• Author / Uploaded
• walter paolo

Citation preview

UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA FACULTAD DE INGENIERIA DE MINAS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA QUIMICA

“PRODUCCION INDUSTRIAL DEL ACERO; METODO CLASICO Y METODO MODERNO”

DOCENTE

: ING. DANTE CASTRO C.

CURSO

: ECONOMIA DE LOS PROCESO QUIMICOS

ESTUDIANTE

: PANTA FIESTAS JOSE NARCISO

SEMESTRE

: 2016 – II

INTRODUCCION El acero, por su abundancia, versatilidad y baratura, es el material metálico más útil del hombre. Se usa en edificios, puentes, ferrocarriles, automóviles, herramientas, maquinarias y muchas otras cosas esenciales para nuestro bienestar. No existe fase alguna de nuestra vida que no dependa, en una u otra forma del acero, pues aun los alimentos se obtienen de plantas que se siembran, se cultiva, cosechan y elaboran por medio de máquinas con él fabricadas y se transportan hasta el consumidor en envases que suelen ser de aceros. El hierro y el acero son términos estrechamente vinculados al desarrollo y progreso tecnológico del hombre. Hierro (Fe, del latín ferrum, número atómico 26), es el metal fuerte más abundante en la corteza terrestre, el hierro puro es un metal blanco plateado, relativamente suave y rara vez se utiliza comercialmente. El hierro electrolítico puro se utiliza para núcleos magnéticos. Para aplicaciones comerciales del hierro, este tiene que estar aleado con otros elementos, la más importante aleación, es la aleación con el carbono, el cual pequeñas cantidades de carbono en el hierro, disminuye su punto de fusión

RESEÑA HISTORICA Proceso de cementación El proceso de cementación consistía en la impregnación del hierro en una fragua con carbón vegetal, pieles de animales u otro material carbonoso. La masa metálica se trabajaba repetidas veces, hasta que el artesano se sentía satisfecho con su producto. Para la cementación se aprovecha el hecho de que un producto ferroso de bajo contenido de carbono, como el hierro forjado, al ser calentado al rojo en contacto con el carbón vegetal u otro material carbonoso, absorbe carbón hasta llegar a un punto de saturación ligeramente inferior al 2%. Las barras de hierro, rodeadas de carbón vegetal y aislado del aire, se calentaban y mantenían al rojo por espacio de siete a doce días. La cantidad de carbón absorbido variaba según el tiempo en que el metal estaba en contacto con el carbón y según la temperatura del metal. Con el acero cementado, caracterizado por una superficie con 2% de carbono y un núcleo relativamente blando, se hacía herramientas de borde duro y afilado y centro dúctil y resistente al choque

Proceso de crisol En 1742, Benjamín hutsman, fabricante de relojes en Inglaterra, descontento por la falta de uniformidad del acero cementado que empleaba para fabricar los muelles de los relojes de mesa o de pared, invento el método de acero al crisol. Rompía trozos barras de acero cementado con apropiado contenido de carbono y los calentaba con fuego de coque en grandes crisoles de arcilla cubiertos. Cuando los tenía completamente fundidos y después de eliminar la nata de escoria, vertía el resto en moldes de hierro fundido, en los cuales permanecía el acero hasta solidificarse. Los lingotes de 80 a 124 lb cada uno eran recalentados y por forja o laminación se les daba la forma deseada. Este procedimiento producía acero homogéneo, exento de escorias y muy superior al producto del proceso de cementación. Fue el mejor acero por más de 150 años y se mantuvo su producción hasta que en 1940

