OBTENCION HIERRO
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OOBBTTEENNCCIIÓÓNN DDEE HHIIEERRRROO,, AACCEERROOSS YY
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Profesor: RROODDRRÍÍGGUUEEZZ RROODDRRÍÍGGUUEEZZ MMaarriiaannoo
Integrantes del Grupo: CPAEMCER LÓPEZ JORGE
CPAEMCGE MESA JULIO
MATERIALES Y ESTRUCTURA
TRABAJO PRACTICO N: 1
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1.- Defina el concepto de metalurgia. ¿Qué es la siderurgia?
Metalurgia es la ciencia y tecnología de los metales, que incluye su extracción a partir
de los minerales metálicos, su preparación y el estudio de las relaciones entre sus
estructuras y propiedades.
Los procesos metalúrgicos constan de dos operaciones.
La concentración, que consiste en separar el metal o compuesto metálico del
material residual que lo acompaña en el mineral.
El refinado, en el que se trata de producir el metal en un estado puro o casi puro,
adecuado para su empleo.
Tanto para la concentración como para el refinado se emplean tres tipos de procesos:
Mecánicos.
Químicos
Eléctricos.
En la mayoría de los casos se usa una combinación de los tres.
La siderurgia es la técnica del tratamiento del mineral de hierro para obtener diferentes
tipos de éste o de sus aleaciones.
2.- Mineral de hierro.
a. ¿Qué es el mineral de hierro y para qué se utiliza?
b. Enuncie el concepto de Ley de un Mineral.
c. Nombre cuatro (4) de las variedades más conocidas.
a.- El mineral de hierro es un metal maleable, de color gris plateado y presenta
propiedades magnéticas; es ferromagnético a temperatura ambiente y presión
atmosférica. Es extremadamente duro y pesado. Se encuentra en la naturaleza
formando parte de numerosos minerales, entre ellos muchos óxidos y raramente
se encuentra libre.
El hierro es el metal 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
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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.
b.- El concepto de Ley de un Mineral es la concentración que presenta el elemento
químico de interés en el mineral. Se expresa como tantos por ciento, o como
gramos por tonelada (g/t) (equivale a partes por millón, ppm) u onzas por
tonelada (oz/t).
Cuando encuentran una roca mineral, está compuesta por muchos tipos distintos
de moléculas, que forman óxidos y sulfatos de distintos materiales. Cuando
hablan de la ley del material, se refieren a la cantidad de un elemento puro
(cobre, plata, oro, etc.) contenido en cantidad de volumen de roca/mineral
encontrada.
c.- Las cuatro (4) variedades más conocidas son:
HEMATITA (mena roja) 70% de Hierro
MAGNETITA (mena negra) 72,4% de Hierro
SIDERITA (mena café pobre) 48,3% de Hierro
LIMONITA (mena café) 60,65% de Hierro
3.- Explique los tres procesos del tratamiento del mineral.
a. Molienda.
b. Concentración (método seco, húmedo y magnético)
c. Aglomeración (sinterizado, pelletizado)
a.- MOLIENDA: Operación de reducción de tamaño de un mineral realizada
posteriormente a la trituración, que es la reducción inicial del tamaño del
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mineral hasta un grado que permita su molienda; puede ser de tipo primario o
secundario según el tamaño requerido del producto.
Existen dos (2) tipos :
Molienda autógena: Proceso de reducción de tamaño llevado a cabo en un
cilindro rotatorio en el cual el efecto moledor es causado por la fricción
mutua entre las partículas de mineral.
Molienda semiautógena (SAG): Método de molienda de roca y minerales en
el cual el medio moledor está compuesto por trozos grandes del mismo
material que se intenta moler y bolas de acero.
b.- CONCENTRACION (método seco, húmedo y magnético)
Es la separación de los minerales valiosos de los estériles, para obtener un alto
contenido de la parte valiosa que puede ser comercializado en el procesamiento
de las fundiciones.
La concentración puede realizarse por cualquiera de los siguientes métodos:
Gravimetría (método seco): Consiste en la separación sólido – sólido
utilizando la diferencia entre las gravedades específicas de los minerales. Se
utiliza especialmente en la concentración de minerales de oro, estaño,
tungsteno, plata, plomo y otros.
