Producción de Hierro y Acero: Procesos y Materiales

Conceptos Básicos: Mena y Ganga

Una mena es un mineral del que se puede extraer un elemento, generalmente un metal. Se dice que un mineral es mena de un metal cuando, mediante minería, es posible extraer ese mineral de un yacimiento y luego, mediante metalurgia, obtener el metal de ese mineral.

Asociado al concepto de mena, está el de ganga. La ganga es el conjunto de minerales que, en un yacimiento, se encuentra en la roca explotada junto a la mena. La ganga hace que la ley del metal disminuya, por lo que es necesario separarla de la mena, como primera etapa en la concentración.

Las menas suelen ser óxidos, sulfuros o silicatos.

Arrabio: Materia Prima para el Acero

El arrabio es el material fundido que se obtiene en el alto horno mediante la reducción del mineral de hierro. Se utiliza como materia prima en la obtención del acero.

Materiales Ferrosos: Hierro y Carbono

Los materiales ferrosos son aquellos que están basados en el hierro. Entre los de mayor importancia se encuentran las aleaciones de hierro y carbono. Estas aleaciones se dividen en dos grupos: los aceros y las fundiciones de hierro.

Producción del Hierro y del Acero

Materias Primas

La mena principal usada en la producción de hierro y acero es la hematita (Fe₂O₃). Otras menas pueden ser la magnetita (Fe₃O₄), la siderita (FeCO₃) y la limonita (Fe₂O₃-1.5H₂O). Generalmente, estas menas contienen entre un 50 y un 70% de hierro.

Otras materias primas que se utilizan para extraer el hierro de sus menas son el coque y la piedra caliza.

• Coque: Es un combustible con alta concentración de carbono que desempeña dos funciones en el proceso de reducción:
  1. Proporciona calor para la reacción química.
  2. Produce monóxido de carbono para reducir las menas de hierro.
• Piedra caliza: Se destaca por contener altas proporciones de carbonato de calcio, que sirve de reactivo para remover el hierro de su mena.

Principales Minerales de Hierro

Los principales minerales de los que se extrae el hierro 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.

Proceso de Producción del Hierro en el Alto Horno

¿Cómo se Produce el Hierro?

Para producir el hierro, se deja caer por la parte superior de un gran horno, una carga de menas de hierro, coque y piedra caliza. En este horno se hace pasar una corriente de gases calientes a gran velocidad desde la parte baja de la cámara para realizar la combustión y la reducción del hierro. La carga desciende lentamente desde lo alto del horno hacia la base, alcanzando temperaturas de hasta 3000 °F. Este calor realiza la combustión del coque en su proceso de bajada. El hierro se funde y se va almacenando en la base del horno.

Descripción del Alto Horno

En general, los altos hornos tienen un diámetro mayor a 8 m y llegan a tener una altura superior de los 60 m. Están revestidos de refractario de alta calidad. Los altos hornos pueden producir entre 800 y 1600 toneladas de arrabio cada 24 h. La caliza, el coque y el mineral de hierro se introducen por la parte superior del horno por medio de vagones que son volteados en una tolva.

Para producir 1000 toneladas de arrabio, se necesitan 2000 toneladas de mineral de hierro, 800 toneladas de coque, 500 toneladas de piedra caliza y 4000 toneladas de aire caliente. Con la inyección de aire caliente a 550°C, se reduce el consumo de coque en un 70%. Los sangrados del horno se hacen cada 5 o 6 horas, y por cada tonelada de hierro se produce 1/2 tonelada de escoria.

Métodos Alternativos de Producción de Hierro

Obtención por Reducción Directa del Mineral de Hierro

Para la producción del hierro también se puede utilizar el método de reducción directa, el que emplea agentes reactivos reductores como gas natural, coque, aceite combustible, monóxido de carbono, hidrógeno o grafito. El procedimiento consiste en triturar la mena de hierro y pasarla por un reactor con los agentes reductores, con lo que algunos elementos no convenientes para la fusión del hierro son eliminados.

El producto del sistema de reducción directa es el hierro esponja, que consiste en unos pelets de mineral de hierro los que pueden ser utilizados directamente para la producción de hierro con características controladas.

Hierro Esponja

Un componente importante en la producción del acero es el hierro esponja. Se le denomina así porque al mineral de hierro se le ha extraído el oxígeno, convirtiéndose en un material sumamente liviano. La materia prima del hierro esponja es el fierro o mineral de hierro. Esta llega en forma de pellets y se almacena en silos junto con el carbón y la caliza.

Aquí se reduce el mineral de hierro, liberándolo del oxígeno gracias a la acción del carbón, para así elevar el porcentaje de contenido de hierro metálico y utilizarlo en el horno eléctrico, como carga metálica en la fabricación del acero, con la ventaja de obtener un producto con menor cantidad de residuales y mejores propiedades.

Proceso de Pudelado

El hierro dulce es un metal que contiene menos del 0.01% de carbono y no más de 0.003% de escoria. Para su obtención se requiere del proceso conocido como pudelado, que consiste en fundir arrabio y chatarra en un horno de reverbero de 230 kg. El horno es calentado con carbón, aceite o gas. Se eleva la temperatura lo suficiente para eliminar por oxidación el carbón, el silicio y el azufre.

Para eliminar todos los elementos diferentes al hierro, el horno de pudelado debe estar recubierto con refractario de la línea básica (ladrillos refractarios con magnesita y aluminio). El material se retira del horno en grandes bolas en estado pastoso y el material producido se utiliza para la fabricación de aleaciones especiales de metales.

Existen otros procedimientos modernos como el llamado proceso Aston, en donde en lugar del horno de reverbero se usa un convertidor Bessemer, con lo que se obtiene mayor cantidad de material.

Hornos para la Producción de Acero

Horno Bessemer

Es un horno en forma de pera que está forrado con 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. Este horno ha sido sustituido por el BOF.

Horno Básico de Oxígeno (BOF)

Es un horno muy parecido al Bessemer, con la gran diferencia que a este horno, en lugar de inyectar aire a presión, se le inyecta oxígeno a presión, con lo que se eleva mucho más la temperatura que en el Bessemer y en un tiempo muy reducido. El nombre del horno se debe a que tiene un recubrimiento de refractario de la línea básica y a la inyección del oxígeno.

La carga del horno está constituida por 75% de arrabio procedente del alto horno y el resto es chatarra y cal. La temperatura de operación del horno es superior a los 1650°C y es considerado como el sistema más eficiente para la producción de acero de alta calidad. Este horno fue inventado por Sir Henry Bessemer a mediados de 1800, sólo que, como en esa época la producción del oxígeno era cara, se inició con la inyección de aire, con lo que surgió el convertidor Bessemer.