INSTITUTO TECNOLOGICO DE CHIHUAHUA

Ingeniería en Materiales.

Procesamiento de materias ferrosas

Índice

- Generalidades del hierro 3.

- Estudio de los principales minerales de hierro 4.

- Procesos teóricos del secado y calcinación 7.

- Descripción breve de los procesos de coquización……..

- Bibliografía 9.

El Hierro

El hierro es un elemento metálico, magnético, maleable y de color blanco plateado. Tiene de número atómico 26 y es uno de los elementos de transición del sistema periódico.

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 cuentas oxidadas encontrado en Egipto, y data del 4000 a.C. El término arqueológico edad del hierro se aplica sólo al periodo en el que se extiende la utilización y el trabajo del hierro. El procesado moderno del hierro no comenzó en Europa central hasta la mitad del siglo XIV d.C.

Propiedades

El hierro puro tiene una dureza que oscila entre 4 y 5. Es blando, maleable y dúctil. Se magnetiza fácilmente a temperatura ordinaria; es difícil magnetizarlo en caliente, y a unos 790 °C desaparecen las propiedades magnéticas. Tiene un punto de fusión de unos 1535 °C, un punto de ebullición de 2750 °C y una densidad relativa de 7,86. Su masa atómica es 55,847.

El metal existe en tres formas alotrópicas distintas: hierro ordinario o hierro-ð (hierro-alfa), hierro-γ (hierro-gamma) y hierro-δ (hierro-delta). La disposición interna de los átomos en la red del cristal varía en la transición de una forma a otra. La transición de hierro-ð a hierro-γ se produce a unos 910 °C, y la transición de hierro-γ a hierro-δ se produce a unos 1.400 °C. Las distintas propiedades físicas de las formas alotrópicas y la diferencia en la cantidad de carbono admitida por cada una de las formas desempeñan un papel importante en la formación, dureza y temple del acero, pues de estas depende mucho las propiedades mecánicas.

Químicamente el hierro es un metal activo. Se combina con los halógenos (flúor, cloro, bromo, yodo y astato y con el azufre, fósforo, carbono y silicio. Desplaza al hidrógeno de la mayoría de los ácidos débiles. Arde con oxígeno formando tetróxido triférrico (óxido ferrosoférrico), Fe3O4. Expuesto al aire húmedo, se corroe formando óxido de hierro hidratado, una sustancia pardo-rojiza, escamosa, conocida comúnmente como orín. La formación de orín es un fenómeno electroquímico en el cual las impurezas presentes en el hierro interactúan eléctricamente con el hierro metal. Se establece una pequeña corriente en la que el agua de la atmósfera proporciona una disolución electrolítica. El agua y los electrólitos solubles aceleran la reacción. En este proceso, el hierro metálico se descompone y reacciona con el oxígeno del aire para formar el orín. La reacción es más rápida en aquellos lugares donde se acumula el orín, y la superficie del metal acaba agujereándose.

Al sumergir hierro en ácido nítrico concentrado, se forma una capa de óxido que lo hace pasivo, es decir, no reactivo químicamente con ácidos u otras sustancias. La capa de óxido protectora se rompe fácilmente golpeando o sacudiendo el metal, que vuelve a convertirse en activo.

Estado natural

El hierro sólo existe en estado libre en unas pocas localidades, en concreto al oeste de Groenlandia. También se encuentra en los meteoritos, normalmente aleado con níquel. En forma de compuestos químicos, está distribuido por todo el mundo, y ocupa el cuarto lugar 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 el hierro del pantano (limonita). La pirita, Hematita (Fe2O3), Magnetita (Fe3O4), y goethita (FeO Fe3 O4 + H2O , hidróxido de hierro). 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.

Aplicaciones y producción

El hierro puro, preparado por la electrólisis de una disolución de sulfato de hierro II, tiene un uso limitado. El hierro comercial contiene invariablemente pequeñas cantidades de carbono y otras impurezas que alteran sus propiedades físicas, pero éstas pueden mejorarse considerablemente añadiendo más carbono y otros elementos de aleación.

