curso metalurgia 2 capitulo ii

CAPITULO IIMETALURGIA DEL

HIERRO

Ing. Víctor Álvarez Tohalino

MINERALES DE HIERRO

Mineral Composición % de Fe

Hematita Fe2O3 70.0

Magnetita Fe3O4 72.4

Limonita 2Fe2O3.3H20 60.0

Siderita FeCO3 48.3

CARACTERISTICAS DEL MINERAL

• Físicas:– Tamaño y distribución de tamaño.– Tenacidad.– Temperatura y rango de ablandamiento.– Hinchamiento y cambio de volumen.

• Químicas:– Contenido de hierro.– Contenido de ganga.– Contenido de humedad– Reductibilidad.

PREPARACION DEL MINERAL

Chancado Primario

Molienda

Tamizado

Tamizado

Chancado Secundario

Concentración

Mina

Concentrado de hierro

MOLIENDA DE MINERAL DE HIERRO

CONCENTRACION DE MINERAL

• La concentración aumenta el contenido de hierro mediante la eliminación de la ganga y los componentes dañinos.

• La disminución de componentes ácidos de la ganga disminuye la carga térmica.

• Por cada 40-60 Kg de sílice/TM removida del mineral, baja aproximadamente en 100-130 Kg la caliza utilizada en el fundente.

• Esto rebaja en 100 Kg el volumen de escoria y disminuye en 50 Kg aprox. la cantidad de CO2 a ser removida en la reacción de calcinación.

CONCENTRACION DE MINERAL

• Los dos factores anteriores determinan un ahorro de 40-60 Kg de coque por TM de mineral.

• Simultáneamente la producción se incrementa en 5-10%

• Métodos usuales de concentración de minerales de hierro:– Lavado.– Separación gravimétrica media.– Flotación.– Separación magnética.

CONCENTRACION MAGNETICA

CONCENTRADORES MAGNETICOS

AGLOMERACION

• Gran cantidad de finos (35-50%) se genera durante las operaciones de minado, conminución y concentración.

• Estos finos no pueden ser cargados al alto horno directamente.

• Es necesario aglomerarlos mediante procesos de sinterización y peletización.

• Requisitos importantes para sínter o pellet son:– Adecuada reductibilidad.– Resistencia a los peligros de manipulación.– Resistencia al impacto, abrasión y compresión en el

alto horno

SINTERIZACION

• Es un proceso de aglomeración térmica.• Se aplica a una mezcla de finos de mineral de

hierro, fundentes y coque.• Se realiza por la aplicación de calor.• El resultado es la conversión de los finos del

mineral en aglomerados grandes, porosos y de alta dureza.

• El objetivo es obtener una carga con adecuadas propiedades mecánicas y fisicoquímicas, que pueda alimentarse al horno.

PELETIZACION

• Una gran cantidad de finos, menores a 0,05 mm, no es susceptible a la sinterización por la muy baja permeabilidad del lecho.

• Son aglomerados, englobándolos en partículas de 8-20 mm, en presencia de humedad y aditivos como bentonita y cal (aglomerantes en verde).

• La etapa de englobamiento es la más importante del proceso y determina el tamaño, resistencia, compactibilidad y otras propiedades del pellet.

• La operación se realiza en dispositivos rotatorios tales como tambores, discos, conos y hornos.

TAMBORES DE PELETIZACION

ESQUEMA DE PLANTA DE PELETIZACION

PLANTA DE PELETIZACION

COQUE METALURGICO

• Sólido poroso obtenido por destilación de hulla en cámaras cerradas, sin contacto con el aire.

• La temperatura oscila entre 1000 y 1300°C. • Su composición química es:

– Carbón fijo: 86-91%– Humedad: máximo 3%– Azufre: máximo 1%– Cenizas: máximo 8%, con el siguiente contenido:

• SiO2 = 45% CaO = 2%

• Al2O3 = 34% MgO = 0,8%

• Fe2O3 = 9,5%

• Poder calorífico: 7100 Kcal/kg

CARACTERISTICAS FISICAS COQUE

• Buena resistencia a la compresión en caliente. La resistencia a la compresión a temperatura ambiente debe ser siempre superior a los 100 Kg/cm2.

• Porosidad para favorecer la cinética de reacción de gasificación de Boudouard.

• Gran resistencia a la abrasión y al desgaste derivado del rozamiento con las paredes, con la carga de hierro y con el coque presente en el horno.

HORNO DE COQUE

DESCARAGA DE COQUE DEL HORNO

ESQUEMA DEL ALTO HORNO

ALTO HORNO

• Produce arrabio por fusión de minerales de hierro en atmósfera reductora.

• La reducción es la extracción del oxígeno desde los minerales.

• Sinterizados, pélets, coque y fundentes se cargan dentro del alto horno a través del tragante.

• El gas reductor se forma mediante la reacción del coque con el aire caliente inyectado, que tiene una temperatura de 1000 a 1200ºC.

• La combustión no solo genera gases reductores, sino también el calor necesario para fundir los minerales reducidos.

OBJETIVO

• Reducir químicamente y convertir físicamente los óxidos del hierro en hierro líquido llamado “arrabio” (2.14 a 6.7 % en peso C).

• Cuba de acero revestida interiormente con ladrillo refractario. Mmineral, coque y caliza cargan por arriba; el aire precalentado se sopla por el fondo.

• Las materias primas requieren 6 a 8 horas en descender al fondo donde se convierten en los productos finales arrabio y escoria.

• El aire caliente asciende desde el fondo del horno hasta arriba después de llevar cabo todas las reacciones químicas

ESTRUCTURA DEL ALTO HORNO

• Existen 3 zonas donde ocurren distintas reacciones químicas.

• Zona 1 Crisol: mayor temperatura (2000°C). Zona de toberas donde el oxígeno reacciona con el coque. Fuera de la zona la temperatura baja a 1600ºC. Esto funde metal y escoria.

• Zona 2 Etalaje y Cuba. La temperatura disminuye uniformemente ante el aumento de la altura desde 1100ºC en la zona de toberas hasta 800ºC en la mitad de la cuba.

• Zona 3 temperatura cae rápidamente a 500 - 600ºC y entonces continua descendiendo a menor velocidad, alcanzando los 200 a 250ºC en la parte superior.

ESTRUCTURA

REDUCCION DE MINERAL DE HIERRO

• Las reacciones de reducción de los óxidos de hierro son:

• 3Fe2O3 + CO 2Fe3O4 + CO2 ΔH = +10,33 Kcal

• Fe3O4 + CO 3FeO + CO2 ΔH = -8,75 Kcal

• FeO + CO Fe + CO2 ΔH = +3,99 Kcal

• Otras reacciones adicionales son:• CO + H2O CO2 + H2 ΔH = +9,68 Kcal

• 2CO CO2 + C ΔH = +41,21 Kcal

TEMPERATURAS Y REACCIONES

DIVISION DE MICHARD

• Zona 1: Combustión del coque con el aire precalentado y forma CO a una temperatura de 1900 a 2000ºC.

• Zona 2. Reacciones Fusión y Reducción Impurezas, entre 1200 a 1600ºC

• Zona 3: Reducción FeO a Fe y regeneración de CO debido C(coque) + CO2 = 2CO

• Zona 4: Resto del horno hasta la salida superior, y es aquella en la cual la reducción del mineral, descomposición de la caliza a CaO y CO2 y la carga es secada por los gases ascendentes.

REACCIONES EN TOBERAS

• El coke desciende al fondo del horno, donde se quema con el aire preecalentado insuflado:

• C + O2 CO2, Hº = -93.5 kcal

• Como la reacción ocurre en presencia de un exceso de carbón y a alta temperatura:

• CO2 + C 2CO, Hº = 41.5 kcal

• El producto de esta reacción, CO, es necesario reducir el mineral de hierro.

• El equilibrio está representado por la suma de las ecuaciones anteriores:

• 2C + O2 2CO, Hº = -53.8 kcal

FORMACION DE ESCORIA

• La caliza desciende y se descompone:• CaCO3 CaO + CO2

• Esta reacción requiere energía y se inicia sobre 875°C.

• El CaO formado se usa para remover S del Fe:• FeS + CaO + C CaS + FeO + CO

• CaS pasa a la escoria junto con SiO2, Al2O3, MgO y CaO que entran junto con el mineral.

• La escoria líquida gotea a través del lecho de coque al fondo del horno donde flota encima del Fe líquido puesto que es menos densa.

ESQUEMA DETALLADO DEL ALTO HORNO

ALTO HORNO

ALTO HORNO DE SIDERPERU

PRODUCCION DE ARRABIO

TRANSFERENCIA DE ARRABIO

CONVERSION DE ARRABIO

• Consiste en oxidar rápidamente la carga líquida del metal.

• Se utiliza una corriente de aire a presión.• Permite separar al hierro de sus impurezas en

dos fases líquidas.• Los principios básicos son:

– Desigual afinidad del oxígeno por los diversos elementos.

– Autosostenimiento energético del proceso, debido a las reacciones fuertemente exotérmicas.

CONVERTIDOR BESSEMER

CARACTERISTICAS

• Vasija ovoidal revestida con sílice o dolomita• Capacidad de 8 a 30 tons de arrabio (15 tons.)• Abierto en el extremo superior.• El fondo esta perforado con un numero definido

de toberas donde se insufla aire.• Puede bascular para carga y descarga.• La oxidación remueve impurezas; Si, Mn y C

como óxidos que se fijan en el gas o la escoria.• El Proceso es Ácido cuando el P es bajo y se

usan refractarios silíceos.• El Proceso es Básico cuando el P es alto y se

usan refractarios de dolomita ((CaMg(CO3)2) 30.41% CaO, 21.86% MgO y 47.73% CO2.

CONVERTIDOR DE HIERRO

REACCIONES DE CONVERSION

• Si + O2 SiO2 ΔH = -201,0 Kcal

• Mn + 1/2O2 MnO ΔH = -96,5 Kcal

• 4P + 5O2 2P2O5 ΔH = -733,8 Kcal

• C + 1/2O2 CO ΔH = -29,0 Kcal

• Fe + 1/2O2 FeO ΔH = -64,0 Kcal

• Si + 2FeO SiO2 + 2Fe ΔH = -70,0 Kcal

• Mn + FeO MnO + Fe ΔH = -26,0 Kcal

• 2P + 5FeO P2O5 + 5Fe ΔH = -35,6 Kcal

• C + FeO CO + Fe ΔH = -47,0 Kcal

PROCESO LINZ–DONAWITZ (LD)• Proceso Bessemer modificado, se inyecta oxígeno

dentro del baño por la boca usando una lanza refrigerada con agua.

• Reemplazado por BOS (basic oxygen steelmaking)• Se alimenta arrabio liquido y materiales fríos. • La violenta reacción de oxidación produce la fusión

de la carga fría. La inyección incluye Argón.• Durante el proceso disminuye constantemente el

C, Si, Mn y P.• Soplado de 10 a 20 minutos para alcanzar la

descarburación y oxidación de impurezas.• Se agrega cal en la escoria líquida• La cal se puede agregar al final de la eliminación

del carbón, previa descarga de la escoria

DIAGRAMA DE FABRICACION DEL ACERO