La segunda mitad del siglo XIX contemplo el gran salto adelante del desarrollo de los métodos y equipos de fabricación de acero. Primero había sido la optimización del alto horno y equipos en si como la preparación de cargas, añadidas a la sustitución que se había producido del carbón vegetal por el coque, optimización que comenzó a principios del mismo siglo. Casi simultáneamente se produjo la aparición de los convertidores, Bessemer primero y Thomas después, que hicieron posible la fabricación masiva de acero a partir del arrabio elaborado en los altos hornos. Esta plétora de acero género, como es lógico suponer, grandes cantidades de chatarra. La aparición casi simultánea de los hornos Siemens-Martin permitió reciclar esa chatarra, a la vez que podían actuar como unidades de conversión de arrabio en acero en serie con el alto horno. De esta forma surgieron tres vías clásicas de fabricación de acero 1. Mineral  alto horno  arrabio  convertidor  acero liquido 2. Mineral  alto horno  arrabio  siemens  acero liquido 3. Chatarra (y a 3 veces arrabio y mineral)  siemens acero liquido A comienzos del siglo XX se produjo el desarrollo y difusión de la electricidad industrial que propicio la aparición de los hornos eléctricos como aparatos de fusión, tanto los de arco como los de inducción. Durante la primera mitad de este siglo hubo un mejoramiento de estos equipos, junto con aumento de tamaño de los mismos. Así se llegó a hornos de arco de hasta 300 toneladas de capacidad. El costo de fabricación de acero en horno de arco eléctrico era bastante elevado, lo que solo les hacía adecuados para la fabricación de aceros aleados, de alto valor añadido. El perfeccionamiento que se produjo, tanto en los propios hornos como en su operación, hizo que la acería eléctrica llegara a competir con la siderurgia integral (alto horno – convertidor) no solo en calidad sino también en costos. Y esto a pesar de la irrupción en la década de los cincuenta de los oxiconvertidores (LD y sus derivados) desarrollados en Austria. Paralelamente a estos fenómenos se produjo, a mediados del siglo XX, la desaparición paulatina de los hornos Siemens-Martin, que no podían competir en productividad con los convertidores ni en calidad con los hornos de arco. Por otro lado, los problemas medioambientales que generaba los hornos de llama (lluvia acida, provocada por el SO2 derivado de combustibles de baja calidad), como es el caso del Siemens, aceleraron su desaparición.

DEFINICION DEL ACERO Según la norma UNE 36 – 004, el acero puede definirse como: “Material en el que el hierro es predominante y cuyo contenido de carbono es, generalmente, inferior al 2%, conteniendo además otros elementos en diversas proporciones. Aunque un limitado número de aceros pueden tener contenidos en carbono superiores al 2% este es el límite habitual que separa el acero de la fundición”.

FUNCION DEL CARBONO EN EL ACERO El contenido de carbono es relativamente bajo. La mayoría de los aceros tienen menos de 9 átomos de carbono por cada 100 de hierro, como el carbono es más ligero que el hierro, el porcentaje en masa es casi siempre menos del 2%. El carbono tiene gran influencia en el comportamiento mecánico de los aceros, la resistencia de un acero simple con 0,5%C es más de dos veces superior a la de otro con 0,1%. Además, si el contenido de carbono llega al 1%, la resistencia casi se triplica con respecto al nivel de referencia del 0,1%.

Fig. Efecto del contenido de carbono en la resistencia de los aceros. Sin embargo, generalmente el carbono reduce la ductilidad del acero. La ductilidad es una medida de la capacidad de un material para deformarse de forma permanente sin llegar a la ruptura. Un acero del 0,1% en carbono es más de cuatro veces más dúctil que otro con 1% de carbono y dos veces más que un tercero con un 0,5% de carbono.

Fig. Efecto del contenido de carbono en la ductilidad de los aceros comunes.

DESCRIPCION DEL PROCESO EL acero es esencialmente una combinación de hierro y carbono, el contenido de carbono de van desde unas pocas centésimas a aproximadamente uno por ciento. Todos los aceros también Contienen cantidades variables de otros elementos, principalmente de manganeso, fósforo, azufre, silicio aunque están siempre presentes aunque sea en pequeñas cantidades. La presencia y cantidad de estos y algunos otros elementos de aleación, que se añaden en varias combinaciones como se desee, determinan en gran medida las propiedades finales y características del acero en particular. Los métodos que han sobrevivido a los ensayos empíricos y se han arraigado como métodos prácticos para obtener los aceros que forman el tonelaje de la producción moderna, son los descubrimientos y perfeccionamiento en los últimos cien años. El proceso Bessemer (1856), el de solera abierta (1868) y el del horno eléctrico (1900) son hoy los tres métodos más importantes para fabricar acero. En los tres se produce acero eliminando hasta un mínimo predeterminado diverso de elementos por oxidación o por formación de escorias con fundentes y añadiendo después los elementos convenientes en las cantidades exigidas por análisis especificados MATERIAS PRIMAS Las principales materias primas en la industria del acero son, mineral de hierro y chatarra de acero, carbón y piedra caliza. El mineral de hierro es una combinación natural de óxidos de hierro y otros materiales tales como silicio y fosforo.

METODO CLASICO EL ALTO HORNO DEL HIERRO

El alto horno en la fabricación de hierro es un horno de cuba vertical y alto, que se emplea carbón como agente reductor en las menas de óxidos de hierro. El carbón se carga principalmente en forma de coque, el producto que se obtiene es arrabio líquido (4-5% C, 0.5-1%Si), el cual posteriormente se refina para producir acero. El objetivo principal del alto horno es producir arrabio de composición constante a alta velocidad. La temperatura del hierro y de la escoria constituye la variable crítica de operación, esta debe ser superior a 1700K con el propósito de que los productos se encuentren en estado líquido. Dado que virtualmente todo el hierro que se produce en el alto horno, se refina en una etapa posterior para producir acero, la composición del metal no constituye un rasgo crítico del proceso de alto horno, sin embargo, la composición que requiere la acería se logra mediante un ajuste adecuado con la composición de la escoria y de la temperatura del horno.

