ALTO HORNO

El alto horno es un elemento básico y fundamental en siderurgia, se emplea para transformar el mineral de hierro en arrabio o hierro de primera fusión que constituye la principal materia prima para la fabricación del acero. Una pequeña parte del arrabio se utiliza para fabricar piezas por segunda fusión en el cubilote o en el horno eléctrico. Al principio se utilizó carbón vegetal y al aumentar el consumo de este se produjo un agotamiento en la riqueza forestal, y la hulla que si es abundante en la naturaleza no se podía utilizar debido a que por su gran altura estaba sometida a grandes presiones que la desmoronaban, obstruyendo el paso de los gases, el otro inconveniente de la hulla es el elevado contenido de azufre pues su eliminación es difícil y su presencia es perjudicial tanto para los aceros como en la fundición de hierro.

La producción de acero ordinario se basa en la obtención del arrabio por reducción y fusión del mineral y por afino del arrabio. Para la obtención del arrabio, se introduce en el alto horno una mezcla (lecho de fusión) del mineral de hierro (óxidos de hierro), de combustible

(coque, que actúa a la vez de reductor) y de fundente. Se insufla una corriente de aire caliente (viento), originando con el coque, óxido de carbono que reduce al mineral. Por combinación con el fundente, la ganga pasa al estado de escoria, fusible hacia los 1300°C; a esta temperatura el hierro se combina con el carbono y se forma arrabio, aleación compleja, con un contenido máximo de 95% de hierro; el arrabio y la escoria es estado líquido, se separan por orden de densidades.

El acero se obtiene por afino del arrabio, en cuya operación se rebaja la proporción de carbono de 3.5% a menos de 1%. Esta concentración consiste esencialmente en un conjunto de oxidaciones parciales producidas por: acción de una corriente de aire que atraviesa la masa de arrabio líquido (afino por aire), en los convertidores, acción de un óxido de hierro (mineral o chatarra) en un horno de solera (afino por solera), o en el horno eléctrico(afino eléctrico) Carga en el alto horno: Las materias primas necesarias para la siderurgia son: los minerales (y chatarra), los combustibles, los fundentes y el aire.

Los minerales de hierro más importantes son los óxidos: se emplean también los carbonatos y algunos sulfuros.

1. Óxidos de hierro: El óxido magnético (Fe3O4) en estado puro es el más rico de todos los minerales de hierro. La ganga, generalmente siliciosa, está exenta de fósforo. Entre los óxidos férricos anhídridos (Fe2 O3), los más importante son el hierro oligisto (cristalizado) y la hematites roja amorfa. Los óxidos férricos hidratados, tienen una composición Fe2O3nH2O, son fáciles de reducir, pero su ganga contiene combinaciones fosfatadas o sulfuradas.

2. Carbonatos de hierro: formados por carbonato ferroso (CO3Fe), asociado a una ganga compuesta de carbonatos isomorfos (CO3Ca).

3. A estos minerales, pueden añadirse: los óxidos férricos resultado de la tostación de piritas (S2Fe), virutas, residuos de fabricación, exceso de lingotes, chatarra, escorias del horno

Martín, minerales de magnesio en estado de fusión, para facilitar la obtención de la fundición blanca y productos de la sinterización y peletización de los minerales de Fe.

4. El combustible en el alto horno debe presentar una buena resistencia a la compresión , a fin de poder descender en la cuba sin desmoronarse y una gran porosidad, condición necesaria para la regularidad de su combustión. La hulla en general no cumple con estas condiciones, en utiliza el coque metalúrgico obtenido por pirogenación (destilación en vacío) de la hulla grasa de llama corta. Características del coque metalúrgico: la resistencia a la compresión de 170 kg/cm2 ha permitido elevar la altura de los hornos a 60 m. el poder calorífico de 7500 Kcal/Kg, la mayor parte es carbono, 15% de cenizas, 1% de azufre. Al utilizar carbón de madera limita a unos 1 2m la altura de los hornos, restringiendo la capacidad de producción. La ganga del mineral, generalmente silícea o calcárea es infusible. Para transformarla en escoria fusible hacia 1300°C, es preciso combinar esta ganga con una sustancia, de manera que pueda formarse un

silicato de fácil fusión. El viento o aire insuflado a presión dentro del alto horno (60cm) de columna de mercurio de sobrepresión, se calienta a una temperatura previa de 1000 °C y contiene humedad de 15 g de agua por m3. Se consume alrededor de 5 toneladas de viento para obtener una tonelada de arrabio.

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¿Cómo funciona un alto horno?

<p><strong>Adsense Pub</strong></p><p>Adsense Pub Eng</p>El alto horno está formado por una serie de compartimientos que forman una cavidad cilíndrica, de unos 30 metros de altura. Habitualmente se construye con ladrillos refractarios y se reviste con chapas de acero. Sirve para refinar distintos materiales y, en particular, para producir arrabio, base del acero, a partir de mineral del hierro. El arrabio se obtiene haciendo pasar una corriente de aire por una mezcla de combustible sólido y mineral, con el fin de quemar las impurezas que presenta éste o de transformarlas en escoria insoluble, que flota en el metal fundido y que puede ser separada por medio de procedimientos muy sencillos. El producto fundido se acumula en el crisol, o cámara de fusión, de forma cilíndrica y situado en la base. Por encima, el alto horno se divide en dos compartimientos cónicos denominados atalaje y cuba. Cerca del horno hay toberas que calientan el aire a más de 500 ºC. Éste entra en los compartimientos a través de esas toberas.

¿Quién inventó el alto horno?No se conoce con exactitud la época de aparición de los primeros métodos para fundir el mineral de hierro y fabricar objetos utilitarios. Pero el primer alto horno moderno fue construido en 1855 por el

ingeniero inglés Henry Bessemer.

¿Se interrumpe el trabajo del alto horno?

No. El alto horno es cargado en forma constante con el mineral de hierro que se procesa. Paralelamente, van saliendo del horno, sin interrupción, el arrabio y la escoria que produce.

