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Fabricación de aceros •

Dra. Laura Sáenz

1.- Mineral de hierro OXIDOS DE MINERAL DE HIERRO

Denominación

Metalizado

Oxido de Hierro Magnéticos Magnetita Fe3O4

72 % de hierro

Férricos Fe2O3 anhidros

Hematita

70 % de Hierro

Férricos Hidratados

Limonita

2 Fe2O3 + 2 H2O,

Carbonato de Hierro

Siderita

48 % de hierro, asociado a CO3Ca y CO3Mg

Chatarra Pre reducidos

Pelets, briquetas, sínter

85-95% Fe

2) COMBUSTIBLE  Sólido: Coque  Líquido  Gaseoso: H2, O2, CO, CO2 y N2 3) FUNDENTE, Acido o Básico (Caliza, cal, sílice, alumina,, magnésia , Magnesita y dolomita) 4) AIRE 5) OXIGENO 6) FERROALEACIONES ( solo en el proceso de afino)

Altos hornos

REFRACTARÍOS 

A)Especiales:

grafito, circonia y boruros



B)Cements: ácidos y Básicos

 

C)Silicosos: hornos de fusión 15- 32 % Al2O3 - TiO2 - Fe2O3 = 3%.

 

D)Magnesia 80 % MgO Fe2O3 < 8% CaO- SiO2- Al2O3 pequeñas cantidades



E)Dolomías: cal, MgO, 55% CaO - 35 % MgO



F)Aluminosas: 32–46 %Al2 O3 +TiO2 Fe2O3 1,5 % -1,8%, paredes de soleras



G)Base de grafito: Fabricación de crisoles para fundiciones de metales.

REFRACTARIOS  I)Cromo magnesia: hornos de cal cemento. 

J)Forsterita: bóveda de metales no férreos y Siemens Martín.



K)Base de carbono crisoles de altos hornos.



L)Circona revestimiento de reactores industria química piqueras de colada.



M)Circón: Hornos para fabricación de aluminio, vidrio y metales preciosos.



N)Carburo de silicio: muflas de hornos piezas de hornos de zinc crisoles de metales no ferrosos.

CO2 +CO + N2

200°C zona de deshidratación CO2  Reacción de Bouduard

C + O2  C + CO2  CO 

400°C zona de reducción indirecta 2 Fe2O3 + CO --> 2 Fe3O4 + CO2  2 Fe3O4 + CO --> 2 FeO + CO2  2 FeO + CO --> 2 Fe + CO2  800°C Zona de reducción directa 2 Fe2O3 + C --> Fe3O4 + CO  2 Fe3O4 + C --> FeO + CO  FeO + C --> Fe3 + CO 1100 °C CaCO3  CaO + CO2 1300 °C CO2 + C  2CO  1400 °C Zona de fusión y carburación Fe + 2CO---> Fe3 C+ CO2  1600°C

PROCESO DE DESULFURACIÓN < S > +0 2  SO2 < S > +  Fe   (FeS) (FeS )  FeS Agrego Cal (FeS ) + (CaO)  (CaS)+ (FeO) (FeS ) + (CaO) +  (CaS) +Fe + CO Agrego MnO (FeS ) + (MnO)  (MnS) + (FeO) (FeS ) + (MnO) +  (MnS) + Fe + CO

Reducción directa

REDUCCIÓN DIRECTA La obtención de hierro en estado solido se realiza caldeando el mineral de hierro por debajo de su punto de fusión entre 900 y 1000°C con un reductor que puede ser carbono sólido o gas natural o mezcla de ambos. Producto obtenido es un pre-reducido con 90% de hierro, conocido como hierro esponja (pelets, briquetas, terrones). Fe2O3 Fe2O3

o Fe3O4 + C (sólido) Hierro esponja o Fe3O4 + C + H Hierro Esponja

Gas natural reformado El hierro esponja tiene metalización > a 75%

un

alto

porcentaje

de

TIPOS DE REDUCCION 1. REDUCCION POR CO Fe2O3 + CO →Fe + 3 CO + 58845 Kcal/ Ton de Fe CO2 + C → 2 CO + 897Kcal/Nm3 CO

Al principio actúa el carbono directamente como único reductor pero en cuanto se produce el oxido de carbono la reducción se activa notablemente. La reducción de carbono es realmente indirecta.