Materias Primas en el Alto Horno

 Solidos (mena, coque, fundentes); los cuales se cargan por la parte superior del horno. a. Mineral; en el mineral se encuentran los óxidos de hierro, en la actualidad las adiciones de óxido de hierro se hacen en forma de pellets, material sinterizado, menas tamizadas y también se adiciona hierro en forma de escoria de aceración y cascarilla de óxido.  Magnetita (Fe3O4), que contiene 72,4% de hierro cuando se encuentra pura, pero generalmente en menor el contenido al extraerlo de la mina. Es un mineral magnético.  Hematita (Fe2O3), que constituye la mayor parte de los minerales de hierro que hay en el mundo y que se presenta en varias formas; roja, marrón o negra. Contiene del 40 al 65% de hierro.  Limonita y otros tipos de minerales del hidróxido y cuyas composiciones varían de 2Fe2O3.H2O a Fe2O3.3H2O y que contienen del 20 al 55% de hierro.  Siderita (FeCO3) y otros tipos de carbonatos minerales, generalmente de bajo contenido de hierro. b. Coque metalúrgico (contiene hasta un 90% de Carbón); este material es el encargado de suministrar la mayor parte del gas y del calor que se requiere para llevar a cabo la reducción y fusión de la mena. El coque metalúrgico se produce mediante calentamiento de carbón “aglomerante” pulverizado (25 – 30% de sustancias volátiles), en ausencia de aire. La destilación de los materiales volátiles da lugar a un coque poroso, el cual es: i. Reactivo a altas temperaturas ii. Lo bastante resistente como para evitar ser triturado al hallarse cerca del fondo del horno La resistencia del coque es una propiedad necesaria para promover el flujo uniforme del gas a través de la carga a medida que esto se reblandece y funde en la región inferior del horno. El coque se carga al horno en pedazos de 2 a 8 cm. c. Fundentes (CaO y MgO) de las impurezas, sílice y alúmina; que acompañan a la mena y al coque, produciendo una escoria fluida de bajo punto de fusión (≈1600K). El CaO presenta la ventaja adicional de contribuir en la eliminación parcial del azufre que contiene el coque como impureza, el azufre sale del horno junto con la escoria. La introducción de CaO y MgO, se hace en forma de sinter autofundente o en pedazos

de 2 a 5 cm de piedra caliza (CaCO3) y dolomita (CaCO3.MgCO3); ocasionalmente se introduce en forma de escoria de aceración.  Gases (materiales que se introducen por las toberas) a. Soplo de aire caliente; el aire se pre-calienta a una temperatura que varía entre 1200 y 1600 K y en algunos casos se enriquece con oxígeno para producir un contenido de hasta 25% en volumen. El soplo caliente causa que el coque incandescente (≈1800K) se queme frente a las toberas proveyendo de esta manera el calor necesario para (i) llevar a cabo las reacciones de reducción, (ii) para el calentamiento y la fusión de la carga y de los productos. La temperatura del soplo permite asegurar que la temperatura del arrabio y la escoria sea suficientemente alta para que ambos productos se encuentren fundidos. b. Hidrocarburos gaseosos, líquidos o solidos; la adición de hidrocarburos suministra cantidades adicionales de gases reductores (CO y H2) al proceso. Los aditivos más comúnmente empleados son el combustóleo y el alquitrán. Aunque también se usa gas natural y el carbón en polvo. Operación en el alto horno La operación en el alto horno cosiste en la alimentación periódica de materiales solidos a través de la parte superior, del vaciado continuo o periódico de productos líquidos a través del fondo de la inyección continua del soplo caliente y de algunos hidrocarburos a través de las toberas y del desalojo continuo de gases y polvos. La mayoría de las etapas de operación (carga, soplado e inyección de combustible) se lleva a cabo mecánicamente y bajo control automático. Los altos hornos modernos están equipados con aparatos que verifican en forma continua las variables de operación del proceso, las variables de operación que se verifican de manera continua son típicamente: Temperatura, del soplo, del agua de enfriamiento, de la pared de la cuba y del gas del tragante. Presión, del soplo a varios niveles en el interior del horno y del tragante Flujo volumétrico del soplo (en cada tobera), de los aditivos inyectados a través de las toberas y del agua de enfriamiento. En adición a esto, la composición y temperatura del hierro y la escoria se determinan intermitentemente durante el vaciado. Las principales reacciones que se llevan a cabo en el horno son: a. Oxidación del carbono con el aire en la salida de las toberas para producir CO2 y calor; C + O2 → CO2

