Guia de Estudio de La Materia de Pfmf Actividad Preliminar

7/25/2019 Guia de Estudio de La Materia de Pfmf Actividad Preliminar

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GUIA DE ESTUDIO DE LA MATERIA DE PROCESOSDE FABRICACIN DE METALES FERROSOS

ACTIVIDAD PRELIMINAR:MATERIAS PRIMAS PARA LA PRODUCCIN DE HIERRO Y ACERO

OBJETIVO DE APRENDIZAJE: El estudiante analizar las caractersticas y las propiedades de las materias prima

Analizar los procedimientos de acondicionamiento a que deben someterse las materias primas para poder ser utilizad

de manera eficiente en los procesos de obtencin del hierro y del acero.


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1.1 Minerales de hierro.

El hierro es uno de los metales que ms abunda en la naturaleza, donde aparece en forma de xidcarbonato, sulfato o silicato.

El hierro ocupa el cuarto lugar entre los cuerpos simples que forman la corteza terrestre. El orden ddistribucin de los principales elementos que se encuentran en la superficie dela tierra es el siguiente:

Oxgeno......... 49.50%Silicio....... 23.30%Aluminio...... 7.50%Hierro........ 5.08%

El hierro se halla presente casi siempre en mayor o menor proporcin en la mayora de las rocasminerales,no existiendo casi ningunanacin en el mundo que no tenga en su territorio minerales de hierro. Sembargo, solamente cuatro minerales se pueden utilizar industrialmente en la actualidad: tres xidos que conocen generalmente con los nombres de magnetita, hematites y limonitas, y el carbonato.

Tipos de minerales de hierro

En la naturaleza existe una gran variedad de minerales de hierro pero los que mas se suelen utilizar son losiguientes:

- La siderita (FeCO3) es un carbonato de hierro. Tiene un color pardo-rojizo y su raya es blanca. La ley ehierro es del 48 %.

- El hematites u oligisto (Fe2O3) es un xido de hierro. Es de color rojo anaranjado, a veces plateado, sraya es roja y la ley en hierro es del 70 %.
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- La goethita (FeO2H) es un hidrxido de hierro. Es el principal componente de la limonita, si bien veces aparece como mineral aislado. Es de color negro y su raya es pardo - amarillenta y posee leyes de hasta u60 - 70 % en hierro. Cristaliza habitualmente como una masa llena de bultos esferoides, aunque en ocasionepresenta forma de estalactita.

- La magnetita es un mineral de hierro constituido por xido ferroso-difrrico (Fe3O4) que debe snombre de la ciudad griega de Magnesia. Su fuerte magnetismo a un fenmeno de ferrimagnetismo: lomomentos magnticos de los distintos cationes de hierro del sistema se encuentran fuertemente acoplados, po

interacciones antiferromagnticas, pero de forma que en cada celda unidad resulta un momento magntico ncompensado. La suma de estos momentos magnticos no compensados, fuertemente acoplados entre s, es responsable de que la magnetita sea un imn.

- La limonita (Fe2O3 nH20) es una mezcla de diversos minerales. Su color es amarillo o pardo negruzcosu raya es parda o amarillenta. Algunos autores la consideran como una roca formada por minerales de hierrhidratados y arcilla
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Desde el punto de vista industrial, pueden considerarse como minerales de hierro, aquellos que por s

composicin, caractersticas qumicas y fsicas, situacin geogrfica y por las reservas que hay en la zona dondse encuentran, pueden ser explotados en condiciones econmicas satisfactorias.

Los silicatos de hierro, queson muy abundantes y tienen contenidos en hierrovariables del 10 al 40%, nse pueden utilizar como minerales, porque todava no se ha descubierto ningn procedimiento industrial paextraer de los silicatos el hierro que contieneprecios realmente aceptables.

DENOMINACION FORMULAQUIMICA

RIQUEZATEORICA EN

HIERROPESO

ESPECIFICOCOLOR MASFRECUENTE

MAGNETITA Fe3O4 72.4 5.0 NEGRO GRIS

HEMATITES ROJA Fe2O3 70.0 4.9 ROJO

LIMONITA O

HEMATITES PARDA 2 Fe2O33 H2O 60.0 4.5AMARILLO

ROJIZO

CARBONATO FeCO3 48.3 3.7 PARDO

Generalmente, se consideran minerales ricos los que contienen ms de 55% de hierro. De riquezamedialos que contienen de 30 a 55% de hierro y minerales pobres, a los de contenido inferior a 30%. Aunque en actualidad se extraen minerales con contenidos bajos aproximadamente 25% de hierro.

Magnetita (xido ferroso-frrico, Fe = 72,4%)

Es el mineral ms rico en hierro que hay en la naturaleza y, si no fuera acompaado de impurezas, scomposicin sera de 72.4% de hierro y 27.6% de oxgeno; pero, debido a las materias extraas que acompaan, su riqueza suele variar en los buenos yacimientos de 55 a 66% de Fe. En algunas ocasiones debida la gran proporcin de ganga, el mineral de magnetita, a pesar de su elevadaley terica, se presenta slo con 2a 50% de hierro. Su denominacinqumica es oxido ferroso frrico y su frmula es Fe3O4 o FeOFe2O3.Por capacidad y por suestado cristalino, es el mineral de hierro que con ms dificultad se reduce. Normalmente prefieren las hematites roja y parda.

Hematites. Oxido frrico anhidro (hematites roja, Fe = 70%)

Es el ms abundante de los minerales de hierro y puede considerarse como el ms importante de todoellos, ya que por su riqueza ycomportamientoen elhorno alto es el ms solicitado de todos para la fabricacide arrabio o fundicin. Su frmula es Fe2O3 y contiene 70% de hierro y 30% de oxgeno. En la prctica, suecontener de 50 a 68% de Fe, debido a la ganga que le acompaa. Existen diversas variedades de este mineral las principales son las siguientes:

Limonita. Hematites parda (xido frrico hidratado, Fe = 60%)

Son xidos frricos hidratados. Forman una serie ordenada de minerales, cuya frmula general es n Fe2O+ m H2O. La denominacin de cada uno de ellos semuestra a continuacin:
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Turguita........ 2 Fe2O3 H2O 66.20% de FeGoetita........ Fe2O3 H2O 62.90% de FeLimonita....... 2 Fe2O3 3 H2O 60.00% de FeXanthosiderita..... Fe2O3 2 H2O 57.10% de FeLimnita....... Fe2O3 3 H2O 52.30% de Fe

Su variedad ms importante es la limonita, que pura contiene aproximadamente 60% de hierro y 40% doxgeno. En la prctica debido a la ganga e impurezas con que se encuentran mezclados, el porcentaje de hiervara de 30 a 56%.

Siderita (carbonato de hierro, Fe = 48.2%)Este mineral cuya frmula es CO3Fe, contiene tericamente 48.2% dehierroy 37.9% de anhdrido carbnicEn la prctica, sin embargo, su porcentaje de hierro suele variar de 30 a 45%por ir acompaado con una ciercantidad de agua. El carbonato constituye una parte muy pequea del mineral de hierro explotable, pero eciertos pases como en Canad, Inglaterra, Australia yAlemania, la explotacin de los carbonatos tiene graimportancia.

Sulfuros de hierro

Estos minerales, prcticamente no se emplean en siderurgia o se utilizan solo en ocasiones muespeciales. A pesar de su riqueza relativamente elevada, del orden de 45% y sobre todo de la que tienen despude la tostacin (60% aprox.), solamente en casos muy excepcionales se emplean los residuos de piritas tostadpara enriquecer en hierro los lechos de fusin. Esto es debido a que es muy difcil eliminar la importancantidad de azufre que contienen (del orden del 2%) y que para los aceros es muy pernicioso.

1.2 Beneficio de los minerales de hierro.

La extraccin de los minerales se realiza de maneras muy diversas segn las circunstancias que concurreen cada caso. En general, como el mineral se suele presentar formando grandes masas, siempre suele snecesario emplear importantes cantidades de explosivos para romperlas y facilitar su extraccin. Para arrancar mineral se emplean potentes mquinas excavadoras y luego se machacan, trituran y criban los trozos de minerhasta obtener tamaos apropiados para su transporte o utilizacin. Las explotaciones se hacen a cielo abiertoen galeras subterrneas.
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Los minerales despus de ser extrados deben sufrir, segn sea su calidad, tratamientos diversos. A veces necesario lavarlos para eliminar las materias terrosas o arcillas con las que suelen estar mezclados. Otraveces los carbonatos son calcinados para transformarlos en xidos y tambin, a veces, se calcinan ciertamagnetitas muy duras y compactas para transformarlas en xido frrico de ms fcil reduccin y aumentar porosidad o para eliminar algo del azufre que contienen.

