Alto horno - Facultad Regional Tucumán

Materiales Metálicos – Ing. Mecánica
Alto Horno
Obtención de Arrabio
o
Hierro de primera fusión
Ing. Víctor Gómez
U. T. N
Facultad Regional Tucumán
Alto horno
Extracción del
mineral de hierro
Tratamiento e
enriquecimiento
del mineral
Obtención del
combustible a
partir de la hulla
Preparación del
coke
Extracción del
mineral (cal)
Obtención del
fundente CO3 Ca
Aire
ALTO HORNO
Arrabio
Escorias
Aplicaciones
ACEROS
FUNDICIONES
Extracción del mineral de hierro.
El método de la extracción del mineral de hierro depende del yacimiento en que se
encuentra. Si se encuentra en un yacimiento a cielo abierto la extracción es fácil.
Si se encuentra en un yacimiento profundo, la extracción se hace más compleja, pues
se necesita construir túneles para llegar donde se encuentra el mineral.
Preparación del mineral de hierro.
El mineral de hierro extraído, trae consigo impurezas (tierra, restos fósiles),
denominadas "ganga", además posee tamaños variables; y otros aspectos que hacen
que el mineral no sea apto para ser introducido directamente al Alto Horno. Se
realizan las siguientes operaciones.
• Concentración: La concentración se puede llevar a cabo mediante los siguientes
métodos:
• Por lavado.
• Por separador rotativo magnético.
• Reducción de tamaño.
• Aglomeración o briquetado.
Separación por flotación
La ganga menos densa,
flota y la Mena por ser mas
pesada se deposita en el
fondo.
Mena
Ganga
Mena
Ganga
Separación por Magnetismo
Tratamiento del mineral
De la mina al Alto Horno: Cuando
sale de la mina el mineral debe pasar
por una serie de procesos, mecánicos
para conseguir una mayor pureza.
Alto Horno
Trituración
Sinterización
Cal
Carbón Mineral
enriquecido
Mineral
sinterizado
Horno
MINERALES DE HIERRO
Hematita (Fe2O3), óxido férrico, contiene hasta
un 70% de Fe. Se presenta en masas terrosas de
color rojo
Magnetita (Fe3O4), óxido magnético, 70%
de Fe, se lo llama piedra imán.
Limonita (Fe2O3.3H2O), óxido férrico
hidratado con un 60% de Fe, masa terrosa de
color variable del pardo al amarillo.
Siderita (CO3Fe), carbonato ferroso,
48% de Fe, de color blanco.
FABRICACION DE PELLETS
El mineral de hierro se calcina para eliminar el agua, descomponer los carbonatos y oxidar los
sulfuros y la materia orgánica que pudiera contener. Luego se debe someter a un proceso de
reducción de tamaño para que la reacción química ocurra eficientemente. Para eso, se puede triturar
el material o pelletizarlo. Es la forma más tradicional en que se comercializa el mineral proveniente de
las minas de hierro generalmente, se le somete a un proceso de beneficio para separarlo de la
ganga, con lo que aumenta su ley de hierro al 60 – 63 %. Sus dimensiones son de 10 a 30 mm. Un
porcentaje cada vez más importante del mineral de hierro que se emplea para la obtención del acero
viene en forma de pellets. Los pellets son preconcentrados de hierro aglomerado en forma de
nódulos. Se manufacturan con un aditivo especial alcalino, como caliza o dolomita, en plantas de
pelletización. Sus dimensiones son de 9 a 16 mm.
DESCRIPCION DE UNA INSTALACION DE UN ALTO HORNO
DETALLES DE UN ALTO HORNO
1.Tragante.
2.Cuba.
3.Vientre.
4.Etalaje.
5.Crisol.
6.Piquera.
7.Bigotera.
8.Manga de tobera.
9.Tobera.
10.Anillo de viento.
11.Escape de gases.
12.Vagoneta.
13.Soporte metálico de
sostén.
Siderurgia - P. A. Pezzano
► Boca de carga o tragante: Es de forma cilíndrica y
constituye la parte superior del A. H., por esta zona ingresa
el mineral, el combustible y el fundente. El tragante se divide
en dos tubos de salida por donde salen los gases. Un
dispositivo de doble válvula permite efectuar las cargas sin
que se dispersen los gases a la atmósfera ni se pierda calor,
con el propósito de que el horno no pierda rendimiento. La
carga, asciende hasta la boca del horno con la mezcla
adecuada de mineral de hierro y combustible y fundente.
► Cuba: De forma troncocónica. Esta forma facilita el
descenso de la carga y su permanencia en la zona para
aprovechar mejor el calor. En la parte superior se enangosta,
ya que los gases tienen un menor volumen específico al
disminuir la temperatura en esa zona. La cuba se ensancha
hacia su parte inferior.
► Vientre: Zona donde se produce la unión con el etalaje.
De forma cilíndrica, es de poca altura, en esta zona
comienza la fusión de la carga.
