Tema Química Industrial I

Opción C: química en la industria
y la tecnología
gas del horno
Hierro, acero y aluminio
El hierro y el aluminio son metales muy reactivos, más reactivos incluso
que el hidrógeno. Ninguno de ellos se encuentra sin combinar en la
naturaleza. Los minerales de hierro más comunes son los óxidos y los
sulfuros; y pueden ser reducidos a metal de hierro en un alto horno usando
agentes reductores químicos como: el carbono, el monóxido de carbono y
el hidrógeno. El aluminio se encuentra principalmente como su hidróxido,
Al(OH)3 y óxido, A12O3. El aluminio es más reactivo que el hierro y sus
minerales son reducidos por electrólisis.
El alto horno
Un alto horno moderno (Figura 1), que utiliza monóxido de carbono,
carbono e hidrógeno como agentes reductores, es capaz de producir
10,000 toneladas de hierro fundido por día. La mayoría del arrabio
producido se convierte directamente en acero, pero parte es enfriado para
hacer piezas de hierro fundido como bloques de motor.
mineral de
hierro, coque
y caliza
tolva
chorro
escoria
hierro
escoria
Figura 1. El alto horno.
Materias primas
La carga sólida se alimenta a través de la tolva por medio de una cinta transportadora
y se compone de:
• mineral de hierro: principalmente hematita (Fe2O3), magnetita (Fe3O4) u óxidos
hidratados (p. ej. goetita, FeOH.OH, y limonita, Fe2O3. H2O), y óxidos de hierro
obtenidos por tostación de sulfuros de hierro (p. ej. piritas de hierro, FeS2) o
chatarra de hierro reciclado.
• coque, obtenido por calentamiento de carbón en ausencia de aire.
• caliza (CaCO3) para disolver y eliminar químicamente impurezas con alto punto
de fusión mediante la formación de escoria.
• aire precalentado soplado al interior del horno a través de boquillas conocidas
como toberas en la parte inferior del horno. Este aire se enriquece con oxígeno y
puede incluir hidrocarburos como petróleo o gas natural para sustituir hasta un
40% del coque.
Reacciones
El coque se quema para formar monóxido de carbono:
2C(s) + O2(g)→2CO(g)
En condiciones de reducción, se produce la combustión incompleta de los
hidrocarburos añadidos. Por ejemplo:
CH4(g) +½O2→CO(g)+2H2(g)
Los gases reductores pasan horno arriba, donde reducen los óxidos de hierro en una
serie de fases, dependiendo de la temperatura y la composición del gas. Ejemplos de
reacciones globales que tienen lugar son:
Fe2O3(s) + 3CO(g)→2Fe(l) + 3CO2(g)
arrabio
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Fe3O4(s) + 4H2(g)→3Fe(l) + 4H2O(g)
FeO(s) + CO(g)→Fe(l) + CO2(g)
Además, el coque puede reducir el mineral de hierro en las regiones más
calientes. Por ejemplo:
Fe2O3(s) + 3C(s)→2Fe(l) + 3CO(g)
Los gases parcialmente oxidados (gases del horno) que salen desde la parte
superior del horno se utilizan como combustible para precalentar el aire
introducido en forma de chorro a través de las toberas.
A altas temperaturas la caliza se descompone.
CaCO3(s)→CaO(s) + CO2(g)
El dióxido de carbono reacciona con el coque para producir monóxido de
carbono. A su vez, el coque puede reaccionar con el agua de los
hidrocarburos para dar más monóxido de carbono e hidrógeno:
CO2(g) + C(s)→2CO(g) y H2O(g) + C(s)→H2(g) + CO(g)
El óxido de calcio reacciona con impurezas de alto punto de fusión para
formar una escoria compleja de aluminosilicatos que contiene la mayoría
de las impurezas de silicio. Por ejemplo:
CaO(s) + SiO2(s)→CaSiO3(l)
Productos
A las altas temperaturas de la parte inferior del horno, el hierro fundido y
la escoria líquida se separan en dos capas, con la escoria menos densa en
la parte superior. Ambas van siendo extraídas a medida que se añade más
materia prima al horno, en un proceso continuo. El hierro fundido
(conocido como arrabio) contiene fósforo y azufre, junto con pequeñas
cantidades de otros elementos como manganeso y silicio, y alrededor de
un 4-5% de carbono. La escoria se utiliza para la construcción de
carreteras, o es tratada para obtener subproductos como cemento y
aislante térmico.
