primer período de la siderurgia se remonta 1400 años a. c
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▪ Primer período de la siderurgia se remonta 1400 años a. C.
Fabricación del hierro se hacía en una sola etapa, reducción directa del
mineral; se obtenían pequeñas partículas metálicas de aspecto esponjoso,
luego las partículas se reunían y se les daba forma por martillado en caliente
Proceso prácticamente abandonado en el siglo XIX, (en la actualidad es
practicado por pueblos primitivos que viven en lugares remotos de África).
▪ Segundo período de la siderurgia (mediados siglo XIV).
Fabricación del hierro en dos etapas: la fundición se obtenía en estado
líquido en un horno alto, y partiendo de la fundición líquida y
oxidándola, se obtenía el hierro en hornos bajos o de pudelar en una
consistencia pastosa.
Experimentos de
fundición en la Edad de
Hierro por estudiantes
de arqueología de la
Universidad de
Bournemouth.
Reducción directa
▪ Diagrama de obtención del hierro y proceso de aceración
Minerales de hierro más comúnmente explotados
Mineral Formula Química Riqueza
Teórica %
Peso
Específico
Color más
Frecuente
Magnetita Fe3O4 72.3 5.0 negro-gris
Hematitas Rojas Fe2O3 70.0 4.9 rojo
Hematitas Pardas NFe2O3MH2O 60.0 4.5 amarillo-rojizo
Carbonato (siderita) FeCO3 48.3 3.7 pardo
Magnetita Hematita roja Hematita pardaSiderita
Preparación del
mineral
El coque es un material poroso de alta resistencia a la compresión.
El cual debe de contener un mínimo de azufre y de cenizas.
Composición del coque siderúrgico
Carbono fijo 85 a 90%
Volátiles 2%
Cenizas 8%
Azufre 1%
Poder calorífico 7.125 kcal/kg
• Menor porcentaje de
volátiles (combustión
sin llamas ni humo)
• Gran resistencia a la
compresión (mayor a
100 kg/cm2) –material
de soporte-
• Elevado índice de
superficie a peso
(porosidad)
• Representa del 50 al
70 % del costo total
Composición de las cenizas del coque
SiO2 35%
Al2O3 25%
CaO 15%
MgO 5%
P 0.15%
Fe2O3 15%
Es muy importante que el
porcentaje de azufre sea menor
del 1% y que el de las cenizas
sea menor del 9%; éstas deben
ser fácilmente escorificables.
Normalmente se requiere 1.6
kg de caliza por cada kg de
ceniza.
Esquema General de una Batería de Coque con Fabricación de
Subproductos. Calentamiento hasta temperaturas de entre 900 a
1250°C, con una duración de entre 16 y 24 h (4h por 0.1m de
ancho)
Forma en la que han evolucionado los altos hornos
Año Capacidad
(ton/d)
Crisol
(m)
Volumen
(m3)
Producción
Kg/m3 - d
Temperatura
del Aire °C
Consumo
Coque
1800 5 1.5 50 100 15 6500
1825 10 2.5 75 130 15 6000
1850 40 2.7 150 300 400 2500
1875 100 3.0 250 400 500 1800
1900 300 4.0 400 750 600 1300
1925 800 6.0 500 1600 800 1200
1950 1000 7.0 800 2000 950 1000
1965 4000 9.5 1750 2290 1100 650
1995 10000 14.0 4000 2500 1250 420
Instalación de un alto horno.
De las estufas de calentamiento el aire pasa al anillo de viento y de ahí
es suministrado al horno a través de las toberas. Estas piezas son
normalmente de cobre y se refrigeran con agua; su número es variable
y depende del tamaño del horno, siendo del orden de:
Diámetro del
horno (m)6 7 8.5 10 14
Número de
toberas20 25 30 32 40
Las dimensiones de los primeros hornos (siglo XVII) estuvieron limitadas por la
capacidad de alimentación de aire, en esta etapa suministrada por fuelle (presión
0.05kg/cm2). Posteriormente se emplearon sopladores por pistón (hasta cuatro
veces mayor presión) y soplantes movidos por vapor.
CAPÍTULO 1Introducción
Reacciones químicas que se producen en el alto horno al reducir
hematita roja.
Fases principales para la obtención del
arrabio:
1. Combustión del coque y de otros
combustibles (condiciones necesarias para
la reducción).
2. Reducción de los óxidos presentes.
3. Carburación del hierro y fusión del
arrabio.
4. Separación del arrabio y escorias por
diferencia de densidad.
La carga sólida en descenso dura de 12 a
18 h
Obtención del hierro por alto horno.
a) Componentes de
Ingreso y salida
b) Distribucion de Zonas
c) Perfil de Temperaturas
CAPÍTULO 1Introducción
Hierro• Fuentes:
Hematitas( Fe2O3 ); Magnetita ( Fe3O4 ); Siderita
(FeCO3), Limonita FeO(OH)
• Propiedades:
Densidad: 7,874 g/cc
Color del hierro puro: gris plata
El Fe puro es bastante reactivo. En el aire húmedo se oxida
con rapidez formando un óxido férrico hidratado (herrumbre) que no
sólo no lo protege sino que lo separa en escamas, exponiendo al aire
nuevas superficies metálicas.
CAPÍTULO 1Introducción
Procesos y reacciones
• Reducción de la mena: Fe2O3
A) Formación de agentes reductores: (CO2 y CO)
C(g) + O2(s) CO2(g) (>1700ºC)
CO 2(s) + C (s) 2CO(g) (1300ºC)
B) Reducción del hierro: Fe2O3
1) Parte superior: (500ºC)
3Fe2O3 (s) + CO(g) 2Fe3O4 (s) + CO2 (g) + H
2) Parte media del horno : (850ºC)
Fe3O4 (s) + CO(g) 3FeO(s) + CO2(g) + H
3) Fondo del horno: (1300ºC)
FeO(s) + CO(g) Fe (l) + CO2 (g) + H
CAPÍTULO 1Introducción
Función de la caliza (fundente)
La función del fundente es reaccionar con la ganga y cenizas presentes
reduciendo la temperatura de fusión de la escoria resultante. La composición
más idónea de la escoria se puede ajustar a través del índice de basicidad,
que está definido por el siguiente cociente:
2 2 3
CaO+MgOI.B.=
+SiO Al O
Es conveniente que dicho índice sea del orden de 1, para que así la
temperatura de fusión sea mínima, al igual que esta proporción de cal y
sílice (CaO/SiO) favorece la desulfuración.
CAPÍTULO 1Introducción
Reacciones de formación de escoria
• CaCO3(s) CO2 (g) + CaO (s) (800 – 900ºC)
• CaO(s) + SiO2 (s) CaSiO2 (s) (1200 – 1400ºC)
• MgO(s) + SiO2 (s) MgSiO2 (s) (1200 – 1400ºC)
• 3CaO(s) + P2O5 (s) Ca3(PO4)2(s) (1200 - 1400ºC)
• CaO(s) + Al203(s) CaAl2O4(s) (1200 - 1400ºC)
CAPÍTULO 1Introducción
• El arrabio o hierro de primera fusión obtenido en el alto horno se
caracteriza por contener elevados porcentajes de carbono, manganeso
y silicio así como también fósforo. Una composición típica es la
siguiente:
C = 3.5%
Mn = 1%
Si = 2%
P = 0.1%
S = 0.04%
Arrabio
CAPÍTULO 1Introducción
Fig. 2.22 Colada de Acero.
CAPÍTULO 1Introducción
Fig. 2.23 Proceso de colada
continua.
Introducción desde la
década de 1860’s.
Inicialmente se desarrollo
para materiales no
ferrosos.
CAPÍTULO 1Introducción
Fig. 2.24 Descripción esquemática de una máquina de colada continua de
5 hilos.
CAPÍTULO 1Introducción
Fig. 2.25 Planta de de colada continua de planchón de Arcelormittal
Dunkerque, Francia.
CAPÍTULO 1Introducción
Fig. 2.26 Planta de
colada continua de
palanquilla de 5 hilos.
CAPÍTULO 1Introducción
Fig. 2.27 Consumo de energía a través de las diferentes vías de
producción del acero, a esto habrá que sumar la requerida para el
transporte [Worldsteel, 2009].
Ejemplo.