► Etalaje: También de forma troncocónica. En esta parte
del horno se produce una notable disminución del volumen
de los materiales, como consecuencia de las
transformaciones químicas que tienen lugar en él. La zona
inferior es de menor diámetro, a causa de esta disminución
de volumen y, también, por el hecho de que la fusión de la
carga hace que ésta fluya sin dejar espacios libres. En la
parte inferior del etalaje, se encuentran las toberas que
introducen el aire necesario para la combustión.
► Crisol: Es un cilindro, que recoge la fundición líquida, así
como la escoria, que queda flotando en estado líquido. En la
parte inferior, posee, dos orificios, uno para el colado del
arrabio y el otro que está un poco mas elevado, para la
eliminación de la escoria, formada por sílice, óxido de calcio,
alúmina y algo de óxido ferroso.
COMPONENTES DE LA CARGA DE UN ALTO HORNO
①
②
④
③
⑥
Mineral de Fe en estado sólido (1 y 2): Fe₂ 0₃,
puede ingresar en forma de Granza o Pellets, el
primero es un producto tradicional en las minas
al que se lo somete a un separado de ganga,
Ley = 63% Fe, Dimensiones, entre 10 y 30 mm.
El pellets que es material enriquecido, tiene una
Ley = 64% Fe, Dimensiones, entre 10 y 16 mm.
Ambos materiales, se cargan directamente en el
A. H.
⑤
Combustible (5): La hulla (3) se trata
en los hornos (4) para obtener el
Coque (5), tiene la función de elevar la
temperatura durante su combustión y
también de actuar como agente
reductor. Al arder, libera monóxido de
carbono, que se combina con los
óxidos de Fe y los reduce a hierro
metálico.
Fundente (6): Carbonato de Calcio C0₃ Ca. Tiene por
finalidad disminuir el punto de fusión de las cenizas y la
ganga, este sistema fluido tiene menor peso específico y
sobrenada al material líquido. De esta manera se elimina
la escoria. 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.
Carga tipo
Mineral de Fe = 2 Ton.
Carbón de coque = 1 Ton.
Fundente = ½ Ton
CUBA
VIENTRE
ETALAJE
2.000 ℃
ALTO HORNO – REACCIONES QUIMICAS Y ZONAS DE TEMPERATURAS
Zona 1
Zona 2
Zona 3
Zona 4
Zona 5
Zona 6
REACCIONES
C + O ₂ ⇛ CO ₂
CO ₂ + C ⇛ 2 CO Gas activo para la reducción.
La carga (mineral, fundente y combustible) se seca, va descendiendo y en contra corriente
ascienden los gases ricos en CO. En la parte superior de la cuba reaccionan reduciendo al
mineral.
REDUCCION INDIRECTA
3Fe ₂ O ₃ (Hematita) + CO ⇛ 2 Fe ₃ O ₄ (Magnetita)+ CO ₂
Fe ₃ O ₄ (Magnetita) + CO ⇛ 3 FeO (Wustite) + CO ₂
FeO (Wustite) + CO ⇛ Fe + CO ₂
Por debajo de 983 ℃ solo el CO reduce el FeO; a temperaturas superiores a 983 ℃, el C
reduce al FeO. Esencialmente, el CO gaseoso a altas temperaturas tiene una mayor atracción
por el oxígeno presente en el mineral de hierro (Fe ₂ O ₃) que el hierro mismo, de modo que
reaccionará con él para liberarlo. Químicamente entonces, el hierro se ha reducido en el
mineral.
REDUCCION DIRECTA : Parte baja de la cuba.
Fe ₂ O ₃ + 3 C0 ⇛ 2 Fe + 3 CO ₂
o
2 Fe ₂ O ₃ + 3 C ⇛ 4 Fe + 3 CO ₂
Fe O + CO ⇛ Fe + CO ₂
o
2 Fe O + C ⇛ 2 Fe + CO ₂
La piedra caliza se disocia por el calor:
CO ₃ Ca ⇛ Ca O + CO ₂
los óxidos de calcio y manganeso reaccionan con la sílice para
formar la escoria. SiO ₂ + CaO ⇛ SiO ₃ Ca
SiO ₂ + MnO ⇛ SiO ₃ Mn
En la zona del vientre, el hierro se encuentra en estado pastoso, en el etalaje, se produce la
fusión final y el hierro absorbe carbono.
⃟ 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 ⃟.
ZONAS DE TEMPERATURAS
► Procesos entre 150 a 400 ℃ (zona 1). .
► Procesos entre 400 y 700 ℃ (zona 2).
► Procesos entre 700 y 1350 ℃ (zona 3).
► Procesos entre los 1350 y 1550º c (zona 4).
► Procesos entre 1550 a 1800º c. Zona de combustión (zona 5).
► Procesos entre 1300 a 1550º c. Separación metal-escoria (zona 6).
Carga típica en Alto Horno
Componentes
Kg/t
Composición química del Arrabio
kg/carga
Mineral de Hierro
490
9.600
Pellets
995
19.600
Chatarra
15
300
Mineral de Mn
22
450
112
2.300
12
250
451
9.200
44
899
Caliza
Cuarzo
Coque
Petróleo + Alquitrán
Aire Insuflado
Elementos
%
Hierro (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
1.530m3/min.