Los minerales despus de ser machacados, triturados y molidos, se clasifican por cribado o pprocedimientos magnticos. Posteriormente, los tamaos finos de riqueza aceptable se suelen aglomerar sinterizar antes de su carga en los hornos altos. Cuando la humedad que contienen es muy elevada, se secan ehornos rotatorios para reducir el porcentaje de agua que les acompaa.

Machaqueo trituracin y molienda.

El machaqueo de los minerales de hierro sirve para reducir el tamao de los grandes trozos obtenidos elas minas, por voladuras, y conseguir que queden en trozos con dimensiones ms pequeas y ms adecuadapara el transporte y para los tratamientos y transformaciones que han de sufrir posteriormente.

Generalmente, se suele separar en las minas los trozos de mineral inferiores a 1,5 m de dimetro, que solos mayores tamaos que suelen pasar a las grandes mquinas machacadoras que las reducen a trozos inferiorea 300 mm. La eleccin de la maquinaria depende de la naturaleza de los minerales a tratar, de las dimensionede los trozos que se desea obtener y del destino final del producto.

En las fbricas suelen montarse instalaciones llamadas de trituracin primaria, secundaria y terciaria, quen ocasiones, se instalan tambin en las minas. En las maquinas primarias, los grandes trozos que llegan a lafabricas se reducen a tamaos o trozos menores de 150 mm y en las secundarias a tamaos inferiores a 50 maproximadamente. Finalmente, en la trituracin terciaria se llega a tamaos menores de 10 mm.

El molino sirve para disminuir todava ms el tamao de los minerales. Se cargan, generalmente, trozos d3 a 8 mm y se obtiene polvo muy fino de 0.05 a 0.5 mm. Antiguamente los minerales relativamente porosos cargaban en los hornos altos en tamaos variables de 25 a 75 mm. Los minerales compactos y densos como lmagnetitas, por ejemplo, se cargaban en tamaos ms pequeos, del orden de 25 a 50 mm. En los hornos dpoca altura siempre se empleaban trozos ms pequeos que en los grandes. (Barreiro)

No son demasiadas las empresas dedicadas a extraer el mineral de hierro en el mundo. No es por ser pocrentable o se necesite un conocimiento complejo, sino porque son pocos los minerales usados comercialmencomo fuente de hierro, siendo que es el elemento con mayor distribucin en la costra de la Tierra con ms d4% del total. La razn es la cantidad de metal o ley que cada mineral conteng

De acuerdo a su composicin qumica, los minerales de hierro se clasifican y agrupan en xidocarbonatos o compuestos de carbono, sulfuros y silicatos. Por ejemplo, dentro de los xidos estn la magnetitFe3O4 (como xido ferroso-frrico), hematita-Fe2O3, Ilmenita-HFeO2 (como xido hierrotitanio), y limoniFeO(OH) (como xido acuoso de hierro). Entre los carbonatos se encuentra la siderita FeCO3(como carbona

de hierro). Los de xido son la fuente ms importante de hierr

Sin duda que la calidad y composicin del mineral depende fuertemente de su regin geogrfica y tambidel perodo o edad geolgica en que se form. Esto ltimo se apoya en estadsticas que indican descubrimientoubicaciones y eras geolgicas durante los cuales los depsitos han ido almacenndose: Cenozoica, MesozoicPaleozoica, Pre-Cambriana. Es decir el ambiente geolgico influye fuertemente en el tipo y calidad del minerextrado.

Los minerales se dan en ambientes gneos, metamorfosos o de rocas sedimentarias. Los minerales gneose dan en los depsitos de mineral de hierro que son producto de la cristalizacin de materiales de roca lquidtanto en depsitos tipo capas, producto del asentamiento de minerales pesados que se cristalizan para forma


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concentraciones ricas en hierro, como en cuerpos que muestran una relacin intrusiva con las rocas de lomuros. Estos son generalmente ricos en contenido de hierro y generalmente de alto contenido en fsforo titanio.

Los depsitos formados producto del contacto entre rocas gneas y sedimentarias estn comnmencompuestos de magnetita y hematita junto con carbonatos y piritas.

Otros estn formados de soluciones calientes que alguna vez transportaron hierro y reemplazaron roccon favorable composicin qumica de hierro formando cuerpos de mineral irregular y son comnmenalmacenados como piedra caliza; se les llama depsitos hidrotrmicos en donde el hierro se da generalmencomo siderita u xidos.

Con el avance en mtodos de beneficiamiento como concentracin y aglomeracin, la variedad dmateriales posibles de ser explotados que contienen hierro pudo ser ampliado a los de bajo grado, lo que etiempos anteriores era imposible. Estos mtodos no slo ayudan a obtener concentrados de mineral de taconita (plomo y hierro), sino que tambin son usados para mejorar el hierro de alto grado controlando tamao particular y reduciendo el contenido de la ganga en este mism

Las formaciones de hierro primario de las cuales la mayor cantidad del hierro comercial circulanproviene, representan reservas de hierro casi ilimitadas. Este hierro es recuperable entre 25 y 35% y se presenen forma de hematita o magnetita, los que requieren de un proceso de molido muy fino, considerando que somateriales muy duros. Esto ha llevado ltimamente a la obtencin de plets y snter de alta calidad. Es as comlos concentrados de slice del orden del 4% son el estndar que permite obtener un producto final uniforme epropiedades fsicas y qumicas amalgamando los hierros crudos de diferentes lugares y minas, utilizandsofisticados sistemas de computacin que permiten obtener los aglomerados, plets o snter anteriormendescritos.

Mtodos de procesamiento

Existen diferentes mtodos usados en el descubrimiento de minas y yacimientos de mineral de hierrEstn las tcnicas geofsicas basadas en la instrumentacin, perforacin y otros mtodos de estudio geolgictales como el mapeo, que se basa en las medidas contrarrestadas entre el mineral y sus rocas circundantusando propiedades fsicas como el magnetismo y densidad de ella

Tambin existe el magnetmetro moderno usado para determinar la fuerza del campo magntico de tierra o su componente vertical en cualquier punto. La forma del campo magntico de la Tierra no es uniformdebido a irregularidades producto de variaciones en la forma y composicin de la corteza terrestre y capsuperior. Las variaciones detectadas en menor escala son producto de disturbios magnticos causados poconcentracin de material magntico cercano a la superficie y es aqu donde se deben buscar nuevos depsitos


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Las investigaciones magnticas tambin ayudan y consisten en rastrear areamente mediante magnetmetro los posibles depsitos. Esto se hace mediante el uso de un helicptero, por ejemplo, y es untcnica que naci en la Segunda Guerra Mundial como mtodo de rastreo de submarinos enemigos. Los datoobtenidos son inscritos como un ploteo y son mapeados con lneas que conectan puntos de igual densidamagntica. Los patrones de estos mapas indican que donde existen anomalas magnticas producto dvariaciones del campo magntico de la tierra, podran dar indicios a un posible yacimiento, luego dinvestigaciones ms detalladas, mediciones gravitacionales, estudios electromagnticos y otras tcnicgeofsicas.

Por supuesto no se dejan de lado las tcnicas de taladro debido especficamente a los mejoramientorecientes en las tcnicas de la perforacin de ncleo que permiten obtener muestras de calidad. Para lo anterise emplean taladros de diamante y mezclas de ste segn la dureza de la superficie de muestra. Tambin soayudados por el movimiento rotatorio penetrante y la circulacin en reversa, que permiten una rpidpenetracin con toma de muestras bastante efectiva.

Para utilizar en el alto horno, se requiere procesar el mineral o concentrados de modo que alcancen lespecificaciones fsicas y qumicas necesarias. Hace dos dcadas el mineral era clasificado por los productorpara cumplir estndares de estos hornos que demandaban composiciones especiales qumicas y particularcomo tambin de estructura. Con el avance de tcnicas de concentracin y peletizacin esto se ha tornado mfcil. Las empresas comercializadoras de mineral alcanzan estos requerimientos mediante la obtencin intercambio con otros minerales. La uniformidad, por ejemplo, ha obligado al uso de sistemas de mezcla aleaciones involucrando la formacin sistemtica de capas en las pilas de almacenamiento o consumo medianel corte transversal de estas capas. Lo anterior es usado para preparar una alimentacin uniforme para operacin de modernas plantas de sinterizacin.

