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• Joisy Rojas

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República Bolivariana de Venezuela Ministerio de Educación y Deportes Universidad Nacional Experimental de Guayana Vicerrectorado Académico Cátedra: Química

El Hierro Profesora:

Herli Peña

Integrantes:

Adiriny Ramírez C. I.- 22.593.259 Luis Cabello C.I.- 21.250.420 Leidys Aguanes C. I.- 24.847.504 Arquimedes Márquez C. I.- 25.352.528 Daniel Arzolay C. I.- 24.856.969

Ciudad Guayana, 03 / 02 / 2014.

Introducción

El mineral de hierro se encuentra casi siempre en la mayoría de las rocas en forma de oxido, carbonato, sulfuro o silicato. Sin embargo, solamente cuatro (4) minerales se

utilizan

industrialmente

en

la

actualidad:

se

conocen

generalmente con los nombre de magnetita, hematita, limonita y el carbonato. Desde el punto de vista industrial, pueden considerarse como yacimientos de minerales de hierro, aquellos que por su composición y características físicas y químicas, situación geográfica y por las reservas que hay en la zona donde se encuentran, pueden ser explotados en condiciones satisfactorias. Generalmente, se consideran minerales ricos los que contienen más de 55% de hierro. De riqueza media, a los que contienen de 30 a 55% de hierro y minerales pobres, a los de contenido inferior. Las menas de hierro que utiliza la industria siderúrgica son mezclas de minerales de hierro y de materia estéril o ganga. Esta última suele estar constituida, principalmente por sílice, alúmina, cal y manganeso. En la naturaleza, las menas suelen estar constituido por uno o varios minerales de hierro de composición definida, rodeados por otras materias estériles que forma la ganga o materia extraña que en mayor o menor cantidad acompaña al mineral y que hacen que su riqueza sea inferior a la que teóricamente le corresponde. El tamaño de las partículas del material de hierro (puro) que está rodeado por ganga, varía bastante de unos casos a otros. En ocasiones está formado por grandes masas de muchos metros cúbicos de mineral puro, y en otras ocasiones las partículas del mineral son pequeñísimas y su tamaño es solo de 0,1 a 0,5 mm. En esos casos, para separar el material hay que usar un molino que las llevan a una granulometría más fina. El tamaño de la partícula del material tiene mucha importancia y sirve para decidir el proceso de concentración que se debe emplear.

Hierro

El Hierro, es un elemento metálico, magnético, maleable y de color blanco plateado. Tiene de número atómico 26 y es uno de los elementos de transición del sistema periódico. También, es uno de los elementos metálicos más abundantes en el planeta. Constituye aproximadamente el 4.5% de la corteza terrestre. Generalmente es encontrado en forma de óxido de magnetita (Fe304), hermatita (Fe203), limonita, u óxidos hidratados (Fe203 + NH20) También existen pequeñas cantidades de hierro combinadas con aguas naturales, en las plantas, y además es un componente de la sangre. El hierro fue descubierto en la prehistoria y era utilizado como adorno y para fabricar armas. El objeto más antiguo existente, es un grupo de cuentas oxidadas encontrado en Egipto, y data del 4000 a.c. El término arqueológico edad del hierro se aplica sólo al periodo en el que se extiende la utilización y el trabajo del hierro. El procesado moderno del hierro no comenzó en Europa central hasta la mitad del siglo XIV. Los metales férricos son los derivados de hierro. El hierro es muy abundante en la naturaleza (forma parte del núcleo de la corteza terrestre) y es el metal más utilizado. El hierro se encuentra en diferentes minerales: pirita, hematites, siderita... Estos minerales suelen estar formados por un compuesto llamado óxido, por lo tanto no es el único componente, sino que este se encuentra combinado con oxígeno y otras impurezas.

CARACTERÍSTICAS DEL HIERRO 

Presenta un color blanco



Muy abundante en la tierra, pocas veces aparece en estado puro



Tiene una gran densidad



Es un material magnético.



Cuando entra en contacto con el aire, se forma en su superficie una capa de óxido, razón por la cual no puede utilizarse sin revestimiento superficial.



Tiene una conductividad eléctrica baja.

PROPIEDADES MECÁNICAS DEL HIERRO 

Resistencia a la rotura: Resistencia que opone el material a romperse por un esfuerzo mecánico exterior. Depende de la cohesión entre sus moléculas.



Deformabilidad: Es una propiedad que da a los materiales la posibilidad de deformarse antes de su rotura. Esta deformación puede ser permanente (plasticidad) o no (elasticidad).



Tenacidad: La tenacidad nos expresa el trabajo que realiza un metal cuando es sometido a esfuerzos exteriores que lo deforman hasta la rotura. Esta característica nos define la trabajabilidad del metal.



Dureza: Es la capacidad que presenta el metal a ser deformado en su superficie por la acción de otro material. Distinguimos varios tipos de dureza: al rayado, a la penetración, al corte y dureza elástica.