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Partes de un alto horno : Tecnologia IndustrialPublicado el 24 de enero de 2009 por Antonio Pulido

Para los alumnos de Tecnología industrial de Bachillerato, os presento esta animación que muestra un alto horno. Como recordarás de clase, un alto horno es una instalación industrial que transforma el mineral de hierro en un metal rico en hierro llamado arrabio, a partir del cual se puede obtener acero posteriormente.Las partes del alto horno son:

La cuba: Tiene forma troncocónica y constituye la parte superior del alto horno; por la zona más estrecha y alta de la cuba (llamada tragante) se introduce la carga. La carga la componen…

1. El mineral de hierro: magnetita, limonita, siderita o hematite).2. Combustible: que generalmente es carbón de coque. Recuerda que este carbón se

obtiene por destilación del carbón de hulla y tiene alto poder calorífico. El carbón de coque, además de actúar como combustible provoca la reducción del mineral de hierro, es decir, provoca que el metal hierro se separe del oxígeno.

3. Fundente: Puede ser piedra caliza o arcilla. El fundente se combina químicamente con la ganga para formar escoria, que queda flotando sobre el hierro líquido, por lo que se puede separar. Además ayuda a disminuir el punto de fusión de la mezcla.El mineral de hierro, el carbón de coque y los materiales fundentes se mezclan y se tratan previamente, antes de introducirlos en el alto horno.

El resultado es un material poroso llamado sínter. Se introduce el sínter por la parte más

alta de la cuba. La mezcla arde con la ayuda de una inyección de aire caliente (oxígeno), de

forma que, a medida que baja, su temperatura aumenta hasta que llega al etalaje.

Etalaje: Está separada de la cuba por la zona más ancha de esta última parte, llamada

vientre. El volumen del etalaje es mucho menor que el de la cuba. La temperatura de la

carga es muy alta y es aquí donde el mineral de hierro comienza a transformarse en hierro.

La parte final del etalaje es más estrecha.

El crisol: Bajo el etalaje se encuentra el crisol, donde se va depositando el metal

líquido.Por un agujero, llamado bigotera o piquera de escoria se extrae la escoria, que se

aprovecha para hacer cementos y fertilizantes.Por un orificio practicado en la parte baja del

mismo, denominada piquera de arrabio sale el hierro líquido, llamado arrabio, el cual se

conduce hasta unos depósitos llamados cucharas.

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ALTO HORNO

Este término se utiliza para designar a una instalación destinada a la producción de de grandes

cantidades de Hierro (arrabio) en el orden de 20 millones de toneladas por año, la misma que

esta constituida fundamentalmente por un elemento tubular predominante de una altura

aproximada de 30 m, que es el hormo propiamente dicho, se identifican además estufas de aire

caliente, un sistema de tratamiento de gases de escape, el sistema de carga y descarga.

Horno.

Consiste en una capsula metálica formada por dos estructuras tronco cónicas unidas por el

vértice mayor a una altura de aproximadamente de 8 m del suelo, la cual esta protegida por un

revestimiento refractario para protegerla del calor, en el cono inferior se identifican ingresos de

aire caliente, designados con el nombre genérico de boquillas o toberas, hacia la parte inferior

de aquellas, se puede evidenciar dos aberturas importantes, la primera es para retirar la escoria

denominada escoriadero, la segunda esta cerca del fondo y sirve para la evacuación del

Producto generado.

Como resulta evidente, los gases de escape deben ser debidamente evacuados para lo cual se

disponen respiradores en la parte superior del horno, por la que también se hace la carga del

Hierro, el coque y la caliza (materia prima).

Estufas

Estas instalaciones están equipadas por estufas de aire caliente, las cuales incrementan la

temperatura de este elemento hasta aproximadamente 800 C, previa su inyección al horno, el

proceso de calentamiento, se realiza usualmente mediante intercambiadores de calor, los cuales

obtiene su energía mediante dos posibles maneras: resistencias eléctricas (poco usual por su

elevado consumo) o con la ayuda de los gases que salen del horno los cuales calientan

caloportadores, generalmente aceite térmico, quienes a su vez trasmiten esta energía hacia las

estufas, usualmente el aire es tratado con un proceso de filtrado previo, es usual también,

identificar dispositivos de control para la detección de elementos inflamables dentro de estas

estufas.

Gases de escape.

Los gases que se desprenden, son bastante agresivos con el medio ambiente debido a su

temperatura, a los sólidos en suspensión , y los humos (H2S, CO, etc.) por lo cual se hace

imperativo su tratamiento, el cual se realiza enfriando estos elemento con intercambiadores de

calor, recuperando, como ya se dijo, el calor para incrementar la temperatura del aire que

ingresa al horno y mediante el uso de elementos que precipitan los sólidos, con tabiques o

ciclones, actualmente se están desarrollando también catalizadores para la neutralización de los

humos.

Sistema de carga.

Se realizan con la ayuda de vagones que ascienden a la boca del horno con la mezcla adecuada

de coque, Hierro y caliza, desde un depósito donde se realiza la dosificación, mezclado, y

aditivado de la materia prima

Sistema de descarga.

Se identifican para este efecto dos productos la escoria y el arrabio los dos son retirados por la

base del horno mediante vagones ubicados de manera contrapuesta esta disposición obedece a

necesidades de manipulación, la escoria se puede someter a un proceso de recuperación

segundaria (no usual), o utilizarla para otros productos como puede ser la elaboración de

elementos abrasivos especialmente para sand blasting.

El arrabio producido es conducido al proceso de colado en moldes, lingoteras o la reducción y

afino en hornos eléctricos de electrodos

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Procesos químicos industriales

Algunos metales, tales como el oro, la plata y a veces el cobre, se encuentran en la naturaleza como elementos libres; sin embargo, la mayoría de los metales se encuentran como óxidos o bien como sales.