Se carga un alto horno con mineral de hierro, caliza y coque con lo siguiente:
La composición del arrabio producido es: C: 4%, Si: 1,2%, Mn: 1%, Fe: 93.8%
La masa de los gases de salida por tonelada de arrabio es 2.4 ton. Su composición
es: CO: 26%, CO2: 12%, H2O: 4%, N2: 58%
Calcular:
a) La riqueza del mineral
b) La cantidad de mineral de hierro utilizada por cada tonelada de arrabio
producido.
c) La cantidad de coque utilizado por cada tonelada de arrabio producido.
Análisis en % (Peso)
Material Fe2O3 SiO2 MnO Al2O3 H2O C CaCO3
Mineral Hierro 80 12 1 3 4
Caliza 4 1 95
Coque 10 90
2 3
min
2 3
min
2(56)en 0.7
2(56) 3(16)
0.8(0.7)
100%
Arrabio 93.8%, 6.2% resto
1 (arrabio)=938
9381728
0.56
Fe Fe O
R
Fe O Fe
Fe
Ton kg Fe
M kg
122
12 16 28
1349(12) 578
28
578 40 618
Masa coque
612680
0.9
TotC gases A
C O CO
masas
kg
M M M kg
kg
2 3 2
2 3 2
2 3
3, 3, 3 3, 1, 2
3 2 3
160 84 112 132
1 (arrabio)
1728(0.8) 1382
1382(84) 725
160
Masa gases 2.4
0.26(2.4) 624
Masa total
725 624 1349
CO
aFe O bCO cFe dCO
b d a a c
Fe O CO Fe CO
masas
Ton
kg Fe O
M kg
Ton
kg
CO
kg
La masa de los gases de salida por
tonelada de arrabio es 2.4 ton.
Su composición es:
CO: 26%, CO2: 12%, H2O: 4%, N2: 58%
CAPÍTULO 1Introducción
Ejemplo.
Un alto horno con capacidad de producción 5,000 toneladas diarias, de arrabio
(3% C, 1.5% Si, 0.4% Mn, 0.1% P) es alimentado con una mezcla de minerales
Fe2O3 con una riqueza promedio de 60%. El horno es alimentado con un coque
metalúrgico con una composición de 86% C 12% cenizas 2% volátiles. La
fabricación del coque tarda en promedio 18 hrs por carga, donde cada cámara
produce 16 toneladas por ciclo. Considerando que la producción de coque es un
25% mayor de la requerida -estequiométrica-, determine el número de cámaras de
la planta de coquización.
CAPÍTULO 1Introducción
Ejemplo.
Un alto horno con capacidad de producción 4,000 toneladas diarias, de arrabio
(3% C, 1.4% Si, 0.5% Mn, 0.2% P) está alimentado con un mineral constituido por
un 70% de hematitas rojas (Fe2O3), 10% de magnetita (Fe3O4), 10% de siderita
(FeCO3) y el resto material inerte. El horno es alimentado con un coque
metalúrgico con una composición de 86% C, 12% cenizas (70% SiO2, 15% Al2O3,
15%MgO) y el resto es material volátil. El material inerte tiene una relación 70/30
de compuestos ácidos a básicos. El coque tiene un precio de 250 dólares la
tonelada, mientras que el del mineral es de 50 y la caliza 60. En base a lo anterior
y tomando en cuenta que el costo operativo es de 75 dólares por tonelada de
mineral, determine el costo de producción del arrabio. Considere que la masa de
coque que se carga al horno es un 20% mayor de la requerida -estequiométrica-.
CAPÍTULO 1Introducción
Ejemplo.
Una planta de reducción directa HyL3 está diseñada para producir 500 mil
toneladas por año. La planta utiliza como materia prima una mezcla de hematitas
pardas (2Fe2O3*3 H2O) y hematitas rojas (Fe2O3) en 40% y 50%
respectivamente, siendo el resto material inerte. El Fe esponja producido
presenta un grado de metalización del 90%, teniéndose el óxido remanente en
forma de FeO, así mismo presenta un 2% de carbono. Con base en lo anterior
diga ¿Cuál será la cantidad de mineral requerida para el mes de junio?
Fac. Ingeniería, UNAM
Unidad de Investigación y
Asistencia Técnica en Materiales
udiatem