Investigacin pirometalurgia del hierro y formación del acero

Universidad del Valle de Guatemala
Química General
Sección 20
Ing. Ingrid Yurrita Pocasangre
Pirometalurgia del Hierro y
Formación del Acero
Lucia Álvarez 09084
Marcela Obeso 09570
Oscar Reyes 09565
Juan Carlos Molina 09
José Santillana 08398
David Lau 08394
I.
Introducción
Toda la materia está formada a partir de unas unidades elementales que
existen en un número limitado. Estas unidades no pueden ser divididas en
partes más sencillas mediante los métodos físicos o químicos usuales. La
pirometalúrgia es la rama de la metalurgia y de la electrometalurgia
consistente en la obtención y refinación de los metales utilizando calor,
como es en el caso de la fundición. La pirometalurgia es la técnica
tradicional de extracción de metales. Permite obtener metales a partir de
sus minerales o de sus concentrados por medio del calor. Se trata
principalmente de extraer el metal del mineral, eliminar la ganga del mineral
y purificar los metales. Históricamente, este procedimiento fue el primero en
aparecer. Las operaciones se efectúan entre 950 y 1000°C. Una gran
cantidad de metales tales como el hierro, níquel, estaño, cobre, oro y plata
son obtenidos desde el mineral o su concentrado por medio de la
pirometalúrgia. La pirometalúrgia es utilizada en mayor proporción porque
es un proceso mucho más rápido, su desventaja es ser altamente
contaminante para el ambiente.
II.
Objetivos
• Aplicar los fundamentos básicos de la pirometalurgia a la
comprensión de los diversos procesos involucrados en la obtención
de los metales de mayor interés.
• Describir los procesos pirometalúrgicos y aplicar los fundamentos al
manejo de las variables operacionales asociadas a los procesos
productivos.
• Conocer las aplicaciones que tienen estos temas con relación a
nuestras carreras.
III.
Marco Teórico
1. Pirometalurgia del hierro
La operación pirometalúrgica más importante es la reducción del hierro.
Éste está presente en muchos minerales, pero las fuentes más importantes
son los minerales de óxidos de hierro: hematita, Fe203. y magnetita, Fe304.
Algunos metales se encuentran en la naturaleza como elementos libres, sin
embargo, la mayoría de ellos se encuentra como óxidos, sulfuros, haluros,
carbonatos u otros compuestos iónicos. En el caso del hierro, éste se
encuentra como óxido. Existen depósitos minerales escasos de donde se
pueden obtener los elementos de manera provechosa, los cuales son
llamados menas. El proceso para obtener metales a partir de las menas
recibe el nombre de metalurgia (Kotz, 2005).
Pocas menas son sustancias químicamente puras, ya que por lo general el
metal deseado suele estar mezclado con grandes cantidades de impurezas
(como arena y barro) llamadas ganga. Generalmente el primer paso de un
proceso metalúrgico es separar al metal de la ganga. Luego, la mena se
transforma en el metal por un proceso de reducción. La pirometalurgia es
uno de los métodos para recuperar metales de sus menas, incluye el uso de
altas temperaturas tal como su nombre lo indica. El hierro ilustra este
método de producción de metales (Kotz, 2005).
La producción de hierro a partir de sus menas se efectúa en los altos
hornos, como el que se observa en la figura 1. El horno se carga con una
mezcla de mena (generalmente hematita, Fe2O3), coque (el cual es
principalmente carbón) y piedra caliza (CaCO3). Se introduce una corriente
formada de aire caliente en la parte inferior ocasionando que el coque
experimente combustión con un calor tan intenso, que la temperatura del
fondo alcanza aproximadamente 1,500°C. Se controla la cantidad de aire,
de modo que el monóxido de carbono sea el producto primario. Tanto el
carbono como el monóxido de carbono participan en la reducción de óxido
de hierro (III) para dar el metal impuro:
Fe203(s) + 3 C(s) 2 Fe (l) + 3 CO(g)
Fe 203(s) + 3 CO(g) 2 Fe (l) + 3CO2(g)
Gran parte del dióxido de carbono que esa forma en el proceso de
reducción y por calentamiento de la piedra caliza, se reduce en contacto
con el coque no quemado y produce más agente reductor:
CO2(g) + C(s) 2CO(g)
El hierro fundido fluye por el horno y se recolecta en la parte inferior, de
donde se recupera a través de una apretura latera. Este hierro impuro se
llama hierro fundido. Generalmente, el metal impuro es quebradizo o blando
(propiedades indeseables para la mayoría de aplicaciones), a causa de la
presencia de pequeñas cantidades de impurezas como carbono elemental,
fósforo y azufre (Kotz, 2005).
Figura 1. Un alto horno. Los hornos modernos de mayor tamaño tienen
capacidad de 14 m de diámetro, y producen hasta 10,000 toneladas de
hierro al día.