0 ∆H298K = −394000 KJ⁄kmol de CO2

b. Reacción endotérmica del CO2 con carbono para producir CO, el cual es el principal agente reductor del proceso; 0 CO2 + C → CO ∆H298K = +172000 KJ⁄kmol de CO2 c. Las reacciones de reducción de los óxidos de hierro para producir hierro metálico; 3Fe2 O3 + CO → 2Fe3 O4 + CO2 1.2Fe3 O4 + CO → 3.8Fe0.947 O + CO2

0 ∆H298K = +50000 KJ⁄kmol de CO 0 ∆H298K = +50000 KJ⁄kmol de CO

Fe0.947 O + CO → 0.947Fe + CO2

0 ∆H298K = −17000 KJ⁄kmol de CO

La velocidad de producción de arrabio en un horno, está determinado por la rapidez a la cual sopla el oxígeno dentro del horno ya sea el contenido en el aire y oxígeno puro, la rapidez de soplado conduce a: Una rápida combustión de coque frente a las toberas. Una alta velocidad de producción de CO y consecuentemente, una alta velocidad de reducción del hierro. *Se requiere entre 1.3 a 2.2 toneladas de soplo de aire por tonelada de hierro producido. Existe un límite superior para la velocidad de soplado del aire dentro del horno, excediendo esta velocidad los gases del horno tienden a ascender a través de “canales” dentro de la carga sólida, sin que el gas se distribuya homogéneamente. Esta situación cauda que los gases reductores pasen a través del horno sin haber reaccionado completamente. El resultado neto a que conduce esta situación es el uso ineficiente del carbón en la carga. Las velocidades típicas de soplado que se utilizan en la operación del alto horno van de 40 a 50 m3, por minuto por m2 de área del crisol. La carga de la mena controlado (tamaño uniforme), ha contribuido en la mejora de la productividad del alto horno, esta manera uniforme permite que los gases del horno pasen rápidamente a través de la carga sin propiciar acanalamiento y a la vez permite que el horno pueda ser operado a una velocidad de soplado mayor y por ende una mayor velocidad de producción. La inyección de hidrocarburos líquidos, gaseosos o solidos a través de las toberas ha ayudado, dado que permite disminuir la cantidad de coque en la carga sólida, disponiendo así de un mayor espacio en la cuba, para una mayor carga de mena y por lo tanto mayor capacidad de reducción. El enriquecimiento del aire con oxígeno puro. El O2 reemplaza una porción de aire requerido, disminuyendo así la cantidad de nitrógeno que pasa por el horno, lo cual permite incrementar la temperatura de la flama en frente de las toberas y aumentar la adición de hidrocarburos fríos, además permite incrementar la rapidez de CO y consecuentemente incrementa la rapidez de reducción de la mena sin que haya un aumento total de flujo de gas a través del horno, con lo cual hay una mejor distribución del gas que permite una mayor producción del horno sin que se produzca acanalamiento y anegamiento Las operaciones a elevadas presiones permiten incrementar la velocidad de flujo másico de gas a través de la carga del alto horno, sin aumentar la velocidad del gas, esto a su vez permite la producción de mayor gas reductor sin disminuir el tiempo de reacción gas-sólido y conduce a un aumento de velocidad de producción de hierro. TABLA: costos directos de producción, para la producción de hierro fundido, 93%Fe, en un alto horno. Los costos reportados aquí son a nivel de estimación, con variación de ±30%. No incluye los gastos de inversión. Pellets de mena de Fe 1.5 ton a 20 dólares la tonelada $ 30 Coque 0.4 ton a 100 dólares la tonelada $ 40 Piedra caliza 0.2 ton a 10 dólares la tonelada $ 2 Hidrocarburos (inyectados por las toberas) 0.1 ton a 20 dólares la tonelada $ 10 Costos de operación $ 10 -compresión de soplo, mano de obra, suministros y mantenimiento TOTAL (por tonelada de arrabio) $ 92

Fuente: J. G. Peacey & W. G. Davenport, el alto horno del hierro, editorial limusa.

