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MEC-286 UNIDAD Nº 1

GENERALIDADES.- DEFINICIONES.-

MINERAL.- Se llama mineral a una sustancia sólida inorgánica, que posee propiedades físicas constantes y composición química definida. Existen minerales simples y otros muy complejos, la mayoría de ellos se hallan sulfurados y oxidados. Por ejemplo, blenda ( SZn ) , pirita (S2Fe), casiterita SnO2, Hematita Fe2O3, cinabrio SHg, etc. MENA.- Se denomina mena a la parte útil o aprovechable de un mineral metalífero, tal como se extrae del yacimiento, antes de ser sometido a los procesos de concentración.GANGA.- La mayor parte de las menas contiene material sin valor económico y metalúrgico como rocas y otros minerales que reciben el nombre genérico de ganga. Es decir la ganga es la parte no aprovechable de un mineral y generalmente está compuesta por sílice, caliza y otras impurezas.YACIMIENTO.- Se denomina yacimiento a una concentración importante de un mineral dado, y que sea tratable económicamente. ROCAS.- Son materiales duros y compactos que se encuentran en la naturaleza, están compuestos de uno o más minerales, por ejemplo granito, gabro, Diorita.METALURGIA.- CONCEPTO.- La metalurgia es la ciencia y el arte de extraer los metales a partir de sus minerales refinándolos y preparándolos para su posterior uso. Es una ciencia puesto que le corresponde el estudio de las estructuras internas y composiciones de los metales y aleaciones, de igual manera le concierne el estudio y formulaciones de las hipótesis, y leyes que explican las relaciones entre estructura y composición. La metalurgia se puede divir en: METALURGIA FISICA.- Estudia las constituciones y estructura de metales puros y aleaciones y todos los factores que afectan o modifican dichas estructuras y por tanto el control de las propiedades mecánicas o físicas. En metalurgia cada metal presenta un problema distinto que depende de sus propiedades químicas y de las características de las menas.METALURGIA EXTRACTIVA- Estudia los procesos de extracción y concentración, reducción y refinación de metales, fabricación de aleaciones.METALURGIA MECANICA.- Estudia las operaciones que corresponden a los tratamientos mecánicos, térmicos, y termoquímicos. FACTORES QUE DETERMINAN LA EXPLOTACION DE UN MINERAL.-Los métodos utilizados en la extracción de metales dependen de muchos factores, entre los principales podemos citar: EL CONTENIDO DEL METAL EN LA MENA.- Esto se determina mediante un análisis químico. Se debe tener en cuenta que las operaciones efectuadas con grandes cantidades de ganga son muy costosas ya que se introducen importantes volúmenes de ese material no aprovechable, por eso dependiendo de distintos minerales se hará el tratamiento adecuado. Por ejemplo un mineral con 55 % de hierro puede ser económicamente útil mientras que un mineral con 2 a 5 % de estaño o níquel puede también resultar considerablemente valioso.COTIZACIÓN EN EL MERCADO. - El tratamiento de los minerales depende en gran medida de su valor en el mercado. La bolsa de metales de Londres regula el precio de los mismos, aunque también dependen de la oferta y demanda en el mercado internacional. Así el surgimiento actual de nuevas potencias industriales como China e India ha hecho que suba el precio de las materias primas y metales por la gran demanda de ellos

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MANO DE OBRA CALIFICADA.- Los yacimientos generalmente no se hallan situados en una zona donde existe gran potencial humano o sea mano de obra calificada, este hecho que influye en la instalación de una planta POTENCIAL ENERGÉTICO.- Es necesario contar con energía eléctrica, energía térmica, y agua, por lo que la planta debe implementarse cerca de un rio, cerca de un tendido de gas, para procesar convenientemente. VÍAS DE COMUNICACIÓN.- Se debe contar con accesos como caminos, ferrocarril o vías lacustre o marítima. Hecho que hace imprescindible la eliminación previa de la ganga con el objeto de que el costo de transporte sea menor. Todos estos aspectos determinan que la separación del mineral inútil o ganga se lo efectúe en el mismo yacimiento.OPERACIONES UNITARIAS Y PROCESOS UNITARIOS.- Los sucesivos pasos individuales que se siguen para la producción de un metal a partir de un mineral se suelen denominar operaciones unitarias y procesos unitarios, En general las secuencias de operaciones y procesos unitarios son diferentes para cada metal sin embargo estos procesos resultan de permutaciones o combinaciones de un pequeño número de pasos unitarios. Para realizar una mejor diferencia podemos decir que:PROCESOS UNITARIOS.- Son aquellos que primordialmente implican reacciones químicas y cambios en el estado de agregación del material. Por ejemploa) Tostación b) Fusión c) Destilación en retortas d) Conversión e) Refinación Térmicaf) Refinación Electrolítica OPERACIONES UNITARIAS.- Son aquellas que no implican reacciones químicas ni cambio en el estado de agregación del mineral, así se tienen:

a) Trituraciónb) Cribadoc) Clasificaciónd) Concentracióne) Flotaciónf) Agitación, etc.

PROCESOS INTEGRADOS.- Pueden definirse como una secuencia coordinada de operaciones y procesos unitarios. Estos procesos integrados se describen por medio de diagramas de procesos, o diagramas de flujo.Si bien las operaciones y procesos unitarios son fundamentales para la extracción de metales, el metalurgista además debe dirigir y operar el equipo y las factorías en las que se pueden utilizar las operaciones de producción de metal con provecho económico.ALGUNOS PUNTOS A CONSIDERAR SON:

Suministro de los materiales en bruto, combustible y reactivos. Suministro y aplicación de la energía tanto térmica como mecánica. Transporte, almacenamiento y manejo de materiales y productos. Disposición de los desperdicios deshechos, escorias, gases, etc.

Todos estos factores representan los costos de un proceso, por lo tanto el control de los mismos permite lograr un beneficio máximo. LA METALURGIA EN BOLIVIA.-

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Bolivia ha sido un país tradicionalmente minero, por lo que la metalurgia practicada en el país es eminentemente Metalurgia Extractiva aunque en algunos casos se han obtenido productos semi - terminados o terminados. Entre las principales industrias metalúrgicas del país podemos mencionar: 1.- Empresa Metalúrgica Vinto (ex ENAF).- Ubicada en la localidad de Vinto (Oruro), es un complejo metalúrgico que posee tres fundiciones, la fundición de estaño de alta ley, la fundición de estaño de baja ley y la fundición de antimonio que produce régulos de Sb para exportación con una capacidad de producción de 10.000 TMF/año. La planta produce lingotes de estaño a partir de concentrados de alta ley y de baja ley, y tiene una capacidad de tratamiento de 30.000 TMF/año. El complejo posee aproximadamente 50 hornos metalúrgicos y 1600 trabajadores permanentes. 2.- Fundición de Bismuto.- Dependiente de la COMIBOL esta planta esta ubicada en Telamayu (Potosí) y trabaja con tecnología alemana, KAISER-DEMAG, produciendo lingotes de bismuto metálico a partir de concentrados del mismo. 3.- Fundición de Plomo – Plata en Karachipampa.- (Potosí), esta planta ha sido diseñada para la producción de plomo metálico a partir de concentrados complejos de este mineral y además obtener como subproductos Oro y Plata que son los metales de los que se obtiene el rédito económico, ya que actualmente el precio del plomo se halla deprimido. La planta tiene una capacidad de tratamiento de 150 TMB de concentrados por día en un horno eléctrico KIVSET, con tecnología alemana de la KAISER – DEMAG. Actualmente la planta inicio operaciones.4.- Planta de Volatilización de Estaño LA PALCA.- Ubicada en el Departamento de Potosí, es una planta que se dedica a la concentración piro metalúrgica de los desmontes de estaño de baja ley (aproximadamente 5 – 6% de Sn ) ,produciendo pellets con 60% de estaño.Tiene una capacidad de tratamiento de 450 TMB/día, en una unidad de volatilización que opera con tecnología rusa (MACHINEXPORT).5.- Ingenios de Concentración de Minerales.- En los cuales se eleva la ley del mineral proveniente de las minas mediante los distintos métodos de concentración conocidos. Entre estas plantas tenemos a: San José, Huanuni, Catavi, Siglo XX, etc.6.- Empresa Siderúrgica Mutún – .- Ubicada en el Departamento de Santa Cruz efectua la explotación, concentración de minerales de hierro como Hematita y Magnetita, y manganeso, los cuales poseen una buena calidad, entre 55 – 60 % de hierro aproximadamente y bajo contenido en impurezas perjudiciales como azufre y fósforo. El concentrado obtenido se exportara a las acerías del Paraguay (Acepar) y a la Argentina. La empresa Jindal Steel dejo de implementar el proyecto siderúrgico nacional.7.- Fundición Eduardo.- Ubicada en Santa Cruz es una planta de producción de piezas terminadas de acero moldeado, aceros especiales, fundición nodular y piezas de metales y aleaciones no ferrosas. Tiene una capacidad de tratamiento de 10.000 TN/año, y posee 4 hornos eléctricos de inducción de baja frecuencia, hornos de tratamientos térmicos, maestranza etc. Fundición Argus.- Planta ubicada en Santa Cruz, produce piezas de fundición gris, nodular y aceros, en hornos eléctricos de inducción.8.- Fundición Volcán.- Ubicada en la ciudad de la Paz, produce piezas terminadas de acero moldeado, fundición esferoidal, aleaciones ferrosas y no ferrosas..9.- Fundición COMMETAL.- Establecimiento ubicado en Warnes, departamento de Santa Cruz, es subsidiaria de la fábrica de baterías Toyo produce lingotes de plomo metálico a partir de concentrados del mismo. La capacidad de tratamiento es pequeña pero cubre las necesidades requeridas. El plomo obtenido se lo emplea para la fabricación de electrodos, para las baterías Toyo.

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10.- SAN CRISTOBAL (SUMITOMO ).- Es la mayor empresa metalúrgica para la producción de concentrados de plata, en Sud América, se halla ubicada en Potosí, inició sus actividades el segundo semestre de 2007 exportando concentrados por valor de 350.000 $u.- / dia11.- Empresa INTI RAYMI.- Realiza metalurgia extractiva a cielo abierto y produce lingotes de oro para exportación. Esta ubicada en la localidad de La Joya a 50 km de Oruro.

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UNIDAD Nº 2 CONCENTRACIÓN CONCENTRACIÓN GRAVIMETRICA Concepto.- La concentración tiene por objeto separar la ganga de la parte útil o mena de modo de obtener un producto de riqueza o ley suficientemente elevado como para poder ser tratado económicamente, en la extracción correspondiente del mineral considerado. Es decir que concentrar es elevar la ley del mineral. Esto se debe a la pobreza actual de los minerales, así por ejemplo en la actualidad se considera mena a un mineral que contenga 0,6-2 % Cu, de este tenor podemos ver que a las menas de cobre no es conveniente económicamente fundirlas directamente, en los hornos de fundición (o fusión), ya que para un gran volumen de mineral se extraerían ínfimas cantidades de metal, aumentado así el costo de mano de obra, reducción de capacidad de tratamiento de las unidades, gasto mayor de energía, etc. Es por eso que previamente debe someterse al mineral al enriquecimiento o concentración.De la concentración de la mena se obtienen los denominados “CONCENTRADOS” en los que el contenido del metal aumenta en comparación con su contenido en la mena en decenas de veces. Así por Ejemplo para obtener una tonelada de cobre se deben fundir 120 – 150 Toneladas de mena pobre. Mientras que para obtener la misma cantidad una tonelada, se debe fundir 3 – 6 Toneladas de concentrados de Cu solamente.En el caso de metales no ferrosos los concentrados pueden ser: de alta ley (30- 45%del metal en cuestión), o de baja ley (15 - 30% del metal en cuestión).En el caso de los minerales ferrosos el contenido de Fe oscila entre 45- 55% de hierro en el mineral. Concentrándolo se puede elevar hasta 72-73%.Los métodos de concentración son diversos y se basan en las propiedades físicas o químicas de los minerales. Los distintos procesos de separación de minerales se clasifican en: Concentración manualConcentración Por gravedadConcentración MagnéticaConcentración por Flotación, etc.Concentración hidrometalurgiaPreviamente a la concentración, se debe efectuar un tratamiento de reducción del tamaño de las partículas llamado conminucion y que comprende las siguientes etapas.1.- QUEBRANTAMIENTO PRIMARIO.- También denominado trituración o chancado, tiene por objeto romper los trozos del mineral, tal como se extrae de la mina hasta un tamaño apropiado para su molienda. Se utilizan principalmente dos clases de máquinas: la quebrantadora continua y la quebrantadora intermitente o de mandíbulas.LA QUEBRANTADORA INTERMITENTE.- Está constituida por una mandíbula fija y una móvil que hace un movimiento de vaivén de arriba hacia abajo. Las mandíbulas están hechas de metal duro (acero Hadfield = 13% -15% Mn) resistente al desgaste y la abrasión. El uso de estas quebrantadoras es especialmente eficaz para aquellos minerales quebradizos y secos, o sea que no se deforman y se rompen fácilmente. El material ingresa con un diámetro promedio entre 50 - 60 cm y sale con un diámetro entre 5 -10 cm.