La mayor parte del hierro se utiliza en formas sometidas a un tratamiento especial, como el hierro forjado, el hierro fundido y el acero. Comercialmente, el hierro puro se utiliza para obtener láminas metálicas galvanizadas y electroimanes. Los compuestos de hierro se usan en medicina para el tratamiento de la anemia, es decir, cuando desciende la cantidad de hemoglobina o el número de glóbulos rojos en la sangre.

A principios de la década de 1990, la producción anual de hierro se aproximaba a 920 millones de toneladas métricas.

ESTUDIO DE LOS PRINCIPALES MINERALES DE HIERRO

Los minerales que utiliza la industria siderurgica son mezclas de minerales de hierro y de materia estéril o ganga. Esta ultima esta constituida principalmente por sílice, alumina, cal y magnesia, hablando industrialmente para que una roca que puede considerarse mineral de hierro cuando se encuentra en yacimientos de suficiente capacidad, tenga la composición, características físicas y la localización adecuada para que sea económica y rentable la extracción del hierro que contiene.

En la naturaleza, los minerales suelen estar constituidos por uno o varios minerales de hierro de composición definida, rodeados por otras materias estériles que forman la ganga o materia extraña que en mayor o menor cantidad acompaña al mineral y que hacen que su riqueza real sea inferior a la que teóricamente le corresponde.

Para separar la materia estéril del mineral de interés hay que llegar a tamaños muy finos de partícula para procesos posteriores. El tamaño de partícula tiene mucha importancia y sirve para decidir el proceso de concentración que se debe emplear.

Una parte de la ganga se puede eliminar, en ocasiones, en las operaciones de lavado, otras veces en los procesos de concentración pero siempre queda otra parte que no se llega a separar y se carga con el mineral en el horno.

A continuación mencionamos las principales características y propiedades de los minerales más importantes:

Magnetita (oxido ferroso-ferrico fe=72.4%)

Es el mineral mas rico que hay en la naturaleza y, si no fuera acompañado de impurezas, su composición seria de 72.4% de hierro y 27.6% de oxigeno, pero debido a las materias extrañas que le acompañan, su riqueza suele variar en los buenos yacimientos de 55 a 66% de Fe. En algunas ocasiones, debido a la gran proporción de ganga, el mineral de magnetita, a pesar de su elevada ley teórica, se presenta solo 25-50% de hierro. Esas cifras son bastante inferiores a las que a veces corresponden al contenido de hierro, que tienen otros minerales oxidados que se cargan en los hornos y que teóricamente tienen menor riqueza que la magnetita. Su denominación química es oxido ferroso ferrico y su formula es Fe3O4.

La magnetita es un mineral muy duro, de color pardo, casi negro posee un brillo ligeramente metálico y cristaliza en el sistema cúbico. Por atraer a la aguja imantada y por tener propiedades magnéticas recibe el nombre de magnetita.

Por su capacidad y por su estado cristalino, es el mineral de hierro que con mas dificultad se reduce, preferentemente se quieren las hematites rojas y pardas.

Como mencionamos, por su difícil reducción, generalmente se somete la magnetita a una calcinación oxidante antes de su carga en los altos hornos. Su magnetismo se aprovecha en ocasiones en la concentración por medios magnéticos.

Los yacimientos más importantes se encuentran en Suecia, Norteamérica, Rusia y Argelia. Los minerales suecos de Finura, Norberg y Dannemora, que tienen fama universal, son además de gran pureza, encontrándose el mineral prácticamente libre de fósforo y azufre.

Hematites (oxido ferrico anhidro, hematites roja Fe=70%)

Es el más abundante de los minerales de hierro y puede considerarse como el más importante de todos ellos, ya que por su riqueza y comportamiento en el horno alto es el más solicitado de todos para la fabricación de arrabio o fundición. Su formula es Fe2O3 y contiene 70% de hierro y 30% de oxigeno. En la práctica suele contener de 50 a 68% de Fe, debido a la ganga que le acompaña. No contiene agua combinada como las hesites pardas, ni anhídrido carbónico como los carbonatos.