Producto El principal producto del alto horno, denominado arrabio, se extrae del horno a intervalos regulares de tiempo (o de manera continua en el caso de hornos muy grandes) a través de uno o varios hoyos localizados cerca del fondo del crisol. A continuación se da el análisis de un arrabio típico: Elemento C Si S P Mn Punto de fusión 1400K

Composición (%peso) 4 a 5 (saturado) 0.3 a 1 0.03 es función del tipo de mena, hasta 1 es función del tipo de mena, de 0.1 a 2.5

La composición del arrabio se ajusta de manera de cumplir con los requisitos exigidos por la acería a la cual ha de ser enviado. La composición se controla regulando (i) la composición de la escoria, (ii) la temperatura del horno, particularmente la de la parte media inferior de este. El arrabio se transporta en estado fundido a la planta de aceración en donde las impurezas habrán de ser reducidas a niveles deseables mediante la refinación con oxígeno. En algunos casos previamente a la refinación, el arrabio se somete a un tratamiento de desulfuración con carburo de calcio o con mezclas de coque y magnesio. El proceso del alto horno da lugar a los siguientes dos subproductos: a. La escoria (30-40% en peso de SiO2, 35-45%CaO, 5-15%MgO,5-15%Al2O3, 0.1%(Na2O+K2O), 1-2 ½% S) El bajo contenido de óxido de hierro en la escoria es indicativo de la excelente eficiencia de reducción del horno. La composición de la escoria se selecciona con el propósito de: Remover el SiO2 y el Al2O3 en una escoria fluida Absorber el K2O y el Na2O (álcalis), evitando así incrustaciones dentro del horno Absorber el S para evitar que se disuelva en el hierro producido Para controlar el contenido de silicio en el metal Una relación de “Basicidad de escoria”, definida como: % peso CaO + %peso MgO %peso SiO2 + %pesoAl2 O3 De 1.1 a 1.2 permite cumplir con los cuatro objetivos mencionados anteriormente de la mejor manera. La escoria solidificada del alto horno se usa en la manufactura comercial de concretos y agregados.

b. Gas; el gas sale a través del sistema de colección de gases situados en la parte superior del horno. Una combinación típica del gas de tragante es aproximadamente: 23% de CO, 22% CO2, 3%H2, 3%H2O y 49%N2. Esta composición equivale a una energía neta de combustión de alrededor de 4000KJ por m3 (la cual es cercano a un décimo de la combustión del gas natural). Después de remover el polvo, este gas se quema en

estufas auxiliares con el propósito de calentar el aire de soplado del horno. El polvo se aglomera por medio de sinterizado o briqueteado y se vuelve a cargar al horno o se apila para uso posterior

Proceso frente a las toberas

El soplo caliente se inyecta al horno a través de las toberas; el número de estos varía de 15 a 40 y están situadas alrededor en la parte superior del crisol. El gas entra a una gran velocidad de 200 a 300 m/s y a una presión de 2 a 4atm, siendo esta presión la necesaria para empujar los gases reductores a través de la carga formada por materiales sólidos y para vencer la presión de cabeza del horno. La alta velocidad del soplo da lugar a la formación de “remolinos” de gas y partículas de coque, las cuales se mueven a manera de bólidos en frente de cada tobera. Los remolinos se encuentran rodeados al frente, a los lados y por debajo, por regiones formadas por pedazos de coque que han logrado subsistir a la oxidación durante su descenso por el horno, también arriba los remolinos se encuentran rodeados por pedazos de coque pero en este caso el coque no está muy comprimido debido al rápido ascenso del remolino del gas entre las piezas de coque. Piezas de coque que se hallan en la parte inferior de esta zona caen periódicamente dentro de los

remolinos, siendo consumidas por el aire que entra. Esto causa que la cama en su totalidad se mueva hacia abajo en forma gradual mientras que se alimenta con coque a través de la parte superior. El principal proceso fisicoquímico que se efectúa en esta región es la transferencia de calor de los gases ascendentes provenientes de los remolinos, a los trozos de coque y las gotas de hierro y escoria que descienden. Reacciones en el crisol, en los remolinos de las tobera y en los etalajes, el hierro líquido y la escoria se filtran atravesó del coque, formando charcos en el fondo del crisol, los cuales se vacían ya sea de forma periódica o continua. Mientras la filtración hacia abajo ocurre, finaliza la reducción. El hierro se satura con carbono y el (CaO)3.P2O5, el MnO y el SiO2 son parcialmente reducidos, llegando a construir impurezas (Mn, P y Si) en el metal. Cuando el oxígeno entra y choca con el coque de los remolinos de las toberas, reaccionando inmediatamente formando CO2, este CO2 reacciona entonces con más coque para formar CO de acuerdo a la reacción: CO2 + C → CO