2. REDUCCION POR HIDROGENO Fe2O3 + 3 H2 → 2 Fe + 3 H2O + 204951Kcal/ Ton de Fe No se utiliza nitrógeno sino gases naturales que lo contienen como el gas natural reformado CO + H2

Las reformas del gas pueden realizarse con varios procedimientos 1) Con Vapor de Agua CH4 + n H2O→ CO + 3H2 + 9(n - 1)H2O 25% 75% para eliminar el vapor de agua, se enfría el gas, hasta que se condense y se vuelva a calentar a la temperatura de reducción una vez eliminada el agua

2) Por combustión parcial con aire u oxigeno CH4 + ½ O2 → CO + 2 H2 33,3 % 66,7 % 3) Por reacción con CO2 CH4 + CO2 → 2 CO 50 %

+

2 H2 50 %

Hornos de Reducción Directa con insufle de gas Horno

Gas Reductor

Temperatura

Producto obtenido

HyL Reactor Mexicano carga de 3 -12mm

14% CO + 75% H2 + 3% CH4

870- 1050°C

80 % Fe

MIDREX (cuba) Alemán PUROFER (cuba)

95%  CO + H2

850°C

92-96% Fe, 0,7 a 2% C

50% CO + 50% H2

800°C

85% Fe

HIB (lecho fluido) Mineral malla 10 FIOR

+ 3 < C > = < Fe > + 3 {CO}

GASES: 10 - 15 % de CO2,

5%

N 2,

80 – 85 % CO

CONSUMO 350 Kg. De Coque  400 ton de arrabio 2000 KW hora / 1 ton. de Arrabio 2kg. de electrodo / ton. de Arrabio

COMPOSICION DEL ARRABIO PRODUCIDO C = 3-4 %, Si = 1,5 – 2,5 %, S = 0,5 – 1,5 %, P= 0,5- 1,5 %, Mn= 1,5- 2,3 %, Fe = resto.

Electrodos

Tolvas: dobles y sencillas.

HORNOS SIEMENS MARTIN 1)Carga

de los materiales sólidos: chatarra (protege la solera), caliza y resto de la chatarra y arrabio sólido en forma de lingotes. 2)Calentamiento hasta 1000º C control cuidadoso Se lleva a esta temperatura para que al cargar arrabio líquido no se enfrié por la chatarra, la temperatura no debe ser tan alta para producir reacciones violentas. 3)Carga de los materiales líquidos Se introduce un canal a través de una de las puertas del horno y se vacía el arrabio líquido con mucho cuidado. 4)Fusión Carga sólida

carga líquida

Comienzan las reacciones de oxidación refinando el acero se elimina Manganeso y fósforo, Sílice y el Carbono. La primera escoria puede ser drenada por la puerta central del horno para eliminar impurezas P y S hasta 0,04 %. La salida de la escoria posterior al acero (l) permite añadir aleaciones recarburadoras y desoxidantes en el cucharón antes de que se haya llenado totalmente.

CONVERTIDORES AL OXIGENO ARRABIO, CHATARRA 20 % FUNDENTE, ESCORIA SINTETICA, OXIGENO SOLERA DOLOMITA AGLOMERADA CON ALQUITRAN (DURA 300 OPERACIONES) CALIDAD DEL ACERO ES EQUIVALENTE A LA DEL SIEMENS MARTIN.