El trmino beneficiamiento con respecto al mineral de hierro se emplea comnmente para designtodos aquellos mtodos usados para procesar el mineral con objeto de mejorar sus caractersticas qumicafsicas o metalrgicas de modo de desarrollar una mezcla ms deseable para alimentar el horno. Algunos destos mtodos so

Trituracin y Tamizad

Consiste en darle al mineral un tamao apropiado para ser cargado en el alto horno, el que, actualmentrequiere de la trituracin y tamizado de las granzas de carga directa al horno de un tamao ms fino que 6 mmcon ms de 30 mm de grueso bruto. El tamao se selecciona basado en las caractersticas del mineral de modque asegure una alta permeabilidad en el apilado y permita el tiempo suficiente para la reduccin del materibruto. Los finos de menos de 6 mm producidos mediante este mtodo son generalmente aglomerados mediansinterizacin e incluso a veces regraneados o reconstituidos y peletizado

Mezcla

La mezcla sofisticada combinada y algunas facilidades para su carga son ahora muy comunes, lo qu

ayuda a elaborar insumos que logren y cumplan la calidad requerida y los estndares que la industria necesitLos sistemas ms usados son los de apilamiento, que significan el agrupamiento en capas del mineral, dondcada capa representa mineral que vara en tamao y composicin qumica de las que le preceden y anteceden. Emineral se retira mediante gras y excavadoras, cargadores frontales y otros. El retiro del mineral de esta piresulta en la obtencin de material con mezcla uniforme proveniente de todas las capas.

Adems existe el beneficiamiento de mejorar la calidad del hierro de bajo estndar al despachar embarcar este mismo. Por ejemplo, la formacin natural de las reservas provoca capas de casi puro xido dhierro mezclados con capas de slice parcialmente descompuestas. El mineral de las capas de slice puede sfcilmente mejorado mediante tcnicas simples de lavado donde las partculas finas de slice pueden sseparadas de las ms pesadas, densas y dem


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Lavado

Este mtodo es el proceso ms simple de concentracin de mineral que aprovecha la alta gravedaespecfica y tamao bruto del mineral para separarlo de la ganga silicosa ms fina y liviana predominantemenen forma de cuarzo y arcilla. Se prepara el mineral para ser lavado en dos etapas ms finas que 50 mm. Emineral es alimentado a lavadores especialmente diseados que se encargan de agitarlo intensamente mediansus paletas que en combinacin con el flujo contrapuesto del agua, remueve la slice fina de ste, dejando uproducto residual muy rico en hierr

Agitacin

Algo ms complejo es el de agitacin, usado en el mineral con caractersticas ms refractarias qurequiere de quiebre para remover las capas de slice. Consisten estos instrumentos de agitacin, generalmenten pantallas horizontales que alojan una cama de 15 a 25 cm de profundidad. Mediante la accin pulsante dagua, accin impartida a travs de una bomba oscilante o mediante el movimiento fsico hacia arriba y abajo dla propia pantalla, el mineral entrante a sta es estratificado. Al caer el mineral, el movimiento pulsante permitque las partculas de slice ms livianas suban a la parte alta de la cama mientras que las partculas ms ricas hierro bajen a la base.

Existen tambin otros medios de beneficiamiento como el de Separacin de Medios Pesados, el Espiral, Separacin Magntica Hmeda de Alta Intensidad y el Cono Reichert.


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1.3 Principios tericos del secado y equipo industrial.

En la concentracin de minerales se obtienen, en ocasiones, fangos con partculas muy finas que contieneuna gran cantidad de agua, que interesa eliminar.El secado es una operacin que consiste en calentar lminerales y concentrados a una temperatura que permita eliminar el agua que acompaa a los materiales eforma de humedad o sea el agua atrapada entre las partculas por efecto de capilaridad o por absorcin.

Considerando el secado tericamente se analiza la reaccin.

H2O(l) = H2O (g) ?H= 10.5 KcalKp = PH2O

Para esta reaccin se puede calcular, a una temperatura determinada, el valor de su constante de equilibrKP, y de esta manera obtenemos la presin de vapor de equilibrio del agua, PH2O sobre el material. Se debtomar en cuenta que la atmsfera del horno tiene su humedad expresada con PH2O. Para que el proceso dsecado se lleve acabo es necesario que exista la relacin PH2O > PH2O.

El exceso de humedad contenida por los materiales puede eliminarse por mtodos mecnic(sedimentacin, filtracin, centrifugacin). Sin embargo, la eliminacin ms completa de la humedad se obtien

por evaporacin y eliminacin de los vapores formados, es decir, mediante el secado trmico, ya sea empleanduna corriente gaseosa o sin la ayuda delgaspara extraer el vapor

Esta operacin se utiliza ampliamente en la tecnologa qumica y es muy comn que sea la ltimoperacin en la produccin precedente a la salida del producto resultante. Es evidente que la eliminacin dagua o en general de lquidos existentes en slidos es ms econmica por accin mecnica que por accitrmica. La dificultad de losmedios mecnicos surge cuando losproductos finales y gran nmero deproductintermedios deben cumplir especificaciones rigurosas en cuanto a la humedad final. Habitualmente uncentrfuga trabajando con grandes cargas de slido hmedo dejar humedades en torno al 10-20 %, aunque casos excepcionales como la sal comn o cloruro sdico se puede alcanzar el 1 %.

La operacin de secado es una operacin de transferencia de masa de contacto gas- slido, donde humedad contenida en el slido se transfiere por evaporacin hacia la fase gaseosa, en base a la diferencia entrlapresin de vapor ejercida por el slido hmedo y la presin parcial de vapor de la corriente gaseosa. Cuandestas dos presiones se igualan, se dice que el slido y el gas estn enequilibrio y elproceso de secado cesa.

- Formas de enlace de la humedad con el material.

El mecanismo del proceso de secado depende considerablemente de la forma de enlace de la humedad coel material: cuanto ms slido es dicho enlace, tanto ms difcil transcurre el secado. Durante el secado el enlade la humedad con el material se altera.

Las formas de enlace de la humedad con el material se clasifican en: qumico, fsico-qumico y fsicmecnico

La humedad ligada qumicamente es la que se une con mayor solidez al material en determinadaproporciones (estequiomtricas) y puede eliminarse slo calentando el material hasta altas temperaturas o comresultado de una reaccin qumica. Esta humedad no puede ser eliminada del material por secado.

Durante el secado se elimina, como regla, slo la humedad enlazada con el material en forma fsicqumica ymecnica.La ms fcil de eliminar resulta la enlazada mecnicamente que a su vez se subdivide enhumedad de los macrocapilares y microcapilares ( capilares con el radio medio mayor y menor de 10-5 cm).
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Los macrocapilares se llenan de humedad durante el contacto directo de sta con el material, mientras quen los microcapilares la humedad penetra tanto por contacto directo, como mediante la adsorcin de la mismen el medioambiente.La humedad de los macrocapilares se elimina con facilidad no slo por secado, sino qutambin empleando mtodos mecnicos. El enlace fsico-qumico une dos tipos de humedad que difieren por solidez del enlace con el material: la humedad ligada osmticamente y por adsorcin.

La primera llamada tambin humedad de hinchamiento, se encuentra dentro de lasclulas del materialse retiene por las fuerzas osmticas. La segunda se retiene slidamente sobre la superficie y en los poros dmaterial. La humedad de adsorcin requiere para su eliminacin un gas con una energa considerablemenmayor que la utilizada para eliminar la humedad de hinchamiento. La existencia de estos tipos de humedaespecialmente se manifiesta en materiales coloidales y polimricos

- Definiciones fundamentales.

Contenido de humedad, base seca: x

Contenido de humedad, base hmeda:

- Clasificacin de la operacin de secado.

De modo general se pueden clasificar las operaciones de secado en continuas y discontinuas. En loperaciones continuas pasan continuamente a travs del equipo tanto la sustancia a secar como el gas. Loperacin discontinua en la prctica se refiere generalmente a un proceso semicontinuo, en el que se expone uncierta cantidad de sustancia a secar a una corriente de gas que fluye continuamente en la que se evapora humedad.

Figura 1. Tipos de humedades
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Los equipos utilizados para secar se pueden clasificar tambin de acuerdo a cualquiera de estas categoras

I. Mtodos de operacin: Continuos Discontinuos.

II. Mtodos de propiciar elcalor necesario para la evaporacin de la humedad: En secaderos directoe indirectos

III. Naturaleza de la sustancia a secar: Puede ser la sustancia un slido rgido como la madera,umaterial flexible como el papel o la tela, un slido granular tal como la masa de cristales, una pasta espeso delgada o una solucin. Es probable que la forma fsicade la sustancia y los distintos mtodos dmanipulacin empleados, ejerzan la influencia ms grande en el tipo de secadero a utilizar.

-Tipos de secaderos.

De acuerdo a la clasificacin de la operacin de secado encontramos los siguientes tipos de equipos

Secaderos de calentamiento directo.

a) Equipos discontinuos

Secaderos de bandejas con corriente deaire. Secaderos decama fluidizada. Secaderos con circulacin a travs del lecho slido.

b) Equipos continuos

Secaderos de tnel. Secaderos neumticos. Secaderos ciclnicos. Secaderos de cama chorreada. Secaderos de cama vibratoria. Secadero de cama fluidizada. Secaderos sprays. Secaderos de tipo turbina. Secaderos rotatorios.

Secaderos de calentamiento indirecto:

a) Equipos discontinuos.

