Manufactura del Hierro
El mineral de hierro, coque y cal son las materias primas que ingresan en el alto horno para producir hierro líquido (a menudo llamado “metal caliente”). El hierro que se desprende del alto horno contiene 4-4,5% en peso de carbono y otras impurezas que hace que el metal sea demasiado frágil para la mayoría de aplicaciones de ingeniería.
Siderurgia
La fabricación de acero de oxígeno básico (BOS) este proceso de toma de hierro líquido más chatarra de acero reciclado, reduce el contenido de carbono de entre 0 y 1,5% por soplado de oxígeno a través del metal en un convertidor para producir acero fundido. Alternativamente, el horno de arco eléctrico (EAF) se utiliza para volver a fundir la chatarra de hierro y acero.
Los procesos siderúrgicos secundarios, se aplicaron para hacer ajustes precisos en la composición del acero, la temperatura y la limpieza.
Fundición
Después, el acero se funde continuamente en losas macizas, tochos o palanquillas. La colada continua se ha sustituido en gran medida por el moldeo de lingotes tradicional.
Formación Primaria
Las operaciones de conformación primaria, tales como el laminado en caliente, son las que se aplican a losas de colada continua, bloques, palanquillas y lingotes (tradicionales). El objetivo principal es por lo general para lograr grandes cambios en la forma, en lugar de desarrollar las propiedades del acero, aunque estos también pueden ser alteradas significativamente.
Manufactura del Acero
El acero se puede obtener a partir de dos materias primas fundamentales:
• el arrabio, obtenido a partir de mineral en instalaciones dotadas de alto horno (proceso integral);
• las chatarras tanto férricas como inoxidables.
El arrabio es el primer proceso que se realiza para obtener Acero, los materiales básicos empleados son Mineral de Hierro,Coque y Caliza. El coque se quema como combustible para calentar el horno, y al arder libera monóxido de carbono, que se combina con los óxidos de hierro del mineral y los reduce a hierro metálico. Ver vaciado de Arrabio en Planta de CSH
La ecuación de la reacción química fundamental de un alto horno es:
Fe2O3 + 3 CO => 3 CO2 + 2 Fe
La caliza de la carga del horno se emplea como fuente adicional de monóxido de carbono y como sustancia fundente. Este material se combina con la sílice presente en el mineral (que no se funde a las temperaturas del horno) para formar silicato de calcio, de menor punto de fusión. Sin la caliza se formaría silicato de hierro, con lo que se perdería hierro metálico. El silicato de calcio y otras impurezas forman una escoria que flota sobre el metal fundido en la parte inferior del horno. El arrabio producido en los altos hornos tiene la siguiente composición: un 92% de hierro, un 3 o 4% de carbono, entre 0,5 y 3% de silicio, del 0,25% al 2,5% de manganeso, del 0,04 al 2% de fósforo y algunas partículas de azufre.
El ALTO HORNO es virtualmente una planta química que reduce continuamente el hierro del mineral. Químicamente desprende el oxígeno del óxido de hierro existente en el mineral para liberar el hierro. Está formado por una cápsula cilíndrica de acero forrada con un material no metálico y resistente al calor, como ladrillos refractarios y placas refrigerantes.
| Carga típica en Alto Horno de CSH | Composición química del Arrabio |
| Componentes | kg/t | kg/carga |
| Mineral de Hierro | 490 | 9.600 |
| Pellets | 995 | 19.600 |
| Chatarra | 15 | 300 |
| Mineral de Mn | 22 | 450 |
| Caliza | 112 | 2.300 |
| Cuarzo | 12 | 250 |
| Coque | 451 | 9.200 |
| Petróleo + Alquitrán | 44 | 899 |
| Aire Insuflado | | 1.530 m3/min |
| Temperatura Aire Insuflado | | 1.030ºC |
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| Elementos | % |
| Fierro (Fe) | 93,70 |
| Carbono (C) | 4,50 |
| Manganeso (Mn) | 0,40 |
| Silicio (Si) | 0,45 |
| Fósforo (P) | 0,110 |
| Azufre (S) | 0,025 |
| Vanadio (V) | 0,35 |
| Titanio (Ti) | 0,06 |
| Temperatura en Alto Horno : 1.460ºC | |
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Las materias primas se cargan (o se vacían) en la parte superior del horno. El aire, que ha sido precalentado hasta los 1.030ºC aproximadamente, es forzado dentro de la base del horno para quemar el coque. El coque en combustión genera el intenso calor requerido para fundir el mineral y produce los gases necesarios para separar el hierro del mineral. En forma muy simplificada las reacciones son:
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| + |
|  |
| + |
| Monóxido de Carbono Gaseoso |
| 2CO |
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| + |
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| Hierro Fundido |
| 2Fe Hierro |
| + |
| Dióxido de Carbono Gaseoso |
| 3CO2 |
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| Impurezas en el Mineral Derretido | + | Piedra Caliza | | ESCORIA |
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El aire insuflado en el alto horno se precalienta a una temperatura aproximada de 1.030 ºC. El calentamiento se realiza en las llamadas estufas, cilindros con estructuras de ladrillo refractario. El ladrillo se calienta durante varias horas quemando gas de alto horno, que son los gases de escape que salen de la parte superior del horno. Después se apaga la llama y se hace pasar el aire a presión por la estufa. El peso del aire empleado en un alto horno supera el peso total de las demás materias primas.