Temperatura en crisol Alto Horno :
Temperatura Aire Insuflado
1460 ℃
1.030 ℃
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. La producción de arrabio de un horno es de unas 1.500 a 3.000 Tn/día. Su trabajo es ininterrumpido ya
que de pararse, el refractario sufre graves daños y se tendría que cambiar. Normalmente funciona durante 10
años.
INSTALACIONES AUXILIARES
Recuperadores de calor ①: Es la principal instalación auxiliar, se los emplea para calentar el aire a insuflar en
el A .H, a una temperatura que oscila entre los 800 y 1.000 ℃, con el propósito de mejorar la eficiencia de la
combustión. Se utilizan como mínimo 3 torres o estufas. Son aparatos construidos con ladrillos refractarios
huecos ④. (TORRES COWPER)
Máquinas soplantes o Compresores: Se las emplea para alimentar de aire al A . H, son accionados por
motores a gas producidos por el A . H. En instalaciones experimentales también se ha demostrado que la
producción se incrementa enriqueciendo el aire con oxígeno.⃟
①
④
③
②
PRODUCCION
•Cada cinco o seis horas, se cuelan desde la parte interior del horno hacia una olla de colada entre 150 a 375
ton. 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 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.
ALTOS HORNOS ZAPLA
Ubicado en Jujuy, tiene una altura total de 60 m y un diámetro de 8 m, con una producción diaria de
1.500 a 2.000 ton. En combustible utilizado es el carbón de leña por lo que hay 15.000 hectáreas de
bosque de eucaliptos. Para producir una tonelada de arrabio, se utilizan 4.000 ton de oxigeno. Las
escorias se sacan cada 2 hs y se realizan 5 o 6 coladas de arrabio por día. La temperatura del aire es
de 980 ℃.
El descubrimiento de la zona minera de Zapla ocurrió de la manera fortuita en 1939, el baquiano
Wenceslao Gallardo junto al italiano Angel Canderle, partieron a cazar sobre los bosques de Zapla,
Canderle conocedor de los minerales, se interesó por el color rojizo del suelo que recorrían, por eso
tomó unas muestras y las envió a Buenos Aires el informe destacó la importancia del descubrimiento,
el mineral era hematita. Hematita" por su color rojo, que recuerda al de la sangre ("hematos"=sangre en
griego). Este mineral argentino contenía un porcentaje de hierro del orden del 40%, siendo esa su
principal debilidad en el balance económico de su explotación y elaboración, ya que los yacimientos
ferríferos a mediados del siglo veinte eran económicamente explotables con porcentajes de hierro (o
"ley" de hierro) superiores al mencionado. No obstante, el esfuerzo industrial realizado era altamente
positivo si se tiene en cuenta que la totalidad de las materias primas utilizadas eran nacionales e
incluso regionales, siendo además escuela de la siderurgia argentina. Manuel Savio y el general
Enrique Mosconi, pretendían transformar una economía nacional agro-pastoril exportadora en otra que
tuviera a las industrias de base como motor del crecimiento. Savio fuerte impulsor de la industria de
base en 1938 eleva un proyecto de ley para crear la Dirección General de Fabricaciones Militares
(DGFM), en dicha ley promulga a realizar exploraciones y explotaciones tendientes a la obtención de
cobre, hierro, plomo, estaño, manganeso, wolframio, aluminio y berilio.
Febrero de 1942 se declara zona de reserva al Yacimiento, mediante decretos del PEN y del Gobierno
de Jujuy.
23 de enero de 1943 por decreto N°141.462 se crea el Establecimiento "Altos Hornos Zapla", con la
planta piloto, merced a la visión del propulsor de la Siderurgia, General Savio. La empresa pasa a
depender de la Dirección Gral. de Fabricaciones Militares
1943 y 1944, se construye el primer Alto Horno, instalándose el Cable Carril, que se reemplazó luego
por una línea férrea para el transporte del mineral desde Mina 9 de octubre al Centro Siderúrgico.
11 de octubre de 1945, marca el nacimiento de la siderurgia Argentina, se produce la primera colada de
arrabio argentino.
El 20 de febrero de 1951, se procedió a dar funcionamiento al segundo alto horno, el que fue construido
íntegramente en el pais. A fines de 1962 se completa el ciclo siderúrgico con la construcción de: cuatro
Altos Hornos (con una capacidad diaria de 150 toneladas de producción por cada uno); dos hornos
eléctricos (de 10 toneladas de colada cada año); una Planta de laminación (con producción de 120.000
toneladas anuales de hierro).
1957 a 1962: siderurgia integrada e integral: durante este lapso se integra la planta con las
ampliaciones realizadas, acontecimiento que posibilita el proceso siderúrgico en forma "integral", desde
la extracción del mineral hasta los semiterminados y terminados (barras, redondos y perfiles). Se
destaca que tanto el mineral, carbón y fundentes, como las instalaciones y el personal, son argentinos.
De esto se desprende que A. H. Z. produce el único acero 100% Argentino.