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Contenido

• Minerales de hierro
• Inpurezas en el hierro y quimica de su remocion
• Pre-procesamiento
  • fino - Procesamiento de non-DSO
  • Pellets
• Procesos metalurgicos para generar hierro
  • Bloomery
    • .$ \text{Ox de hierro} + Carbon \Rightarrow \text{Hierro esponja}$
    • .$ \text{Hierro esponja} \Rightarrow \text{Hierro forjado} $
  • Reduccion directa (DRI)
    • .$\text{Ox de hierro} \Rightarrow \text{Hierro esponja}$
  • Alto Horno
    • .$\text{Hierro esponja} + coke + caliza \Rightarrow \text{Hierro arrabio}$
• Procesos metalurgicos para generar Acero
  • Proceso bessemer y thomas
    • .$\text{Hierro arrabio} \Rightarrow Acero$
  • Open hearth / Siemens furnace WIP
    • .$\text{Hierro arrabio} + Chatarra \Rightarrow Acero$
  • oxígeno básico o L-D
    • .$\text{Hierro arrabio} + Oxigeno + Chatarra \Rightarrow Acero$
  • Horno de arco electrico
    • $\text{Hierro esponja y/o Chatarra} + coke \Rightarrow Acero$

Minerales de hierro

El hierro forma parte del 5% de la corteza terrestre. se encuentra exclusivamente en forma de oxido de hierro, para que su extraccion sea economicamente factible es necesario que el mineral tenga una concentracion minima de hierro.

Los minerales de hierro se dividen en dos grandes grupos:

• Direct Shipping Ore (DSO) Aquellos minerales que contienen mas de 60% de hierro y que por ende pueden ser usados para alimentar un alto horno directamente
  • Magnetita (72%) $FE_3O_4$
  • Hematita (69%) $FE_2O_3$
  • goethita (62%) $FeO(OH)$
• Non DIrect Shipping Ore (NON-DSO) Aquellos minerales con menos de 60% de hierro y que entonces necesitan de un procesamiento para eliminar la ganga en exceso (triturado, sedimentado, rodillo magnetico, etc)
  • Limonita (55%) $FeO(OH)·n(H2O)$
  • Siderita (48%) $FeCO3$

Inpurezas en el hierro y quimica de su remocion

Fuente copada El hierro suele tener una serie de impirezas que pueden ser removidas con diversas reacciones quimicas:

• Fosforo - El Fosforo puede ser removidomediante oxidacion ("quemado" hasta que forme parte de la escoria como $P2O5$)
• Silicio - El silicio puede ser removido
  • mediante oxidacion ("quemado" hasta que forme parte de la escoria como $SiO_2$)
  • limestone/piedra caliza en el alto horno
  • $SiO2 + CaO → CaSiO3$
• Manganeso - El Manganeso puede ser removido mediante oxidacion ("quemado" hasta que forme parte de la escoria como $MnO$)
• Sulfuro - El Sulfuro puede ser removido mediante reduccion usando un agente desulfurante que lo transforme en una substancia que forme parte de la escoria.
  • Sodium carbonate / carbonato de sodio:
    • Se descompone por el calor del hierro derretido .$Na_2CO_3 \Rightarrow Na_2O + CO_2 $
    • Sus componentes atrapan el silicio y lo transforman en componentes que formaran parte de la escoria. .$Na2O (l) + S \Rightarrow Na2S (l) + O$ .$Na (g) + S \Rightarrow Na2S (l)$
  • Limestone / piedra caliza en el hot metal
    • Esta principalmente compuesto de oxido de calcio.
    • .$CaO (s) + S \Rightarrow CaS (s) + O $
  • Calcium carbide
    • .$CaC2 + S = CaS + 2C$
  • Magnesio
    • $ Mg + S = MgS$

Pre-procesamiento

Procesamiento mecanico en la mina (NON-DSO)

Los minerales NON-DSO deben pasar por procesos para reducir su ganga, ya que su concentracion de hierro ya es muy pobre. Los proceos pueden ser:

• Triturado y separacion por rodillos magneticos
• Sedimentado del hierro y flotacion de la silica
• Tamizado

El resultado de estos procesos se conoce como fino y es un polvo con gran concentracion de hierro que se usa para hacer pellets

Pellets

Debido a que el fino es dificil de transportar y manejar, se le da forma de pellets mezclandolo con un aglutinante y hornenandolo para secarlo.

Muchas plantas mineras utilizan el barro de la mina como aglutinante, en muchas ocaciones se utiliza agua en el proceso de separacion mecanico que utiliza agua, por lo que el fino ya esta mezclado con un lodo que se usa como aglutinante.

