Produccin del hierro

Produccin del hierroSesin 13

La produccin del hierro y del acero empieza con las menas de hierro y otros materiales requeridos (mena = mineral metalfero, principalmente el de hierro, tal como se extrae del yacimiento y antes de limpiarlo).La mena principal usada en la produccin de hierro y acero es la hematita (Fe203), otras menas incluyen la magnetita (Fe304), la siderita (FeC03) y la limonita (Fe2O3 - XH2O) donde x vale alrededor de 1.5). Las menas de hierro contienen de un 50 a un 70% de hierro, dependiendo de su concentracin; la hematita contiene casi 70% de hierro. Adems, hoy se usa ampliamente la chatarra como materia prima para la fabricacin de hierro y acero. Las otras materias primas que se necesitan para reducir el hierro de sus menas, son el coque y la piedra caliza. El coque es un combustible de alto carbono, producido por el calentamiento de carbn bituminoso en una atmsfera con bajo contenido de oxgeno durante varias horas, seguido de una aspersin de agua en torres especiales de enfriamiento. La coquificacin del carbn mineral deja, como subproducto, gas de alto poder calorfico, que es utilizado como combustible en los diversos procesos subsiguientes. El coque desempea dos funciones en el proceso de reduccin:Es un combustible que proporciona calor para la reaccin qumica yProduce monxido de carbono (CO) para reducir las menas de hierro.La piedra caliza es una roca que contiene altas proporciones de carbonato de calcio (CaCO3). Esta piedra caliza se usa en el proceso como un fundente que reacciona con las impurezas presentes y las remueve del hierro fundido como escoria.La produccin del hierro.Para producir hierro, se alimenta por la parte superior de un alto horno una carga con capas alternadas de coque, piedra caliza y mineral de menas de hierro. Un alto horno es virtualmente una planta qumica que reduce continuamente el hierro del mineral. Qumicamente desprende el oxgeno del xido de hierro existente en el mineral para liberar el hierro. Est formado por un recipiente cilndrico de acero forrado con un material no metlico y resistente al calor, como ladrillos refractarios y placas refrigerantes. El dimetro del recipiente cilndrico de 9 a 15 m disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es mximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total de 40 m. La parte inferior del horno est dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire. Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vaca) el alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria. La parte superior del horno, contiene respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por vlvulas en forma de campana, por las que se introduce la carga en el horno.Los materiales se llevan hasta las tolvas en pequeas vagonetas o cucharas que se suben por un elevador inclinado situado en el exterior del horno. Desde la parte baja de la cmara se inyecta por toberas una corriente de gases y aire precalentados a 900 C a gran velocidad para realizar la combustin y la reduccin del hierro efectundose la combustin completa del coque que adquiere temperaturas mximas entre 1700 a 1800 C. Los gases calientes (CO, H2, CO2, H2O, N2, O2 y los combustibles) realizan la combustin del coque conforme pasan hacia arriba, a travs de la carga de materiales.El monxido de carbono se suministra como un gas caliente, pero tambin se forma adicionalmente por la combustin del coque. El gas CO tiene un efecto reductor sobre las menas de hierro; la reaccin simplificada se describe a continuacin (usando la hematita como la mena original):Fe2O3 + CO2 FeO + CO2 El bixido de carbono CO2 reacciona con el coque para formar ms monxido de carbono:CO2 + C (coque) 2COel cual realiza la reduccin final de FeO a hierro:FeO +CO Fe+CO2

El hierro fundido escurre hacia abajo, acumulndose en la base del alto horno.El hierro fundido de primera fusin, o arrabio se vaca peridicamente en carros cuchara o carros torpedo con los cuales se llenan lingoteras o bien se conducen a mezcladoras calientes donde se almacenan y se mezclan con otras fundiciones para curarse posteriormente en algn proceso de obtencin del acero (refinacin de arrabio). Los lingotes se someten a una operacin de enfriamiento para convertirse mediante procesos metalrgicos posteriores, en: hierro fundido de segunda fusin, hierro dulce, hierro maleable o bien acero.Los altos hornos funcionan de forma continua. La materia prima que se va a introducir en el horno se divide en un determinado nmero de pequeas cargas que se introducen a intervalos de entre 10 y 15 minutos.La escoria que flota sobre el metal fundido se retira una vez cada dos horas, y el arrabio se sangra cinco veces al da. El papel que juega la piedra caliza se resume en la siguiente ecuacin.Primero se reduce a cal (CaO) por calentamiento (D):Ca CO3 CaO + CO2 La piedra caliza se combina con la slice (SiO2) presente en el mineral (la slice no se funde a la temperatura del horno) para formar silicato de calcio (CaSiO4), de menor punto de fusin. Si no se agregara la caliza, entonces se formara silicato de hierro (Fe2SiO4), con lo que se perdera el hierro metlico, all esta la importancia de la piedra caliza. La cal se combina con impurezas tales como slice (SiO2), azufre (S) y aluminio (Al2O3) para formar silicatos de calcio y de aluminio, en reacciones que producen una escoria fundida que flota encima del hierro.El arrabio o hierro de primera fusin no se puede utilizar directamente en la industria por ser muy quebradizo debido a sus impurezas y poca resistencia contiene excesivo carbn, de 2.2% a 4.5%, adems de cantidades de silicio, magnesio, fsforo cuyos contenidos son muy variables.Es interesante hacer notar que se requieren aproximadamente siete toneladas de materia prima para producir una tonelada de hierro.En la dcada de los sesenta del siglo pasado se introdujo un importante avance en la tecnologa de altos hornos: la presurizacin de los hornos. Estrangulando el flujo de gas de los respiraderos del horno es posible aumentar la presin del interior del horno hasta 1,7 atmsferas o ms.

