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Introducción

PROCESO DE OBTENCIÓN: SIDERÚRGIA Se denomina siderurgia al conjunto de operaciones mediante las cuales se obtiene metal ferroso. El proceso abarca desde la extracción del mineral de hierro (en la mina hasta su posterior transformación en acero con una presentación comercial determinada. El mineral de hierro se extrae de las minas. Normalmente no se encuentra en estado puro, sino combinado con otros elementos químicos. A pesar de la abundancia de mineral de hierro en la naturaleza, sólo se aprovechan dos tipos en la industria: los óxidos y el carbonato. El primer tratamiento al que se debe someter el mineral de hierro, una ve extraído, consiste en una trituración y molienda, seguida de una separación del parte útil (mena) de la despreciable como tierras, rocas, cal, sílice, etc., constituyendo lo que se denomina ganga, mediante magnetismo, flotación, etc. Este procedimiento se denomina tratamiento preliminar. Otra fase del proceso siderúrgico es la obtención del carbón de coque. Las misiónes del carbón de coque son: • • • • •

Producir, por combustión, el calor necesario para las reacciones químicas reducción (eliminación del oxígeno) así como fundir la mena dentro del horno alto. Soportar las cargas (mezcla de carbón de coque, fundente y mineral de hierro dentro del horno alto). Producir un gas reductor (CO) que transforme los óxidos en arrabio. Dar permeabilidad a la carga del horno alto y facilitar el paso del gas. Preparar los fundentes.

A pesar de que el mineral de hierro ya ha sufrido un tratamiento preliminar en que se ha reducido la ganga existente, siempre quedan impurezas unidas al mineral que es preciso eliminar. Estas impurezas van a reaccionar químicamente con el fundente y formar la escoria, que flotará sobre el metal fundido.

El Horno Alto Para obtener hierro a partir de sus minerales, es necesario liberar el oxígeno que le acompaña en los minerales, mediante un proceso llamado reducción. Para realizarlo es necesario un elemento reductor que sea más ávido del oxígeno y que lo separe del hierro, combinándose con aquél. Hay varias materias que pueden ser reductoras pero es necesario que se encuentre en cantidades suficientes y que sea barato. El carbono es el elemento químico que cumple todos estos requisitos siendo el constituyente principal del carbón, por ello es el elemento reductor utilizado en siderurgia. El carbono, en su forma industrial de coque, se mezcla con el mineral, con cuyo oxígeno se combina, transformándose, primero en monóxido de carbono (CO) y luego en dióxido carbónico (CO2). FeO + C → Fe + CO FeO + CO → Fe + CO2 Las reacciones de reducción comienzan a desarrollarse a unas temperaturas de cientos de grados pero adquieren una velocidad económicamente alrededor de los 1000º C. En este proceso de reducción el mineral se va empobreciendo en oxígeno hasta transformarse en hierro esponjoso. Si el proceso continúa, elevándose la temperatura, el hierro esponjoso se carbure y funde, transformandose en arrabio. Este proceso de obtención de hierro en forma de arrabio en estado líquido a temperaturas superiores a 1500º C se desarrolla en el horno alto. Existen otros procesos industriales en los que la reducción se realizan a temperaturas inferiores a 1500º C y el producto que se obtiene es el hierro esponjoso o prerreducido. Estos procesos reciben el nombre de reducción directa ya que puede utilizarse como reductor el carbón o gases reductores, como el hidrógeno y el monóxido de carbono, obtenidos a partir del gas natural. Los procesos de reducción directa suponen u pequeño porcentaje del total, por lo que le horno alto sigue siendo de gran importancia. Es un horno especial en el que tiene lugar la fusión de los minerales de hierro y la transformación química en hierro metálico. Está constituido por dos troncos en forma de cono unidos por sus bases mayores. Mide de 20 a 30 metros de alto y de 4 a 9 metros de diámetro; su capacidad de producción puede variar entre 500 y 1.500 toneladas diarias. La estructura del horno es de acero, reforzada con cercos y revestida interiormente de material refractario con un sistema de enfriamiento.

