OBTENCIN DEL HIERRO Y EL ACERO

OBTENCIN DEL HIERRO Y EL ACERO

1. EL ALTO HORNO Y SU OPERACIN

El alto horno es un elemento bsico y fundamental en siderurgia, se emplea para transformar el mineral de hierro en arrabio o hierro bruto de primera fusin que constituye la principal materia prima para la fabricacin del acero. Una pequea parte del arrabio se solidifica en barras o lingotes y se refunde para fabricar piezas fundidas y el restante, mantenido en estado lquido, se destina a la fabricacin de acero.

Las materias primas necesarias para el alto horno son: los minerales de fierro, los combustibles (coque), los fundentes (piedra caliza) y el aire.

a. xidos de hierro: La magnetita (rica en Fe3O4) en estado puro es el ms rico de todos los minerales de hierro. La hematita (rica en Fe2O3), es otro importante mineral utilizado. Los xidos frricos hidratados, tienen una composicin Fe2O3 n.H2O, son fciles de reducir, pero su ganga contiene combinaciones fosfatadas o sulfuradas. Los minerales de hierro ms importantes son los xidos: se emplean tambin los carbonatos y algunos sulfuros.

b. Piedra caliza, compuesta de carbonatos isomorfos (CaCO3) y carbonatos de hierro formados por carbonato ferroso (FeCO3).c. A estos minerales, pueden aadirse: los xidos frricos resultado de la tostacin de piritas (S2 Fe), virutas, residuos de fabricacin, exceso de lingotes, chatarra, escorias del horno Siemens-Martn, minerales de magnesio en estado de fusin, para facilitar la obtencin de la fundicin blanca y productos de la sinterizacin y pelatizacin de los minerales de hierro.d. El combustible en el alto horno debe presentar una buena resistencia a la compresin, a fin de poder descender en la cuba sin desmoronarse y una gran porosidad, condicin necesaria para la regularidad de su combustin. Por eso se utiliza el coque metalrgico obtenido por pirlisis (destilacin en vaco) de la hulla.

e. El aire insuflado a presin dentro del alto horno, se precalienta a una temperatura previa de unos 1000 C. Se consume alrededor de 5 toneladas de viento para obtener una tonelada de hierro bruto reducido.

Los minerales se separan en el alto horno de sus gangas y mediante reduccin con carbono se liberan de su oxigeno y se convierten en hierro bruto (arrabio).

Para la obtencin del arrabio, se introduce en el alto horno una mezcla (lecho de fusin) del mineral de hierro (xidos de hierro), de combustible (coque, que acta a la vez de reductor) y de fundente. Se insufla una corriente de aire caliente (viento), originando con el coque, xido de carbono que reduce al mineral. Por combinacin con el fundente, la ganga pasa al estado de escoria, fusible hacia los 1300C; a esta temperatura el hierro se combina con el carbono y se forma arrabio, aleacin compleja, con un contenido mximo de 95% de hierro; el arrabio y la escoria es estado lquido, se separan por orden de densidades.

El alto horno est constituido por dos cuerpos de forma troncocnica invertidos y una obra de albailera sujeta dentro de una coraza de acero. Sus partes principales son el soporte u obra, el etalaje, el vientre, la cuba y el tragante (figura 1). Tiene una altura de 30 a 80 m.y su dimetro mximo es de 10 a 14 m. La obra de albailera est atravesada por canales de refrigeracin por agua, y es soportada por un armazn de acero. Por la parte superior est la plataforma de carga y el cierre campaniforme del tragante. Alrededor de la parte ms ancha del alto horno va dispuesta la conduccin anular de viento de la cual salen las toberas hacia su interior.

El alto horno se carga alternativamente con una mezcla de minerales y fundentes, as como con coque. Un montacargas inclinado lleva esos materiales al tragante. A cada alto horno le estn adscritos uno o ms pares de calentadores del viento o estufas que funcionan alternativamente, ya sea para calentamiento de la obra de albailera mediante el calor y la combustin del gas de alto horno (colocado a gas), o para calentamiento del viento para el alto horno (colocado a viento).

Las adiciones de fundentes (principalmente calizas) fluidizan los componentes trreos, difcilmente fusibles, de los minerales y de las cenizas del combustible, convirtindolos en escoria. Frecuentemente se carga el alto horno con fundentes (piedra caliza rica en carbonato de calcio). Al insuflar el aire caliente por las toberas se quema el coque. El gas caliente producido sube a travs de la carga del horno hacia el tragante. En las capas superiores se retira la humedad a la carga slida, el anhdrido carbnico y en parte tambin el azufre. Los xidos de hierro que quedan bajan muy calientes reducindose por accin del gas ascendente, que contiene mucho monxido de carbono (CO) que se constituye en el agente reductor, y del coque incandescente; es decir que le es retirado el oxgeno. El hueco que queda libre absorbe ahora carbono, se fluidifica, baja y se deposita en la obra. La escoria fundida flota sobre el hierro por su menor densidad.

