Minerales de Fe y su Procesó de obtención resumen

Minerales de Fe y su Procesó de obtención resumen.

Resumen.

En este documento se analizará la producción del hierro y del acero la cual empieza con las menas de hierro y otros materiales requeridos (mena: mineral principalmente el de hierro en este caso, tal como se extrae del yacimiento y antes de limpiarlo y con gran porcentaje de valor).

Es un elemento que se caracteriza por ser magnético, al calentarse pierde su magnetismo; es blando, maleable, con brillo metálico y de color gris acerado a negro; su punto de fusión es de 1536°C, el de ebullición de 2740°C y tiene una densidad de 7.8 gr/ml. En estado puro es muy reactivo químicamente y se corroe en condiciones de aire húmedo o a temperaturas elevadas

La mena principal usada en la producción de hierro y acero es la hemetita (Fe203), otras menas incluyen la magnetita (Fe304), la siderita (FeCO3) y la limonita (FeO (OH) ·nH2O), las cuales analizaremos más adelante en este documento.

La importancia radica en que El 90% de todos los metales fabricados a escala mundial son de hierro y acero:

Solamente 4 minerales de hierro (tres óxidos y un carbonato) son realmente utilizados para la producción de acero.

- magnetita (Fe3O4),

- hematita (Fe2O3),

- goethita (FeO(OH)),

- limonita (FeO(OH). n (H2O))

- siderita (FeCO3).

Los tipos más comunes de mineral en el que el hierro se encuentra son:

- magnetita (Fe3O4) -> 72 % de Fe

- hematita (Fe2O3) -> 70% de Fe

Los demás minerales de hierro son de "bajo grado" y cuentan con una menor concentración.

Estos minerales tendrán que ser sometidos a distintos procesos de concentración (ya sea por magnetismo o flotación) para la obtención del hierro sin impurezas o gangas en su mayoría sílice con el fin de dejarlo lo más puro posible y así obtener un concentrado lo más rico posible hierro con una pureza aproximada al 70%.

Una vez que ha pasado por los distintos procedimientos para la obtención y aprovechamiento de este tales como trituración, molienda y separación médiate procesos fisicoquímicos para así obtener un concentrado aprovechable para la elaboración de los llamados pellets o perdigones los cuales pasaran al alto horno.

Introducción.

El hierro es el metal dominante en la civilización industrial actual, y su consumo en el mundo crece de un modo exponencial con el transcurso de los años. En efecto: el hierro constituye el 95 por 100 de los minerales que se extraen en la Tierra, y gran parte de otros minerales se extraen para ser aleados con el hierro, como en el caso del cromo y el níquel. El desarrollo y perfeccionamiento de las técnicas siderúrgicas hizo posible la revolución industrial del siglo pasado.

Es un metal maleable, de color gris plateado y presenta propiedades magnéticas; es ferromagnético a temperatura ambiente y presión atmosférica. Es extremadamente duro y denso.

Se encuentra en la naturaleza formando parte de numerosos minerales, entre ellos muchos óxidos, y raramente se encuentra libre. Para obtener hierro en estado elemental, los óxidos se reducen con carbono y luego es sometido a un proceso de refinado para eliminar las impurezas presentes.

La siguiente figura 1 muestra algunas propiedades del hierro como elemento en la tabla periódica.

El hierro es muy importante desde el punto de vista geológico, ya que por su abundancia es el segundo de los metales de la Tierra, todavía lo es más si se atiende al aspecto económico, puesto que constituye, sin lugar a duda, la base sobre la que se apoya nuestra civilización. El hierro ha ido desplazando a otros materiales, la madera, por ejemplo, en ramos tan importantes como el de la edificación.

La cantidad de hierro contenido en la corteza terrestre es verdaderamente extraordinaria: alcanza, en promedio, un valor del 5,05%. A pesar del extraordinario tonelaje que esto representa, no es posible la explotación masiva con los medios técnicos disponibles en la actualidad. Ahora bien, si alguna causa geológica produce una concentración local, aparece un criadero metálico económicamente explotable. Como es natural, la rentabilidad varía a tenor de los progresos técnicos.

En el mundo se encuentran distintos puntos donde la concentración de minerales de hierro a nivel geológico es mayor por lo que a esas zonas se les denomina yacimientos minerales de los cuales se explotara la mena de hierro para su posterior tratamiento mediante procesos metalúrgicos.

Una vez sabiendo esto la parte minera se encargará de explotar estos lugares de tal forma que se obtenga un mineral con grandes porcentajes de hierro para su tratamiento mediante procesos metalúrgicos los cuales abordaremos profundamente en este documento y así pasar a la siguiente etapa y llevarlo a los altos hornos.