Secaderos de bandejas a vaco. Secaderos de bandejas a presin atmosfrica. Secaderos por congelacin.

b) Equipos continuos.

Secaderos de tambor. Secaderos con circulacin a travs del lecho.
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- Mecanismos y cintica de secado. Transferencia de masa y calor.

Un elemento fundamental en el proceso de secado es el estudio de la intensidad de la trasferencia de maen el mismo. Para esto es necesario conocer los elementos ms tiles de la transferencia de calor y masa qufuncionen en los secaderos de contacto directo.

Segn Madariaga (1995), esta depende de una serie de factores que van desde condiciones internas externas.

Las condiciones externasestn definidas por laresistenciaa la transferencia de calor y de masa de la caplmite del gas, y en el caso que predominen, el secado no depender de las caractersticas del slido sino de lacondiciones del gas, y estar controlado por la transferencia de masa y calor entre el gas y la superficie dslido, emplendose en la evaporacin todo el calor que se recibe del gas, la cual se comporta como unsuperficie libre de agua.

Las condiciones internas estn definidas, por la transferencia de calor y de masa a travs del slido. En caso que predominen, es decir, que la resistencia a la transferencia de masa a travs del material sea musuperior a la de la capa lmite del gas, la difusin interna controlar el proceso y lo ms importante ser lpropiedades del slido.

Cuando se seca un slido se producen dosprocesos fundamentales y simultneos:

- Transmisin del calor para evaporar el lquido.

- Transferencia de masa en humedad interna y lquido evaporado.

Independientemente del mecanismo de transmisin de calor el cual puede ser por conduccin, convecciradiacin o una combinacin de cualquiera de estos, el calor tiene que pasar primero a la superficie exterior desde esta al interior del slido. Excepto el secado por electricidad de alta frecuencia, que genera el calintercambiante, esto conduce a la circulacin de calor desde el interior hasta la superficie exterior. Tambin ha reportado otro tipo de secado llamado secado por sublimacin.

En el secado por conveccin el calor necesario para la evaporacin del lquido se transmite por un agengaseoso o un vapor que pasa por encima del slido o lo atraviesa.

En el secado por conduccin el producto que debe secarse se encuentra en recipientes calentado o desplaza por encima de estos. El calor tambin se difunde en el slido a travs de la conductividad del propislido

En el secado por radiacin el calor se transmite por las superficies radiantes prximas.

En el secado dielctrico la energa es generada en el interior del propio material mediante un campelectromagntico de alta frecuencia en la zona demicroondas.

Tambin se reporta en la literatura el secado por sublimacin, denominando as al secado en estado dcongelacin al vaco profundo. Segn el mtodo de transmisin del calor este procedimiento es anlogo secado por conduccin pero debido a sus peculiaridades el secado por sublimacin se destaca como un grupespecial
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- Movimiento de la humedad dentro del slido.

Cuando se produce la evaporacin superficial, debe haber un movimiento de humedad desde lprofundidades del slido hacia la superficie. Lanaturaleza del movimiento influye en el secado en los perodode

1. Difusin lquida:2. Movimiento capilar:3.

Difusin de vapor:4. Presin:

-

Curvas fundamentales de secado.

La cintica de secado de un material no es mas que la dependencia de la humedad del material y de intensidad de evaporacin con el tiempo o variables relacionadas con este, como la propia humedad o ldimensiones del equipo.

Figura 3. Curva de velocidad de secado vs humedad.

Etapa A-B: Es una etapa de calentamiento (o enfriamiento) inicial del slido normalmente de poduracin en la cual la evaporacin no es significativa por su intensidad ni por su cantidad. En esta etapa eslido se calienta desde la temperatura ambiente hasta que se alcance el equilibrio entre el enfriamiento poevaporacin y la absorcin de calor de losgases.

Etapa B-C:Es el llamado primer perodo de secado o perodo de velocidad de secado constante; donde evapora la humedad libre o no ligada del material y predominan las condiciones externas. En este perodo slido tiene uncomportamientono higroscpico. La velocidad de secado se mantiene constante si el gas tiene u

estado estacionario y en general depende solo de las propiedades y velocidad del mismo. Si durante el procesel gas se enfra, la velocidad de secado decrece pero sigue en esta zona dependiendo de factores externos slido.

Etapa C-E:Es el segundo perodo de secado o perodo de velocidad de secado decreciente; donde evapora la humedad ligada del material y predominan las condiciones internas o las caractersticas internasexternas simultneamente. En estas condiciones el slido tiene un comportamiento higroscpico. Durante perodo, la temperatura del material sobrepasa la de bulbo hmedo debido a que el descenso de la velocidad dsecado rompe el equilibrio trmico que mantiene estable la temperatura y una parte considerable del calor emplea en un calentamiento del slido. Ahora la humedad deber ser extrada del interior del material con consiguiente incremento de la resistencia a la evaporacin.
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Otro sistema muy utilizado para eliminar el agua es la filtracin continua por el vaco. Los filtros usadoen metalurgia se componen de un tambor filtrante, dividido en varias clulas independientes, que gira en un gradepsito a donde se enva el lquido con las partculas a secar. Una parte de la superficie cilndrica exteriometlica de este tambor esta perforada muy finamente y recubierta de una tela que deja pasar a travs de ella agua y no al mineral. En una parte al interior del tambor se hace una fuerte aspiracin que arrastra al agua hacla zona central.

Durante la operacin, el tambor gira y en cada clula queda adheridas a la tela solo las partculas slidaLuego en su giro al Salir del lquido llegan los concentrados en forma del fango adheridos a la tela a una zondonde son rociados con agua y se separan ciertas sustancias arcillosas, que se separan sin dificultad.

En la ltima parte del giro el material depositado sobre la tela deja los sectores donde acta el vaco entra en otro sector donde, en el interior del tambor, se produce una ligera presin de aire que desprende lmaterias minerales que hay sobre la tela, que se depositan desprovistas ya de gran parte de su humedad en uncinta transportadora.


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Secadores Rotatorios

Son cilindros huecos que giran sobre su eje, por lo general con una ligera inclinacin hacia la salida. Loslidos granulares hmedos se alimentan por la parte superior y se mueven por el cilindro a medida que esgira.

El calentamiento se lleva a cabo por contacto directo con gases calientes con flujo de contracorriente. Ealgunos casos, el calentamiento es por contacto indirecto a travs de la pared calentada del cilindro. Lapartculas granulares se mueven hacia delante con lentitud y a contracorriente con los gases calientes.

Los secadores rotatorios, son los secadores ms utilizados en la industria, esto se debe principalmente que muchos materiales pueden ser secados a travs de ellos. Estos requieren de poca labor por parte de suoperadores y si se mantienen de manera apropiada, esencialmente con una buena lubricacin, pueden opercontinuamente bajo control automtico por largos perodos de tiempo y consupervisin ocasional.

Un secador rotatorio operado bajo presin atmosfrica consiste de una carcasa cilndrica que gira sobcojinetes apropiados y, por lo comn tiene una leve inclinacin hacia la salida en relacin con la horizontal. Llongitud de la carcasa cilndrica vara entre cuatro y diez veces su dimetro. El dimetro se encuentra entre 3cm hasta ms de 3 m.

Los slidos hmedos que se introducen por un extremo del cilindro se desplazan a lo largo de l, debidola rotacin, el efecto de la carga y la pendiente del cilindro. Los gases que circulan por el cilindro puedereducir o aumentar la velocidad de movimiento de los slidos, segn que la circulacin del gas sea econtracorriente o siga una corriente paralela con la circulacin de los slidos.

Los secadores rotatorios se clasifican como directos, indirectos-directos, indirectos y tipos especialeEstos nombres se refieren a los mtodos de transmisin de calor, de esta manera lo explica sealando que:

Los secadores rotatorios son directo cuando el calor se aplica o se elimina de los slidos por intercambdirectos entre stos y el gas circulante, e indirecto cuando el medio de calentamiento no tiene contacto con loslidos y se separa de ellos por medio de un tubo o una pared metlica

Es imposible cubrir la gran cantidad de variaciones posibles entre ambas clases, adems, el secadorotatorio objeto de estudio del presente trabajo es del tipo completamente directo de corriente paralela. En figura 1, se puede observar un secador rotatorio de tipo directo y corriente paralela usado para secar mineral dhierro.

En un secador rotatorio, la alimentacin hmeda de material se introduce en un extremo de la carcacilndrica giratoria, y es levantada por una serie de aspas de elevacin internas, estas aspas tienen la funcin dlevantar y dejar caer los slidos a travs de la corriente de gas a su paso. Este contacto cerrado entre el aire secy el slido proporciona alta capacidad ydesempeo trmico nico.

Los secadores rotatorios de flujo de corriente paralela son utilizados ampliamente para el secado dmateriales de alta humedad y sensibles al calor. Desde que el material mojado se expone a los gases de altemperatura, la tasa de transferencia inicial de calor es muy alta, rpidamente evapora la humedad de superficie.

