|
El hierro colado (o fundido)
Para la producción del hierro fundido se parte de los minerales
naturales
ricos en hierro, los que se someten a un proceso metalúrgico
bastante
complejo cuyo producto final es el hierro colado. Durante el proceso de
producción se pueden agregar además las
chatarras ferrosas a fin de aprovecharlas como material de reciclaje.
Obtención del hierro fundido
Durante el proceso de producción del hierro colado se usan
elevadas temperaturas (mas 1750°C) como veremos mas adelante, en un
horno especial conocido como alto
horno, esto hace que el producto final esté en estado
líquido.
El hierro colado líquido puede tomar básicamente tres
caminos:
1.- Trasladado en estado
líquido a otros hornos
(convertidores) donde será convertido en acero.
2.- Vertido en las
"lingoteras" para que solidifique como un
lingote y pueda ser almacenado, transportado y luego utilizado.
3.- Vertido directamente
en moldes para producir piezas
fundidas de formas especiales.
Minerales de hierro
Por su abundancia en la corteza terrestre el hierro ocupa el cuarto
lugar después del oxígeno, silicio y aluminio.
La corteza
terrestre contiene cerca del 4.2% de hierro en diferentes compuestos
químicos.
Los más abundantes son los compuestos de hierro con oxígeno, con carbono,
combinaciones
de
óxido
de hierro con óxido de
silicio y otros óxidos y compuestos donde el hierro está
unido al azufre
(compuestos sulfurosos).
Para obtener el hierro fundido se utilizan aquellos minerales mas ricos
en hierro y con menos impurezas (especialmente las nocivas), es decir
los que están constituidos por los compuestos que son
técnica y económicamente mas ventajosos. Tales compuestos
se les
llama menas.
La mena es una roca compuesta por minerales ferrosos y ganga, esta última es un
material inútil pero inevitable en las rocas naturales. La ganga
generalmente contiene sílice (SiO2), alúmina
(Al2O3), óxido de calcio, magnesio y otros.
Las principales menas de hierro son
1.- Magnetitas: (Fe3O4),
óxido
ferroso-férrico
que
tiene
propiedades
magnéticas.
Contiene hasta un 69% de hierro.
2.- Hematitas:
Compuesta básicamente por óxido de hierro. Contiene un
62% de hierro y es el fundamento de los principales yacimiento de
hierro.
3.- Limonitas:
Contiene
hierro en forma de óxido hidratado (nFe2O3
. mH2O). El
contenido de
hierro en la limonita se de 30 a 50%.
4.- Sideritas:
Contienen el hierro en forma de carbonatos (FeCO3). Pueden
tener hasta 43% de hierro mezclado con carbonatos de manganeso y
magnesio.
5.- Piritas: El hierro
está presente unido al azufre (FeS2). Contiene 46.7%
de hierro y 53.3% de azufre. Estas menas, dado el alto contenido de
azufre que es un elemento nocivo nunca se usan directamente, pero
pueden ser sometidas a una tostación previa para separar el
azufre y producir ácido sulfúrico,
luego
son
utilizables
para
la producción del acero.
De los componentes básicos de la ganga la alúmina no se
modifica durante el proceso de producción
del hierro fundido y termina flotando en el hierro líquido como
componente principal de la nata que se forma conocida como escoria. Altos contenidos de estos
materiales en la mena producen grandes cantidades de escoria que
reducen la eficiencia del proceso y tienen otros efectos indeseables.
En las menas ferrosas, junto con el hierro, a menudo suelen estar
presentes otros metales: manganeso, cromo, níquel, vanadio, titanio, cobre, zinc y
otros. Sus incorporaciones al hierro fundido
se comporta de manera diferente:
1.- El manganeso pasa al
hierro en 40-70%.
2.- El cromo en
80-95%.
3.- El níquel en 100%.
4.- El vanadio hasta
70%.
5.- El titanio
hasta 70%.
6.- El cobre en un
100% y en ocasiones constituye una mezcla
indeseable.
El zinc no pasa al hierro y se deposita sobre las paredes
del horno como óxido.
De los elementos no metálicos pasan en mayor o menor
proporción al hierro fundido el silicio, fósforo, arsénico
y azufre.
El paso del silicio al hierro dependerá de su cantidad en la
mena y del régimen térmico del proceso por lo que un
tanto manejable. El fósforo se incorpora por completo y
constituye una inclusión nociva. El azufre también puede
pasar en diferentes cantidades al hierro en dependencia de las
condiciones del proceso. El arsénico es raro en las menas de
hierro pero pasa totalmente al hierro fundido empeorando su calidad.
Además de las menas típicas de hierro hay otras donde
este elemento está mezclado con otros metales en cantidades
apreciables, así tenemos:
1.- Menas de hierro al
manganeso.
2.- Cromitas (hierro
y cromo).