0 ∆G1800K = −142000 KJ⁄kmol de CO2

La cual se lleva a cabo casi de manera completa la temperatura del crisol y aquella que existe en la parte inferior de los etalajes (1800-2400K), el gas de las toberas se eleva entonces a través de la zona denominada de coque activo, transfiriendo a su paso el calor al coque y a las gotas de hierro y escoria que circundan su camino. ZONA DE FUSION Las observaciones llevadas a cabo en los hornos que han sido templados han revelado de forma clara que la región situada arriba de los remolinos y formada por un coque empacada de manera suelta se encuentra delimitada en su parte superior, por una “zona de fusión”; dicha zona consiste en capaz alternadas de (i) coque y (ii) ganga, fundentes y hierro en estado blando o estado fundido, la estructura de capa corresponde a la secuencia de carga original. Esta región formada en “U” invertida es importante debido a varios factores: a. Esta región y la presión del gas debajo de ella tienen que soportar la carga del horno b. Sus capas de coque tienden a distribuir al gas reductor de modo radial a través del horno. El último efecto se debe a una capa blanda y parcialmente fundida de ganga, fundentes y hierro es virtualmente impermeable al flujo del gas, lo que provoca que los gases ascendentes tengan que viajar horizontalmente a través de las rebanadas de coque para llegar hasta la parte superior del horno. Dado que la totalidad del gas de los etalajes deben pasar por las rebanadas de coque situadas en la zona de fusión, es necesario que el coque de esta región ofrezca una resistencia tan baja como sea posible al flujo del gas. Esto requiere que el coque se conserve en forma de trozos, siendo esta la principal razón para exigir que el coque sea capaz de evitar ser triturado y roto durante su descenso por el horno. El principal procesos físico en esta zona es la fusión del metal y la escoria, con el calor del gas ascendente de los etalajes. La escoria en esta región consiste de ganga y óxidos fundentes principales, lo que significa que aún no contiene cenizas de coque, los cuales en su mayor parte se forman en la zona de las toberas. Para el momento en que se ha fundido por completo (al alcanzar la parte inferior de la zona de fusión), el material se encuentra casi por completo

desprovisto de óxido de hierro, pero de cualquier óxido de hierro que exista será completamente reducido durante su descenso por el percolador de coque. REDUCCION ARRIBA DE LA ZONA DE FUSION En la zona de fusión el hierro se halla principalmente en forma de hierro metálico. Arriba de esta zona la carga incluye óxido de hierro sólido y específicamente wustita (Fe0.947O), de tal forma que en esta zona la carga consiste en capas alternadas de coque y ganga sólida, óxidos fundentes, wustita y hierro sólido. Los gases que entran a esta región mixta de carga, proceden directamente de la cama de coque situada en la zona de fusión, de tal forma que el componente principal rico en carbón es virtualmente puro CO. En esta región de carga mixta suceden dos reacciones cíclicas: 0 Reduccion: CO + Fe0.947 O → 0.947Fe(𝑠) + CO2 ∆H298 = −17000 KJ⁄Kmol CO

gasificacion del coque: CO2 + C𝑐𝑜𝑞𝑢𝑒 → 2CO

0 ∆H298 = +172000 KJ⁄Kmol CO

La reacción de gasificación de coque es altamente endotérmica y causa un enfriamiento rápido de los gases ascendentes. Por otro lado la reacción de reducción es solo ligeramente exotérmica y el calor que libera no alcanza para compensar el enfriamiento causado por la reducción (gasificación del coque). El resultado neto que se obtiene en esta región es una marcada disminución de la temperatura de los gases ascendentes. Dibujo que ilustra el ciclo de reduccion y gasificacion de coque que ocurre justamente arriba de la zona de fusion. La composicion del gas corresponde a una temperatura de reaccion de 1200 K y se refiere exclusivamente a los componetes carbonosos del gas. Durante la reduccionse produce Fe(s) La rapidez de la reacción de gasificación de coque disminuye notablemente con la disminución de la temperatura, lo que resulta virtual detección de la gasificación de coque a temperatura por debajo de alrededor de 1200 K, esto significa que el esquema de reacción cíclica mostrado anteriormente no ocurre por debajo de esta temperatura. Así una vez que los gases se han enfriado debajo de 1200 K se regenera poco CO. Toda la reducción que ocurre posteriormente en la parte superior de la cuba depende del poco CO producido debajo de la isoterma de 1200K. Reacciones que suceden arriba de la isoterma de 1200K A medida que el gas continúa su ascenso por arriba de la isoterma de 1200 K el CO continúa reaccionando con la wustita formando hierro sólido y CO2 acercándose al equilibrio correspondiente de la reacción: 0 CO + Fe0.947 O → 0.947Fe(𝑠) + CO2 ∆G1200𝐾 = +8150 KJ⁄Kmol CO

