▪ Primer período de la siderurgia se remonta 1400 años a. C.

Fabricación del hierro se hacía en una sola etapa, reducción directa del

mineral; se obtenían pequeñas partículas metálicas de aspecto esponjoso,

luego las partículas se reunían y se les daba forma por martillado en caliente

Proceso prácticamente abandonado en el siglo XIX, (en la actualidad es

practicado por pueblos primitivos que viven en lugares remotos de África).

▪ Segundo período de la siderurgia (mediados siglo XIV).

Fabricación del hierro en dos etapas: la fundición se obtenía en estado

líquido en un horno alto, y partiendo de la fundición líquida y

oxidándola, se obtenía el hierro en hornos bajos o de pudelar en una

consistencia pastosa.

Experimentos de

fundición en la Edad de

Hierro por estudiantes

de arqueología de la

Universidad de

Bournemouth.

Reducción directa

▪ Diagrama de obtención del hierro y proceso de aceración

Minerales de hierro más comúnmente explotados

Mineral Formula Química Riqueza

Teórica %

Peso

Específico

Color más

Frecuente

Magnetita Fe3O4 72.3 5.0 negro-gris

Hematitas Rojas Fe2O3 70.0 4.9 rojo

Hematitas Pardas NFe2O3MH2O 60.0 4.5 amarillo-rojizo

Carbonato (siderita) FeCO3 48.3 3.7 pardo

Magnetita Hematita roja Hematita pardaSiderita

Preparación del

mineral

El coque es un material poroso de alta resistencia a la compresión.

El cual debe de contener un mínimo de azufre y de cenizas.

Composición del coque siderúrgico

Carbono fijo 85 a 90%

Volátiles 2%

Cenizas 8%

Azufre 1%

Poder calorífico 7.125 kcal/kg

• Menor porcentaje de

volátiles (combustión

sin llamas ni humo)

• Gran resistencia a la

compresión (mayor a

100 kg/cm2) –material

de soporte-

• Elevado índice de

superficie a peso

(porosidad)

• Representa del 50 al

70 % del costo total

Composición de las cenizas del coque

SiO2 35%

Al2O3 25%

CaO 15%

MgO 5%

P 0.15%

Fe2O3 15%

Es muy importante que el

porcentaje de azufre sea menor

del 1% y que el de las cenizas

sea menor del 9%; éstas deben

ser fácilmente escorificables.

Normalmente se requiere 1.6

kg de caliza por cada kg de

ceniza.

Esquema General de una Batería de Coque con Fabricación de

Subproductos. Calentamiento hasta temperaturas de entre 900 a

1250°C, con una duración de entre 16 y 24 h (4h por 0.1m de

ancho)

Forma en la que han evolucionado los altos hornos

Año Capacidad

(ton/d)

Crisol

(m)

Volumen

(m3)

Producción

Kg/m3 - d

Temperatura

del Aire °C

Consumo

Coque

1800 5 1.5 50 100 15 6500

1825 10 2.5 75 130 15 6000

1850 40 2.7 150 300 400 2500

1875 100 3.0 250 400 500 1800

1900 300 4.0 400 750 600 1300

1925 800 6.0 500 1600 800 1200

1950 1000 7.0 800 2000 950 1000

1965 4000 9.5 1750 2290 1100 650

1995 10000 14.0 4000 2500 1250 420

Instalación de un alto horno.

De las estufas de calentamiento el aire pasa al anillo de viento y de ahí

es suministrado al horno a través de las toberas. Estas piezas son

normalmente de cobre y se refrigeran con agua; su número es variable

y depende del tamaño del horno, siendo del orden de:

Diámetro del

horno (m)6 7 8.5 10 14

Número de

toberas20 25 30 32 40

Las dimensiones de los primeros hornos (siglo XVII) estuvieron limitadas por la

capacidad de alimentación de aire, en esta etapa suministrada por fuelle (presión

0.05kg/cm2). Posteriormente se emplearon sopladores por pistón (hasta cuatro

veces mayor presión) y soplantes movidos por vapor.

CAPÍTULO 1Introducción

Reacciones químicas que se producen en el alto horno al reducir

hematita roja.