Flotación (método húmedo): Su aplicación se basa en la diferencia entre las
propiedades superficiales de las partículas. Es el método más importante de
concentración y tiene aplicación en la obtención de concentrados de
sulfuros fundamentalmente, de carbonatos, silicatos, óxidos, fosfatos y
carbones.
Magnetismo: Método de concentración que utiliza la diferencia entre las
susceptibilidades magnéticas de los minerales.
c.- AGLOMERACION (sinterizado y peletizado)
Término general que describe la tendencia de las grandes moléculas o las
partículas coloidales a combinarse en masas, especialmente en solución. En el
caso de minerales, consiste en la formación de terrones a partir del mineral fino
mediante la acción de un aglomerante o por compactación.
Sinterizado: Es un proceso de aglomeración de partículas finas que se unen
mutuamente para formar trozos grandes debido a la fusión incipiente de sus
bordes por efecto de la alta temperatura.
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Peletizado: Proceso de aglomeración mediante el cual se forman bolas de
mineral fino con el uso de una sustancia aglomerante. En ocasiones incluye una
etapa final de cocción para aumentar la resistencia mecánica y la porosidad de
los pelets.
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4.- ¿Qué es el coque? ¿Mediante qué procesos se obtiene?
El coque es un residuo sólido, liviano y poroso. Al calentar carbón en hornos, en
ausencia de aire y a una temperatura de entre 900 y 1300ºC; se desprende una mezcla
de gases y líquidos. Esta se separa en gas de hulla, en una solución acuosa de amoníaco
llamada licor amoniacal, y en alquitrán de hulla. El sólido que queda es el coque que
contiene un 80% de carbono.
El coque es un combustible de extraordinaria importancia en la industria siderúrgica.
Se utilizan en los altos hornos para el calentamiento, para el soporte de las cargas y
para producir el óxido de carbono que sirve para reducir y transformar los minerales de
hierro en arrabio o fundición.
5.- Alto horno.
a.- ¿Qué es el alto horno?
b.- Nombre sus partes fundamentales.
c.- ¿Qué productos forman parte de la carga?
d.- ¿Qué productos se obtienen del mismo?
a.- El alto horno es un horno de cuba, vertical y alto, empleado principalmente
para la producción de hierro, y en el cual la carga sólida está constituida por
mineral de hierro o chatarra, coque y fundentes que descienden lentamente
mientras que los gases reductores generados en la parte inferior ascienden
rápidamente.
En general los altos hornos tienen un diámetro mayor a 8 mts y llegan a tener
una altura superior de los 30 mts, están revestidos de refractario de alta calidad.
b.- Sus partes fundamentales son:
Tolva.
Chimenea.
Etalaje y cuba (zona intermedia donde la temperatura desciende de los
1100°C hasta los 800°C.)
Tobera de inyección.
Crisol (Cavidad de los hornos en que se recoge el metal fundido.)
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c.- Los productos que forman parte de su carga son:
Mineral de hierro.
Coque.
Piedra caliza.
Aire.
Los tres primeros se extraen de minas y son transportados y preparados antes de
introducirse al alto horno para que tengan la calidad, el tamaño y la temperatura
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adecuada, esto se logra por medio del lavado, triturado y cribado de los tres
materiales.
d.- Los productos que se obtienen del mismo son:
1.- El ARRABIO un hierro de poca calidad, su contenido de carbón no está
controlado y la cantidad de azufre rebasa los mínimos permitidos en los
hierros comerciales. Sin embargo es el producto de un proceso conocido
como la fusión primaria del hierro y del cual todos los hierros y aceros
proceden.
2.- La ESCORIA que es la resultante de los procesos de fusión y refinación
de metales, que contiene la mayor parte de las impurezas.
