¡Descarga INGENIERIA DE MATERIALES OBTENCION DE HIERRO Y ACERO y más Guías, Proyectos, Investigaciones en PDF de Ingeniería de Materiales solo en Docsity!
PROCESOS INDUSTRIALES
1. PROCESO DE OBTENCIÓN DEL HIERRO Y DEL ACERO
1.1 Proceso tecnológico de la extracción del mineral de hierro 1ª función
La producción del hierro y del acero empieza con las menas de hierro y otros materiales requeridos (mena = mineral metalífero, principalmente el de hierro, tal como se extrae del yacimiento y antes de limpiarlo). La mena principal usada en la producción de hierro y acero es la hematita (Fe203), otras menas incluyen la magnetita (Fe304), la siderita (Fe C 03? ) y la limonita (Fe 2 O 3 - XH2O) donde x vale alrededor de 1.5). Las menas de hierro (vea tabla No. 1) contienen de un 50 a un 70% de hierro, dependiendo de su concentración; la hematita contiene casi 70% de hierro. Además, hoy se usa ampliamente la chatarra como materia prima para la fabricación de hierro y acero. Las otras materias primas que se necesitan para reducir el hierro de sus menas, son el coque y la piedra caliza. El coque es un combustible de alto carbono, producido por el calentamiento de carbón bituminoso en una atmósfera con bajo contenido de oxígeno durante varias horas, seguido de una aspersión de agua en torres especiales de enfriamiento. La coquificación del carbón mineral deja, como subproducto, gas de alto poder calorífico, que es utilizado como combustible en los diversos procesos subsiguientes. El coque desempeña dos funciones en el proceso de reducción:
- Es un combustible que proporciona calor para la reacción química y
- produce monóxido de carbono (CO) para reducir las menas de hierro. La piedra caliza es una roca que contiene altas proporciones de carbonato de calcio (Ca CO 3). Esta piedra caliza se usa en el proceso como un fundente que reacciona con las impurezas presentes y las remueve del hierro fundido como escoria.
La producción del hierro. Para producir hierro, se alimenta por la parte superior de un alto horno una carga con capas alternadas de coque, piedra caliza y mineral de menas de hierro. Un 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. Está formado por un recipiente cilíndrico de acero forrado con un material no metálico y resistente al calor, como ladrillos refractarios y placas refrigerantes. El diámetro del recipiente cilíndrico de 9 a 15 m (30 a 50 pies) disminuye hacia arriba y hacia abajo, y es máximo en un punto situado aproximadamente a una cuarta parte de su altura total de 40 m (125 pies. La parte inferior del horno está dotada de varias aberturas tubulares llamadas toberas, por donde se fuerza el paso del aire. 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 la carga en el horno. Los materiales se llevan hasta las tolvas en pequeñas vagonetas o cucharas que se suben por un elevador inclinado situado en el exterior del horno. Desde la parte baja de la cámara se inyecta por toberas una corriente de gases y aire precalentados a 900 °C a gran velocidad para realizar la combustión y la reducción del hierro efectuándose la combustión completa del coque que adquiere temperaturas máximas entre 1700 a 1800 °C. Los gases calientes (CO, H2, CO2, H2O, N2, O2 y los combustibles) realizan la combustión del coque conforme pasan hacia arriba, a través de la carga de materiales. El monóxido de carbono se suministra como un gas caliente, pero también se forma adicionalmente por la combustión del coque. El gas CO tiene un efecto reductor sobre las menas de hierro; la reacción simplificada se describe a continuación (usando la hematita como la mena original): Fe 2 O 3 + CO 2FeO + CO2 …. (1) El bióxido de carbono CO2 reacciona con el coque para formar más monóxido de carbono: CO2 + C (coque) 2CO………. (2) el cual realiza la reducción final de FeO a hierro: FeO +CO Fe+CO2 …. (3)
Altos hornos de México (AHMSA) tiene dos hornos uno de 400 y otro de 1000 toneladas. Es interesante hacer notar que se requieren aproximadamente siete toneladas de materia prima para producir una tonelada de hierro. En la década de los sesenta del siglo pasado se introdujo un importante avance en la tecnología de altos hornos: la presurización de los hornos. Estrangulando el flujo de gas de los respiraderos del horno es posible aumentar la presión del interior del horno hasta 1,7 atmósferas o más. La técnica de presurización permite una mejor combustión del coque y una mayor producción de hierro. En muchos altos hornos puede lograrse un aumento de la producción de un 25%. En instalaciones experimentales también se ha demostrado que la producción se incrementa enriqueciendo el aire con oxígeno.