Los minerales de hierro generalmente contienen silicatos y dióxido de
silicio. El óxido de cal (CaO), que se forma al calentar la piedra caliza,
reacción con estos materiales formando silicato de calcio.
SiO2(s) + CaO(s) CaSiO3(l)
Ésta es una reacción ácido-base, porque CaO es un óxido básico y SiO2 es
un óxido ácido. El silicato de calcio, fundido a la temperatura de los altos
hornos y menos denso que el hierro fundido, flota sobre él. Otros óxidos no
metálicos se disuelven en esta capa y la mezcla llamada escoria puede
removerse con facilidad. El hierro fundido de los altos hornos puede
contener hasta 4.5% de carbono, 0.3% de fósforo, 0.04% de azufre y hasta
15% de silicio y, en ocasiones, otros elementos. El hierro impuro debe
purificarse para eliminar las impurezas no metálicas. Para ello se dispone
de varios procesos, pero el más importante es el horno básico de oxígeno.
Este proceso retira gran parte del carbono y todo el fósforo, azufre y silicio.
Se hace parsar oxígeno puro sobre el hierro fundido, el cual oxida el fósforo
a P4O10, el azufre a SO2 y el carbono a CO2. Estos óxidos no metálicos
escapan como gases o reaccionan con óxidos básicos como CaO, los
cuales se agregan o se usan para recubrir el horno. Por ejemplo,
P4O10(g) + 6 CaO(s) 2 Ca3(PO4)2(l)
El resultado es un acero normal al carbón. Es posible lograr casi cualquier
grado de flexibilidad, dureza, resistencia y maleabilidad en el acero al
carbón recalentándolo y enfriándolo en el proceso llamado templado. El
material resultante se emplea en diversas aplicaciones. Las principales
desventajas del acero al carbón son que se corroe fácilmente y que pierde
sus propiedades cuando se calienta mucho. Pueden agregarse otros
metales de transición, como cromo, manganeso y níquel, durante el
proceso de fabricación de acero para formar aleaciones (soluciones sólidas
de dos o más metales) con propiedades específicas de tipo físico, químico y
mecánico. Una aleación bien conocida es el acero inoxidable, que contiene
de 18 a 20% Cr y de 8 a 12% Ni. El acero inoxidable es mucho más
resistente a la corrosión que el acero al carbón. Otra aleación de hierro es
el Alnico V. Esta aleación, que se emplea en los imanes de los altavoces
por su magnetismo permanente, contiene cinco elementos: Al (8%), Ni
(14%), Co (24%), Cu (3%) y Fe (51%) (Kotz, 2005).
2. Formación del Acero
El acero es una aleación de hierro. La producción de hierro a partir de su
mena es un proceso químico de reducción del cual se obtiene un hierro
crudo con muchas impurezas indeseables. El hierro de alto horno, contiene
típicamente de 0.6 a 1.2% de silicio, de 0.4 a 2.0% de manganeso y
cantidades menores de fósforo y azufre. Además, hay una cantidad
considerable de carbono disuelto. En la producción de acero estos
elementos se eliminan por oxidación en un recipiente llamado convertidor.
En la manufactura moderna de acero, el agente oxidante es O2 puro o
diluido con argón. No se puede usar aire directamente como fuente de O2
porque el N2 reacciones con el hierro fundido para formar nitruro de hierro,
que torna quebradizo el acero (Brown, 2004).
En un convertidor como el de la figura 2, se insufla O2 diluido con argón
directamente en el metal fundido. El oxígeno reacciona exotérmicamente
con el carbono, el silicio y muchas otras impurezas metálicas y reduce así la
concentración de estos elementos en el hierro. El carbono y el azufre se
expulsan en forma de CO y SO2 gaseosos, respectivamente. El silicio se
oxida a SiO2 y se suma a la escoria que pudiese haber estado presente,
desde el principio, en la fundición. Los óxidos metálicos reaccionan con el
SiO2 y forman silicatos. La presencia de una escoria básica también es
importante para eliminar el fósforo:
3CaO(l) + P2O5(l) Ca3(PO4)2(l)
Casi todo el O2 insuflado en el convertidor se consume en las reacciones de
oxidación. Vigilando la concentración de O2 en el gas que sale del
convertidor es posible cuándo se ha completado prácticamente la oxidación.
Normalmente toma alrededor de 20 minutos oxidar las impurezas presentes
en el hiero. Uva vez alcanzada la composición deseada, el contenido del
convertidor se vierte en un gran cazo de colada. Para producir aceros con
diversas propiedades, se agregan los elementos necesarios para formar la
aleación al cazo de colada que se está llenando. La mezcla todavía fundida
se vierte en moldes, donde solidifica (Brown, 2004).