Partes de un Horno alto Básicamente consta de tres partes fundamentales: • • •

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La cuba.- De forma troncocónica, constituye la parte superior del alto horno; por la zona más alta y estrecha, denominada boca, se introduce la carga compuesta por: El mineral de hierro, que puede ser de diferentes composiciones: hematites y limonita (óxido férrico), magnetita (óxido ferroso férrico) y siderita (carbonato). El combustible, que generalmente es coque, producto obtenido de la destilación del carbón de hulla de gran poder calorífico y pobre en cenizas. En los primeros altos hornos, instalados en Gran Bretaña, a mediados del siglo XVII, se utilizaba como combustible el carbón vegetal. En la actualidad cada vez se utilizan más los altos hornos eléctricos. El fundente, que puede ser roca calcárea o arcilla, según la ganga presente en el mineral sea ácida o básica, respectivamente. El fundente se combina químicamente con la ganga para formar la escoria, que queda flotando en el hierro líquido y, entonces, se puede separar fácilmente por decantación. La carga va descendiendo poco a poco y su temperatura y volumen aumentan a medida que baja. Este aumento de volumen exige que la cuba se ensanche hasta llegar al vientre, zona donde se produce la unión con el etalaje y donde el diámetro de la instalación es mayor. El etalaje.- También de forma troncocónica. En esta parte del horno se produce una notable disminución del volumen de los materiales, como consecuencia de las transformaciones químicas que tienen lugar en él. La zona inferior es de menor diámetro, a causa de esta disminución de volumen y, también, por el hecho de que la fusión de la carga hace que ésta fluya sin dejar espacios libres. El crisol.- Es un cilindro de gran capacidad, que recoge la fundición líquida, así como la escoria, que queda flotando en estado líquido. En la zona de unión del etalaje y el crisol, se insertan las toberas, que son unos tubos mediante los cuales se inyecta una corriente de aire comprimido y previamente calentado en el crisol.

Zonas del alto horno Según el proceso de transformación, se diferencian las zonas siguientes: • • • •

Zona I o de carga de materiales.- Es la parte más elevada y estrecha del horno, por la que se introducen las cargas sucesivas de mineral, carbón de coque y fundente. Zona II o de salida de gases residuales.- Está situada inmediatamente por debajo de la zona de carga y su función es recoger el gas del alto horno para su aprovechamiento posterior. Zona III o de deshidratación.- En esta zona se elimina el agua que acompaña las cargas, para poder proceder a su precalentamiento, hasta una temperatura de unos 400 ºC. Zona IV, o de reducción indirecta.- La reducción indirecta, denominada así porque no se hace directamente por el carbono, tiene lugar a una temperatura entre los 400 y 700 °C. En primer lugar, el oxígeno del aire inyectado por las toberas se combina con el carbono y se produce anhídrido carbónico: C + O2 → CO2 Seguidamente, el anhídrido carbónico que se ha formado asciende por la cuba, va reaccionando con el carbono que encuentra y se crea monóxido de carbono: CO2 + C →2CO Este monóxido de carbono es el causante de la reducción indirecta del mineral, que tiene lugar en tres etapas. Las reacciones que se producen son: 3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4+CO2 3FeO + CO2 → 3FeO+CO2 FeO + CO → Fe+CO2

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Zona V, o de reducción directa. En esta zona del horno, la temperatura oscila entre los 700 y 1.350 °C, y en ella tienen lugar tres procesos diferentes: El carbono reduce directamente los óxidos de hierro según las reacciones siguientes: 2Fe2O3 + 3C → 4Fe+3CO2 Fe3O4 + 2C → 3Fe+2CO2 2FeO + C → 2Fe+CO2

El fundente, supongamos que sea carbonato cálcico, se descompone: CaCO3 → CaO+CO2 La ganga se combina con el óxido resultante de la descomposición del fundente y se forma la escoria: CaO+SiO2 → CaSiO2

