Siderurgia: Procesos

SIDERURGIA

Mineral de Hierro

Mineral que contiene hierro (mena), principalmente en forma de óxido, en proporción suficiente como para ser una fuente comercialmente viable de dicho elemento para su uso en procesos siderúrgicos. Pocas veces se encuentra en la naturaleza en estado de pureza, como por ejemplo en los meteoritos que lo contiene en un 90%. Son abundantes en cambio los compuestos naturales o minerales de hierro, esparcidos sobre la tierra a poca profundidad o en yacimientos montañosos. La mayor parte de los minerales de hierro son óxidos, anhídridos y carbonatos. Bajo el punto de vista industrial, solo los óxidos son aptos para la metalurgia. El hierro, se encuentra unido a otros componentes, que no intervienen en el proceso siderúrgico, llamados genéricamente “ganga”.

Los principales minerales de hierro son:

- Hematita (Fe2O3), óxido férrico, contiene hasta un 70% de Fe. Se presenta en masas terrosas de color rojo.

- Limonita (Fe2O3.3H2O), óxido férrico hidratado con un 60% de Fe, masa terrosa de color variable del pardo al amarillo.

- Magnetita (Fe3O4), óxido magnético, 70% de Fe, se lo llama piedra imán.

- Siderita (CO3Fe), carbonato ferroso, 48% de Fe, de color blanco.

- Pirita (SFe2), disulfuro de Fe, no se utiliza en la producción del acero

Siderurgia del hierro. Definiciones

- Técnica del tratamiento del mineral de hierro para obtener diferentes tipos de éste o de sus aleaciones. El proceso de transformación del mineral de hierro comienza desde su extracción en las minas.

- Técnica metalúrgica, o conjunto de ellas, que se aplica en la extracción y la transformación del hierro

La metalurgia del hierro incluye las siguientes fases:

1. Explotación de las minas

2. Concentración de la mena o su preparación por algún otro medio para el tratamiento posterior

3. Reducción del mineral para obtener el metal libre

4. Refinación o purificación del metal

5. Mezclado del metal con otros elementos para modificar sus propiedades

El hierro se encuentra presente en la naturaleza en forma de óxidos, hidróxidos, carbonatos, silicatos y sulfuros. Los más utilizados por la siderurgia son los óxidos, hidróxidos y carbonatos.

Los procesos básicos de transformación son los siguientes:

• Óxidos -> hematita (Fe2O3) y la magnetita (Fe304)

• Hidróxidos -> Limonita

• Carbonatos -> Siderita o carbonato de hierro (FeCO3)

Estos minerales se encuentran combinados en rocas, las cuales contienen elementos indeseados denominados gangas. Parte de la ganga puede ser separada del mineral de hierro existen principalmente dos métodos de separación:

• Imantación: consiste en hacer pasar las rocas por un cilindro imantado de modo que aquellas que contengan mineral de hierro se adhieran al cilindro y caigan separadas de las otras rocas. El problema de este proceso reside en que la mayoría de las reservas de minerales de hierro se encuentran en forma de hematita, la cual no es magnética.

• Separación por densidad: se sumergen todas las rocas en agua, la cual tiene una densidad intermedia entre la ganga y el mineral de hierro. El problema de este método es que el mineral se humedece siendo esto perjudicial en el proceso metalúrgico.

Una vez realizada la separación, el mineral de hierro es llevado a la planta siderúrgica donde será procesado para convertirlo primeramente en arrabio y posteriormente en acero.

ARRABIO

Se denomina arrabio al material fundido que se obtiene en el alto horno mediante reducción del mineral de hierro. Se utiliza como materia prima en la obtención del acero en los hornos siderúrgicos.

Los materiales básicos empleados para fabricar arrabio son mineral de hierro, coque y caliza. El coque se quema como combustible para calentar el horno, y al arder libera monóxido de carbono, que se combina con los óxidos de hierro del mineral y los reduce a hierro metálico. La ecuación de la reacción química fundamental de un alto horno es:

Fe2O3 + 3CO → 3CO2 + 2Fe

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 hierro metálico.