La inmediata y dramtica cada en la temperatura del gas impide un aumento sbito en la temperatura dmaterial y de la carcasa. El producto final esta en contacto con los gases de baja temperatura permitiendo que contenido de humedad sea fcilmente controlado, evitando as el secado excesivo.
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Fig. 1.- Horno rotativo de secado.


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1.4 Proceso de coquizacin

Coquizacin es un proceso de destilacin seca destructiva de carbn para convertirlo de un material densy frgil a uno fuerte y poroso; los subproductos valiosos se recuperan en el proceso.

No todas las clases de carbn son tiles para fabricar coque. Entre los que no son tiles se encuentran loporosos pero con baja resistencia a la compresin o con residuos de polvo. Fuera de las tres clases de carbreconocidas en la industria alta, media o baja volatilidad, solo una subclase entre los de alta volatilidad

algunos pero no todos los de media volatilidad son producidos para el alto horno. Por lo tanto la mezcla es dmayor importancia. Grandes cantidades de carbn de alta volatilidad son mezcladas con carbn de media o bajvolatilidad. Otra razn para mezclarlos es su qumica no la estructura del carbn. Muchos carbones contienegrandes cantidades de cenizas de: arena de slice, arcillas aluminosas, sulfuros de hierro y otros. Por lo tanto catodos los carbones son lavados.

Como ya se menciono anteriormente la coquizacin es un proceso de destilacin destructiva usando calexterno. El coque es ampliamente clasificado de acuerdo a su temperatura final del proceso de coquizacincoque de alta, media y baja temperatura. Solo el ltimo terminado entre 1700 y 2000 F (930 y 1100 C) se unapara el alto horno. Aunque algunos de los de bajas temperaturas se utilizan para mezclarlos.

Las producciones de carbn por tonelada son:De 65 a 73% de coque y de 5 a 10 % de residuos, para una produccin de coque del 75%. Puesto qu

cerca del 75% de sulfuro contenido en el carbn, permanece en el coque, lo cual es que el contenido de sulfues alrededor de la misma cantidad carbn en el coque, a menos que se empleen las tcnicas adecuadas paremover los sulfuros.

Bateras de coque


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El carbn se convierte en coque calentndolo para la eliminar las materias voltiles en unos horno

especiales, fuera del contacto del aire, a temperaturas superiores a los 1.000 C. que se agrupan en bateras.

Se cargan estos hornos por la parte superior y el carbn tarda en coquizarse una 16 horas.

Despus se descargan mediante una mquinas deshornadoras y el coque cae a unos vagones-tolva que conducen a la torre de enfriamiento, efectundose ste con agua.

Los productos voltiles desprendidos se aprovechan como gases combustible y para la obtencin dproductos qumicos

La misin del coque en el horno alto es:

, por combustin, el calor necesario para la reacciones de reduccin

arrabio (hierro)

del gas

El coque ha sustituido, como combustible siderrgico, al carbn vegetal utilizado hasta el siglo XIX en linstalaciones de produccin de arrabio.

El coque metalrgico

El coque metalrgico el residuo slidoque se obtiene a partir de la destilacindestructiva, o pirlisis, de determinadoscarbones minerales, como la hullas (ocarbones bituminosos) que poseenpropiedades coquizantes; es decir capacidadde transformarse en coque despus de haberpasado por una fase plstica. En la practica,para la fabricacin del coque metalrgico seutilizan mezclas complejas que pueden incluirms de 10 tipos diferentes de carbonesminerales en distintas proporciones.

El proceso de pirlisis mediante el cual se obtiene el coque se denomina coquizacin y consisteen un calentamiento (entre 1000 y 1200 C) en ausencia de oxgeno hasta eliminar la practica totalidadde la materia voltil del carbn, o mezcla de carbones, que se coquizan. La mayora del coquemetalrgico se usa en los altos hornos de la industria siderrgica para la produccin del acero (coquesiderrgico). Dada el gran consumo de coque que es necesario para el funcionamiento de los altoshornos , los hornos de coquizacin suelen ser una instalacin anexa a las industrias siderrgicas. Elcoque metalrgico tambin se utiliza en la industria de la fundicin del hierro (coque de fundicin).En general, el coque de funcin suele ser de un tamao mayor que el siderrgico.

Coque metalrgico
http://www.oviedocorreo.es/personales/carbon/carbon_mineral/carbon%20mineral.htmhttp://www.oviedocorreo.es/personales/carbon/carbon_mineral/carbon%20mineral.htm#hullahttp://www.oviedocorreo.es/personales/carbon/carbon_mineral/carbon%20mineral.htm#hullahttp://www.oviedocorreo.es/personales/carbon/carbon_mineral/carbon%20mineral.htm


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Coquizacin

Se conoce con el nombre de carbonizacinal proceso de destilacin destructiva de sustanciasorgnicas en ausencia de aire para dar un producto slido rico en carbono, adems de productoslquidos y gaseosos. La carbonizacin de madera y otros materiales vegetales produce carbn vegetal.La carbonizacin de cierto tipo de carbones minerales (carbones coquizables, i.e. carbonesbituminosos o hulla), o mezclas de estos carbones, producen el coque. En este caso el proceso decarbonizacin es denominado coquizacin.

La coquizacinse diferencia de la carbonizacin en que durante el proceso de calentamientoen atmsfera inerte de los carbones coquizables o cualquier otra sustancia que de lugar a un coque,como por ejemplo labrea u otros materiales termoplsticos, se pasa por un estado fluido transitoriodurante un determinado intervalo de temperaturas que vara segn el material que se est coquizando(en el caso de los carbones coquizables este intervalo puede oscilar entre los 350 y 500 C).

Pasado el intervalo fluido (tambin denominado etapa plstica) se forma el semicoque. Alseguir aumentando la temperatura sigue el desprendimiento de gases hasta que finalmente se forma elcoque. Durante la etapa fluida, o plstica, se produce una total reorganizacin en la micro estructuradel material. As, mientras que los carbonizados presentan una microestructura desordenada y, salvoraras excepciones, no pueden ser grafitizados (i.e.carbones no grafitizables); los coques presentan unamicroestructura ms ordenada y pueden ser grafitizados si se someten a un proceso de grafitizacin(i.e.carbones grafitizables).

El primer uso de coque en el horno alto se debi a Abraham Darby en 1709, en Coalbrookdale(Inglaterra). sta es una fecha histrica, puesto que la aplicacin con xito del coque en el horno altofue responsable del desarrollo posterior de la industria del hierro y del acero, y del comienzo de laRevolucin Industrial.

El proceso primitivo de calentar el carbn en pilas para producir coque permaneci como el msimportante durante aproximadamente un siglo. No obstante, un horno con forma de colmena fuedesarrollado en 1759 en Newcastle (U.K.), siendo este tipo de hornos usado todava en algunas partesdel mundo. Sin embargo, el rpido incremento de la demanda de coque en el siglo XIX dio lugar a laintroduccin de los hornos de cmara rectangular, capaces de ser descargados utilizando mquinas.Estos hornos, al principio de tipo no recuperativo, pero desde 1882 capaces de recuperar subproductos(gases, breas y otros compuestos qumicos), son los antecesores de los hornos actuales de grancapacidad. En todos ellos se observan las caractersticas bsicas de los hornos modernos:

(i) Estn construidos en bateras.(ii) Poseen cmaras rectangularesseparadas por paredes huecas quecontienen los canales decalentamiento, en los cuales el

gas se quema para calentar elhorno.(iii) Son cargados por una

mquina y descargados por unadeshornadora mecnica, despusde la retirada de las puertas deambos lados.(iv) El gas sale del horno por eltubo montante y se lleva a laplanta de subproductos,

retornando una parte del mismo a los hornos para su calentamiento.

Batera de hornos de coque
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Las bateras modernas nicamente difieren destas en la escala y la sofisticacin de los detalles.Una batera moderna puede estar formada por unos70 hornos de coque. Cada horno tiene del orden de 6m de altura, 450 mm de anchura y 16 m de longitudo fondo. Esto significa unos 37 m3 de volumen yunas 30 t de carbn por horno. El aumento de laanchura de los hornos, junto con una velocidad decoquizacin ms baja, al utilizar cmaras msanchas, dio lugar a resultados inesperados en cuandoa la ampliacin de la gama de carbones que podanser coquizados.

El empujeEs conocido que al calentar los carbones

coquizables en atmsfera inerte, pasan por un estadoplstico en un intervalo de temperaturas que oscilaentre 350 C y 500 C, dependiendo del tipo decarbn. Dentro del horno existirn, por lo tanto, doszonas plsticas que tienden a desplazarseperpendicularmente a la direccin de calentamientoy hacia el centro del horno a medida que progresa lacoquizacin. Adems, dado que tanto la solera comola bveda del horno son tambin superficiescalientes, aparecern otras dos zonas plsticassecundarias, que se desplazan en direccin vertical.