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Aplicación.- Se usa para triturar minerales ferrosos y no ferrosos, si es mineral de hierro se emplea como materia prima para los altos hornos, si es mineral no ferroso se emplea para la trituración secundaria.

b).-LA QUEBRANTADORA CONTINUA.- Está constituida por un tronco, cónico fijo recubierto interiormente por un material resistente a la abrasión (acero Hadfield 13% Mn) y un cono giratorio con un movimiento de vaivén recubierto exteriormente por el mismo material. Este cono está suspendido de la parte superior mediante un tornillo que permite levantarlo o bajarlo. En la parte inferior sobre un rodamiento cónico excéntrico el cual le produce un movimiento de rotación helicoidal.La relación de quebramiento está dada por el cociente entre el tamaño de la abertura y el de la garganta de salida. En esta máquina es posible trabajar con materiales que admiten una deformación apreciable sin rotura. El material sale con tamaño de 5 a 10 cm.TRITURACIÓN SECUNDARIA.- Obtenida la trituración primaria en la mayor parte de los casos es necesario disminuir aún más el tamaño de la mena, para ello se realiza la trituración secundaria que se efectúa corrientemente en 2 tipos de trituradoras.TRITURADORAS A MANDIBULAS.- Similares al caso anterior.TRIBUTADORA A RODILLOS.- El tipo más usado consta de dos cilindros, uno fijo y otro móvil, los dos rodillos deben ser del mismo diámetro y girar en sentidos opuestos. El rodillo móvil se halla sostenido por cojinetes deslizables y cuyo deslizamiento está impedido por fuertes resortes en que se apoyan los mismos. Estos rodillos deben ser regulados en forma periódica para mantener una uniformidad de salida del producto, esto se efectúa ajustando los resortes. El alma del rodillo es de acero al Cr – Ni, y la parte externa con acero Hadfield: 12 – 13 % Mn resistente al desgaste.La capacidad de producción de estas trituradoras es muy grande y se usa en establecimientos de gran productividad diaria. El tamaño de salida de las partículas oscila entre 3 – 6 mm. Los producto de la trituración secundaria se usan para la concentración en mesas, o cuando se trituran concentrados para la preparación de la carga a los hornos

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MOLIENDA FINA Y MUY FINA.-La molienda se realiza para reducir un material de entrada de 4 – 5 mm hasta un tamaño lo más fino que se desee, o sea hasta 20 – 30 µ . (l µ = l micra = 10 -6 metros). La molienda se efectúa en diferentes tipos de molinos, pero los más usados son:EL MOLINO DE BOLAS.-Son molinos rotatorios cilíndricos tipo Hardinge, donde el movimiento es producido por un engranaje del tamaño del cilindro ligado a un piñón de un eje de transmisión. Trabajan por la acción de choque y frotamiento de las bolas entre sí. Las bolas son de acero Hadfield: 12 – 13 % Mn y tienen 8 – 10 cm. de diámetro. La acción desmenuzante es mayor cuanto mayor es el impacto de las bolas, el cual depende de la altura de caída y de su tamaño. La altura a su vez depende de la velocidad angular de rotación que origina unas fuerzas centrífugas sobre las bolas que tienden a pegarlas contra las paredes. Fc = m.r.w.) El número de bolas que se colocan en el interior es aproximadamente 1/3 del volumen del molino. Si el molino gira a baja velocidad, la molienda se efectúa por fricción y a medida que se aumenta la velocidad angular las bolas caen de mayor altura formando cascadas. A la salida el molino se coloca una criba que regula tamaño del material cuando éste sale de la máquina. Cuanto mayor tiempo esté el material en el molino más fino saldrá del mismo. Para aumentar la eficiencia del proceso, el material “grueso” mayor que la malla de la criba es recirculado a la tolva de la entrada del molino para su posterior molienda.MOLINOS DE BARRAS (O PALLAS).-Estos molinos están constituidos por dos cilindros huecos (de Ǿ = 60 cm) de acero interiormente revestido con acero aleado Hadfield. En el interior de estos cilindros se coloca la cantidad necesaria de barras hasta alcanzar aproximadamente un 40% de la altura del cilindro. La carga del material se efectúa mediante una tolva por la parte superior introduciéndose en el primer cilindro el cual mediante un sistema de vibración y debido al choque entre las barras produce la molienda. En la parte inferior de este cilindro existe un conducto a través del cual las partículas pasan al segundo cilindro donde se termina de moler. Igual que el caso anterior a la salida del molino se coloca cribas vibratorias que permiten el pasaje de material “fino” a las tolvas de almacenamiento, mientras que el material grueso recircula a través de cintas transportadoras a la tolva de carga para su molienda. Para evitar la polución alrededor y en la parte superior de ambos molinos existen campanas que succionan el polvo producido y lo trasladan a una batería de filtros para polvos en los que se recuperan los polvos que están en la atmósfera del ambiente y el aire limpio sale del filtro mediante un exhaustor por la chimenea. Las partículas molidas se emplean para la concentración por flotación FILTROS DE MANGAS.-Con el objeto de recuperar los polvos producidos por la molienda, de preservar el medio ambiente y la salud de los trabajadores del establecimiento, los molinos cuentan con filtros de recuperación de polvos. Uno de los más empleados son los filtros de mangas. Estos consisten en unos recipientes llamados celdas, construidos con chapa de acero, en cuyo interior se encuentran las mangas. Las mismas están fabricadas de paño o de teflón. Las primeras soportan temperaturas hasta de 150ºC y las de teflón hasta de 350 ºC. Las mangas cuelgan de unos bastidores en las que van ajustadas con abrazaderas metálicas por la parte superior y también por la parte inferior. Los polvos y gases provenientes de la molienda ingresan por la parte inferior e interior de las mangas, y como la chimenea succiona gases y polvos, esto hace que los polvos

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se adhieran a la superficie de la manga formando una película de polvo. El bastidor superior esta conectado a un sistema electromecánico de golpeteo, el cual esta sincronizado para golpear cada 3 o 4 segundos, lo que hace que la capa de polvo caiga al fondo de la celda y sea arrastrada por un tornillo sin fin hasta un container o por una cinta transportadora hasta la tolva de recepción de polvos. La casa de filtros contiene unas 10 o14 celdas y en cada celda se tienen algo de 20 mangas. Así se recupera gran cantidad de material aprovechable y se disminuye de gran manera la contaminación ambiental.3.- TAMIZADO.-Consiste en la operación de separar dos o más productos granulométricos de una misma masa molida mediante dispositivos llamados: cribas, parrillas, tamizadoras, zarandas. El tamizado se divide en: tamizado de laboratorio y tamizado comercial.TAMIZADO DE LABORATORIO.-Se efectúa para realizar el control de calidad de la molienda industrial y se lo hace en recipientes cilíndricos llamados tamices.Estos tamices están normalizados y se encajan unos sobre otros. Para hacer el análisis granulométrico de una sola vez se usan mallas desde muy gruesas de 26,27 mm, hasta 0.074 (corresponde a la malla 200 en el tipo TYLER STANDARD). El tamizado de laboratorio puede ser manual, mecánico o electromecánico.TAMIZADO COMERCIAL.-Se efectúa con el fin aumentar la capacidad y eficiencia de quebrantadoras y molinos ya que con ellos se entra a cargar a los mismos con productos de menor tamaño que el mínimo que pueda dar el molino. Se emplean dispositivos como cribas, y parrillas. PARRILLAS O CRIBAS.- Están construidas por barras o planchuelas de acero con una separación entre ellas igual al tamaño del producto de salida del quebrantador. Se usan en la alimentación del mismo y se lo efectúa con una inclinación de 30% para que el material deslice sin estancamiento. En caso de material húmedo se utilizan cribas vibratorias.TAMIZADORAS VIBRATORIAS.- Se usa generalmente en el tamizado de la molienda fina y muy fina para evitar el apelmazamiento del material. Como su trabajo es continuo su eficiencia y capacidad son altas. Para aumentar el rendimiento se coloca una serie de cribas a los molinos.

CONCENTRACION POR GRAVEDAD.MESAS CONCENTRADORAS.- Son dispositivos que tienen amplia aplicación y que pese a ser empleados desde hace mucho tiempo, aun tienen gran vigencia por ser de fácil manipulación, bajo costo de operación y buen rendimientoLa separación de grano de 3 – 5 mm se efectúa con agua corriente sobre una mesa horizontal o inclinada. Las mesas concentradoras se han desarrollado desde la sencilla mesa fija de HORST, pasando por la mesa agitada de RITTING, mesa de choque largo de SALZBURG o de GRECIBERGER, a las mesas de choque y agitación rápida muy usuales hoy en día. La separación en mesas es aún imprescindible para algunas clases de menas que no se pueden flotar, o lo hacen con gran dificultad, como ser ejemplo: la casiterita, wolframita, cromita, etc.

MESAS DE CHOQUE Y AGITACIÓN.-En las modernas mesas concentradoras de choque y agitación la separación tiene lugar de manera que se aprovechan para la separación, la fricción o adhesión entre las partículas minerales y el tablero así como la energía del agua corriente.

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La mesa consiste en un tablero de madera en el que se hallan incrustados unos listones de madera plástico u otro material. Mediante un motor eléctrico se produce un movimiento de vaivén agitando la misma en sentido paralelo a los listones. Esto se efectúa para que la carga húmeda no se apelmace y haya una buena separación.En la concentración en mesas se aprovecha la propiedad de la gravedad para separar las partículas livianas de las pesadas. Las partículas con alto contenido metálico son pesadas y las de bajo contenido metálico o silicosas son livianas. Así el proceso comienza con la carga del mineral ingresa con una ley de 1- 4% del metal. La carga se efectúa desde una tolva por una esquina de la mesa. Se inyecta un spray de agua a presión mediante conductos paralelos a los costados, los que producen el arrastre de las partículas.Las partículas pesadas no pueden remontar los listones y salen de acuerdo a la figura por el extremo izquierdo como concentrados (con una ley entre 30- 45% de metal), luego viene una zona por donde salen los productos intermedios y finalmente por el extremo derecho salen las partículas livianas o ganga, que es el material no aprovechable. El producto intermedio no se lo debe desechar porque todavía es conveniente tratarlo económicamente por tanto luego de un análisis químico se lo procesa nuevamente en otra mesa concentradora y así sucesivamente en una batería de mesas hasta que el producto intermedio ya sea ganga.

SEPARACIÓN ELECTROSTATICA.-En este método se aprovecha la diferente capacidad para cargar electricidad en los minerales y la desviación de las partículas cargadas en un intenso campo eléctrico. En el separador electrostático de rodillo se produce un campo eléctrico intenso entre el rodillo conectado a tierra y el material a concentrar. Se aplica a minerales ferrosos que son generalmente magnéticos y son atraídos por el rodillo y separados por un separador mientras que la ganga se desprende en otro sentido. El mineral de Fe ingresa con 55% de ley y sale con 65% de Fe. La separación electrostática es empleada con límites y determinadas condiciones para la separación de minerales ferrosos, wolframita, minerales de manganeso y otros como Fe3O4 magnetita.

CONCENTRACION POR FLOTACIONINTRODUCCION.- Los procedimientos clásicos para la preparación de minerales dejan de dar resultado cuando el desmenuzamiento, necesario para la separación mecánica de los componentes, debe efectuarse hasta tamaños granulares de 0,2 hasta 0,005 mm, como resulta necesario para los minerales pobres y complejos que son los que más se explotan hoy. En un estado de tan fina división, las propiedades específicas de la sustancia pierden importancia en la relación con las de su superficie grandemente aumentada. En aprovechar y en influir a voluntad justamente estas propiedades, consiste el fundamento de la flotación.El fenómeno de la flotación está basado en el hecho de que la parte minera del mineral bruto molido en húmedo es completamente humectable, pero se hace difícilmente humectable, tratándolo con aceites y compuestos orgánicos heteropolares, llamados colectores, ya que su grupo polar, afín a los metales, se adhiere al mineral, mientras que el grupo no polar aerofilo, le presta la tendencia a estar en contacto con el aire. Por consiguiente, las partículas de la mena, cubierta de un colector como hemos dicho, se acumulan con facilidad en suspensión acuosa a las burbujas de aire con que se encuentran, suben con ellas a la superficie de la suspensión y pueden recogerse aquí formando el concentrado.

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Con el fin de repartir el aire en muchas burbujas pequeñas con una superficie lo más grande y capacitada que pueda ser y para prestar a la espuma la estabilidad deseable, se añaden a la suspensión los llamados espumadores. También son éstos, sustancias orgánicas heteropolares que contienen grupo hidrófilo, soluble en agua, y otro aerofilo hidrófobo, se acumulan en la superficie limite agua / aire de tal manera, que su grupo hidrófilo flota en el agua y el hidrófobo está dirigido hacia el aire. Estos compuestos tienen gran actividad superficial. Para la separación selectiva de varias menas metálicas, sirven compuestos cuyos iones son adsorbidos en la superficie de uno de los componentes de la mena, favoreciendo así en esta superficie de absorción del ion colector, con carga opuesta (activadores), o impidiéndola con carga igual (pasivadores). Para eliminar iones interferentes en una la flotación, se añade a la suspensión reactivos preparadores, y para impedir fenómenos de floculación coloides protectores. Fundamentos Fisicoquímicos.- Para explicar el fenómeno de la flotación se partió hasta hace unos años de la opinión, fundada en medidas nada criticas, de que los minerales se podían ordenar en una serie según el grado de su “humectabilidad natural”. En uno de sus extremos debía estar el carbón como la sustancia mas difícilmente humectable, a continuación los sulfuros de los metales pesados (también, relativamente, humectable con dificultad) y, después de un amplio intervalo, los minerales oxidados, así como la ganga, sustancia fácilmente humectable. A esta “humectabilidad natural” le corresponde una “flotabilidad natural”. De importancia decisiva para el rumbo de la moderna investigación fue el conocimiento contrario al anterior expuesto, de que todos los minerales, hasta los considerados generalmente como “grasos”, como talco, molibdenita, carbones bituminosos y grafito, se hacen completamente humectables por medio del molido húmedo, usual en la técnica de la flotación. Pero ya por absorción de una película monoionica de iones heteropolares, que ni siquiera necesita ser completa, estas partículas minerales se hacen repelentes al agua. Se ha discutido en el pasado con actividad la cuestión de si se trata en la formación de esta hidrófoba de reacciones químicas que siguen la ley de acción de masas, o de absorción en puntos interferidos y débiles de la superficie del mineral con mediación de las fuerzas de Vander Waals y de cargas eléctricas, que es dirigida por el equilibrio de adsorción. Hoy la decisión se ha hecho en la mayoría de casos a favor del concepto fisicoquímico. Según este la “hidrofugacion” se produce por atracción y adsorción de la parte que tiene polaridad y afinidad hacia los metales del Ion colector por medio de las valencias dirigidas hacia fuera de los átomos o iones de carga contraria, situados en la superficie mineral cristal, erigiéndose la parte no polar, casi siempre una cadena CnH2+1, en una aglomeración densa del adsortivo en la superficie del adsorbente y haciéndola tan poco humectable, que la partícula se fija con facilidad a una burbuja de aire con el que se encuentre.Se puede hablar de una diferente “disposición flotadora” de los minerales en cuanto que los que tienen forma de red estratiforme-que origina en sus superficies marginales solo campos muy débiles-y el azufre-cuyas moléculas, anulares están saturadas hacia dentro electrostáticamente-no retienen el dipolo de la molécula de agua con la misma fuerza de los sulfuros del metal de color. Por este motivo, puede desplazarse de estos minerales la película de moléculas de agua, adsorbida primeramente, por compuestos que ni siquiera tienen un grupo de fuerte afinidad hacia los metales, p. Ej., alcoholes o hasta hidrocarburosLOS COLECTORES.