[Si] + {O2} = (SiO2) [Mn] + {O2}= (MnO) + 1/2{O2} = {CO} 2[P] +5/2 {O2} = (P2O5) (P2O5) + = CaOP2O5 ARRABIOS con Fósforo menor a 0,5 %

KALDO Utiliza Arrabios ricos en fósforo Funde 90 % de Chatarra, consume 20 a 30 Kg. de refractarios por ton de acero producido. ROTOR Utiliza dos lanzas de Oxigeno, crisol giratorio, cuyo eje esta inclinado en 7 º revestimiento de magnesia y dolomita.

Oxiconvertidores

Productos Siderúrgicos

Composiciones de la fase gaseosa en equilibrio con el hierro y los diversos óxidos _PCO x 100 PCO +PCO2

Fe

CO

CO2

FeO

60 40 20 10

Fe3O4

Fe2O3

3 Fe2O3 + CO 600

↔ 800

2 Fe3O4 + CO2 1000

T ( °C)

PAPEL DE COQUE EN LOS ALTOS HORNOS Y HORNOS ELÉCTRICOS A) ALTO HORNO

C coque + O2 aire  CO2 CO2 + C coque -> 2 CO (Agente reductor)

B) HORNO ELÉCTRICO O2( descomposición de los óxidos) + C coque=> elemento reductor S < 1% buena resistencia mecánica coque P < 0,04 % buena porosidad=> para que las reacciones sean más rápidas Cenizas < 10% 1 ton de carbón produce: 635,6 kg de coque 311,520 m3 de gas de horno de coquizar 11,35 kg de sulfato de amonio 37,85 kg de alquitrán ( para la producción de combustibles) 11,36 lts. De aceite ligero (para la industria del disolvente)

Balance de carga en hornos

PROCESOS SIDERÚRGICOS (CARGA Y DESCARGA)

REDUCCIÓN y FUSIÓN

Mineral de Fe Fundente Combustible Coque

Hornos:

•Alto Horno •Horno eléctrico

Arrabio Escoria Gases

AFINO O ACERACIÓN

Arrabio Complemento del Hierro ( Fe) Fundente Coque Ferroaleación

Hornos: •Convertidor •Sobre Solera •Horno eléctrico

Acero Escoria Gases

Mineral de Fe Fe2O3

Coque

Fundente

C

CaCO3

Arrabio Escoria Acero

Gases

Fe

CaO

Fe

CO

C

MnO

C

CO2

Si

SiO2

Si

N2

Mn

P2O5

Mn

H2

P2O5

P

Al2O3

P

H2O (vapor)

MnO Sulfuros

S O

FeO Sulfuros SFe, SMn, SCa

S O

SO2

Básico

Fe3O4

cenizas

CaO Básico

SiO2

P

SiO2 Ácido

Al2O3

SiO2

Al2O3 Ácido

Si en un horno eléctrico se carga la siguiente materia prima con su respectiva composición en peso y peso molecular,

Sabiendo que manganeso se reduce un 50 %. El fósforo se oxida en un 80 %. CALCULE: a.- el peso y composición de la escoria b.- FeO de la escoria b.- Calcule el SiO2 de la escoria Arrabio 1200 Kg %peso (PM) Fe = 85 (56) C = 4 (12) Si = 4,5 (28) Mn = 4,5 (55) P = 2 (31)

Fe-Si (700Kg) % peso (PM) Fe=75 (56) Si=25 (28)

Coque Fundente 900 Kg 900 kg % peso (PM) %peso (PM) C = 89 (12) CaCO3=100 (100) Cenizas=8 P=1 (31) SiO2=2 (60)

Acero 1000kg % peso (PM) Fe= 95,2 C=1,7 Si=1,5 Mn=1,5 P=?

Fe + ½ 02 -> FeO  CaC03 -> Ca0 + CO2  Si + 02 -> SiO2  2Fe + 3/2 O2 -> Fe2 O3  2P + 5/2 02 -> P2O5 3Fe + 2 02 -> Fe3O4 2Fe + 3/2 02 -> Fe2O3 

   

 

Balance Balance Balance Balance Balance Balance

de de de de de de

hierro, Fe silicio, Si manganeso, Mn fosforo, P carbono, C oxigeno, O2

Balances de carga