3.2 Proceso de pre beneficio de mineral de hierro
3.2 Proceso de pre beneficio de mineral de hierro Equipo
2Manjarrez Ramos Edgar Alexis Basilio Gaspar Reyes Josu Salaya
Hernndez Jos Abel chable Jimnez Castillo Jurez Vctor ManuelIsrael
Garca Santiago Roberto Crdova Alemn Flix Aragn Gonzalez
Introduccin.
Tecnologa relacionada con la produccin del hierro y sus
aleaciones, en especial las que contienen un pequeo porcentaje de
carbono, que constituyen los diferentes tipos de acero. A veces,
las diferencias entre las distintas clases de hierro y acero
resultan confusas por la nomenclatura empleada. En general, el
acero es una aleacin de hierro y carbono a la que suelen aadirse
otros elementos. Algunas aleaciones denominadas hierros contienen
ms carbono que algunos aceros comerciales. El hierro de crisol
abierto y el hierro forjado contienen un porcentaje de carbono de
slo unas centsimas. Los distintos tipos de acero contienen entre el
0,04 y el 2,25% de carbono. El hierro colado, el hierro colado
maleable y el arrabio contienen entre un 2 y un 4% de carbono. Hay
una forma especial de hierro maleable que no contiene casi carbono
alguno. Para fabricar aleaciones de hierro y acero se emplea un
tipo especial de aleaciones de hierro denominadas ferroaleaciones,
que contienen entre un 20 y un 80% del elemento de aleacin, que
puede ser manganeso, silicio o cromo. HierroEste metal de transicin
es el cuarto elemento ms abundante en la corteza terrestre,
representando un 5 % y, entre los metales, solo el aluminio es ms
abundante; y es el primero ms abundante en masa planetaria, debido
a que el planeta en su ncleo, se concentra la mayor masa de hierro
nativo equivalente a un 70 %. El ncleo de la Tierra est formado
principalmente por hierro y nquel en forma metlica, generando al
moverse un campo magntico. Ha sido histricamente muy importante, y
un perodo de la historia recibe el nombre de Edad de Hierro. En
cosmologa, es un metal muy especial, pues es el metal ms pesado que
puede producir la fusin en el ncleo de estrellas masivas; los
elementos ms pesados que el hierro solo pueden crearse en
supernovas.
Produccin del hierro y el acero El diagrama general de la fusin
primaria del hierro integra a la mayora de las actividades que se
desarrollan en el proceso productivo. No se debe olvidar que los
diagramas de flujo son una de las herramientas ms utilizadas por
los ingenieros industriales y que de manera automtica los deben
utilizar o elaborar.El 90% de todos los metales fabricados a escala
mundial son de hierro y acero. Los procesos para la obtencin de
hierro fueron conocidos desde el ao 1200 ac.
Los principales minerales de los que se extrae el hierro
son:
Hematita (merma roja)70% de hierroMagnetita (merma negra)72.4%
de hierroSiderita (merma caf pobre)48.3% de hierroLimonita (merma
caf)60-65% de hierroLa mema caf es la mejor para la produccin de
hierro, existen grandes yacimientos de este mineral en Estados
Unidos y en Suecia. En todo el mundo se pueden encontrar grandes
cantidades de pirita, pero no es utilizable por su gran contenido
de azufre.Para la produccin de hierro y acero son necesarios cuatro
elementos fundamentales:Mineral de hierroCoquePiedra calizaAireLos
tres primeros se extraen de minas y son transportados y prepararlos
antes de que se introduzcan al sistema en el que se producir el
arrabio.El arrabio es un hierro de poca calidad, su contenido de
carbn no est controlado y la cantidad de azufre rebasa los mnimos
permitidos en los hierros comerciales. Sin embargo es el producto
de un proceso conocido como la fusin primaria del hierro y del cual
todos los hierros y aceros comerciales proceden.A la caliza, el
coque y el mineral de hierro se les prepara antes de introducirse
al alto horno para que tengan la calidad, el tamao y la temperatura
adecuada, esto se logra por medio del lavado, triturado y cribado
de los tres materiales.Alto hornoEn general los altos hornos tienen
un dimetro mayor a 8 m y llegan a tener una altura superior de los
60 m. Estn revestidos de refractario de alta calidad.Los altos
hornos pueden producir entre 800 y 1600 toneladas de arrabio cada
24 h. La caliza, el coque y el mineral de hierro se introducen por
la parte superior del horno por medio de vagones que son volteados
en una tolva. Para producir 1000 toneladas de arrabio, se necesitan
2000 toneladas de mineral de hierro, 800 toneladas de coque, 500
toneladas de piedra caliza y 4000 toneladas de aire caliente.Con la
inyeccin de aire caliente a 550C, se reduce el consumo de coque en
un 70%. Los sangrados del horno se hacen cada 5 o 6 horas, y por
cada tonelada de hierro se produce 1/2 de escoria.