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Se pueden dividir los colectores, como se dijo antes, en dos grupos, según sea adsorbidos su anión o su catión: los reactivos de anión activo (a.a.) y los de catión activo (c.a.).Mientras que las propiedades de los colectores de anión activo , como el más antiguo, han sido investigadas con mucho detenimiento, falta todavía en los reactivos catión activo cierta parte del conocimiento completo de su manera de actuar. Los Colectores anión activo a.a.Pertenecen a las siguientes clases de sustancias:

- - -

. Me+ .Me+ .Me+Xantatos Esteres del ácido ditiofosforico Sales de los ácidos

grasos - - .Me+ .Me

Sulfatos alcohílicos Sulfanatos alcohílicos

Para determinar la actividad de los colectores, siguiendo el método indicado por Taggart, se pone un burbuja de aire, por medio de un portaburbujas, en contacto con la superficie pulimentada de un mineral colocado en una cubetab) Los Colectores c.a. Estos reactivos, que alcanzan recientemente una importancia creciente se distinguen de los tratados hasta ahora en que su catión contiene el grupo activo capaz de adsorber, mientras que el anión (x-) tiene sólo alguna importancia para su solubilidad. En la literatura de patentes, se indican principalmente las siguientes clases de sustancias:

- + +X- X- X-

Primarias Secundarias Terciarias

Alconilaminas

+ +

X- X-

Sales de amina cuaternaria Sales de la alcohilpiridinaCONTRUCCION DE LAS CUBASCubas de aire a Presión.- Como las cubas de aire a presión, la de Grondal en la que se soplaba al aire por válvulas, y la de Callow, hasta la forma perfeccionada por J.C. Melntosh, en la cual, el aire entraba a través de un cilindro horizontal que giraba y estaba cubierto de tela de goma porosa, han sido desplazadas casi completamente por las cubas de agitador, solo vamos a describir estas.

SR.0.C S

R0 S P R0 S

OR.C O

OR.0.S = O O

OR.S = O O

R1 *R * N * H * R2

R1 * R * N * H * H

H *R * N * H * H

R1 *R * N *R1 * R2

R * N* R1

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Cubas de Agitador.- La primera cuba que trabajaba sin suministrarle aire a presión, fue desarrollada en el año 1905 por la Minerals Separation Ltd., de Londres, llamada “maquina M.S. Standard”. Una de sus características esenciales es la separación de la cámara de agitación de la espuma, en forma cónica. El agitador lleva la suspensión a una rotación tan intensa, que el aire es arrastrado por la superficie y pulverizado en la suspensión por el agitador. La suspensión de mineral. Agua y aire pasa por una abertura a la cámara de espuma. De su superficie quita un espumador rotatorio el concentrado. La circulación de la suspensión por un tubo hacia la próxima cuba puede regularse por medio de un tapón. Una construcción posterior de la Minerals Separation suprimida la separación de la cámara de agitación de espuma disponiendo en la “máquina M. S. con sub- ventilación”, la “cuba de ventilación por debajo”. Estos dos elementos uno encima del otro y separados solo por una rejilla estabilizadora. En esta cuba de suministro a la suspensión aire a presión por debajo del agitador. La cuba Fahrenwald fue la que suprimió esto, provocando la succión por el agitador, a través de un tubo que rodea al eje del agitador, por encima del nivel de la suspensión. Este modelo de cuba ha sido desarrollado posteriormente por la Denver Equipment Co, con tanto éxito que pertenece a los tipos más frecuentemente aplicados en los EEUU hoy día. Esta cuba, características también por la sustitución de rejilla estabilizadora por las planchas paralelas.En Alemania la Westfalia Dinnendahl Groppel AG (WEDAG), ha seguido el desarrollo de este tipo de cuba, mejorando la circulación, así como la salida de concentrado, y colocando en forma anular circulo de barras fijas alrededor del agitador abierto, que actúa de bomba centrifuga. Este dispersador consigue una repartición muy fina de las burbujas de aire y una mezcla intima con la suspensión que entre desde arriba al agitador por medio del tubo suministrador y es arrojada a través del circulo de barras. La carga se efectúa por la parte superior de la cuba con partículas con un tamaño menor a 1 mm o del orden de las micras. En el interior de la cuba hay agua y se agrega el colector que es un reactivo que puede ser un aceite orgánico o inorgánico. Se realiza la agitación con aire a presión o con un agitador que mediante paletas está conectado a un motor eléctrico. El colector se adhiere al mineral molido húmedo que tiene contenido metálico formando una película hidrófuga que tiende a flotar y sube a la superficie de la cuba o celda de flotación. La ganga se humecta y cae al fondo de la cuba, formando unos lodos, los cuales previo análisis químico pueden ser reutilizados y flotarlos nuevamente.Por la parte superior el material flotado es el concentrado que sale con una ley de 30 – 45% si el mineral es no ferroso y con 72-73% si el mineral es de hierro.

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COMBUSTION Y COMBUSTIBLES

COMBUSTION.- La combustión es un proceso conocido en la naturaleza, que en esencia es una reacción de oxidación que genera calor, donde una sustancia se combina con el aire o con el oxigeno del aire, formando distintos productos resultantes de dicha combustión.La sustancia que se quema se llama combustible, por ejemplo leña, gas, madera, etc.El medio donde se realiza la combustión o la reacción, se llama comburente, por ejemplo la atmósfera (aire). Como en toda reacción química se puede medir la velocidad de combustión y en base a esto se distinguen las combustiones lentas, rápidas y explosivas.COMBUSTION COMPLETA.-Toda reacción química pone en juego una determinada cantidad de calor que se llama calor de reacción.En el caso particular de una reacción de combustión el calor o energía calorífica puesta en juego, toma el nombre de calor combustión. Por ejemplo cuando se quema el carbón con producción de anhídrido carbónico se pone en juego 97.000 cal-gr. C + 02 C02 + 97.000 cal-gr.

Cuando existe un exceso de oxigeno y la sustancia reacciona con él en forma total, se dice que la combustión es PERFECTA.Cuando la cantidad de aire es insuficiente y el oxigeno del aire no alcanza para quemar totalmente el combustible, se dice que la combustión es IMPERFECTA. Veamos los siguientes ejemplos:

Combustión perfecta del carbono: C + 02 = C02 + 97.000 cal-gr.

Combustión imperfecta del carbono: C + ½ 02 = C0 + 29.000 cal-gr.

El monóxido de carbono obtenido en esta última reacción puede también quemarse de acuerdo a la reacción:

C0 + ½ 02 = C02 + 68.000 cal-gr.

Se observa que la suma de estos dos últimos calores de combustión, es igual a la combustión perfecta del carbono.A menudo en los dispositivos industriales donde se quema el combustible como hornos, calderas, parrillas, etc., parte del combustible no llega a reaccionar, resultando perdido junto con la escoria, cenizas, en una cierta proporción. En este caso se dice que la combustión es incompleta. De este modo puede existir entonces una combustión perfecta pero incompleta o también una combustión completa pero imperfecta.

Iguales consideraciones rigen para los combustibles sólidos, líquidos y gaseosos, como la madera, papel, algodón, etc. Así por ejemplo para los compuestos de celulosa cuya formula es C5H1005

La combustión perfecta quedara representada por:

C5H1005 + 502 = 5CO2 + 5H2O + Ø

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Para los combustibles líquidos formados por mezclas de varios hidrocarburos como el octano C8 H18 se tiene:

C 8H18 + 25/2 O2 = 8C02 + 9H20 + Ø

Para los combustibles gaseosos como el gas natural (metano) será:

CH4 + 202 = C02 + 2H20 +Ø

Una combustión se llama neutra cuando las cantidades de aire y combustibles son las estequiométricas, o sea las indicadas en una ecuación química y se tenga la combustión perfecta.

Cuando existe un exceso de aire la combustión se llama oxidante y los gases resultantes contienen oxigeno.

Cuando hay exceso de combustible o falta de aire la combustión se llama reductora y los gases resultantes contendrán sustancias no quemadas como carbón, CO, etc., y se depositara hollín.

Cuando hay un exceso grande de aire o falta del mismo se rebaja o disminuye la temperatura de combustión. Para que haya combustión el combustible debe ser previamente calentado hasta una temperatura determinada para cada combustible que se llama punto de inflamación o punto de ignición y que será necesario mantener en el dispositivo donde se realiza la misma para que pueda proseguir. Por ej. Para la madera la temperatura de inflamación es de aproximadamente 300°C y para el petróleo unos 200°C.

COMBUSTION EN LA PRÁCTICA.- Para que se efectúe una combustión es necesario, la presencia de tres componentes que son: aire (oxigeno) combustible y temperatura. Cualquiera de estos componentes que falten la combustión no se desarrolla.

Ahora bien, si contamos con los tres componentes fundamentales, combustible-aire-temperatura, pero por ejemplo el combustible que estamos empleando es de mala calidad o inadecuado, o si el aire es insuficiente o la temperatura es baja, entonces la combustión puede efectuarse, pero se tiene una mala combustión. Al hacer un fuego estamos efectuando una combustión, ya sea quemando madera, encender un brasero, un incinerador o un caldero. Los requisitos básicos para una combustión en la práctica son entonces:

- aire para la combustión: oxigeno

- combustibles sólidos: carbón de piedra, carboncillos, coke, leña.

- combustibles líquidos: su uso es el más común

- combustibles gaseosos: gas natural y otros.

Además debe asegurarse que todas las partículas del combustible estén bien rodeadas de aire suficiente, por tanto es necesario proveer una cantidad algo superior a la cantidad teórica de aire de manera que se cumpla la relación de combustión

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Relación de Combustión = aire practico > 1

Aire teórico

dependerá de la naturaleza del combustible que se quema y también puede ser influido por el tipo de quemador empleado. En general para obtener una correcta relación aire-combustible se tiene:

Para combustibles sólidos λ= 1,5 a 2

Para combustibles líquidos λ=1,1 a 1,2

Para combustibles gaseosos λ=1 a 1,1

El suministro de aire para los combustibles puede hacerse:

- por tiro natural con chimenea.

- por aire a presión con compresores.

- por aire a baja presión con ventiladores centrífugos.

- por sistemas mixtos.

El control de la combustión se la realiza con el aparato de Orsat que permite analizar los gases y determinar los porcentajes de CO, CO2 y O2 presentes.

PODER CALORIFICO.-

Se denomina poder calorífico de un combustible a la cantidad de calor que puede ceder un kilogramo de ese combustible. Se expresa: para sólidos y líquidos en calorías/Kg. de combustible. Para combustibles gaseosos en Kcal. /m³ de gas.

Para determinar el poder calorífico se emplean aparatos denominados calorímetros. Para combustibles líquidos y sólidos se utiliza el calorímetro de Mohler y para los gases el calorímetro de Junker. También hay formulas que permiten el cálculo de los poderes caloríficos conociendo la composición química elemental. Es conveniente distinguir entre el llamado poder calorífico superior del denominado poder calorífico inferior.

Se llama poder calorífico superior PCS a aquel que considera al agua que tiene el combustible en estado condensado, y es el valor que nos dan los calorímetros.

En cambio industrialmente interesa más el poder calorífico inferior PCI, pues el agua que contiene el combustible se considera en este caso al estado de vapor, lo que implica la absorción de cierta cantidad de calor, como en el caso del calculo del hogar de una caldera. El agua del combustible puede provenir aparte de la humedad natural, de la combustión del hidrogeno que contenga el combustible. Es decir que, si del valor del poder calorífico superior deducimos la cantidad necesaria para vaporizar el agua contenida, entonces obtendremos el poder calorífico inferior o sea:

PCS - W = PCI

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Es necesario conocer los poderes caloríficos para poder evaluar los distintos combustibles, para realizar los cálculos técnicos de combustión.

PODER CALORIFICO

Leña seca 330 – 370 cal

Carboncillo de piedra 6000 -6500 cal

Carbón de piedra graneado 6500 -7000 cal

Petróleo 8500 – 10500 cal

Parafina 11000 cal

Gas licuado 12000 cal

Carbón coke 6600 – 7500 cal

También hay que tomar en cuenta el estado en que se encuentran los combustibles pues ello influye en la temperatura que se necesita para combinar su carbono con el oxigeno.

TIRO NATURAL.-

El tiro o tiraje de un horno se puede definir como la diferencia de presión entre el interior y el exterior atmosférico. Este concepto es valido también para chimeneas y tragantes de los hornos.

Por este medio se obtiene el aire para la combustión que es proporcionado por la chimenea, que al mismo tiempo tiene por objeto lanzar los gases productos de la combustión a una altura suficiente para evitar perjuicios y contaminación ambiental. La acción de la chimenea esta basada en las diferencias de temperaturas entre los gases calientes y el aire ambiente. A medida que los gases se calientan en el hogar del horno, se hacen mas livianos, disminuyen su densidad y forman un movimiento ascensional.