Soldabilidad: Propiedad que presentan algunos metales por la que dos piezas en contacto pueden unirse íntimamente formando un conjunto rígido.

PROPIEDADES TÉRMICAS 

Conductividad eléctrica: Es la facilidad que presenta un material para dejar pasar a través de él la corriente eléctrica. Este fenómeno se produce por una diferencia de potencial entre los extremos del metal.



Conductividad térmica: Es la facilidad que presenta un material para dejar pasar a través de él una cantidad de calor. El coeficiente de conductividad térmica k nos da la cantidad de calor que pasaría a través de un determinado metal en función de su espesor y sección.



Dilatación: Es el aumento de las dimensiones de un metal al incrementarse la temperatura. No es uniforme ni sigue leyes determinadas.

PROPIEDADES QUÍMICAS

La actividad química del metal depende de las impurezas que contenga y de la presencia de elementos que reaccionan con estas, dependiendo también en menor

medida

de

la

temperatura

y

zonas

de

contacto.

Distinguimos

fundamentalmente dos reacciones: oxidación y corrosión. 

Oxidación: La oxidación se produce cuando se combina el oxigeno del aire y el metal. La oxidación es superficial, produciéndose en la capa más externa del metal y protegiendo a las capas interiores de la llamada oxidación total. El óxido no es destructivo.



Corrosión: Se considera corrosión a toda acción que ejercen los diversos agentes químicos sobre los metales, primeramente en la capa superficial y posteriormente en el resto.

Definición de Proceso y Proceso Industrial

Se entiende por proceso a todo desarrollo sistemático que conlleva una serie de pasos ordenados, los cuales se encuentran estrechamente relacionados entre sí y cuyo propósito es llegar a un resultado preciso, de forma general el desarrollo de un proceso conlleva una evolución en el estado del elemento sobre el que se está aplicando dicho tratamiento hasta que este desarrollo llega a su fin. En este sentido, la industria se encarga de definir y ejecutar el conjunto de operaciones materiales diseñadas para la obtención, transformación o transporte de uno o varios productos naturales. De manera que el propósito de un proceso industrial está basado en el aprovechamiento eficaz de los recursos naturales de forma tal que éstos se conviertan en materiales, herramientas y sustancias capaces de satisfacer más fácilmente las necesidades de los seres humanos y por consecuencia mejorar su calidad de vida. El desarrollo de los procesos industriales es análogamente una seriación continua que avanza a la par del crecimiento de las sociedades y sus intereses y es, a la vez, uno de los factores que impulsan este crecimiento. Desde los inicios de la humanidad se ha hecho patente la importancia de cubrir diversas necesidades y es por esta razón que el ingenio de aquellos primeros seres humanos comenzó a desenvolverse y a crear diferentes maneras de satisfacer esos deseos con los recursos que tenían al alcance. De allí en adelante se fueron agregando pequeños elementos a cada proceso a lo largo del tiempo, afinando sus viejas características y creando nuevas y mejores maneras de hacer las cosas, modificando los procedimientos según las intenciones, los recursos y las distintas maneras de pensar a través de las distintas épocas. Este crecimiento continuo de las sociedades ha hecho que satisfacer sus necesidades se vuelva cada vez una tarea más compleja, de manera que para la creación

de

complicados

sistemas

productivos

se

hace

necesaria

la

especialización y la creación de diversas áreas de investigación y desarrollo

teórico que sean la base para las futuras aplicaciones a nuevos procesos; de entre estas ciencias colaboradoras de los diseños de procesos productivos, destaca sin duda la química; ciencia que estudia la estructura, propiedades y transformaciones de la materia a partir de su composición atómica, ya que para el diseño de nuevos procesos de transformación es de elemental importancia conocer detalladamente las características particulares de los elementos con los que se cuenta para que con esta información podamos decidir acertadamente que elementos tienen las propiedades necesarias para que al transformarlos, estas se puedan aprovechar mucho más eficientemente y por otra parte realizar el diseño de los mecanismos de transformación y sus herramientas que es todo un proceso industrial en sí mismo. Proceso Industrial del Hierro

Una de las actividades más importantes en el desarrollo de la civilización es la obtención de metales con los que fabricar herramientas. Este conjunto de procesos es bastante complejo, y específico para cada metal. Pero siempre causa un gran impacto sobre el medio ambiente, que debe minimizarse en lo posible. Vamos a ver como ejemplo la obtención del mineral de hierro, y su transformación en las distintas formas de hierro y acero; a esto se le denomina siderurgia. No olvides que la industria de fabricación de aceros es de las más importantes de los países desarrollados, pues son básicas para cualquier sector industrial. Primero hay que sacar el mineral de la mina, que suele ser subterránea en el caso del mineral de hierro, aunque el desbordante crecimiento de la construcción ha multiplicado el aprovechamiento de las minas a cielo abierto. El transporte del mineral dentro y fuera de la mina obliga al uso de gran número de vehículos. Cuando llega el mineral de hierro a la industria, se procesa junto a caliza y carbón mineral —otros minerales que deben extraerse de minas— en los altos

