HIERRO. ALTO HORNO. HRD. (FIDEL SALAZAR)

HIERRO

Historia. 

                 El hombre primitivo se valió del hierro en su estado natural, utilizando trozo del metal para la fabricación de armas y herramientas. No se conoce con certeza cuando el hombre comenzó a fabricar metales ferrosos reduciendo los minerales ni tampoco si el conocimiento se difundió a partir de un solo origen o si se desarrollo independientemente en distintos lugares.

Existe evidencia de que en Venezuela en 1724, en las cercanía de Upata, se fundían lingotes de hierro fabricados a partir del mineral proveniente de la serranía de Santa Rosa, donde Capuchinos Catalanes crearon importantes centro de producción y consumos, fundando hatos, estableciendo cultivos e introduciendo artesanías.

Estos métodos de producción consistían posiblemente en escoger trozos del mejor mineral contenidos en las cuarcitas ferruginosas, mezclarlo con carbón de leña y calentarlo intensamente con adición de más carbón y con fuertes inyecciones de aire por medio de un fuelle y se le agregaba arcilla, que mezclaba con el oxido de hierro y las cenizas del carbón. el Mineral se convertía en una esponja de metal incandescente. El metal, al rojo vivo, se precipitaba al fondo, protegido por aquella mezcla que constituía una escoria. A su debido tiempo se rompía el Horno y se sacaba el metal bajo la forma de una masa semisólida que, aún caliente, se martillaba vigorosamente para remover la escoria, soldar las partículas de metal en una masa coherente, dándole forma adecuada según el uso final.

Estas forjas Catalanas sirvieron para la fabricación  de herramientas de labranza, armas y herrajes, que jugaron un importante papel en la época de nuestra colonia y en nuestra independencia.

Concepto.

 El Hierro, es un elemento químico de número atómico 26 situado en el grupo 8, periodo 4 de la tabla periódica de los elementos. Su símbolo es Fe (del latínfĕrrum) y tiene una masa atómica de 55,6 u.

Este metal de transición es el cuarto elemento más abundante en la corteza terrestre, representando un 5% y, entre los metales, sólo el aluminio es más abundante; y es el primero más abundante en masa planetaria, debido a que el planeta en su núcleo, se concentra la mayor masa de hierro nativo equivalente a un 70%. El núcleo de la Tierra está formado principalmente por hierro y níquel, generando al moverse un campo magnético. Ha sido históricamente muy importante, y un período de la historia recibe el nombre de Edad de Hierro. En cosmología, es un metal muy especial, pues es el metal más pesado que puede producir la fusión en el núcleo de estrellas masivas; los elementos más pesados que el hierro solo pueden crearse en supernovas.

Características. 

Es un metal maleable, de color gris plateado y presenta propiedades magnéticas; es ferromagnético a temperatura ambiente y presión atmosférica. Es extremadamente duro y denso.

Se encuentra en la naturaleza formando parte de numerosos minerales, entre ellos muchos óxidos, y raramente se encuentra libre. Para obtener hierro en estado elemental, los óxidos se reducen con carbono y luego es sometido a un proceso de refinado para eliminar las impurezas presentes.

Es el elemento más pesado que se produce exotérmicamente por fusión, y el más ligero que se produce a través de una fisión, debido a que su núcleo tiene la más alta energía de enlace por nucleón (energía necesaria para separar del núcleo un neutrón o un protón); por lo tanto, el núcleo más estable es el del hierro-56 (con 30 neutrones).

Presenta diferentes formas estructurales dependiendo de la temperatura y presión. A presión atmosférica:

• Hierro-α: estable hasta los 911 °C. El sistema cristalino es una red cúbica centrada en el cuerpo (bcc).
• Hierro-γ: 911 °C - 1392 °C; presenta una red cúbica centrada en las caras (fcc).
• Hierro-δ: 1392 °C - 1539 °C; vuelve a presentar una red cúbica centrada en el cuerpo.
• Hierro-ε: Puede estabilizarse a altas presiones, presenta estructura hexagonal compacta (hcp).