El silicato de calcio y otras impurezas forman una escoria que flota sobre el metal fundido en la parte inferior del horno. El arrabio producido en los altos hornos tiene la siguiente composición: un 92% de hierro, un 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 y algunas partículas de azufre.

Se denominan propiamente arrabios o hierros de primera fusión los que se obtienen directamente del horno alto en forma de panes o lingotes que, refundidos, dan las fundiciones o hierros de segunda fusión, empleados en coladas, en los que, en general, se introducen correctivos convenientes. Además de carbono, las fundiciones corrientes contienen: silicio, fósforo, manganeso y azufre.

La adición de fósforo en pequeños porcentajes mejoran las características mecánicas, mientras que porcentajes mayores del 0,8% le dan gran resistencia al desgaste (fundiciones fosforosas).

El fósforo favorece la colabilidad de la fundición, mejorando su fluidez. El azufre confiere fragilidad y, por tanto, su contenido ha de ser muy limitado. Se llama fundición especial a la que contiene otros elementos además de los antes mencionados, particularmente niquel, cromo, molibdeno y vanadio. Se denomina fundición hematites a la de primera fusión que tiene menos del 0, 1 % de fósforo, un 4% de carbono y carece casi de azufre; por su pureza se emplea para obtener fundiciones especiales.

Para la producción de hierro y acero son necesarios cuatro elementos fundamentales:

• Mineral de hierro.

• Coque.

• Piedra caliza.

• Aire.

Los tres primeros se extraen de minas y son transportados y prepararlos antes de que se introduzcan al sistema en el que se producirá el arrabio.

OBTENCIÓN DEL ARRABIO

Para ello utilizamos el alto horno que recibe este nombre por sus dimensiones, ya que puede llegar a tener una altura de 80 metros.

¿Que introducimos en el alto horno?:

a) Hierro: Procedente de la mina o también de la chatarra (coches, electrodomésticos,...).

b) Carbón de coque: Sirve para:

- Convertir el óxido de hierro en hierro puro.

- Al quemarse proporciona calor al horno.

- Va a ser el elemento que va a acompañar al hierro para formar la aleación de acero o fundición.

c) Fundente: Sobre todo es carbonato cálcico que se mezcla con las impurezas y las hace menos pesadas. Podemos decir que es el detergente que utilizamos para limpiar el hierro

¿Que obtenemos en el alto horno?:

a) Escoria: Es la mezcla de fundente e impurezas, dicha mezcla al pesar menos se queda en la parte superior del horno.

b) Arrabio: Es la mezcla de hierro, el carbón que no se ha quemado y algunas impurezas que aún no se han podido eliminar. Esta mezcla pesa más que la escoria por lo que se queda en la parte baja del horno. En la parte inferior hay un orificio que se llama piquera de arrabio por donde sale esta mezcla.

El arrabio obtenido ya es suficientemente concentrado en hierro como para ser utilizado para obtener o bien un acero o una fundición

OBTENCIÓN DEL ACERO:

A la fabricación del acero se destina aproximadamente el 75% del arrabio que se produce en los altos hornos.

El acero es una aleación de hierro con una pequeña cantidad de carbono (siempre menor al 1,76%).

El acero se obtiene en el horno convertidor a través de una operación que se denomina afino, uno de los métodos más empleados para realizar el afino es el sistema de inyección de oxígeno (LD). Este sistema consiste en lo siguiente:

¿Que metemos en el convertidor?:

a) Arrabio: Nada más sacarlo del alto horno (antes de que se enfríe) ya se mete en el convertidor. Recordamos que el arrabio tiene hierro, carbón e impurezas.

b) Chatarra de hierro: Procedente de coches, electrodomésticos,...

c) Fundente: Recordamos que es carbonato cálcico y que lo empleamos como detergente para eliminar las impurezas.

d) Oxigeno: Se inyecta a presión en el centro del convertidor a través de tubo con forma de lanza, y con ello conseguimos quemar parte del carbón que no se había quemado en el alto horno.

¿Que obtenemos del convertidor?:

a) Escorias: El fundente se pega a las impurezas y las hace flotar formando la escoria.

b) Acero: En la parte inferior del convertidor quedará el hierro y el carbón que no se ha quemado.

Finalmente iniciamos el proceso de colada,

...