La
producción del hierro
La reducción
de los óxidos de hierro se realiza en los altos hornos. Un alto horno es
virtualmente una planta química que reduce continuamente el hierro del mineral.
Como combustible se utiliza el coque
metalúrgico, que permite alcanzar una temperatura superior a la del punto de
fusión del hierro. El producto así es obtenido hierro en estado líquido y con
un alto contenido de carbono e impurezas, se llama arrabio o fundición de
primera fusión y se utiliza para elaborar aceros o para obtener piezas
moldeadas después de otra fusión
Para
producir hierro, se alimenta por la parte superior de un alto horno una carga
con capas alternadas de coque, piedra caliza y mineral de menas de hierro.
Químicamente desprende el oxígeno del óxido de hierro existente en el mineral
para liberar el hierro. Está formado por un recipiente cilíndrico de acero
forrado con un material no metálico y resistente al calor, como ladrillos
refractarios y placas refrigerantes. El diámetro del recipiente cilíndrico de 9
a 15 m (30 a 50 pies) disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un
punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total de 40 m
(125 pies). La parte inferior del horno
está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza
el paso del aire. Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el
arrabio cuando se sangra (o vacía) el alto horno. Encima de ese orificio, pero
debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria. La parte
superior del horno, contiene respiraderos para los gases de escape, y un par de
tolvas redondas, cerradas por válvulas en forma de campana, por las que se
introduce la carga en el horno. Los materiales se llevan hasta las tolvas en
pequeñas vagonetas o cucharas que se suben por un elevador inclinado situado en
el exterior del horno. Desde la parte baja de la cámara se inyecta por toberas
una corriente de gases y aire precalentados a 900 °C a gran velocidad para
realizar la combustión y la reducción del hierro efectuándose la combustión
completa del coque que adquiere temperaturas máximas entre 1700 a 1800 °C.
Los gases
calientes (CO, H2, CO2, H2O, N2, O2 y los combustibles) realizan la combustión
del coque conforme pasan hacia arriba, a través de la carga de materiales. El
monóxido de carbono se suministra como un gas caliente, pero también se forma
adicionalmente por la combustión del coque. El gas CO tiene un efecto reductor
sobre las menas de hierro; la reacción simplificada se describe a continuación
(usando la hematita como la mena original): Fe2O3 + CO2FeO + CO2
El bióxido
de carbono CO2 reacciona con el coque para formar más monóxido de carbono: CO2
+ C2CO
El cual
realiza la reducción final de FeO a hierro: FeO + CO + CO2
El hierro
fundido escurre hacia abajo, acumulándose en la base del alto horno.
El hierro
fundido de primera fusión, o arrabio se vacía periódicamente en carros cuchara
o carros torpedo con los cuales se llenan lingoteras o bien se conducen a
mezcladoras calientes donde se almacenan y se mezclan con otras fundiciones
para curarse posteriormente en algún proceso de obtención del acero (refinación
de arrabio). Los lingotes se someten a una operación de enfriamiento para
convertirse mediante procesos metalúrgicos posteriores, en: hierro fundido de
segunda fusión, hierro dulce, hierro maleable o bien acero.
Los altos
hornos funcionan de forma continua. La materia prima que se va a introducir en
el horno se divide en un determinado número de pequeñas cargas que se
introducen a intervalos de entre 10 y 15 minutos. La escoria que flota sobre el
metal fundido se retira una vez cada dos horas, y el arrabio se sangra cinco
veces al día. El papel que juega la
piedra caliza se resume en la siguiente ecuación.
Primero se
reduce a cal (CaO) por calentamiento (∆): CaCO3 + ∆ CaO + CO2.
La piedra
caliza se combina con la sílice (SiO2) presente en el mineral (la sílice no se
funde a la temperatura del horno) para formar silicato de calcio (CaSiO4), de
menor punto de fusión. Si no se agregara la caliza, entonces se formaría
silicato de hierro (Fe2SiO4), con lo que se perdería el hierro metálico, allí
esta la importancia de la piedra caliza.
La cal se combina con impurezas tales como sílice (SiO2), azufre (S) y
aluminio (Al2O3) para formar silicatos de calcio y de aluminio, en reacciones
que producen una escoria fundida que flota encima del hierro.
El arrabio o
hierro de primera fusión no se puede utilizar directamente en la industria por
ser muy quebradizo debido a sus impurezas y poca resistencia contiene excesivo
carbón, de 2.2% a 4.5%, además de cantidades de silicio, magnesio, fósforo
cuyos contenidos son muy variables.
Los gases
originados por las reacciones acaecidas en el alto horno se aprovechan para
impulsar las maquinas soplantes o bien para calentar el aire de alimentación,
para lo cual hay en el tragente la correspondiente toma de gases. Los gases,
conducidos por tuberías de gran diámetro y con cambios bruscos de dirección a
fin que se deposite el polvo arrastrado, son llevados a los recuperadores.
Altos hornos
de México (AHMSA) tiene dos hornos uno de 400 y otro de 1000 toneladas. Es
interesante hacer notar que se requieren aproximadamente siete toneladas de
materia prima para producir una tonelada de hierro.
En la década
de los sesenta del siglo pasado se introdujo un importante avance en la
tecnología de altos hornos: la presurización de los hornos. Estrangulando el
flujo de gas de los respiraderos del horno es posible aumentar la presión del
interior del horno hasta 1,7 atmósferas o más. La técnica de presurización
permite una mejor combustión del coque y una mayor producción de hierro. En
muchos altos hornos puede lograrse un aumento de la producción de un 25%. En
instalaciones experimentales también se ha demostrado que la producción se
incrementa enriqueciendo el aire con oxígeno.
Fernando Aranaga C.I: 25.893.524
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