Existen diversas variedades de este mineral y las principales son las siguientes:

hematites roja ordinaria (la más importante).

Hematites roja mamelonada.

Hematites roja oolitica.

Hematíes roja terrosa.

Hierro oligisto.

Hierro especular.

Las hematites rojas se caracterizan por ser relativamente facil de reducir, es generalmente de ganga siliciosa y de bajo contenido en fósforo. A veces contiene algo de azufre y un poco de manganeso.

HEMATITES ROJA ORDINARIA:

Tiene un color rojo o morado característico. Es la mas abundante de las diversas variedades de oxido ferrico, a la vez es el mas codiciado de los minerales de hierro por su gran riqueza en metal, elevada la pureza y relativa facilidad de reducción.

El oxido ferrico anhidro es tambien conocido como hematites roja, por que, al ser rayado este mineral con un objeto duro, da siempre una raya de color de color rojo característico, siendo el polvo que también se desprende rojo.

En los Estados unidos existe uno de los yacimientos de mineral más importantes del mundo Mesabi, en las inmediaciones del lago superior, que ah suministrado durante muchos años las 4/5 partes de la producción de mineral de hierro de Norteamérica.

HIERRO OLIGISTO:

El hierro oligisto es una variedad del oxido ferrico anhidro de color negro brillante, que cristaliza en el sistema hexagonal y que con frecuencia aparece mezclado con la hematites roja y magnetita. Existen cantidades importantes de este mineral en la isla de Elba, formando el hierro oligisto la mayor parte de un yacimiento cercano al rió mesina, que fue muy famoso en la antigüedad. Su riqueza varía de 58 a 64% de hierro.

HIERRO ESPECULAR:

El hierro especular es otra variedad del oxido ferrico, que se caracteriza por estar constituido por delgadas capas o escamas brillantes de carácter laminar.

LIMONITA. HEMATITES PARDA (OXIDO FERRICO HIDRATADO FE=60%)

Los minerales de hierro agrupados con este nombre son óxidos ferricos hidratados.

Forman una serie ordenada de minerales, cuya formula general es n Fe2O3 + mH2O. La denominación y contenido en hierro de cada uno de ellos se señalan a continuación:

% de Fe

Turguita 66.20% 2 Fe2O3 H2O

Goetita 62.90% Fe2O3 H2O

Limonita 60.0% 2 Fe2O3 H2O

Xanthosiderita 57.10% Fe2O3 H2O

Limnita 52.30% Fe2O3 H2O

Se puede observar que su contenido teórico de hierro varia e 52.3% a 66.2% y el de agua de 5 a 25%. Su variedad mas importante es la limonita, que pura contiene aproximadamente 60% de hierro y 40% de oxigeno.

En la práctica debido a la ganga e impurezas con que se encuentran mezclados, el porcentaje de hierro varía de 30 a 56%. A pesar de que los nombres antes citados corresponden a un criterio químico bien definido, por ser sus características muy parecidas, a veces es difícil distinguir unas variedades de otras. Cuando se presentan en un mismo yacimiento mezcladas diversas clases, es frecuente dar al mineral el nombre de hematites parda y también la de limonita.

Estos minerales son muy abundantes todo el mundo, pero se extraen principalmente en Francia, Luxemburgo, Inglaterra y Alemania occidental. También hay hematites pardas en Estados Unidos y Rusia, pero en estos países el volumen de mineral extraído de esta clase representa solo una pequeña parte del total.

Las hematites pardas pueden clasificarse de la siguiente manera:

Hematites parda ordinaria.

Hematites parda mamelonada.

Hematites parda olitica o en granos.

Hematites parda terrosa.

HEMATITES PARDA ORDINARIA:

Es relativamente blanda, mancha los dedos y se caracteriza por que al ser rayada aparece siempre en una raya de color pardo amarillenta. Las variedades más arcillosas se conocen con el nombre de ocres amarillos. Como ocurre con los demás minerales, unas veces se presenta en estado de gran pureza y otras veces, en cambio aparece impurificada y con baja ley.