Instalaciones auxiliares del horno alto La inyección del viento Para el funcionamiento del horno alto es necesario una corriente de gases cuya misión es: 1. Aportar el oxígeno necesario a la combustión del coque 2. Transportar el gas, que en contacto con la carga, producirá las reacciones de reducción de los óxidos. 3. Ceder su calor a las cargas sólidas elevando su temperatura para propociar estas reacciones La creación de esta corriente crea varios problemas: •

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El viento debe introducirse en el horno a una presión suficientes para que atraviese en pocos segundos (de 3 a 8) todo el horno. Esto se consigue mediante soplantes, cuya función es impulsar un gran caudal de aires (de 2500 m3 a mas de 4000 m3 por minuto) a la presión adecuada (entre 1,5 y 4 kg/cm2). Si esta masa se introduce a temperatura ambiente, una gran cantidad del calor producido por la combustión del coque se perdería en calentar el aire, por ello, para evitar esta pérdida, el aire se debe insuflar a la mayor temperatura posible que, según las instalaciones puede variar entre los 900º c y 1100ºC y en algunos se alcanzan los 1300ºC.

El precalentamiento del aire se realiza mediantes estufas, que estan constituidas por un gran conducto vertical o cámara de combustión y un emparrillado de ladrillos refractarios que sirven para almacenar y ceder el calor. Las estufas funcionan intermitentemente; durante un cierto tiempo, la estufa está en calentamiento quemando gases; cuando los ladrillos refractarios están a la temperatura adecuada, se corta la entrada de los gases de combustión y se hace circular en sentido inverso el viento hasta que los ladrillos ceden su calor y se enfrían; a continuación se vuelve al ciclo de calentamiento. Cada uno de estos ciclos puede durar 30 min. y un horno alto disponen normalmente de tres estufas. En las estufas convencionales se calienta el viento a temperaturas variables entre 900ºC y 1100ºC y en las mas modernas puede alcanzar hasta los 1300ºC.

La depuración de los gases de salida Por la parte superior del horno (pantalón) escapan los gases a temperaturas que varían entre 120º C y 250º C. A los gases de salida le acompañan polvos de mineral y de coque ( de 10 a 50 g por metro cúbico) por lo que es necesario limpiar y purificar antes de almacenar el gas para su uso posterior como fuente de energía. Los gases se hacen circular por una serie de dispositivos que los hacen perder velocidad y temperatura y, por diversos sistemas (rociado con agua, sacos filtrantes, depuración electrostática) retienen las particula sólidas. Un gas que entre con 40 g/m3, al final de la depuración sale con un contenido entre 0,005 g/m3 y 0,015 g/m3 de particulas sólidas

Productos resultantes del alto horno Una vez finalizado, el proceso, se extraen tres tipos de productos: •

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Humos y gases residuales.- Se producen como consecuencia de la combustión del coque y de los gases producidos en la reducción química del mineral de hierro que, en un elevado porcentaje, se recogen en un colector situado en la parte superior del alto horno. Esta mezcla de humos y gases, denominada gas de alto horno, está constituida por unos gases inertes, como son el vapor de agua, el anhídrido carbónico y nitrógeno y otros combustibles como hidrógeno, monóxido de carbono y óxidos de azufre. El gas de alto horno se hace pasar por unos recuperadores de calor, para aprovechar su energía calorífica en el calentamiento del aire que se tiene que inyectar por las toberas. Posteriormente, puede ser utilizado como combustible en la misma factoría. Escoria.- Es un residuo metalúrgico que a veces adquiere la categoría de subproducto, ya que se puede utilizar como material de construcción, bloques o como aislante de la humedad y en la fabricación de cemento y vidrio. Su composición es variable, aunque predominan los silicatos. Actualmente, es frecuente añadir parte de la escoria a la carga del horno para recuperar el hierro que contiene. Fundición o hierro colado.- Es el producto propiamente aprovechable del alto horno y está constituido por hierro con un contenido en carbono que varía entre el 2% y el 5%. Dentro de la masa de hierro, el carbono puede encontrarse en tres formas o estados diferentes: en estado libre, formando grafito; en estado combinado, formando carburo de hierro; o disuelto.

A partir de la primera fusión, se obtienen todos los productos ferrosos restantes: otras fundiciones, hierro dulce, acero.