Las escorias al mismo tiempo absorben una parte importante del azufre del mineral y del coque. La escoria fluye de modo continuo por la piquera de escoria correspondiente. El arrabio acumulado en la obra, se sangra cada 3 a 4 horas por la piquera para sangra. El arrabio se cuela formando lingotes que sirven como materia prima en las instalaciones de fundicin, o se hace llegar a calderas refractarias sobre ruedas en los cuales es transportado en estado lquido para produccin de aceros.

Una de las finalidades de la escoria de horno alto es captar por fusin la ganga del mineral. Puesto que el material de Fe tiene abundante ganga cida (SiO2, etc.), las escorias deben ser bsicas. Sin embargo si se emplea demasiada basicidad para neutralizar la ganga cida - adicionando un exceso de cal - se obtendran escorias que solidificaran, a temperatura excesivamente alta. La escoria fundida conviene que tenga una temperatura de solidificacin baja de otro modo, entre otros inconvenientes derivados de la falta de fluidez, se produciran atascos al colar la aleacin.

Las composiciones de la escoria a obtener en horno alto varan entre amplios lmites; una composicin representativa es 35% SiO2, 40% CaO, 10% MgO, 10%Al2O3, 4% SCa, 1% FeO. Una vez determinada la composicin de la ganga del mineral (arcilla, slice, caliza, magnesita, etc.) y fijada la temperatura para fusin de la escoria (o lo que es lo mismo, fijada su composicin final) pueden determinarse por un sencillo clculo, las cantidades de fundente (generalmente caliza y algo de dolomIta) a adicionar para poder formar esa escoria.

Las escorias de horno alto en forma granulada obtenida por enfriamiento con agua, se emplean como materia prima -parte de la carga de los hornos- para obtencin de cemento. Las escorias, enfriadas al aire y trituradas, se emplean tambin en los firmes de autopista en sustitucin (con ventaja) de la piedra caliza.

Fig.1 Instalacin de alto horno y sus equipamientos auxiliares2. TRATAMIENTO DEL ARRABIO PARA CONVERTIRLO EN ACERO

El arrabio tiene un elevado contenido de xido de carbono (4 a 5%). Por el contrario el contenido de carbono del acero comn se halla por debajo del 1,5%. Adems, el arrabio contiene impurezas no deseables o excesivas del silicio, manganeso, azufre y fsforo. Con la transformacin del arrabio en acero baja fuertemente el contenido de carbono; los componentes secundarios no deseables son casi totalmente eliminados. Esta transformacin del arrabio en acero se llama afino. Existen varios procedimientos de afino.

2.1 Procedimientos Bessemer y Thomas

En ambos procedimientos (figura 2, izquierda), se reduce el contenido de carbono del arrabio, mediante combustin. Con esto se convierte el arrabio en acero. Para la combustin del carbono se hace pasar a travs del contenido lquido del convertidor Bessemer o del convertidor Thomas, aire o aire y oxgeno (refino con viento). El convertidor Thomas tiene un recubrimiento de carcter bsico constituido por ladrillos de dolomita rica en cal y se presta con ello para trabajar en el arrabio rico en fsforo. El convertidor Bessemer con su recubrimiento cido de cuarzo o de espatoflor no se presta para ese tipo de arrabio.

El convertidor Thomas es basculante. El convertidor se pone en posicin de lleno y se convierte en l el arrabio fundido, con adicin de cal. Entonces se le sopla aire o aire con oxgeno procedente de la caja de viento y se endereza el convertidor. El aire (oxgeno) que atraviesa la masa lquida quema el carbono y las gangas de silicio y manganeso. Aqu hay que tener en cuenta que es prcticamente imposible detener la combustin al llegar al contenido de carbono deseado en los aceros que se producen. La cal y se combina con el fsforo contenido en el arrabio y forma escorias.

El proceso de combustin que dura de 15 a 20 minutos hace subir la temperatura hasta unos 1600 C, a la cual permanece fluido incluso el acero fuertemente descarburado. El convertidor se vuelve a girar a su posicin de llene, se quita el viento y se aade el carbono necesario para el acero en forja de hierro especular, un arrabio blanco. Mediante una buena mezcla con cal se elimina casi totalmente el fsforo.

