Primer período de la siderurgia se remonta 1400 años a. C. Fabricación del hierro se hacía en una sola etapa, reducción directa del mineral; se

Transcripción

1 FUNDICIÓN

2 Primer período de la siderurgia se remonta 1400 años a. C. Fabricación del hierro se hacía en una sola etapa, reducción directa del mineral; se obtenían pequeñas partículas metálicas de aspecto esponjoso, luego las partículas se reunían y se les daba forma por martillado en caliente Proceso prácticamente abandonado en el siglo XIX, (en la actualidad es practicado por pueblos primitivos que viven en lugares remotos de África).

3 Segundo período de la siderurgia (mediados siglo XIV). Fabricación del hierro en dos etapas: la fundición se obtenía en estado líquido en un horno alto, y partiendo de la fundición líquida y oxidándola, se obtenía el hierro en hornos bajos o de pudelar en una consistencia pastosa.

4 Experimentos de fundición en la Edad de Hierro por estudiantes de arqueología de la Universidad de Bournemouth. Reducción directa

5

6 Diagrama de obtención del hierro y proceso de aceración

7

8

9 Minerales de hierro más comúnmente explotados Mineral Formula Química Riqueza Teórica % Peso Específico Color más Frecuente Magnetita Fe 3 O negro-gris Hematitas Rojas Fe 2 O rojo Hematitas Pardas NFe 2 O 3 MH 2 O amarillo-rojizo Carbonato (siderita) FeCO pardo Magnetita Siderita Hematita roja Hematita parda

10 Preparación mineral del

11 El coque es un material poroso de alta resistencia a la compresión. El cual debe de contener un mínimo de azufre y de cenizas.

12 Composición del coque siderúrgico Carbono fijo 85 a 90% Volátiles 2% Cenizas 8% Azufre 1% Poder calorífico kcal/kg Menor porcentaje de volátiles (combustión sin llamas ni humo) Gran resistencia a la compresión (mayor a 100 kg/cm 2 ) material de soporte- Elevado índice de superficie a peso (porosidad) Representa del 50 al 70 % del costo total

13 Composición de las cenizas del coque Es muy importante que el porcentaje de azufre sea menor del 1% y que el de las cenizas sea menor del 9%; éstas deben ser fácilmente escorificables. Normalmente se requiere 1.6 kg de caliza por cada kg de ceniza. SiO 2 35% Al 2 O 3 25% CaO 15% MgO 5% P 0.15% Fe 2 O 3 15%

14 Esquema General de una Batería de Coque con Fabricación de Subproductos. Calentamiento hasta temperaturas de entre 900 a 1250 C, con una duración de entre 16 y 24 h (4h por 0.1m de ancho)

15 Forma en la que han evolucionado los altos hornos Año Capacidad (ton/d) Crisol (m) Volumen (m 3 ) Producción Kg/m 3 - d Temperatura del Aire C Consumo Coque

16 Instalación de un alto horno.

17 De las estufas de calentamiento el aire pasa al anillo de viento y de ahí es suministrado al horno a través de las toberas. Estas piezas son normalmente de cobre y se refrigeran con agua; su número es variable y depende del tamaño del horno, siendo del orden de: Diámetro horno (m) Número toberas del de Las dimensiones de los primeros hornos (siglo XVII) estuvieron limitadas por la capacidad de alimentación de aire, en esta etapa suministrada por fuelle (presión 0.05kg/cm 2 ). Posteriormente se emplearon sopladores por pistón (hasta cuatro veces mayor presión) y soplantes movidos por vapor.