3.- Menas de cromo al
níquel.
4.- Menas de hierro
al vanadio, estas además de vanadio
contienen titanio.
En ocasiones, y debido a algún interés especial, en la
mezcla de materiales a procesar para producir hierro fundido se agregan
al horno cantidades de estas menas complejas para obtener el hierro
colado con el elemento aleante incorporado.
Preparación de las menas para entrar en el proceso.
Al horno de producción de hierro colado (alto horno) se
incorporan las menas de forma que favorezcan el trabajo normal del
horno
y la producción de un producto final homogéneo y de
calidad constante, por esta razón las menas se tratan antes de
incorporarlas al proceso. Las principales acciones que se realizan para
preparar las mezclas son:
1.- Molienda: La carga
del horno debe tener una granulometría adecuada, si se
incorporan grandes trozos estos pueden circular por el horno sin que se
produzca la debida separación elemental del hierro y pueden
terminar taponando los conductos por donde se extrae el hierro colado.
Tampoco pueden ser muy pequeños porque pueden impedir la
circulación adecuada del oxígeno que se inyecta al horno
(material
base de la generación de calor en el interior). En este caso los
grandes trozos se muelen y los muy pequeños se benefician
(extracción de componentes indeseables) y se aglutinan por sinterización.
2.- Cocción:
este proceso se hace a ciertas menas para eliminar el agua
higroscópica y de hidratación presente, así como
reducir el contenido de azufre. La cocción se hace de manera
simultánea durante la sinterización de los pedazos
pequeños.
3.- Composición:
No todas las extracciones de mena de un mismo yacimiento tienen exacta
composición, hay zonas mas ricas y mas pobres en hierro, lo
mismo con mas o menos ganga, de manera que debe medirse la
composición de cada extracción y mezclarse entre ellas
para obtener una materia prima homogénea e incorporarla al
proceso.
El alto horno
Como ya se ha dicho, el proceso de conversión de las menas de
hierro a hierro colado se realiza en un horno denominado alto horno en
donde se realiza la transformación de manera continua.
En la materia prima para la obtención del hierro colado,
él está siempre en forma de óxido (Fe2O3),
de
manera
que
tenemos
que
eliminarle el oxígeno para que quede
solamente el hierro elemental. A este proceso se le llama reducción y para que se
produzca, debemos contar con un elemento que tome el oxígeno
pero que no se combine apreciablemente con el hierro, es decir un
elemento reductor.
Como elemento reductor del alto horno se utiliza el monóxido de
carbono (CO) a alta temperatura, que es generado por el propio horno a
partir de coque (carbón mineral pre-elaborado), de manera que se
desarrollan las reacciones químicas siguientes:
3Fe2O3 +
CO -----> 2Fe3O4 + CO2
2Fe3O4 +
2CO -------> 6FeO + 2CO2
6FeO + 6CO ------> 6 Fe + 6 CO2
El resultado final es que se incorpora al alto horno óxido de
hierro (Fe2O3) y coque como componentes
fundamentales, se insufla aire a presión a través de la
masa para producir el calor por combustión y generar el CO
y se obtiene hierro elemental mas dióxido de carbono (CO2),
que
escapa
como
gas
a
la atmósfera. También se agregan
los llamados fundentes que
sirven para facilitar la fusión de la ganga y que flote formando
la escoria.
Veamos ahora como está construido un alto horno
típico para que todo este proceso se produzca y se pueda extraer
el hierro colado.
Construcción del alto horno.
Los altos hornos son hornos de cuba, y como todo horno de cuba funciona
a base del principio de contracorriente. Las materias primas (menas,
aglomerados y a veces chatarra ferrosa), fundentes y combustible
(coque), se cargan desde arriba. Bajo su propio peso descienden
ininterrumpidamente hacia la base del horno. En la parte inferior, se
inyecta aire y a consecuencia de la combustión que se produce,
se desarrolla mucho calor que se trasmite mediante los gases que suben
a los materiales que bajan.
En la figura 1 se puede
ver de manera simplificada la estructura del
alto horno.
Figura 1
Aunque en el esquema que se
muestra no aparecen para simplificar, el
alto horno es un complejo de aparatos constituidos por el horno mismo y
los mecanismos accesorios; de alimentación, extracción de
la escoria y del hierro colado, sistemas de limpieza de los gases
producidos, los regeneradores de calor etc.
Por fuera el horno tiene una camisa de acero recubierta interiormente
con ladrillos refractarios. La parte superior se llama tragante y sirve para cargar la
mezcla a través de las tolvas
y dar salida a los gases.
Por debajo del tragante se encuentra la parte mas grande, la cuba que termina en una parte
cilíndrica o vientre.