hornos, de forma semejante a grandes chimeneas, donde ocurren las reacciones que transforman el óxido de hierro inicial en hierro metálico. Los altos hornos consumen una enorme cantidad de energía, y producen muchos gases que terminan, en mayor o menor medida, en la emisión de gases que se difunden en la atmósfera circundante. El hierro así obtenido contiene una gran cantidad de impurezas, entre ellas el carbono, que si excede cierta proporción, convierte a la aleación en frágil y muy dura. Para

eliminar

las

impurezas

y

el

carbono

en

exceso

se

usan

los convertidores, que mediante calentamiento e inyección de gases convierten la mezcla en acero, que no es más que hierro con carbono, al que se puede añadir la proporción deseada de otros elementos.

PARA LA OBTENCIÓN DEL HIERRO FUNDIDO

Entrada de Material: Especificaciones de la Materia Prima

Se emplean minerales de hierro, combustibles y fundentes.

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 (SiO2), 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 tenemos: La magnetita (o imán natural) contiene el hierro en forma de óxido ferroso férrico (Fe3O4). El contenido

de hierro en estos minerales oscila, en la práctica, del 45 al 70%. El mineral tiene propiedades magnéticas, gran densidad y color negro. La hematites u oligisto es el óxido de hierro deshidratado (Fe20a). Este mineral contiene del 50 al 60% de hierro y es de color rojizo-negruzco. Se reduce con mayor facilidad que el imán natural (magnetita). La limonita es el óxido de hierro hidratado (2Fe2O3 -3H2O). El mineral contiene del 20 al 60% de hierro y tiene color pardo con diferentes matices. Se reduce bien, lo que hace económica la obtención del hierro colado incluso con minerales pobres. La siderita (hierro espático) es la combinación del ácido carbónico con el hierro (FeCO3) (carbonato de hierro). El contenido de hierro en este mineral oscila, en la práctica, entre 30 y 42%. El mineral tiene un color gris con matices de amarillo. La siderita se reduce muy bien. 

Preparación y enriquecimiento del mineral.

A las operaciones de preparación y enriquecimiento del mineral pertenecen: la trituración, clasificación, calcinación, lavado, separación electromagnética y tostación. El proceso de fusión en los altos hornos, el gasto de combustible y la calidad del hierro colado que se obtiene, dependen de la calidad de preparación del mineral. La trituración se realiza en molinos de mandíbulas o de cono; el mineral triturado se clasifica en cribas o tamices de estructura especial; los pedazos grandes se separan de los finos, los cuales se someten posteriormente a la tostación.

Tostador de minerales

Los pedazos de gran tamaño, de 30 a 100 mm, se clasifican en grupos y se envían a la fusión. Para hacer mineral poroso de fácil reducción y libre de impurezas perjudiciales, se somete a calcinación en hornos especiales. Los minerales que tienen mucha arcilla, arena, tierra arcillosa, etc. se lavan con agua. Durante el lavado, la ganga se separa por medio de un chorro fuerte de agua. Los minerales que poseen propiedades magnéticas se clasifican en instalaciones especiales, en las cuales unos imanes eléctricos separan las partículas del mineral de hierro, rechazando la ganga no magnética. Los pedacitos de mineral y cisco de coque se someten a tostación con objeto de obtener pedazos más grandes. El equipo para tostar consta de una transportadora, compuesta de carros que se mueven por una vía cerrada. La mezcla humedecida del mineral y del combustible desmenuzado se carga sobre las parrillas de los carros, formando una capa de 250 mm, el combustible se inflama por medio de un quemador y se hace pasar aire de arriba hacia abajo. Al quemarse el combustible, la temperatura se eleva a 1 200°—1 300° C, con lo cual los peque-ños trozos del mineral se aglomeran en pedazos porosos (aglomerado), adecuados para la fusión en los altos hornos. Actualmente se ha empezado a emplear la tostación de la mezcla e mineral, combustible y fundente (básico) con el objeto de obtener un aglomerado enriquecido en fundente. Esta medida aumenta considerablemente la capacidad de producción de los altos hornos y disminuye el gasto de combustible en la obtención de hierro fundido.