18 CAPÍTULO 1 Introducción

19

20

21 Reacciones químicas que se producen en el alto horno al reducir hematita roja. Fases principales para la obtención del arrabio: 1. Combustión del coque y de otros combustibles (condiciones necesarias para la reducción). 2. Reducción de los óxidos presentes. 3. Carburación del hierro y fusión del arrabio. 4. Separación del arrabio y escorias por diferencia de densidad. La carga sólida en descenso dura de 12 a 18 h

22 Obtención del hierro por alto horno. a) Componentes de Ingreso y salida b) Distribucion de Zonas c) Perfil de Temperaturas

23 CAPÍTULO 1 Introducción Fuentes: Hierro Hematitas( Fe 2 O 3 ); Magnetita ( Fe 3 O 4 ); Siderita (FeCO 3 ), Limonita FeO(OH) Propiedades: Densidad: 7,874 g/cc Color del hierro puro: gris plata El Fe puro es bastante reactivo. En el aire húmedo se oxida con rapidez formando un óxido férrico hidratado (herrumbre) que no sólo no lo protege sino que lo separa en escamas, exponiendo al aire nuevas superficies metálicas. Se reduce: Fe 3+ + I - = Fe 2+ + ½ I 2. El color rojo intenso de los complejos con SCN - se utiliza como prueba para el ion férrico..

24 CAPÍTULO 1 Introducción Procesos y reacciones Reducción de la mena: Fe 2 O 3 A) Formación de agentes reductores: (CO2 y CO) C (g) + O 2(s) CO 2(g) CO 2(s) + C (s) 2CO (g) (>1700ºC) (1300ºC) B) Reducción del hierro: Fe 2 O 3 1) Parte superior: (500ºC) 3Fe 2 O 3 (s) + CO (g) 2Fe 3 O 4 (s) + CO 2 (g) + H 2) Parte media del horno : (850ºC) Fe 3 O 4 (s) + CO (g) 3FeO (s) + CO 2 (g) + H 3) Fondo del horno: (1300ºC) FeO (s) + CO (g) Fe (l) + CO 2 (g) + H

25 CAPÍTULO 1 Introducción Función de la caliza (fundente) La función del fundente es reaccionar con la ganga y cenizas presentes reduciendo la temperatura de fusión de la escoria resultante. La composición más idónea de la escoria se puede ajustar a través del índice de basicidad, que está definido por el siguiente cociente: I.B.= CaO+ MgO SiO + Al O Es conveniente que dicho índice sea del orden de 1, para que así la temperatura de fusión sea mínima, al igual que esta proporción de cal y sílice (CaO/SiO) favorece la desulfuración.

26 CAPÍTULO 1 Introducción Reacciones de formación de escoria CaCO 3(s) CO 2 (g) + CaO (s) ( ºC) CaO (s) + SiO 2 (s) CaSiO 2 (s) ( ºC) MgO (s) + SiO 2 (s) MgSiO 2 (s) ( ºC) 3CaO (s) + P 2 O 5 (s) Ca 3 (PO 4 ) 2(s) ( ºC) CaO (s) + Al 2 0 3(s) CaAl 2 O 4(s) ( ºC)

27 CAPÍTULO 1 Introducción Arrabio El arrabio o hierro de primera fusión obtenido en el alto horno se caracteriza por contener elevados porcentajes de carbono, manganeso y silicio así como también fósforo. Una composición típica es la siguiente: C = 3.5% Mn = 1% Si = 2% P = 0.1% S = 0.04%

28 CAPÍTULO 1 Introducción Fig Colada de Acero.

29 CAPÍTULO 1 Introducción Fig Proceso de colada continua. Introducción desde la década de 1860 s. Inicialmente se desarrollo para materiales no ferrosos.

30 CAPÍTULO 1 Introducción Fig Descripción esquemática de una máquina de colada continua de 5 hilos.

31 CAPÍTULO 1 Introducción Fig Planta de de colada continua de planchón de Arcelormittal Dunkerque, Francia.

32 CAPÍTULO 1 Introducción Fig Planta de colada continua de palanquilla de 5 hilos.

33 CAPÍTULO 1 Introducción Fig Consumo de energía a través de las diferentes vías de producción del acero, a esto habrá que sumar la requerida para el transporte [Worldsteel, 2009].