En la posicin de vaciado se elimina la escoria que flota sobre el acero y se vierte el producto fundido en la vagoneta preparada para ello. El siguiente trabajo del acero se realiza en la acera colndola para formar lingotes y laminndolo despus para conseguir formas comerciales.

2.2 Procedimiento de insuflacin de oxgeno.- Procedimiento LD

Para la obtencin del acero han sido desarrollados una serie de nuevos procedimientos de afino en los cuales en vez del aire se emplea oxgeno puro. Por esta razn se llama a estos procedimientos de oxigenacin. En estos procedimientos no se insufla el oxgeno desde abaja atravesando el bao fundido, sino que se insufla desde arriba a travs del bao. El ms conocido es el procedimiento llamado LD (Lins Donawitz), representado en la figura 2 (derecha).

El convertidor usado en el Procedimiento LD tiene el fondo cerrado; se le suele llamar crisol LD. Este crisol se alimenta con chatarra, arrabio en estado lquido y cargas para la formar escoria.

Despus se lanza el chorro de oxigeno verticalmente sobre el hierro fundido a travs de una lanza de oxgeno a presin. La masa fundida se descarbura con ello; adems se queman cuerpos perjudiciales que lo acompaan. Para el afino de los aceros LD no se emplea aire, por lo cual los aceros obtenidos son de alta calidad.

Adems del procedimiento LD se han desarrollado otros procedimientos parecidos de insuflacin en los que se insufla por lanza, adems de oxgeno, tambin polvo de cal a travs del bao. Los procedimientos de insuflacin han desplazado ya ampliamente a los de solera soplante porque trabajan ms econmicamente y suministran aceros de mejor calidad.

Fig.2 Secuencia operativa del convertidor Bessemer-Thomas (izquierda) y del convertidor L.D. (derecha)

El revestimiento refractario de los convertidores en las zonas de contacto con la escoria lquida deber ser necesariamente bsico ya que, para eliminar P, contienen escorias bsicas en el interior del fundido en agitacin.

En la elaboracin del acero, adems de la fusibilidad de la escoria, interesan tambin otras caractersticas de sta; concretamente su aptitud defosforante y desulfurante.

En la actualidad en los aceros obtenidos en horno elctrico hay siempre dos etapas en la elaboracin del acero y dos escorias, bsicas (una oxidante y otra reductora), acompaando a cada etapa.

La primera es una etapa oxidante cuya finalidad es oxidar los elementos menos nobles que el Fe y en particular el P. Pero para poder eliminar los xidos de Fsforo se precisa una escoria rica en CaO, bsica, que retenga el Fsforo en forma de fosfato (P2O5.3CaO y P2O5.4CaO). Una vez efectuado el primer desescoriado (la escoria es oscura y densa) el bao lquido queda muy oxidado y con bajos porcentajes de C, Mn, Si, P. Por ello, antes de la segunda etapa se efecta, a veces, una carburacin del bao, cuando se desean fabricar aceros de alto contenido en C, mediante la adicin de carbono o sumergiendo los electrodos en el bao.

La segunda etapa es reductora para eliminar el S en forma de SCa (por la accin reductora de C2Ca y Si2Ca, CaO) por lo que se precisa una escoria tambin bsica.

Cuanto ms bsica es la escoria, ms completa es la eliminacin del S. El revestimiento refractario de las zonas del horno en contacto con la escoria debe ser bsico. Hornos con revestimiento cido exigiran escorias cidas para evitar el ataque qumico del revestimiento y, en consecuencia, sera imposible la eliminacin del P y del S.

Las temperaturas de colada de los aceros varan entre 1575C y 1650C. Las temperaturas de solidificacin de las escorias deben ser, por tanto, unos 25 superiores a aquellas, es decir, entre 1600C y 1675C.

2.3 Procedimiento Siemens-Martin

El proceso de Siemens-Martin fue por ms de 100 aos una de las tecnologas ms importantes para la fabricacin de acero (figura 3). Su caracterstica principal es el uso de una gran cantidad de chatarra. Es uno de los hornos ms populares en los procesos de produccin del acero. Puede contener entre 10 y 540 toneladas de metal en su interior. Tiene un fondo poco profundo y la flama cae directamente sobre la carga, por lo que es considerado como un horno de reverbero. Su combustible puede ser gas, o petrleo y por lo regular estos hornos tienen chimeneas laterales las que adems de expulsar los gases sirven para calentar al aire y al combustible, por lo que son hornos regenerativos.

