Mineral de hierro: El principal mineral de hierro es el hematitis, el cual cuando es puro contiene 70% hierro. Cuando es
Views 24 Downloads 0 File size 144KB
Mineral de hierro: El principal mineral de hierro es el hematitis, el cual cuando es puro contiene 70% hierro. Cuando este oxido de hierro contiene agua se denomina limonita, y contiene 60% de hierro cuando es puro. La magnetita se halla con menos abundancia. La siderita se a empleado como mineral, pero debido a su pequeño contenido en hierro no se emplea con frecuencia en la actualidad. Las impurezas mas corriente del mineral de hierro son con sílice, titanio y fósforo. Los minerales que contienen las cantidades más pequeñas de estas impurezas son los que tienen mas valor. Una gran cantidad de sílice y titanio resulta perjudicial porque requiere cantidades extras de fundentes para escorificarlos en el horno alto, mientras que el fósforo y el azufre son perjudiciales debido a su efecto nocivo sobre el hierro y acero. Los minerales de hierro suecos están casi enteramente extensos de fósforos y azufre, lo cual explica la fama de los aceros y hierro suecos por su gran pureza. Casi las tres cuartas partes del mineral de hierro empleado en los Estados Unidos vienen del distrito del Lago Superior. El mineral de estos depósitos naturales es hematites y contiene un 68% de hierro. La mayor parte del mineral de este distrito se presenta tan cerca de la superficie que puede extraer económicamente a cielo abierto. Bibliografía:
Metalurgia, Johnson-Weeks. Editorial Reverté, Barcelona. MCMLXI
El diagrama general de la fusión primaria del hierro integra a la mayoría de las actividades que se desarrollan en el proceso productivo. No se debe olvidar que los diagramas de flujo son una de las herramientas más utilizadas por los ingenieros industriales y que de manera automática los deben utilizar o elaborar.
El 90% de todos los metales fabricados a escala mundial son de hierro y acero. Los procesos para la obtención de hierro fueron conocidos desde el año 1200 ac. Los principales minerales de los que se extrae el hierro son: Hematita (mena roja)
70% de hierro
Magnetita (mena negra)
72.4% de hierro
Siderita (mena café pobre)
48.3% de hierro
Limonita (mena café)
60-65% de hierro
La mena café es la mejor para la producción de hierro, existen grandes yacimientos de este mineral en Estados Unidos y en Suecia. En todo el mundo se pueden encontrar grandes cantidades de pirita, pero no es utilizable por su gran contenido de azufre. Para la producción de hierro y acero son necesarios cuatro elementos fundamentales: 1. 2. 3. 4.
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.
El arrabio es un hierro de poca calidad, su contenido de carbón no está controlado y la cantidad de azufre rebasa los mínimos permitidos en los hierros comerciales. Sin embargo es el producto de un proceso conocido como la fusión primaria del hierro y del cual todos los hierros y aceros comerciales proceden. A la caliza, el coque y el mineral de hierro se les prepara antes de introducirse al alto horno para que tengan la calidad, el tamaño y la temperatura adecuada, esto se logra por medio del lavado, triturado y cribado de los tres materiales.
La habilidad de obtener metales a partir de los minerales de la corteza terrestre es un aspecto fundamental para el desarrollo de las civilizaciones. Esta importancia está implícita en el nombre de las dos últimas etapas de la prehistoria: la Edad de Bronce y posteriormente la Edad de Hierro, hace aproximadamente 35 siglos. ¿Cómo se obtienen los metales? Los metales poco reactivos, como el oro, la plata o el platino, se encuentran libres en la naturaleza (Au, Ag, Pt, el número de oxidación es cero). En cambio, los metales más reactivos están formando compuestos, generalmente óxidos, carbonatos o sulfuros. En este caso, la obtención del metal requiere un proceso de reducción química (se emplea carbono) o electroquímica (electrólisis) (Ver secuencias didácticas Electrólisis y Aluminio, obtención). La obtención del hierro, el metal más utilizado de la corteza terrestre, nos acerca al estudio de la metalurgia. Para comenzar es importante definir algunos términos:
Metalurgia: es el estudio de la ciencia y la tecnología desarrolladas para obtener un metal a partir de sus menas o aleaciones (ver secuencia didáctica Soluciones I).
Metalurgia extractiva: se refiere a la obtención del metal a partir de la mena.
Mena: son los minerales que resultan adecuados para obtener el metal por contener una cantidad apreciable del mismo en su composición.
Escoria: subproducto de la fundición de una mena.
Arrabio: material fundido que se obtiene en el alto horno al reducir el hierro. Es la materia prima para producir acero.
El hierro es el segundo metal en abundancia en la corteza terrestre después del aluminio (Al: 8% m/m, Fe: 5% m/m). Además, el hierro y el níquel son los elementos constitutivos del núcleo de nuestro planeta. También los meteoritos contienen hierro. No se descarta la hipótesis de que la famosa espada Excalibur, que empuñó el rey Arturo, haya sido forjada a partir de hierro proveniente de un meteorito. El hierro pertenece a la familia de los metales reactivos. Por lo tanto, se encuentra en la corteza terrestre formando parte de diferentes minerales: hematita (Fe2O3), magnetita (Fe3O4), pirita (FeS2). 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 coke 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) 2 C (s) + O2 (g) → 2 CO (g)
(temperatura > 1700 °C) (temperatura > 1700 °C)
Al descender desde la parte superior el carbón o coke 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) (temperatura > 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. 1. Busquen en la tabla periódica interactiva o en la TP del programa ChemSketch de sus equipos portátiles el punto de fusión del hierro. 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)
Los minerales de hierro contienen diferentes cantidades de impurezas que también reaccionan y se incorporan en ciertas proporciones al hierro fundido. 2. Empleen el programa Draw o la opción de dibujo de Word de sus equipos portátiles para realizar un esquema de un alto horno. Muestren el gradiente térmico y los cuatro procesos que ocurren en las diferentes regiones del horno.
a) Para complementar la información sobre el diseño y funcionamiento de un alto horno se sugiere ver los capítulos sobre Minerales del hierro del programa Materiales y Materias primas (Canal Encuentro). Capítulo para descargar: Materiales y materias primas: Minerales de hierro Al mirar este material documental se recomienda ir tomando nota de los términos asociados con la metalurgia del hierro que son mencionados por el conductor. 3. ¿Por qué se emplean como materias primas los óxidos de hierro y no la pirita? La pirita es un sulfuro de hierro que al reaccionar en el alto horno generará como subproducto SO2 (g). Este óxido de azufre no puede ser emitido a la atmósfera pues contribuye a la formación de lluvia ácida (ver secuencia didáctica Lluvia ácida). ¿Qué otros gases se generan en el alto horno? ¿Qué se hace con ellos? El documental de Canal Encuentro hace una mención interesante sobre el tema asociada a la figura de Benjamin Franklin. Si disponen de conexión a Internet, visiten elsiguiente sitio.