Procesos metalurgicos para generar hierro

Bloomery

Se trata del proceso mas antiguo de todos, a partir del cual se obtiene hierro forjado. Se trata principalmente de reducir el hierro para sacarle el Oxigeno.

• Se coloca carbon vegetal o mineral en un recipiento junto con minerales de hierro
• Se quema hasta alcanzar los 500-1200C (por debajo de la temperatura de fundicion del hierro)
• El oxigeno se separa del hierro y se junta con el carbono del $CO_2$ de la combustion
• El hierro queda casi puro, sin oxigeno y con muy poco carbono (0.08) ya que no llega a derretirse y formar una solucion con el carbono.

El resultado de este proceso es HIERRO ESPONJA en la forma de un pedazo de hierro llamado bloom.

La reduccion que ocurre en el bloomery es la siguiente Se quema el carbon: $C+ O2 = CO2$ $CO2 +C = 2 CO$
El $CO$ generado reduce el oxido de hierro hasta que sea hierro puro $3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO$ $Fe3O4 + CO = 3FeO + CO$ $FeO + CO = Fe + CO$

Luego de su obtencion se lo martilla duramente con grandes martillos para remover la ganga y remover los huecos que quedan en el hierro despues del proceso, generando HIERRO FUNDIDO.

El Hierro fundido es principalmente hierro puro, no se ha reemplazado al oxigeno por otro material, por lo que es altamente inestable y como concecuencia se oxida con el oxigeno del aire con extrema facilidad, por ese motivo es necesario pintarlo

Reduccion directa (DRI)

El proceso de reduccion directa es una evolucion de la bloomery y funciona bajo el mismo principio, genera Hierro esponja que se compone principalmente de $Fe$.

El objetivo de la reduccion directa es remover el oxigeno del hierro, pero a diferencia de los procesos para generar acero, no se reemplaza el oxigeno por carbono sino que se deja el hierro en estado puro casi sin carbono.

El Hierro queda sin carbono por que se calienta por debajo de la temperatura de fundicion y entonces no llega a formar una solucion con el carbono

Los hornos de reduccion directa son en general hornos giratorios donde se quema carbon y mineral de hierro (pellets generalmente) para remover el oxigeno.

La reduccion que ocurre en el bloomery/DRI es la siguiente Se quema el carbon: $C+ O2 = CO2$ $CO2 +C = 2 CO$
El $CO$ generado reduce el oxido de hierro hasta que sea hierro puro $3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO$ $Fe3O4 + CO = 3FeO + CO$ $FeO + CO = Fe + CO$

Alto hornoo

En el alto horno se calienta el hierro (Pellets, hierro esponja o DSO) junto con coke y piedra caliza para generar arrabio.

El alto horno consiste en una estructura tubular de 50mts que se alimenta por arriba de hierro, piedra caliza y coke, por abajo se inyecta aire a 1200C. en su parte inferior se retira el arrabio y la escoria que quedan separados por tener diferentes densidades.

En el alto horno se producen dos procesos quimicos:

• Se reduce el oxido de hierro hasta genenrar hierro puro, igual que en el bloomery o en la Reduccion directa (DRI)

Se quema el carbon: .$C+ O2 = CO2$ .$CO2 +C = 2 CO$
El $CO_2$ generado reduce el oxido de hierro hasta que sea hierro puro .$3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2$ .$Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2$ .$FeO + CO = Fe + CO2$

• La pierda caliza se junta con la Silica del mineral de hierro y forma escoria que es facil de separar por su diferencia de densidad $SiO2 + CaO → CaSiO3$

Critico: A diferencia del bloomery y la Reduccion directa (DRI), en el alto horno SI se derrite el hierro. como concecuencia SI genera una solucion con el carbon y por eso es queen el alto horno se genera hierro con mucho carbono (arrabio) y en los otros dos procesos se genera hierro con muy bajo contenido de carbono (Hierro esponja o hierro fundido). Ademas en el alto horno solo se a logrado separar el Silicio como impureza, pero aun quedan el fosforo, manganeso y otros compuestos mas.

Procesos metalurgicos para generar Acero

Proceso bessemer y thomas

El arrabio producido por el alto horno no es un material utilizable en la industria debido a la gran cantidad de carbono disuelto en el. Uno de los procesos para descarburizar al arrabio es el proceso bessemer, que funciona principamente por oxidacion.