La metalurgia es la ciencia y la tecnología de la extracción de metales de sus fuentes naturales y de su preparación para usos prácticos. En general contempla los siguientes pasos:

Explotación de yacimientos. Concentración de la mena. Reducción de la mena para obtener el metal libre. Refinación o purificación del metal. Mezclado del metal con otros elementos a fin de modificar sus propiedades,

caso donde se obtiene una aleación.

Minerales

La corteza terrestre en su mayoría está formada por trozos de rocas de muchos tipos. Las rocas están compuestas por minerales y estos, a su vez, por elementos químicos que se encuentran combinados formando diferentes ejemplares de compuestos. Si analizáramos la composición de la corteza terrestre, veríamos que los elementos más abundantes son el oxígeno y el silicio, a los que les siguen el aluminio y el hierro.

Propiedades físicas de los minerales

La fractura, dureza y la exfoliación son algunas propiedades físicas que se pueden apreciar en cualquier mineral.

Fractura: Es la forma en que se parte un mineral, según una dirección preferencial.

Ejemplo, Algunos minerales se parten dejando una superficie curva, la fractura de otros deja fibras o astillas y hay otros que se parten en superficies irregulares.

Dureza: Es la resistencia que ofrece una superficie lisa del mineral a ser rayada. Existe una escala de dureza denominada escala de Mohs, formada por diez minerales, ubicados por orden creciente de dureza, desde 1 hasta 10. Estos minerales están dispuestos en la escala de tal

forma que cada uno puede rayar solo al anterior y ser rayado por el posterior. Así, el mineral más duro es el diamante y el más blando el talco.

Exfoliación: Es la tendencia que tienen algunos minerales a partirse a lo largo de una o más direcciones cuando son golpeados o comprimidos. El mármol se rompe en muchos fragmentos.

Propiedades químicas de los Minerales

Los minerales pueden identificarse también por sus propiedades químicas, es decir, identificando su composición química. Las experiencias para saber las propiedades químicas de un mineral son en general:

• Probar si el mineral reacciona con ácido clorhídrico.• Prestar atención si, al calentar el mineral, éste pierde agua.• Examinar si el mineral se funde al calentarlo y desprende gases. • Ver si el mineral es soluble en agua. • Someter el mineral a la acción de la llama y ver si emite luz de algún color.

El valor de los minerales

La geología económica se dedica al estudio de las relaciones entre los minerales de un yacimiento y su aprovechamiento económico.

Es importante distinguir en un yacimiento la mena, que corresponde al material de un depósito mineral suficientemente concentrado para permitir la recuperación económica del metal deseado, y la ganga, que consiste en las impurezas como arena y barro con las que está mezclada la mena.

Una vez extraída la mena del yacimiento, se tritura, se muele y posteriormente se trata para concentrar el mineral y separarlo de la ganga. Posteriormente, de la mena se extrae el metal por un proceso de reducción, que puede ser la pirometalurgia, cuando se usan altas temperaturas o la hidrometalurgia, cuando se utiliza agua en el proceso.

Industria metálica

Pirometalurgia del hierro

La hematita, Fe2O3, y la magnetita, Fe3O4, son dos minerales donde el hierro se encuentra como óxido y es mediante el proceso de la pirometalurgia que se puede obtener este elemento.

La reducción del hierro ocurre en un “alto horno”, que consiste en un reactor químico capaz de trabajar de manera continua.

El alto horno se carga por la parte superior con una mezcla de mena de hierro, coque y piedra caliza. El coque sirve como combustible, es decir, entrega la energía necesaria para producir las altas temperaturas y además aporta los gases reductores CO y H2.

La piedra caliza, CaCO3, sirve como fuente de CaO, que reacciona con los silicatos y otras sustancias para formar la escoria. Otra materia prima importante es el aire, ya que se requiere para la combustión del coque.

Nótese la diferencia de temperatura en las diferentes partes del alto horno.

El proceso químico que ocurre es el siguiente:

1. En el horno el oxígeno reacciona con el coque y se forma monóxido de carbono, liberándose energía calórica.

C(s) + O2(g) 2 CO(g)

2. El vapor de agua reacciona con el carbono, produciendo monóxido de carbono e hidrógeno. Esta reacción es endergónica y además sirve para regular la temperatura en el alto horno.

H2O(g) + C(s) CO(g) + H2(g)

3. Estos dos gases (CO y H2) son los encargados de reducir los óxidos de hierro (Fe3O4) a hierro metálico.

Fe3O4(s)+ 4 CO(g) 3 Fe(s)+ 4 CO2(g)

Fe3O4(s)+ 4 H2(g) 3 Fe(s) + 4 H2O(g)

El hierro fundido se acumula en la base del alto horno y sobre él queda una capa de escoria que impide que el hierro reaccione con el oxígeno que entra.

La mayor parte del hierro que se obtiene se ocupa en la preparación del acero.

4. La piedra caliza por efecto de la temperatura se descompone en óxido de calcio y anhídrido carbónico, tal como lo expresa la ecuación:

CaCO3 CaO + CO2

El óxido de calcio reacciona con el óxido de silicio, que generalmente se encuentra presente en los minerales de hierro, y se forman silicatos de calcio:

SiO2 + CaO CaSiO3

El silicato de calcio es fundido debido a las altas temperaturas del horno y, dado que es menos denso que el hierro, flota sobre él. Otros óxidos no metálicos se mezclan con el silicato de calcio y forman la escoria, la que puede ser removida fácilmente.

Hidrometalurgia del cobre

La hidrometalurgia consiste en procesos en solución acuosa mediante los cuales se extrae el metal de una mena.

El proceso hidrometalúrgico más importante es la lixiviación, en el cual el mineral que contiene el metal que se desea extraer se disuelve de un modo selectivo. Si el compuesto es soluble en agua, entonces el agua resulta ser un buen agente para la lixiviación, pero en general, para la lixiviación se ocupa una solución acuosa de un ácido, una base, o una sal.

Cabe destacar que en los minerales de cobre oxidados se aplica la lixiviación y en los minerales de cobre sulfurados la flotación para la obtención de cobre metálico.

