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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

Mineral

Carbón 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

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.

②

④

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 ₂₂ ⇛ 3 FeO (Wustite) + CO ₂ Fe ₃ O ₄ (Magnetita) + CO ⇛ 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 oo 22 Fe ⇛ 2 Fe + CO ₂ Fe O + CO ⇛ Fe + CO ₂ Fe O O ++ C C⇛ 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 ₂₂ + CaO ⇛ SiO ₃ Ca SiO ₂₂ + 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 ③

④ 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....