras que las computadoras pequeñas tienen memorias con longitud de palabra menor.

En la figura 1.3 se muestra como se puede estar organizada una Memoria Principal.

Figura 1.3.- Organización de una unidad de memoria

Ya se ha visto en las secciones precedentes como funcionan la CPU y la MP, pero puede decirse que es necesaria la comunicación entre el interior de la computadora y su entorno o periferia. Esta comunicación se consigue a través de dispositivos de muy diversos tipos, como son: teclados, impresoras, pantallas, discos magnéticos, etc.

Es estos dispositivos se les conoce con el nombre genérico de periféricos.

En la figura 1.4 se muestran algunos periféricos conectados a la Unidad de E/S, la cual hace de intermediaria entre los periféricos y la CPU. Las flechas indican el sentido en que fluye la información. , la cual hace de intermediaria entre los periféricos y la CPU. Las flechas indican el sentido en que fluye la información.

Figura 1.4.- La unidad de entrada y salida hace de intermediaria entre la UCP y los periféricos

La coordinación de la comunicación entre los periféricos y la CPU la realiza la Unidad de E/S. Obsérvese que esta no es un periférico sino un dispositivo que gestiona a los periféricos siguiendo las ordenes de la CPU; es decir, la Unidad de E/S recibe de la Unidad de Control información sobre el tipo de transferencia de datos que debe realizar (si es de entrada o de salida) y periférico que debe de utilizar; si es de salida recibirá también el dato que debe enviar y el momento de la operación.

Entonces, la Unidad de E/S seleccionara el periférico y ejecutara la operación teniendo en cuanta las características propias de cada periférico. Una vez ejecutada la orden avisara a la UC de la terminación de la transferencia.

Cada periférico o parte de un periférico tendrá asignado un numero o dirección que servirá para identificarlo. Cuando la UC quiera seleccionarlo enviara dicho número a la Unidad de E/S.

Partes de una PC

Las PC forman parte de una de las muchas categorías de computadoras que hay, en nuestra actualidad este tipo de computadora es la que mejor tendremos acceso. Las principales partes de un PC son:

Monitor: Los monitores los podemos clasificar por tamaño o por tipo de monitor. Si es por tamaño dependerá de el largo de la diagonal de la pantalla, es decir 14, 15, 17, 19, 21 pulgadas, etc. Hay que tomar en cuenta que esta distancia no es real, es la diagonal del tubo pero por los plásticos que lo cubren se reduce hasta 1 pulgada o un poco mas, por eso es que vemos que al comprar nuestro monitor de 17" en las especificaciones indica "viewable" que es la distancia que se puede ver es de 16".

Por otra parte, si es por el tipo de monitor es un poco más técnico, se diferencian en los monitores de tubo sencillo, los de tubo de pantalla plana y los flat panel. La diferencia principal entre los de tubo es que los de pantalla plana poseen mejor tecnología y ofrecen mejor imagen(colores mas vivos) y resolución(mas detalle) que los de tuvo sencillo curvos. Ahora el último grito de la moda son los flat panel como el de las computadoras portátiles ya que no ocupan casi espacio y ofrecen altas resoluciones y tamaños adecuados, la única desventaja es que son sumamente caros, cuestan hasta diez veces lo que cuesta uno de tuvo del mismo tamaño de diagonal, muy pronto profundizaré un poco mas en el tema, no se preocupen.

Raton: los ratones se diferencian principalmente en dos bandos. Los que se conectan al puerto serial, los cuales son estos...(muestra imagen) y los PS-2 (muestra imagen). Los PS2 son el estándar hoy día pero tienes que tomar en cuenta si tu computadora tiene el puerto PS2 o no, aunque todas tienen puerto serial.son los que están reemplazando a los seriales ya que en las computadoras se creo este puerto especialmente para el mouseSabes que el puerto PS2 fue creado por la IBM especialmente para el mouse y el teclado, ya que al tener un purto (conector) dedicado a los periféricos principales como teclado y mouse se puede liberar el puerto serial para conectar otros dispositivos como por ejemplo un MODEM. Los mouse existen en distintas formas, unas más sencillas que otras, una de las variantes de mouse son los track ball, estos son un mouse pero invertido, en vez de mover el ratón

entero, se mueve directamente la bola en dirección a la cual se quiere dirigir el cursor, o los touchpad como en las computadoras portátiles.

Teclado: hay dos tipos de ellos si los diferencias por el conector, AT y PS2, como podemos ver (mostrar figura comparatoria), la diferencia principal es el tamaño del conector. El conector del mouse PS2 es idéntico al del teclado PS2, tengan cuidado al invertirlos, no va a pasar nada, simplemente no les va a funcionar. Los teclados han evolucionado bastante también, hoy día poseen botones especiales para navegar en Internet o para abrir programas específicos con solo oprimirlos, también los tienen ergonómicos (adecuados a la fisonomía del hombre) y sencillos, inalámbricos, con bocinas, diferentes colores, etc.. En fin hay teclados para cada usuario. 

CPU: Unidad de procesamiento central, esta es la parte más importante ya que es el cerebro de la computadora, dentro de ella se realizan todas las tareas comandadas por el usuario, ella consta de partes especificas internas que serán explicadas más adelante.

Gabinete: El gabinete es la parte externa de la computadora y hay dos tipos principales, torre y de escritorio. En la clase de torre, las hay mini torre, media torre y torre completa que son los que se utiliza para servidores. Dentro del gabinete se encuentran todos los dispositivos principales. Fuente de poder, microprocesador, memorias, tarjeta de video, tarjeta de sonido, motherboard, ventiladores. Hoy día encontramos gabinetes mucho más elaborados en donde no sólo se toma en cuenta el diseño futurístico fuera del gabinete sino mucho mas importante, el diseño por dentro, el cual permite mejor flujo de aire y distribución correcta de los dispositivos internos.

Microprocesador: El microprocesador es la pieza principal en una computadora, es el cerebro en donde se realizan todos los cálculos y tomas de desición. Los microprocesadores los podemos encontrar también en casi todos los dispositivos digitales, desde relojes hasta en los sistemas de inyección en los autos.Sus características principales son: su ancho de banda y su velocidad del reloj.El ancho de banda define el numero de bits que puede procesar por cada instrucción. Esto es lo que se refiere a 8 bits, 16 bits, 32 bits, 64 bits. (recordar lo de los video juegos)La velocidad del reloj, dada en Hz que define cuantas instrucciones por segundo puede ejecutar. Esto es lo que escuchamos decir cuando un microprocesador de X marca es de 600MHz , 800 MHz, 1.5 GHz, donde MHz (Mega Hertz es millones de intrucciones y GHz (Mil millones de instrucciones)La combinación de los dos (ancho de banda y velocidad de reloj) es lo que define el poder del microprocesador siendo más poderoso mientras mayor sean ambas.

Algunas marcas de los principales microprocesadores son: AMD, Cyrix, Intel y Motorola. 

EQUIPO MULTIMEDIA: Equipo necesario para capturar video, reproducir y grabar sonidos.