1.1.1 Explotación y traslado
Prospección y Exploración Esta etapa tiene como propósito conocer las características de los yacimientos, principalmente cuantitativas y cualitativas, así como estudiar los aspectos técnicos y económicos que determinarán la factibilidad de su aprovechamiento. Se utilizan herramientas que van desde la exploración de campo y estudio de los mantos por medio de perforaciones, hasta la información obtenible a través de aerografías y satélites; así se clasifican nuestros yacimientos de acuerdo con sus propiedades físicas y químicas. Por estas razones el departamento de control de la calidad y de planificaciones, hace necesario mantener un inventario preciso de los volúmenes disponibles de los diferentes tipos de mineral, así como su localización dentro del yacimiento. Voladura de Mina Constituye una de las fases más importantes del proceso, esto debe ser cuidadosamente planificado de manera tal que el mineral obtenido se encuentre dentro de los lineamientos dados por la gerencia de calidad a fin de satisfacer los requisitos de producción. Las operaciones de extracción del mineral de hierro en los yacimientos se inicia con las perforaciones para las voladuras. Para esta operación se cuenta con taladros eléctricos rotativos, que pueden perforar con diámetros de 31 a 38 cm y profundidades de hasta 18 m, lo que permite construir bancos de explotación de 15 m de altura. El número de perforaciones en el área mineralizada depende del tonelaje que se quiera producir, el explosivo utilizado es una mezcla de Nitrato de aluminio con gasoil. Envío de Mineral de a la planta de procesamiento. Una vez que el mineral es fracturado, por efecto de la voladura, es removido por palas eléctricas desde los distintos fuentes de producción. Las palas cuentan con baldes de 7,3 m3 y de 10 m3 de capacidad, luego el mineral es vaciado en camiones roqueros marca LECTRA-HALL de 90 toneladas de capacidad. (Se usan adicionalmente cargadores frontales con capacidad de 60 m3 cada uno). Para el acarreo del mineral de los frentes de producción hasta la plata forma o andenes de carga con capacidad de 35 vagones de 90 toneladas cada uno, se utilizan camiones de 90 y 160 toneladas. El coordinador de aseguramiento asigna durante el proceso de carga el número de la pala y registra el corte de vagones, con el número de cada vagón, el código de la mina, el muelle de carga y la estimación del porcentaje de mineral fino y grueso cargado. Los grupos de vagones, una vez cargados en 1os frentes de producción, son llevados al patio de ferrocarril, donde se realizan los acoples hasta formar trenes de aproximadamente 125 vagones. En el proceso de carga, un operario muestreador toma muestra de los vagones para la determinación del grado químico y físico del mineral cargado; las muestras son entregadas al Coordinador de Aseguramiento para llevarlos al laboratorio. Los resultados obtenidos son registrados. El jefe de turno del Departamento de Aseguramiento estima el corte o grupo de vagones cargados conforma y sectoriza el tren, entregando la liberación al Supervisor de operaciones ferroviarias. En la
PERFORACIÓN Y TRONADURA:
La explotación del yacimiento de El Romeral se concentra en el cuerpo mineralizado denominado Cerro Principal, mediante el método de cielo abierto, con un rajo alargado en el sentido norte-sur, de acuerdo a la forma del cuerpo mineralizado. La longitud del rajo alcanza alrededor de 1.700 m y su ancho a 600 m, en la parte central. El acceso principal al rajo se realiza por el extremo sur, en el nivel 270 m, donde se encuentra ubicada la tolva de recepción de la Planta de Chancado y se inician los caminos hacia los botaderos de lastre y acopios de minerales. La altura del banco también varía de acuerdo los sectores; los bancos situados sobre el nivel 250 tienen una altura de 12,5 m, en tanto que los bancos bajo dicho nivel tienen una altura de 10 m.