El proceso de reducción necesario para su obtención se realiza en un alto horno. El alto horno es una estructura construida en acero revestida con ladrillos refractarios de grandes dimensiones, y puede tener una altura de hasta 60 m y un diámetro de alrededor de 8 m. ¿Cómo funciona? Por la parte superior de la torre se introducen los minerales de hierro en forma de pellets (pequeñas «piedras»), carbón o coque y piedra caliza (CaCO3) como fundente. Desde la parte inferior se agrega aire caliente. La parte superior del horno tiene una temperatura de 250 °C, en la parte central la temperatura es de 900 a 1200 °C y la base del horno llega a los 1700 °C. El gradiente de temperatura permite que se desarrollen diferentes reacciones.

 Formación de los agentes reductores

C (s) + CO2 (g) → 2 CO (g)   (temperatura > 1700 °C)

2 C (s) + O2 (g) → 2 CO (g) (temperature > 1700 °C)

Al descender desde la parte superior el carbón o coque reacciona con el oxígeno del aire insuflado desde la parte inferior del horno y se forma CO (g), este gas es el agente reductor.

    Reducción de los minerales de hierro

3 CO (g) + Fe2O3 (s) → 2 Fe (l) + 3 CO2 (g) (temperature > 900 °C)

Los minerales de hierro (óxidos) se reducen formando el metal. Debido a las altas temperaturas que se alcanzan en el horno, este se obtiene fundido. El hierro obtenido se denomina arrabio, contiene un 95% de Fe, 3-4% de C y cantidades variables de otras impurezas.

Formación de escoria para eliminar las impurezas de la mena

CaCO3 (s) → CaO (s) + CO2 (g)             (temperatura: 800-900 °C)

CaO (s) + SiO2 (s)  →  CaSiO3 (l)             (temperatura: 1200 °C)

6 CaO (s) + P4O10 (s)  →  2 Ca3(PO4)2 (l)   (temperatura: 1200 °C)

La piedra caliza (CaCO3) se agrega como fundente y ayuda a que se forme la escoria (silicatos y fosfatos de calcio) y que esta funda fácilmente. La escoria que se obtiene como subproducto se destina a la industria cementera.

Formación de impurezas en el hierro

MnO (s) + C (s) →  Mn (l)+ CO (g)             (temperatura: 1400 °C)

SiO2 (s) + 2 C (s) → Si (l) + 2 CO (g)         (temperatura: 1400 °C)

P4O10 (s) + 10 C (s) → 4 P (l) + 10 CO (g)   (temperatura: 1400 °C)

Sílice

• La sílice es la impureza más común en el mineral de hierro, pero también suele ser la más fácil de separar a través de procesos de enriquecimiento en la mina. Esto es debido al contraste física (por ejemplo, densidad) entre los minerales ricos en sílice, como el cuarzo, y minerales ricos en hierro.

• La mayoría del silicio se extrae del proceso con la escoria en el horno alto en forma de óxido (SiO2), pero a temperaturas más altas se puede reducir y pasar al arrabio.

• Una gran cantidad de sílice resulta perjudicial porque requiere cantidades extras de fundentes y combustibles para escorificarlos en el horno alto.

• Niveles de silicio en un mineral idealmente deben ser <4%, pero para los minerales de alto grado pueden ser inferior al 2%.

• Minerales altos de sílice se pueden seguir utilizando, pero deben de ser mezclado con minerales hiposiliciosos para alcanzar un nivel óptimo de sílice en el proceso.

Aparte de la sílice hay muchos más agentes que debilitan o entorpecen la transformación de hierro en acero tales como el fosforo, la alúmina, los álcalis y el azufre que detallaremos mas adelante

Pero antes de llegar a todo esto se analizarán cuáles son las mayores reservas de hierro en el mundo actualmente hasta su tratamiento ya que al paso de los años es más complejo encontrar grandes yacimientos con alto grado de mineral por lo que hay que implementar pasos esenciales para el aprovechamiento desde granulometrías requeridas hasta su concentración de acuerdo a sus propiedades.

Reservas de minerla de hierro en el mundo.

El mineral de hierro se extrae aproximadamente en 40 países, siendo los principales cinco productores Australia, Brasil, India, China y Rusia, en los cuales en el año 2015 se originó aproximadamente el 80% de la producción mundial.

El acero posee una gran variedad de usos debido a su bajo precio y firmeza. Es utilizado principalmente en automóviles, barcos y en la construcción de edificios, específicamente en estructuras.

Dependiendo de su composición o tratamiento, las aleaciones férreas presentan una gran variedad de propiedades mecánicas. La mayor parte del hierro se utiliza en formas sometidas a un tratamiento especial, como hierro forjado, hierro fundido y acero. Como resultado, la demanda de mineral de hierro está ligado directamente a la producción de acero y la disponibilidad de chatarra de alta calidad.

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