Combustible

El combustible es una materia orgánica compuesta de una parte inflamable y otra no inflamable (lastre). Las partes inflamables son el carbono e hidrógeno, al lastre pertenecen el agua, la ceniza y el azufre. Este último, 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 rengaste, 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 fundamental 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° C. El coque de buena calidad tiene un color gris claro un tanto plateado, no mancha las manos, es bastante poroso y tiene grietas en su superficie. El coque de Donetsk contiene del 85 al 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/cm2. El coque de buena calidad debe tener un pequeño porcentaje de ceniza y de humedad, así como un pequeño contenido específico de azufre. Las ventajas del coque son: alto poder calorífico, porosidad, resistencia considerable al aplastamiento y desgaste y bajo costo. Para la produc-ción en los altos hornos el coque se suministra en pedazos de 30 a 80 mm de tamaño. El carbón vegetal se obtiene por medio de la destilación seca de la madera en hornos especiales. El carbón vegetal de alta calidad tiene color negro con matiz

brillante. Su composición es de 80-90% de C; 10-12% de (H+O+N) y 0,6-1% de ceniza. Su poder calorífico es de 6500 a 8000 kcal/kg. La ausencia de azufre y el bajo porcentaje de ceniza son las venta-jas principales del carbón vegetal; su desventaja es la baja resisten-cia (cerca de 20 kg/cm2) y el alto costo. El carbón vegetal se utiliza solamente para obtener hierro fundido de alta calidad.

Fundentes

Los fundentes son sustancias minerales que se introducen en el alto horno, donde, al fundirse con las gangas de los minerales y con la ceniza del combustible, producen escorias fácilmente fusibles. Cuando los minerales contienen impurezas de arena y arcilla, se utiliza 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.

Procesos

Equipos

El alto horno es una instalación de acción continua, cuya capacidad de producción es hasta de 2000 t de hierro fundido en 24 horas. En la antigua Unión Soviética, los cálculos de los altos hornos modernos fueron elaborados por científicos soviéticos bajo la dirección del académico M. A. Pavlov.

En la figura se muestra la sección y el perfil interior de un alto horno moderno. La parte superior del horno se llama tragante 1. Este tiene un cargadero destinado para cargar la mezcla y tubos conductores 2 que dan salida a los gases. Abajo del tragante se encuentra la parte cónica del horno que se llama cuba 3. La parte más ancha del horno se denomina vientre 4. En la parte inferior del vientre se encuentra el etalaje 5, y más abajo se halla el crisol 6, que tiene forma cilíndrica. El fondo del crisol se llama solera 7; al nivel de la solera se encuentra la piquera 8, que da salida a la fundición, y un poco más arriba está situada la bigotera de escorias 9. En la parte superior del crisol están distribuidos por su circunferencia de 12 a 18 orificios, en los cuales encajan los aparatos de las toberas 10, que se emplean para inyectar el aire. La mampostería del horno (revestimiento) 16 se hace de ladrillos refractarios de chamota. La composición aproximada de la chamota es la siguiente: 50-65% de SiO2> 35-42% de Al2O3, 1,5-3% de Fe2O3; su capacidad refractaria oscila en los límites de 1580 a 1730° C.

El horno está revestido con una camisa 15, de chapas de acero remachadas o soldadas. En el revestimiento del crisol y del etalaje se instalan tubos (refrigeradores), por los cuales circula el agua. El aire caliente se conduce por el tubo circular 17 hacia las mangas 11, que tienen la forma de codos, desde las cuales el aire se suministra a las toberas. Los altos hornos que utilizan coque, tienen una altura útil hasta de 35 m, y los que emplean carbón vegetal, hasta 20 m. Altura útil es la distancia comprendida entre la solera del horno y el nivel superior de la mezcla de materiales de carga. El calentamiento del aire que a al alto horno a través de las toberas se realiza en recuperadores (estufas Cowper), como se muestra en la figura, constan de una torre revestida con ladrillos refractarios 1 y encerrada en una caja de acero 2. En el interior de la torre se encuentra la cámara de combustión 3 y el enrejado de ladrillos 4.

La mezcla de gas y aire del alto horno se suministra al recuperador a través de la tubuladura 5. La mezcla se quema en la cámara de combustión, de donde los productos de combustión, calen-tados al rojo, se conducen a la cúpula6, y de ésta salena la atmósfera a través de la chimenea 7 y por el enrejado. Después de calentar el en-rejado (2-3 horas), se termina el suministro de la mezcla, se cierra la chimenea y por la tubuladura 8 se abastece el aire frío, el cual, al pasar por el enrejado, se calienta hasta 800° C y sale por la tubuladura 9 a los tubos conductores del aire caliente unidos con el tubo circular del alto horno. El aire caliente se suministra durante una hora aproxima-damente. El horno está servido por 3-5 recuperadores de aire,que fun-cionan en serie, uno elabora el aire y los otros dos, realizan el calentamiento. Una instalación moderna de altos hornos transforma diariamente una gran cantidad de materias primas, debido a lo cual todas las operaciones referentes a la preparación y carga de los materiales mecanizadas y dotadas, en un grado considerable, con mando automático. Para que el horno funcione normalmente se debe calcular de antemano la relación entre el mineral, el combustible y fundentes. La mezcla del mineral, combustible y fundentes, calculada previamente, se llama carga. La carga, una vez preparada, se manda las tolvas dispuestas a lo largo del alto horno y luego pasa a un vagón de pesar, de donde el material ya pesado se dirige a una vagoneta especial (skip), que lo suministra a la parte superior del horno por .medio de un montacargas. El aparato de carga colocado en la parte superior del alto horno se compone de los conos grande 22 y pequeño 24, con los embudos 21 y 23. La mezcla se carga desde la vagoneta 20 al embudo pequeño 23, cuando el cono pequeño 24 está cerrado. Al descender el cono pequeño 24, el material cae en el embudo grande 21. Después de llenar el embudo grande, su cono 22 desciende y la carga entra en el horno. En este momento el cono pequeño está subido y cerrando el embudo, impide la salida del gas a la atmósfera, con lo que se logra hermetizar la carga del horno. Todo el proceso de carga de los altos hornos modernos está completamente automatizado.