Perforación y Tronadura
La perforación para tronadura se realiza mediante la combinación de 2 perforadoras con martillo en el fondo, Ingersoll Rand modelo T-4, con diámetro de perforación de 9 1/2" y una perforadoras Bucryus Erie 45-R, con diámetro de perforación de 9 7/8". Los tiros se perforan verticalmente, en mallas triangulares o cuadradas y con un espaciamiento variable de acuerdo al tipo de material, explosivos y diámetro de la broca. Se agrega agua durante la perforación en zonas secas a fin de evitar la polución ambiental. La perforación secundaria se realiza con perforadora neumática montada sobre orugas. El explosivo para tronaduras consiste principalmente en Anfo pesado, una mezcla de diversas proporciones de Anfo (nitrato de amonio y petróleo) y una emulsión de mayor poder explosivo y resistente al agua. Las proporciones de la mezcla de Anfo y emulsión dependen de la aplicación requerida, especialmente del tipo de roca y la abundancia de agua en el sector. El carguío del explosivo se realiza por medio de camiones fábrica, que se caracterizan por acarrear los componentes hasta el hoyo perforado y producir la mezcla explosiva en el momento del carguío. Los explosivos son suministrados en el hoyo de perforación por empresas especializadas en el rubro.
Las cargas explosivas de cada hoyo se conectan por líneas a las que se aplica retardadores, lo que permite un tiempo de detonación distinto a cada tiro, con la consiguiente mayor fracturación de la roca y minimización del daño en las paredes del rajo. CARGÍO:
El carguío del material tronado se realiza con Palas eléctricas y cargadores frontales. Las palas eléctricas operan con baldes de llenado rápido de 12 y 13 yd^3 () de capacidad, mientras los cargadores frontales utilizan baldes de 11.7 yd^3. Los cargadores frontales se destinan habitualmente al carguío de mineral para la alimentación de Planta de Chancado, mientras las palas orientan su accionar a la extracción de estéril. () yd^3 : 1 Yarda = 0,9144 metros
TRANSPORTE:
Transporte de materiales mina El transporte de mina se distribuye entre el despacho de minerales a Planta de Chancado y acopios, y el material estéril hacia botaderos. Para esto se dispone de una flota de camiones de 50 TM, 91 TM y 140 TM de capacidad. Los caminos de interior mina se encuentran diseñados con una pendiente de 10%, mientras el tramo desde la salida sur de la mina hacia botaderos presenta una pendiente promedio de 4%.
Equipos de Apoyo
Se dispone de la siguiente flota de equipos para el apoyo de las operaciones mineras cargador frontal, tractores sobre orugas, tractor sobre orugas, tractores sobre neumáticos, motoniveladoras. Estos equipos deben construir caminos, mantener las carpetas de rodado de caminos y plataformas de trabajo y apoyar a los equipos de carguío en sus frentes de trabajo.
Procedimiento de clasificación hidronámica: se basa en el principio de que un líquido donde se introducen las partículas de mineral obtenido en los procesos anteriores, por efecto de las diferentes velocidades de caída. Al cabo del tiempo, tendrá lugar una estratificación de éstas, de forma que las de mayor densidad quedarán en las capas inferiores y las de menor en las superiores. CONCENTRACIÓN: Es la operación de separar la mena de la ganga. Los procedimientos son: Flotación: Se separan las partículas de materiales diferentes haciendo que las de uno de ellos flote sobre un líquido y las demás estén sumergidas en él. Separación magnética: Un material con propiedades magnéticas se puede separar de la ganga aplicando al conjunto un campo magnético.
1.1.3 Briqueteado
Se suministra esponja de hierro granular a una prensa de rodillos a temperaturas de 600 a 850ºc para moldeado de briquetas calientes. Se produce una estructura de tira de esponja de hierro que contiene las briquetas calientes formadas, las cuales se colocan a una distancia entre sí. Al desintegrar la estructura de tira, las briquetas calientes se separan entre sí, de manera que se obtienen fragmentos de la estructura de tira. Las briquetas calientes y por lo menos parte de los fragmentos se enfrían a temperaturas en el intervalo desde 20 hasta 400ºc, y las briquetas enfriadas y fragmentos se hacen pasar a través de un tambor giratorio. En el tambor giratorio, se producen finos de grano fino de las briquetas y fragmentos. Posteriormente, estos finos se separan de las briquetas y fragmentos, pues muestran un comportamiento pirofórico.