HEMATITES PARDA TERROSA DE LAGOS Y PANTANOS:

Son limonitas terrosas de formación reciente, producidas por depósitos de aguas ferruginosas. Ocupan generalmente grandes extensiones superficiales y son de pequeño espesor. Su estructura, como su nombre lo indica es mas o menos terrosa y a veces se encuentran en masas bastante compactas, variando su color pardo claro hasta negro oscuro.

El principal interés en la siderurgia de estos minerales es por su bajo precio.

El espesor de las capas rara vez pasa de .50 m pero como están cerca de la superficie, su explotación es muy fácil y barata.

PROCESOS TEORICOS DEL SECADO Y CALCINACION

El secado es una operación que consiste en calentar los minerales y concertados a una temperatura que permita eliminar el agua que acompaña a los materiales en forma de humedad, ósea el agua atrapada por efecto de capilaridad o por absorción. Para ahorro de combustible ahora se meten en hornos que utilizan combustible de menos calidad y gases de desechos.

De todos los materiales el coque es el que menos se expone a cambios físicos y químicos al pasar por el tragante y la cuba. Los trozos de coque que se cargan en el horno en primer término pierden humedad. Este proceso transcurre con rapidez, apenas el coque se calienta hasta 110ºC. Después de que el coque se calienta hasta 300…..400ºC de este se desprenden los restos de sustancias volátiles de origen orgánico CH4, CO2, H2, CO. Los volátiles del coque y vapores de agua diluyen los gases del tragante y varían su composición. Cuando el coque se halla en la zona del vientre, contiene solo carbono ceniza, azufre y fósforo.

La mena y el aglomerado que se cargan en el horno contienen humedad en estado libre, óseo, en compuestos. La humedad se hace un tanto superior a 100ºC. Su eliminación depende del tamaño de los trozos y porosidad. Cuantos mayores son los trozos de materiales y menor su porosidad, tanto más tiempo se necesita para su calentamiento y eliminación de humedad.

La humedad hidratada se halla en la limonita, en la ganga, por ejemplo y también en los fundentes. La descomposición de los hidratos como el Fe2O3H2O comienzan a 200ºC y puede terminar a los 550ºC. En algunas ocasiones también acaba a los 1000ºC.

Como en el proceso del alto horno rara vez se utilizan minerales y fundentes crudos, el desprendimiento de la humedad hidratada no ejerce una influencia considerable en la marcha de fusión.

Los principales tipos de compuestos carbónicos -los carbonatos- que se suministran al alto horno son la caliza CaCO3 y dolomita CaCO3MgCO3. Los carbonatos al calentarse se disocian, se descomponen con desprendimiento de gas carbónico conforme a las reacciones:

CaCO3 CaO + CO2

MgCO3 MgO + CO2

Estas reacciones ocurren con absorción térmica.

La descomposición intensiva de una caliza tiene lugar a una temperatura de aproximadamente 1000ºC. La descomposición de los trozos grandes finaliza a temperaturas mas elevadas.

El empleo de fundentes en el alto horno acarrea un elevado gasto de coque puesto que necesita mayor temperatura para la descomposición de carbonatos. El dióxido de carbono que se crea al descomponerse los carbonatos reacciona con el carbono del coque que transcurre como absorción térmica.

Este proceso también lleva gasto de coque. La capacidad reductora de los gases de alto horno disminuye a consecuencia de la dilución con dióxido carbónico. En relación a ello se trata de utilizar aglomerado con fundente, durante cuya producción tiene lugar la descomposición principal de carbonatos. De esta manera se logra economizar.

Los equipos empleados para estos procesos son muy parecidos:

• pueden usar el mismo tipo de combustible.

• Principio a contra corriente.

Las diferencias entre ellos son:

• tamaño del equipo.

• Temperatura que manejan.

