ENSAYO “PROCESO TECNOLOGICO UTILIZADO PARA OBTENER EL HIERRO COLADO”

Cuando hablamos de Hierro Colado o también llamado hierro fundido hacemos

mención a básicamente aleaciones de hierro y carbono. El hierro fundido contiene

más carbono que el necesario y debido al alto contenido de este elemento tiende a

hacerlo muy frágil, además contiene silicio, manganeso, bajo azufre y bajo

fósforo. Este material cuenta con ciertas características que lo distinguen como:

resistencia a la corrosión, al choque térmico y buena resistencia al desgaste, entre

otras. Tiene algunas ventajas, por ejemplo son más fáciles de maquinar que los

aceros, se pueden fabricar piezas de diferente tamaño y complejidad, también en

su fabricación no se necesitan equipos ni hornos muy costosos.

Para la producción del hierro fundido se parte de los minerales naturales ricos en

hierro, los que se someten a un proceso metalúrgico bastante complejo cuyo

producto final es el hierro colado.

La materia prima utilizada en la producción del hierro colado son; minerales de

hierro, combustibles y fundentes:

Los minerales de hierro son compuestos naturales que contienen óxido de hierro y

la llamada ganga. La ganga contiene en lo fundamental sílice (SiO2), alúmina

(Al2O3), óxido de calcio (CaO) y óxido de magnesio (MgO). La utilidad del mineral

de hierro para la fusión se determina por el contenido de hierro, por la composición

de la ganga y la presencia de impurezas perjudiciales, como el azufre, fósforo,

arsénico y otras. Entre los minerales de hierro industriales tenemos: La magnetita

(o imán natural) contiene el hierro en forma de óxido ferroso férrico (Fe3O4). El

contenido de hierro en estos minerales oscila, en la práctica, del 45 al 70%. El

mineral tiene propiedades magnéticas, gran densidad y color negro. La hematites

u oligisto es el óxido de hierro deshidratado (Fe20a). Este mineral contiene del 50

al 60% de hierro y es de color rojizo-negruzco. Se reduce con mayor facilidad que

el imán natural (magnetita). La limonita es el óxido de hierro hidratado (2Fe2O3 -

3H2O). El mineral contiene del 20 al 60% de hierro y tiene color pardo con

diferentes matices. Se reduce bien, lo que hace económica la obtención del hierro

colado incluso con minerales pobres. La siderita (hierro espático) es la

combinación del ácido carbónico con el hierro (FeCO3) (carbonato de hierro). El

contenido de hierro en este mineral oscila, en la práctica, entre 30 y 42%. El

mineral tiene un color gris con matices de amarillo. La siderita se reduce muy bien.

También se realiza una preparación y enriquecimiento de los minerales; A las

operaciones de preparación y enriquecimiento del mineral pertenecen: la

trituración, clasificación, calcinación, lavado, separación electromagnética y

tostación. El proceso de fusión en los altos hornos, el gasto de combustible y la

calidad del hierro colado que se obtiene, dependen de la calidad de preparación

del mineral. Los pedazos de gran tamaño, de 30 a 100 mm, se clasifican en

grupos y se envían a la fusión. Para hacer mineral poroso de fácil reducción y libre

de impurezas perjudiciales, se somete a calcinación en hornos especiales. Los

minerales que tienen mucha arcilla, arena, tierra arcillosa, etc. se lavan con agua.

Durante el lavado, la ganga se separa por medio de un chorro fuerte de agua. Los

minerales que poseen propiedades magnéticas se clasifican en instalaciones

especiales, en las cuales unos imanes eléctricos separan las partículas del mineral

de hierro, rechazando la ganga no magnética. Los pedacitos de mineral y cisco de

coque se someten a tostación con objeto de obtener pedazos más grandes. El

equipo para tostar consta de una transportadora, compuesta de carros que se

mueven por una vía cerrada. La mezcla humedecida del mineral y del combustible

desmenuzado se carga sobre las parrillas de los carros, formando una capa de

250 mm, el combustible se inflama por medio de un quemador y se hace pasar

aire de arriba hacia abajo. Al quemarse el combustible, la temperatura se eleva a 1

200° a 1300° C, con lo cual los pequeños trozos del mineral se aglomeran en

pedazos porosos (aglomerado), adecuados para la fusión en los altos hornos.

Actualmente se ha empezado a emplear la tostación de la mezcla e mineral,

combustible y fundente (básico) con el objeto de obtener un aglomerado

enriquecido en fundente. Esta medida aumenta considerablemente la capacidad

de producción de los altos hornos y disminuye el gasto de combustible en la

obtención de hierro fundido. La trituración se realiza en molinos de mandíbulas o

de cono; el mineral triturado se clasifica en cribas o tamices de estructura especial;

los pedazos grandes se separan de los finos, los cuales se someten

posteriormente a la tostación.

El combustible es una materia orgánica compuesta de una parte inflamable y otra

no inflamable (lastre). Las partes inflamables son el carbono e hidrógeno, al lastre

pertenecen el agua, la ceniza y el azufre. Este último, a pesar de que al quemarse

produce calor, es un componente indeseable, ya que al penetrar en el metal,

empeora sus propiedades. El combustible necesario para el trabajo de los altos

hornos ha de ser suministrado en forma de pedazos de un tamaño determinado,

poseer una solidez suficiente, ser resistente al rengaste, no formar grietas a altas

temperaturas, contener una cantidad mínima de impurezas que se introduzcan en

el metal, producir una pequeña cantidad de ceniza al quemarse, tener alto poder

calorífico y ser barato. En los altos hornos se utiliza como combustible

principalmente el coque y, con menos frecuencia, el carbón vegetal. El coque es el

combustible fundamental para la fusión en los altos hornos. Se obtiene por medio

de la destilación seca del carbón de piedra. La producción del coque se realiza en

hornos especiales a la temperatura de 1000 a 1100° C. El coque de buena calidad

tiene un color gris claro un tanto plateado, no mancha las manos, es bastante

poroso y tiene grietas en su superficie. El coque de Donetsk contiene del 85 al

87% de carbono, del 1,5 al 2% de azufre, del 5 al 9% de humedad y del 10 al 13%

de ceniza. El poder calorífico del coque es de 7000 a 8000 kcal/kg. La resistencia

al aplastamiento alcanza 140 kg/cm2. El coque de buena calidad debe tener un

pequeño porcentaje de ceniza y de humedad, así como un pequeño contenido

específico de azufre. Las ventajas del coque son: alto poder calorífico, porosidad,

resistencia considerable al aplastamiento y desgaste y bajo costo. Para la

producción en los altos hornos el coque se suministra en pedazos de 30 a 80 mm

de tamaño. El carbón vegetal se obtiene por medio de la destilación seca de la

madera en hornos especiales. El carbón vegetal de alta calidad tiene color negro

con matiz brillante. Su composición es de 80 a 90% de C; 10 a 12% de (H+O+N) y

0.6 a 1% de ceniza. Su poder calorífico es de 6500 a 8000 kcal/kg. La ausencia de

azufre y el bajo porcentaje de ceniza son las ventajas principales del carbón

vegetal; su desventaja es la baja resistencia (cerca de 20 kg/cm2) y el alto costo.

El carbón vegetal se utiliza solamente para obtener hierro fundido de alta calidad.

Los fundentes son sustancias minerales que se introducen en el alto horno, donde,

al fundirse con las gangas de los minerales y con la ceniza del combustible,

producen escorias fácilmente fusibles. Cuando los minerales contienen impurezas

de arena y arcilla, se utiliza como fundente la caliza; cuando la composición de la

ganga es calcárea, se pueden emplear como fundentes sustancias que contengan

sílice, cuarzo, arenisca y cuarcitas. Antes de la fusión los fundentes se trituran en

pedazos de 30 a 80 mm.

¿Qué tipo de horno se utiliza para obtener el hierro colado? El hierro fundido se

obtiene en los altos hornos. La mayor parte que se obtiene en los altos hornos, se

destina a la producción de acero. El alto horno es una instalación de acción

continua, cuya capacidad de producción es hasta de 2000 t de hierro fundido en

24 horas. En la antigua Unión Soviética, los cálculos de los altos hornos modernos

fueron elaborados por científicos soviéticos bajo la dirección del académico M. A.

