I N T R O D U C C I Ó NLa siderurgia estudia los procesos de la metalurgia del hierro, sus

aleaciones y fundamentalmente la fabricación del acero y tipos de

acero, en la presente asignatura se enfocará conocimientos

científicos y tecnológico de la producción del hierro, sus

aleaciones y el acero.

Es menester que el mundo no podemos imaginar sin la utilización

del acero en el área de metal mecánica y construcción y otras

industrias afines.

La asignatura se ha estructurado en cuatro unidades de

aprendizaje donde se desarrollará tópicos referidos al tratamiento

de la materia prima que es el hierro y su industrialización que se

traduce en la fabricación del acero y tipos principales puesto que

el hierro solo tiene poca aplicación.

PROBLEMA:

Que cantidad de mineral necesario, se necesita para obtener 1 ton. De arrabio

Datos:

Composición del mineral:

Fe2O3 ---------- 79 % SiO2 --------------- 12 %

MnO ------------ 2.5 % Al2O3-------------- 3 %

P2O5 ----------- 2.5 % H2O---------------- 1 %

Composición de las escorias: En las escorias se encuentran 0.5 % de Fe utilizado.

Composición del Arrabio obtenido

Fe------------ 92.6 % Mn ----------------0.9 %

Si ------------ 2.0 % P ------------------ 0.7 %

C ------------ 3.6 % S ------------------ 0.2 %

Determinando la cantidad de hierro que contiene una tonelada de mineral.

Base: 1000 Kg.

Peso del Fe2O3 = 1000Kg X 0.79 =790 Kg

Peso atómico del Fe = 56, y del O2 = 48

Fe2 = X

Fe2O3 790

por lo tanto:

X = 790 x 112 = 553kg

160

Contenido de hierro: 553 Kg/t de mineral

Calculo del contenido de hierro que pasa a la escoria

553 x 0.005 = 2.765

Contenido de hierro útil:

553 – 2.765 = 550.235

Peso del mineral para obtener una tonelada de arrabio.

Del análisis se tiene: 92.6 % Fe

1000 kg x 0.926 = 926 t/ ton de arrabio

Entonces:

1000 Kg 550.235 t/ton de arrabio

X 926 t/ton de arrabio

X = 1000 x 926 X = 1682.91 kg/ton de arrabio

550.235

Rta: Para 1 ton de arrabio se necesita 1682.91 kg de mineral/t de arrabio

790 kg Fe2O3 112 kg Fe

1Ton Mineral 160 kg Fe2O3

=

594,21 kg Fe 1 Tn de Mineral

1000 kg Fe X Tn de mineral

x 553 kg Fe/ Tn Mineral

553 x 0.005 = 2,765 kg Fe

553 x 2.765 = 550,235kg Fe

550,235kg Fe 92.6 %

X kg Fe 100 %X = 594,21kg Fe

X = 1,683kg Mineral

Calculo del peso del arrabio

Calculo del peso Útil del Fe

Calculo del peso del Fe que pasa a la escoria

Calculo del peso Real del Fe (arrabio)

Calculo del peso del mineral para 1 Tn Fe (arrabio)

1. ALTO

HORNO

Es un reactor

vertical continuo en

contra corriente,

que se utiliza para

la producción del

hierro de primera

fusión ó arrabio, a

partir de mineral

de hierro.

Hay un “agujero” por el cual sale la

escoria

La parte superior del horno contiene

respiraderas para los gases de escape.

Cerca del fondo se encuentra un

orificio por el que fluye el

arrabio cuando se vacía el alto

horno

El alto horno esta formado por una

cápsula cilíndrica de acero forrada por

un material refractario

La parte inferior tiene varias aberturas

tubulares, llamadas toberas, por donde se

fuerza el paso del aire

EL ALTO HORNO

Las materias primas se cargan en la parte superior del horno. El

aire que ha sido precalentado es forzado dentro de la base del

horno para quemar el coque. Éste en combustión genera el calor

requerido para fundir el mineral con la ayuda del fundente que se

utiliza como decapante.