Procesos: Reacciones Químicas

En el funcionamiento de un alto horno tienen lugar dos flujos continuos a contracorriente: de arriba hacia abajo desciende el mineral de hierro, coque, fundentes, 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 la parte inferior del horno se quema de acuerdo con la reacción: C+O2=CO2+97 650 cal. Cuando arde el coque, la temperatura se eleva hasta 1600°— 1750° C. El bióxido de carbono que se forma, entra en reacción con nuevas capas del coque calentado al rojo, reduciéndose a monóxido de carbono según la reacción CO2+C=2CO—37 710 cal. La mezcla gaseosa calentada, compuesta del monóxido de carbono, bióxido de carbono y el nitrógeno del aire sube, y entrando en contacto con los materiales de carga que descienden los calienta ininterrumpidamente 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 él grietas. En la parte media e inferior, a las temperaturas de 400°—900° C, el monóxido de carbono, actuando sobre el mineral, contribuye a la reducción gradual del hierro según las reacciones: 3Fe2O3+CO = 2Fe3O4+CO2 + 8870 cal; 2Fe3O4 + 2CO = 6FeO+2CO2—9 980 cal; 6FeO+6CO = 6Fe + 6CO2 +19 500 cal. Como reductor del hierro actúa también el carbono sólido que se forma como resultado de la descomposición del CO según la reacción: 2CO=C+CO2. La reducción del hierro por el carbono se realiza según la siguiente reacción: 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 temperaturas aproximadas de 1100 a 1200° C se reducen el manganeso, silicio y fósforo que se disuelven en el hierro.

Paralelamente se verifica la saturación del hierro con el carbono formándose carburo de hierro según la reacción: 3Fe + 2CO=Fe3C+CO2. El carburo de hierro formado, así como el carbono sólido se disuelven en el hierro esponjoso, el cual, a medida que se satura, se convierte en el hierro fundido. En el hierro también se disuelven las combinacio-nes 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 mine-ral 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 caliza, poniéndose en interac-ción (fundiéndose), forma escorias con la ganga. En las escorias se di-suelve una parte de las impurezas perjudiciales (sulfúricas, fosfóricas) y la ceniza. Las escorias con un gran contenido de SiO2 se llaman aci-das, y con un contenido elevado 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 líquido. El hierro fundido sale del alto horno a través de la piquera 8 y las escorias, por la bigotera 9. Las escorias se descargan aproximadamente cada hora. Las esco-rias descargadas se transportan en vagonetas especiales al lugar en donde se transformarán 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 del metal) que se llaman también 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. El principal índice técnico-económico de trabajo del alto horno es el coeficiente de utilización del volumen útil K, que representa la relación entre el volumen útil del horno V, en metros cúbicos, y la capacidad de producción diaria en toneladas, T. El coeficiente K es igual a:

V K=--- m3/t. T

Cuanto menor sea el valor de K tanto mayor será, por consiguiente, la cantidad de hierro fundido que se obtiene de 1 m3 de volumen del horno. Por lo tanto, cuanto menor sea K tanto mayor será la capacidad de producción del horno. Las innovaciones en los métodos de trabajo de los obreros soviéticos en los altos hornos han permitido obtener, por término medio, un valor de K igual a 0,65. Los innovadores de la producción para mejorar la utilización del volumen útil del alto horno realizan una serie de medidas: 1) cargan el horno con el mineral y el coque preparados con tamaños convenientes; 2) mantienen en el horno una temperatura alta y estable; 3) emplean aparatos de control automático para registrar las características del horno. Los innovadores de la producción prestan especial atención a la mecanización de los trabajos pesados y a la completa automatización del mando de los hornos. Después de que se empezó a utilizar el aire enriquecido con oxígeno, aumentó aún más la capacidad de producción de los altos hornos. Para abastecer los procesos metalúrgicos con la cantidad necesaria de oxígeno se construyen en la actualidad aparatos de oxígeno con una capacidad de 10 a 30 mil m3/h.