Evolucin de la zona plstica durante la coquizacin en un horno de coque

Horno de coque a punto de ser deshornado


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El proceso durante el cual se desarrolla el fenmeno denominado "empuje" se puede dividir endos etapas: antes del encuentro de las dos zonas plsticas, y en el momento en que se realiza esteencuentro (temperatura en el centro inferior o superior a 350 C, respectivamente). En la primeraetapa, la presin existente en el carbn que est dentro de la envoltura plstica, es del orden de 20 a 40mbar en el centro de la carga. Por el contrario, la presin en el seno de las capas plsticas, es muyelevada y al transmitirse a los pies derechos por intermedio del semicoque y coque origina el empuje.

A lo largo de la primera etapa existe un crecimiento del empuje y de la presin interna en laszonas plsticas. Ello es debido, por una parte, a la disminucin del gradiente trmico a medida que nosaproximamos al centro del horno, lo que hace que los gases tengan que atravesar un mayor espesor dela zona plstica. Por otra parte, los vapores de aceites y alquitranes que se desprenden de las zonasplsticas se van condensando en las zonas menos calientes, con lo que resulta que el carbn estar msimpregnado de aceites y alquitranes cuanto ms nos aproximamos al centro y por tanto aumentar eldesprendimiento gaseoso y en consecuencia la presin. Cuando se encuentran en el centro las doscapas plsticas forman una nica capa plstica de anchura doble, producindose una subida brusca dela presin de los gases, que ahora tienen una gran dificultad para escapar. En este momento se producela presin y el empuje mximos.

El hinchamiento o expansin de la zona plstica se corresponde con una contraccin delsemicoque y con la posibilidad de compresin del carbn que an no ha entrado en la zona plstica. Seproducen as dos fenmenos contrapuestos, uno de expansin o empuje hacia las paredes del horno dela fase plstica y otro de contraccin del semicoque y el carbn. La resultante de estos dos fenmenospuede dar lugar a que el empuje sobre las paredes del horno alcance valores peligrosos para laintegridad del propio horno, si predomina la expansin (carbones peligrosos). Por contra, si predominala contraccin los carbones sern no peligrosos y perfectamente coquizables.

Fuerzas que se desarrollan durante la coquizacin


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El coque metalrgico en el horno alto

El coque metalrgico es utilizado como combustible y reductor en distintas industrias, pero suprincipal empleo es en el horno alto (coque siderrgico).

El coque cumple tres papeles principales en el horno alto:

(i) Como combustible, proporcionando calor para los requerimientos endotrmicos de lasreacciones qumicas, y para la fusin de la escoria y del metal. Este papel ha perdido ciertaimportancia debido a las adiciones de fuel y gas por las toberas y, recientemente, por la inyeccin decarbn.

(ii) Como reductor que produce y regenera los gases para la reduccin de los xidos de hierro.

(iii) Como soporte de la carga y responsable de la permeabilidad de la misma. Este papel es cadavez ms importante, a medida que aumenta el tamao de los hornos altos.

Calidad del coque metalrgico

La calidad del coque est en funcin del uso especfico a que est destinado. As, por ejemplo, elcoque de horno alto va a tener que soportar una gran carga, debido al material que existe encima de l,y que aumentar a medida que va descendiendo en el horno alto hasta llegar a la zona de reaccin.Para soportar esa presin sin desmoronarse antes de llegar a reaccionar, ha de poseer una buenaresistencia mecnica. Por otro lado, los trozos de coque, a medida que descienden en el horno alto, sevan a ver sometidos a una accin continua de los gases oxidantes que se desprenden en la zona dereaccin y que ascienden por el horno hasta salir por su parte superior. En estas circunstancias, elcoque necesita presentar una reactividad moderada frente a los gases desprendidos para poder llegar,lo ms ntegramente posible, a la zona de reaccin con el mineral de hierro. Para conseguir esto, serequiere un coque con una textura porosa adecuada, que hagan que su reactividad sea lo ms idneaposible.


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1.5 Calcinacin.

El concepto calcinacin es la eliminacin de agua y gases atrapados qumicamente en el concentrado, dlos cuales se pueden considerar los hidrxidos, carbonato, sulfatos y compuestos hidratados.

1.5.1 Termodinmica de la calcinacin.

Un estudio termodinmico de la calcinacin nos va a mostrar el sentido hacia donde se desplaza reaccin en las condiciones estndar (25 C y 1 atm de presin) ya sea hacia los productos o reactivos y el tipde la reaccin a desarrollar, si es exotrmica o endotrmica.

Analizando la calcinacin de un carbonato: como queremos la descomposicin dcarbonato el sentido de la reaccin ya se ha definido y es de izquierda a derecha, pero es necesario saber si reaccin genera o absorbe calor para desplazarse en el sentido deseado; y es necesario calcular el cambio dentalpia, obteniendo los valores de entalpia a 298 K para productos y reactivos, de las tablas termodinmicas.

Cambio de entalpa.

Sustituyendo los valores obtenidos queda:

El resultado positivo nos indica que la reaccin es endotrmica y que requiere calor para desplazarse dizquierda a derecha.

1.5.2 Cintica de la calcinacin.

El sueco, Jacobus Herlcus Vant Hoff, (1852 1911) sent las bases para el estudio de la cinticqumica, al mostrar la influencia de la concentracin y la temperatura en el equilibrio fisicoqumico de lareacciones.

La cintica pretende determinar la rapidez con que se desarrolla una reaccin, y a su vez, poder aceleraro retardarla, mediante la modificacin de los parmetros originales como son: La temperatura, radiacin de luque absorben los tomos, y los catalizadores en la reaccin.

La cintica se basa en el modelo del ncleo sin reaccionar que se encoge, en el cual considera a unpartcula esfrica con un dimetro (d0), que reacciona bajo la accin del calor.


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Pasado un tiempo "t" en que se dio la reaccin de calcinacin, se corta la partcula esfrica por la mitadpara observar el avance de dicha reaccin, aprecindose lo siguiente:

a.- La reaccin de la calcinacin MCO3 = MO + CO2 se present en la superficie donde la temperatura eigual a la de calcinacin.

b.- La reaccin continua hacia el centro de la partcula, pero la temperatura en esta zona no fue suficienpara la calcinacin.

c.- Un ncleo de reactivo de dimetro "d1" menor al dimetro original "d0" (d1< d0), queda sreaccionar, disminuyendo de esta manera, la eficiencia de la reaccin.

El mecanismo sugerido por la cintica (para que reaccione dicho ncleo de dimetro "d1"), es el siguiente

1.- Como la reaccin de calcinacin es endotrmica, es necesario difundir la temperatura de calcinacin frente de reaccin "interface" (limite de contacto entre d1 y d0).

2.- Con el valor de Td (temperatura adecuada para la calcinacin), la reaccin MCO3 = MO + CO2 erpida en s misma.

3.- La reaccin de calcinacin genera dixido de carbono como producto, es necesario difundirlo hacia exterior de la partcula a travs de la capa producto, porque al aumentar la concentracin frenara la reacci

hasta alcanzar el equilibrio.

La cintica identifica que el paso ms lento que controla una reaccin, es la difusin del calor, hacia interface o ncleo sin reaccionar, y para activar la reaccin y aumentar la eficiencia de la misma, es necesarconocer los parmetros que afectan la difusin trmica o transferencia de calor; dichos factores son: tamao dpartcula, conductividad trmica de la capa producto (naturaleza del material) y el gradiente de temperatuexistente.


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1.6 Principios de los procesos de aglomeracin.

Son los procesos en los cuales el mineral o concentrado fino, se transforma en terrones o partculas dmayor tamao, con el propsito de evitar los embanques y el arrastre de polvos metlicos.

El producto final de la aglomeracin debe cumplir con:

Resistencia a la compresin.

Resistencia a la abrasin.

Porosidad reactividad.

Tamao adecuado de partcula.

1.6.1- Sinterizacin.

Es un proceso de aglomeracin para partculas con un dimetro mayor o igual a 200 mallas, su objetivo e

permitir la unin entre partculas en las zonas de contacto para formar cuellos en dichas aras de contactoutilizando un calentamiento a temperaturas menores al punto de fusin del mineral. Al calentar las partculas ablandan en la superficie ya que se producen pequeas fases fundidas y al estar en contacto unas con otras unen a travs de un crecimiento de cristales o por medio de una difusin en estado slido.

La capacidad de sinterizacin depende de la velocidad de succin del aire a travs de la carga a sinterizay depende del vaco aplicado generalmente 0.1 a 0.2 atmsferas, de la permeabilidad de la carga, de tamaos dpartculas mayores a 100 mallas, de la humedad 10% mximo, y del tipo de coque empleado.

Mecanismos de sinterizacin.