Los gases suben por la chimenea y provocan cierta aspiración de aire que da origen a una corriente que va desde el hogar del horno, pasa por los intercambiadores y de toda la instalación, suministrando a los fuegos el aire de combustión necesario. Los gases que salen por la chimenea no deben tener una temperatura menor de 180°C, a fin de conservar la velocidad necesaria para mantener la aspiración de aire nuevo. Este fenómeno recibe el nombre de tiro o tiraje. El tiro aumenta con relación a la altura de la chimenea, también influye la temperatura entre los gases de combustión y el aire ambiente. A mayor diferencia de temperatura, mayor será la velocidad y fuerza de la corriente de aire.

Las dimensiones que debe tener una chimenea se calcula sobre la base del volumen de gases que deben pasar por ella. Este volumen a su vez depende de la calidad del combustible utilizado.

Velocidad de la vf = dimensiones de la chimenea

Corriente de aire Base de volumen de gas

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Vf = (h1- h2) R

V

TIRO ARTIFICIAL.-

Algunas veces es necesario suplementar el aire con uno provocado artificialmente. Esto se consigue empleando un ventilador, un exhaustor e incluso vapor. Con tiraje artificial se tiene la posibilidad de variar la cantidad de aire que llega al horno dentro de amplios límites. El tiraje se usa preferentemente en los casos de determinados combustibles sólidos, o también cuando la instalación esta sometida a oscilaciones de cargas tan grandes que no alcanzan a ser compensadas por el tiraje natural. También se usa tiraje artificial en calderas de tres o más pasos para conseguir una velocidad de movimiento de los gases que no puede producirlo el tiraje natural.

El tiraje artificial se divide en:

- tiraje forzado

- tiraje aspirado

En el tiraje forzado se hace llegar el aire a presión por debajo del emparrillado usando ventiladores.

En el tiraje aspirado un ventilador aspira los gases de la combustión a la salida de la caja de humos y los impulsa a través de la chimenea.

COMBUSTIBLES.- DESCRIPCION.-

Un combustible industrial se puede definir como una sustancia capaz de reaccionar con el oxigeno, produciendo calor aprovechable. Los combustibles existen en la naturaleza, pero muchos de ellos no pueden usarse en procesos de combustión con fines prácticos.

En general los combustibles están constituidos por: carbono, azufre, nitrógeno, oxigeno, humedad y cenizas. El poder calorífico es función de la proporción en que estos elementos se encuentran en el combustible, siendo tanto mayor, cuanto mas alto sea la proporción de carbono o de los hidrocarburos libres.

Para clasificar los combustibles se debe tener en cuenta su estado físico: sólido, liquido, gaseoso y su método de obtención, que pueden ser naturales y artificiales o fabricados.

COMBUSTIBLES SÓLIDOS.- Son en general abundantes en la naturaleza y de costo reducido, encontrándoselos listos para su utilización como los combustibles naturales. Presentan serias desventajas representadas principalmente por su elevado costo de transporte y manipuleo para regular el fuego y para eliminar residuos y cenizas.

A veces requieren costosos medios de transporte, si se quiere evitar mano de obra para tales labores. Alguno de estos combustibles pueden ser usados previa pulverización

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como el polvo de carbón con lo cual se eliminan muchos inconvenientes y se mejora su eficiencia.

COMBUSTIBLES LÍQUIDOS.- Son de manipuleo más fácil y económico por medio de bombas y se introducen pulverizados o atomizados en los quemadores de los hornos metalúrgicos de fusión, volatilización y tratamientos térmicos, permitiendo elevadas temperaturas y un satisfactorio control de la combustión. Con excepción del alcohol que es de origen vegetal, todos los demas son derivados del petróleo.

COMBUSTIBLES GASEOSOS.- Se están aplicando en forma creciente, debido a que son más limpios, a su bajo costo y a su fácil manipuleo. En nuestro país debido a la abundancia del gas natural se esta cambiando la matriz energética y este combustible prácticamente ha sustituido al fuel-oil liquido, tanto en sus aplicaciones industriales como en hornos y calderas, combustible vehicular y en uso domestico (gas licuado). Su alimentación es continua requiriendo poca mano de obra, además permite muy bien el control de su combustión y su temperatura.

CLASIFICACION DE LOS COMBUSTIBLES.-

1.- COMBUSTIBLES SÓLIDOS

a) NATURALES PODER CALORIFICOAntracita 8500 Kcal. /kg.Hulla 8000 Kcal. /kg.Lignito 6000 “Turba 5000 “Leña 3500 “

b) ARTIFICIALES.-Coque 7500 kcal. /kg.Carbón de leña 6500 “Aglomerados --------------------

2.- COMBUSTIBLES LIQUIDOS.-

a) NATURALES.-

Petróleo

b) ARTIFICIALES.-Nafta 11200 kcal. /kg.Kerosene 11100 “Gas oil 10900 “Diesel oil 10700 “Fuel oil 10300 “Alcohol 9000 “3.-COMBUSTIBLES GASEOSOS.-

a) NATURALES

Gas natural 9300 kcal. /kg.

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b) ARTIFICIALES.-Gas de destilería 11600 kcal. /kg.Gas de agua 2500 “Gas de aire 1000Gas de alto horno 900 “Acetileno C2H2 13000

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REFRACTARIOS Y ESCORIAS

REFRACTARIOS.-Se llaman refractarios a aquellos materiales que resisten elevadas temperaturas, acciones químicas severas y las condiciones características de los procesos de fusión, reducción, volatilización y otras operaciones metalúrgicas.Se llaman refractarios cuando soportan una temperatura entre 1580-1770°C Se denominan altamente refractarios si soportan una temperatura entre 1770-2000°C Súperrefractarios son los materiales que resisten temperaturas superiores a los 2000°C. PROPIEDADES DE LOS REFRACTARIOS.- Entre las propiedades principales tienen:

1.- COMPOSICION Y ESTRUCTURA a) análisis químico b) estructura, textura y constitución de fases2.- PROPIEDADES DE SERVICIO a) temperaturas de fusión y ablandamiento b) resistencia al ataque químico c) expansión y concentración d) capacidad para soportar cargas a Temperatura elevada c) resistencia a la abrasión 3.- PROPIEDADES FISICAS a) conductibilidad térmica b) peso especifico, porosidad y permeabilidad c) calor especifico d) conductibilidad eléctrica e) resistencia a la trituración en frío. Modulo de rotura4.- COSTOS a) materiales b) fabricación c) mantenimiento, costos

COMPOSICION Y ESTRUCTURA.- La composición se expresa usualmente dando el análisis químico en porcentajes de los óxidos componentes como: % Si02; %Al203; %Fe0; %Mg0 etc. La composición proporciona la base principal para clasificar los refractarios en ácidos, básicos y neutros.La fabricación de un cuerpo refractario comienza generalmente con materiales granulados, o en partículas y mediante algunos procedimientos se incorporan estos materiales a un solo cuerpo coherente tal como un ladrillo o bloques para pisos de horno.La estructura de un cuerpo refractario implica granos y cristales sólidos en una matriz vítrea. La matriz puede ser un cristal, una masa cristalina fina o una mezcla que actúa como ligante o cemento para los granos primarios del material refractario. En general la matriz no llena enteramente el espacio entre los granos de material refractario de manera tal que la estructura en conjunto es porosa.

DIAGRAMA DE EQUILIBRIO.-Los diagramas de equilibrios son herramientas esenciales para interpretar y predecir las estructuras de los cuerpos refractarios y sus cambios estructurales durante el cocimiento y servicio. Sin embargo se debe recordar que generalmente los cuerpos no están en

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equilibrio químico por lo que no se alcanza las constituciones de fases indicadas por los diagramas de equilibrio

TEMPERATURAS DE FUSION Y ABLANDAMIENTO- PROPIEDADES DE SERVICIO.- Los cambios en las propiedades mecánicas del material, como ablandamientos y eventualmente fusión pueden ocurrir sobre un rango considerable de temperaturas, por lo que la especificación de cualquier temperatura como de ablandamiento o fusión; es arbitraria y muy dependiente del procedimiento de ensayo. El método mas usado para medir el ablandamiento a temperatura elevada es la determinación del cono pirometrico equivalente (CPE).Por el procedimiento estandarizado como ensayo ASTM C-24; que consiste en introducir unos conos en forma de pirámides hechos del material refractario a ensayar, en un horno, se eleva luego la temperatura hasta que se observe un doblamiento de la punta del cono y se toma ese punto como la temperatura de ablandamiento. De acuerdo al número de cono estándar correspondiente a un determinado material refractario y de acuerdo a tablas le corresponde una determinada temperatura. En otras cosas el ensayo mas importante de la temperatura de ablandamiento puede ser la temperatura a la que comienza la deformación bajo una carga fija.

RESISTENCIA AL ATAQUE QUIMICO.- Especialmente por las escorias es importante saber como se debe elegir el material refractario a emplear.Los óxidos refractarios son los mismos óxidos que forman las escorias por lo que es raro hallar un refractario que sea insoluble en la escoria. El problema consiste más bien en reducir a un mínimo la velocidad de ataque de la escoria ya que cuando una escoria permanece en contacto con una pared refractaria se forma una zona liquida sobre el lado de la escoria por la lenta disolución del refractario en la escoria adyacente a la pared. En general el líquido formado por la disolución del refractario en esta zona tiene un punto de fusión más alto que el de la escoria y una viscosidad relativamente elevada de manera tal que será retenida en la superficie como un freno a la reacción rápida. Así la acción de la escoria se reduce al mínimo seleccionando el refractario cuya disolución en la escoria aumente el punto de fusión de la misma y también su viscosidad. Son casos típicos el uso de refractarios ácidos para contener escorias acidas y refractarios básicos para escorias básicas.

LA EXPANSIÓN Y CONTRACCION.- Ambas deben ser consideradas para explicar el comportamiento de servicio de los refractarios. Primeramente existe una expansión ordinaria con el aumento de temperatura y una contracción con la temperatura decreciente como ocurre en todos los sólidos.Pero además se debe tomar encuenta las deformaciones plásticas originadas por cargas: estas deformaciones son irreversibles y al tratar con ladrillos y otros cuerpos refractarios es muy importante tener en cuenta los cambios de volumen que acompañan a los cambios alotrópicos en las fases sólidas, ya que algunos cambios alotrópicos son irreversibles. Es por eso cuando se efectúa el encendido de un horno, se debe seguir un programa de calentamiento que generalmente dura 5 a 7 días simulando un calentamiento en equilibrio o sea cuasiestático a fin de no producir cambios en las fases del refractario debido a reacciones bruscas de temperaturas. Entonces el calentamiento debe ser lento y controlado. Ej.; 5 a 10°C/hora

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CAPACIDAD PARA SOPORTAR CARGAS A TEMPERATURAS ELEVADAS.- En general los refractarios que mejor soportan este tipo de cargas son los ladrillos de sílice y generalmente se usan en las bóvedas de los hornos. Los ladrillos de magnesita tienen baja capacidad de soportar cargas a temperatura elevada y además son más caros.

PROPIEDADES FISICAS

CONDUCTIVIDAD TERMICA.- Es una propiedad importante de los refractarios, en general es preferible la baja de conductividad térmica aunque en otras aplicaciones es deseable una conductividad elevada.CONDUCTIVIDAD ELECTRICA.- Es de interés primordial en la conexión con materiales usados en hornos eléctricos. Por Ej. El grafito y el carburo de silicio que son dos materiales refractarios comunes, son relativamente buenos conductores y son muy útiles como elemento de resistencia o calefactores.REFRACTARIOS METALURGICOS.

-CLASIFICACION.- Una base empleada para clasificar materiales refractarios esta relacionado estrechamente con la clasificación de las escorias en términos de acidez y basicidad. Así los materiales altos en Si02 se los considera ácidos, los altos en Ca0 o Mg0 son básicos y los materiales que son óxidos como el Al 203, Cr 203, C, SiC (no óxidos). Se denominan refractarios neutros.Una clasificación de acuerdo a su composición química es la siguiente:

- refractarios ácidos (alto contenido en sílice, alto contenido en alúmina)- refractarios básicos de magnesita, dolomita, Cr Mg0, cromita, etc.- refractarios especiales Carbono y grafito, carburo de Si

REFRACTARIOS ACIDOSSon aquellos con alto contenido en sílice y alúmina por ej el ladrillo de sílice es esencialmente un agregado de sílice cristalino con otros óxidos presentes. Las propiedades del ladrillo de sílice son muy importante en sus aplicaciones, ya que el sílice es el principal refractario acido que resiste a las escorias acidas. Debido a su bajo costo, y buena resistencia mecánica este ladrillo es muy común para la construcción de hornos en general.Los ladrillos de sílice son baratos; poseen alta resistencia; soportan temperaturas hasta de 1650 -1770 °C bajo carga. Su volumen es casi constante según varíe la temperatura, son de color beige claro, brillante y livianos

REFRACTARIOS BASICOS.- Se usan generalmente en procesos básicos donde es esencial la resistencia a escorias básicas. La magnesita Mg0 es uno de los constituyentes principales de los refractarios básicos. La Mg0 pura conocida como perioclasa tiene uno de los puntos de fusión mas elevados, 2800°C. Los demás componentes del ladrillo básico son Cr 20 3; Fe 20 3; Ca0; Al 203 etc. La cal Ca0 tiene un punto de fusión igual a 2750°C y es similar a la magnesita. Los refractarios básicos son de color verde oscuro a negro, son pesados, caros y opacos.

ESCORIAS.- Son los productos líquidos o sólidos provenientes de los procesos piro metalúrgico de fusión, conversión y refinación de metales. En estos procesos la fusión de todos los

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materiales (es decir la carga) producen dos productos líquidos que se encuentran en fases separadas cuando se hallan en reposo. En la inferior siempre se halla la fase metálica y encima de el, la escoria, ya que al tener menos peso especifico, esta flota sobre el metal. La función principal de la escoria es la de recoger y retirar del proceso las impurezas presentes en la carga y que no se desea en el producto metálico que se está extrayendo.La escoria es generalmente el producto de desperdicio o menos valioso y lleva consigo gran parte de las sustancia que se consideran no deseables en el producto valioso. Es decir que la escoria tiene un contenido mínimo del metal particular que se esta extrayendo. Cabe acotar sin embargo que en algunos casos como en la obtención de cobre se forman tres fases liquidas: metal, mata (que son sulfuros) y escoria. En el caso del Plomo se tienen cuatro fases liquidas: metal, mata, speiss (que son arseniuros) y escorias.

