obtención del hierro (el alto horno)
El dispositivo habitual para obtener hierro a partir de sus minerales es el denominado alto horno. Se trata de una instalación compleja cuyo principal objetivo es la obtención de arrabio, es decir, hierro con un contenido en carbono que oscila entre el 2.6 y el 6.7 % y que contiene otras cantidades de silicio, manganeso, azufre y fósforo que oscilan en torno al 0.5%
El cuerpo central de la instalación denominado alto horno está formado por dos troncos de cono colocados uno sobre otro y unidos por su base más ancha. La pared interior está construida de ladrillo refractario y la exterior es de acero. Entre ambas pasan los canales de refrigeración.
La parte superior del alto horno se denomina tragante. Se compone de dos tolvas en forma de campana, provistas de un dispositivo de apertura y cierre que evita que se escapen los gases en el momento de la carga del material. Éste se induce en el interior del horno en capas alternadas: una capa formada por una mezcla de minerales de hierro, lavado y desmenuzado; una capa de carbón de coque, que es el combustible empleado para la fusión y reducción del mineral; y una capa de material fundente, formado básicamente por caliza, que se encarga de arrastrar la ganga del mineral y las cenizas (escoria). En la cuba se produce el primer calentamiento; se elimina la humedad del mineral y se calcina la caliza. La parte más ancha se denomina vientre y en ella tiene lugar el proceso de fusión del hierro y de la escoria. Bajo el vientre están las toberas, encargadas de insuflar el aire necesario para la combustión. Este aire procede de unas instalaciones denominadas recuperadores de calor, que aprovechan la energía térmica del gas que sale del alto horno.
La parte inferior del horno se llama etalaje y su forma compensa la disminución de volumen del material. En esta zona se depositan la escoria y el hierro fundidos. Como la escoria es de menor densidad que el hierro, queda flotando sobre él. De este modo, se protege el hierro de la oxidación.La extracción de la escoria y del hierro se hace por dos orificios en la parte inferior llamados bigotera y piquera. Una vez iniciado el proceso, los altos hornos funcionan de manera continua y sólo se apagan cuando es necesario efectuar reparaciones, como consecuencia del desgaste del material refractario del recubrimiento de sus paredes. Por lo tanto, la carga y la descarga de material se realizan periódicamente, cada tres o cuatros, aunque este período de tiempo puede modificarse controlando la inyección de aire por las toberas.
El cuerpo central de la instalación denominado alto horno está formado por dos troncos de cono colocados uno sobre otro y unidos por su base más ancha. La pared interior está construida de ladrillo refractario y la exterior es de acero. Entre ambas pasan los canales de refrigeración.
La parte superior del alto horno se denomina tragante. Se compone de dos tolvas en forma de campana, provistas de un dispositivo de apertura y cierre que evita que se escapen los gases en el momento de la carga del material. Éste se induce en el interior del horno en capas alternadas: una capa formada por una mezcla de minerales de hierro, lavado y desmenuzado; una capa de carbón de coque, que es el combustible empleado para la fusión y reducción del mineral; y una capa de material fundente, formado básicamente por caliza, que se encarga de arrastrar la ganga del mineral y las cenizas (escoria). En la cuba se produce el primer calentamiento; se elimina la humedad del mineral y se calcina la caliza. La parte más ancha se denomina vientre y en ella tiene lugar el proceso de fusión del hierro y de la escoria. Bajo el vientre están las toberas, encargadas de insuflar el aire necesario para la combustión. Este aire procede de unas instalaciones denominadas recuperadores de calor, que aprovechan la energía térmica del gas que sale del alto horno.
La parte inferior del horno se llama etalaje y su forma compensa la disminución de volumen del material. En esta zona se depositan la escoria y el hierro fundidos. Como la escoria es de menor densidad que el hierro, queda flotando sobre él. De este modo, se protege el hierro de la oxidación.La extracción de la escoria y del hierro se hace por dos orificios en la parte inferior llamados bigotera y piquera. Una vez iniciado el proceso, los altos hornos funcionan de manera continua y sólo se apagan cuando es necesario efectuar reparaciones, como consecuencia del desgaste del material refractario del recubrimiento de sus paredes. Por lo tanto, la carga y la descarga de material se realizan periódicamente, cada tres o cuatros, aunque este período de tiempo puede modificarse controlando la inyección de aire por las toberas.
procesos de fabricación de aceros
Entre los dispositivos empleados para la fabricación del acero destacan el convertidor desarrollado por Bessemer y Thomas, el convertido LD, el horno de siemens-martín y los hornos eléctricos.
cONVERTIDOR DE bESSEMER Y THOMAS
Es un recipiente metálico basculante recubierto por material refractario. El proceso de afino duraba entre 15 y 20 min. y tenía tres fases: llenado, soplado y vaciado:
- En la fase de llenado, se inclinaba el convertidor para facilitar su llenado con el arrabio fundido procedente del alto horno.
- En la fase de soplado, se situaba el convertidor en vertical y se inyectaba aire a presión a través de unos orificios del fondo, esto oxidaba el carbono, el silicio y el manganeso y el calor desprendido en la oxidación permitía mantener la temperatura de fusión del arrabio.