RECEPCION Y PREPARACION REDUCCION DEL MINERAL DE HIERRO
DE MATERIAS PRIMAS PARA TRANSFORMARLO EN ARRABIO
PELETS DE HIERRO
GRANZAS DE HIERRO
CALIZA
CARBONES MINERALES
ARRABIO
CARRO TORPEDO ESCORIA
ALTO
HORNO
REFINACION DEL
ARRABIO
DESCARGA EN PUERTO PROPIO
COQUE
MATERIAS PRIMAS
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6.- Obtención del acero.
a.- Explique el convertidor Bessemer y cómo funciona. Enuncie la principal diferencia con el Thomas.
b.- Explique el Convertidor moderno y algunas de sus variantes (LD, OLP, OBM)
c.- Explique cómo funciona el horno Siemens – Martin.
d.- Explique hornos eléctricos de arco y de inducción y sus diferencias.
a.- El convertidor Bessemer es un horno en forma de pera que está forrado con
material refractario de línea ácida o básica. El convertidor 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, haciendo que este hierva. Con lo anterior las impurezas son eliminadas y
se obtiene acero de alta calidad.
En el caso del convertidor básico, llamado ―proceso Thomas‖, el revestimiento
es de magnesita o dolomía calcinada y alquitrán. Por la acción fuertemente
oxidante del soplado se elimina primero el carbono y después se oxida el
fósforo, que actúa de importante elemento termógeno. La cal necesaria se añade
con la carga; se funde durante el soplado y se combina con el fósforo oxidado,
formando la escoria Thomas, utilizada como fertilizante. Se controla como el
Bessemer por el aspecto de la llama. El tiempo necesario del soplado es sólo de
15 min., por lo que el éxito del proceso depende de la pericia del operario.
b.- En el convertidor moderno durante el proceso básico de oxígeno, el acero
también se refina en un horno en forma de pera que se puede inclinar en sentido
lateral. Sin embargo, el aire se sustituye por un chorro de oxígeno casi puro a
alta presión. El oxígeno se combina con el carbono y otros elementos no
deseados e inicia una reacción de agitación que quema con rapidez las
impurezas del arrabio y lo transforma en acero. El proceso de refinado tarda 50
minutos o menos.
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Proceso LD, que es una de sus variantes, significan Linz-Donawitz; es un
proceso de refinación de acero que utiliza oxígeno puro. El uso de estas
siglas se popularizó porque este proceso se desarrolló en 1948 en las
proximidades de estas dos ciudades austríacas.
Proceso OLP (Oxigen Lance Poudre) Toda la cal se añade inyectada por la
lanza de oxígeno. Por lo demás, hay dos períodos de soplado separados por
un desescoriado. Este proceso fue desarrollado por el Institute de Recherches
Metallurgiques (IRSID) de París.
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Proceso OBM (Oxigen Bottom Max-Chütte) y Q-BOP (Quiet Basic Oxigen
Process). Es el proceso de inyectar oxígeno puro por las toberas del fondo.
Se inyecta oxígeno y gas natural por toberas concéntricas, el calor generado
en el fondo del convertidor descompone los hidrocarburos que llegan por la
tobera envolviendo al oxígeno. Esta descomposición, una especie de
cracking, que es endotérmica, produce una fuerte refrigeración del refractario
próximo a las toberas, evitando su destrucción.
En este proceso las reacciones metal-escoria son muy rápidas gracias a la
agitación generadora de interfases, y la operación sólo dura unos 15 a 20
minutos.
c.- El funcionamiento de un horno Siemens – Martin o ―Proceso sobre solera
abierta‖ se basa en que durante el calentamiento, y conseguida la fusión de la
carga, aumenta su oxidación por la acción de la atmósfera del horno, que debe
contener un exceso de oxígeno para mantener una combustión eficaz. Cuando
la chatarra está parcialmente fundida, se añade el hierro líquido necesario para
completar el peso total de la carga. La acción oxidante tiene su origen en el
proceso de afino por solera, en la atmósfera del horno, en el aire y productos de
la combustión y en el mineral de hierro que pasa a la escoria fundida en gran
cantidad en forma de óxido de hierro. Cualquiera que sea el origen del oxígeno,
existirá suficiente presión del mismo, y el acero líquido disolverá, de acuerdo
con su temperatura y composición, una cantidad de oxígeno. La escoria es un
producto de la calcinación de la pieza caliza durante el período de fusión. La
primera carga del horno tarda 10 h en ser fundida y estar lista para la colada,
pero si se agrega oxígeno se logra tener resultados en menos de 7 h, además de
que se ahorra el 25% de combustible.
