Produccion y refinacion de arrabio
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MINERALES DE HIERRO. Los minerales industriales que se emplean para obtener hierro y sus aleaciones (aceros y fundición) son generalmente cuatro:
Magnetita: (Fe3 O4) Es un oxido de hierro (combinación de hierro y oxigeno) de estructura cristalina de color pardo con propiedades magnéticas. Su porcentaje de hierro puede llegar a 72% por lo que es el más rico de los minerales y su hierro muy puro.
Hematites: (Fe2 O3) También es un oxido de hierro pero mas pobre que la magnetita. Puede ser de color moreno o de color rojo en masas terrosas (mas ricas en hierro) y en fin en forma cristalina de color negro con reflejos rojizos; este ultimo, se llama oligisto.
Limonita: (3Fe2 O3 + 2H2 O) Es un hidróxido de hierro que contiene como máximo el 60% de metal. Se distingue por su color amarillo y por su forma de estalactita o bien terrosa. Muy importante es la limonita francesa granular (M´inette) que contiene fósforo; además se encuentran limonitas en Alemania, Hungría y los Estados Unidos.
Siderita: (Fe Co3) Es un carbonato de hierro (hierro, oxigeno y carbono) de color blanco-amarillo, de estructura cristalina, que puede contener un 50% de hierro, Se llama También hierro espático
Los materiales básicos empleados para fabricar arrabio son mineral de hierro, coque y caliza.
Fe2O3 + 3 CO => 3 CO2 + 2 Fe
Composición del arrabio :
92% de hierro, 3 o 4% de carbono, entre 0,5 y 3% de silicio,del 0,25% al 2,5% de manganeso, del 0,04 al 2% de fósforo algunas partículas de azufre.
El ALTO HORNO es virtualmente una planta química que reduce continuamente el hierro del mineral. Químicamente desprende el oxígeno del óxido de hierro existente en el mineral para liberar el hierro
Está formado por una cápsula cilíndrica de acero forrada con un material no metálico y resistente al calor, como ladrillos refractarios y placas refrigerantes. El diámetro de la cápsula disminuye hacia arriba y hacia abajo
Carga típica en Alto Horno de CSH
Composición química del Arrabio
Componentes kg/carga
Mineral de Hierro 9.600
Pellets 19.600
Chatarra 300
Mineral de Mn 450
Caliza 2.300
Cuarzo 250
Coque 9.200
Petróleo + Alquitrán 899
Aire Insuflado 1.530 m3/min
Temperatura Aire Insuflado 1.030ºC
Elementos %
Hierro (Fe) 93,70
Car1.460ºC
bono (C)4,50
Manganeso (Mn) 0,40
Silicio (Si) 0,45
Fósforo (P) 0,110
Azufre (S) 0,025
Vanadio (V) 0,35
Titanio (Ti) 0,06
Temperatura en Alto Horno
Las materias primas se cargan en la parte superior del horno.
El aire, se calienta a 1.030ºC aproximadamente
Es forzado dentro de la base del horno para quemar el coque
El coque en combustión 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:
Carbono
(Coque)
Oxígeno
(aire)Calor
Monóxido
de Carbono
Gaseoso
2C+
O2 Calor+
2CO
Oxido de
Hierro
Monóxido
de
Carbono
Hierro
Fundido
Dióxido de
Carbono
Gaseoso
Fe2O3 +3CO
2Fe
Hierro
+3CO2
Impurezas CalizaArrabio
El arrabio recién producido contiene contiene de 5 a
6% de carbono y demasiadas impurezas para ser
provechoso. Debe ser refinado, porque esencialmente,
el acero es hierro altamente refinado que contiene
menos de un 2% de carbono.
El hierro recién colado se denomina "arrabio".
La fabricación del acero a partir del arrabio implica no
sólo la remoción del carbono para llevarlo al nivel
deseado, sino también la remoción o reducción de las
impurezas que contiene.
Se pueden emplear varios procesos de fabricación de
acero para purificar o refinar el arrabio; es decir, para
remover sus impurezas. Cada uno de ellos incluye el
proceso básico de oxidación.
REFINACION DEL ARRABIO:
En el alto horno, el oxígeno fue removido del mineral por
la acción del CO (monóxido de carbono) gaseoso, el
cual se combinó con los átomos de oxígeno en el
mineral para terminar como CO2 gaseoso (dióxido de
carbono).