Diagrama de produccin de hierro esponja
Para la produccin del hierro tambin se puede utilizar el mtodo
de reduccin directa, el que emplea agentes reactivos reductores
como gas natural, coque, aceite combustible, monxido de carbono,
hidrgeno o grafito. El procedimiento consiste en triturar la merma
de hierro y pasarla por un reactor con los agentes reductores, con
lo que algunos elementos no convenientes para la fusin del hierro
son eliminados. El producto del sistema de reduccin directa es el
hierro esponja que consiste en unos pelets de mineral de hierro los
que pueden ser utilizados directamente para la produccin de hierro
con caractersticas controladasEn el mtodo de reduccin directa para
procesar 1000 toneladas de mineral de hierro, se requieren 491,000
metros cbicos de metano y con ello se obtienen 630 toneladas de
hierro esponja
Diferentes procesos de produccin de hierro y aceroUna vez
obtenido el arrabio o el hierro esponja es necesario refinar al
hierro para que se transforme en material til para diferentes
objetos o artefactos, o sea en hierro o acero comercial. A
continuacin se presentan los principales procesos de fabricacin de
los hierros y aceros comerciales.
Proceso de pudeladoEl hierro dulce es un metal que contienen
menos del 0.01% de carbono y no ms de 0.003% de escoria. Para su
obtencin se requiere del proceso conocido como pudelado, el que
consiste en fundir arrabio y chatarra en un horno de reverbero de
230 kg, este horno es calentado con carbn, aceite o gas. Se eleva
la temperatura lo suficiente para eliminar por oxidacin el carbn,
el silicio, y el azufre. Para eliminar todos los elementos
diferentes al hierro, el horno de pudelado debe estar recubierto
con refractario de la lnea bsica (ladrillos refractarios con
magnesita y aluminio). El material se retira del horno en grandes
bolas en estado pastoso y el material producido se utiliza para la
fabricacin de aleaciones especiales de metales. Existen otros
procedimientos modernos como el llamado proceso Aston, en donde en
lugar del horno de reverbero se usa un convertidor Bessemer con lo
que se obtienen mayor cantidad de material.Hornos Bessemer
Es un horno en forma de pera que est forrado con refractario de
lnea cida o bsica. El convertidor se carga con chatarra fra y se le
vaca arrabio derretido, posteriormente se le inyecta aire a alta
presin con lo que se eleva la temperatura por arriba del punto de
fusin del hierro, haciendo que este hierva. Con lo anterior las
impurezas son eliminadas y se obtiene acero de alta calidad. Este
horno ha sido substituido por el BOF, el que a continuacin se
describe.Horno bsico de oxgeno (BOF) Es un horno muy parecido al
Bessemer con la gran diferencia que a este horno en lugar de
inyectar aire a presin se le inyecta oxgeno a presin, con lo que se
eleva mucho ms la temperatura que en el Bessemer y en un tiempo muy
reducido. El nombre del horno se debe a que tiene un recubrimiento
de refractario de la lnea bsica y a la inyeccin del oxgeno. La
carga del horno est constituida por 75% de arrabio procedente del
alto horno y el resto es chatarra y cal. La temperatura de operacin
del horno es superior a los 1650C y es considerado como el sistema
ms eficiente para la produccin de acero de alta calidad. Este horno
fue inventado por Sir Henrry Bessemer a mediados de 1800, slo que
como en esa poca la produccin del oxgeno era cara se inici con la
inyeccin de aire, con lo que surgi el convertidor Bessemer, el que
ya fue descrito.
TECNOLOGIAEl progreso tcnico ha repercutido en el mundo entero.