Por debajo del vientre se encuentra el etalaje que conduce al crisol. El fondo del crisol se
llama solera. En la parte superior del crisol están las toberas que sirven para suministrar
el aire impulsado por los sopladores, este aire ha sido previamente
calentado en los regeneradores de calor donde se queman los gases del
alto horno que contienen una parte de CO que es combustible. Por debajo
de las toberas se encuentran las bigoteras
para descargar las escorias y por arriba de la solera y en el fondo del
crisol se
ubica la piquera para
extraer el hierro fundido.
En el crisol del horno la temperatura alcanza los 1750°C. Para
evitar que se fundan el crisol, las toberas y el etalaje se suelen
refrigerar con agua.
Procesos físico-químicos que se
desarrollan.
Los materiales suministrados al alto horno: mena, combustible,
aglomerado,
fundentes y aire sufren cambios físicos y químicos. De
acuerdo a las zonas térmicas en el horno tienen lugar los
siguientes cambios:
1.- La quema del
combustible.
2.- La evaporación
del agua.
3.- La descomposición de
los carbonatos.
4.- La reducción del
hierro y de otros elementos.
5.- La carburación del
hierro (reacción de
hierro con el carbono).
6.- La fundición del
metal.
7.- La formación y
fundición de la escoria.
8.- Otros.
Reducción del hierro
Al descender hasta el nivel de las toberas, el coque incandescente, se
quema en el chorro de aire suministrado y la alta temperatura (
800-1000°C) según la reacción:
C
+ O2 ------> CO2 + O2
Note que se insufla suficiente aire para que sobre oxígeno, esto
es necesario para que se garantice la formación del CO2.
Al salir de las toberas los gases contienen oxígeno libre,
pero
al alejarse de las toberas su cantidad disminuye y la de dióxido
de carbono aumenta. A una distancia determinada este alcanza su
máximo, como la reacción del oxígeno con el
carbono
para formar dióxido de carbono genera calor en la zona de
concentración máxima se obtiene la temperatura
máxima unos 1900°C.
Bajo tales condiciones el CO2 entra en reacción con
el carbono sólido y se reduce según la reacción
endotérmica:
CO2 +
C ------> 2CO
Al encontrar a su paso la hornada de mena, el monóxido de
carbono reduce los óxidos de hierro y al mismo tiempo se
transforma de nuevo en dióxido. La marcha general de la
reducción de los óxidos de hierro por medio del
monóxido de carbono puede ser expresada por las siguientes
reacciones:
3Fe2O3 +
CO -------> 2Fe3O4 + CO2
2Fe3O4 +
2CO --------> 6FeO + 2CO2
6FeO + 6CO --------> 6Fe + 6CO2
También se produce en la zona superior del etalaje y en el
vientre la reducción de los óxidos ferrosos de hierro por
el
carbono sólido según la reacción:
FeO
+ C ------> Fe + CO
Además durante el proceso del alto horno se reducen por el
carbono sólido: el silicio (si está en gran cantidad), el
manganeso, el fósforo, el cromo, titanio y vanadio. Con respecto
al azufre, una parte se escapa con los gases en forma de dióxido
de azufre SO2 y otra pasa a la escoria como sulfuro de
calcio (CaS) en dependencia de varios factores del proceso.
También se produce la cementación del hierro según
la reacción:
3Fe
+ C -------> Fe3C
formando carburo de hierro que se disuelve en el hierro líquido.
Formación de la escoria
Como fundente para que la ganga y las cenizas del coque pasen a la
escoria se introduce con la carga piedra caliza fracturada (CaCO3)
que bajo la temperatura de unos 900°C se descompone en cal (CaO) y
dióxido de carbono, la cal al entrar en contacto con la ganga y
las cenizas del combustible forman la escoria que se funde en la zona
del
vientre y etalaje y gotea en el crisol del horno flotando sobre el
hierro fundido.
Finalmente por las piqueras se sangra el hierro fundido de vez en
cuando a las cucharas y en
ellas se transporta al destino final, ya sea para su vertido en las
lingoteras, en moldes o su transporte directo como líquido a la
producción de acero.
El producto terminado, el hierro colado, con una cantidad de carbono
entre 3.5 y 4.5% de carbono, en dependencia de como fue elaborado en el
alto horno, la naturaleza de la mezcla original, y otros factores puede
ser bien diferente. En general se diferencian dos tipos básicos
de hierro colado.
1.- El hierro colado que
contiene grafito libre, con una
fractura gris oscuro y estructura macrogranulosa se denomina fundición gris y se usa para
la elaboración de lingotes.
2.- El hierro fundido
que contiene el carbono combinado con el
hierro
(carburo de hierro o cementita), posee generalmente una fractura
brillante y se llama fundición
blanca o arrabio.
Este
hierro
suele
ser
convertido en acero.
Otros temas sobre
metalurgia aquí.
Para ir al índice principal del portal aquí.
|