Diagrama de Flujo

Salida de Material: Especificaciones del Producto Terminado

Los productos de los altos hornos son: el hierro fundido, las escorias y el gas. El hierro fundido es el producto fundamental de la fusión en el alto horno. Con relación a su composición química y su destino el hierro fundido se divide en fundición gris, arrabio y fundición especial; y según la clase de combustible empleado, en hierro de coque y de carbón vegetal. 

La fundición gris se utiliza para moldear objetos y piezas en los

talleres de fundición. La composición de la fundición gris es la siguiente: Si, 1,25—4,25%; Mn, 0,5—1,3%; P, hasta 0,3%; S, hasta 0,07%. La fundición gris se marca ЛK-00, ЛK-0, ЛK-1, ЛK-2, ЛK-3, ЛK-4. Cuanto mayor es la cifra (número) de la marca, tanto menor es contenido de silicio. Por ejemplo, la

fundición gris ЛK-00 contiene del 3,76 al 4,25% de silicio y la ЛK-4, del 1,25 al 1,75% de silicio. 

El arrabio se utiliza para la obtención de acero. El arrabio, según el

método de transformación, se llama: fundición blanca de Martin (M), Bessemer (B) o Thomas (T). La composición del arrabio se muestra en la tabla 1 en la cual se ve que el arrabio tiene poco silicio y mucho manganeso, especialmente, el arrabio destinado para la producción del acero en los hornos Martin. El arrabio contiene carbono en estado ligado; por eso tiene fracturas blancas y recibe a menudo el nombre de fundición blanca. 

Los hierros fundidos con alto contenido de silicio o manganeso se

llaman ferroaleaciones. Las ferroaleaciones se utilizan como adiciones especiales para producir acero y piezas de hierro fundido. En la tabla se dan las composiciones de los arrabios y de las ferroaleaciones que se producen en los altos hornos.

Composiciones de arrabios y ferroaleaciones

Hierro fundido

Silicio Manganeso

Fósforo Hasta

Azufre

Arrabio (M)

0,3—0,5

1,5—3,5

(B)

0,9—2,0

0,6—1,5

(T)

0,2—0,9

0,8—1,3 1,6—2,0

Hasta 0,08

0,04

0,3 Hasta 0,07

Hasta 0,07

Hasta 0,06

Ferroaleaciones: ferrosilicio

9—13

3

ferromanganeso

2

70—75



0,2 0,35—0,45

0,03

Las escorias de los altos hornos se utilizan en la producción

de ladrillos, bloques y hormigón. Las escorias ácidas se emplean para obtener

lana de escorias la cual a consecuencia de su baja conductividad térmica es utilizada como material de aislamiento térmico. 

El gas del alto horno (de tragante) limpio de polvo se usa como

combustible en los recuperadores, en las calderas de vapor y otras instalaciones de producción. El contenido promedio de sus componentes es: CO, 27%; CO2, 12%; H2, 2%; CH4, 0,5%; N2, 58%. Su poder calorífico es aproximadamente de 1000 cal/m3. Por su poder calorífico pertenece a los gases pobres.

PARA LA OBTENCIÓN DEL HIERRO DUCTIL

Materias Primas para la Producción de Hierro Dúctil.

La forma esferidal del grafito que caracteriza al hierro dúctil es producida usualmente con un contenido de magnesio de aproximadamente de 0.04 a 0.06 %. El magnesio es un elemento altamente reactivo a la temperatura del hierro fundido, combinándose fácilmente con oxígeno y azufre. Para economizar magnesio y por la limpieza del metal, el contenido de azufre del hierro a ser tratado debe ser bajo (preferiblemente < 0.02%), esto se logra fácilmente en un horno eléctrico por fundición de cargas basadas en chatarra de acero a hierro en lingotes de calidad especial para la producción del hierro dúctil, junto con chatarra de hierro dúctil. El bajo contenido de azufre puede obtenerse también por fundición en una cúpula básica, ya que el ácido del hierro fundido de la cúpula tiene un alto contenido de azufre y normalmente necesita ser desulfurado antes del tratamiento por desulfurización continua o en serie en un cucharón o recipiente especial. El tratamiento en cúpula ácida del hierro fundido sin la desulfurización previa no es recomendable, porque el hierro consume más magnesio y produce excesiva escoria de sulfuro de magnesio, que es difícil de remover por completo.

Para producir hiero dúctil con la mejor combinación de resistencia, alta ductilidad y dureza, las materias primas que deben elegirse serán aquellas con

bajo

contenido

de elementos indeseables, particularmente aquellos que

promueven una matriz de estructura perlítica. Un bajo contenido de magnesio es también necesario para conseguir ductilidad del material colado y para facilitar el éxito de los tratamientos térmicos para producir una estructura ferrítica. Para este propósito es necesario usar chatarra de acero de calidad especial o hierro en lingotes, también de calidades especiales. Las calidades de alta resistencia de hierro dúctil pueden ser hechas de chatarra de acero estructural, hierro en lingotes y retornos de fundición, pero determinados elementos, tales como, plomo, antimonio y titanio, son mantenidos siempre lo más bajo posible para lograr una buena estructura de grafito. Esos efectos indeseables, sin embargo, ser compensados con la adición de una pequeña cantidad de cerio que da un contenido residual de cerio de 0.003 a 0.01%. Un importante control de las materias primas implica la exclusión del aluminio que puede promover fragilizaciones y defectos superficiales en el siguiente cuadro se muestran los contenidos típicos de los elementos menores de tres materias primas usadas en la manufactura de hierro dúctil.