PROPIEDADES QUE SE REQUIEREN DE LAS ESCORIAS.-

REQUERIMIENTO METALURGICO.- Se debe tener una escoria que recoja y disuelva los porcentajes máximos de impurezas y arrastre la menor cantidad de metal posible.

COSTO MINIMO.- En la práctica es raro o muy poco frecuente que se presenten de manera natural los constituyentes de la escoria en la proporción adecuada para obtener una escoria satisfactoria. Por lo tanto se deben añadir adicionantes como caliza, arena, Fe0 etc.Esto incide en el costo de tratamiento y de igual manera tiene que ver con el contenido de calor que se aporta de tal modo que el costo del combustible debe ser asignado a la formación de la escoria. Disminuyendo así también la capacidad de tratamiento de la unidad VISCOSIDAD Y FLUIDEZ.- Es deseable no tener una escoria poco fluida ya que las de este tipo tienden a llevar en suspensión partículas de las fases metálicas, por lo que una escoria debe ser fluida y no viscosa.

PESO ESPECÍFICO.- Este requerimiento no es critico ya que en general los óxidos y silicatos líquidos componentes de la escoria tienen peso específicos considerablemente menor que los metales, facilitando así la separación de fases.

CORROSIVIDAD.- Se debe tener cuidado en la elección o preparación de escorias de acuerdo al tipo de refractario de que este construido el horno ya que si por ejemplo la escoria es básica y el refractario es acido se producirá un ataque químico en la zona de contacto que corroerá rápidamente al ladrillo refractario disminuyendo fuertemente su tiempo de vida e incidiendo directamente en los costos de producción.

COMPOSICIONES TIPICAS DE LAS ESCORIAS.- Las escorias están compuestas generalmente por óxidos tales como Si02; Ca0; Fe0; Fe 203; Al 203; P 205 etc. Sin embargo los componentes principales y que se hallan en mayor proporción son la sílice Si02; el oxido de hierro Fe0; la alúmina Al 203 y la caliza Ca0. De manera algo empírica se pueden clasificar las escorias en: acidas, básicas y neutras.

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ESCORIAS ACIDAS.- Son aquellas que tienen alto contenido de sílice Si02 en la misma. En la practica las escorias acidas se las puede reconocer por ser livianas, de aspecto vidrioso y brillantes. Son de color negro brillante, a negro verdoso. Una composición típica de una escoria acida es por ejemplo: Si02=45%; Fe0=30%; Ca0=15%; Al 203=8%; el resto, otros óxidos. ESCORIAS BÁSICAS.- Son escorias con alto contenido de óxidos básicos como ser Fe203; Fe0; y Ca0. Son pesadas, de color gris - negro y opacas. Una composición típica de las escorias básicas es la siguiente: Fe0 = 40%; Si02=30%; Ca0=20%; Al 203=7%

ESCORIAS NEUTRAS.- Son aquellas intermedias entre ambas. Como se mencionó anteriormente es muy importante la preparación o fabricación de una escoria la cual debe ser optima en términos de mejorar el rendimiento del proceso tanto en la reducción de tiempos de procesos, minimizar costos y aumento de la producción. De acuerdo al tipo de metal que se este extrayendo se pueden utilizar los diagramas ternarios de equilibrios en los que se hallan la composición de Si02; Fe0 y Ca0 en función de la temperatura y el porcentaje de alúmina Al 203. De esta manera las líneas en el diagrama son isotermas de las que se puede elegir una escoria con una composición determinada para la preparación de la misma.

FABRICACION DE ACEROS AL CARBONO

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Introducción.- Los minerales de hierro, son los más abundantes en la naturaleza. Su uso comienza con los inicios de la civilización. Posteriormente a la edad de bronce el hombre fabricó las primeras piezas de hierro fundido y aproximadamente en el siglo XV se comenzó a fabricar el acero mediante el proceso de pudelaje.Las inmejorables propiedades mecánicas, su bajo costo y su amplia aplicación, han hecho de que la producción de acero en el mundo supere en más de 10 veces la producción de todos los metales juntos.MINERALES PRINCIPALES.-Existen muchos minerales de hierro en Bolivia, pero los más convenientes económicamente y que se emplean para su industrialización son:Hematita.- Fe2O3, color rojo, con 55 - 60 % de Fe, se halla en el cerro Mutún, Departamento de Santa Cruz.Magnetita.- Fe3O4 color negro, azulado, con 55 - 60 % de Fe, es magnético, se halla en el cerro Mutún, del Dpto. de Santa Cruz.Siderita.- CO3Fe con un contenido de Fe entre 45 -50 %. En Bolivia se encuentra en el yacimiento de Changolla Departamento de Cochabamba.Pirita.- S2Fe, color marrón claro, brillante, tiene un 45% de Fe, se lo encuentra en los desmontes del proceso de concentración de minerales No Ferrosos.

REDUCCION DEL HIERRO. Industrialización.- Una vez determinado el yacimiento se procede a la disminución del tamaño de las partículas, dependiendo del proceso a emplear. En el caso de reducción en alto horno se efectúa la trituración primaria (d= 5-10cm), y si se realiza reducción directa, se llega hasta la molienda, para concentrar por flotación y luego pelletizar.Para fabricar acero en primer lugar se efectúa una reducción en un reactor, obteniéndose un producto intermedio que puede ser arrabio o hierro esponja y luego en otro proceso se obtiene el acero. Como la materia prima contiene un 60-65% de Fe, para elevar su contenido metálico se debe efectuar un proceso de reducción del Fe. Actualmente se emplean los siguientes procesos:

Con Carbón Vegetal- Alto Horno

Con Carbón Mineral (coque metalúrgico)

Proceso Midrex- Reducción Directa (DRI)

Proceso H&L - Otros procesos: Danarex, Circored, Finmet

OBTENCIÓN DEL HIERRO POR EL PROCESO ALTO HORNO.-La reducción del oxido férrico se efectúa en los altos hornos. El año 1730 Abraham Darby utiliza por primera vez el coque para reducir la hematita en su horno de Coalbrookdale (Inglaterra). Desde entonces el alto horno se ha perfeccionado llegando actualmente a ser utilizado exclusivamente para la obtención de arrabio.

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ESQUEMA DE UN ALTO HORNO

Tragante (carga)

Salida de gases zona de secado (300 °C) Y polvos

400°C zona superior de reducción 700 °C

Vientre cilíndrico11 1200°C zona inferior de reducción

1300°C zona de fusión 1500°C zona de combustión Inyección de aire a 1000 °C

Salida de la escoriacrisol Salida del arrabio

soleraLos altos hornos modernos poseen un vientre cilíndrico. Las dimensiones promedio de los altos hornos son:

Altura total: 30 m Diámetro del tragante 6 m Diámetro del vientre 9m Diámetro del crisol 8 m Altura de la cuba 15m Altura del vientre cilíndrico de 2 a 3 m Altura del crisol 3m.

MARCHA DEL PROCESO ALTO HORNO.- Se inicia el proceso con la preparación de la carga que consiste en mineral de hierro, caliza, arena, fundentes y coque metalúrgico. La carga se efectúa por la parte superior del horno llamada tragante. En el sistema que constituye el alto horno debe considerarse en primer lugar la existencia de una masa gaseosa ascendente formada principalmente por monóxido de carbono que es el principal agente reductor, y por una masa sólida o carga descendente formada por una mezcla de minerales (hematita), coke metalúrgico y caliza. Masa gaseosa ascendente.-Por las toberas se inyecta aire caliente proveniente de los recuperadores de calor a una temperatura de 1000°C. Al entrar en contacto con el coque incandescente se producen las reacciones:

C + O2 = CO2

CO2 + C = 2 CO

El gas formado tiene aproximadamente 35% de CO, 1% de H2 y 64% de N2.Masa sólida descendente.

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El tamaño de las partículas de carga para el alto horno deben tener un diámetro promedio entre 5 a 10 cm. Porque si fuesen muy pequeñas el tiraje de la chimenea puede absorber gran parte de ellas.La carga que desciende se seca por eliminación de la humedad en la parte superior a 300°C como indica el esquema. Al entrar en la zona superior de reducción que comienza a 400°C se empiezan a reducir los concentrados en el siguiente orden:

3Fe2O3 + CO = 2 Fe3O4 + CO2

Fe3O4 + CO = 3 FeO + CO2

FeO + CO = Fe + CO2

A 700°C aproximadamente se tiene la reducción total. Esto se puede resumir en la siguiente forma:

Fe3O4 Fe3O4 FeO Fe

En la zona siguiente se produce la descomposición de la caliza:

CO3Ca CaO + CO2

El CaO formado reacciona con la ganga silícea formando la escoria:

CaO + SiO2 = SiO3Ca (escoria)

En la zona de carburación se forma el carburo de hierro Fe3C como consecuencia de la reducción:

3 Fe + 2 CO = Fe3C + CO2

3 FeO + 5 CO = 4 CO2 + Fe3C

El carburo de hierro (Fe3C) se disuelve en el hierro reducido disminuyendo su punto de fusión y formando en la zona de fusión la fundición liquida en el crisol. En la zona inferior de reducción se reducen los óxidos de Silicio y Manganeso y anhídrido fosfórico:

MnO + C = Mn + CO

SiO2 + 2 C = Si + 2 CO

P2O5 + 5 C = 2 P + 5 CO

Tanto el Si, Mn y P se disuelven en la fundición. El tiempo de proceso es de 6 – 7 horas, y luego del análisis químico previo, se efectúa la colada evacuando primero la escoria y luego el metal, el cual sale por la parte interior del crisol como una fundición liquida llamada ARRABIO. Los arrabios contienen porcentajes variables de C, Si, S, P y Mn que dependen fundamentalmente de la calidad del mineral usado, temperatura de fusión y naturaleza de la escoria. Como términos medios se puede dar los siguientes valores de la composición de un arrabio:

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Elementos %C 3 a 4Si 2 a 3.5S 0,04 a 0,1P 0,04 a 2,5

Mn 0,5 a 3Fe El resto

El conocimiento de la anterior composición es importante para la obtención del acero.Los gases residuales que salen por la parte superior y contienen aproximadamente: 25 - 30% de CO; 6 - 11% de CO2; 54 - 57% de N2; 7% de H2; 0,5 a- 3% de CH4. Su temperatura es de aproximadamente 300°C y su poder calorífico de 800 a 900 Kcal./m3, los gases pasan por los recuperadores de calor y finalmente pueden ser utilizados como combustibles. La utilización de las escorias depende de su composición. Las escorias pueden utilizarse como componentes en la fabricación del cemento, se utilizan también para rellenar terraplenes o para hacer ladrillos o adoquines especiales.REFRACTARIOS.- La solera de un alto horno se fabrica con bloques de grafito. El Tragante y el vientre pueden construirse con ladrillos silico aluminosos, ya que no están en contacto con el material fluido. El crisol y los etalajes deben prepararse con ladrillos básicos de cromo –magnesita o dolomita porque el proceso es básico y así evitar el prematuro desgaste de los refractarios.CAPACIDAD DE TRATAMIENTO.- Existen unidades desde 100 Tn, hasta súper Altos hornos de 7000 – 10000 Tn por día de tratamiento en EEUU. Brasil y Japón. En estos hornos se pueden realizar hasta 20 coladas por día por tanto el proceso es continuo. El consumo de coque metalúrgico es de 500 kg por tonelada de arrabio. Se está optimizando el proceso disminuyendo la adición de coque, o insuflando aire enriquecido u oxigeno

APLICACIONES DEL ARRABIO.-El arrabio tiene propiedades físicas poco convenientes para su uso directo, entre ellas se puede citar; es muy duro, frágil, poco dúctil tiene poca resistencia mecánica y es muy fusible. Su transformación en acero da lugar a la siderurgia. Las principales aplicaciones del arrabio, se pueden sintetizar en el siguiente cuadro:

Fundición gris Chatarra o hierro forjado = fundición de hierro Fundición Blanca Fundición Nodular

Fundición maleableArrabio oxidación enérgica y regulada = hierro dulce o forjado, acero

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PROCESO DE REDUCCION DIRECTA

INTRODUCCION.- El coque metalúrgico existe cada vez en menor disponibilidad en el mundo, además su precio va aumentando. Por otra parte el consumo de coque en los altos hornos es elevado, y oscila entre 400 - 500 kg/TN de carga. Es por eso que en los países que no poseen carbón mineral, pero son ricos en gas natural como Argentina, Bolivia, México, Canadá, EEUU, se han desarrollado los procesos de reducción directa de los minerales o concentrados de hierro. La reducción directa del mineral de hierro utilizando metano reformado es un proceso bastante conocido. Países como USA, Canadá, Ucrania, México y Venezuela producen alrededor de 30 millones de TM por año de hierro y acero con esta tecnología. El hierro reducido por la reducción directa es una carga metálica de alta calidad, que:

Contiene los más bajos niveles de elementos residuales. Permite producir aceros de alta calidad en el Horno Eléctrico de Arco.

El 93% de la producción de hierro reducido por reducción directa a nivel mundial corresponde a los métodos que utilizan gas natural como reductor. En la reducción directa, se consigue una serie de productos, de acuerdo al estado del óxido de hierro y del método de reducción que se emplee, así se obtiene: HBI (briquetas), DRI (hierro esponja), IRON NUGGETS (pepitas), entre otros. De esta gama, la que más se utiliza en los procesos de afino y fundición son las briquetas y hierro esponja, que se pueden emplear en hornos eléctricos de aceración, convertidores básicos al oxígeno y cubilotes. En los hornos eléctricos de arco, la utilización de los productos reducidos es la mayor y más importante en reemplazo de la chatarra. En los procesos de reducción se obtiene una metalización del 90 al 93 %. Dentro de los diferentes tipos de métodos que utilizan el gas como reductor, dos de ellos son los más resaltantes, y se diferencian entre sí por el estado del material de carga (óxidos de hierro) y por el tipo de horno que se utiliza. Éstos son:

Hornos de lecho fluidizado. Hornos de cuba.