Parte se combina con el hierro (arrabio), el fundente y la ganga

salen con el nombre de Escoria

Coque

Mineral de

Hierro

Caliza

(fundente) Arrabio

Escoria

Aire

Caliente

2. PARTES DEL ALTO

HORNO

2. ETALAJE. Esta parte ubicada

encima del crisol; de forma cónica

troncada.

5

4

3

2

15. TRAGANTE. Extremo superior del

alto horno donde se carga la carga

3. VIENTRE. Esta parte forma la

zona entre los etalajes y la cuba.

4. CUBA. Forma cónica truncada es

la unidad más alta del horno.

1. CRISOL. Esta parte sirve como

depósito de los materiales fundidos, el

arrabio y la escoria; tienen una forma

cilíndrica.

3. MATERIALES UTILIZADOS

PELLETS

FUNDENTE

COKE

3.1. PELLETS

Fe2O3 .HEMATITES, contiene 70% de Fe y 30% de 02, poco P y S.

Fe2O3.nH2O LIMONITAS, (o hematita pardo) contiene 60% de Fe y 14% de

aguas de cristalización, el contenido en P varía grandemente.

Fe3O4 MAGNETITA; contiene 72.4% de Fe y 27.6% de 02, contenido en P varia

grandemente.

FeCO3 SIDEROSA; contiene 40.2% en Fe y 37.4 en C02 bajo contenido en Mn,

Mg y Ca.

FeS2 PIRITAS; contiene 46.6 % de Fe y alto contenido de azufre (mayor de

45% en S) no utilizado como menas de hierro

Pelotillas de 15mm a 25 mm

de diámetro, de color negro y

posen buena resistencia

mecánica, con 65 % de Fe

3.2. COQUE.

Es un combustible artificial sólido poroso formado por carbono, que se obtiene

después de someter carbones a elevadas Tº en ausencia de O2, provocando la liberación

de gases. Debe tener una resistencia mecánica del orden de 160 Kg/cm2 para resistir sin

pulverizarse grandes cargas. Su poder calorífico es de 7000 Kcal/Kg. Conteniendo 15% de

cenizas, siendo su tamaño mínimo 2mm.

3.3. EL FUNDENTE.

ES EL MINERAL DE CACO3 QUE

TIENE COMO FUNCIÓN PRINCIPAL

LA COMBINACIÓN CON LAS

IMPUREZAS (P, S, SI, ETC.)

EXISTENTES EN EL MATERIAL DE

HIERRO O EN PROPORCIONES

REDUCIDAS DE LOS PELLETS

FORMÁNDOSE ASÍ LA ESCORIA.

4.FUNCIONAMIENTO

El sinter y el mineral de Fe se introducen en el

tragante.

La combustión del coque produce CO.

El CO reduce al mineral de Fe.

El Fe arrastra al coque que no se quemo y pasa al

etalaje donde se funde.

Luego pasa al crisol y la escoria se expulsa por una

piquera y el arrabio por otra.

5.PROCESO DEL ALTO HORNO

5.PROCESO

COLADA DEL ARRABIO

5.PRODUCTOS

ESCORIA HUMOS

ARRABIO

5.1 ESCORIA

Sílice (SiO2) 18 a 38 %

Alumina (Al2O3) 8 a 27 %

Cal (CaO) 30 a 50 %

En general, la suma de la

alumina y de la sílice suele

variar de 45 a 55 %.

Es el sub producto de la fabricación del arrabio en el alto

horno se suele decir “No se hace hierro en el alto horno, se

hace escoria”.’ Es decir, que si el horno produce “buena

escoria», el funcionamiento del horno y el arrabio obtenido

serán también buenos.

