El Alto Horno de Fierro

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  Consideraciones Termodinámicas de la Reducción de Fierro Introducción El mineral de fierro se extrae de las minas. Normalmente no se encuentra en estado puro, sino combinado con otros elementos químicos. A pesar de la abundancia de mineral de fierro en la naturaleza, sólo se aprovechan dos tipos en la industria: los óxidos y el carbonato. El primer tratamiento al que se debe someter el mineral de fierro, una vez extraído, consiste en una trituración y molienda, seguida de una separación del par
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  Consideraciones Termodinámicas de la Reducción de Fierro   Termodinámica de Materiales Página 15   I ntroducción El mineral de fierro se extrae de las minas. Normalmente no se encuentra en estado puro, sino combinadocon otros elementos químicos. A pesar de la abundancia de mineral de fierro en la naturaleza, sólo seaprovechan dos tipos en la industria: los óxidos y el carbonato.El primer tratamiento al que se debe someter el mineral de fierro, una vez extraído, consiste en unatrituración y molienda, seguida de una separación del parte útil (mena) de la despreciable como tierras,rocas, cal, sílice, etc., constituyendo lo que se denomina ganga, mediante magnetismo, flotación, etc. Esteprocedimiento se denomina tratamiento preliminar.A pesar de que el mineral de fierro ya ha sufrido un tratamiento preliminar en que se ha reducido la gangaexistente, siempre quedan impurezas unidas al mineral que es preciso eliminar. Para eliminar estasimpurezas se emplean métodos de reducción de los cuales describiremos el alto horno y la reduccióndirecta. El Alto Horno El alto horno es una instalación muy útil para el hombre, ya queproporciona las condiciones necesarias para reducir rápida yeficientemente las menas oxidadas de fierro y es la base para lamayor producción de acero.El alto horno (figura 1) es un horno de soplo, formado por unacápsula cilíndrica de acero forrada con un material no metálico yresistente al calor, como ladrillos refractarios y placas refrigerantes. Eldiámetro de la cápsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y esmáximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte desu altura total. La parte inferior del horno está dotada de variasaberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso delaire. Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye elarrabio cuando se sangra (o vacía) el alto horno. Encima de eseorificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar laescoria. La parte superior del horno, cuya altura es de unos 30 m,contiene respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvasredondas, cerradas por válvulas en forma de campana, por las que seintroduce la carga en el horno. Los materiales se llevan hasta lastolvas en pequeñas vagonetas o cucharas que se suben por unelevador inclinado situado en el exterior del horno.   El objetivo principal del alto horno es producir arrabio de composición constante a alta velocidad. Latemperatura del hierro y de la escoria constituye la variable crítica de operación, esta debe ser superior a1500°C para asegurar que los productos se encuentren en estado líquido. Figura 1. Alto Horno  Consideraciones Termodinámicas de la Reducción de Fierro   Termodinámica de Materiales Página 15   Materias Primas Las materias primas del proceso de alto horno son: 1.   S ólidos. Mena, coque, fundentes.   2 .   Aire. El cual se sopla a través de las toberas situadas en la parte inferior. La mena principal que se utiliza para la reducción es la hematita (Fe 2 O 3 ), se alimentan al horno en forma depellets de 1 a 2cm de diámetro, también en forma de material sinterizado de 1 a 3cm, ambos obtenidos apartir de menas molidas.El coque empleado es coque metalúrgico con una composiciónaproximada de 90%C, 10% de cenizas, 0.5  1%S) este material es elencargado de suministrar la mayor parte del gas y del calor requeridospara llevar a cabo la reducción y fusión de la mena. Este se producemediante el calentamiento de carbón pulverizado en ausencia de aire,para eliminar las sustancias volátiles.CaO y MgO se utilizan como fundentes de las impurezas, sílice yalúmina, produciendo una escoria fluida de bajo punto de fusión(1200°C aproximadamente). La caliza de la carga del horno se empleacomo fuente adicional de monóxido de carbono y como sustanciafundente. Este material se combina con la sílice presente en el mineral (que no se funde a las temperaturasdel horno) para formar silicato de calcio, de menor punto de fusión. Sin la caliza se formaría silicato dehierro, con lo que se perdería fierro metálico. El silicato de calcio y otras impurezas forman una escoria queflota sobre el metal fundido en la parte inferior del horno.El aire soplado se calienta a una temperatura de 1030°C y en algunos casos se enriquece con oxigeno paraproducir un contenido de