A 1200K, la reacción de equilibrio 𝑝CO⁄𝑝 CO2 es 2.3, lo que significa que, en equilibrio la porción carbonosa de los gases que contiene carbono, es de 70% CO y 30% CO2, independientemente de la presión del horno y la concentración de los otros gases (N2, H2 y H2O) en la cuba. La reacción anterior es ligeramente exotérmica por lo que los gases no se enfrían durante su ascenso a través de esta región. Esta región corresponde a la parte inferior de la zona de temperatura constante o zona de “reserva térmica” del horno. REDUCCION DE LOS OXIDOS SUPERIORES Eventualmente durante el ascenso de los gases, el CO se consume hasta que hay poco de él como para reducir la wustita y producir hierro. Sin embargo, hay el suficiente CO para reducir el Fe3O4 a wustita de acuerdo a la reacción: 0 ∆G1200𝐾 = −8000K J⁄Kmol CO

CO + 1.2Fe3 O4 → 3.8Fe0.947 + CO2

Para esta reacción, la relación 𝑝CO⁄𝑝 CO2 en equilibrio a 1200K es 0.43 y las porciones de CO y CO2 en equilibrio son de 31% y 69% respectivamente. Para que un alto horno opere bajo condiciones de estado estacionario la cantidad de wustita producida por la reacción CO + 1.2Fe3 O4 → 3.8Fe0.947 + CO2, debe ser igual a la cantidad de wustita reducida mediante la reacción CO + Fe0.947 O → 0.947Fe(𝑠) + CO2 ; de hecho existe más que suficiente CO en los gases que salen de la zona de la wustita/Fe para que esto suceda. Dado que: a. Por cada mol de CO que se transforma en CO2 mediante la reacción con Fe3O4 se producen 3.8 moles de Fe0.947O b. La concentración de CO que se requiere para reducción de Fe3O4 a Fe0.947O es mucho menor que la requerida en la reducción Fe0.947O/Fe, (31% contra 70%) Este exceso de CO provoca: a. La existencia de la región vertical dentro del horno en donde los óxidos superiores ya han sido reducidos a wustita pero además, el gas no es capaz de reducir cantidades significativas de wustita a Fe. b. La creación de una zona, que corresponde al cuarto superior de la cuba, ocupada por óxidos superiores sin reducir. La profundidad de esta zona es tan solo lo suficiente como para permitir que la rapidez de producción de la wustita en ella sea igual a la rapidez de reducción de wustita en ella sea igual a la rapidez de reducción de la wustita en las partes inferiores del horno, o sea, esta zona es poco profunda y el CO que pasa a través de ella reacciona solo parcialmente. La región en donde el hierro se encuentra principalmente en forma de wustita se denomina “zona de reserva química”. Debido a que es muy poca la actividad química que ocurre en ella, esta región conserva una temperatura de aproximadamente constantes y constituyente de hecho la parte superior de la “zona de reserva térmica”. La reducción de la hematita de acuerdo a la reacción: CO + 3Fe2 O3 → 2Fe3 O4 + CO2

0 ∆G1200𝐾 = −105 000 K J⁄Kmol CO

Tiene lugar al mismo tiempo que la reacción de reducción del Fe3O4 en el cuarto superior de la cuba. La reacción de reducción de la hematita puede tomar lugar a valores muy bajos de la

relación 𝑝CO⁄𝑝 CO2 (

H2

+

CO

Gas natural + vapor de agua -> hidrogeno + monóxido de carbono

Reformador; es un reactor químico que a altas temperaturas convierte una mezcla de gas natural y vapor de agua de alto poder reductor formado por hidrogeno y oxígeno. El hidrogeno y el monóxido de carbono, agentes reductores (desoxidantes) sumamente efectivos, salen del reformador acompañados de pequeñas cantidades de gas natural y dióxido de carbono. La tubería se conecta con los reactores reductores, que no son otras cosas que vasijas metálicas donde se carga el mineral de hierro en forma de pequeñas esferas (de 2cm de diámetro). El mineral de hierro que emplea la planta HYL generalmente tiene la siguiente composición: Porcentaje en masa (%) Hierro 67 Oxigeno (en el hierro) 67 Fosforo 0.05 Azufre 0.02 Oxido de calcio 1.8 Oxido de magnesio 0.75 Oxido de aluminio 1.03 Oxido de silicio 1.3 Otras impurezas 1.1 Alrededor del 30% del mineral es oxigeno asociado con el hierro que debe removerse al reaccionar con el hidrogeno o con el monóxido de carbono. Este objetivo se logra en un 85 o un 90 % además de añadir al producto hierro esponja, un 2% de carbono. Sustancia

La economía de recursos energéticos consumidos y generados es muy importante para obtener precios competitivos. Por esta razón, las plantas HYL se componen de cuatro unidades reductoras para aprovechar al máximo la energía y el potencial reductor de los gases.