(Brown, 2004)
Figura 2. Convertidor para la refinación del hierro. Se insufla una mezcla de
oígeno y argón a travpes del hierro fundido y la escoria. El calor generado
por la oxidación de las impurezas mantiene la mezcla en estado de fusión.
Cuando se alcanza la composición deseada, se inclina el convertidor para
verter su contenido.
IV.
Aplicación a la carrera de Ingeniería Electrónica y Mecatrónica
Como resultado de los grandes avances que ha ofrecido la implementación de
tecnologías cada vez mas y mas avanzadas, se puede observar a grandes rasgos
como la pirometalugia, base de casi cualquier ingeniería, ya que de alguna
manera u otra, esta se presenta en cualquier material a utilizar.
El manejo de conceptos básicos como, purezas de materiales, porcentaje de
gangas en un material, o dureza de los mismos, involucra directamente el
conocimiento del ingeniero electrónico o mecatrónico, para determinar el material
más adecuado a utilizar, según su dureza, resistencia, flexibilidad, punto de fusión
entre muchas otras características.
Podemos observar la relación tan estrecha con la ingeniería electrónica y de la
metalurgia, por ejemplo, en la elaboración de cualquier circuito electrónico. En la
actualidad consta de una placa de fibra de vidrio, a la que se le aplican los metales
conductores, de acuerdo con estándares y las características, se determina cuales
son los más apropiados, así como los materiales para adherirlos. Se puede
observar la relación también en el dispositivo a montar el circuito, los materiales
aislantes, los disipadores y de la misma manera en cualquier proceso.
Cuando en el proceso se incluye la automatización, es imposible no considerar
todos los diferentes tipos de aleaciones disponibles, para la elaboración de cada
pieza. No solamente de acuerdo su optima calidad y perfecto desempeño, sino
también su disponibilidad, como la elección materiales más económicos q cumplan
con la misma tarea. Por lo cual es importante considerar la durabilidad y
concentración de mena en materiales como el acero inoxidable y cold rolled.
Una aplicación de la importancia entre la metalurgia y estas carreras es por
ejemplo la elaboración de maquinas inyectoras, es importante escoger materiales
resistentes para las placas móviles, pero también metales rígidos para el cañón de
esta y de alto punto de fusión para tanques y conductos hidráulicos que disipen
calor incluso para el rack del PLC controlador y placas electrónicas. Para la
fabricaron de cualquiera de estas piezas es importante considerar que la
optimización de los materiales permite obtener un producto final funcional y a la
vez económico.
V.
Conclusiones
• Una parte importante de la metalurgia es la producción de metales a partir
de sus memas, y consta de tres etapas tratamiento preliminar, reducción y
refinado.
• El negocio de fundiciones de hierro enfrenta un complejo escenario para los
próximos años.
• El acero inoxidable está siendo utilizado de manera creciente en los últimos
años en los sectores de la industria y de la arquitectura gracias a su
resistencia a la corrosión, facilidad de mantenimiento y apariencia
agradable.
VI.
Comentario
La presente investigación se abarcó temas de gran importancia, ya que se logró
comprender el proceso por el cual se obtiene el hierro, éste al igual que muchos
materiales como por ejemplo, el cobre, el aluminio, el vidrio, etc. comienzan con
una mezcla de varios compuestos llamada materia prima. Esto es muy importante
conocer, ya que este paso es fundamental para que el material que se fabrique
salga con las especificaciones requeridas. Como por ejemplo en el hierro se
puede evaluar la dureza, la durabilidad, etc. Así mismo se puede mencionar el
vidrio, ya que en el proceso de fabricación se deben tomar muchos factores como
si el vidrio es para uso comestible o no, ya que un vidrio para un automóvil su
materia prima varía comparando con una botella de agua gaseosa, ya que son
diferentes requerimientos que poseen. Esto es un ejemplo de cómo la materia
prima es muy importante. Al igual se debe entender que el proceso de fundición es
muy importante, ya que es otro factor que influye grandemente como por ejemplo
el acero que es una aleación del hierro, pero su proceso de fundición es distinto a
éste.
Con esta investigación se pudo conocer un poco más a fondo el proceso que lleva
el hierro para su elaboración y como es tan importante la metalurgia para el uso
práctico de los distintos materiales. Al igual se conoció ciertas diferencias del
acero que lo hacen un metal con requerimientos especiales.
VII.
Bibliografía
Brown, Theodore. (2004). Química. La Ciencia Central. Novena Edición. Editorial
Pearson Education. México DF. 930 pp.
Kotz, J., Treichel, P. y Weaver, G. (2005). Química y Reactividad Química. Sexta
Edición. Editorial Thomson. México DF. 997 pp.
Rodriguez, I. y J. Becerril. 2008. Industria Metalúrgica. Universidad nacional
autónoma de México. Visitado el 14 de Noviembre de 2009 del sitio web:
http://www.scribd.com/doc/6116835/Ind-Metalurgica