Fases principales para la obtención del

arrabio:

1. Combustión del coque y de otros

combustibles (condiciones necesarias para

la reducción).

2. Reducción de los óxidos presentes.

3. Carburación del hierro y fusión del

arrabio.

4. Separación del arrabio y escorias por

diferencia de densidad.

La carga sólida en descenso dura de 12 a

18 h

Obtención del hierro por alto horno.

a) Componentes de

Ingreso y salida

b) Distribucion de Zonas

c) Perfil de Temperaturas

CAPÍTULO 1Introducción

Hierro• Fuentes:

Hematitas( Fe2O3 ); Magnetita ( Fe3O4 ); Siderita

(FeCO3), Limonita FeO(OH)

• Propiedades:

Densidad: 7,874 g/cc

Color del hierro puro: gris plata

El Fe puro es bastante reactivo. En el aire húmedo se oxida

con rapidez formando un óxido férrico hidratado (herrumbre) que no

sólo no lo protege sino que lo separa en escamas, exponiendo al aire

nuevas superficies metálicas.

CAPÍTULO 1Introducción

Procesos y reacciones

• Reducción de la mena: Fe2O3

A) Formación de agentes reductores: (CO2 y CO)

C(g) + O2(s) CO2(g) (>1700ºC)

CO 2(s) + C (s) 2CO(g) (1300ºC)

B) Reducción del hierro: Fe2O3

1) Parte superior: (500ºC)

3Fe2O3 (s) + CO(g) 2Fe3O4 (s) + CO2 (g) + H

2) Parte media del horno : (850ºC)

Fe3O4 (s) + CO(g) 3FeO(s) + CO2(g) + H

3) Fondo del horno: (1300ºC)

FeO(s) + CO(g) Fe (l) + CO2 (g) + H

CAPÍTULO 1Introducción

Función de la caliza (fundente)

La función del fundente es reaccionar con la ganga y cenizas presentes

reduciendo la temperatura de fusión de la escoria resultante. La composición

más idónea de la escoria se puede ajustar a través del índice de basicidad,

que está definido por el siguiente cociente:

2 2 3

CaO+MgOI.B.=

+SiO Al O

Es conveniente que dicho índice sea del orden de 1, para que así la

temperatura de fusión sea mínima, al igual que esta proporción de cal y

sílice (CaO/SiO) favorece la desulfuración.

CAPÍTULO 1Introducción

Reacciones de formación de escoria

• CaCO3(s) CO2 (g) + CaO (s) (800 – 900ºC)

• CaO(s) + SiO2 (s) CaSiO2 (s) (1200 – 1400ºC)

• MgO(s) + SiO2 (s) MgSiO2 (s) (1200 – 1400ºC)

• 3CaO(s) + P2O5 (s) Ca3(PO4)2(s) (1200 - 1400ºC)

• CaO(s) + Al203(s) CaAl2O4(s) (1200 - 1400ºC)

CAPÍTULO 1Introducción

• El arrabio o hierro de primera fusión obtenido en el alto horno se

caracteriza por contener elevados porcentajes de carbono, manganeso

y silicio así como también fósforo. Una composición típica es la

siguiente:

C = 3.5%

Mn = 1%

Si = 2%

P = 0.1%

S = 0.04%

Arrabio

CAPÍTULO 1Introducción

Fig. 2.22 Colada de Acero.

CAPÍTULO 1Introducción

Fig. 2.23 Proceso de colada

continua.

Introducción desde la

década de 1860’s.

Inicialmente se desarrollo

para materiales no

ferrosos.

CAPÍTULO 1Introducción

Fig. 2.24 Descripción esquemática de una máquina de colada continua de

5 hilos.

CAPÍTULO 1Introducción

Fig. 2.25 Planta de de colada continua de planchón de Arcelormittal

Dunkerque, Francia.

CAPÍTULO 1Introducción

Fig. 2.26 Planta de

colada continua de

palanquilla de 5 hilos.

CAPÍTULO 1Introducción

Fig. 2.27 Consumo de energía a través de las diferentes vías de

producción del acero, a esto habrá que sumar la requerida para el

transporte [Worldsteel, 2009].

Ejemplo.