1.1.4. Peletización
Proceso de Peletización del Hierro
El proceso productivo se inicia con la extracción del mineral de hierro desde las minas en el norte de nuestro país (III y IV regiones). Si el mineral posee bajo contenido de impurezas (principalmente fósforo y azufre), puede ser utilizado para carga directa a Altos Hornos, requiriendo sólo tratamientos de molienda y concentración. Este es el caso de Mina El Romeral. Si, por el contrario, el contenido de impurezas es relativamente alto, se realiza también la molienda y concentración, pero requiere además de un proceso químico de peletización, donde se reducen significativamente dichas impurezas. Este es el caso de las minas Los Colorados y El Algarrobo, en que el mineral se transporta por vía férrea hacia la Planta de Pellet de Valle del Huasco.
PROCESO DE PELETIZACION DEL MINERAL DE HIERRO (PLANTA DE PELLET VALLE DEL HUASCO)
Hemos dispuesto gráficamente este proceso en 2 etapas.
Molienda y Concentración:
En forma simplificada la reacción es :
Carbono + Oxígeno MONOXIDO DE CARBONO GASEOSO
2C + O 2 2CO
Proceso Productivo Siderúrgico
En Chile existe una única Planta Siderúrgica integrada y pertenece a Cía. Siderúrgica Huachipato S.A. (empresa CAP), se ubica en la Bahía de San Vicente, 14 Km. al noroeste de la ciudad de Concepción, capital de la Octava Región, Chile.
Esta planta comenzó sus actividades en 1950. Desde entonces y hasta hoy, mantiene una constante modernización que le permite ser una de las empresas siderúrgicas con mejor tecnología en Latinoamérica en el proceso de transformación del mineral de hierro en Acero.
Siderúrgica Huachipato es una "planta integrada", esto quiere decir que fabrica acero laminado a partir de minerales de hierro, para su utilización directa o para transformaciones posteriores. La diversidad de productos obtenidos en Huachipato es lograda después de un largo y complejo proceso industrial, con tecnología avanzada que lo hace único en Chile.
El Proceso Productivo Siderúrgico lo hemos dividido gráficamente en 6 pantallas debido a su extensión:
1° Etapa:
REDUCCIÓN DEL MINERAL
2° Etapa: FABRICACIÓN DEL ACERO
3° Etapa LAMINACION DEL ACERO 4
1.3 Procesos tecnológicos para la obtención del acero Proceso Tecnologico Para La Obtencion Del Acero Bof Horno Electrico Convertidores Bessesmer Thomas
Desde el punto de vista químico−metalúrgico, todos los procesos de fabricación de acero se pueden clasificar en ácidos y básicos (según el refractario y composición de la escoria utilizada ), y cada proceso tiene funciones específicas según el tipo de afino que puede efectuar. Los procesos ácidos utilizan refractarios de sílice, y por las condiciones de trabajo del proceso hay que poder formar escorias que se saturen de sílice. Los procesos ácidos pueden utilizarse para eliminar carbono, manganeso y silicio; no son aptos para disminuir el contenido en fósforo y azufre, y por esto requieren el consumo de primeras materias seleccionadas, cuyo contenido en fósforo y azufre cumple las especificaciones del acero final que se desea obtener. Los procesos básicos utilizan refractarios de magnesita y dolomía en las partes del horno que están en contacto con la escoria fundida y el metal. La escoria que se forma es de bajo contenido de sílice compensada con la cantidad necesaria de cal. El proceso básico elimina, de manera tan eficaz como el proceso ácido, el carbono, manganeso y silicio, pero además eliminan el fósforo y apreciables contenidos de azufre. De aquí las grandes ventajas del proceso básico, por su gran flexibilidad par consumir diversas materias primas que contengan fósforo y azufre, y por los tipos y calidades de acero que con él se pueden obtener. Desde el punto de vista tecnológico existen tres tipos fundamentales de procesos:
- Por soplado, en el cual todo el calor procede del calor inicial de los materiales de carga, principalmente en estado de fusión.
- Con horno de solera abierta, en el cual la mayor parte del calor proviene de la combustión del gas o aceite pesado utilizado como combustible; el éxito de este proceso se basa en los recuperadores de calor para calentar el aire y así alcanzar las altas temperaturas eficaces para la fusión de la carga del horno.