5.2 ARRABIO

El arrabio es un producto

intermedio del proceso de

fundición de las menas del hierro

tratadas con coque como

combustible y caliza como

fundente. También se han usado

como combustibles el carbón

vegetal y la antracita. Se obtiene

como material fundido en un alto

horno mediante reducción del

mineral de hierro. Se utiliza como

materia prima en la obtención del

acero en los hornos siderúrgicos.

5.3 GASES DE HORNO ALTO

Se obtiene 6.000 kg. (4.500 Nm3) de gases por Tn dearrabio, a T°s de 800° a 900° con una potencia caloríficamedia de 900 Kcal./Nm3.

Una vez depurados en los separadores de polvo seaprovechan los gases para:

Caldear el aire que se inyecta por las toberas de losaltos hornos, en las estufas Cowper.

Como combustible para caldeo de los hornos de cok,hornos de fosa para laminación, etc.

Para producción de fuerza en motores adecuados.

Para producción de energía eléctrica.

Composición aproximada en

volumen de estos gases

6. PERFIL TERMODINAMICO

El proceso de fusión de los minerales de hierro ocurre por la acción de las temperaturas altas que se desarrollan en el interior del horno

Las cuales entre 250 y 2000 °C.

Podemos el interior del horno en cuatro zonas térmicas

Zona 1 .(200 y 400 °C)

Zona 1 .( 400 y 700 °C )

Zona 1 .(700 y 1150 °C )

Zona 1 .(>°C )

Ninguna

emplean

cargadas

beneficio

de las materias primas que seen los procesos metalúrgicos son

directamente , sin una preparacióno

previo. Entre los cuales están:

TrituraciónClasificación

Homogenización

Enriquecimiento

Aglomeración

6.1 MATERIAS PRIMAS PARA EL PROCESO DE FUSION

• La capacidad del horno

• La presión del soplo y su

caudal

• El numero de toberas

• La granulometría del coque

• La superficie expuesta del

coque

• La porosidad y reactividad

6.1 FACTORES DEPENDIENTES EN LA ZONA DE COMBUSTION:

Forma decompuestos

minerales como:

Carbonato dehierro FeCO3

En calidad defundente

como:

Caliza CaCO3

Al altohorno

6.2 CARBONATOS:

Decomposición:M eCO3 MeO CO2 (Q cal)

Forma de carga:• En la actualidad: Calidad de fundente (para mantener la basicidad)

Aumenta el consumo del coque debido:

••

Calor necesario para que la reacción de disociación ocurraCalor necesaria para que el CO2 del fundente reaccione con el carbono

del coque para formar CO.

••

Al carbono del coque para la reacción anteriorA la perdida de la capacidad de reducción del gas

6.2 DISOCIACION CARBONATOS:

PROCESO DE AGLOMERACIONAPLICA DIRECTA

7. REDUCTORES:

El carbono puede reducir casi todos loselementos dispuestos en el diagrama deEllingham. Excepto el Al, Mg y Ca.

En el proceso de alto horno; a temperaturasbajas, los reductores pueden ser el CO y H2

ANÁLISIS INDUSTRIALLa Industria Siderúrgica: Introducción

Carbón

Mineral de Hierro

Fundentes AltoHorno

Coque

Sinter

Gases

Escorias

Arrabio

Convertidor

Ajuste de la composiciónDesulfuración

DesgasificaciónCalentamiento

Metalurgia Secundaria

Esquema del proceso siderúrgico.

Colada Continua

Alto horno, cuyo esquema se presenta, logra la transformación del

mineral de hierro en arrabio. Este tipo de horno es el que tienen

actualmente la Siderúrgica Lázaro Cárdenas-Las Truchas, en la costa

del Pacifico de Michoacán

En el alto horno, el mineral de hierro, el coque y la caliza se cargan

por la parte superior. Por toberas se inyecta aire caliente que

enciende el coque y libera el monóxido de carbono necesario para

reducir al óxido de hierro. El arrabio, producto final del alto horno, se

colecta por una piquera en la parte inferior.