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d.- En algunos hornos el calor para fundir y refinar el acero procede de la
electricidad y no de la combustión de gas. Una vez cargado el horno se hacen
descender unos electrodos hasta la superficie del metal. La corriente eléctrica
fluye por uno de los electrodos, forma un arco eléctrico hasta la carga metálica,
recorre el metal y vuelve a formar un arco hasta el siguiente electrodo. La
resistencia del metal al flujo de corriente genera calor, que —junto con el
producido por el arco eléctrico— funde el metal con rapidez.
Los hornos de inducción 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. Estos hornos se cargan con piezas sólidas de metal, chatarra de alta
calidad o virutas metálicas. El tiempo de fusión toma entre 50 y 90 min.
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7.- ¿Cómo se obtienen las fundiciones? Explique el funcionamiento del cubilote, sus elementos de carga y sus productos resultantes.
Las fundiciones (aleaciones de hierro – carbono de un 2% al 6,67% de carbono), se
obtienen del proceso de fundición en los hornos de cubilote. Obtienen su forma
definitiva por colada, lo que permite la fabricación de piezas tanto de grandes como de
pequeñas dimensiones y con formas complicadas. En comparación con los aceros, las
fundiciones poseen una serie de ventajas como:
Son más económicas.
Son más resistentes a esfuerzos de compresión.
Presentan una excelente maquinabilidad.
Presentan excelentes características para resistir vibraciones y para lubricar
superficies de apoyo.
Pero también presentan las siguientes desventajas:
Son materiales más frágiles y quebradizos.
No admiten deformaciones por forja ni laminación
El cubilote es un tipo de horno cilíndrico vertical de aproximadamente 6 metros de
alto, el cual lleva los metales hasta el estado líquido y permite su colado, puede ser
utilizado para la fabricación de casi todas las aleaciones de hierro, tiene ventilación
forzada por toberas ubicadas en la parte inferior del mismo.
En esta clase de horno se empieza por encender un fuego sobre el fondo del crisol, a
continuación de la solera, denominada carga de coque de encendido, hasta alcanzar el
nivel de las toberas, el material se distribuye a continuación en forma de capas de
aproximadamente 30 o 40 cm en su interior, alternado con carbón el cual permite que
el proceso sea continuo.
El fuego asciende progresivamente hasta que todo el coque está caliente, alimentado
por tiro natural, el aire es succionado a través de los agujeros de limpieza y de escoria
que se mantienen abiertos. A veces se emplean toberas auxiliares o un pequeño
soplante para quemar rápidamente el lecho del coque. Cuando el coque está bien
encendido se cierra con arena el agujero de limpieza y se tapa con una placa de acero.
El fundente, que normalmente es caliza, se carga con el coque. Cuando el cubilote está
lleno se comienza el soplado, y a los 5 ó 7 min. el metal se va acumulando en el crisol
o pozo y cuando se supone que hay cantidad suficiente (según experiencia), se sangra
el horno.
Mientras tanto se siguen añadiendo cargas de metal y coque para reemplazar al metal
fundido y así se continúa hasta el fin de la colada. La escoria se sangra por el agujero
correspondiente a intervalos de 45 a 60 min. o siempre que se considere que se ha
acumulado en el horno demasiada escoria.
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En los cubilotes con ante crisol el sangrado es continuo. El metal y la escoria fluyen
continuamente al ante crisol a través del agujero de colada y en él se separan por
densidades.
Al fin de la colada se deja de cargar y se mantiene el viento hasta que por inspección, a
través de las toberas, se vea que todo el metal ha fundido. Inmediatamente se suprime
el soplado retirándose parte del coque que aún continua sin quemar.
Sus elementos de carga (materias primas) usuales son:
El coque.
Fundentes (caliza)
Arrabio.
Chatarra.
A través del proceso de fundición se pueden producir una gran variedad de hierros,
pero dentro de esa gran gama de productos se trabajan habitualmente tres tipos:
El gris.
El blanco.
El nodular.
C
REFERENCIAS:
A) Envoltura cilíndrica. B) Revestimiento interno. C) Chimenea. D) Boca de carga. E) Cámara de aire. F) Toberas. G) Piquera de escoria. H) Puerta laterales de encendido. I) Canal de colada. J) Solera. K) Plancha base. L) Columna de apoyo. M) Crisol.
………..……………..……….. ………..……………..……….. LOPEZ JORGE MESA JULIO CPAE CPAE
A
B
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M