El Alto Horno de Fierro

Consideraciones Termodinmicas de la Reduccin de Fierro

IntroduccinEl mineral de fierro se extrae de las minas. Normalmente no se encuentra en estado puro, sino combinado con otros elementos qumicos. A pesar de la abundancia de mineral de fierro en la naturaleza, slo se aprovechan dos tipos en la industria: los xidos y el carbonato. El primer tratamiento al que se debe someter el mineral de fierro, una vez extrado, consiste en una trituracin y molienda, seguida de una separacin del parte til (mena) de la despreciable como tierras, rocas, cal, slice, etc., constituyendo lo que se denomina ganga, mediante magnetismo, flotacin, etc. Este procedimiento se denomina tratamiento preliminar. A pesar de que el mineral de fierro ya ha sufrido un tratamiento preliminar en que se ha reducido la ganga existente, siempre quedan impurezas unidas al mineral que es preciso eliminar. Para eliminar estas impurezas se emplean mtodos de reduccin de los cuales describiremos el alto horno y la reduccin directa.

El Alto HornoEl alto horno es una instalacin muy til para el hombre, ya que proporciona las condiciones necesarias para reducir rpida y eficientemente las menas oxidadas de fierro y es la base para la mayor produccin de acero. El alto horno (figura 1) es un horno de soplo, formado por una cpsula cilndrica de acero forrada con un material no metlico y resistente al calor, como ladrillos refractarios y placas refrigerantes. El dimetro de la cpsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es mximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total. La parte inferior del horno est dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire. Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vaca) el alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria. La parte superior del horno, cuya altura es de unos 30 m, contiene respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por vlvulas en forma de campana, por las que se introduce la carga en el horno. Los materiales se llevan hasta las tolvas en pequeas vagonetas o cucharas que se suben por un elevador inclinado situado en el exterior del horno.

Figura 1. Alto Horno

El objetivo principal del alto horno es producir arrabio de composicin constante a alta velocidad. La temperatura del hierro y de la escoria constituye la variable crtica de operacin, esta debe ser superior a 1500C para asegurar que los productos se encuentren en estado lquido.

Termodinmica de Materiales

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Materias PrimasLas materias primas del proceso de alto horno son: 1. Slidos. Mena, coque, fundentes. 2. Aire. El cual se sopla a travs de las toberas situadas en la parte inferior. La mena principal que se utiliza para la reduccin es la hematita (Fe2O3), se alimentan al horno en forma de pellets de 1 a 2cm de dimetro, tambin en forma de material sinterizado de 1 a 3cm, ambos obtenidos a partir de menas molidas. Tabla 1. Carga tpica de un alto El coque empleado es coque metalrgico con una composicin aproximada de 90%C, 10% de cenizas, 0.5 1%S) este material es el encargado de suministrar la mayor parte del gas y del calor requeridos para llevar a cabo la reduccin y fusin de la mena. Este se produce mediante el calentamiento de carbn pulverizado en ausencia de aire, para eliminar las sustancias voltiles. CaO y MgO se utilizan como fundentes de las impurezas, slice y almina, produciendo una escoria fluida de bajo punto de fusin (1200C aproximadamente). La caliza de la carga del horno se emplea como fuente adicional de monxido de carbono y como sustancia fundente. Este material se combina con la slice presente en el mineral (que no se funde a las temperaturas del horno) para formar silicato de calcio, de menor punto de fusin. Sin la caliza se formara silicato de hierro, con lo que se perdera fierro metlico. El silicato de calcio y otras impurezas forman una escoria que flota sobre el metal fundido en la parte inferior del horno. El aire soplado se calienta a una temperatura de 1030C y en algunos casos se enriquece con oxigeno para producir un contenido de hasta 25% en volumen. El soplo caliente causa que el coque incandescente se queme frente a las toberas proveyendo de esta manera el calor necesario para llevar a cabo las reacciones de reduccin y el calentamiento y fusin de la carga y de los productos. La alta temperatura del soplo permite asegurar que la temperatura del arrabio y la escoria sea suficientemente alta para que ambos productos se encuentren fundidos. En la tabla 1 se muestra la composicin tpica de la carga. Operacin Las materias primas se cargan en la parte superior del horno. El aire, que ha sido precalentado es forzado dentro de la base del horno para quemar el coque. El coque en combustin genera el intenso calor requerido para fundir el mineral y produce los gases necesarios para separar el hierro del mineral. En forma muy simplificada las reacciones son:


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Los altos hornos funcionan de forma continua. La materia prima que se va a introducir en el horno se divide en un determinado nmero de pequeas cargas que se introducen a intervalos de entre 10 y 15 minutos. La escoria que flota sobre el metal fundido se retira una vez cada dos horas. Cada cinco o seis horas, se cuelan desde la parte interior del horno hacia una olla de colada o a un carro de metal caliente, entre 150 a 375 toneladas de arrabio. El calentamiento del aire se realiza en las llamadas estufas, cilindros con estructuras de ladrillo refractario. El ladrillo se calienta durante varias horas quemando gas de alto horno, que son los gases de escape que salen de la parte superior del horno. Despus se apaga la llama y se hace pasar el aire a presin por la estufa. El peso del aire empleado en un alto horno supera el peso total de las dems materias primas. Esencialmente, el CO gaseoso a altas temperaturas tiene una mayor atraccin por el oxgeno presente en el mineral de fierro (Fe2O3) que el hierro mismo, de modo que reaccionar con l para liberarlo. Qumicamente entonces, el fierro se ha reducido en el mineral. Mientras tanto, a alta temperatura, la piedra caliza fundida se convierte en cal, la cual se combina con el azufre y otras impurezas. Esto forma una escoria que flota encima del hierro derretido. La ecuacin de la reaccin qumica fundamental de un alto horno es:

Fe2O3 + 3CO = 3CO2 + 2FeTabla 2. Composicin del arrabio. Pero esta reaccin no se realiza de forma directa, la hematita cargada se reduce poco a poco: 1. Fe2O3 se reduce a Fe3O4. 2. Fe3O4 se reduce a FeO. 3. FeO se reduce a Fe. El principal producto del alto horno es arrabio, se extrae del horno a intervalos regulares de tiempo a travs de uno o varios hoyos localizados en el fondo. La composicin del arrabio se ajusta a manera de cumplir con los requisitos exigidos por la acera a la cual habr de ser enviado. En la tabla 2 se muestra la composicin del arrabio.


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El Proceso HyLEl proceso HyL de reduccin directa (Figura 2) es conocido mundialmente. En este se alimenta al reactor con pellets de mineral de fierro que se transforma en fierro esponja al quitarles el oxigeno mediante un gas reductor, que es una mezcla de monxido de carbono e hidrogeno, con la siguiente composicin: 74% H2, 13% CO, 8% CO2 y 5% CH4. El gas reductor se produce al reaccionar el gas natural con vapor de agua en el reformador. Los equipos principales son: el reformador, calentador, enfriadores, absorbedora de CO2, compresores y reactor. El procedimiento consiste en triturar la mena de fierro y pasarla por el reactor con los Figura 2. Esquema de Reduccin Directa. agentes reductores, con lo que algunos elementos no convenientes para la fusin del fierro son eliminados. El producto del sistema de reduccin directa es el fierro esponja. El mineral de fierro, en pellets o en terrones, se introduce a travs de una tolva que alimenta al horno en la tapa del mismo. Mientras que el mineral desciende a travs del horno por flujo de gravedad, se calienta y el oxgeno es quitado del fierro por medio de los gases reductores. Estos gases reaccionan con el Fe2O3 en el mineral de fierro y lo convierten al fierro metlico, dejando H2O y CO2.

El ReactorEl reactor (Figura 3) consiste en un recipiente de acero recubierto con material refractario que esta en contacto ya sea con el mineral de fierro o el fierro metlico segn su posicin en el reactor. El mineral entra por la parte superior y se reduce conforme va bajando hasta llegar a la salida que se encuentra en la parte inferior, en donde se descarga el producto conocido como fierro esponja, empleando temperaturas que varan entre 900 y 1100C.

Figura 3. Reactor de Reduccin Directa.