34 CAPÍTULO 1 Introducción Ejemplo. Se carga un alto horno con mineral de hierro, caliza y coque con lo siguiente: Análisis en % (Peso) Material Fe 2 O 3 SiO 2 MnO Al 2 O 3 H 2 O C CaCO 3 Mineral Hierro Caliza Coque La composición del arrabio producido es: C: 4%, Si: 1,2%, Mn: 1%, Fe: 93.8% La masa de los gases de salida por tonelada de arrabio es 2.4 ton. Su composición es: CO: 26%, CO 2 : 12%, H 2 O: 4%, N 2 : 58% Calcular: a) La riqueza del mineral b) La cantidad de mineral de hierro utilizada por cada tonelada de arrabio producido. c) La cantidad de coque utilizado por cada tonelada de arrabio producido.

35 CAPÍTULO 1 Introducción min 2 3 Arrabio min 0.8(0.7) 100% Fe Ejemplo. 2(56) Fe en Fe2O (56) 3(16) R Fe O Fe 93.8%, 6.2% resto 1 Ton(arrabio)=938 kg Fe M kg 0.56

36 CAPÍTULO 1 Introducción Ejemplo. afe O bco cfe dco b 3, d 3, 3a 3, a 1, c 2 Fe O 3CO 2Fe 3CO masas 1 Ton (arrabio) 1728(0.8) 1382 kg Fe O M CO (84) 725 kg 160 Masa gases 2.4Ton 0.26(2.4) 624 kg Masa total CO kg

37 CAPÍTULO 1 Introducción C O CO Ejemplo. masas 1349 (12) 578 kg 28 M M M kg Tot C gases A Masa coque kg 0.9

38 CAPÍTULO 1 Introducción Ejemplo. Un alto horno con capacidad de producción 5,000 toneladas diarias, de arrabio (3% C, 1.5% Si, 0.4% Mn, 0.1% P) es alimentado con una mezcla de minerales Fe 2 O 3 con una riqueza promedio de 60%. El horno es alimentado con un coque metalúrgico con una composición de 86% C 12% cenizas 2% volátiles. La fabricación del coque tarda en promedio 18 hrs por carga, donde cada cámara produce 16 toneladas por ciclo. Considerando que la producción de coque es un 25% mayor de la requerida -estequiométrica-, determine el número de cámaras de la planta de coquización.

39 CAPÍTULO 1 Introducción Ejemplo. Un alto horno con capacidad de producción 4,000 toneladas diarias, de arrabio (3% C, 1.4% Si, 0.5% Mn, 0.2% P) está alimentado con un mineral constituido por un 70% de hematitas rojas (Fe 2 O 3 ), 10% de magnetita (Fe 3 O 4 ), 10% de siderita (FeCO 3 ) y el resto material inerte. El horno es alimentado con un coque metalúrgico con una composición de 86% C, 12% cenizas (70% SiO 2, 15% Al 2 O 3, 15%MgO) y el resto es material volátil. El material inerte tiene una relación 70/30 de compuestos ácidos a básicos. El coque tiene un precio de 250 dólares la tonelada, mientras que el del mineral es de 50 y la caliza 60. En base a lo anterior y tomando en cuenta que el costo operativo es de 75 dólares por tonelada de mineral, determine el costo de producción del arrabio. Considere que la masa de coque que se carga al horno es un 20% mayor de la requerida -estequiométrica-.

40 CAPÍTULO 1 Introducción Ejemplo. Una planta de reducción directa HyL3 está diseñada para producir 500 mil toneladas por año. La planta utiliza como materia prima una mezcla de hematitas pardas (2Fe 2 O 3 *3 H 2 O) y hematitas rojas (Fe 2 O 3 ) en 40% y 50% respectivamente, siendo el resto material inerte. El Fe esponja producido presenta un grado de metalización del 90%, teniéndose el óxido remanente en forma de FeO, así mismo presenta un 2% de carbono. Con base en lo anterior diga Cuál será la cantidad de mineral requerida para el mes de junio?

41 udiatem Fac. Ingeniería, UNAM Unidad de Investigación y Asistencia Técnica en Materiales