En toberas la T alcanza 1800°C, 550 más de necesarios para fundir

arrabio. Así las esferas de carga de óxidos de hierro y caliza, gotean

arrabio y escoria que se depositan en el crisol que está en la parte

inferior del alto horno.

Los gases ricos en monóxido de carbono del alto horno son usados

para calentar las estufas al completar su combustión. Mientras una

de ellas está en el proceso de combustión, la otra, previamente

calentada, sirve para elevar la temperatura (T ) del aire por encima de

los 1 000°C.

Alto Horno (Blast Furnace)

El alto horno produce arrabio por fusión de minerales de hierro en una atmósfera reductora.

Los minerales de hierro se componen de hierro y oxígeno.

La reducción es la extracción del oxígeno desde los minerales.

Esquemáticamente, 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.

ObjetivoEl propósito es reducir químicamente y convertir físicamente los óxidos del hierro en hierro líquido llamado “ARRABIO“ (2.14 a 6.7 % en peso C).

Es una cuba enorme, de acero alineado con ladrillo refractario, donde el mineral, el coque y caliza cargan por arriba, y 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 escoria y arrabio y escurren a intervalos regulares.

El aire caliente asciende desde el fondo del horno hasta arriba en 6 a 8 segundos después de llevar cabo todas las reacciones químicas

Un alto horno funciona continuamente por 4 a 10 años con paradas cortas de mantención.

ProcesoCarga de óxidos: mineral, pélets o sínter.

Mineral 0.5 a 1.5 “ hematita (Fe2O3) o magnetita (Fe3O4) 50% hasta 70% Fe carguío directo

< 50% Fe se producen pélets de 60% a 65% por chancado – molienda (<1/4”) - roleo - calentamiento (endurecer).

El sínter se produce con mezcla de mineral fino, coque, caliza – sílice y desecho de hierro siderúrgico.

Esta mezcla de materiales cruda se coloca en una banda (correa transportadora de acero) de sinterización, donde se funde y forma pedazos más grandes 0.5 a 2.0”

El mineral, pelets y sínter de hierro se convierten en arrabio en el alto horno alto y cualesquiera de sus impurezas restantes van a la escoria líquida.

Estructura del Alto HornoExisten 3 zonas donde ocurren distintas R.Qx.

Zona 1 Crisol: mayor temperatura esta en el frente a las toberas donde el oxígeno (aire) de soplado reacciona con el coque dando Tºlocal ≈ 2000ºC.

Fuera de la zona de combustión la temperatura cae 1600ºC (centro). Esto funde metal y escoria

Zona 2 Etalaje y Cuba. La temperatura disminuye suave e 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 .

División de Michard (4

zonas)

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 TOBERAS

El coke desciende al fondo del horno en donde se insufla aire

precalentado que lo ignicia generando calor como sigue:

C + O2 = CO2, Hº = -93.5 kcal

Como la R.Qx. 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

Formación de EscoriaLa caliza desciende y permanece sólida hasta que ocurre:

CaCO3 = CaO + CO2

Esta reacción requiere energía y comienza sobre 875°C.

El CaO formado se usa para remover S del Fe, según

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.

Variación %O2 en la Cuba

Aire entra pre-Q (500-800ºC) y PO2 = 0.21, la presión atmosférica del aire (pto A)

Frente toberas O2 reacciona con coque (Tº aumenta a 1900ºC) y potencial disminuye hasta línea C-CO (valor mínimo)

Después gas CO reacciona con óxidos sin reducir, elevando el potencial O2

Oxido mas probable en cuna FeO, por tanto, limite es línea Fe-FeO

Contacto alternado con mineral y coque causa que composición “ondee” y salga a un Tº menor a 400ºC (pto B)

Valor PO2 menor que el equilibrio FeO + CO = Fe + CO2 por tiempo insuficiente para alcanzarlo