Hornos de lecho fluidizado. En el horno de lecho fluidizado se utilizan finos de mineral de hierro, los cuales pasan a través de reactores de lecho fluidizado que están ubicados en serie. Existen entre otros los procesos FINMET, HIB, SPIREX, y CIRCORED. La fuente, es el metano, reformado en el reactor de lecho fluidizado, el cual genera monóxido de carbono, agente primordial de la formación de carburo de hierro.

Hornos de cuba. El hierro reducido se produce principalmente en hornos de cuba, donde el mineral de hierro en forma de trozos o pellets se reduce a hierro metálico mediante un gas reductor, obtenido principalmente del gas natural.

Los métodos que más éxito han tenido son el proceso MIDREX, y el proceso H & L. Últimamente DANELI de Italia ha desarrollando el método DANAREX.

El proceso de reducción directa a partir de concentrados de hematita (mineral de hierro) utilizando metano reformado como reductor se desarrolla en dos etapas bien definidas:

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1. Reforma. El metano CH4 se hace reaccionar con vapor de agua en presencia de un catalizador de níquel a una temperatura de 900º C. Se eliminan así algunas impurezas y S. El metano así reformado produce tres moléculas de hidrógeno y una de monóxido de carbono, que actúan como reductores. La reacción es muy eficiente y tiene rendimientos mayores al 90%.

CH4 + CO2 = 2CO + 2H2

CH4 + H2O = CO + 3H2

2. Reducción de Hierro. En esta etapa, tanto el hidrógeno molecular como el monóxido de carbono producidos el metano son utilizados directamente para reducir la hematita en un horno de cuba o de retorta a una temperatura de 900 ºC para producir "hierro esponja" o ( directed reduction iron DRI), con un contenido de 92 -93% de Fe y 4 y 5 % de C. Entre los principales elementos de este proceso se tienen: 1.- Reductor: gas natural convertido (GNC) 2.- Carga: materia prima: aglomerado, briquetas o pellets de mineral de hierro3.- Producto obtenido: DRI, llamado también hierro esponja que se emplea como materia prima en los hornos eléctricos para la fabricación de acero4.- Ventajas: El proceso es más económico en su inversión, tiene bajo costo de mantenimiento, elevada pureza del producto, contiene poco S, menos cenizas, y menos impurezas Existen diferentes tipos de procesos de reducción directa pero los más empleados sonel proceso Midrex y el proceso (H&L ) Hojalata y lamina.

PELETIZACION.- La peletización es un proceso que consiste en la aglomeración del mineral finamente molido o un concentrado molido, por la adición de aglomerantes como la bentonita y determinada cantidad de agua para darle forma de partículas esféricas (Pellets verdes) las cuales son endurecidas por cocción en hornos rotatorios.

Composición De Los Pellets.

Los pellets están formados por mineral de hierro más una ganga el cual esta compuesto por minerales tales como:

Hierro, oxido de silicio, oxido de aluminio (Al2O3) (alúmina), oxido de calcio (CaO) (cal), oxido de magnesio (MgO) (magnesia), fósforo, azufre y manganeso, todos en diferentes proporciones. El Hierro se encuentra en mayor proporción ya que este representa la parte valiosa del producto. Los demás minerales representan el porcentaje restante, el cual debe guardar cierta proporción para que no se vean afectadas ningunas propiedades como la basicidad.

En cuanto al fósforo y el azufre existen en dosis adecuadas ya que de lo contrario perjudicarían las propiedades de los pellets y debilitarían la estructura del hierro. Se debe tener en cuenta que su desaparición no es posible ya que estos le proporcionan cualidades especiales a los pellets para su utilización en el proceso de reducción directa.

Materias Primas en la producción de Pellets: Para la elaboración de pellets la materia prima a utilizar son:

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- Los minerales de hierro, los cuales determinan la matriz de los pellets.

- Los aglomerantes y aditivos que proporcionan propiedades y características requeridas por las mimas.

Aglomerantes:

- La Bentonita: Es uno de los aditivos mas usados en la peletización, ya que esta mejora la resistencia de las pellas verdes e incrementa la viscosidad y la tensión superficial del agua ayudando a la compactación de las pellas verdes.

- La cal hidratada: Incrementa la basicidad.

ETAPAS DEL PROCESO DE PELETIZACIÓN:-

PLATOS PELETIZADORES: La mezcla preparada se lleva a los platos peletizadores que constan de un disco rotatorio de acero que esta formado en el fondo por una mezcla especial de agua, aditivo y mineral que cumple la función de impedir el amontonamiento del material y distribuir el flujo de este en todo el disco.

- Endurecimiento o secado.- Este involucra a los siguientes procesos:

Horno de Secado.- Las pellas verdes cribadas son distribuidas sobre carros móviles para su piro-consolidación en el horno de quemado, donde se consolidan las pellas en un horno de parrilla móvil mediante la inyección de gas natural más aire. Esta requiere de cuidado especial en cuanto a la velocidad con la que se realiza el proceso, ya que al aumentar la velocidad aumenta la presión de vapor en el interior de las pellas provocando agrietamiento en las mismas hasta partirse. Las pellas verdes son quemadas para mejorar sus características mecánicas, es decir, la resistencia a la compresión y el índice de abrasión (resistencia a las condiciones de transporte).

PROCESO MIDREX Es un proceso desarrollado por la Midling Ross Corporation de EEUU (actual Midrex Corporation) y consiste en el tratamiento de aglomerados o pellets de mineral de Fe en un horno de cuba refractado con ladrillos básicos y alimentados con gas natural convertido que actúa como reactivo de reducción La Conversión del GN se realiza con el objetivo de tener un buen reductor El metano se disocia a elevadas temperaturas Se procesa en un horno de gas rectangular en el cual hay instalados tubos de acero con refractarios de silicato aluminoso impregnado con Níquel como catalizador a una temperatura de 800 - 950ºC produciéndose la descomposición de los hidrocarburos según la reacción:

CH4 + CO2 = 2CO + 2H2

CH4 + H2O = CO + 3H2

Proceso.- Carga.- Se carga en el reactor Midrex, aglomerado, pellets o mineral de Fe por la zona superior del horno. Para obtener 1 tonelada de Fe puro se requiere 1 carga de 1,4 Toneladas de pellets (70 – 73 % de pureza) Por la zona del medio se insufla gas reformado caliente, a 800 -900 ºC, para efectuar la reducción de la carga y por la parte inferior del horno se alimenta gas frio para disminuir la temperatura del reducido

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PROCESO.- El horno esta dividido en dos zonas con ciclos completos diferentesa) El ciclo superior esta destinado a la reducción del hierro: Fe2O3 – Fe3O4 – FeO – Fe – Fe3C b) El ciclo inferior para el enfriamiento del producto obtenidoc)

Temperaturas de proceso: Zona de salida de gases: 400 ºCZona de reducción: 700 – 800ºC Zona de salida de DRI: 40ºC. El hierro esponja obtenido se descarga del horno por abajo. Se guarda en una tolva, llena de gas inerte. Los nódulos contienen 90- 92 % de hierro metálico. El rendimiento de un horno alcanza 100 toneladas de hierro en 24 horas con un gasto de gas natural de hasta 550 m3/Ton. Actualmente la producción en 24 horas de los hornos de cuba constituye dos a cuatro veces mayor que con la fusión en altos hornos. Pero, puesto que estos hornos son relativamente pequeños su producción en 24 horas asciende entre 100 a 1500 t.

REDUCCION DIRECTA

GAS NATURAL

ESCAPE DE GAS

GASNATURAL

COMPRESORDE AIRE

REFORMADORDE GAS

CONPRESORDE GAS PROCESADO

LIMPIEZA DE GASES DE ESCAPE

GASNATURAL REFORMADO

DRI 93% DE METALIZACION(HIERRO ESPONJA)

CONCENTRADO DE MINERAL DE HIERRO(PELETS)

REACTOR

VA A PLANTA DE ACERIA

CH4 + H2O 3H2 + CO

CO + H2O H2 + CO2

Fe2O3 + 3H2 2Fe + 3H2O

Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2

REDUCCION

3Fe + C H4 Fe3C + 2H2

CARBURIZACION

CO2+H2O

( 900 °C )

REFORMACION

COMPRESOR

LIMPIADOR ENFRIADOR DE GASES

PRODUCTOS.- Se obtiene Fe esponja (DRI), con un 90-93% de Fe, y gases, que salen por la chimenea El consumo de gas natural es de 550 m3/Tn. El Gas de salida contiene: CO = 30% H2 = 70%HORNO – Se emplea un horno de cuba cilíndrico con las siguientes característicasRefractarios: BásicosDimensiones: Di = 4,8m Altura H = 15m (para 350 TN)Capacidad 350 a 450 TN proceso Tiempo proceso 4-6 hrs. En zona de reducción Tiempo total de proceso 8-10 hrs VENTAJAS.- El proceso Midrex consigue:

alta calidad del metalizado menos impurezas

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no tiene un precio fluctuante como la chatarra

PROCESO H y L.- (Hojalata y Lamina).- Este proceso fue desarrollado por HYLSA de México y transforma pellets de hierro en Fe esponja por reducción en una mezcla de CO y H2. El Gas Natural, se reforma desulfurandolo , luego se mezcla con vapor de agua y se separa en un horno de conversión con un catalizador de Níquel.

CH4 + CO2 = 2CO + H2 CH4 + H2O = CO + 3H2

Luego se procede a la carga mediante cintas transportadoras a los reactores. La reducción del mineral se realiza en 4 reactores de lecho inmóvil. En el proceso H&L -I, la reducción ocurre en dos etapas de 3 horas cada una1º etapa.- precalentamiento y reducción parcial tiempo = 3hrs. 2º etapa.- reducción parcial T= 1100ºC % Fe = 90 t = 3hrs. 3º etapa.- enfriamiento del hierro, carburación y calentamiento del gas reductor4º etapa.- enfriamiento final La carga no se separa de un reactor a otro vecino del proceso, sino que sucede a otro gracias a la conmutación de las válvulas mientras el gas fluye continuamente. Productos .- Se obtienen:Hierro esponja (DRI) con un contenido de 91 a 93 % Fe y C= 4% Gases de salidaEl proceso H&L ha evolucionado, teniendo los procesos H&L- II, III y actualmente el proceso H&L - IV, que usa un solo horno de cuba.

OTROS MÉTODOS.- Es importante señalar que existen otros métodos de reducción directa que han efectuado importantes innovaciones, tal como utilizar sólo hidrógeno como gas reductor (CIRCORED) y eliminar el reformador (H y L, DANAREX) logrando una auto reformación in situ del gas natural, es decir, en el reactor, aprovechando el efecto catalítico de hierro metálico. Para poder suministrar la energía necesaria, se aumenta la temperatura del gas de tobera mediante la inyección de oxígeno.  Las principales características de estos sistemas son:

Alta presión de operación, que permite una alta productividad del reactor y la optimización integral de energía.

Alta temperatura de los gases reductores en la entrada del reactor mayor debido a la combustión parcial. Estas condiciones permiten la eficiente generación in situ de gases reductores y la reducción del mineral de hierro. La combinación adecuada de parámetros de proceso, tales como la inyección de gas natural, el flujo específico de gas reductor al reactor, la inyección de oxígeno y el ajuste de concentraciones de humedad (H2O) y dióxido de carbono (CO2), permiten el nivel de metalización y contenido de carbón.

FABRICACION DE ACERO AL CARBONO.-

DEFINICIÓN.- Se denomina acero a la aleación de Hierro y Carbono, que contiene entre 0,02 y 1,8 % de C. Las propiedades de los aceros no solo dependen de su composición química sino también del tratamiento que sufren durante el proceso de

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enfriamiento y de las propiedades que le imparten el agregado de otros metales para obtener los aceros especiales. Si bien sus propiedades pueden modificarse existe un valor fundamental que señala la transición entre un acero y las fundiciones. Dicho límite es el porcentaje de 1,8% de C. (en la figura se tiene un diagrama de equilibrio de la aleación de Fe – C).

Las aleaciones de Fe y C se pueden clasificar de acuerdo a los porcentajes de carbono en:a) Aceros de bajo carbono o aceros dulces con < 0,2% de Cb) Aceros de medio Carbono, con un contenido entre 0,2 y 0,7% de Cc) Aceros de alto carbono con un contenido entre 0,7 y 1,8% de C.d) Fundiciones de hierro y arrabio con un contenido > 1,8 % de C.FABRICACION DE ACERO COMUN.- El acero se obtiene directamente por medio de distintos procesos, ya sea empleando como materia prima básica, el arrabio, el Fe esponja y chatarra de Fe. La conversión de estos en acero comprende dos etapas fundamentales que son:1) Eliminar por oxidación el C, Si, S, P, Mn, etc.2) Adicionar la proporción deseada de C con pequeña concentración de Mn.Entre los procesos mas importantes de fabricación se tienen:a).- Proceso: Siemens – Martinb).- Convertidor LD c).- Proceso; Horno Eléctrico de Arcod).- Proceso: Horno Eléctrico de inducción, etc.

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Estos procesos difieren en la forma de producir la oxidación, en la naturaleza del fundente; agregado para eliminar las impurezas oxidadas y en la forma de regular la composición final del acero. FABRICACION DEL ACERO POR EL PROCESO SIEMMENS – MARTIN.- (1865-1865) Antes de este, ya existían dos procesos de fabricación industrial de acero que son el proceso Bessemer y el proceso Thomas, los cuales han quedado en la obsolescencia. El proceso Siemens Martin es un proceso clásico, que utiliza un horno regenerativo de calor denominado horno reverbero porque la bóveda reverbera o refleja el calor de la llama hacia la solera o crisol.DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN.- La instalación está compuesta por:a) Tanques de fuel oil (o gas natural).b) Parque de chatarra c) Horno propiamente dicho y elementos de evacuación de gases y humos d) Nave de coladaEl horno propiamente dicho consta de las siguientes partes:Cámara del horno, quemadores, conductos de gases y humos, regeneradores de calor, válvulas, chimeneas.La cámara del horno es el lugar donde se funde la carga tiene una planta rectangular; H = 3-6m, e = 3-6 m. L = 8-25m.En este frente se disponen las puertas de cargado. La capacidad de tratamiento de este horno es de 50 - 400Tn por colada.