A alta temperatura, los átomos de carbono (C) disueltos
en el hierro fundido se combinan con el oxígeno para
producir monóxido de carbono gaseoso y de este modo
remover el carbono mediante el proceso de oxidación.
Ahora, el oxígeno se empleará para remover el exceso
de carbono del arrabio
En forma simplificada la reacción es :
Carbono + Oxígeno MONOXIDO
DE
CARBONO
GASEOSO
2C + O2 2CO
EL PROCESO DE FABRICACIÓN SE DIVIDE EN DOS FASES
1. la fase de fusión
2. la fase de afino.
Fase de fusión
Una vez introducida la chatarra en el horno y
los agentes reactivos y escorificantes
(principalmente cal) se desplaza la bóveda
hasta cerrar el horno y se bajan los electrodos
hasta la distancia apropiada, haciéndose saltar
el arco hasta fundir completamente los
materiales cargados. El proceso se repite hasta
completar la capacidad del horno,
constituyendo este acero una colada.
Fase de afino
El afino se lleva a cabo en dos etapas. La primera en el propio
horno y la segunda en un horno cuchara.
En el primer afino se analiza la composición del baño fundido y se
procede a la eliminación de impurezas y elementos indeseables
(silicio, manganeso, fósforo, etc.) y realizar un primer ajuste de la
composición química por medio de la adición de ferroaleaciones
que contienen los elementos necesarios (cromo, niquel,
molibdeno, vanadio, titanio, etc.).
El acero obtenido se vacía en una cuchara de colada, revestida de
material refractario, que hace la función de cuba de un segundo
horno de afino en el que termina de ajustarse la composición del
acero y de dársele la temperatura adecuada para la siguiente fase
en el proceso de fabricación.
Elemento Forma de eliminación Reacción química
CarbonoAl combinarse con el oxígeno se quema
dando lugar a y gaseoso que se elimina a
través de los humos.
Manganeso Se oxida y pasa a la escoria.
Combinado con sílice da lugar a silicatos.
Silicio Se oxida y pasa a la escoria.
Forma silicatos
FósforoEn una primera fase se oxida y pasa a la
escoria.
En presencia de carbono y altas
temperaturas puede revertir al baño.
Para fijarlo a la escoria se añade cal
formándose fosfato de calcio.
AzufreSu eliminación debe realizarse mediante el
aporte de cal, pasando a la escoria en
forma de sulfuro de calcio. La presencia de
manganeso favorece la desulfuración.
Principales reacciones químicas en el afino
Finalizado el afino la cuchara de colada se lleva hasta la artesa receptora de la colada continua donde vacía su contenido en una artesa receptora dispuesta al efecto.
La laminación Podríamos describir la laminación como un proceso en el que se hace
pasar al semiproducto (palanquilla) entre dos rodillos o cilindros, que giran
a la misma velocidad y en sentidos contrarios.
En este proceso se aprovecha la ductilidad del acero, es decir, su
capacidad de deformarse
La laminación en caliente se realiza a temperaturas comprendidas entre 1.250 ºC, al inicio del proceso, y 800 ºC al final del mismo.
La laminación sólo permite
obtener productos de sección
constante, como es el caso de
las barras corrugadas.
Estructura del acero.
Las propiedades físicas de los aceros y su comportamiento a distintas
temperaturas dependen sobre todo de la cantidad de carbono y de su
distribución en el hierro.
Antes del tratamiento térmico, la mayor parte de los aceros son una
mezcla de tres sustancias:
ferrita, perlita y cementita.
La ferrita, blanda y dúctil, es hierro con pequeñas cantidades de
carbono y otros elementos en disolución
La cementita, un compuesto de hierro con el 7% de carbono
aproximadamente, es de gran dureza y muy quebradiza.
La perlita es una profunda mezcla de ferrita y cementita, con una
composición específica y una estructura característica, y sus
propiedades físicas son intermedias entre las de sus dos
componentes.
La resistencia y dureza de un acero que no ha sido tratado
térmicamente depende de las proporciones de estos tres
ingredientes.
