Producción del Hierro y del Acero

Los metales son aleaciones que se encuentran en la corteza terrestre en forma de minerales. Definición de Mineral: Combinación química espontánea de varios elementos de origen inorgánico. La producción de metales a partir de los minerales es la METALURGIA. Las excepciones son el oro, la plata y el platino que se encuentran en estado libre en la naturaleza. Definición de Metal Ferroso: es aquel cuyo mineral de origen es el óxido de hierro. Definición de Materiales aleados: Su base es el carbono. Otros: silicio, manganeso, azufre, fósforo. Cantidad de Carbono:

• Mayor a 2%: hierro de fundición
• Menor a 2%: acero.

Producción

1. Fundición

Trituración: Procesa el tamaño en molinos de mandíbula.Preparación y enriquecimiento de los minerales:

• Clasificación: Separación por cribado de gruesos y finos.
• Calcinación: Eliminación de impurezas por calor.
• Lavado: Eliminación de impurezas (arcillas y arena) por chorro de agua.
• Separación: Se extrae el mineral de hierro mediante electroimanes.
• Tostado: Aglomeración de las partículas del mineral mediante calor, dándole    porosidad y dejándola en condiciones del proceso de fusión.

Minerales de hierro: Los minerales de hierro son compuestos naturales que contienen óxido de hierro y la llamada ganga. La ganga contiene en lo fundamental Sílice (Si O2), alúmina (Al2O3), óxido de calcio (CaO) y óxido de magnesio (MgO). La utilidad del mineral de hierro para la fusión se determina por el contenido de hierro, por la composición de la ganga y la presencia de impurezas perjudiciales, como el azufre, fósforo, arsénico y otras.  Entre los minerales de hierro industriales se tiene: La magnetita (imán natural), contiene el hierro en forma de oxido ferroso o férrico. El contenido oscila entre 45 a 70%. El mineral tiene propiedades magnéticas, gran densidad y color negro. La Hematita u oligisto es oxido de hierro deshidratado. Su contenido de hierro es entre 50 a 60% y es de color rojizo negruzco. Se reduce com mayor facilidad que el imán natural.

La limonita

La limonita es óxido de hierro hidratado. El mineral contiene del 20 al 60% de hierro y tiene color pardo con diferentes matices. Se reduce bien, lo que hace económico la obtención del hierro colado incluso con minerales pobres; La siderita (hierro espático, (FeCO3)) es l combinación del ácido carbónico con el hierro. (carbonato de hierro). El contenido de hierro oscila entre 30 a 42%. El mineral tiene un color gris con matices de amarillo. La siderita se reduce muy bien.  compuesta de una parte inflamable y otra no inflamable (lastre).  El combustible usado es el carbón mineral (coke): Es una materia orgánica partes inflamables son el carbono e hidrógeno, el latre pertenecen el agua, la ceniza y el azufre. Este ultimo, a pesar de que al quemarse produce calor, es un componente indeseable, ya que al penetrar en el metal empeora sus propiedades. El combustible necesario para el trabajo de los altos hornos ha de ser suministrado en forma de pedazos de un tamaño determinado, poseer una solidez suficiente, ser resistente al desgaste, no formar grietas a altas temperaturas, contener una cantidad mínima de impurezas que se introduzcan en el metal, producir una pequeña cantidad de ceniza al quemarse, tener alto poder calorífico y ser barato.  En los altos hornos se utiliza como combustible principalmente el coque, y con menos frecuencia, el carbón vegetal. El coque es el combustible fundamentalmente para la fusión en los altos hornos. Se obtiene por medio de la destilación seca del carbón de piedra. La producción del coque se realiza en hornos especiales a la temperatura de 1000 a 1100 grados Celsius. El coque de buena calidad tiene un color gris claro un tanto plateada, no mancha las manos, es bastante poroso y tiene grietas en su superficie. El coque contiene de 85 a 87% de carbono, del 1.5 al 2 % de azufre, del 5 al 9% de humedad y del 10 al 13% de ceniza. El poder calorífico del coque es de 7000 a 8000 kcal/kg. La resistencia al aplastamiento alcanza 140 kg/cm cuadrados.

