Curso Metalurgia 2 Capitulo II
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CAPITULO IIMETALURGIA DEL
HIERRO
Ing. Víctor Álvarez Tohalino
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MINERALES DE HIERRO
Mineral Composición % de Fe
Hematita Fe2O3 70.0
Magnetita Fe3O4 72.4
Limonita 2Fe2O3.3H20 60.0
Siderita FeCO3 48.3
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CARACTERISTICAS DEL MINERAL
• Físicas:– Tamaño y distribución de tamaño.– Tenacidad.– Temperatura y rango de ablandamiento.– Hinchamiento y cambio de volumen.
• Químicas:– Contenido de hierro.– Contenido de ganga.– Contenido de humedad– Reductibilidad.
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PREPARACION DEL MINERAL
Chancado Primario
Molienda
Tamizado
Tamizado
Chancado Secundario
Concentración
Mina
Concentrado de hierro
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MOLIENDA DE MINERAL DE HIERRO
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CONCENTRACION DE MINERAL
• La concentración aumenta el contenido de hierro mediante la eliminación de la ganga y los componentes dañinos.
• La disminución de componentes ácidos de la ganga disminuye la carga térmica.
• Por cada 40-60 Kg de sílice/TM removida del mineral, baja aproximadamente en 100-130 Kg la caliza utilizada en el fundente.
• Esto rebaja en 100 Kg el volumen de escoria y disminuye en 50 Kg aprox. la cantidad de CO2 a ser removida en la reacción de calcinación.
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CONCENTRACION DE MINERAL
• Los dos factores anteriores determinan un ahorro de 40-60 Kg de coque por TM de mineral.
• Simultáneamente la producción se incrementa en 5-10%
• Métodos usuales de concentración de minerales de hierro:– Lavado.– Separación gravimétrica media.– Flotación.– Separación magnética.
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CONCENTRACION MAGNETICA
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CONCENTRADORES MAGNETICOS
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AGLOMERACION
• Gran cantidad de finos (35-50%) se genera durante las operaciones de minado, conminución y concentración.
• Estos finos no pueden ser cargados al alto horno directamente.
• Es necesario aglomerarlos mediante procesos de sinterización y peletización.
• Requisitos importantes para sínter o pellet son:– Adecuada reductibilidad.– Resistencia a los peligros de manipulación.– Resistencia al impacto, abrasión y compresión en el
alto horno
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SINTERIZACION
• Es un proceso de aglomeración térmica.• Se aplica a una mezcla de finos de mineral de
hierro, fundentes y coque.• Se realiza por la aplicación de calor.• El resultado es la conversión de los finos del
mineral en aglomerados grandes, porosos y de alta dureza.
• El objetivo es obtener una carga con adecuadas propiedades mecánicas y fisicoquímicas, que pueda alimentarse al horno.
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PELETIZACION
• Una gran cantidad de finos, menores a 0,05 mm, no es susceptible a la sinterización por la muy baja permeabilidad del lecho.
• Son aglomerados, englobándolos en partículas de 8-20 mm, en presencia de humedad y aditivos como bentonita y cal (aglomerantes en verde).
• La etapa de englobamiento es la más importante del proceso y determina el tamaño, resistencia, compactibilidad y otras propiedades del pellet.
• La operación se realiza en dispositivos rotatorios tales como tambores, discos, conos y hornos.
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TAMBORES DE PELETIZACION
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ESQUEMA DE PLANTA DE PELETIZACION
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PLANTA DE PELETIZACION
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COQUE METALURGICO
• Sólido poroso obtenido por destilación de hulla en cámaras cerradas, sin contacto con el aire.
• La temperatura oscila entre 1000 y 1300°C. • Su composición química es:
– Carbón fijo: 86-91%– Humedad: máximo 3%– Azufre: máximo 1%– Cenizas: máximo 8%, con el siguiente contenido:
• SiO2 = 45% CaO = 2%
• Al2O3 = 34% MgO = 0,8%
• Fe2O3 = 9,5%
• Poder calorífico: 7100 Kcal/kg
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CARACTERISTICAS FISICAS COQUE
• Buena resistencia a la compresión en caliente. La resistencia a la compresión a temperatura ambiente debe ser siempre superior a los 100 Kg/cm2.