Aplicaciones.

El hierro es el metal duro más usado, con el 95% en peso de la producción mundial de metal. El hierro puro (pureza a partir de 99,5%) no tiene demasiadas aplicaciones, salvo excepciones para utilizar su potencial magnético. El hierro tiene su gran aplicación para formar los productos siderúrgicos, utilizando éste como elemento matriz para alojar otros elementos aleantes tanto metálicos como no metálicos, que confieren distintas propiedades al material. Se considera que una aleación de hierro es acero si contiene menos de un 2,1% de carbono; si el porcentaje es mayor, recibe el nombre de fundición.

El acero es indispensable debido a su bajo precio y tenacidad, especialmente en automóviles, barcos y componentes estructurales de edificios.

Las aleaciones férreas presentan una gran variedad de propiedades mecánicas dependiendo de su composición o el tratamiento que se haya llevado a cabo.

Fundiciones.

El hierro es obtenido en el alto horno mediante la conversión de los minerales en hierro líquido, a través de su reducción con coque; se separan con piedra caliza, los componentes indeseables, como fósforo, azufre, y manganeso.

Los gases de los altos hornos son fuentes importantes de partículas y contienen monóxido de carbono. La escoria del alto horno es formada al reaccionar la piedra caliza con los otros componentes y los silicatos que contienen los minerales.

Se enfría la escoria en agua, y esto puede producir monóxido de carbono y sulfuro de hidrógeno. Los desechos líquidos de la producción de hierro se originan en el lavado de gases de escape y enfriamiento de la escoria. A menudo, estas aguas servidas poseen altas concentraciones de sólidos suspendidos y pueden contener una amplia gama de compuestos orgánicos (fenoles y cresoles), amoníaco, compuestos de arsénico y sulfuros.

Cuando el contenido en carbono es superior a un 2.43% en peso, la aleación se denomina fundición. Este carbono puede encontrarse disuelto, formando cementita o en forma libre. Son muy duras y frágiles. Hay distintos tipos de fundiciones:

• Gris
• Blanca
• Atruchada
• Maleable americana
• Maleable europea
• Esferoidal o dúctil
• Vermicular

Sus características varían de un tipo a otra; según el tipo se utilizan para distintas aplicaciones: en motores, válvulas, engranajes, etc.

Por otra parte, los óxidos de hierro tienen variadas aplicaciones: en pinturas, obtención de hierro, la magnetita (Fe₃O₄) y el óxido de hierro (III) (Fe₂O₃) en aplicaciones magnéticas, etc. El hidróxido de hierro (III) (Fe(OH)₃) se utiliza en radioquímica para concentrar los actínidos mediante co-precipitación.

Abundancia y Obtención.

El hierro es el metal de transición más abundante en la corteza terrestre, y cuarto de todos los elementos. También existe en el Universo, habiéndose encontrado meteoritos que lo contienen. Es el principal metal que compone el núcleo de la Tierra hasta con un 70%. Se encuentra formando parte de numerosos minerales, entre los que destacan la hematites (Fe₂O₃), la magnetita (Fe₃O₄), la limonita (FeO (OH)), la siderita (FeCO₃), la pirita (FeS₂), la ilmenita (FeTiO₃), etcétera.

Se puede obtener hierro a partir de los óxidos con más o menos impurezas. Muchos de los minerales de hierro son óxidos, y los que no, se pueden oxidar para obtener los correspondientes óxidos.

La reducción de los óxidos para obtener hierro se lleva a cabo en un horno denominado comúnmente alto horno . En él se añaden los minerales de hierro en presencia de coque y carbonato de calcio, CaCO₃, que actúa como escorificante.

Los gases sufren una serie de reacciones; el carbono puede reaccionar con el oxígeno para formar dióxido de carbono:

C + O₂ → CO₂

A su vez el dióxido de carbono puede reducirse para dar monóxido de carbono:

CO₂ + C → 2CO

Aunque también se puede dar el proceso contrario al oxidarse el monóxido con oxígeno para volver a dar dióxido de carbono:

2CO + O₂ → 2CO₂

El proceso de oxidación de coque con oxígeno libera energía y se utiliza para calentar (llegándose hasta unos 1900 °C en la parte inferior del horno).