En la obtención de cobre de la calcopirita (CuFeS2), (mineral de cobre sulfurado) este mineral se trata con una solución acuosa de cloruro cúprico ( CuCl2). En la reacción todo el cobre precipita como cloruro

cuproso (CuCl), el cual se separa fácilmente del azufre y del hierro que queda como cloruro ferroso, tal como lo señala la reacción:

CuFeS2(s)+ 3 CuCl2(ac) 4 CuCl(s)+ FeCl2(ac)+ 2 S(s)

Al cloruro cuproso (CuCl) se le agrega una solución acuosa de cloruro de sodio, lo que provoca la disolución del precipitado y la formación del complejo ión dicloro cobre (I), CuCl2

1- , que queda en solución acuosa.

CuCl(s) + Cl1-(ac) CuCl21-

(ac)

Los compuestos de cobre(I) son inestables. El Cu1+ dismuta a cobre metálico y a Cu2+ en forma de CuCl2, sustancia que se ocupa nuevamente para el tratamiento del mineral.

2 CuCl21-(ac) Cu(s) + CuCl2(ac) + 2 Cl- (ac)

Electrorrefinación del cobre

El cobre se purifica por electrólisis, proceso que consiste en lo siguiente:

Grandes planchas de cobre sirven de ánodos de la celda, mientras los cátodos son láminas delgadas de cobre. Ambos electrodos se encuentran en una solución acuosa de sulfato cúprico. Al aplicar una diferencia de potencial apropiada, provoca la oxidación del cobre metálico a Cu 2+

en el ánodo y la reducción del Cu2+ a Cu metálico en el cátodo.

El proceso ocurre gracias a que es más fácil que ocurra la reducción del Cu2+ que la del agua.

Industria no metálica

El yodo

El yodo (I) es un elemento no metálico que se presenta en estado sólido cristalino y es de color negro grisáceo brillante. El yodo y sus compuestos tienen gran aplicación en medicina, es fundamental para el buen funcionamiento de la tiroides, por lo cual debe estar presente en la dieta. Otros usos de los compuestos del yodo son la fabricación de colorantes y la elaboración de reveladores para las películas fotográficas.

Preparación del Yodo

En Chile, el yodo se extrae principalmente como subproducto de la purificación del salitre, en el que se encuentra en forma de Yodato de sodio (Na I O3). Cuando el salitre se purifica por cristalización, el filtrado contiene yodato de sodio, que se mezcla y calienta con bisulfato de sodio (Na HSO4). En este proceso precipita el yodo en forma sólida, que luego se lava, prensa, seca y purifica por sublimación, en unas torres diseñadas para ese fin.

Proceso de obtención de ácido sulfúrico

El ácido sulfúrico (H2 SO4) es un compuesto químico que se emplea en la elaboración de fertilizantes, en la metalurgia del cobre y en la fabricación de pigmentos, entre otras múltiples aplicaciones.

El proceso de producción del H2SO4 más utilizado en la actualidad es el método de contacto.

Consiste, primero, en obtener el dióxido de azufre (SO2) en un quemador a partir de los minerales que contienen azufre, según la ecuación

S (S) + O2 (g) → SO2 (g)

Luego, el dióxido de azufre se convierte en trióxido de azufre en presencia de un catalizador; el pentóxido de vanadio (V2O5), según:

2SO 2 (g) + O2(g) → 2SO3 (g)

Posteriormente, el trióxido de azufre se pone en contacto con el agua para obtener el ácido sulfúrico

SO3 (g) + H2O → H2SO4

La formación del ácido sulfúrico es un proceso exotérmico, capaz de liberar grandes cantidades de energía. Las industrias de ácido sulfúrico aprovechan este calor liberado para provocar otros procesos industriales e incluso, en ciertos casos, para producir electricidad. En las fundiciones de cobre, el SO2 producido se recoge y se trasforma en ácido sulfúrico por este método.

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Tema IV

Producción de metales ferrosos

Producción del hierro y el acero El alto horno Reducción directa del mineral de hierro Diferentes procesos de producción de hierro y acero Proceso de pudelado Hornos Bessemer Horno básico de oxígeno (BOF) Horno de hogar abierto Horno de arco eléctrico Horno de refinación Horno de inducción Horno de aire o crisol Horno de cubilote Clasificación de los aceros Lingotes y colada continua Algunos elementos químicos en la fundición del hierro

producción del hierro y el acero

El diagrama general de la fusión primaria del hierro integra a la mayoría de las actividades que se desarrollan en el proceso productivo. No se debe olvidar que los diagramas de flujo son una de las herramientas más utilizadas por los ingenieros industriales y que de manera automática los deben utilizar o elaborar.

El 90% de todos los metales fabricados a escala mundial son de hierro y acero. Los procesos para la obtención de hierro fueron conocidos desde el año 1200 ac.

Los principales minerales de los que se extrae el hierro son:

Hematita (mena roja) 70% de hierro

Magnetita (mena negra) 72.4% de hierro

Siderita (mena café pobre) 48.3% de hierro

Limonita (mena café) 60-65% de hierro

La mena café es la mejor para la producción de hierro, existen grandes yacimientos de este mineral en Estados Unidos y en Suecia. En todo el mundo se pueden encontrar grandes cantidades de pirita, pero no es utilizable por su gran contenido de azufre.

Para la producción de hierro y acero son necesarios cuatro elementos fundamentales:

1. Mineral de hierro 2. Coque 3. Piedra caliza 4. Aire

Los tres primeros se extraen de minas y son transportados y prepararlos antes de que se introduzcan al sistema en el que se producirá el arrabio.

El arrabio es un hierro de poca calidad, su contenido de carbón no está controlado y la cantidad de azufre rebasa los mínimos permitidos en los hierros comerciales. Sin embargo es el producto de un proceso conocido como la fusión primaria del hierro y del cual todos los hierros y aceros comerciales proceden.