Los recubrimientos de estos hornos de hogar abierto por lo regular son de lnea bsica sin embargo existen tambin los de lnea cida (ladrillos con slice y paredes de arcilla). Las ventajas de una lnea bsica de refractario, sobre una cida son que con la primera se pueden controlar o eliminar el fsforo, el azufre, el silicio, el magnesio y el carbono y con la lnea cida slo se puede controlar al carbono. El costo de la lnea bsica es mayor que el de la cida.

La carga es con arrabio en su totalidad o con la combinacin de arrabio y chatarra de acero. El arrabio puede estar fundido o en estado slido.

En el sistema de calefaccin se aporta al combustible (gas de horno de coque, gas natural, aceite) aire precalentado. El precalentamiento del aire se verifica, en uno de los acumuladores de calor, hecho de ladrillos refractarios, instalados debajo del hogar.

Las llamas a temperaturas de 1800 a 2000C lamen el material fundido y producen la transformacin del arrabio en acero. Los gases de escape del hogar son guiados a travs de uno de los acumuladores de calor y calientan su obra de albailera. Mediante alternativa inversin del aire a presin para la combustin se consigue que en todo momento uno de los acumuladores est calentndose, mientras el otro est cediendo su calor al aire de combustin. A este aire se le aade adems frecuentemente oxgeno para aumentar la temperatura. Otra posibilidad consiste en soplar directamente en el bao el oxgeno. Con esto se hace posible la aleacin con metales de alto punto de fusin; por otro lado pueden conseguirse en breve tiempo aceros con muy bajo contenido de carbono. Todas estas previsiones elevan la calidad del acero y la economa del procedimiento.

Ventajas del proceso

Chatarra de hierro y arrabio se pueden convertir directamente al acero.

No se pierde hierro en forma de escoria, ya que el aire no es directamente pasa a travs del metal fundido.

El sistema de regeneracin garantiza el ahorro de combustible.

El acero obtenido es el de mejor calidad.

Se puede ensayar la calidad de acero producido, pudindose modificar su composicin, y tambin de poder utilizar los desperdicios y las virutas de maquinas herramienta.

Elimina el fsforo, produciendo composiciones de acero exactas y utiliza chatarra, lo cual es cada vez ms til dada la importancia que ha alcanzado el reciclaje.

Desventajas del proceso

El tiempo empleado para obtener el acero que es muy largo en comparacin con otros procesos.

No puede competir en nivel de produccin con otros hornos como el de arco elctrico moderno.

Genera mayor contaminacin que otros hornos.

Falta de actualizacin en su ingeniera.

Requiere un uso relativamente intensivo de mano de obra por lo que su proporcin de uso en la fabricacin de acero es pequea frente a los hornos de arco elctrico.

Fig.3 Operacin del Horno Siemens-Martin2.4 Procedimiento elctrico

El horno elctrico se usa principalmente para la manufactura de aceros especiales de herramienta y aceros de alta aleacin. A pesar del alto costo del alto costo de la fuente de energa, la disponibilidad de chatarra de tamao medio, que es relativamente barata, hace posible este proceso, ya que sus condiciones favorecen la remocin de fsforo y azufre.

El horno empleado es el de arco directo, que emplea electrodos de grafito que forman el arco directamente con la carga metlica (figura 4). El revestimiento puede ser cido o bsico, siendo este ltimo el ms usado, en particular cuando hay que refinar chatarras que se tratan mejor en estado lquido o con escorias bsicas.

En el proceso bsico, la carga se funde bajo una escoria bsica oxidante consistente en cal. El silicio, el manganeso y el fsforo presentes se absorben en la escoria y, cuando se completa el proceso, se retira la escoria completamente, de manera que la nica impureza presente al final del proceso, en cantidades importantes, es el azufre. Se forma otra escoria sobre la superficie del bao metlico, pero esta vez es una escoria bsica reductora, compuesta de cal y antracita.

La principal funcin de la escoria bsica reductora, es la remocin completa del azufre, segn:

FeS + C + CaO ( Fe + CO + CaS

En el horno de arco elctrico se refina el acero. El procedimiento hace posible la fusin de aceros especialmente puros con muy pequeo contenido de fsforo y de azufre ya que en este procedimiento no existen gases combustibles que puedan dar origen a impurezas. Estos aceros se denominan por su pureza, aceros finos y por su procedimiento de obtencin aceros al horno elctrico. Pueden no tener aleacin pero por lo general la tienen en grado menor o mayor. La electricidad como fuente de calor resulta muy cara. Por esta razn no se emplea generalmente para el ltimo refino del acero proveniente de un convertidor o de un horno Siemens-Martin o tambin para fundir juntos varios metales para constituir aleaciones.

Fig.4 Horno de arco elctrico