• Porosidad para favorecer la cinética de reacción de gasificación de Boudouard.
• Gran resistencia a la abrasión y al desgaste derivado del rozamiento con las paredes, con la carga de hierro y con el coque presente en el horno.
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HORNO DE COQUE
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DESCARAGA DE COQUE DEL HORNO
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ESQUEMA DEL ALTO HORNO
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ALTO HORNO
• Produce arrabio por fusión de minerales de hierro en atmósfera reductora.
• La reducción es la extracción del oxígeno desde los minerales.
• Sinterizados, pélets, coque y fundentes se cargan dentro del alto horno a través del tragante.
• El gas reductor se forma mediante la reacción del coque con el aire caliente inyectado, que tiene una temperatura de 1000 a 1200ºC.
• La combustión no solo genera gases reductores, sino también el calor necesario para fundir los minerales reducidos.
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OBJETIVO
• Reducir químicamente y convertir físicamente los óxidos del hierro en hierro líquido llamado “arrabio” (2.14 a 6.7 % en peso C).
• Cuba de acero revestida interiormente con ladrillo refractario. Mmineral, coque y caliza cargan por arriba; el aire precalentado se sopla por el fondo.
• Las materias primas requieren 6 a 8 horas en descender al fondo donde se convierten en los productos finales arrabio y escoria.
• El aire caliente asciende desde el fondo del horno hasta arriba después de llevar cabo todas las reacciones químicas
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ESTRUCTURA DEL ALTO HORNO
• Existen 3 zonas donde ocurren distintas reacciones químicas.
• Zona 1 Crisol: mayor temperatura (2000°C). Zona de toberas donde el oxígeno reacciona con el coque. Fuera de la zona la temperatura baja a 1600ºC. Esto funde metal y escoria.
• Zona 2 Etalaje y Cuba. La temperatura disminuye uniformemente ante el aumento de la altura desde 1100ºC en la zona de toberas hasta 800ºC en la mitad de la cuba.
• Zona 3 temperatura cae rápidamente a 500 - 600ºC y entonces continua descendiendo a menor velocidad, alcanzando los 200 a 250ºC en la parte superior.
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ESTRUCTURA
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REDUCCION DE MINERAL DE HIERRO
• Las reacciones de reducción de los óxidos de hierro son:
• 3Fe2O3 + CO 2Fe3O4 + CO2 ΔH = +10,33 Kcal
• Fe3O4 + CO 3FeO + CO2 ΔH = -8,75 Kcal
• FeO + CO Fe + CO2 ΔH = +3,99 Kcal
• Otras reacciones adicionales son:• CO + H2O CO2 + H2 ΔH = +9,68 Kcal
• 2CO CO2 + C ΔH = +41,21 Kcal
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TEMPERATURAS Y REACCIONES
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DIVISION DE MICHARD
• Zona 1: Combustión del coque con el aire precalentado y forma CO a una temperatura de 1900 a 2000ºC.
• Zona 2. Reacciones Fusión y Reducción Impurezas, entre 1200 a 1600ºC
• Zona 3: Reducción FeO a Fe y regeneración de CO debido C(coque) + CO2 = 2CO
• Zona 4: Resto del horno hasta la salida superior, y es aquella en la cual la reducción del mineral, descomposición de la caliza a CaO y CO2 y la carga es secada por los gases ascendentes.
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REACCIONES EN TOBERAS
• El coke desciende al fondo del horno, donde se quema con el aire preecalentado insuflado:
• C + O2 CO2, Hº = -93.5 kcal
• Como la reacción ocurre en presencia de un exceso de carbón y a alta temperatura:
• CO2 + C 2CO, Hº = 41.5 kcal
• El producto de esta reacción, CO, es necesario reducir el mineral de hierro.
• El equilibrio está representado por la suma de las ecuaciones anteriores:
• 2C + O2 2CO, Hº = -53.8 kcal
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FORMACION DE ESCORIA
• La caliza desciende y se descompone:• CaCO3 CaO + CO2
• Esta reacción requiere energía y se inicia sobre 875°C.