Los fundentes son sustancias minerales usadas para combinarse con la ganga* y las cenizas del combustible para producir escorias. Cuando los minerales contienen impurezas de arena y arcilla, se usa como fundente la caliza; cuando la composición de la ganga es calcárea, se pueden emplear como fundentes sustancias que contengan sílice, cuarzo, arenisca y cuarcitas. Antes de la fusión los fundentes se trituran en pedazos de 30 a 80 mm. * La ganga suele ser una fracción de silicatos o de otros minerales sin interés económico que acompaña al mineral .

Carga para el Alto Horno:

La materia prima, formada por mineral de hierro (60%), carbón de coque (30%) y fundente (10%), se introduce en el horno alto por la parte superior.

Mineral de hierro (1). Antes de ser introducido en el horno alto se debe someter a una serie de tratamientos preliminares. Estos tratamientos consisten en triturar y moler el mineral, para posteriormente separar la parte útil (mena) de la no aprovechable (rocas, cal, sílice, tierra, etc.), que constituye la ganga.

• Carbón de coque (2). Se ha creado artificialmente a partir de la hulla. Su misión, dentro del horno alto, es la siguiente: – Producir, por combustión, el calor necesario para fundir la mena y generar las reacciones químicas necesarias para que el óxido de hierro (mineral de hierro) se convierta en arrabio. – Soportar el peso de la materia prima introducida, permitiendo que no se aplaste, para que pueda arder en la parte inferior y salgan los gases hacia la parte superior del horno.

• Fundente (3):Compuesto por piedra caliza, cal (siempre que el mineral tenga composición ácida), cuya misión es:

– Reaccionar químicamente con la ganga que haya podido quedar en el mineral, arrastrándola hacia la parte superior de la masa líquida, y formando lo que se denomina escoria.

– Bajar el punto de fusión de la ganga para que la escoria sea líquida.

B- Funcionamiento del horno alto:

El horno alto (4), una vez encendido, está funcionando ininterrumpidamente hasta que es necesario hacerle una reparación.A medida que se introduce la carga por la parte superior, ésta va bajando y su temperatura aumentando hasta llegar al etalaje (imagen inferior). Aquí la temperatura ronda los 1 650 °C, suficientes para que el mineral de hierro (mena) se transforme en gotitas de hierro que se depositan en el crisol (imagen inferior).

Alto Horno

La cal (fundente) reacciona químicamente con la ganga formando la escoria, que flota sobre el hierro fundido. Por un agujero, llamado bigotera o piquera de escoria, se extrae, cada dos horas, la escoria. Esta escoria se emplea en la fabricación de cementos, balastros de vías de ferrocarril y aislante térmico.

Periódicamente, se abre la piquera de arrabio y se extrae el hierro líquido que hay en el crisol. Este hierro líquido se llama arrabio o hierro de primera fusión (5) y contiene muchas impurezas, así como un exceso de carbono, por lo que normalmente no tiene ninguna aplicación.

Casi la totalidad del arrabio se convierte en acero a través del convertidor o procedimiento LD. A veces, el arrabio se solidifica en moldes especiales, formando lingotes.

Rodeando al horno, alto a la altura del etalaje, se encuentra el anillo o morcilla (tubo de gran diámetro), del cual se extrae aire caliente que se introduce en el horno a través de las toberas.

Ver video:

C- Transformación del arrabio en acero, convertidor: El arrabio posee un exceso de impurezas (azufre, fósforo, silicio, etc.) que lo hace demasiado frágil y poco adecuado para la fabricación de piezas industriales.La solución consiste en eliminar la mayoría de esas impurezas en hornos adecuados, denominados hornos de afino. El horno más empleado en el afino del acero se denomina convertidor o procedimiento LD (7). El transporte del arrabio desde el horno alto hasta el convertido r se lleva a cabo mediante trenes con depósitos especiales, llamados torpedos (Imagen inferior):

.  Materia prima que emplea el convertidor LD: – Arrabio líquido, pero también se le pueden añadir pequeñas cantidades de chatarra. – Fundente (cal, que reacciona con las impurezas y forma la escoria que flota sobre el metal fundido). – Ferroaleaciones, que mejoran las propiedades del acero. • Características del horno convertidor:

• Interiormente está recubierto de ladrillo refractario.
• La producción por hornada suele ser de unas 300 toneladas de acero de gran calidad.
• Cada hornada suele durar aproximadamente una hora.

• Funcionamiento del horno convertidor. El proceso de funcionamiento se muestra en la imagen inferior:

Proceso de fundición del convertidor

Proceso del alto horno (EXTRACCION_DEL_HIERRO):

En el funcionamiento de un alto horno tienen lugar dos flujos continuos a contracorriente de arriba hacia abajo desciende el mineral de hierro, coque, fundente y de abajo hacia arriba se mueven los productos de combustión del coque y el aire caliente. Al descender, el coque se calienta por los gases calientes que ascienden y al ponerse en contacto con el aire de l parte inferior del horno se quema de acuerdo con la reacción: C+O2 = CO2+97650 cal Cuando arde el coque, la temperatura se eleva hasta 1600 a 1750 grado celsius. El CO2 que se forma, entra en reacción con nuevas capas del coque calentado al rojo, reduciendose a monxido de carbono según la reacción: CO2 +C = 2 CO – 37710 cal. La mezcla gaseosa calentada, compuesta del monoxido de carbono, bióxido de carbono y el nitrógeno del aire sube, y entrando en contacto con los materiales de carga que descienden los calienta ininterrumpida mente creando en diferentes partes del horno las zonas de temperatura correspondientes. En la zona del tragante y en la parte superior de la cuba el mineral introducido se seca, apareciendo en el grietas.  En la parte media e inferior, a las temperaturas de 400 a 900 grados Celsius, el monoxido de carbono actuando sobre el mineral, contribuye a la reducción gradual del hierro según las reacciones: Como reductor del hierro actúa también el carbono sólido que se forma como resultado de la descomposición del CO según la reacción: 2 CO = C + CO2. La reducción del hierro por el carbono se realiza según la siguiente reacción:

C + 02= CO2 + 97 650 cal.

CO2+ C = 2CO – 37 710 cal.

3Fe2O3 +CO= 2Fe3O4 + CO2 + 8870 cal.

2Fe3O4 + 2CO =6FeO+ 2CO2- 9980 cal

La reducción del hierro por el carbono se realiza según la siguientes reacción:

6FeO+ 6CO = 6Fe +6CO2+ 19500 cal.

* FeO +C = Fe + CO -34 460 cal.

Los granos reducidos de hierro empiezan a soldarse, creando pedacitos de hierro esponjoso. En la zona del etalaje con temperatura aproximada de 1100 a 1200 grado Celsius se reducen el manganeso, silicio y fósforo que se disuelven en el hierro. Paralelamente se verifica la saturación del hierro con el carbono formándose carburos de hierro según la reacción:

3Fe + 2CO = Fe3C+ CO2

El carburo e hierro formado, así como el carbono sólido se disuelve en el hierro esponjoso, el cual, a medida que se satura, se convierte en el hierro fundido. en el hierro también se disuelven las combinaciones sulfúricas del mineral y el coque. La disolución de carbono, silicio, manganeso, fósforo y azufre en el hierro se llama hierro fundido. en la zona del etalaje aparecen gotas de hierro fundido que caen gradualmente en el crisol. Como ya se ha indicado más arriba el mineral contiene ganga. Esta es bastante refractaria, es decir, funde a una temperatura muy alta. Para rebajar la temperatura de fusión de la ganga se introduce caliza en la carga. la cálida, poniéndose en interacción (fundiéndose), forma escorias con la ganga. En las escorias se disuelve una parte de las impurezas perjudiciales (sulfúricas, fosfóricas) y la ceniza. Las escorias con un gran contenido de SiO2 se llaman ácidas , y con un contenido de CaO, básicas. Las escorias más básicas contribuyen a una eliminación considerable del azufre en el hierro fundido. Las escorias, lo mismo que el hierro fundido, caen en forma de gotas en la parte inferior del alto horno. Pero, las escorias tienen un peso específico menor en comparación con el hierro fundido, y, por eso, suben en estado líquido a la superficie del hierro fundido, y, por eso, suben en estado líquido a la superficie del hierro fundido liquido. El hierro fundido sale del alto horno a través de la piquera y las escorias, por la bigotera. Las escorias se descargan. Las escorias se descargan cada hora. Las escorias descargadas se transportan en vagonetas especiales al lugar en donde se transforman posteriormente.. El hierro fundido se sangra unas 6 veces al día. para sangrar el hierro fundido se interrumpe el suministro del aire y se abre la piquera. Este sale del horno por canales y se vierte en grandes cucharas revestidas (recipientes de metal) llamadas mixer, por medio de las cuales el hierro fundido se transporta al lugar de su empleo. Una parte considerable del hierro fundido se suministra en estado líquido a los talleres de fundición de acero y el resto se vierte en máquinas especiales para obtener bloques.

D- Extracción del acero con materia prima chatarra: En la actualidad, prácticamente el único horno que se emplea para convertir la chatarra en acero es el horno eléctrico (imágen inferior).

Las partes más importantes de un horno eléctrico pueden verse en la imágen inferior y son las siguientes:

• Transformador eléctrico. Convierte el voltaje a 900 V y transforma la corriente eléctrica alterna en corriente continua.

• Cables flexibles. Conducen la electricidad hasta los electrodos (14).

• Brazos de los electrodos. Permiten que los electrodos se acerquen o se alejen de la chatarra para que salte el arco eléctrico.

• Sujeción de electrodos.

• Pórtico con brazos hidráulicos . Permite quitar y poner la tapadera del horno eléctrico para introducir la chatarra, las ferroaleaciones y el fundente.

• Salida de humos refrigerada . Conduce los humos a un filtro (en muchos casos, cortina de agua), eliminando las partículas en suspensión.

• Estructura oscilante. Permite inclinar el horno para extraer el acero fundido. Para ello dispone de un dispositivo de volteo hidráulico.

D- Obtención de acero a través de la chatarra: En la actualidad, prácticamente el único horno que se emplea para convertir la chatarra en acero es el horno eléctrico (imágen inferior).

Las partes más importantes de un horno eléctrico pueden verse en la imágen inferior y son las siguientes:

• Transformador eléctrico. Convierte el voltaje a 900 V y transforma la corriente eléctrica alterna en corriente continua.
• Cables flexibles. Conducen la electricidad hasta los electrodos (14).
• Brazos de los electrodos. Permiten que los electrodos se acerquen o se alejen de la chatarra para que salte el arco eléctrico.
• Sujeción de electrodos.
• Pórtico con brazos hidráulicos . Permite quitar y poner la tapadera del horno eléctrico para introducir la chatarra, las ferroaleaciones y el fundente.
• Salida de humos refrigerada . Conduce los humos a un filtro (en muchos casos, cortina de agua), eliminando las partículas en suspensión.
• Estructura oscilante. Permite inclinar el horno para extraer el acero fundido. Para ello dispone de un dispositivo de volteo hidráulico.

Las materias primas que utiliza el horno eléctrico son:

• Chatarra seleccionada que, prácticamente, no lleve otros metales no ferrosos, como cobre, aluminio, plomo, etcétera. • Fundente (cal).
• Ferro aleaciones, por ejemplo con Ni, Cr, Mo, etc., para fabricar aceros especiales.

Las características principales del horno eléctrico son:

• Interiormente está recubierto de ladrillo refractario.
• En el interior del horno se pueden llegar a alcanzar temperaturas de hasta 3 500 °C, con lo que es muy adecuado para fundir no solamente aleaciones ferrosas, sino cualquier otra cuyo punto de fusión sea alto, como wolframio, tántalo, molibdeno, etcétera.
• La carga del horno es de unas 100 toneladas. • Cada hornada dura aproximadamente 50 minutos.

El funcionamiento del horno eléctrico es el siguiente:

1. Se quita la tapadera y se introduce la chatarra y el fundente.

2. Se cierra el horno y se acercan los electrodos a la chatarra, para que salte el arco eléctrico y comience a fundir la chatarra (imágen inferior, A).

3. Cuando la chatarra está fundida, se inyecta oxígeno para eliminar los elementos indeseables del baño, como silicio, magnesio, fósforo, etcétera.

4. Se inclina el horno y se extrae la escoria (imágen inferior,B). A continuación se le añade el carbono y ferro aleaciones y se sigue calentando hasta que las adiciones se disuelvan y se uniforme la composición del baño.

5. Se inclina el horno y se vierte el acero en la cuchara, que lo llevará al área de moldeo (imágen inferior,c)

Tipos de productos

Hierro fundido

• Fundición Gris: se usa para moldeo. El nombre se debe al color de fractura que le otorga el grafito.
• Fundición Blanca o Arrabio: se obtiene el carburo de hierro y se usa para la producción de Acero.
• Ferroaleaciones: alto contenido de silicio y magnesio. Son usados como aditivos en fundiciones.

Escorias

Son residuos ácidos con alto contenido de sílice. Se usan como ladrillo o polvo en aislaciones térmicas – Gas: El gas del tragante se recicla y se le usa como combustible industrial.

Acero común

Producto descarbonatado y libre de impurezas obtenido a partir del arrabio.

Aceros de alta resistencia

Estos  se obtienen a través de procedimientos destinados a lograr una elevación del límite elástico y la desaparición del límite de fluencia.

Aceros de dureza natural

Se obtienen por laminado en caliente modificando la composición química del material con la elevación del tenor de carbono y la adición de manganeso y silício. La elevación del límite elástico obliga a conferirle una textura con resaltos a efectos de asegurar el fenómeno de adherencia  con el hormigón.

Aceros endurecidos en frío

Se obtienen por el  estirado en frío del  acero ordinario conjuntamente con el retorcido que le confiere el espiral de adherencia necesario.

Acero inoxidable

son aleaciones de hierro y cromo principalmente, capaces de presentar un amplio rango de resistencia a la corrosión, resistencia mecánica y posibilidades de ser trabajado.

Diferencia entre acero calmado y Aceros efervescentes.

• El Acero Calmado o Reposado es aquel que ha sido desoxidado por completo previamente a la colada, por medio de la adición de metales. Mediante este procedimiento se consiguen piezas perfectas pues no produce gases durante la solidificación, evitando las sopladuras.

Descripción amplia del acero calmado

Este tipo de acero es sometido a un tratamiento mediante la adición de manganeso, silicio o aluminio antes de la colada. Ésto le permite conseguir piezas perfectas pues no produce gases durante la solidificación, de modo que tal adición impide la formación de sopladuras.

El acero calmado se emplea generalmente para piezas solicitadas dinámicamente, p. ejemplo, en la construcción de maquinaria o para piezas que deben ser sometidas a fuertes conformaciones o para mecanizado con arranque de viruta.

• Acero que no ha sido desoxidado por completo antes de ser vertido en moldes; contiene muchas sopladuras pero no aparecen grietas.

Descripción ampliada del Acero efervescente

Contenido de carbono, inferior al 0,3%.

El acero en estado liquido absorbe gases del aire cuando es transportado en cuchara y también durante la colada. El carbono, el nitrógeno, y el hidrógeno se disuelven en el acero líquido atómicamente. Ese caldo se encuentra en equilibrio químico.

Durante el período de solidificación, disminuye la capacidad de disolución del material colado. Entonces se produce el desprendimiento de gases, y al reaccionar el óxido de hierro con el carbono, se liberan grandes cantidades de gas.

El acero efervescente se emplea para grandes requisitos superficiales; suele usarse en perfiles, chapas finas y alambres.

Acero galvanizado

tratamiento realizado sobre el acero en base a un baño electrolitico. Las propiedades protectoras de este procedimiento son muy eficientes y su tecnología muy simple.

Formas de obtención del acero

Convertidores

Método Bessemer (conversión ácida)

Se trata  de la insuflación de aire comprimido en el proceso de fusión del material extraído del alto horno. El recipiente en el cual se produce se denomina convertidor, y el proceso consiste en una enérgica oxidación con aumento de temperatura. Se mejora la calidad con ferroaleaciones desoxidantes. Fuerte desprendimiento térmico. Convertidor de 30T. 1. Recipiente 2. Cavidad interior 3. Entrada de aire 4. Caja de cierre 5. Toma de aire 6. Mecanismo basculante 7. Boca

Método Thomas (conversión básica)

Características similares en su manifestación térmica producida por la combustión del fósforo. Convertidor. 1.posición de carga – 2.posición de trabajo

Hornos Martín

Tiene la ventaja que permite convertir no solo el hierro fundido sino también la chatarra de todo metal ferroso. Es indistintamente ácido o básico. Horno Martin 300T. A. Espacio activo (fusión) 1. Puerta de carga 2. Válvulas (gas y aire) 3.4.5.6.  regeneradores de calor B. cabezas.

Horno eléctrico de arco

• de inducción. Por paso de corriente eléctrica de alta frecuencia hasta obtener la fusión. Perfiles.
• de arco eléctrico. Conformación de arco eléctrico para obtener fusión. Se usa la chatarra como materia prima y se produce acero fundido y piezas moldeadas.

Horno de arco eléctrico (ver)  180T.

Ver Horno de Inducción

La colada

El producto obtenido por cualquiera de los procedimientos se cuela en cuchara y se vierte en moldes especiales llamados lingoteras (moldes metálicos con conicidad lateral para facilitar el des molde). En ellos se produce el enfriamiento y posterior cristalización. Para mejorar el resultado y obtener una cristalización más homogénea se usa la colada continua, que posibilita un gradual enfriamiento. El producto obtenido se llama palanquilla, que tiene una sección de 100 x 100 mm. Defectos:

• Rechupe. Retracción por enfriamiento.
• Segregación. Distribución irregular de la aleación.
• Sopladuras. Cavidades de aire producidas por la desoxidación.
• Grietas. Defectos localizados.

Preguntas  de control:

1. Enumerar las menas principales de hierro y explique sus caracteristicas
2. Describir los proceso de preparación de las menas para la fundición
3. Explique los funcionamientos de sinterización (realice un esquema)
4. Enumere los tipos de combustibles usados en  el proceso de alto horno
5. Describir metodos avanzados  de producción de hierro fundido.
6. En qué estado se encuentra el carbono en las fundiciones.
7. De qué modo influyen el silicio y el manganeso sobre el estrado del carbono en el hierro fundido.
8. Indicar las composiciones típicas de las fundiciones gris y blanca
9. Como se usan las fundiciones grises obtenidas de los altos hornos.
10. Porque el hierro colado lleva el nombre de fundición gris
11. Como se usa el arrabio
12. Por qué el arrabio lleva el nombre de fundición blanca
13. Qué hierro colado se llaman ferro aleaciones
14. Cuales es el propósito de las ferro aleaciones.
15. Qué significa la letra B, T, M en la marca de los arrabios.
16. Compare las característica de calidad de los aceros obtenidos por los procedimientos de convertidor, horno Martín y horno eléctrico.
17. Explique el papel del oxigeno en la fundición del acero.
18. Resuma en pocas palabras  la marcha de la fusión en un horno martín en el caso del procedimiento de un mineral.
19. Realice un esquema y explique la construcción de un horno Martín que funciona a gas.
20. Explique la diferencia entre acero calmado y acero efervescente.