hasta 25% en volumen. El soplo caliente causa que el coque incandescente sequeme frente a las toberas proveyendo de esta manera el calor necesario para llevar a cabo las reaccionesde reducción y el calentamiento y fusión de la carga y de los productos. La alta temperatura del soplopermite asegurar que la temperatura del arrabio y la escoria sea suficientemente alta para que ambosproductos se encuentren fundidos. En la tabla 1 se muestra la composición típica de la carga. Operación Las materias primas se cargan en la parte superior del horno. El aire, que ha sido precalentado es forzadodentro de la base del horno para quemar el coque. El coque en combustión genera el intenso calorrequerido para fundir el mineral y produce los gases necesarios para separar el hierro del mineral. En formamuy simplificada las reacciones son: Tabla 1. Carga típica de un alto  Consideraciones Termodinámicas de la Reducción de Fierro   Termodinámica de Materiales Página 15   Los altos hornos funcionan de forma continua. La materia prima que se va a introducir en el horno se divideen un determinado número de pequeñas cargas que se introducen a intervalos de entre 10 y 15 minutos. Laescoria que flota sobre el metal fundido se retira una vez cada dos horas. Cada cinco o seis horas, se cuelandesde la parte interior del horno hacia una olla de colada o a un carro de metal caliente, entre 150 a 375toneladas de arrabio.El calentamiento del aire 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 quesalen de la parte superior del horno. Después se apaga la llama y se hace pasar el aire a presión por laestufa. 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 elmineral de fierro (Fe 2 O 3 ) que el hierro mismo, de modo que reaccionará con él para liberarlo.Químicamente entonces, el fierro se ha reducido en el mineral. Mientras tanto, a alta temperatura, lapiedra caliza fundida se convierte en cal, la cual se combina con el azufre y otras impurezas. Esto forma unaescoria que flota encima del hierro derretido.La ecuación de la reacción química fundamental de un alto horno es: Fe 2 O 3 + 3CO = 3CO 2 + 2 Fe Pero esta reacción no se realiza de forma directa, la hematita cargadase reduce poco a poco:1.   Fe 2 O 3 se reduce a Fe 3 O 4 .2.   Fe 3 O 4 se reduce a FeO.3.   FeO se reduce a Fe.El principal producto del alto horno es arrabio, se extrae del horno aintervalos regulares de tiempo a través de uno o varios hoyoslocalizados en el fondo. La composición del arrabio se ajusta a manerade cumplir con los requisitos exigidos por la acería a la cual habrá deser enviado. En la tabla 2 se muestra la composición del arrabio. Tabla 2 . Composición del arrabio.  Consideraciones Termodinámicas de la Reducción de Fierro   Termodinámica de Materiales Página 15   El Proceso HyL El proceso HyL de reducción directa (Figura 2 ) es conocido mundialmente. En este se alimenta al reactor conpellets de mineral de fierro que setransforma en fierro esponja al quitarles eloxigeno mediante un gas reductor, que esuna mezcla de monóxido de carbono ehidrogeno, con la siguiente composición:74% H 2 , 13% CO, 8% CO 2 y 5% CH 4 . El gasreductor se produce al reaccionar el gasnatural con vapor de agua en el reformador.Los equipos principales son: el reformador,calentador, enfriadores, absorbedora deCO 2 , compresores y reactor. Elprocedimiento consiste en triturar la menade fierro y pasarla por el reactor con losagentes reductores, con lo que algunoselementos no convenientes para la fusión delfierro son eliminados. El producto del sistema de reducción directa es el fierro esponja.El mineral de fierro, en pellets o en terrones, se introduce a través de una tolva que alimenta al horno en latapa del mismo. Mientras que el mineral desciende a través del horno por flujo de gravedad, se calienta y eloxígeno es quitado del fierro por medio de los gases reductores. Estos gases reaccionan con el Fe 2 O 3 en elmineral de fierro y lo convierten al fierro metálico,dejando H 2 O y CO 2 . El Reactor El reactor (Figura 3) consiste en un recipiente de acerorecubierto con material refractario que esta en contactoya sea con el mineral de fierro o el fierro metálico segúnsu posición en el reactor. El mineral entra por la partesuperior y se reduce conforme va bajando hasta llegar ala salida que se encuentra en la parte inferior, en dondese descarga el producto conocido como fierro esponja,empleando temperaturas que varían entre 900 y 1100°C.El proceso de reducción directa obtiene fierro metálico de la siguiente manera:1.   Fe 2 O 3 se reduce a Fe 3 O 4 .2.   Fe 3 O 4 se reduce a Fe.Se observa que en este proceso el Fe 3 O 4 se reduce directamente a Fe sin pasar por FeO.A continuación se presenta la termodinámica de la reducción de la reducción de hematita para obtenciónde fierro. Figura 2 . Esquema de Reducción   Directa.   Figura 3. Reactor de Reducción Directa.
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