Control de la Composición

Carbono. En la práctica de la fundición en hornos eléctricos, el carbono deriva del hierro en lingotes, carburizantes y chatarra de hierro fundido. La carburización de cargas de chatarra de acero se logra agregando grafito de bajo azufre o coque grafitizado, la proporción de solución y la recuperación del carbono aumenta con la pureza de la fuente de carbono usada. En cúpula de fundido, el carbono también deriva del coque cargado.

El rango óptimo para este elemento es de 3.4 a 3.85%, dependiendo del contenido de silicio. Por encima de este rango, hay peligro de flotación de grafito, (especialmente en secciones pesadas) y de un aumento en la expansión durante la solidificación, que conlleva a fragilizaciones, particularmente en moldes de arena blanda. Por debajo de este rango, las fragilidades pueden también ocurrir

por la falta de carbono. Silicio. El silicio entra al hierro dúctil desde las materias primas, incluyendo chatarra de hierro fundido, hierro en lingotes y ferroaleaciones, y en pequeña parte desde el contenido de silicio de las aleaciones agregadas durante la inoculación. El rango preferente es de alrededor de 2 a 2.8%. Más bajos niveles de silicio conducen a una alta ductilidad en hierros tratados térmicamente, pero a peligros de carburos en las secciones delgadas, mientras que un alto contenido de silicio acelera el recocido y ayuda a evitar carburos en las secciones delgadas. Así como crece el contenido de silicio, la temperatura de transición dúctil-frágil en hierro ferrítico aumenta. La dureza y la resistencia a la tracción también aumentan.

Carbono equivalente (CE). Los contenidos de carbono, silicio y fósforo pueden ser considerados juntos como un valor de CE, que puede ser una guía muy útil para analizar el comportamiento de las fundiciones y algunas propiedades. Hay varias formulas de CE, y son muy usadas para calcular las propiedades de la fundición y la estructura solidificada del hierro. Cuando el carbono equivalente: CE = c% +1/3 (Si% + P%) Es igual a 4.3%, el hierro será de composición y estructura completamente eutéctica, y la desviación del valor de CE desde este valor es una medida de la cantidad relativa de eutéctico. Si CE es menor que 4.3%, habrá una porción de dendritas; si CE es mayor que 4.3%, habrá nódulos de grafito primario en la estructura. El grado de saturación Sc, es a veces usado, para expresar la proximidad a la composición eutéctica. El valor de Sc puede determinarse por la siguiente ecuación: Sc = %C / 4.23 – 0.3 (%Si + % P) Cuando Sc es menor que 1, el hierro es hipoeutéctico y contendrá dendritas primarias. Si Sc es mayor que 1, habrá grafito primario en la estructura. El carbono equivalente líquido (CEL) es una medida de la temperatura de líquidus, la cual tiene un mínimo valor en la composición eutéctica; que es CEL = %C + %Si /4 + %P /2. la máxima fluidez ocurre cuando es alcanzado este valor. El CEL solo puede ser medido convenientemente para hierros no tratados previamente con magnesio. Es usual pretender valores cercanos a 4.4 – 4.5, valores muy superiores a estos se restringen para evitar la flotación del grafito.

Manganeso. La principal fuente de manganeso es la chatarra de acero usada en la carga. Este elemento debe ser evitado para obtener la máxima ductilidad. En hierros ferríticos este debe ser de 0.2% o menos. En hierros para ser usados en la condición perlitica, este puede estar en 1%. El manganeso esta sujeto a una microsegregacion indeseable, esto es así especialmente en secciones pesadas, en las que el manganeso fomenta la aparición de carburos en los bordes de grano, lo cual promueve a una baja ductilidad, baja tenacidad y perlita persistente.

Magnesio. El contenido de magnesio requerido para producir grafito esferoidal, varia entre 0.04 y 0.06%. Si el contenido de azufre inicial es mas bajo que 0.015%, un contenido de magnesio mas bajo (0.035 a 0.04%) pude ser satisfactorio. Si el contenido de magnesio es demasiado bajo pueden obtenerse estructuras de grafito compacto con propiedades inferiores, mientras que un contenido demasiado alto puede promover a defectos superficiales.