En la sinterizacin se permite la difusin de la materia en estado slido presentndose los siguientpasos:

Difusin de tomos de la superficie hacia el cuello o rea de contacto entre dos o ms partculas

Difusin atmica del interior de las partculas hacia el cuello de contacto.

Vaporizacin y condensacin de la materia en la regin del cuello de contacto.

Recristalizacin de la materia cuando fueron sometidas a deformaciones ya que se libera desfuerzos e incrementa la regin de contacto.

Procesamiento general para sinterizar una carga oxidada.

Se tienen 4 tolvas de almacenaje con diferentes contenidos en cada una, como es mineral, coqufundente y material de retorta; de las cuales a travs de bandas dosificadoras de velocidad variable se extrala cantidad necesaria de cada una, para formar un composito y enviarlo a los patios de homogenizacin.

Carga homognea previamente sinterizada llamada sinter de retorno, se carga en el fondo dequipo para absorber calor y evitar la fusin de la parrilla y encima se carga una altura de 300 a 40 cm, dcomposito mineral a sinterizar.


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Se enciende la mufla y alcanza los 1 700K que es la temperatura de ignicin para calentar logases existentes en la parte superior de la carga a sinterizar.

Se hace succin en forma descendente de los gases calientes para encender la carga e iniciar sinterizacin.

Si la carga a sinterizar contiene un 9% de pirita o un 5% de azufre se puede ahorrar el consumde combustible.


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1.6.2- Peletizacin.

Es una operacin de aglomeracin para concentrados o minerales de tamaos de 200 mallas (0.1 mm) quno es posible sinterizar, con el propsito de aumentar el tamao de partcula y obtenerlas en forma esfrica o dpelotillas, particularmente se usa para menas de hierro.

Rolado o boleo del mineral formacin del pelet.- Se basa en el principio de la bola de nieve en pendiente de un cerro, como aglutinante se utiliza en esta etapa la humedad, aunque puede ser bentonita, CaClNaCl, FeSO4, CuSO4, CaSO4, cuyas funciones son regular la basicidad, hacer las partculas esfricas, aumentla tensin superficial, la resistencia a los choques trmicos y evitar la fragilidad del pelet.

Otros factores que aumentan la aglomeracin son las fuerzas de atraccin (magnticas y electrostticaentre las partculas y las propiedades fsicas (humectabilidad, capilaridad o porosidad del material, superficie dla partcula, forma, aspereza) y la estructura cristalina.

El equipo puede ser un tambor rotatorio o un disco con cierta inclinacin como se muestra en la figura:

El tamao de partcula a obtener vara de 10 a 30mm, aunque se pueden fabricar de 3mm. Estas sollamadas micropelotitas, dicho tamao depende de:

1- El ngulo de inclinacin del equipo: Mayor inclinacin menor tamao de partcula. 2- La velocidad de rotacin del equipo: Mayor velocidad menor tamao de partcula. 3- Humedad varia de 5 a 10% dependiendo de los huecos entre las partculas, el exceso d

humedad produce una mezcla pastosa que no permite la formacin del pelet.


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Cocimiento o endurecimiento. Est operacin se realiza con el propsito de eliminar la humedad y alguna

sustancias voltiles a una temperatura de operacin entre los 1200 y 1300C, al evaporarse el agua los pelets, svolveran polvo nuevamente ya que la tensin superficial del agua mantena unidas las partculas, pero por adicin del aglutinante permanece su forma an despus de la coccin.

Las caractersticas generales del pelet deben ser resistencia a la abrasin para soportar los medios dtransporte que los conduce hacia la coccin, a la compresin para soportar el peso de la carga sobre ellos en coccin y en los hornos para obtener el metal, la porosidad ya que aumenta la permeabilidad y la transferencde calor hacia el ncleo, el tamao y forma homogneos para permitir un mayor flujo de gases entre lapartculas y hacia el ncleo del pelet, y la composicin qumica homognea para aumentar la capacidad dreduccin del mineral.


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1.7- Chatarra y su preparacin.

Una materia prima muy importante para la fabricacin de metales ferrosos es la chatarra; esta represencerca del 50% de carga en el alto horno, 30% en el proceso bsico de oxigeno, y usualmente el 100% de la cargen la fabricacin de acero en el horno de arco elctrico.

La chatarra debe de ser limpia, no tener contaminacin por no metales que tienen que ser removidos en loperaciones tales como pedazos de concreto adheridos a la chatarra estructural, caucho y plstico presentes en chatarra de automviles.

El trmino "limpia" tambin incluye elementos no deseados como sulfuros de la acerera, y zinc el cual volatiliza y se oxida de nuevo con la deposicin subsecuente en los conductos del gas que daan gravemente sumateriales refractarios. El plomo se filtra a trabes del fondo del alto horno y dandolo de esta manera. Eestao afecta de forma marcada incluso en pequeas cantidades. El cobre acta de forma similar, pero es menodaino.

La anterior consideracin hace dos clases diferentes muy importantes de chatarra no deseada en lmolinos de acero. Chatarra del incinerador de la ciudad y cuerpos automotrices. La chatarra de la incineracide la ciudad es muy rica en estao de las latas. Completas cargas de acero han tenido que ser desechadas cuandla cantidad de estao se muestra por encima del 0.06%. A de mas esta chatarra usualmente trae muchos sulfurogeneralmente por aceites usados en la incineracin y a menos que este bien preparado por la separacimagntica, tambin tendr mucha ceniza intil.

Las carroceras de los cuerpos automotrices traen generalmente mucho cableado de cobre, zinc para impermeabilizacin del moho. Plomo y estao de la soldadura y sulfuros de los plsticos.

Unas tpicas instalaciones consisten en:

Retiro manual y fcil de piezas de chatarra, recuperables y rentables. (Cobre y plomo)

Un martillo pesado u otro molino empleado para desintegrar los cuerpos.

Destripador o desfibradora.

Tamiz vibrador: Este remueve muchos no metales, pues soportan el impacto de las operacionprecedentes.

Horno de ignicin: Este remueve la mayora de los no metales que resisten el impacto.

Separador magntico: Los valores no ferrosos se pueden recuperar de la fraccin no metlica por costosa clasificacin manual en las correas. (Peters, 1982)

MATERIAS PRIMAS PARA LA PRODUCCIN DE HIERRO

La forma esferidal del grafito que caracteriza al hierro dctil es producida usualmente con un contenido dmagnesio de aproximadamente de 0.04 a 0.06 %.

El magnesio es un elemento altamente reactivo a la temperatura del hierro fundido, combinndofcilmente con oxgeno y azufre.


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Para economizar magnesio y por la limpieza del metal, el contenido de azufre del hierro a ser tratado debser bajo (preferiblemente < 0.02%), esto se logra fcilmente en un horno elctrico por fundicin de cargabasadas en chatarra de acero a hierro en lingotes de calidad especial para la produccin del hierro dctil, juncon chatarra de hierro dctil.

El bajo contenido de azufre puede obtenerse tambin por fundicin en una cpula bsica, ya que el ciddelhierro fundido de la cpula tiene un alto contenido de azufre y normalmente necesita ser desulfurado antdel tratamiento por desulfurizacin continua o en serie en un cucharn o recipiente especial.

El tratamiento en cpula cida del hierro fundido sin la desulfurizacin previa no es recomendable, porquel hierro consume ms magnesio y produce excesiva escoria de sulfuro de magnesio, que es difcil de removpor completo.

Para producir hiero dctil con la mejor combinacin de resistencia, alta ductilidad y dureza, las materiaprimas que deben elegirse sern aquellas con bajo contenido de elementos indeseables, particularmente aquellque promueven una matriz de estructura perltica.

Un bajo contenido de magnesio es tambin necesario para conseguir ductilidad del material colado y pafacilitar el xito de los tratamientos trmicos para producir una estructura ferrtica. Para este propsito necesario usar chatarra de acero de calidad especial o hierro en lingotes, tambin de calidades especiales.

Las calidades de alta resistencia de hierro dctil pueden ser hechas de chatarra de acero estructural, hierren lingotes y retornos de fundicin, pero determinados elementos, tales como, plomo, antimonio y titanio, somantenidos siempre lo ms bajo posible para lograr una buena estructura de grafito.

Esos efectos indeseables, sin embargo, ser compensados con la adicin de una pequea cantidad de cerque da un contenido residual de cerio de 0.003 a 0.01%. Un importante control de las materias primas implica exclusin del aluminio que puede promover fragilizaciones y defectos superficiales en el siguiente cuadro muestran los contenidos tpicos de los elementos menores de tres materias primas usadas en la manufactura dhierro dct

CONTROL DE LA COMPOSICIN.

Carbono. En la prctica de la fundicin en hornos elctricos, el carbono deriva del hierro en lingotecarburizantes y chatarra de hierro fundido.