El proceso de reduccin directa obtiene fierro metlico de la siguiente manera: 1. Fe2O3 se reduce a Fe3O4. 2. Fe3O4 se reduce a Fe. Se observa que en este proceso el Fe3O4 se reduce directamente a Fe sin pasar por FeO. A continuacin se presenta la termodinmica de la reduccin de la reduccin de hematita para obtencin de fierro.


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Termodinmica de la Reduccin de Minerales Oxidados de Fierro (Hematita)


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La tabla 3 resume todos los clculos realizados, empleados para construir el diagrama del sistema Fe O C (Figura 4), til en el proceso de reduccin de hematita.Tabla 3. Resumen de Datos TermodinmicosLOG (Pco2/Pco) T, C 200 400 600 800 1000 1200 1537 1600 EQUILIBRIO1 Fe2O3-Fe3O4 7.89 6.18 5.25 4.84 4.47 4.2 3.88 3.84 EQUILIBRIO 2 Fe3O4-Fe 0.163 0.014 -0.066 -0.1084 0.0828 0.2139 0.3095 0.7877 0.8264 -0.0774 -0.278 -0.4156 -0.5159 -0.7403 -0.7826 EQUILIBRIO 3 Fe3O4-FeO EQUILIBRIO 4 Feo-Fe EC. BOUDUARD 4.64 1.836 0.2203 -1.2815 -2.566 -3.526 -4.64 -4.81

Figura 4. Diagrama del Sistema FE O C


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ConclusionesEl diagrama de sistema Fe O C (Figura 4) muestra de manera muy especifica con es el proceso de reduccin de hematita hasta obtener fierro, ya sea en arrabio, producto del alto horno a temperaturas elevadas (1200 1600C) por encima de la lnea de Bouduard (lnea caf) o fierro esponja, producto de la reduccin directa a temperatura mas bajas (800 1000C) por debajo de la lnea de Bouduard.

A continuacin se muestra es esquemticamente como es el proceso de reduccin de hematita (Figura 5) conforme el CO toma del mineral el oxigeno, de esta manera se aprecia que la reduccin es de afuera hacia adentro del mineral. En la figura 5 se observa que la hematita tiene un 30% de O2, al estar en contacto con CO se reduce a magnetita con un porcentaje de 27.6% de O2, al continuar reducindose se obtiene wustita con una concentracin de O2 de 22.2%, finalmente el producto es Fe con un porcentaje de O2 de cero.La relacin con el alto horno para producir arrabio se esquematiza en la figura 6, donde se muestra paso a paso como se reduce la hematita. Por la parte superior entra la hematita (Fe2O3) junto con coque y fundentes, en esa altura se tiene una temperatura de 300C, conforme el mineral baja la temperatura aumenta, lo que permite que la hematita se reduzca a magnetita (Fe3O4) con la presencia de gas CO, a una temperatura aproximada de 900C. La ahora magnetita continua su trayectoria hacia la parte inferior del horno hasta llegar a una temperatura de 1200C para reducir nuevamente la magnetita para tener wustita (FeO), finalmente la wustita llegar a la parte de mayor calor para reducirse y obtener Fe como arrabio. Toda esta trayectoria se puede apreciar en el sistema Fe O C, representado en la figura 4 para tener una mejor comprensin del proceso.

Fe FeO

Fe3O4

Fe2O3

Figura 5. Reduccin de Pellets de Fierro


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Figura 6. Esquema del alto horno


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ReferenciasCintica de los procesos de la metalurgia extractiva H. Y. Sohn, M. E. Wadsworth Editorial Trillas El alto horno de hierro J. G. Peacey Editorial Limusa ingenierias.uanl.mx/.../11_Ubaldo_Ortiz_et_al_Formacion_capas.pdf http://www.infoacero.cl/acero/parrabio.htm http://juliocorrea.wordpress.com/2007/08/23/reduccion-directa/ http://www.tecnologiaindustrial.info/index.php?main_page=document_general_info&cPath=385_386&pro ducts_id=264 http://www.construmatica.com/construpedia/images/thumb/1/10/HornoAlto.jpg/300px-HornoAlto.jpg http://www.hbia.org/Technical/openpdf.cfm?filename=DRProcess/1995-1DR.pdf


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