Azufre. El azufre deriva del cargado de materias primas metálicas. En cúpulas de fundido, este también es absorbido por el coque. Antes del tratamiento con magnesio, el contenido de azufre debe ser lo más bajo posible, preferiblemente por debajo de 0.02%. El contenido final de azufre del hierro dúctil está generalmente por debajo del 0.015%, pero si el cerio está presente, éste puede ser más alto por la presencia de sulfuro de cerio en el hierro. Contenidos finales excesivos de azufre son asociados con escorias de sulfuro de magnesio. Cuando se usa cúpula de hierro fundido, es común desulfurizar el metal – generalmente con cal o carbura de calcio, continuamente o en series, antes del tratamiento de magnesio- a niveles de 0.02% o menores.

Cerio. Puede ser agregado para neutralizar partículas indeseables de elementos que interfieren en la formación del grafito esferoidal y para ayudar a la inoculación, en % que pueden variar entre 0.003 y 0.01%. En fundiciones de muy bajo contenido de elementos menores, el cerio puede ser indeseable y puede promover

formaciones de grafito no esferoidal, especialmente en secciones gruesas. El cerio es agregado como un constituyente menor en aleaciones de adición de magnesio e inoculantes para mejorar la estructura del grafito. Elementos menores que promueven el grafito no esferoidal. Plomo, antimonio, bismuto y titanio son elementos indeseables que pueden incorporarse en pequeñas partes con las materias primas en la carga, pero sus efectos pueden ser neutralizados con la adición de cerio. Elementos menores que promueven la perlita. Níquel, cobre, manganeso, estaño, arsénico y antimonio, todos promueven la perlita y son listados en orden creciente de influencia. Pueden ingresar en el hierro como partículas constituyentes de la materia prima. El cobre hasta un 0.3% y el estaño hasta un 0.1% son usados deliberadamente cuando se requieren estructuras completamente perlíticas. Una carga de alta pureza es esencial para lograr estructuras completamente ferríticas o con recocido mínimo.

Aluminio. La presencia de finísimas cantidades uniformes de aluminio en el hierro dúctil promueve la porosidad subsuperficial y superficial, por lo tanto debe ser evitado. La mayoría de las fuentes comunes de aluminio son contaminantes en aceros y en chatarra de hierro fundido (como ejemplo tenemos, los pistones de aluminio provenientes de las chatarras de motores de aluminio). Otra fuente es el aluminio contenido en los inoculantes. Un porcentaje de aluminio tan bajo como 0.01% puede ser suficiente como para causar cavidades en el hierro dúctil conteniendo magnesio.

Fósforo. Es normalmente mantenido por debajo del 0.05%, porque promueve fragilidades y reducciones en la ductilidad. Elementos menores que promueven carburos. Cromo, vanadio y boro son todos promotores de carburos. El magnesio puede también acentuar los efectos estabilizantes de carburos de estos elementos, especialmente en secciones pesadas donde la segregación provoca la formación de carburos en los bordes de grano. Son controlados por una cuidadosa selección de las materias primas metálicas para fundición.

Elementos aleantes que promueven el endurecimiento. El níquel hasta un 2% y el molivdeno hasta un 0.75% son los elementos que se agregan generalmente para promover el endurecimiento cuando se vayan a aplicar tratamientos térmicos. Pequeñas

cantidades

de

manganeso

y

cobre

promueven

también

el

endurecimiento, pero son normalmente usados en combinación con otros elementos. El cobre tiene una solubilidad limitada y debe ser mantenido por debajo del 1.5%. Elementos aleantes para lograr propiedades especiales. Las estructuras de matriz austenítica son logradas por adición de 20% o más cuando se requiere resistencia al calor, a la corrosión o a la oxidación, y hasta un 5% de cromo puede también agregarse para tales fines. Los contenidos de níquel hasta un 36% producen hierros de propiedades controladas de baja expansión. Hasta un 10% de manganeso en los hierros austeníticos conduce a una baja permeabilidad magnética, y se acepta un bajo contenido de níquel para lograr una austenita estable. Un contenido de silicio de hasta un 6% produce estructuras de matriz ferríticas con reducido crecimiento, distorsión térmica y rotura a elevadas temperaturas. La adición de hasta un 2% de molibdeno a los hierros perlíticos, ferríticos y austeníticos confieren mejoras en el creep y resistencia a temperaturas elevadas.

Conclusión Se denomina siderurgia (del griego ζίδερος, síderos, "hierro") a la 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. 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 (Fe3O4) Hidróxidos -> Limonita Carbonatos -> Siderita o carbonato de hierro (FeCO3)

La mayor parte del hierro se utiliza en formas sometidas a un tratamiento especial, como el hierro forjado, el hierro fundido y el acero. Comercialmente, el hierro

puro

se

utiliza

para

obtener

láminas

metálicas

galvanizadas

y

electroimanes. Los compuestos de hierro se usan en medicina para el tratamiento de la anemia, es decir, cuando desciende la cantidad de hemoglobina o el número de glóbulos rojos en la sangre.

Bibliografía

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