El mtodo de produccin de acero en hornos Martin-Siemens (con
frecuencia, contaminante), que requiere un uso relativamente
intensivo de mano de obra, slo representa ya un 4% de la produccin
se utiliza todava mucho en la antigua URSS y la India y Produccin
de hierro y acero(35% y 14% de la produccin nacional en 1999,
respectivamente). Los hornos bsicos de soplado de oxgeno, que
utilizan tambin hierro de alto horno aseguran el 60% de la
produccin mundial. La proporcin de acero fabricado en hornos de
arco elctrico (HAE) sigue creciendo (de un 28% en 1990 a un 34% en
1999). El aumento de la produccin en esos hornos se ha frenado
porque no han conseguido competir en el mercado de los productos de
acero laminado, que suponen un gran volumen de produccin. No
obstante, diversas tcnicas innovadoras de fundicin de acero estn
ensanchando rpidamente el mercado en el cual pueden competir los
hornos de arco elctrico. La tcnica de fundicin laminar, por
ejemplo, podra sustituir buena parte del acero que se produce hoy
en los altos hornos
Fotografa por Norman Jennings, ILO.ccin,
Horno de arco elctricoPor lo regular son hornos que slo se
cargan con chatarra de acero de alta calidad. Son utilizados para
la fusin de aceros para herramientas, de alta calidad, de
resistencia a la temperatura o inoxidables. Considerando que estos
hornos son para la produccin de aceros de alta calidad siempre estn
recubiertos con ladrillos de la lnea bsica.Existen hornos de arco
elctrico que pueden contener hasta 270 toneladas de material
fundido. Para fundir 115 toneladas se requieren aproximadamente
tres horas y 50,000 kwh de potencia. Tambin en estos hornos se
inyecta oxgeno puro por medio de una lanza.Los hornos de arco
elctrico funcionan con tres electrodos de grafito los que pueden
llegar a tener 760mm de dimetro y longitud de hasta 12m. La mayora
de los hornos operan a 40v y la corriente elctrica es de 12,000
A.Estos equipos tienen un crisol o cuerpo de placa de acero forrado
con refractario y su bveda es de refractario tambin sostenida por
un cincho de acero, por lo regular enfriado con agua. Para la carga
del horno los electrodos y la bveda se mueven dejando descubierto
al crisol, en el que se deposita la carga por medio de una gra
viajera.Estos equipos son los ms utilizados en industrias de tamao
mediano y pequeo, en donde la produccin del acero es para un fin
determinado, como varilla corrugada, aleaciones especiales,
etc.
Horno de refinacin
Estos hornos pueden ser de varios tipos, en realidad puede ser
cualquier horno al que por medio de aire u oxgeno se obtenga hierro
con carbn controlado, sin embargo se pueden mencionar dos de los
hornos ms conocidos para este fin.
Horno de induccin
Utilizan una corriente inducida que circula por una bovina que
rodea a un crisol en el cual se funde la carga. La corriente es de
alta frecuencia y la bovina es enfriada por agua, la corriente es
de aproximadamente 1000Hz, la cual es suministrada por un sistema
de moto generador. Estos hornos se cargan con piezas slidas de
metal, chatarra de alta calidad o virutas metlicas. El tiempo de
fusin toma entre 50 y 90 min, fundiendo cargas de hasta 3.6
toneladas. Los productos son aceros de alta calidad o con
aleaciones especiales.
Horno de aire o crisol
Es el proceso ms antiguo que existe en la fundicin, tambin se le
conoce como horno de aire. Este equipo se integra por un crisol de
arcilla y grafito, los que son extremadamente frgiles, los crisoles
se colocan dentro de un confinamiento que puede contener algn
combustible slido como carbn o los productos de la combustin.
Los crisoles son muy poco utilizados en la actualidad excepto
para la fusin de metales no ferrosos, su capacidad flucta entre los
50 y 100 kg.Hornos de crisol para metales no ferrosos
Clasificacin de los aceros Con el fin de estandarizar la
composicin de los diferentes tipos de aceros que hay en el mercado
la Society of Automotive Engineers (SAE) y el American Iron and
Steel Institute (AISI) han establecido mtodos para identificar los
diferentes tipos de acero que se fabrican. Ambos sistemas son
similares para la clasificacin.
En ambos sistemas se utilizan cuatro o cinco dgitos para
designar al tipo de acero. En el sistema AISI tambin se indica el
proceso de produccin con una letra antes del nmero.
Primer dgito. Es un nmero con el que se indica el elemento
predominante de aleacin. 1= carbn, 2= nquel, 3=nquel cromo,
4=molibdeno, 5=cromo, 6=cromo vanadio, 8=triple aleacin, 9 silicio
magnesio.