Cuanto mayor es el contenido en carbono de un acero, menor es la
cantidad de ferrita y mayor la de perlita: cuando el acero tiene un
0,8% de carbono, está por completo compuesto de perlita. El acero
con cantidades de carbono aún mayores es una mezcla de perlita y
cementita.
Al elevarse la temperatura del acero, la ferrita y la perlita se
transforman en una forma alotrópica de aleación de hierro y carbono
conocida como austenita, que tiene la propiedad de disolver todo el
carbono libre presente en el metal.
Si el acero se enfría despacio, la austenita vuelve a convertirse en
ferrita y perlita, pero si el enfriamiento es repentino la austenita se
convierte en martensita, una modificación alotrópica de gran dureza
similar a la ferrita pero con carbono en solución sólida.
Tratamiento térmico del acero.
El proceso básico para endurecer el acero mediante tratamiento térmico
consiste en calentar el metal hasta una temperatura a la que se forma
austenita, generalmente entre los 750 y 850 ºc
Después enfriarlo con rapidez sumergiéndolo en agua o aceite. Estos
tratamientos de endurecimiento forman martensita.
Crean grandes tensiones internas en el metal, que se eliminan mediante
el temple o el recocido.
Consiste en volver a calentar el acero hasta una temperatura menor.
El temple reduce la dureza y resistencia y aumenta la ductilidad y la
tenacidad.
El objetivo fundamental del proceso de tratamiento térmico es controlar la
cantidad, tamaño, forma y distribución de las partículas de cementita
contenidas en la ferrita, que a su vez determinan las propiedades físicas
del acero.
Características mecánicas
y tecnológicas del acero
• Su densidad media es de 7850 kg/m³.
• En función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o
fundir.
• El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación y los
porcentajes de elementos aleantes. El de su componente principal,
el hierro es de alrededor de 1.510 °C en estado puro
• Relativamente dúctil. Con él se obtienen hilos delgados llamados
alambres
• Es maleable Se pueden obtener láminas delgadas llamadas
hojalatas.
• Se puede soldar con facilidad.
• La corrosión es la mayor desventaja de los aceros
• Posee una alta conductividad eléctrica. En las líneas aéreas de alta
tensión se utilizan con frecuencia conductores de aluminio con alma
de acero proporcionando éste último la resistencia mecánica
necesaria para incrementar los vanos entre la torres y optimizar el
coste de la instalación.
• Se utiliza para la fabricación de imanes permanentes artificiales, ya
que una pieza de acero imantada no pierde su imantación si no se la
calienta hasta cierta temperatura.
• El acero se dilata y se contrae según un coeficiente de dilatación
similar al coeficiente de dilatación del hormigón, por lo que resulta
muy útil su uso simultáneo en la construcción, formando un material
compuesto que se denomina hormigón armado. El acero da una falsa
sensación de seguridad al ser incombustible, pero sus propiedades
mecánicas fundamentales se ven gravemente afectadas por las altas
temperaturas que pueden alcanzar los perfiles en el transcurso de un
incendio.
Aunque la composición química de
cada fabricante de aceros es casi
secreta, certificando a sus clientes
solo la resistencia y dureza de los
aceros que producen, sí se conocen
los compuestos agregados y sus
porcentajes admisibles
Aluminio: se emplea como elemento de aleación en los aceros de
nitruración, que suele tener 1% aproximadamente de aluminio.
Como desoxidante se suele emplear frecuentemente en la
fabricación de muchos aceros. Todos los aceros aleados en calidad
contienen aluminio en porcentajes pequeñísimos, variables
generalmente desde 0,001 a 0,008%. También se utiliza como
elemento desoxidante.
Boro: en muy pequeñas cantidades (del 0,001 al 0,0015%) logra
aumentar la capacidad de endurecimiento cuando el acero está
totalmente desoxidado, pues se combina con el carbono para formar
carburos proporcionando un revestimiento duro y mejorando la
templabilidad. Es usado en aceros de baja aleación en aplicaciones
como cuchillas de arado y alambres de alta ductilidad y dureza
superficial. Utilizado también como trampa de nitrógeno,
especialmente en aceros para trefilación, para obtener valores de N
menores a 80 ppm.
Cobalto: muy endurecedor. Disminuye la templabilidad. Mejora la
dureza en caliente. El cobalto es un elemento poco habitual en los
aceros. Se usa en los aceros rápidos para herramientas, aumenta la
dureza de la herramienta en caliente. Se utiliza para aceros
refractarios. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros.
Cromo: es uno de los elementos especiales más empleados para la
fabricación de aceros aleados, usándose indistintamente en los aceros
de construcción, en los de herramientas, en los inoxidables y los de
resistencia en caliente. Se emplea en cantidades diversas desde
0,30% a 30%, según los casos y sirve para aumentar la dureza y la
resistencia a la tracción de los aceros, mejora la templabilidad, impide
las deformaciones en el temple, aumenta la resistencia al desgaste, la
inoxidabilidad (con concentraciones superiores al 12%), etc. Forma
carburos muy duros y comunica al acero mayor dureza, resistencia y
tenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos,
proporciona a los aceros características de inoxidables y refractarios;
también se utiliza en revestimientos embellecedores o recubrimientos
duros de gran resistencia al desgaste, como émbolos, ejes, etc.
Estaño: es el elemento que se utiliza para recubrir láminas muy
delgadas de acero que conforman la hojalata.
Manganeso: se añade como elemento de adición para neutralizar la
perniciosa influencia del azufre y del oxigeno, que siempre suelen
contener los aceros cuando se encuentran en estado líquido en los
hornos durante los procesos de fabricación. El manganeso actúa
también como desoxidante y evita, en parte, que en la solidificación
del acero que se desprendan gases que den lugar a porosidades
perjudiciales en el material.Si los aceros no tuvieran manganeso, no
se podrían laminar ni forjar, porque el azufre que suele encontrarse
en mayor o menor cantidad en los aceros, formarían sulfuros de
hierro, que son cuerpos de muy bajo punto de fusión (981 °C
aproximadamente) que a las temperaturas de trabajo en caliente
(forja o laminación) funden. Los aceros ordinarios y los aceros
aleados en los que el manganeso no es elemento fundamental,
suelen contener generalmente porcentajes de manganeso variables
de 0,30 a 0,80%.
Molibdeno: es un elemento habitual del acero y aumenta mucho la
profundidad de endurecimiento de acero, así como su tenacidad. Los
aceros inoxidables austeníticos contienen molibdeno para mejorar la
resistencia a la corrosión.
Nitrógeno: se agrega a algunos aceros para promover la formación de
austenita.
Plomo: el plomo no se combina con el acero, se encuentra en él en
forma de pequeñísimos glóbulos, como si estuviese emulsionado, lo que
favorece la fácil mecanización por arranque de viruta, (torneado,
cepillado, taladrado, etc.) ya que el plomo es un buen lubricante de corte,
el porcentaje oscila entre 0,15% y 0,30% debiendo limitarse el contenido
de carbono a valores inferiores al 0,5% debido a que dificulta el templado
y disminuye la tenacidad en caliente. Se añade a algunos aceros para
mejorar mucho la maquinabilidad.
Silicio: aumenta moderadamente la templabilidad. Se usa como
elemento desoxidante. Aumenta la resistencia de los aceros bajos en
carbono.
Titanio: se usa para estabilizar y desoxidar el acero, mantiene estables
las propiedades del acero a alta temperatura.
Tungsteno: también conocido como wolframio. Forma con el hierro
carburos muy complejos estables y durísimos, soportando bien altas
temperaturas. En porcentajes del 14 al 18 %, proporciona aceros rápidos
con los que es posible triplicar la velocidad de corte de los aceros al
carbono para herramientas.
Vanadio: posee una enérgica acción desoxidante y forma carburos
complejos con el hierro, que proporcionan al acero una buena resistencia
a la fatiga, tracción y poder cortante en los aceros para herramientas.
Zinc: es elemento clave para producir chapa de acero galvanizado.
Los tratamientos superficiales más usados son los siguientes:
Cincado: tratamiento superficial antioxidante por proceso electrolítico o
mecánico al que se somete a diferentes componentes metálicos.
Cromado: recubrimiento superficial para proteger de la oxidación y
embellecer.
Galvanizado: tratamiento superficial que se da a la chapa de acero.
Niquelado: baño de níquel con el que se protege un metal de la
oxidación.
Pavonado: tratamiento superficial que se da a piezas pequeñas de
acero, como la tornillería.
Pintura: usado especialmente en estructuras, automóviles, barcos, etc.