DESCRIPCIÓN DE LA INSTALACIÓN.- La instalación está compuesta por:a) Tanques de fuel oil (o gas natural).b) Parque de chatarra La solera es de forma elíptica y esta fabricada con ladrillos básicos de dolomía, magnesita y bloques de grafito. Las paredes de la bóveda se construyen con ladrillos básicos aunque las ultimas hileras con ladrillos silicosos o silico aluminosos.La bóveda se hace de ladrillos silicosos 95% de SiO2 porque tiene buena resistencia a la compresión a temperaturas elevadas.

MARCHA DE UNA OPERACIÓN S-M BASICA.- Se efectúa iniciando la carga que consta de arrabio 70%, chatarra 20% y mineral de Fe 10% que (actúa como oxidante). Se agrega también caliza y cal (CO3Ca + CaO) para formar la escoria y dar basicidad al proceso. Se añade algo de espato flúor para dar fluidez a la escoria.Este periodo dura una hora; durante la carga se mantiene un exceso de aire para calentar y oxidar la carga. Al poco tiempo la fundición comienza a gotear y se inicia una ligera oxidación del Fe y Si, formándose los óxidos correspondientes y se forma algo de escoria. El orden de afinidad de los elementos con el oxigeno es:Si, P, C, Mn, y Fe; pero el hierro es el primero que se oxida debido a su gran abundancia. Las reacciones son las siguientes:

2Fe + O2 = 2FeO

Fe + CO2 = FeO + CO

Fe2O3 + Fe = 3FeO Esta oxidación es debido a la adición de mineral de hierro

Si + 2FeO = 2Fe + SiO2

2P + 5FeO = 5Fe + P2O5

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Mn + FeO = 2Fe + MnO C + FeO = Fe + CO

El desprendimiento de CO produce lo que se llama el hervido del baño. Este periodo dura dos horas. Cuando avanza mas el proceso y aumenta la temperatura, la caliza que se halla en el fondo del baño se descompone formando la escoria según las reacciones:

MnO + SiO2 = SiO3Mn Silicato de Mn FeO + SiO2 = SiO3Fe Silicato de Fe CaO + SiO2 = SiO3Ca Silicato de Ca El índice de basicidad a alcanzar debe ser: (CaO/SiO2) = 1,3 -1,6Para que la escoria tenga fluidez se agrega espato flúor en pequeñas cantidades.

DESOXIDACION.- Como en el proceso Siemens -Martin la primera parte es una operación oxidante, existe en el baño un porcentaje de O2 muy elevado que impide la obtención de lingotes sanos; ya que este oxigeno en exceso al solidificar reacciona con el C dando CO y originando poros en el metal (acero)Para evitar esto faltando 10-15 minutos para la colada se agregan los desoxidantes como FeSi y FeMn. (Ferrosilicio y Ferromanganeso) que son sustancias sólidas inertes. Se completa la desoxidación añadiendo pequeñísimas cantidades de Al que forma Al2O3

el cual va a formar parte de la escoria.El FeMn no solo es desoxidante sino también desulfurante, el S se halla como SFe y se elimina según. SFe + CaO = SCa + FeO

SFe + MnO = SMn + FeO

El porcentaje de azufre debe ser menor a 0,030. La temperatura de proceso está entre 1800 -2000ºC en el crisol El tiempo de proceso oscila entre 5 a 6 horas.COLADA.-Cuando el baño tiene la composición adecuada y la temperatura conveniente se efectúa la colada. El peso de la escoria es aproximadamente el 12% del peso de la carga. El tiempo total de proceso dura aproximadamente 5-6 horas.

QUEMADORES.- Como combustible en este horno se usa generalmente Fuel-oil o Gas Natural. Los quemadores tienen conductos por los cuales salen aire y Fuel-oil en dirección casi paralelas. Actualmente se usan quemadores que emplean aire, Fuel-oil y oxígeno. Composición del Fuel-oil: Cfijo = 87 % H2 = 11 % PCpoder calorífico = 10000 Kcal /m3 El Fuel-oil debe utilizarse precalentado antes de su inyección para obtener buena circulación y óptima atomización, en el horno SM, esto se logra precalentándolo en los regeneradores de calor.Actualmente el proceso SM prácticamente se ha desechado en la mayoría de los países industrializados debido a su alto costo de entretenimiento y largo tiempo de proceso, pero existen algunos hornos en RUSIA, E.E.U.U, Argentina y Brasil. La ventaja que tiene es su gran capacidad de tratamiento, su desventaja es que no se puede usar carga fría.

PROCESO LD.- Se denomina así por que en las ciudades Austriacas de Linz y Donawitz se efectúo éste proceso por primera vez con gran éxito y desde 1968 ocupa el

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primer lugar en la fabricación de acero en el mundo. Un esquema del convertidor BOF se presenta en la figura. Consiste en una olla de acero recubierta en su interior con material refractario del tipo básico, óxido de magnesio o algo así. A diferencia del convertidor de Bessemer donde se soplaba el aire por la parte inferior, en el BOF (Basic Oxigen Furnace), se inyecta el oxígeno por una lanza que entra por la parte superior. La lanza se enfría con serpentines de agua, interiores para evitar que se funda. La carga y la descarga de la olla se hacen también por la parte superior y por eso la olla está montada en chumaceras que le permiten girar.

Originalmente el proceso BOF fue desarrollado en Austria para convertir arrabio con bajo contenido de fósforo (alrededor del 0.3).Luego la técnica se extendió, para arrabios de alto fósforo mediante la adición al chorro de oxígeno de polvo de piedra caliza. Entonces se logró la producción de acero con arrabio de contenidos de fósforo tan altos que llegaban incluso al 2%.

Una de las grandes ventajas que desde un principio se observó en los convertidores BOF fue su capacidad para aceptar hasta un 20% de "chatarra junto con la carga de arrabio líquido.

CARACTERÍSTICAS DEL PROCESO.- Emplea convertidores con revestimiento básico cerrados por abajo, en forma de pera y una lanza vertical que introduce por la boca del convertidor LD un chorro de oxigeno a velocidad supersónica sobre la superficie de la fundición. El chorro de oxigeno atraviesa la escoria y llega hasta el baño metálico.

VENTAJAS DEL PROCESO LD.- La calidad del acero LD es la misma que el Siemens Martin y mucho mejor que el Thomas y Bessemer que tiene un %N = 0,01–0,02 muy sensible al envejecimiento y no sirve para la embutición. El acero LD tiene un porcentaje de N = 0,002–0,004. El costo de la acería LD es mucho menor que el SM para la misma capacidad de tratamiento, además el entretenimiento de una acería LD es mucho más sencilla.El tiempo de proceso es mucho menor, ya que cada colada dura unos 30 - 35 minutos en cambio un proceso SM dura 4-5 horas. Pero el proceso LD tiene la desventaja de cargar solo arrabio líquido, aunque se puede agregar también un 10% de chatarra y algo de mineral de hierro que sirven para enfriar el baño ya que por la simple oxidación de

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los elementos de la fundición se producen calorías en exceso para la temperatura deseada.El acero LD al final de la fase oxidante y antes de colar tiene menos % de O 2 que el Siemens Martin y el Thomas por lo que su desoxidación es sencilla y se hace con menor cantidad de desoxidantes.Los convertidores LD tienen la forma de un crisol con el fondo cerrado. Se construyen soldados con chapas de acero de 30-50 mm de espesor. Pueden girar 360º y colocarse en cada momento en la posición adecuada para el soplado y para la colada del acero.La capacidad del Convertidor LD varía entre 30-300 Tn y la carga fundida ocupa 1/5 del volumen del convertidor.El Convertidor LD interiormente está recubierto de material refractario básico de dolomía o magnesita de 250-700 mm. La piquera o agujero de colada se halla igualmente refractado.El oxígeno llega al Convertidor por medio de una lanza que es un tubo de acero terminado en una boquilla de Cu fuertemente refrigerada por agua. El oxigeno se debe soplar con una presión de 10-14 atm. y el consumo es de aproximadamente 75 Kg de O2/Tn de acero.La altura de la lanza sobre la superficie del baño es de 2 m al comienzo del soplado y un metro al final del mismo. Los gases que escapan del convertidor están generalmente compuestos por CO y CO2.Se debe usar oxígeno con una pureza del 99% para que el N2 contenido sea mínimo. El proceso de soplado dura aproximadamente 15 minutos y es donde comienza a producirse la oxidación.

MARCHA DE LA OPERACIÓN LD.- Se inicia con la carga, la cual consta de arrabio líquido y 10-20% de chatarra sólida, colocando el CLD en posición inclinada.Si la temperatura es muy caliente se enfría el baño agregando mineral de Fe sólido. Estas adiciones frías son importantes ya que debido a la oxidación del C, P, S y Mn se eleva la temperatura del baño produciendo un excesivo desgaste del refractario.Con el convertidor en posición vertical se hace descender la lanza y se comienza el soplado de oxígeno.El chorro de O2 desempeña un doble papel, por una parte oxida las impurezas y por otra contribuye al movimiento y a la emulsión del baño y la escoria. A los 4 minutos del inicio del soplado se añade la mitad de la caliza y algo de espato Flúor. La adición de caliza se calcula de acuerdo al contenido de Si en la fundición y alcanzar una relación de basicidad

CaO = 2,8 SiO2 en la escoria para conseguir una buena desfosforación y desulfuración.

La oxidación de los distintos elementos se efectúa de acuerdo a las reacciones:

2Fe + O2 = 2FeO Si + 2FeO = SiO2 + 2Fe

Mn + 2FeO = MnO2 + 2Fe C + FeO = CO + Fe

2P + 5FeO = P2O5 + 5Fe

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A los pocos minutos la llama se acorta y desaparece, entonces el contenido de C baja hasta un % C = 0,050. Se corta el paso de oxígeno, y se gira el convertidor para tomar muestras de acero y escoria para efectuar el análisis químico y ver las adiciones a realizar.Cuando la composición y temperatura son adecuadas, se realiza la colada a una cuchara y en ella se agregan los desoxidantes, generalmente FeSi (ferrosilicio) y FeMn (ferromanganeso) y algo de Aluminio. También se añaden recarburantes cuando se desea fabricar aceros con alto contenido de carbono. Luego se procede a la colada. Si la planta es integrada el acero liquido pasa directamente al tren de laminación para obtener productos semi terminados y si no, entonces se vacía a las lingoteras para fabricar lingotes

FABRICACION DE ACERO EN HORNO ELECTRICO DE ARCO.-

El horno eléctrico de arco es un reactor que se emplea en la fabricación de acero desde el año 1900. Principio: Irradiación de calor hacia el baño desde un arco formado entre dos electrodos colocados en posición sobre la carga. Aunque existe el proceso ácido, el más empleado es el proceso básico en el cual la solera del horno se prepara con bloques de grafito, el crisol contiene ladrillos de dolomita y magnesita. La zona alta de las paredes y la bóveda se construye con ladrillos silico aluminosos o refractarios altos en, aluminio Al2O3 ( 70%). Se usan hornos desde una tonelada, hasta 400 Tn de capacidad aunque los más usados son los de 60–100 Tn.

La potencia de los transformadores varía con el tamaño del horno desde 1000 hasta 120000KVA. El diámetro de los electrodos varían también con el tamaño del horno entre 100-700mm.Actualmente se emplean Hornos Eléctricos de ultra potencia UHP (ultra high power), que trabajan con una sola escoria y fabrican aceros de buena calidad y baratos.Los eléctrodos están dispuestos equidistantes entre si, y son consumibles. Pueden ser de grafito, o de carbón amorfo, y tienen un diámetro de aproximadamente 70 cm. para un horno de 70 Ton. Como materia prima para este proceso se emplea principalmente chatarra de acero dulce, aunque también se puede usar arrabio líquido o sólido y hierro esponja, también algo de fundición y mineral de Fe. Para la formación de escoria se añade CO 3Ca, CaO,

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espato flúor y coque. Al final del proceso se agregan FerroSilicio, ferromanganeso y Aluminio como desoxidantes. OPERACIÓN DE FABRICACION DE ACERO EN HE BASICO CON DOBLE ESCORIA

El procedimiento seguido para la fabricación del acero, depende del producto que se haga. Si el acero va a contener un porcentaje apreciable de elementos de aleación fácilmente oxidable tales como el cromo, tungsteno y molibdeno se usan dos cubiertas de escoria durante una partida de trabajo. Una escoria de naturaleza oxidante favorece a la oxidación y el efecto de los fundentes sobre el carbono, fósforo y silicio. A continuación se retira la escoria oxidante y se sustituye por una escoria reductora en la que el CaO y el CaC2 son ingredientes importantes. Esta capa protectora de escoria coadyuva a la eliminación del azufre y protege contra la oxidación de elementos de aleación. En la fabricación de acero para colados ordinarios, no se necesita la segunda aplicación de escoria ya que no están presentes los elementos fácilmente oxidables que se encuentran en los aceros inoxidables para herramientas. Se inicia la carga introduciendo chatarra o arrabio, sólido o líquido, para luego crear una escoria oxidante sobre el baño metálico, el cual comienza a ser oxidado por el FeO que contiene la chatarra y por el O2 del aire. Se suele introducir mineral de hierro para acentuar la oxidación el baño comienza a hervir debido a la oxidación del C, formando CO y luego se va formando una escoria negra con cal algo de SiO2 y FeO. En el baño primero se oxida, el Fe por ser el más abundante, luego el Si, P, Mn, C y otros elementos de acuerdo con las reacciones :

2Fe + O2 = 2FeO Si + 2FeO = SiO2 + 2Fe

Mn + 2FeO = MnO2 + 2Fe C + FeO = CO↑ + Fe

2P + 5FeO = P2O5 + 5Fe

Al final de este periodo oxidante la escoria negra se elimina quedando un baño muy oxidado con muy bajos porcentajes de C, Mn, Si y P.Se forma una segunda escoria desoxidante con agregado de 3 partes de cal y una de espato flúor, a la que a veces se añade grafito o coque que también sirven como recarburantes. Esta escoria básica y reductora elimina al azufre según:

SFe + CaO + C = SCa + Fe + CO↑

Composición de la escoria reductora: CaO = 60%, SiO2 = 20%, FeO = 0,5%, C2Ca = 1,5%.Cuando termina ésta parte del proceso, se efectúan las adiciones finales o sea las distintas ferro aleaciones como ferrosilício (FeSi) , ferromanganeso (FeMn) y aluminio el cual incide en el tamaño del grano. Si la temperatura es correcta y los demás factores están óptimos se efectúa la colada volcando el HE para permitir salir a todo el baño metálico y la escoria. El tiempo total de proceso en HE es de aproximadamente 2-4 horas. Actualmente, el horno eléctrico produce un 40 % de la producción mundial del acero.