A la caliza, el coque y el mineral de hierro se les prepara antes de introducirse al alto horno para que tengan la calidad, el tamaño y la temperatura adecuada, esto se logra por medio del lavado, triturado y cribado de los tres materiales.

el alto horno

En general los altos hornos tienen un diámetro mayor a 8 m y llegan a tener una altura superior de los 60 m. Están revestidos de refractario de alta calidad.

Los altos hornos pueden producir entre 800 y 1600 toneladas de arrabio cada 24 h. La caliza, el coque y el mineral de hierro se introducen por la parte superior del horno por medio de vagones que son volteados en una tolva. Para producir 1000 toneladas de arrabio, se necesitan 2000 toneladas de mineral de hierro, 800 toneladas de coque, 500 toneladas de piedra caliza y 4000 toneladas de aire caliente.

Con la inyección de aire caliente a 550°C, se reduce el consumo de coque en un 70%. Los sangrados del horno se hacen cada 5 o 6 horas, y por cada tonelada de hierro se produce 1/2 de escoria.

Alto horno

reducción directa del mineral de hierro

Para la producción del hierro también se puede utilizar el método de reducción directa, el que emplea agentes reactivos reductores como gas natural, coque, aceite combustible, monóxido de carbono, hidrógeno o grafito. El procedimiento consiste en triturar la mena de hierro y pasarla por un reactor con los agentes reductores, con lo que algunos elementos no convenientes para la fusión del hierro son eliminados. El producto del sistema de reducción directa es el hierro esponja que consiste en unos pelets de mineral de hierro los que pueden ser

utilizados directamente para la producción de hierro con características controladas.

Diagrama de producción de hierro esponja

En el método de reducción directa para procesar 1000 toneladas de mineral de hierro, se requieren 491,000 metros cúbicos de metano y con ello se obtienen 630 toneladas de hierro esponja.

diferentes procesos de producción de hierro y acero

Una vez obtenido el arrabio o el hierro esponja es necesario refinar al hierro para que se transforme en material útil para diferentes objetos o artefactos, o sea en hierro o acero comercial. A continuación se presentan los principales procesos de fabricación de los hierros y aceros comerciales.

proceso de pudelado

El hierro dulce es un metal que contienen menos del 0.01% de carbono y no más de 0.003% de escoria. Para su obtención se requiere del proceso conocido como pudelado, el que consiste en fundir arrabio y chatarra en un horno de reverbero de 230 kg, este horno es calentado con carbón, aceite o gas. Se eleva la temperatura lo suficiente para eliminar por oxidación el carbón, el silicio, y el azufre. Para eliminar todos los elementos diferentes al hierro, el horno de pudelado debe estar recubierto con refractario de la línea básica (ladrillos refractarios con magnesita y aluminio). El material se retira del horno en grandes bolas en estado pastoso y el material producido se utiliza para la fabricación de aleaciones especiales de metales. Existen otros procedimientos modernos como el llamado proceso Aston, en donde en lugar del horno de reverbero se usa un convertidor Bessemer con lo que se obtienen mayor cantidad de material.

hornos bessemer

Es un horno en forma de pera que está forrado con refractario de línea ácida o básica. El convertidor se carga con chatarra fría y se le vacía arrabio derretido, posteriormente se le inyecta aire a alta presión con lo que se eleva la temperatura

por arriba del punto de fusión del hierro, haciendo que este hierva. Con lo anterior las impurezas son eliminadas y se obtiene acero de alta calidad. Este horno ha sido substituido por el BOF, el que a continuación se describe.

horno básico de oxígeno (BOF)

Es un horno muy parecido al Bessemer con la gran diferencia que a este horno en lugar de inyectar aire a presión se le inyecta oxígeno a presión, con lo que se eleva mucho más la temperatura que en el Bessemer y en un tiempo muy reducido. El nombre del horno se debe a que tiene un recubrimiento de refractario de la línea básica y a la inyección del oxígeno. La carga del horno está constituida por 75% de arrabio procedente del alto horno y el resto es chatarra y cal. La temperatura de operación del horno es superior a los 1650°C y es considerado como el sistema más eficiente para la producción de acero de alta calidad. Este horno fue inventado por Sir Henrry Bessemer a mediados de 1800, sólo que como en esa época la producción del oxígeno era cara se inició con la inyección de aire, con lo que surgió el convertidor Bessemer, el que ya fue descrito.

Horno básico de oxígeno

horno de hogar abierto

Es uno de los hornos más populares en los procesos de producción del acero. Un horno de este tipo puede contener entre 10 y 540 toneladas de metal en su interior. Tiene un fondo poco profundo y la flama da directamente sobre la carga, por lo que es considerado como un horno de reverbero. Su combustible puede ser gas, brea o petróleo, por lo regular estos hornos tienen chimeneas laterales las que además de expulsar los gases sirven para calentar al aire y al combustible, por lo que se consideran como hornos regenerativos.

Los recubrimientos de los hornos de hogar abrierto por lo regular son de línea básica sin embargo existen también los de línea ácida ((ladrillos con sílice y paredes de arcilla). Las ventajas de una línea básica de refractario, sobre una ácida son que con la primera se pueden controlar o eliminar el fósforo, el azufre,

el silicio, el magnesio y el carbono y con la línea ácida sólo se puede controlar al carbono. El costo de la línea básica es mayor que el de la ácida.

Los hornos de hogar abierto son cargados con arrabio en su totalidad o con la combinación de arrabio y chatarra de acero. El arrabio puede estar fundido o en estado sólido. La primera carga del horno tarda 10 h en ser fundida y estar lista para la colada, pero si se agrega oxígeno se logra tener resultados en menos de 7 h, además de que se ahorra el 25% de combustible.

horno de arco eléctrico

Por lo regular son hornos que sólo se cargan con chatarra de acero de alta calidad. Son utilizados para la fusión de aceros para herramientas, de alta calidad, de resistencia a la temperatura o inoxidables. Considerando que estos hornos son para la producción de aceros de alta calidad siempre están recubiertos con ladrillos de la línea básica.