Se carga un alto horno con mineral de hierro, caliza y coque con lo siguiente:

La composición del arrabio producido es: C: 4%, Si: 1,2%, Mn: 1%, Fe: 93.8%

La masa de los gases de salida por tonelada de arrabio es 2.4 ton. Su composición

es: CO: 26%, CO2: 12%, H2O: 4%, N2: 58%

Calcular:

a) La riqueza del mineral

b) La cantidad de mineral de hierro utilizada por cada tonelada de arrabio

producido.

c) La cantidad de coque utilizado por cada tonelada de arrabio producido.

Análisis en % (Peso)

Material Fe2O3 SiO2 MnO Al2O3 H2O C CaCO3

Mineral Hierro 80 12 1 3 4

Caliza 4 1 95

Coque 10 90

2 3

min

2 3

min

2(56)en 0.7

2(56) 3(16)

0.8(0.7)

100%

Arrabio 93.8%, 6.2% resto

1 (arrabio)=938

9381728

0.56

Fe Fe O

R

Fe O Fe

Fe

Ton kg Fe

M kg

122

12 16 28

1349(12) 578

28

578 40 618

Masa coque

612680

0.9

TotC gases A

C O CO

masas

kg

M M M kg

kg

2 3 2

2 3 2

2 3

3, 3, 3 3, 1, 2

3 2 3

160 84 112 132

1 (arrabio)

1728(0.8) 1382

1382(84) 725

160

Masa gases 2.4

0.26(2.4) 624

Masa total

725 624 1349

CO

aFe O bCO cFe dCO

b d a a c

Fe O CO Fe CO

masas

Ton

kg Fe O

M kg

Ton

kg

CO

kg

La masa de los gases de salida por

tonelada de arrabio es 2.4 ton.

Su composición es:

CO: 26%, CO2: 12%, H2O: 4%, N2: 58%

CAPÍTULO 1Introducción

Ejemplo.

Un alto horno con capacidad de producción 5,000 toneladas diarias, de arrabio

(3% C, 1.5% Si, 0.4% Mn, 0.1% P) es alimentado con una mezcla de minerales

Fe2O3 con una riqueza promedio de 60%. El horno es alimentado con un coque

metalúrgico con una composición de 86% C 12% cenizas 2% volátiles. La

fabricación del coque tarda en promedio 18 hrs por carga, donde cada cámara

produce 16 toneladas por ciclo. Considerando que la producción de coque es un

25% mayor de la requerida -estequiométrica-, determine el número de cámaras de

la planta de coquización.

CAPÍTULO 1Introducción

Ejemplo.

Un alto horno con capacidad de producción 4,000 toneladas diarias, de arrabio

(3% C, 1.4% Si, 0.5% Mn, 0.2% P) está alimentado con un mineral constituido por

un 70% de hematitas rojas (Fe2O3), 10% de magnetita (Fe3O4), 10% de siderita

(FeCO3) y el resto material inerte. El horno es alimentado con un coque

metalúrgico con una composición de 86% C, 12% cenizas (70% SiO2, 15% Al2O3,

15%MgO) y el resto es material volátil. El material inerte tiene una relación 70/30

de compuestos ácidos a básicos. El coque tiene un precio de 250 dólares la

tonelada, mientras que el del mineral es de 50 y la caliza 60. En base a lo anterior

y tomando en cuenta que el costo operativo es de 75 dólares por tonelada de

mineral, determine el costo de producción del arrabio. Considere que la masa de

coque que se carga al horno es un 20% mayor de la requerida -estequiométrica-.

CAPÍTULO 1Introducción

Ejemplo.

Una planta de reducción directa HyL3 está diseñada para producir 500 mil

toneladas por año. La planta utiliza como materia prima una mezcla de hematitas

pardas (2Fe2O3*3 H2O) y hematitas rojas (Fe2O3) en 40% y 50%

respectivamente, siendo el resto material inerte. El Fe esponja producido

presenta un grado de metalización del 90%, teniéndose el óxido remanente en

forma de FeO, así mismo presenta un 2% de carbono. Con base en lo anterior

diga ¿Cuál será la cantidad de mineral requerida para el mes de junio?

Fac. Ingeniería, UNAM

Unidad de Investigación y

Asistencia Técnica en Materiales

udiatem