La carburizacin de cargas de chatarra de acero se logra agregando grafito de bajo azufre o coqugrafitizado, la proporcin de solucin y la recuperacin del carbono aumenta con la pureza de la fuente dcarbono usada. En cpula de fundido, el carbono tambin deriva del coque cargado.

El rango ptimo para este elemento es de 3.4 a 3.85%, dependiendo del contenido de silicio. Por encimde este rango, hay peligro de flotacin de grafito, (especialmente en secciones pesadas) y de un aumento en

expansin durante la solidificacin, que conlleva a fragilizaciones, particularmente en moldes de arena blandPor debajo de este rango, las fragilidades pueden tambin ocurrir por la falta de carbono. Silicio.

El silicio entra al hierro dctil desde las materias primas, incluyendo chatarra de hierro fundido, hierro elingotes y ferroaleaciones, y en pequea parte desde el contenido de silicio de las aleaciones agregadas duranla inoculacin. El rango preferente es de alrededor de 2 a 2.8%. Ms bajos niveles de silicio conducen a una alductilidad en hierros tratados trmicamente, pero a peligros de carburos en las secciones delgadas, mientras quun alto contenido de silicio acelera el recocido y ayuda a evitar carburos en las secciones delgadas.
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As como crece el contenido de silicio, la temperatura de transicin dctil-frgil en hierro ferrtic

aumenta. La dureza y la resistencia a la traccin tambin aumentan. Carbono equivalente (CE). Los contenidode carbono, silicio y fsforo pueden ser considerados juntos como un valor de CE, que puede ser una gua mutil para analizar el comportamiento de las fundiciones y algunas propiedades. Hay varias formulas de CE, y somuy usadas para calcular las propiedades de la fundicin y la estructura solidificada del hierro.

Cuando el carbono equivalentCE = c% +1/3 (Si% + P%Es igual a 4.3%, el hierro ser de composicin y estructura completamente eutctica, y la desviacin del valode CE desde este valor es una medida de la cantidad relativa de eutctico. Si CE es menor que 4.3%, habr unporcin de dendritas; si CE es mayor que 4.3%, habr ndulos de grafito primario en la estructura.

El grado de saturacin Sc, es a veces usado, para expresar la proximidad a la composicin eutctica. Evalor de Sc puede determinarse por la siguiente ecuaci

Sc = %C / 4.23 0.3 (%Si + %

Cuando Sc es menor que 1, el hierro es hipoeutctico y contendr dendritas primarias. Si Sc es mayor que habr grafito primario en la estructura. El carbono equivalente lquido (CEL) es una medida de la temperaturde lquidus, la cual tiene un mnimo valor en la composicin eutctica; que es CEL = %C + %Si /4 + %P /2. mxima fluidez ocurre cuando es alcanzado este valor.

El CEL solo puede ser medido convenientemente para hierros no tratados previamente con magnesio. Eusual pretender valores cercanos a 4.44.5, valores muy superiores a estos se restringen para evitar la flotacidel grafito.

Manganeso.La principal fuente de manganeso es la chatarra de acero usada en la carga. Este elemendebe ser evitado para obtener la mxima ductilidad. En hierros ferrticos este debe ser de 0.2% o menos. Ehierros para ser usados en la condicin perlitica, este puede estar en 1%.

El manganeso esta sujeto a una microsegregacion indeseable, esto es as especialmente en seccionpesadas, en las que el manganeso fomenta la aparicin de carburos en los bordes de grano, lo cual promueveuna baja ductilidad, baja tenacidad y perlita persistente. Magnesio.

El contenido de magnesio requerido para producir grafito esferoidal, varia entre 0.04 y 0.06%. Si contenido de azufre inicial es mas bajo que 0.015%, un contenido de magnesio mas bajo (0.035 a 0.04%) pudser satisfactorio. Si el contenido de magnesio es demasiado bajo pueden obtenerse estructuras de graficompacto con propiedades inferiores, mientras que un contenido demasiado alto puede promover a defectosuperficiales. Azufre.

El azufre deriva del cargado de materias primas metlicas. En cpulas de fundido, este tambin e

absorbido por el coque. Antes del tratamiento con magnesio, el contenido de azufre debe ser lo ms bajposible, preferiblemente por debajo de 0.02%.

El contenido final de azufre del hierro dctil est generalmente por debajo del 0.015%, pero si el cerio espresente, ste puede ser ms alto por la presencia de sulfuro de cerio en el hierro. Contenidos finales excesivde azufre son asociados con escorias de sulfuro de magnesio.

Cuando se usa cpula de hierro fundido, es comn desulfurizar el metal generalmente con cal o carbude calcio, continuamente o en series, antes del tratamiento de magnesio- a niveles de 0.02% o menores.


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Cerio. Puede ser agregado para neutralizar partculas indeseables de elementos que interfieren en

formacin del grafito esferoidal y para ayudar a la inoculacin, en % que pueden variar entre 0.003 y 0.01%. Efundiciones de muy bajo contenido de elementos menores, el cerio puede ser indeseable y puede promovformaciones de grafito no esferoidal, especialmente en secciones gruesas.

El cerio es agregado como un constituyente menor en aleaciones de adicin de magnesio e inoculantepara mejorar la estructura del grafito. Elementos menores que promueven el grafito no esferoidal. Plomantimonio, bismuto y titanio son elementos indeseables que pueden incorporarse en pequeas partes con lmaterias primas en la carga, pero sus efectos pueden ser neutralizados con la adicin de cerio.

Elementos menores que promueven la perlita. Nquel, cobre, manganeso, estao, arsnico y antimonitodos promueven la perlita y son listados en orden creciente de influencia. Pueden ingresar en el hierro compartculas constituyentes de la materia prima.

El cobre hasta un 0.3% y el estao hasta un 0.1% son usados deliberadamente cuando se requiereestructuras completamente perlticas. Una carga de alta pureza es esencial para lograr estructuras completamenferrticas o con recocido mnimo. Aluminio. La presencia de finsimas cantidades uniformes de aluminio en hierro dctil promueve la porosidad subsuperficial y superficial, por lo tanto debe ser evitado. La mayora de lafuentes comunes de aluminio son contaminantes en aceros y en chatarra de hierro fundido (como ejemptenemos, los pistones de aluminio provenientes de las chatarras de motores de aluminio).

Otra fuente es el aluminio contenido en los inoculantes. Un porcentaje de aluminio tan bajo como 0.01puede ser suficiente como para causar cavidades en el hierro dctil conteniendo magnesio. Fsforo. Enormalmente mantenido por debajo del 0.05%, porque promueve fragilidades y reducciones en la ductilidaElementos menores que promueven carburos. Cromo, vanadio y boro son todos promotores de carburos. magnesio puede tambin acentuar los efectos estabilizantes de carburos de estos elementos, especialmente esecciones pesadas donde la segregacin provoca la formacin de carburos en los bordes de grano. Socontrolados por una cuidadosa seleccin de las materias primas metlicas para fundicin.

Elementos aleantes que promueven el endurecimiento.

El nquel hasta un 2% y el molivdeno hasta un 0.75% son los elementos que se agregan generalmente papromover el endurecimiento cuando se vayan a aplicar tratamientos trmicos. Pequeas cantidades dmanganeso y cobre promueven tambin el endurecimiento, pero son normalmente usados en combinacin cootros elementos. El cobre tiene una solubilidad limitada y debe ser mantenido por debajo del 1.5%.

Elementos aleantes para lograr propiedades especiales.

Las estructuras de matriz austentica son logradas por adicin de 20% o ms cuando se requiere resistencal calor, a la corrosin o a la oxidacin, y hasta un 5% de cromo puede tambin agregarse para tales fines. Locontenidos de nquel hasta un 36% producen hierros de propiedades controladas de baja expansin. Hasta u

10% de manganeso en los hierros austenticos conduce a una baja permeabilidad magntica, y se acepta un bajcontenido de nquel para lograr una austenita estable. Un contenido de silicio de hasta un 6% producestructuras de matriz ferrticas con reducido crecimiento, distorsin trmica y rotura a elevadas temperaturas. Ladicin de hasta un 2% de molibdeno a los hierros perlticos, ferrticos y austenticos confieren mejoras en creep y resistencia a temperaturas elevadas.


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Impacto ambiental en la Fabricacin de hierro y acero

La fabricacin de hierro y acero implica una serie de procesos complejos, mediante los cuales, el minerde hierro se extrae para producir productos de acero, empleando coque y piedra caliza. Los procesos dconversin siguen los siguientes pasos:

(a) produccin de coque del carbn, y recuperacin de los subproductos,

(b) preparacin del mineral (p.ej., sintetizar y formar pelotillas),

(c) produccin de hierro,

(d) produccin de acero

(e) fundicin, laminacin y acabado.

Se pueden realizar estos pasos en una sola instalacin, o en varios lugares completamente separados. Emuchos pases en desar

Guia de Estudio de La Materia de Pfmf Actividad Preliminar

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