• El CaO formado se usa para remover S del Fe:• FeS + CaO + C CaS + FeO + CO
• CaS pasa a la escoria junto con SiO2, Al2O3, MgO y CaO que entran junto con el mineral.
• La escoria líquida gotea a través del lecho de coque al fondo del horno donde flota encima del Fe líquido puesto que es menos densa.
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ESQUEMA DETALLADO DEL ALTO HORNO
![Page 32: Curso Metalurgia 2 Capitulo II](https://reader031.fdocuments.ec/reader031/viewer/2022012406/563db8fd550346aa9a98eea0/html5/thumbnails/32.jpg)
ALTO HORNO
![Page 33: Curso Metalurgia 2 Capitulo II](https://reader031.fdocuments.ec/reader031/viewer/2022012406/563db8fd550346aa9a98eea0/html5/thumbnails/33.jpg)
ALTO HORNO DE SIDERPERU
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PRODUCCION DE ARRABIO
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TRANSFERENCIA DE ARRABIO
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CONVERSION DE ARRABIO
• Consiste en oxidar rápidamente la carga líquida del metal.
• Se utiliza una corriente de aire a presión.• Permite separar al hierro de sus impurezas en
dos fases líquidas.• Los principios básicos son:
– Desigual afinidad del oxígeno por los diversos elementos.
– Autosostenimiento energético del proceso, debido a las reacciones fuertemente exotérmicas.
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CONVERTIDOR BESSEMER
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CARACTERISTICAS
• Vasija ovoidal revestida con sílice o dolomita• Capacidad de 8 a 30 tons de arrabio (15 tons.)• Abierto en el extremo superior.• El fondo esta perforado con un numero definido
de toberas donde se insufla aire.• Puede bascular para carga y descarga.• La oxidación remueve impurezas; Si, Mn y C
como óxidos que se fijan en el gas o la escoria.• El Proceso es Ácido cuando el P es bajo y se
usan refractarios silíceos.• El Proceso es Básico cuando el P es alto y se
usan refractarios de dolomita ((CaMg(CO3)2) 30.41% CaO, 21.86% MgO y 47.73% CO2.
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CONVERTIDOR DE HIERRO
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REACCIONES DE CONVERSION
• Si + O2 SiO2 ΔH = -201,0 Kcal
• Mn + 1/2O2 MnO ΔH = -96,5 Kcal
• 4P + 5O2 2P2O5 ΔH = -733,8 Kcal
• C + 1/2O2 CO ΔH = -29,0 Kcal
• Fe + 1/2O2 FeO ΔH = -64,0 Kcal
• Si + 2FeO SiO2 + 2Fe ΔH = -70,0 Kcal
• Mn + FeO MnO + Fe ΔH = -26,0 Kcal
• 2P + 5FeO P2O5 + 5Fe ΔH = -35,6 Kcal
• C + FeO CO + Fe ΔH = -47,0 Kcal
![Page 41: Curso Metalurgia 2 Capitulo II](https://reader031.fdocuments.ec/reader031/viewer/2022012406/563db8fd550346aa9a98eea0/html5/thumbnails/41.jpg)
PROCESO LINZ–DONAWITZ (LD)• Proceso Bessemer modificado, se inyecta oxígeno
dentro del baño por la boca usando una lanza refrigerada con agua.
• Reemplazado por BOS (basic oxygen steelmaking)• Se alimenta arrabio liquido y materiales fríos. • La violenta reacción de oxidación produce la fusión
de la carga fría. La inyección incluye Argón.• Durante el proceso disminuye constantemente el
C, Si, Mn y P.• Soplado de 10 a 20 minutos para alcanzar la
descarburación y oxidación de impurezas.• Se agrega cal en la escoria líquida• La cal se puede agregar al final de la eliminación
del carbón, previa descarga de la escoria
![Page 42: Curso Metalurgia 2 Capitulo II](https://reader031.fdocuments.ec/reader031/viewer/2022012406/563db8fd550346aa9a98eea0/html5/thumbnails/42.jpg)
DIAGRAMA DE FABRICACION DEL ACERO