Existen hornos de arco eléctrico que pueden contener hasta 270 toneladas de material fundido. Para fundir 115 toneladas se requieren aproximadamente tres horas y 50,000 kwh de potencia. También en estos hornos se inyecta oxígeno puro por medio de una lanza.

Los hornos de arco eléctrico funcionan con tres electrodos de grafito los que pueden llegar a tener 760mm de diámetro y longitud de hasta 12m. La mayoría de los hornos operan a 40v y la corriente eléctrica es de 12,000 A.

Estos equipos tienen un crisol o cuerpo de placa de acero forrado con refractario y su bóveda es de refractario también sostenida por un cincho de acero, por lo regular enfriado con agua. Para la carga del horno los electrodos y la bóveda se mueven dejando descubierto al crisol, en el que se deposita la carga por medio de una grúa viajera.

Estos equipos son los más utilizados en industrias de tamaño mediano y pequeño, en donde la producción del acero es para un fin determinado, como varilla corrugada, aleaciones especiales, etc.

Horno de arco eléctrico

horno de refinación

Estos hornos pueden ser de varios tipos, en realidad puede ser cualquier horno al que por medio de aire u oxígeno se obtenga hierro con carbón controlado, sin embargo se pueden mencionar dos de los hornos más conocidos para este fin.

horno de inducción

Utilizan una corriente inducida que circula por una bovina que rodea a un crisol en el cual se funde la carga. La corriente es de alta frecuencia y la bovina es enfriada por agua, la corriente es de aproximadamente 1000Hz, la cual es suministrada por un sistema de motogenerador. Estos hornos se cargan con piezas sólidas de metal, chatarra de alta calidad o virutas metálicas. El tiempo de fusión toma entre 50 y 90 min, fundiendo cargas de hasta 3.6 toneladas. Los productos son aceros de alta calidad o con aleaciones especiales.

horno de aire o crisol

Es el proceso más antiguo que existe en la fundición, también se le conoce como horno de aire. Este equipo se integra por un crisol de arcilla y grafito, los que son extremadamente frágiles, los crisoles se colocan dentro de un confinamiento que puede contener algún combustible sólido como carbón o los productos de la combustión.

Los crisoles son muy poco utilizados en la actualidad excepto para la fusión de metales no ferrosos, su capacidad fluctúa entre los 50 y 100 kg.

Hornos de crisol para metales no ferrosos

horno de cubilote

Son equipos muy económicos y de poco mantenimiento, se utilizan para hacer fundición de hierros colados. Consisten en un tubo de más de 4 metros de longitud y pueden tener desde 0.8 a 1.4 m de diámetro, se cargan por la parte superior con camas de chatarra de hierro, coque y piedra caliza. Para la combustión del coque se inyecta aire con unos ventiladores de alta presión, este accede al interior por unas toberas ubicadas en la parte inferior del horno. También estos hornos se pueden cargar con pelets de mineral de hierro o pedacería de arrabio sólido.

Por cada kilogramo de coque que se consume en el horno, se procesan de 8 a 10 kilogramos de hierro y por cada tonelada de hierro fundido se requieren 40kg de piedra caliza y 5.78 metros cúbicos de aire a 100 kPa a 15.5°C.

Los hornos de cubilote pueden producir colados de hasta 20 toneladas cada tres horas. Este tipo de equipo es muy parecido al alto horno, sólo sus dimensiones disminuyen notablememnte. El mayor problema de estos hornos es que sus equipos para el control de emisiones contaminantes es más costoso que el propio horno, por ello no se controlan sus emisiones de polvo y por lo tanto no se autoriza su operación.

clasificación de los aceros

Con el fin de estandarizar la composición de los diferentes tipos de aceros que hay en el mercado la Society of Automotive Engineers (SAE) y el American Iron and Steel Institute (AISI) han establecido métodos para identificar los diferentes tipos de acero que se fabrican. Ambos sistemas son similares para la clasificación.

En ambos sistemas se utilizan cuatro o cinco dígitos para designar al tipo de acero. En el sistema AISI también se indica el proceso de producción con una letra antes del número.

Primer dígito. Es un número con el que se indica el elemento predominante de aleación. 1= carbón, 2= níquel, 3=níquel cromo, 4=molibdeno, 5=cromo, 6=cromo vanadio, 8=triple aleación, 9 silicio magnesio.

El segundo dígito. Es un número que indica el porcentaje aproximado en peso del elemento de aleación, señalado en el primer dígito. Por ejemplo un acero 2540, indica que tiene aleación de níquel y que esta es del 5%.

Los dígitos 3 y 4. Indican el contenido promedio de carbono en centésimas, así en el ejemplo anterior se tendría que un acero 2540 es un acero con 5% de níquel y .4% de carbón.

Cuando en las clasificaciones se tiene una letra al principio esta indica el proceso que se utilizó para elaborar el acero, siendo los prefijo los siguientes:

A = Acero básico de hogar abierto

B = Acero ácido de Bessemer al carbono

C= Acero básico de convertidos de oxígeno

D = Acero ácido al carbono de hogar abierto

E = Acero de horno eléctrico

A10XXX

A= Proceso de fabricación

10 = Tipo de acero

X = % de la aleación del tipo de acero

X X= % de contenido de carbono en centésimas.

lingotes y colada continua

Para fabricar los diferentes objetos útiles en la industria metal metálica, es necesario que el hierro se presente en barras, láminas, alambres, placas, tubos o perfiles estructurales, los que se obtienen de los procesos de rolado. El proceso de rolado consiste en pasar a un material por unos rodillos con una forma determinada, para que al aplicar presión el material metálico adquiera la forma que se necesita. El material metálico que se alimenta a los rodillos debe tener una forma determinada, esta forma se obtiene al colar en moldes el metal fundido que será procesado, a estos productos se les llama lingotes o lupias y pueden ser secciones rectangulares, cuadradas o redondas. Los lingotes (cilindros con un extremo menor que el otro) o lupias (lingotes de gran tamaño con secciones rectangulares) pueden tener desde 25 kg hasta varias toneladas, todo dependerá de para qué se van a utilizar y para con qué tipo de rodillos se van a procesar.