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HORNO ELÉCTRICO DE INDUCCIÓN Los hornos eléctricos de inducción utilizan una corriente para fundir la carga. La energía es del tipo de inducción sin núcleo, dada por una corriente de alta frecuencia que suministra a la bobina primaria enfriada por agua que circunda al crisol. La corriente de alta frecuencia es alrededor de 1000 Hz, suministrada por un conjunto motor - generador o un sistema de frecuencia con arco por vapor de mercurio. El crisol es cargado por una pieza sólida de metal, chatarras o virutas de operaciones de mecanizados, al cual se le induce una alta corriente secundaria. La resistencia de esta corriente inducida en la carga se hace en 50 ó 90 min. , fundiéndola en grandes crisoles que contienen arriba de tn de acero.El horno de inducción de baja frecuencia es el de mayor uso industrial, consiste en un recipiente cilíndrico de acero, refractado con chamota apisonada en las paredes del horno en unos tetones metálicos soldados en la chapa cilíndrica. A su alrededor se encuentra una bobina de cobre refrigerada con agua. Que trabaja como el primario del transformador. La carga como chatarra trabajara como secundario.

Los hornos de inducción, con crisoles, aprovechables desde pocos kilogramos hasta 50 tn son relativamente bajos en costo, casi libres de ruido y por lo mismo producen poco calor.

MEC 286 SOLIDIFICACION

ESTRUCTURA CRISTALINA.-Introducción.- En un metal, los átomos tienden a adoptar posiciones relativamente fijas, y cuando solidifica, da lugar a la formación de cristales en el estado sólido. En un cristal los átomos se encuentran ubicados en los vértices de un cuerpo regular

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CELDA UNITARIA.-Es la unidad más pequeña que tiene la simetría total del cristal. En los cristales sólidos los átomos se hallan oscilando alrededor de puntos fijos y están en equilibrio dinámico.La red tridimensional de líneas imaginarias que conecta a los átomos se llama red cristalina o red espacial. Existen 14 sistemas cristalinos pero la mayor parte de los metales, cristaliza en los sistemas cubico centrado en el cuerpo (bcc); cubico centrado en las caras (fcc) y hexagonal compacto hpc

Ejemplo: Cuando el hierro cristaliza en el sistema cubico centrado en el cuerpo se tiene:8x 1/8 de átomo en las esquinas = 1 átomo y un átomo central Total = 2 átomos. En el sistema cubico centrado en las caras se tiene:8 x 1/8 en las esquinas = 1 átomo6 x ½ en las caras = 3 átomos. Total = 4 átomosPor tanto la red cubica centrada en las caras es mas compacta.

Planos cristalográficos:Las capas o planos sobre los cuales están ordenados los átomos se llaman planos cristalográficos.Estados de la materia: Son tres:

a).- Estado gaseoso.- En este estado, los átomos del metal tienen gran movimiento y ocupan mucho espacio Tienen un arreglo desordenado, elevada energía cinética, no existen fuerzas atractivas entre los átomos, y además son compresibles b).- Estado solido.- Los átomos se hallan ordenados, existen fuerzas de atracción entre ellos. Poseen forma propia y son incompresibles. Conforme la temperatura desciende, los movimientos de los átomos son menos vigorosos y las fuerzas de atracción los

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juntan hasta que el líquido se solidifica. La mayoría de los materiales se contraen al solidificarse, lo cual indica un empaquetamiento más estrecho de átomos en estado sólido. En dicho estado los átomos no son estacionarios, sino que vibran alrededor de puntos fijos y dan lugar a su propia estructura cristalina.

c).- Estado liquido.- Es un estado intermedio en el cual el metal ocupa la forma del recipiente que lo contiene y son casi incompresibles A medida que la temperatura desciende, la energía cinética de los átomos ha disminuido a tal punto que las fuerzas atractivas llegan a ser suficientemente grandes para qué la mayoría de los átomos se junten formando un líquido. No todos los átomos están en el líquido, algunos permanecen en vapor arriba de líquido, hay un continuo intercambio de átomos entre el vapor y el líquido a través de la superficie de este último. CRISTALIZACIÓN (liquido-sólido).- Es el pasaje del estado liquido al estado sólido con formación de una red cristalina.

CONDICIONES ENERGÉTICAS DEL PROCESO DE CRISTALIZACIÓN.- En la naturaleza todas las transformaciones ocurren espontáneamente, por ejemplo la cristalización y la fusión, y dependen de que el nuevo estado sea más estable energéticamente. Desde el punto de vista energético y por termodinámica sabemos que la variación de la energía libre de Gibbs vale: G = U - TS , donde: ΔG = variación de energía libre de Gibbs ΔU = variación de energía interna ΔS = variación de entropía T = temperatura absoluta

Así, cuanto mayor es G menor será la estabilidad de un sistema.Cuanto menor es G, es decir si G < 0, es mayor la estabilidad del sistema.En la figura por encima de la temperatura Ts, tiene menor variación de energía libre G por tanto el liquido es mas estable, entonces el metal se hallara en estado liquido.En el punto Ts, ambas variaciones de energía libre G son iguales, o sea G sol = Gliq; lo cual indica que aun no puede producirse la cristalización. Ya que debe existir una menor variación de la energía libre, o sea un G más negativoEsto solo es posible si el líquido se enfría hasta una temperatura menor a Ts, que será la temperatura efectiva de cristalización A esto se conoce como subenfriamiento.El proceso de cristalización consta de 2 partes elementales que son:1).- Formación de núcleos de cristalización.2).- Crecimiento de los cristales a partir de los núcleosEn este proceso se observa lo siguiente.A medida que se desarrolla el proceso de cristalización, en él participan un número cada vez mayor de núcleos o cristales. En el proceso de cristalización, mientras el cristal este rodeado de líquido suele tener forma regular. Pero al unirse entre cristales su forma regular se altera.Cuando la temperatura del líquido disminuye el movimiento de los átomos decrece entonces existe un mayor número de centros de nucleación.En la grafica de enfriamiento se observa que los átomos de un metal tienen energía cinética y energía potencial. La energía cinética esta relacionada con la velocidad y es función de la temperatura. A mayor temperatura, mayor Energía cinética. La Energía

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potencial esta relacionada con la distancia entre los átomos. A mayor distancia entre los átomos mayor energía potencial. En el equilibrio:

E c l = E c2 Las energías cinéticas del líquido y solido son iguales a la misma temperatura. Pero existe una gran diferencia en la energía potencial. Esta diferencia de energía, se llama calor latente de fusión. En materiales puros, en el punto de congelación el líquido libera energía para formar una frontera más estable, y siempre se necesita un subenfriamiento para formar núcleos estables. De todas maneras, la cantidad de subenfriamiento puede reducirse por la presencia de impurezas solidas que son factores que favorecen la cristalización.Así cuando la temperatura del metal líquido disminuye en forma suficiente por debajo de su punto de congelación, aparecen espontáneamente núcleos estables en diversos puntos del líquido. Estos núcleos que se han solidificado actúan como centros de nucleación posterior.De este modo la velocidad del proceso de cristalización depende de la velocidad de formación de los núcleos de cristalización, y de la velocidad de crecimiento de los cristales.

DENDRITAS.-El crecimiento de los cristales avanza en las 3 dimensiones del espacio con los átomos uniéndose entre ellos en direcciones preferenciales generalmente a lo largo de los ejes del cristal. Esto da lugar a la formación de una estructura característica con apariencia de árbol llamado dendrita y al proceso de crecimiento se llama dendrítico Como cada núcleo se forma de manera casual, las dendritas se desarrollan en direcciones diferentes de cada cristal. Por ultimo al disminuir la cantidad de líquido la separación entre las ramas de la dendrita se llenan obteniéndose una forma externa irregular. La estructura dendrítica es típica del metal fundido o lingote. Si las condiciones son favorables y el enfriamiento es lento, pueden crecer dendritas enormes. Por ejemplo en un lingote de 100 toneladas se observo una dendrita de 39 cm de longitud. Si el enfriamiento es instantáneo las dendritas son del orden de las 100 µ

GRANOS.- Los cristales solidificados en un metal reciben el nombre de granos, debido a la variación de su forma externa. El área a lo largo de la cual están unidos los cristales se conoce como frontera de grano. Como los últimos residuos del líquido solidifican generalmente a lo largo de las fronteras de grano, es ahí donde se tienen la mayor cantidad de impurezas atómicas.

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IMPERFECCIONES CRISTALINAS.-

DEFECTOS.- Los metales al solidificarse están constituidos por muchos cristales o granos. Sin embargo se ha observado que existen imperfecciones a nivel atómico denominados defectos. Se llama defecto a cualquier desviación de la disposición ordenada de los puntos reticulares.Si la desviación esta localizada en la proximidad de unos pocos átomos se llama defecto de punto. Si el defecto se extiende a zonas del cristal se denomina imperfección reticular, que pueden ser defectos de línea o defectos de superficie.

DEFECTOS DE PUNTO.-Vacancias.- Es un lugar vacio en la red cuando falta un átomo de un posición de la red. En los metales se crea generalmente por excitación térmica o aumento de la temperatura Átomo intersticial.- Es un átomo atrapado en el interior de un cristal en un punto intermedio entre posiciones normales de la red. Se producen por severa distorsión local que se presenta durante la deformación plástica.

self-interstitialdistortion

of planes

Vacancydistortion of planes

DEFECTOS DE LÍNEA.- DISLOCACIONESLas dislocaciones son zonas de perturbación reticular localizada, que separan las áreas deslizadas de un cristal de las que no han sufrido deslizamiento, o sea entre dos partes perfectas de un cristal. La dislocación es el defecto responsable del fenómeno de deslizamiento por medio del cual deforman plásticamente los metales. Las dislocaciones pueden ser:

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Dislocaciones de cuña (o borde) Dislocaciones helicoidales.

Una dislocación de borde consta de un medio plano de átomos extras en el cristal. Cuando el plano extra de átomos se halla sobre el plano de deslizamiento se llama dislocación de cuña positiva (+) Si se tiene el plano incompleto por debajo del plano deslizante, se denomina dislocación de cuña negativa ( - )

DISLOCACIÓN HELICOIDAL.- Se llama así debido a la superficie espiral formada por los planos atómicos alrededor de la línea de la dislocación helicoidal. De acuerdo con las experiencias ultimas, la cantidad de dislocaciones en 1 cm3 supera a 1000000 (un millón).Consecuencias.- Las propiedades mecánicas de los metales dependen de la cantidad de dislocaciones y de su facilidad para trasladarse y multiplicarse.En un cristal puro se puede calcular la resistencia teórica del metal para separar el enlace entre átomos vecinos. Esta fuerza es aproximadamente varios millones de lb/plg2

Pero la resistencia práctica de los metales, es 1000 veces menor ¿Por qué? Se atribuye a que esto es así porque existen los defectos en el material y el tipo de defecto que hace posible una explicación del bajo límite elástico de los cristales es la dislocación.

MACRO DEFECTOS EN PIEZAS COLADAS.- En el caso de lingotes o piezas coladasotros defectos de la solidificación son:

Cavidades de contracción Porosidad

Cavidades de contracción.- Los metales líquidos sufren una contracción en volumen de hasta 6% debido a la solidificación. La solidificación ideal seria aquella en que el metal se congele primero en el fondo del molde, y que la solidificación vaya avanzando hacia arriba hasta llegar a la parte superior. Sin embargo el calor se disipa primero en la parte superior del molde y por eso se produce una cavidad por contracción. Para evitar esto la pieza debe diseñarse con vertederos o alimentadores y mazarotas en la parte superior.

La porosidad.- Es un defecto que se presenta siempre que los gases queden atrapados en la fundición, por lo general las porosidades son mas abundantes y mas pequeñas que las cavidades.

Tamaño de grano.- El tamaño del grano de una pieza colada esta determinada por la relación existente entre la velocidad de crecimiento G y la velocidad de nucleación N. Es conveniente tener grano fino porque se consiguen mejores propiedades mecánicas del metal o del acero.

TG = G N

Si el número de núcleos N es alto, entonces se tiene un tamaño de grano finoSi el número de núcleos N es bajo, entonces se tiene un tamaño de grano gruesoSi el enfriamiento es rápido (colada fría), se forman muchos núcleos y entonces se tiene un tamaño de grano fino

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Si el enfriamiento es lento (colada en arena), se forman pocos núcleos y se tiene un tamaño de grano grueso

Otros factores que aumentan la rapidez de nucleación y forman grano fino, son las impurezas insolubles como Ti y Al.La agitación de la colada durante la solidificación, también forma grano fino. En general los metales de tamaño de grano fino tienen mejor resistencia al impacto y son más duros y fuertes que los metales de grano grueso.