En el proceso bessmer se inyecta aire dentro del arrabio liquido. Como el los vinculos entre el oxigeno y el carbono , fosforo y silicio son mucho mas fuertes y termodinamicamente favorables que el vinculo entre el oxigeno y hierro, el carbon excedente y el fosforo se oxidan y generan una escoria y $CO^2$, separandola del hierro, Mientras que la oxidacion en el hierro es despreciable y se contraresta con la añadicion de magnesio

Como LIMITACION no puede eliminar el sulfuro del pig iron, por lo que este proceso solo sirve para hierros con bajo contenido en sulfuro

El procedimiento Thomas es igual que el bessemer pero el horno esta recubierto basico de dolomía capaz de absorver fosforo, permitiendo afinar hierros fosforosos

Open hearth / Siemens furnace

Se carga con arrabio, procedente del alto horno. Este arrabio contiene hasta un 4% de carbono, más ciertos elementos químicos considerados impurezas, algunos de los cuales como el fósforo o el azufre son altamente perjudiciales para el acero, y otros como el silicio o el manganeso, no son deseables en las cantidades contenidas en el arrabio. Junto al arrabio se añaden materiales ricos en oxígeno para oxidar el carbono excedente(como óxidos de hierro) e incluso chatarra, además de materiales fundentes como la caliza, que facilita la formación de escorias, regulando de esa forma el contenido de azufre en la carga. En estos hornos se producen aceros comunes o poco aleados.

El contenido de carbono se juzga por las fractura de las probetas que se cuelan en pequeños moldes, las cuales se enfrían y rompen. Si se fabrica un acero blando o de bajo contenido de carbono, tan pronto como el contenido de carbono del acero que se está fabricando llega al porcentaje deseado y el metal está suficientemente caliente, se cuela en una cuchara, y se añaden a ésta el ferromanganeso y ferrosilicio necesarios para desoxidar y regular la composición química final del acero.

oxígeno básico o L-D

Fuente 1 Fuente 2 (copada) Este proceso de afino es una evolucion sobre el proceso bessemer. La mejora consiste en inyectar oxigeno puro en luger de aire, evitando asi la inyeccion de nitrogeno que es perjudicial para el acero, ademas permite la colocacion de scrap metal junto con el pig iron.

Previo a iniciar este proceso, se realiza la desulfuracion quimica del metal mediante la adicion de magnesio en polvo al arrabio liquido, generando sulfuro de magnesio que sube como escoria.

$Mg + S = MgS$

Una vez desulfurado, se inyecta oxigeno de alta pureza, este oxida instantaneamente las impurezas del hierro y el carbon, implicando un proceso de combustion exotermico

Es por este motivo que el proceso L-D no necesita combustible o calor adicional ademas del oxigeno.

• Debido a que el fosforo, silicio y manganeso tienen mayor afinidad por el oxigeno que el hierro o el carbono estos se quemaran/oxidaran primero
• Luego le sigue el carbono, que sera oxidado y transformado en $CO$ y $CO_2$ hasta lograr haber sacado la cantidad deseada de carbono del acero.
• El hierro tiene menor afinidad con el oxigeno, por lo que no se oxida gran cantidad del mismo

Critico: Este metodo puede adicionar scrap metal en el arrabio para reciclar acero, perola proporcion debe ser cudidadosamente calculada. esto es porque el scrap metal a diferencia del arrabio no contiene carbono exedente e impurezas que quemaran tan activamente con el oxigeno, entonces esto afecta la capacidad termica del proceso para derretir todo el material. Cuanto mas scrap metal, menos calor se generara

Horno de arco electrico

Fuente Fuente 2

El horno electrico tiene la capacidad de convertir arrabio y scrap steel en acero. el proceso consta de 5 partes

• Carga del material
  • Esta puede ser con arrabio Y/O scrap metal, puede añadirse limestone o coke, pero tambien puede añadirse mas adelante.
• Derretimiento
  • Se cierra el horno y se aplica corriente de manera incremental mientras se entierran los electrodos lentamente en el material mientras se derrite.
  • Se puede suplementar los electrodos con quemadores de oxigeno y gas.
• Refinamiento
  • Se inyecta oxigeno al baño de metal derretido con el mismo proposito que en el proceso de oxígeno básico o L-D. (Puede ser realizado con cal)
  • Este oxida las impurezas rapidamente debido a su gran afinidad ($Al, Si, Mn, P$) para generar una escoria.(Puede ser realizado con cal)
  • Luego oxida el carbono ($C + O_2 \Rightarrow CO$) que tiene menor afinidad. se aplica oxigeno hasta lograr oxidar la cantidad de carbono deseada(Puede ser realizado con cal)
  • El desulfuramiento tiene lugar fuera del horno elelctrico
• Deslagging operation
  • Se drena la escoria.
• Tapping
  • Se drena el acero del horno
• Furnace turnaround
  • Se hace el mantenimiento del horno previo al proximo uso

NOTA: Notese que nunca se desulfuro el producto, esto es porque normalmente se realiza un refinado llamado secondary steelmaking o label refining donde se desoxiday desulfura el acero, el desulfurado ocurre generalmente mediante añadicion de magnesio en polvo.