El segundo dgito. Es un nmero que indica el porcentaje
aproximado en peso del elemento de aleacin, sealado en el primer
dgito. Por ejemplo un acero 2540, indica que tiene aleacin de nquel
y que esta es del 5%.
Los dgitos 3 y 4. Indican el contenido promedio de carbono en
centsimas, as en el ejemplo anterior se tendra que un acero 2540 es
un acero con 5% de nquel y .4% de carbn.Cuando en las
clasificaciones se tiene una letra al principio esta indica el
proceso que se utiliz para elaborar el acero, siendo los prefijo
los siguientes:
A = Acero bsico de hogar abierto
B = Acero cido de Bessemer al carbono
C= Acero bsico de convertidos de oxgeno
D = Acero cido al carbono de hogar abierto
E = Acero de horno elctrico
A10XXX
A= Proceso de fabricacin
10 = Tipo de acero
X = % de la aleacin del tipo de acero
X X= % de contenido de carbono en centsimas.Clasificacin del
aceroLos diferentes tipos de acero se agrupan en cinco clases
principales: aceros al carbono, aceros aleados, aceros de baja
aleacin ultra resistentes, aceros inoxidables y aceros de
herramientas.Aceros al carbono
Ms del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos
aceros contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65%
de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre. Entre los
productos fabricados con aceros al carbono figuran mquinas,
carroceras de automvil, la mayor parte de las estructuras de
construccin de acero, cascos de buques, somieres y horquillas o
pasadores para el pelo.
Aceros aleados
Estos aceros contienen una proporcin determinada de vanadio,
molibdeno y otros elementos, adems de cantidades mayores de
manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono normales.
Estos aceros se emplean, por ejemplo, para fabricar engranajes y
ejes de motores, patines o cuchillos de corte.
Aceros de baja aleacin ultra resistentes
Esta familia es la ms reciente de las cinco grandes clases de
acero. Los aceros de baja aleacin son ms baratos que los aceros
aleados convencionales ya que contienen cantidades menores de los
costosos elementos de aleacin. Sin embargo, reciben un tratamiento
especial que les da una resistencia mucho mayor que la del acero al
carbono. Por ejemplo, los vagones de mercancas fabricados con
aceros de baja aleacin pueden transportar cargas ms grandes porque
sus paredes son ms delgadas que lo que sera necesario en caso de
emplear acero al carbono. Adems, como los vagones de acero de baja
aleacin pesan menos, las cargas pueden ser ms pesadas. En la
actualidad se construyen muchos edificios con estructuras de aceros
de baja aleacin. Las vigas pueden ser ms delgadas sin disminuir su
resistencia, logrando un mayor espacio interior en los
edificios.
Aceros inoxidables
Los aceros inoxidables contienen cromo, nquel y otros elementos
de aleacin, que los mantienen brillantes y resistentes a la
herrumbre y oxidacin a pesar de la accin de la humedad o de cidos y
gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros
son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos
periodos a temperaturas extremas. Debido a sus superficies
brillantes, en arquitectura se emplean muchas veces con fines
decorativos. El acero inoxidable se utiliza para las tuberas y
tanques de refineras de petrleo o plantas qumicas, para los
fuselajes de los aviones o para cpsulas espaciales. Tambin se usa
para fabricar instrumentos y equipos quirrgicos, o para fijar o
sustituir huesos rotos, ya que resiste a la accin de los fluidos
corporales. En cocinas y zonas de preparacin de alimentos los
utensilios son a menudo de acero inoxidable, ya que no oscurece los
alimentos y pueden limpiarse con facilidad.