- Eléctrico, en el cual la fuente de calor más importante procede de la energía eléctrica ( arco, resistencia o ambos ); este calor puede obtenerse en presencia o ausencia de oxígeno; por ello los hornos eléctricos pueden trabajar en atmósferas no oxidantes o neutras y también en vacío, condición preferida cuando se utilizan aleaciones que contienen proporciones importantes de elementos oxidables. En la fabricación de acero existen las fases hierro, escoria y gases. Este sistema heterogéneo tiende a un estado de equilibrio si se adicionan unos elementos reaccionantes o varía la temperatura o la presión. Al fabricar un acero se pretende eliminar de la fase hierro los elementos perjudiciales en acceso y añadir los que faltan para conseguir el análisis final previsto. Por las reacciones reversibles entre las tres fases ( hierro, escoria y gases ) se consigue, al producirse un desequilibrio, la segregación o paso de elementos, eliminar del hierro la escoria, o viceversa. Es necesario un profundo conocimiento de estas reacciones para fabricar un acero con buen resultado. Todo el proceso de obtención de acero consta de un primer período oxidante o de afino, en el que se elimina el Carbono en fase gaseosa; el silicio y el manganeso se oxidan formando compuestos complejos con la escoria, que puede eliminarse; si la escoria es además básica, se elimina el fósforo. El segundo período es reductor y debe eliminar el exceso de óxido de hierro disuelto en el baño del hierro durante el período oxidante, a fín de poder eliminar después el azufre; o puede también recuperar el manganeso oxidado que pasó a la escoria. Finalmente, hay un período de desoxidación o refino por acción de las ferro−aleaciones de manganeso y silicio, que se adicionan en el baño a la cuchara, y de aluminio metálico, en la lingotera. Estos períodos pueden tener mayor o menor duración e importancia y realizarse netamente separados o entrelazados, y a mayor o menor velocidad en unos procesos que en otros. El desescoriado puede ser total o parcial en cada período, o transformar las primeras escorias oxidantes en reductoras. Todo ello dependerá del horno o proceso utilizado, de las condiciones de las materias primas, de los elementos que interesa que pasen a la escoria y no retornen de ésta al baño de hierro, etc.
1.4 Línea de producción y tipos de hornos
DIFERENTES PROCESOS DE PRODUCCIÓN DE HIERRO Y ACERO Una vez obtenido el arrabio o el hierro esponja es necesario refinar al hierro para que se transforme en material útil para diferentes objetos o artefactos, o sea en hierro o acero comercial. A continuación se presentan los principales procesos de fabricación de los hierros y aceros comerciales. Para nuestro curso solo analizaremos el Convertidos Bessemer, Hornos BOF y Hornos eléctricos HORNOS O CONVERTIDORES BESSEMER Es un horno en forma de pera que está forrado con material refractario de línea ácida o básica. El convertidor Bessemer se carga con chatarra fría y se le vacía arrabio derretido, posteriormente se le inyecta aire a alta presión con lo que se eleva la temperatura por arriba del punto de fusión del hierro,
Horno básico de oxígeno
HORNO DE ARCO ELÉCTRICO
Se cargan con chatarra de acero de alta calidad. Son utilizados para la fusión de aceros para herramientas, de alta calidad, de resistencia a la temperatura o inoxidables. Considerando que estos hornos son para la producción de aceros de alta calidad siempre están recubiertos con ladrillos refractarios de la línea básica. Existen hornos de arco eléctrico que pueden contener hasta 270 toneladas de material fundido. Para fundir 115 toneladas se requieren aproximadamente tres horas y 50,000 kwh de potencia. También en estos hornos se inyecta oxígeno puro por medio de una lanza. Los hornos de arco eléctrico funcionan con tres electrodos de grafito los que pueden llegar a tener 760mm de diámetro y longitud de hasta 12m. La mayoría de los hornos operan a 40v y la corriente eléctrica es de 12,000 A. Estos equipos tienen un crisol o cuerpo de placa de acero forrado con refractario y su bóveda es de refractario también sostenida por un cincho de acero, por lo regular enfriado con agua.
Para la carga del horno los electrodos y la bóveda se mueven dejando descubierto al crisol, en el que se deposita la carga por medio de una grúa viajera. Estos equipos son los más utilizados en industrias de tamaño mediano y pequeño, en donde la producción del acero es para un fin determinado, como varilla corrugada, aleaciones especiales, etc. Horno de arco eléctrico
