El mineral de fierro

Introducción

El mineral de fierro se extrae de las minas. Normalmente no se encuentra en estado puro, sino combinado con otros elementos químicos. A pesar de la abundancia de mineral de fierro en la naturaleza, sólo se aprovechan dos tipos en la industria: los óxidos y el carbonato.

El primer tratamiento al que se debe someter el mineral de fierro, una vez extraído, consiste en una trituración y molienda, seguida de una separación del parte útil (mena) de la despreciable como tierras, rocas, cal, sílice, etc., constituyendo lo que se denomina ganga, mediante magnetismo, flotación, etc. Este procedimiento se denomina tratamiento preliminar.

A pesar de que el mineral de fierro ya ha sufrido un tratamiento preliminar en que se ha reducido la ganga existente, siempre quedan impurezas unidas al mineral que es preciso eliminar. Para eliminar estas impurezas se emplean métodos de reducción de los cuales describiremos el alto horno y la reducción directa.

El Alto Horno

El alto horno es una instalación muy útil para el hombre, ya que proporciona las condiciones necesarias para reducir rápida y eficientemente las menas oxidadas de fierro y es la base para la mayor producción de acero.

Figura 1. Alto Horno

El alto horno (figura 1) es un horno de soplo, 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, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total. La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire. Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vacía) el alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria. La parte superior del horno, cuya altura es de unos 30 m, contiene respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por válvulas en forma de campana, por las que se introduce la carga en el horno. Los materiales se llevan hasta las tolvas en pequeñas vagonetas o cucharas que se suben por un elevador inclinado situado en el exterior del horno.

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

Materias Primas

Las materias primas del proceso de alto horno son:

1. Sólidos. Mena, coque, fundentes.

2. Aire. El cual se sopla a través de las toberas situadas en la parte inferior.

Tabla 1. Carga típica de un alto hornos

La mena principal que se utiliza para la reducción es la hematita (Fe2O3), se alimentan al horno en forma de pellets de 1 a 2cm de diámetro, también en forma de material sinterizado de 1 a 3cm, ambos obtenidos a partir de menas molidas.

El coque empleado es coque metalúrgico con una composición aproximada de 90%C, 10% de cenizas, 0.5 – 1%S) este material es el encargado de suministrar la mayor parte del gas y del calor requeridos para llevar a cabo la reducción y fusión de la mena. Este se produce mediante el calentamiento de carbón pulverizado en ausencia de aire, para eliminar las sustancias volátiles.

CaO y MgO se utilizan como fundentes de las impurezas, sílice y alúmina, produciendo una escoria fluida de bajo punto de fusión (1200°C aproximadamente). La caliza de la carga del horno se emplea como fuente adicional de monóxido de carbono y como sustancia fundente. Este material se combina con la sílice presente en el mineral (que no se funde a las temperaturas del horno) para formar silicato de calcio, de menor punto de fusión. Sin la caliza se formaría silicato de hierro, con lo que se perdería fierro metálico. El silicato de calcio y otras impurezas forman una escoria que flota sobre el metal fundido en la parte inferior del horno.

El aire soplado se calienta a una temperatura de 1030°C y en algunos casos se enriquece con oxigeno para producir un contenido de hasta 25% en volumen. El soplo caliente causa que el coque incandescente se queme frente a las toberas proveyendo de esta manera el calor necesario para llevar a cabo las reacciones de reducción y el calentamiento y fusión de la carga y de los productos. La alta temperatura del soplo permite asegurar que la temperatura del arrabio y la escoria sea suficientemente alta para que ambos productos se encuentren fundidos. En la tabla 1 se muestra la composición típica de la carga.

Operación

Las materias primas se cargan en la parte superior del horno. El aire, que ha sido precalentado es forzado dentro de la base del horno para quemar el coque. El coque en 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:

Los altos hornos funcionan de forma continua. La materia prima que se va a introducir en el horno se divide en un determinado número de pequeñas cargas que se introducen a intervalos de entre 10 y 15 minutos. La escoria que flota sobre el metal fundido se retira una vez cada dos horas. Cada cinco o seis horas, se cuelan desde la parte interior del horno hacia una olla de colada o a un carro de metal caliente, entre 150 a 375 toneladas de arrabio.

El calentamiento del aire se realiza en las llamadas estufas, cilindros con estructuras de ladrillo refractario. El ladrillo se calienta durante varias horas quemando gas de alto horno, que son los gases de escape que salen de la parte superior del horno. Después se apaga la llama y se hace pasar el aire a presión por la estufa. El peso del aire empleado en un alto horno supera el peso total de las demás materias primas.

Esencialmente, el CO gaseoso a altas temperaturas tiene una mayor atracción por el oxígeno presente en el mineral de fierro (Fe2O3) que el hierro mismo, de modo que reaccionará con él para liberarlo. Químicamente entonces, el fierro se ha reducido en el mineral. Mientras tanto, a alta temperatura, la piedra caliza fundida se convierte en cal, la cual se combina con el azufre y otras impurezas. Esto forma una escoria que flota encima del hierro derretido.

La ecuación de la reacción química fundamental de un alto horno es:

Tabla 2. Composición del

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