- La fase de vaciado se iniciaba una vez quemadas las impurezas. Se inclinaba de nuevo el convertidor y se vertía el acero en las lingoteras.
convertidor ld
Se trata de un dispositivo que permite obtener acero por soplado de oxígeno. Por eso también se le conoce con el nombre de horno de oxígeno básico. Pero a diferencia del caso anterior el aire se inyecta a presión hasta la superficie del material fundido por medio de una lanza refrigerada por agua. Fases:
- En la fase de llenado se inclina el convertidor y se introduce en él, en primer lugar, el arrabio líquido procedente del alto horno; a continuación, la chatarra de acero y, finalmente, el fundente encargado de formar y arrastrar la escoria. Una vez cargado se pone vertical.
- En la fase de afino se inyecta oxígeno mediante la lanza refrigeradora a una presión de 12 atmósferas. Se oxida el carbono hasta reducir su contenido por debajo del 1 %. La reacción del carbono con el oxígeno es muy rápida y produce altas temperaturas que mantienen el material en estado líquido. Al mismo tiempo, se elimina el exceso de fósforo, azufre y silicio. Al final del proceso se le añaden en el interior del convertidor los aleantes en la proporción adecuada para conseguir el acero que se desea.
- En la fase de vaciado se inclina el convertidor sobre su costado con el fin de eliminar la escoria que sobrenada y, después, se bascula totalmente para vaciar el acero.
el horno de siemens-martín
Fue el primer dispositivo que permitió la obtención de acero a partir de chatarra. Es un gran horno de reverbero, de forma rectangular y techo abovedado y dispone de cámaras para el precalentamiento de combustible empleado, que suele ser gas.
La carga del material se realiza por la parte superior del horno mediante dispositivos especiales. Funciona con arrabio procedente del alto horno o arrabio mezclado con chatarra y mineral de hierro. En cualquier caso se le añade cal para que arrastre la escoria. El proceso afino consiste en quemar el combustible precalentado en el interior del horno hasta que alcanza los 1800 grados. A esta temperatura las impurezas que contiene el material se oxidan y se eliminan.
Cuando se estima que el contenido en carbono es el adecuado, se añaden los aleantes apropiados y se extrae la colada de acero.
Lo malo es que consume mucho y la calidad del producto es peor.
La carga del material se realiza por la parte superior del horno mediante dispositivos especiales. Funciona con arrabio procedente del alto horno o arrabio mezclado con chatarra y mineral de hierro. En cualquier caso se le añade cal para que arrastre la escoria. El proceso afino consiste en quemar el combustible precalentado en el interior del horno hasta que alcanza los 1800 grados. A esta temperatura las impurezas que contiene el material se oxidan y se eliminan.
Cuando se estima que el contenido en carbono es el adecuado, se añaden los aleantes apropiados y se extrae la colada de acero.
Lo malo es que consume mucho y la calidad del producto es peor.
- Los hornos eléctricos más empleados son el de arco y el de inducción y no se utilizan para obtención del acero sino para procedimientos de afino del acero que procede de los dispositivos anteriores
horno eléctrico de arco
Consta de un recipiente de acero, de forma cilíndrica, recubierto en su interior por ladrillo refractario y provisto de circuito de refrigeración. La parte superior puede separarse para facilitar la carga y está atravesado por dos o tres electrodos de carbón. Una vez cargado con el acero que se desea afinar, se cierra el recipiente y se hacen saltar potentes arcos voltaicos entre los electrodos y el material. Se alcanzan temperaturas muy altas que permiten fundir metales de elevada temperatura de fusión, como el molibdeno, el volframio, el níquel, el vanadio, el titanio...
Horno de inducción
Como el anterior, consiste en un recipiente cilíndrico de acero en cuya parte exterior lleva una bobina eléctrica de inducción. El interior también está protegido con material refractario. Una vez cargado con el material, se hace circula una corriente eléctrica de alta frecuencia por la bobina. Esta corriente induce en el interior del material del horno unas corrientes eléctricas, denominadas corrientes de Foucault, que producen un enorme aumento de temperatura capaz de fundirlo.
Tratamiento de la colada
- El acero fundido que se obtiene a partir de cualquiera de los procedimientos descritos recibe el nombre de colada para su posterior transformación mediante los procesos de: vaciado de lingoteras y la colada continua.
- El proceso de vaciado en lingoteras consiste en verter la colada en moldes (lingoteras) y cuando se solidifica se retira el molde y se obtiene el lingote. En desuso ya que los lingotes deben volver a fundirse para someterlos a tratamiento.
- La colada continua, que consiste en verter el metal fundido sobre moldes de fondo desplazable cuya sección tiene la forma del producto que se desea obtener. A medida que va avanzando el producto, se va solidificando. Finalmente se corta a la medida deseada.
- La siderurgia integral parte de la reducción del mineral de hierro en el alto horno y disponen de instalaciones de producción de acero y de tratamiento de la colada: