El Hierro

El Hierro
Ing José Manuel Ramírez Q.
Ing.
Q
Docente
Antecedentes históricos del Hierro
El Hierro fue descubierto en la prehistoria y era utilizado como
adorno, y para fabricar armas; el objeto más antiguo, aún existente,
es un grupo de
d cuentas oxidadas
id d encontrado
d en Egipto,
E i
y data
d
d l
del
4.000 a.C.
No se sabe a ciencia cierta quien descubrió el Hierro, lo cierto es
que su historia se liga
q
g a la historia de la civilización humana. La
verdadera edad de Hierro comienza cuando nuestros antepasados
aprenden a extraer el Hierro de los minerales que lo contienen. Una
vez obtenido,
obtenido lo calentaban utilizando hornos de leña y le daban la
forma deseada martillando repetidamente el material al rojo vivo.
Antecedentes históricos del Hierro
Por exigencias
g
de la p
producción,, se dio
paso al horno de carbón y mineral, el
calor que producía era tal que el
material pasaba a un estado liquido,
liquido
aunque al principio no supieron que
hacer con él. Sin embargo habían
descubierto un producto verdaderamente
importante: el Hierro colado.
Hierro y mineral de hierro
El Hierro es un elemento metálico,
metálico magnético,
magnético maleable y de color
blanco plateado. Tiene de número atómico 26 y se encuentra en el
grupo 8 de la tabla periódica.
Es obtenido de la naturaleza de dos fuentes diferentes: los Óxidos de
Hierro y los carbonatos de Hierro. En los minerales de Hierro están
mezcladas la Mena,
Mena o parte útil compuesta de óxidos de Hierro,
Hierro y la
ganga, compuesta de Sílice, alúmina, cal, entre otros.
El procesado moderno del
Hierro comenzó en Europa
central después
é de la mitad
del siglo XIV d.C.
Procedencia
El Hierro sólo existe en estado libre en unas pocas localidades,
localidades en
concreto al oeste de Groenlandia. También se encuentra en los
meteoritos, normalmente aleado con níquel. En forma de compuestos
q ímicos está distribuido
químicos,
distrib ido por todo el mundo,
m ndo y ocupa
oc pa el cuarto
c arto lugar
l gar en
abundancia entre los elementos de la corteza terrestre; después del
aluminio, es el más abundante de todos los metales.
Los principales minerales de Hierro son las hematites. Otros minerales
importantes son la magnetita,
magnetita la siderita y el Hierro del pantano
(limonita). La pirita, que es un sulfuro de Hierro, no se procesa como
mineral de Hierro porque el Azufre es muy difícil de eliminar. También
existen pequeñas cantidades de Hierro combinadas con aguas naturales y
en las plantas; además, es un componente de la sangre.
Minerales de hierro
Hematita (Fe2O3): es el oxido de hierro
deshidratado. Este mineral contiene entre
50% y 60% de hierro. Se reduce con mayor
facilidad que el imán natural (magnetita)
Magnetita (Fe3O4): Contiene el hierro
en forma de oxido ferroso y férrico.
El contenido de hierro en este
mineral oscila entre 45% y 70%.
Minerales de hierro
Limonita (FeO): es el oxido de hierro
hidratado. El mineral contiene entre
20% y 60% de
d hierro.
hi
S reduce
Se
d
bi
bien,
l
lo
que hace económica la obtención del
hierro colado incluso con minerales
pobres.
Siderita (FeCO3): es la combinación del
ácido carbónico con el hierro. El contenido
de hierro en este mineral oscila entre 30%
y 42%. El mineral tiene un color gris con
matices de amarillo.
Procesamiento del arrabio
Esta etapa incluye la descarga, clasificación, pesaje y
almacenamiento de las materias primas necesarias para la
fabricación del acero, que básicamente son:
•
•
•
Carbones Metalúrgicos
ú
Mineral de Hierro
C li
Caliza
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, de 0,25 % a 2,5 % de Manganeso, de 0,04 % a
2 % de Fósforo y algunas partículas de Azufre.
Coque
El coque se obtiene de un tipo de carbón llamado hulla.
Ha sustituido como combustible siderúrgico al carbón vegetal
utilizado hasta el siglo XIX. 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.
Coquización
Se conoce con el nombre de carbonización
al proceso de destilación destructiva de
sustancias
i
orgánicas
á i
en ausencia
i de
d aire
i
para dar un producto sólido rico en
carbono, además de productos líquidos y
gaseosos. La carbonización de cierto tipo
de
carbones
minerales
(carbones
coquizables,
i bl
bit i
bituminosos
o hulla),
h ll )
o
mezclas de estos carbones, producen el
coque.
q
En este caso el p
proceso de
carbonización es denominado coquización.
Caliza
La caliza de la carga del horno se emplea como
fuente adicional de monóxido de Carbono y
como sustancia
i fundente.
f d
E
Este
material
i l 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
Hi
Hierro,
con lo
l que se perdería
d í Hierro
Hi
metálico.
táli
El silicato de Calcio y otras impurezas forman
una escoria q
que flota sobre el metal fundido
que se encuentra en la parte inferior del horno.
Obtención de arrabio (Proceso siderúrgico)
Las materias
L
t i primas
i
se cargan (o
( se vacían)
í ) en la
l parte
t superior
i
del horno. El aire, que ha sido precalentado hasta los 1.030º C
aproximadamente,
p
, es forzado dentro de la base del horno p
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.
mineral
El CO gaseoso,
gaseoso a altas temperaturas tiene mayor atracción por el
Oxígeno presente en el mineral de Hierro (Fe2O2) que el Hierro
mismo, de modo que reaccionará con él para liberarlo.
Químicamente
í
entonces, el Hierro se ha reducido en el mineral.
Mientras tanto, 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 fundido.
Obtención de arrabio (Proceso siderúrgico)
El Hierro
Hi
recién
ié colado
l d se denomina
d
i
A bi El Oxígeno
Arrabio.
O í
h sido
ha
id
removido,
pero
aún
contiene
demasiado
Carbono
((aproximadamente
p
un 4%)) y demasiadas impurezas
p
((Silicio,, Azufre,,
Manganeso y Fósforo) como para ser útil.
Por esta razón debe ser
refinado, ya que el acero
es esencialmente Hierro
altamente refinado que
contiene menos de un 2%
de Carbono.
Hierro comercial
contiene
ti
pequeñas
ñ cantidades
tid d de
d carbono
b
y otras
t
i
impurezas
que
alteran sus propiedades físicas, pero éstas se pueden mejorar
considerablemente añadiendo más carbono y otros elementos de
aleación. Se utiliza para obtener láminas metálicas galvanizadas y
electroimanes, pero la mayor parte del hierro se utiliza en formas
sometidas a un tratamiento especial,
especial como el hierro forjado,
forjado el
hierro fundido y el acero. Los compuestos de hierro se usan en
medicina para el tratamiento de la anemia siendo el más
importante el sulfato de Hierro (II), FeSO4.
Propiedades del Hierro
Color
blanco grisáceo.
F ibilid d
Fusibilidad
punto
t de
d fusión
f ió muy alto
lt (1.538°C).
(1 538°C)
Densidad
pesado (7,87 gr/cm3).
T i id d ((condiciones
Toxicidad
di i
normales)
l )
no es toxico.
t i
Propiedades mecánicas
blando, dúctil, tenaz, maleable.
C d ti id d
Conductividad
conduce
d
ell calor
l y la
l electricidad.
l t i id d
Propiedades químicas
se oxida totalmente.
Magnetismo
posee propiedades magnéticas
magnéticas.
Industrias siderúrgicas
Ha dos tipos de industrias
Hay
ind strias siderúrgicas:
• Las siderúrgicas integradas, extraen el metal (llamado Arrabio) del
mineral de Hierro y lo venden a otras empresas en los distintos formatos en
que aparecen en el mercado, normalmente lingotes, estas utilizan para el
proceso los altos hornos.
proceso,
hornos
• Siderurgias semi-integradas: son las que a partir de cierta carga
metálica, compuesta por chatarra de acero, chatarra de Hierro fundido y
los lingotes de Arrabio fabricados en el alto horno, añaden Carbono y otros
componentes
p
p
para obtener aleaciones con p
propiedades
p
mas ventajosas
j
p
para
su uso en la industria, como aceros y fundiciones. Estas utilizan los hornos
convertidores.
El alto horno
La reducción del mineral para obtener Arrabio, se realiza en los Altos
Hornos. Por el tragante (parte superior del horno) se cargan por capas
los minerales de Hierro, la caliza y el coque.
El objetivo del alto horno es la reducción del mineral de Hierro,
entendiéndose como reducción, la separación de todas las sustancias
indeseables que acompañan al metal, especialmente del oxigeno.
Los lingotes de Arrabio o de primera
fusión obtenidos en el alto horno, no
podrían ser utilizados de inmediato en el
taller, debido a la gran cantidad de
Carbono que contiene y por su poca
homogeneidad.
homogeneidad
El alto horno
Productos obtenidos del alto horno
Arrabio
La obtención del Arrabio es el objetivo principal de los altos hornos.
E t compuesto
Esta
t en su mayor parte
t por Hierro
Hi
(90% a 95%),
95%) Carbono
C b
(3% a 4,5%), Silicio (hasta un 2,5%).
Escoria
La escoria esta compuesta por todos los elementos impuros del
mineral de Hierro no útiles en la obtención de Arrabio, absorbe en
gran medida el p
g
posible Azufre existente en la mezcla y regula
g
la
temperatura del Arrabio.
Productos obtenidos del alto horno
Gases
Como resultado de la combustión del coque con el mineral de Hierro,
se producen
d
en ell horno
h
los
l gases que escapan por lla parte
t superior
i
del mismo.
Estos gases, convenientemente filtrados, pueden ser utilizados para
circuitos de calefacción en la propia empresa productora de Hierro.