Esencialmente, el CO gaseoso a altas temperaturas tiene una mayor atracción por el oxígeno presente en el mineral de hierro (Fe2O3) que el hierro mismo, de modo que reaccionará con él para liberarlo. Químicamente entonces, el hierro se ha reducido en el mineral. Mientras tanto, a alta temperatura, la piedra caliza fundida se convierte en cal, la cual se combina con el azufre y otras impurezas. Esto forma una escoria que flota encima del hierro derretido.
Cada cinco o seis horas, se cuelan desde la parte interior del horno hacia una olla de colada o a un carro de metal caliente, entre 150 a 375 toneladas de arrabio. Luego se transportan a un horno de fabricación de acero. La escoria flotante sobre el hierro fundido en el horno se drena separadamente. Cualquier escoria o sobrante que salga del horno junto con el metal se elimina antes de llegar al recipiente. A continuación, el contenedor lleno de arrabio se transporta a la fábrica siderúrgica (Acería).
Los altos hornos modernos funcionan en combinación con hornos básicos de oxígeno o convertidores al oxígeno, y a veces con hornos de crisol abierto, más antiguos, como parte de una única planta siderúrgica. En esas plantas, los hornos siderúrgicos se cargan con arrabio. El metal fundido procedente de diversos altos hornos puede mezclarse en una gran cuchara antes de convertirlo en acero con el fin de minimizar el efecto de posibles irregularidades de alguno de los hornos.
El arrabio recién producido contiene demasiado carbono y demasiadas impurezas para ser provechoso. Debe ser refinado, porque esencialmente, el acero es hierro altamente refinado que contiene menos de un 2% de carbono.
El hierro recién colado se denomina "arrabio". El oxígeno ha sido removido, pero aún contiene demasiado carbono (aproximadamente un 4%) y demasiadas impurezas (silicio, azufre, manganeso y fósforo) como para ser útil, para eso debe ser refinado, porque esencialmente el acero es hierro altamente refinado que contiene menos de un 2% de carbono.
La fabricación del acero a partir del arrabio implica no sólo la remoción del carbono para llevarlo al nivel deseado, sino también la remoción o reducción de las impurezas que contiene.
Se pueden emplear varios procesos de fabricación de acero para purificar o refinar el arrabio; es decir, para remover sus impurezas. Cada uno de ellos incluye el proceso básico de oxidación.
En el alto horno, el oxígeno fue removido del mineral por la acción del CO (monóxido de carbono) gaseoso, el cual se combinó con los átomos de oxígeno en el mineral para terminar como CO2gaseoso (dióxido de carbono). Ahora, el oxígeno se empleará para remover el exceso de carbono del arrabio. A alta temperatura, los átomos de carbono (C) disueltos en el hierro fundido se combinan con el oxígeno para producir monóxido de carbono gaseoso y de este modo remover el carbono mediante el proceso de oxidación. En forma simplificada la reacción es :
| Carbono | + | Oxígeno | | MONOXIDO DE CARBONO GASEOSO |
| 2C | + | O2 | | 2CO |
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Manufactura de Materiales no Ferrosos
Aunque los metales ferrosos son los más utilizados, el resto de los metales (los no ferrosos) son
cada día más imprescindibles.
Clasificación
Se pueden clasificar en tres grupos
a. Metales no ferrosos pesados: Son aquellos cuya densidad es igual o mayor a 5 gr/cm3. Se encuentran en este grupo el cobre, el estaño, el plomo, el cinc, el níquel, el cromo y el cobalto.
b. Metales no ferrosos ligeros: Tienen una densidad comprendida entre 2 y 5 gr/cm3. Los más utilizados son el aluminio y el titanio.
c. Metales no ferrosos ultraligeros: Su densidad es menor a 5 gr/cm3. Se encuentran en este grupo el berilio y el magnesio, aunque el primero de ellos raramente se encuentra en estado puro, sino como elemento de aleación.