Colada continua

Cuando se requiere un material de sección constante y en grandes cantidades se puede utilizar el método de la colada continua, el cuan consiste en colocar un molde con la forma que se requiere debajo de un crisol, el que con una válvula puede ir dosificando material fundido al molde. Por gravedad el material fundido pasa por el molde, el que está enfriado por un sistema de agua, al pasar el material fundido por le molde frío se convierte en pastoso y adquiere la forma del molde. Posteriormente el material es conformado con una serie de rodillos que al mismo tiempo lo arrastran hacia la parte exterior del sistema. Una vez conformado el material con la forma necesaria y con la longitud adecuada el material se corta y almacena. Por este medio se pueden fabricar perfiles, varillas y barras de diferentes secciones y láminas o placas de varios calibres y longitudes. La colada continua es un proceso muy eficaz y efectivo para la fabricación de varios tipos de materiales de uso comercial.

Colada continua

Ilustración de colada continua del libro Operación de Máquinas Herramientas de Krar.

algunos elementos químicos en la fundición del hierro

Existen muchos elementos químicos que dan las características de ingeniería a las aleaciones ferrosas, sin embargo hay algunos que se destacan por sus efectos muy definidos, a continuación se presentan algunos de estos elementos.

Carbono. Arriba del 4% baja la calidad del hierro, sin embargo se puede decir que es el elemento que da la dureza al hierro y por medio de sus diferentes formas en las que se presenta, se pueden definir varias propiedades de las aleaciones y su grado de maquinabilidad. Con base a la cantidad de carbono en el hierro las aleaciones se pueden definir o clasificar como se observó en los temas anteriores.

Silicio. Este elemento hasta un 3.25% es un ablandador del hierro y es el elemento predominante en la determinación de las cantidades de carbono en las aleaciones de hierro. El silicio arriba de 3.25% actúa como endurecedor. Las fundiciones con bajo contenido de silicio responden mejor a los tratamientos térmicos.

Manganeso. Es un elemento que cuando se agrega a la fundición arriba del 0.5% sirve para eliminar al azufre del hierro. Como la mezcla producto del azufre y el manganeso tiene baja densidad flota y se elimina en forma de escoria. También aumenta la fluidez, resistencia y dureza del hierro.

Azufre. No sirve de nada en el hierro, debe ser eliminado y controlado.

Fósforo. Es Es un elemento que aumenta la fluidez del metal fundido y reduce la temperatura de fusión

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ALTO HORNO. El objeto del alto horno es la reducción del mineral de hierro. Reducción: es la separación de todas las substancias extrañas que acompañan al metal especialmente del oxigeno. Esta operación es indispensable, pues los minerales, tales como se encuentran en las minas, no podrían ser trabajados y no tendrían directas aplicación.

Tampoco los lingotes de arrabio o de primera fusión obtenidos en el alto horno, podrían ser utilizados de inmediato en el taller, debido a la gran cantidad de carbono que contiene y por su poca homogeneidad. Sin embargo es indispensable que los minerales pasen previamente por el alto horno para poderse transformar luego en hierro, en acero o fundición.

DESCRIPCIÓN DE LAS PARTES: La parte superior recibe el nombre de cuba y la parte intermedia es el etalaje. La inferior, el crisol, es cilíndrica y termina con la dama, donde se encuentre el orificio de salida para el metal fundido. La parte superior de la cuba, llamada tragante, se mantiene cerrada herméticamente por medio de una tapa metálica de forma cónica. Esta se baja mecánicamente al descargarse sobre ella la vagoneta de mineral, carbón o fundente, y por la acción de un contrapeso vuelve a cerrarse impidiendo el escape de los gases. Mas abajo del tragante existe un grueso caño que recoge los gases producidos en el horno para llevarlos al depurador y luego al recuperador. En lo alto del crisol hay unas hileras de toberas por donde penetra el aire comprimido que debe que debe activar la combustión. Un poco mas abajo se halla la salida para las escorias.

CARGA DEL ALTO HORNO: El alto horno es un Torrejón de ladrillos refractarios, consiste de 2 conos truncados, reunidos por sus bases. Tienen un diámetro de 6 a 10 metros y de 20 a 30 metros de altura

estando sostenido exteriormente por una robusta armazón de hierro. La carga del horno se hace con potentes montacargas dotados de fuertes cajas, cuya parte inferior se abre, o bine con vagonetas volcables. La forma del tragante permite que los materiales que entra se distribuyan mas uniformemente. En un alto horno moderno, por cada tonelada de mena (parte del filón o yacimiento que contiene minerales útiles en mayor proporción que rocas sin valor económico) se carga se carga media tonelada de carbón de coke metalúrgico y un cuarto de tonelada de fundente, de lo que se obtienen media tonelada de fundición bruta, media tonelada de escoria y tres cuartos de productos volátiles, denominados gases de alto horno. El objeto del fundente es formar con la ganga un compuesto facilmente fusible y más liviano que la misma fundición, para que sobrenadando se desborde y corra al exterior por un plano inclinado. Este fundente es el carbonato cálcico (piedra calcárea) cuando la ganga es silícia, y son arenas silíceas, cuando la ganga es calcárea. El mineral, el carbón y el fundente bajan en el horno a medida que las capas inferiores se consumen por la combustión del carbón y por la extracción de la fundición bruta. Para producir y activar la combustión se inyecta aire a 15 atmósferas de presión y a una temperatura de 900º. El funcionamiento del alto horno perdura hasta que resista la capa interna refractaria (8 años aproximadamente). Su encendido inicial exige gran cantidad de leña y carbón. La producción es de 200 a 300 toneladas de hierro colado cada 24 horas, variando según el tamaño del alto horno y la cantidad de aire soplada. (Fuente de la información: Mario Estanislao Cesar Ariet, Argentina)

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43. Alto Horno. Funcionamiento. Producto.