En primer lugar los óxidos de hierro pueden reducirse, parcial o totalmente, con el monóxido de carbono, CO; por ejemplo:

Fe₃O₄ + CO → 3FeO + CO₂

FeO + CO → Fe + CO₂

Después, conforme se baja en el horno y la temperatura aumenta, reaccionan con el coque (carbono en su mayor parte), reduciéndose los óxidos. Por ejemplo:

Fe₃O₄ + C → 3FeO + CO

El carbonato de calcio (caliza) se descompone:

CaCO₃ → CaO + CO₂

Y el dióxido de carbono es reducido con el coque a monóxido de carbono como se ha visto antes.

Más abajo se producen procesos de carburación:

3Fe + 2CO → Fe₃C + CO₂

Finalmente se produce la combustión y desulfuración (eliminación de azufre) mediante la entrada de aire. Y por último se separan dos fracciones: la escoria y el arrabio: hierro fundido, que es la materia prima que luego se emplea en la industria.

El arrabio suele contener bastantes impurezas no deseables, y es necesario someterlo a un proceso de afino en hornos llamados convertidores.

En 2000 los cinco mayores productores de hierro eran China, Brasil, Australia, Rusia e India, con el 70% de la producción mundial. Actualmente el mayor yacimiento de Hierro del mundo se encuentra en la región de "El Mutún", en el departamento de Santa Cruz, Bolivia; dicho yacimiento cuenta con entre 40.000 y 42.000 millones de toneladas aprox. (40% de la reserva mundial) para explotar.

El hierro fundido se recoge en la base del horno, como se muestra en la figura. Por arriba de él hay una capa de escoria fundida formada por la reacción del Ca0 con el silice presente en la mena, La capa de escoria sobre el hierro fundido ayuda a protegerlo de la reacción con el aire que entra. Periódicamente, el horno se vacía para drenar la escoria y el hierro fundido. El hierro producido en el horno se puede moldear en lingotes sólidos; sin embargo, casi todo se usa directamente para fabricar acero. Para este propósito, el hierro se transporta, todavía líquido, al taller siderúrgico.

ALTO HORNO

El alto horno es la construcción para efectuar la fusión y la reducción de minerales de hierro, con vistas a elaborar la fundición.

Un alto horno típico está formado por una cápsula cilíndrica de acero de unos 30 m de alto forrada con un material no metálico y resistente al calor, como asbesto o ladrillos refractarios. El diámetro de la cápsula disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total.

La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire que enciende el coque.

Cerca del fondo se encuentra un orificio por el que fluye el arrabio cuando se sangra (o vacía) el alto horno. Encima de ese orificio, pero debajo de las toberas, hay otro agujero para retirar la escoria.

La parte superior del horno contiene respiraderos para los gases de escape, y un par de tolvas redondas, cerradas por válvulas en forma de campana, por las que se introduce el mineral de hierro, el coque y la caliza.

Una vez obtenido el arrabio líquido, se puede introducir en distintos tipos de coladura para obtener unos materiales determinados: la colada convencional, de la que se obtienen productos acabados; la colada continua, de la que se obtienen trenes de laminación y, finalmente, la colada sobre lingoteras, de la que lógicamente se obtienen lingotes.

PROCESO DE ALTO HORNO

El viento caliente reacciona con el coque y el carbón pulverizado en el vientre y en el etalaje del alto horno para formar una mezcla de monóxido de carbono y nitrógeno. Esta mezcla asciende por el horno mientras intercambia calor y reacciona con las materias primas que descienden de la parte superior del horno.

Finalmente los gases se descargan por el tragante del horno y se recuperan para ser usados como combustible en la planta siderúrgica.