Podemos usar el horno de cuba o el horno rotatorio, el único factor que influye aquí es el tamaño de la carga.

Principio de Aglomeración

Se llama proceso aglomeración el proceso de hacer trozos de los menudos de los minerales mediante la sinterización. La finalidad de la aglomeración no es solamente hacer trozos de mineral sino también la introducción de fundente, la eliminación de azufre y arsénico para mejorar las propiedades metalúrgicas del material.

El método más común es el de sinterización. La esencia del proceso consiste en lo siguiente:

El concentrado de mineral o mineral de hierro desmenuzado se mezcla minuciosamente con polvo del tragante, menudos de coque y caliza, se humedece y se carga en la instalación de sinterización en una capa de 200 350 mm. Luego con ayuda de una fuente intensiva se enciende el combustible que se halla en la capa de la carga. A través de la tapa de la carga con un ventilador de succión, dispuesto bajo la instalación de sinterización, se succiona el aire. La combustión que comienza en la capa superior de la carga, se propaga paulatinamente a todo el espesor y termina en el emparrillado de la instalación. Al quemarse el combustible asciende a la temperatura de 1400ºC , ello es suficiente para la fusión parcial de las partículas de carga y la sinterización entre si. Después de terminar el proceso de combustión toda la capa de la carga se transforma en un producto poroso en trozos.

Para salvaguardar el emparrillado y evitar la perdida de carga, sobre la rejilla se sitúa una capa de desechos de aglomerado de un espesor de aproximadamente 25mm.

Del proceso de sinterización es característico lo siguiente:

el combustible se quema sin llama.

El aire, que llega para la combustión, pasa por la capa del aglomerado candente y, enfriándolo, se calienta hasta una temperatura próxima a la del aglomerado.

El calor de los gases se transmite a la carga gracias a la desarrolla superficie de contacto.

El paletizado es otro proceso de aglomeración. Este proceso se lleva acabo con partículas de 200 mallas para obtener partículas con forma esférica llamadas pelotillas. Se usa generalmente para la obtención del fiero.

Este proceso se lleva acabo en 2 etapas, la primera es el rolado, aquí se utiliza el principio de “bola de nieve en una pendiente”. El quipo para esta etapa puede ser un disco o un tambor rotatorio o bien hornos de cuba. Después pasa a la etapa de cocción, que es la ultima, en esta etapa lo que se busca es desaparecer el agua físicamente y sustancias volátiles.

Para el peltizado tenemos que:

hacer una mezcla homogénea.

Utilizar un aglomerante adecuado. (que nos adecue una forma homogénea, evitar la fragilidad, resistencia al choque térmico).

Introducimos la mezcla en el equipo peletizador, el equipo deberá tener cierta inclinación, según el tamaño de pelotilla deseado o requerido. El movimiento del tipo de equipo que sea. Existen de movimiento de cascada, movimiento cíclico, movimiento de rotación.

La fuerza principal que une a las partículas en esta etapa es la tensión superficial del agua.

El producto a obtener es:

-Composición química homogénea.

-Resistencia la absorción.

-Resistencia a la compresión.

-Porosidad o reactividad.

-Tamaño adecuado.

En nuestra segunda etapa, la de cocción básicamente es eliminar el agua atrapada físicamente del proceso anterior y las sustancias volátiles.

El equipo de cocción puede ser un horno de cuba, maquinas de sinterización, parrilla de sinterización.

Las características principales que encontraremos en una pelotilla cocida serán:

-Resistencia a la compresión.

-Resistencia a la abrasión.

-Resistencia al choque térmico.

-Composición química homogénea.

-Porosidad.

Bibliografía

-http://redescolar.ilce.edu.mx/redescolar/publicaciones/publi_rocas/hermatita.htm

- Ingeniería Metalúrgica

Reinhardt Schuhmann.

- Metalurgia de metales no ferrosos.

A. Sobolevski, A. Kalmen Ev.

- Fundamentos de metalurgia extractiva

Terkel Rosenquievs.

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