Acero
El hierro fundido del alto horno es añadido a un recipiente conocido como
convertidor L-D (Figura 2). Se inyecta oxígeno a alta presión que haya
sido precalentado con anterioridad dentro del recipiente, y las impurezas
se oxidan. Por ejemplo:
C + O2→2CO2
4P+ 5O2→P4O10
Si + O2 →SiO2
Entonces, los óxidos de silicio y fósforo se combinan con la cal añadida
al convertidor para formar una escoria de fosfato de calcio, Ca3(PO4)2, y
de silicato de calcio, CaSiO3.
Como las reacciones son sumamente exotérmicas, la temperatura se
controla añadiendo chatarra de acero. El oxígeno disuelto en el acero
debe de ser eliminado mediante la adición de cantidades controladas de
aluminio o silicio antes de que el acero sea adecuado para fundición o
laminado. Durante este proceso se añaden otros elementos como el cromo
y el níquel para formar la aleación requerida.
oxígeno a alta
presión
gases residuales
lanza
campana de
extracción
contenedor
refractario
rayado
rotación del
horno para que
el acero líquido
pueda ser
extraído
arrabio fundido,
chatarra de
acero, y cal
Figura 2. El convertidor L-D básico
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Propiedades y usos de aleaciones de acero
Una aleación es una mezcla homogénea de metales, o una mezcla de
metales y no metales. Los metales de transición suelen formar aleaciones
entre sí, debido a que sus átomos tienen radios atómicos parecidos y la
estructura cristalina no se modifica seriamente. El acero es una aleación de
hierro, carbono y otros elementos metálicos y no metálicos. Tiene una
amplia gama de usos, y adaptando su composición puede obtenerse un
acero a medida con unas propiedades específicas. Por ejemplo, el cromo
aumenta la resistencia del acero a la corrosión. El acero inoxidable
utilizado para cuchillos de cocina, fregaderos, etc. contiene
aproximadamente un 18% de cromo y un 8% de níquel. El acero templado
usado en las brocas, que necesitan mantener un borde afilado a altas
temperaturas, contiene hasta un 20% de molibdeno.
Las propiedades mecánicas del acero también pueden verse afectadas por
el tratamiento térmico. Esto significa controlar el calentamiento y el
enfriamiento del acero, haciendo que cambie la naturaleza de los cristales
pero sin alterar su forma. El acero puede hacerse menos quebradizo por
temple. Esto implica calentarlo hasta unos 400-600 °C y dejarlo enfriar
lentamente. Para hacer que el acero sea más dúctil se utiliza un proceso
conocido como recocido. Este consiste en calentar el acero a una
temperatura más alta (aproximadamente 1040 °C), seguido de un
enfriamiento lento. Si se quiere obtener acero de mayor dureza, después
del recocido, el acero debe de ser templado con un posterior enfriamiento
rápido.
Producción de aluminio
La producción electrolítica de aluminio en todo el mundo, actualmente,
asciende a más de 20 millones de toneladas. El principal mineral de
aluminio, la bauxita, aparece principalmente en la forma de hidróxido,
Al(OH)3, y las principales impurezas son: óxido de hierro (III) y óxido de
titanio. Las impurezas se eliminan calentando bauxita en polvo con una
disolución concentrada de hidróxido de sodio. El hidróxido de aluminio
reacciona y se disuelve porque es anfótero.
Al(OH)3(s) + NaOH(ac)→NaAlO2(ac) + 2H2O(l)
La disolución de aluminato se filtra, limpiándola de impurezas. Al
impregnarla de hidróxido de aluminio puro se invierte la reacción. El
hidróxido puro de aluminio recristalizado se calienta para producir óxido
de aluminio (alúmina):
2Al(OH)3(s)→Al2O3(s) + 3H2O(1)
En un proceso a parte, se añade fluoruro de hidrógeno a la disolución de
aluminato, seguido de carbonato de sodio para precipitar fluoruro de
aluminio y sodio, Na3AlF6, (conocido como criolita):
NaAlO2(ac) + 6HF(g) + Na2CO3(ac)→
Na3AlF6(s) + 3H2O(1) + CO2(g)
La electrólisis de la alúmina fundida tiene lugar en un contenedor de
acero abierto por la parte superior y revestido con grafito. La alúmina
tiene un punto de fusión de 2045 °C, por lo que se disuelve en criolita y
produce una disolución con un punto de fusión de unos 950 °C, haciendo
que se requiera menos energía eléctrica. El aluminio se produce en el
revestimiento de grafito, que actúa como el electrodo negativo (cátodo).
El aluminio fundido es más