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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 mas 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
  • Magnetitas: (Fe3O4), óxido ferroso-férrico que tiene propiedades magnéticas. Contiene hasta un 69% de hierro.
  • Hematitas: Compuesta básicamente por óxido de hierro. Contiene un 62% de hierro y es el fundamento de los principales yacimiento de hierro.

  • Limonitas: Contiene hierro en forma de óxido hidratado (nFe2O3 . mH2O). El contenido de hierro en la limonita se de 30 a 50%.

  • Sideritas: Contienen el hierro en forma de carbonatos (FeCO3). Pueden tener hasta 43% de hierro mezclado con carbonatos de manganeso y magnesio.
  • 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:
  • El manganeso pasa al hierro en 40-70%.
  • El cromo en 80-95%.

  • El níquel en 100%.
  • El vanadio hasta 70%.

  • El titanio  hasta 70%.
  • 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:
  • Menas de hierro al manganeso.
  • Cromitas (hierro y cromo).

  • Menas de cromo al níquel.
  • 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:
  • 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.
  • 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.

  • 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 ----->
6Fe
+
6CO2

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.

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;
  • La quema del combustible.
  • La evaporación del agua.

  • La descomposición de los carbonatos.
  • La reducción del hierro y de otros elementos.

  • La carburación del hierro (reacción de hierro con el carbono).
  • La fundición del metal.

  • La formación y fundición de la escoria.
  • 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.

Alto horno
Figura 1



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.
  • 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.
  • 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.


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