La unidad reductora consta de una vasija donde se deposita un aglomerado de esferas del mineral por donde pasa el gas reductor previamente calentado a altas temperaturas. Posteriormente el gas residual es enfriado en una tubería bañada en agua.

Una planta de reducción directa es un ensamble de un reformador y varias unidades reductoras, se ilustra cómo mientras una de las unidades reductoras se está descargando del hierro esponja y cargando de mineral, el flujo de gases reductores está pasando a través de otras tres unidades reductoras. El gas reductor que sale al final todavía se aprovecha para quemarse en el reformador y en otras etapas del proceso.

El hierro esponja se convierte en acero líquido en un horno de arco eléctrico. El horno eléctrico funde el hierro esponja, y a la chatarra que usualmente se agrega, haciendo pasar por ellos enormes cantidades de corriente eléctrica. El acero fundido, en ocasiones, se pasa a un horno – cuchara donde se hace el ajuste final de la aleación (metalurgia secundaria). Finalmente el acero se vacía en moldes adecuados a cada proceso de fabricación posterior. Otro tipo de hornos muy en auge actualmente son los hornos de inducción. Se caracteriza por utilizar una corriente eléctrica inducida que circula por una bobina que rodea a un crisol en el cual se funde la carga. La corriente es de alta frecuencia (aprox. 1000Hz), la cual es suministrada por un sistema generador, mientras que la bobina es refrigerada por agua. Se cargan con piezas sólidas de metal, chatarra de alta calidad o virutas metálicas, dando lugar a tiempos de fusión de entra 50 y 90 min pudiendo tratar una carga de hasta 3,6 toneladas por fusión. Los productos que pueden obtenerse son aceros de alta calidad o con aleaciones especiales.

El horno de arco eléctrico consta de una vasija recubierta con refractarios donde se coloca chatarra y/o hierro esponja, que se funde con el paso de una corriente eléctrica introducida con electrodos de grafito.

ACEROS DE BAJO, MEDIO Y ALTO CARBONO Por su contenido de carbono, los aceros se clasifican como de bajo, medio y alto carbono. Las fronteras que separan a estos tipos de acero no están claramente definidas, aunque se entiende que los aceros de bajo carbono tienen menos del 0,25% de carbono en su aleación. Ellos son fácilmente deformables, cortables, mecanizables y soldables; en una palabra, son muy "trabajables". Además, con ellos se fabrican las mejores varillas para refuerzo de concreto, estructuras de edificios y puentes, la carrocería de automóviles y las corazas de los barcos. Los aceros de medio carbono, entre 0,25% y 0,6%, se emplean cuando se desea obtener mayor resistencia, pues siguen manteniendo un buen comportamiento dúctil aunque su soldadura ya requiere cuidados especiales. Con estos aceros se hacen piezas para maquinarias como ejes y engranajes. Los aceros de alto carbono, entre 0,6% y 1,2%, son de muy alta resistencia, pero su fragilidad ya es notoria y son difíciles de soldar. Muchas herramientas son de acero de alto carbono: picos, palas, hachas, martillos, cinceles, sierras, etc. Los rieles de ferrocarril también se fabrican con aceros de ese tipo. Aceros de ultra alto carbono En cuanto a los aceros que contienen alrededor del 1,5% de carbono, puede creerse que son tan frágiles. Metalurgistas de la Universidad de Stanford, Sheiby y Wadsworth se dedicaron a estudiarlos, abriendo un campo de investigación en lo que ahora se llama aceros de "ultra alto carbono". Se desentrañaron las peculiares características de estos aceros: gran tenacidad y resistencia, lo que permite fabricar infinidad de piezas donde la resistencia al esfuerzo, al impacto o a la fatiga son de vital importancia.

BIBLIOGRAFIA Kirk othmer, enciclopedia of chemical technology, volumen 14, fourth edition J. G. Peacey & W. G. Davenport, el alto horno del hierro, editorial limusa A. Kucher, tecnología de metales, editorial MIR MOSCÚ Raymond A. Higgins ingeniería metalúrgica, editorial continental S. A. de C. V. MEXICO http://www.acerosarequipa.com/proceso-de-reduccion-directa.html