La tcnica de presurizacin permite una mejor combustin del coque y una mayor produccin de hierro. En muchos altos hornos puede lograrse un aumento de la produccin de un 25%. En instalaciones experimentales tambin se ha demostrado que la produccin se incrementa enriqueciendo el aire con oxgeno.Si el mineral posee bajo contenido de impurezas (principalmente fsforo y azufre), puede ser utilizado para carga directa a Altos Hornos, requiriendo slo tratamientos de molienda y concentracin.Si, por el contrario, el contenido de impurezas es relativamente alto, se realiza tambin la molienda y concentracin, pero requiere adems de un proceso qumico de peletizacin, donde se reducen significativamente dichas impurezas.

Afino del aceroRefinacin Del ArrabioEn el alto horno, el oxgeno fue removido del mineral por la accin del CO (monxido de carbono) gaseoso, el cual se combin con los tomos de oxgeno en el mineral para terminar como CO2 gaseoso (dixido de carbono).

Desde el punto de vista tecnolgico existen tres tipos fundamentales de procesos:Por soplado, en el cual todo el calor procede del calor inicial de los materiales de carga, principalmente en estado de fusin.Con horno de solera abierta, en el cual la mayor parte del calor proviene de la combustin del gas o aceite pesado utilizado como combustible; el xito de este proceso se basa en los recuperadores de calor para calentar el aire y as alcanzar las altas temperaturas eficaces para la fusin de la carga del horno. Elctrico, en el cual la fuente de calor ms importante procede de la energa elctrica ( arco, resistencia o ambos ); este calor puede obtenerse en presencia o ausencia de oxgeno; por ello los hornos elctricos pueden trabajar en atmsferas no oxidantes o neutras y tambin en vaco, condicin preferida cuando se utilizan aleaciones que contienen proporciones importantes de elementos oxidables.En la fabricacin de acero existen las fases hierro, escoria y gases. Este sistema heterogneo tiende a un estado de equilibrio si se adicionan unos elementos reaccionantes o vara la temperatura o la presin. Al fabricar un acero se pretende eliminar de la fase hierro los elementos perjudiciales en acceso y aadir los que faltan para conseguir el anlisis final previsto. Por las reacciones reversibles entre las tres fases ( hierro, escoria y gases ) se consigue, al producirse un desequilibrio, la segregacin o paso de elementos, eliminar del hierro la escoria, o viceversa. Es necesario un profundo conocimiento de estas reacciones para fabricar un acero con buen resultado. Todo el proceso de obtencin de acero consta de un primer perodo oxidante o de afino, en el que se elimina el Carbono en fase gaseosa; el silicio y el manganeso se oxidan formando compuestos complejos con la escoria, que puede eliminarse; si la escoria es adems bsica, se elimina el fsforo.El segundo perodo es reductor y debe eliminar el exceso de xido de hierro disuelto en el bao del hierro durante el perodo oxidante, a fin de poder eliminar despus el azufre; o puede tambin recuperar el manganeso oxidado que pas a la escoria. Finalmente, hay un perodo de desoxidacin o refino por accin de las ferroaleaciones de manganeso y silicio, que se adicionan en el bao a la cuchara, y de aluminio metlico, en la lingotera. Estos perodos pueden tener mayor o menor duracin e importancia y realizarse netamente separados o entrelazados, y a mayor o menor velocidad en unos procesos que en otros. El desescoriado puede ser total o parcial en cada perodo, o transformar las primeras escorias oxidantes en reductoras. Todo ello depender del horno o proceso utilizado, de las condiciones de las materias primas, de los elementos que interesa que pasen a la escoria y no retornen de sta al bao de hierro, etc.Lnea de produccin y tipos de hornosDIFERENTES PROCESOS DE PRODUCCIN DE HIERRO Y ACEROUna vez obtenido el arrabio o el hierro esponja es necesario refinar al hierro para que se transforme en material til para diferentes objetos o artefactos, o sea en hierro o acero comercial. A continuacin se presentan los principales procesos de fabricacin de los hierros y aceros comerciales.Para nuestro curso solo analizaremos el Convertidos Bessemer, Hornos BOF y Hornos elctricosHORNOS O CONVERTIDORES BESSEMEREs un horno en forma de pera que est forrado con material refractario de lnea cida o bsica. El convertidor Bessemer se carga con chatarra fra y se le vaca arrabio derretido, posteriormente se le inyecta aire a alta presin con lo que se eleva la temperatura por arriba del punto de fusin del hierro, haciendo que este hierva. Con lo anterior las impurezas son eliminadas y se obtiene acero de alta calidad. Este horno ha sido substituido por el BOF, el que a continuacin se describe.

HORNO BSICO DE OXGENO (BOF)Horno muy parecido al Bessemer con la gran diferencia que a este horno en lugar de inyectar aire a presin se le inyecta oxgeno a presin, con lo que se eleva mucho ms la temperatura que en el Bessemer y en un tiempo muy reducido. El nombre del horno se debe a que tiene un recubrimiento de refractario de la lnea bsica y a la inyeccin del oxgeno. La carga del horno est constituida por 75% de arrabio procedente del alto horno y el resto es chatarra y cal. La temperatura de operacin del horno es superior a los 1650C y es considerado como el sistema ms eficiente para la produccin de acero de alta calidad. Este horno fue inventado por Sir Henrry Bessemer a mediados de 1800, slo que como en esa poca la produccin del oxgeno era cara se inici con la inyeccin de aire, el que ya fue descrito.