El alto horno es un horno utilizado para fundir minerales de hierro con la finalidad de

obtener arrabio.

Materias primas:

Coque: Compuesto fundamentalmente por Carbono de alto poder calorifico. Funciona

como agente reductor ya que se oxida.

Fundente: Piedra caliza (ácida), Dolomita (básica). Facilitan la fusión del mineral. Se

combinan con las impurezas para formar la escoria. El aire caliente que ingresa por

abajo se calienta en la torre de Cowper

Descripcion del proceso:

La materia prima ingresa en las tolbas, en la parte superior del alto horno

El aire caliente entra por abajo: Se agrega Oxígeno para aumentar la oxidación

El aire caliente se combina con el coque

Se forma CO2 se combina con el coque → CO

Entre 250° y 700° → reducción indirecta

A los 1500°C → reducción directa → Hierro

Carburación → se agrega C → baja la temperatura de fusión

Sangrado del horno de 3 a 4hs

Se agregan también: Silicio, Manganeso, Fósforo y Azufre

Escoria: Enfría rápidamente por tener estructura amorfa. Se tritura y lava. Luego se

clasifica según su granulometría. Composición parecida al cemento Portland. Se utiliza

como materia prima para cemento para cosntrucción.

Gases de alto horno: Se eliminan por arriba del horno. Arastran gran cantidad de

material particulado que se pasa por pulverizadores, se baja su velocidad de manera

que las partículas sedimenten. Estos contienen hasta 40% de hierro metálico, por lo

que se lo compacta en forma de pellets y se vuelve a cargar al horno. Finalmente los

gases se acumulan en un gasogeno para usarlo como combustible.

Producto: Arrabio. Sistema líquido con carbono 2 a 4%.

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Alto horno. Es la instalación industrial donde se transforma o trabaja el mineral de hierro.

Contenido[ocultar]

1 Características 2 Partes de un alto horno 3 Productos obtenidos del alto horno

4 Fuentes

Características

Un alto horno típico está formado por una cápsula cilíndrica de acero de unos 30 m a 80 m de alto forrada con un material no metálico y resistente al calor, como asbesto o ladrillos refractarios.

El diámetro de la cápsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total. La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire que enciende el coque.

Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vacía) el alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria. La parte superior del horno contiene respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por válvulas en forma de campana, por las que se introduce el mineral de hierro, el coque y la caliza.

Una vez obtenido el acero líquido, se puede introducir en distintos tipos de coladura para obtener unos materiales determinados: la colada convencional, de la que se obtienen productos acabados; la colada continua, de la que se obtienen trenes de laminación y, finalmente, la colada sobre lingoteras, de la que lógicamente se obtienen lingotes. Esquema de funcionamiento de un alto horno.

La instalación recibe este nombre por sus grandes dimensiones, ya que puede llegar a tener una altura de 80 metros. Por la parte superior del horno se introduce el material, el cual, a medida que va descendiendo y por efecto de las altas temperaturas, se descompone en los distintos materiales que lo forman. En la parte inferior del horno, por un lado, se recoge el arrabio y, por otro, la escoria, o material de desecho, su capacidad de producción puede variar entre 500 y 1500 toneladas diarias.

Partes de un alto horno

Funcionamiento de un Alto horno.

1- La cuba: Tiene forma troncocónica y constituye la parte superior del alto horno; por la zona mas estrecha y alta de la cuba (llamada tragante) se introduce la carga la carga que la componen:

El mineral de hierro: magnetita, limonita, siderita o hematite. Combust ible: que generalmente es carbón de coque. Recuerda que este carbón se

obtiene por destilación del carbón de hulla y tiene alto poder calorífico. El carbón de coque, además de actuar como combustible provoca la reducción del mineral de hierro, es decir, provoca que el metal hierro se separe del oxigeno.

Fundente: Puede ser piedra caliza o arcilla. El fundente se combina químicamente con la ganga para formare scoria, que queda flotando sobre el hierro líquido, por lo que se puede separar. Además ayuda a disminuir el punto de fusión de la mezcla.

2-Etalaje: Esta separada de la cuba por la zona mas ancha de esta ultima parte, llamada vientre. El volumen del etalaje es mucho menor que el de la cuba. La temperatura de la carga es muy alta (1500 ºC) y es aquí donde el mineral de hierro comienza a transformarse en hierro. La parte final del etalaje es mas estrecha.

3-Crisol: Bajo el etalaje se encuentra el crisol, donde se va depositando el metal líquido. Por un agujero, llamado bigotera o piquera de escoria se extrae la escoria, que se aprovecha para hacer cementos y fertilizantes. Por un orificio practicado en la parte baja del mismo, denominada piquera de arrabio sale el hierro líquido, llamado arrabio.

4- Cucharas:Depósitos hasta lo cuales se conduce el producto final del alto horno llamado arrabio, también llamado hierro colado o hierro de primera fusión.

Productos obtenidos del alto horno

Humos y gases residuales: Se producen como consecuencia de la combustión del coque y de los gases producidos en la reducción química del mineral de hierro que, en un elevado porcentaje, se recogen en un colector situado en la parte superior del alto horno. Estos gases son, principalmente, dióxido de carbono, monóxido de carbono y óxidos de azufre.

Escoria: Es un residuo metalúrgico que a veces adquiere la categoría de subproducto, ya que se puede utilizar como material de construcción, bloques o como aislante de la humedad y en la fabricación de cemento y vidrio. La escoria, como se comento anteriormente, se recoge por la parte inferior del alto horno por la piquera de escoria.

Fundición, hierro colado o arrabio: producto aprovechable del alto horno y esta constituido por hierro con un contenido en carbono. Se presenta en estado líquido a 1800 ºC. a este metal se le denomina hierro de primera fusión. A partir de la primera fusión, se obtienen todos los productos ferrosos restantes: otras fundiciones, hierro dulce, acero.

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