Aceros de herramientas
Estos aceros se utilizan para fabricar muchos tipos de
herramientas y cabezales de corte y modelado de mquinas empleadas
en diversas operaciones de fabricacin. Contienen volframio,
molibdeno y otros elementos de aleacin, que les proporcionan mayor
resistencia, dureza y durabilidad. Lingotes y colada continua
Para fabricar los diferentes objetos tiles en la industria metal
metlica, es necesario que el hierro se presente en barras, lminas,
alambres, placas, tubos o perfiles estructurales, los que se
obtienen de los procesos de rolado. El proceso de rolado consiste
en pasar a un material por unos rodillos con una forma determinada,
para que al aplicar presin el material metlico adquiera la forma
que se necesita. El material metlico que se alimenta a los rodillos
debe tener una forma determinada, esta forma se obtiene al colar en
moldes el metal fundido que ser procesado, a estos productos se les
llama lingotes o lupias y pueden ser secciones rectangulares,
cuadradas o redondas. Los lingotes (cilindros con un extremo menor
que el otro) o lupias (lingotes de gran tamao con secciones
rectangulares) pueden tener desde 25 kg hasta varias toneladas,
todo depender de para qu se van a utilizar y para con qu tipo de
rodillos se van a procesar.Colada continuaCuando se requiere un
material de seccin constante y en grandes cantidades se puede
utilizar el mtodo de la colada continua, el cuan consiste en
colocar un molde con la forma que se requiere debajo de un crisol,
el que con una vlvula puede ir dosificando material fundido al
molde. Por gravedad el material fundido pasa por el molde, el que
est enfriado por un sistema de agua, al pasar el material fundido
por le molde fro se convierte en pastoso y adquiere la forma del
molde. Posteriormente el material es conformado con una serie de
rodillos que al mismo tiempo lo arrastran hacia la parte exterior
del sistema. Una vez conformado el material con la forma necesaria
y con la longitud adecuada el material se corta y almacena. Por
este medio se pueden fabricar perfiles, varillas y barras de
diferentes secciones y lminas o placas de varios calibres y
longitudes. La colada continua es un proceso muy eficaz y efectivo
para la fabricacin de varios tipos de materiales de uso
comercial.
Clasificacin de los aceros segn NORMA UNE
36010:SerieGrupoPropiedades / Aplicaciones1Aceros finos de
construccin general1. (Finos al carbono)2 y 3. (Aleados de gran
resistencia)4. (Aleados de gran elasticidad)5 y 6. (De
cementacin)7. (De nitruracin)Propiedades: Son no aleados. Cuanto ms
carbono contienen son ms duros y menos soldables, pero tambin ms
resistentes a los choques. Se incluyen tambin aceros con
tratamientos trmicos y mecnicos especficos para dar resistencia,
elasticidad, ductabilidad, y dureza superficial.Aplicaciones:
Necesidades generales de la ingeniera de construccin, tanto
industrial como civil y comunicaciones.2Aceros para usos
especiales1. (De fcil mecanizacin)2. (De fcil soldadura)3. (De
propiedades magnticas)4. (De dilatacin trmica especfica)5.
(Resistentes a la fluencia)Propiedades: Generalmente son aceros
aleados o tratados trmicamente.Aplicaciones:Grupos 1 y
2:Tornillera, tubos y perfiles.Grupo 3:Ncleos de transformadores,
motores de bobinado.Grupo 4:Piezas de unin de materiales frricos
con no frricos sometidos a temperatura.Grupo 5:Instalaciones
qumicas, refinerias y para altas temperaturas.3Aceros resistentes a
la oxidacin y corrosin1. (Inoxidables)2 y 3. (Resistentes al
calor)Propiedades: Basados en la adicin de cantidades considerables
de cromo y niquel, a los que se suman otros elementos para otras
propiedades ms especficas. Resistentes a ambientes hmedos, a
agentes qumicos y a altas temperaturas.Aplicaciones:Grupo
1:Cuchillera, elementos de mquinas hidrulicas, instalaciones
sanitarias, piezas en contacto con agentes corrosivos.Grupos 2 y
3:Piezas de hornos emparrilados, vlculas y elementos de motores de
explosin y, en general, piezas cometidas a corrosin y
temperatura.5Aceros para herramientas1. (Al carbono para
herramientas)2, 3 y 4. (Aleados para herramientas)5.
(Rpidos)Propiedades: Son aceros aleados con tratamientos trmicos
que les dan caractersticas muy particulares de dureza, tenacidad y
resistncia al desgaste y a la deformacin por
calor.Aplicaciones:Grupo 1:maquinaria de trabajos ligeros en
general, desde la carpintera y agrcola, hasta de mquinasGrupos 2, 3
y 4:Para maquinaria con trabajos ms pesados.Grupo 5:Para trabajos y
operaciones de debaste y de mecanicacin rpida que no requieran
grran precisin.8Aceros de moldeo1. (Al carbono de moldeo de usos
generales)3. (De baja radiacin)4. (de moldeo
inoxidables)Propiedades: Para verter en moldes de arena, por lo que
requieren cierto contenido mnimo de carbono que les d
maleabilidad.Aplicaciones: Piezas de formas geomtricas complicadas,
con caractersticas muy variadas. Estrictamente hablando no difieren
de los aceros de otras series y grupos ms que en su
maleabilidad.Bibliografas
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