Todos estos metales no ferrosos, es estado puro, son blandos y poseen una resistencia mecánica bastante reducida. Para mejorar sus propiedades, los metales puros suelen alearse con otros..
COBRE
Las propiedades de este metal son:
• Es uno de los metales no ferrosos de mayor utilización.
• Tiene un color rojo-pardo.
• Su conductividad eléctrica es elevada (solo superada por la plata)
• Su conductividad térmica también es elevada.
• Es un metal bastante pesado, su densidad es 9 5 gr/cm3.
• Resiste muy bien la corrosión y la oxidación.
• Es muy dúctil y maleable.
Obtención del cobre
Los minerales mas utilizados para obtener cobre son sulfuros de cobre, especialmente la calcopirita. También existen minerales de óxido de cobre, destacando la malaquita y la cuprita.
Los minerales de cobre suelen ira acompañados también de hierro.
Existen dos métodos de obtención del cobre
- La vía húmeda
- La vía seca
A. Vía húmeda: Se emplea solamente cuando el contenido de cobre en el mineral es muy reducido (menos de un 10%). Consiste en triturar todo el mineral y añadirle ácido sulfúrico y aplicar a la mezcla el proceso de electrólisis (es decir, aplicar una corriente continua introduciendo dos electrodos en la mezcla).B. Vía seca: Se emplea solamente cuando el contenido de cobre supera el 10%. Consta de las
siguientes fases
1. Se tritura el mineral, se criba y se muele hasta reducirlo a polvo.
2. Se introduce en un recipiente con agua abundante, donde se agita para eliminar la ganga que flota.
3. La mena que quede se lleva a un horno de pisos donde se oxida para eliminar el hierro presente. De este modo se separa el cobre del hierro
4. A continuación se introduce el mineral de cobre en un horno donde se funde. Luego se añade sílice y cal que reaccionan con el azufre y restos de hierro, formando la escoria que flota y se elimina. El cobre líquido que se encuentra debajo se denomina cobre bruto, cuya pureza es del 40%.
5. Por último, para obtener un cobre de alta pureza se somete el líquido a un proceso electrólitico. El cobre tendrá una pureza del 99,9%.
Aleaciones del cobre
- Bronces: Son aleaciones de cobre y estaño; y en ocasiones, de otros elementos. Es mucho más duro resistente que el cobre.
- Latones: Son aleaciones de cobre y cinc
- Cuproaluminio: Son aleaciones de cobre ya aluminio. Son muy resistentes a la oxidación y la corrosión.
Aplicaciones del cobre
Su principal aplicación es como conductor eléctrico. Pues su ductilidad le permite transformarlo en
cables de cualquier diámetro.
Por su alta resistencia a la oxidación se emplea en instalaciones de fontanería, tuberías y calderas.
ALUMINIO
Las propiedades de este metal son:
- Es un metal muy ligero (2,7 5 gr/cm3) y muy resistente a la oxidación.
- Es un buen conductor eléctrico y del calor.
- Es muy dúctil y maleable.Obtención del aluminio
El mineral del que se extrae el aluminio es la bauxita. El método de extracción tiene dos fases:
Se emplea un método llamada Bayer y después se combina con la electrólisis:
1. Se tritura y muele el mineral hasta reducirlo a polvo
2. Se mezcla el polvo con sosa caústica, cal y agua caliente.
3. La sosa disuelve la bauxita, separándose los residuos en el decantador.
4. El material útil se llama alúmina, al cual debe eliminarse todo el agua que posea y refrigerarse. Hasta aquí el método Bayer.
5. Para obtener el aluminio, se disuelve la alúmina en una sustancia llamada criolita a una temperatura de 1000 ºC y se somete a un proceso de electrólisis que descompone el material en aluminio.
Aleaciones del aluminio
El aluminio suele alearse con otros metales para mejorar sus propiedades mecánicas.
- Con cobre: Es el duraluminio. Es un aluminio de alta dureza y buena maquinabilidad,
- Con Cinc: Es un aluminio duro y resistente a la corrosión.
Aplicaciones
- Por ser ligero se emplea en la industria aeronáutica, automovilística, ...
- Por ser buen conductor eléctrico, se utiliza en conducciones aéreas de alta tensión.
- Por su resistencia a la corrosión: se emplea para fabricar depósitos para bebidas, baterías
de cocina, envolver alimentos y otros.
Opinión personal:
El proceso de manufactura del hierro y acero son complementarios y de gran importancia industrial, procesos complejos y costosos.
Para algunos metales no ferrosos, los procedimientos son similares a los del acero con procesos costosos y complejos para metales preciosos.