Durante este proceso, la relación capa-espesor de los materiales que contienen hierro y el coque cargados por el tragante del horno y su distribución radial se controlan con el fin de que el viento caliente pueda pasar con una correcta distribución radial.

Durante el descenso de la carga en el horno, los materiales que contienen hierro se reducen indirectamente por el gas de monóxido de carbono en la zona de baja temperatura de la parte superior del horno. En la parte inferior del horno, el dióxido de carbono producido por la reducción del mineral de hierro restante por el monóxido de carbono se reduce al instante por el coque (C) a monóxido de carbono que nuevamente reduce el óxido de hierro.

La secuencia completa puede considerarse como una reducción directa del mineral de hierro por el carbono sólido en la zona de alta temperatura de la parte inferior del horno. El hierro reducido se funde, gotea y junta simultáneamente como arrabio en el crisol. Luego se descarga el arrabio y la escoria fundida a intervalos fijos (por lo general 2-5 horas) abriendo las piqueras de arrabio y de escoria en la pared del horno.

HIERRO REDUCCION DIRECTA (HRD)

Varios métodos se han usado durante los últimos 50 años para producir hierro de reducción directa. En la práctica, funcionan tres procesos principales: MIDREX, HyL (I, II y III) y FIOR. Sólo recientemente se han desarrollado cinco técnicas nuevas: FASTMET, IRON CARBIDE, CIRCORED, INMETCO y FINMET. Aproximadamente el 92% del HRD se produce usando gas natural (reformado) como combustible. En una cantidad limitada de plantas, se usa carbón como combustible. Como material de carga, se usa pélets de mineral de hierro y mineral granular en los procesos que utilizan un horno de cuba (MIDREX, HyL), se usa finos y concentrados en los procesos que utilizan un lecho fluidizado (CIRCORED, FINMET, IRON CARBIDE) o un horno de crisol rotativo (FASTMET, INMETCO). El horno de cuba ha evolucionado y se convirtió en el reactor de reducción para los procesos basados en gas. Funcionan dos procesos principales: MIDREX y HyL III. La unidad de FIOR en Venezuela, pequeña en comparación, usa un lecho fluidizado para la reducción del mineral de hierro.

HyL I y HyL II usan reactores por lotes para reducir el mineral de hierro.

Los procesos de reducción directa basados en gas son particularmente adecuados para las zonas donde el gas natural está disponible en abundancia y a un precio económico. El proceso MIDREX es un proceso de reducción directa en un horno de cuba en el cual los pélets de mineral de hierro, el mineral granular o una combinación se reducen en una cuba vertical (horno de reducción) a hierro metálico por medio de un gas reductor.



El gas reductor se produce por una mezcla de gas natural (por lo general metano) y gas reciclado proveniente del horno de reducción. La mezcla fluye a través de tubos catalizadores donde se convierte químicamente a un gas que contiene hidrógeno y monóxido de carbono. La temperatura deseada del gas reductor es de alrededor de los 900 °C. El gas asciende por la columna del material en contracorriente y elimina el oxígeno de los transportadores de hierro. El producto, hierro de reducción directa, generalmente tiene un contenido total de hierro que oscila del 90% al 94% de Fe. Después de que el hierro de reducción directa sale por el fondo de la cuba, puede comprimirse en el estado caliente a hierro briqueteado en caliente (HBC) para un almacenaje y transporte seguros. El HRD y el HBC son fuentes de hierro virgen libre de elementos extraños y se usan cada vez más en los hornos de arco eléctrico para diluir los contaminantes presentes en la chatarra.

La primera planta de reducción directa MIDREX a nivel comercial comenzó a funcionar en 1969 en Oregon Steel Mills en Portland, Oregon, Estados Unidos de América. En la actualidad hay más de 60 Módulos MIDREX® en operación, en construcción o por contrato en 20 países. La escala de plantas MIDREX continúa creciendo y hoy MIDREX ha construido la planta de reducción directa de módulo único más grande del mundo en Hadeed, Arabia Saudita, con una capacidad nominal de 1,76 millones de toneladas por año.