Pavlov. Para tener una mayor comprensión de un alto horno moderno

describiremos algunas de sus partes y así poder tener una idea de su estructura;

La parte superior del horno se llama tragante este tiene un cargadero destinado

para cargar la mezcla y tubos conductores que dan salida a los gases, abajo del

tragante se encuentra la parte cónica del horno que se llama cuba. La parte más

ancha del horno se denomina vientre, en la parte inferior del vientre se encuentra

el etalaje, y más abajo se halla el crisol, que tiene forma cilíndrica. El fondo del

crisol se llama solera, al nivel de la solera se encuentra la piquera, que da salida a

la fundición, y un poco más arriba está situada la bigotera de escorias, en la parte

superior del crisol están distribuidos por su circunferencia de 12 a 18 orificios, en

los cuales encajan los aparatos de las toberas, que se emplean para inyectar el

aire. Este horno está diseñado de manera que pueda resistir a todo el

procedimiento que incluye el proceso; La mampostería del horno (revestimiento)

se hace de ladrillos refractarios de chamota. La composición aproximada de la

chamota es la siguiente: 50-65% de SiO2> 35-42% de Al2O3, 1.5-3% de Fe2O3;

su capacidad refractaria oscila en los límites de 1580 a 1730° C. El horno está

revestido con una camisa, de chapas de acero remachadas o soldadas. En el

revestimiento del crisol y del etalaje se instalan tubos (refrigeradores), por los

cuales circula el agua. El aire caliente se conduce por el tubo circular hacia las

mangas, que tienen la forma de codos, desde las cuales el aire se suministra a las

toberas.

Los altos hornos que utilizan coque, tienen una altura útil hasta de 35 m, y los que

emplean carbón vegetal, hasta 20 m. Altura útil es la distancia comprendida entre

la solera del horno y el nivel superior de la mezcla de materiales de carga, el

calentamiento del aire que a al alto horno a través de las toberas se realiza en

recuperadores (estufas Cowper), constan de una torre revestida con ladrillos

refractarios y encerrada en una caja de acero. En el interior de la torre se

encuentra la cámara de combustión y el enrejado de ladrillos. La mezcla de gas y

aire del alto horno se suministra al recuperador a través de la tubuladura. La

mezcla se quema en la cámara de combustión, de donde los productos de

combustión, calentados al rojo, se conducen a la cúpula, y de ésta salen a la

atmósfera a través de la chimenea y por el enrejado, después de calentar el

enrejado (2 a 3 horas), se termina el suministro de la mezcla, se cierra la

chimenea y por la tubuladura se abastece el aire frío, el cual, al pasar por el

enrejado, se calienta hasta 800° C y sale por la tubuladura a los tubos

conductores del aire caliente unidos con el tubo circular del alto horno. El aire

caliente se suministra durante una hora aproximadamente. El horno está servido

por 3 a 5 recuperadores de aire, que funcionan en serie, uno elabora el aire y los

otros dos, realizan el calentamiento. Una instalación moderna de altos hornos

transforma diariamente una gran cantidad de materias primas, debido a lo cual

todas las operaciones referentes a la preparación y carga de los materiales

mecanizadas y dotadas, en un grado considerable, con mando automático. Para

que el horno funcione normalmente se debe calcular de antemano la relación entre

el mineral, el combustible y fundentes. La mezcla del mineral, combustible y

fundentes, calculada previamente, se llama carga. La carga, una vez preparada,

se manda las tolvas dispuestas a lo largo del alto horno y luego pasa a un vagón

de pesar, de donde el material ya pesado se dirige a una vagoneta especial (skip),

que lo suministra a la parte superior del horno por medio de un montacargas. El

aparato de carga colocado en la parte superior del alto horno se compone de los

conos grande y pequeño y embudos. La mezcla se carga desde la vagoneta al

embudo pequeño, cuando el cono pequeño está cerrado. Al descender el cono

pequeño, el material cae en el embudo grande. Después de llenar el embudo

grande, su cono desciende y la carga entra en el horno. En este momento el cono

pequeño está subido y cerrando el embudo, impide la salida del gas a la

atmósfera, con lo que se logra hermetizar la carga del horno. Todo el proceso de

carga de los altos hornos modernos está completamente automatizado.

Después de haber explicado cómo trabaja el alto horno proseguiremos a describir

el proceso; en el funcionamiento de un alto horno tienen lugar dos flujos continuos

a contracorriente: de arriba hacia abajo desciende el mineral de hierro, coque,

fundentes, y de abajo hacia arriba se mueven los productos de combustión del

coque y el aire caliente. Al descender, el coque se calienta por los gases calientes

que ascienden, y al ponerse en contacto con el aire de la parte inferior del horno

se quema de acuerdo con la reacción: C+O2=CO2+97 650 cal. Cuando arde el

coque, la temperatura se eleva hasta 1600° a 1750° C. El bióxido de carbono que

se forma, entra en reacción con nuevas capas del coque calentado al rojo,

reduciéndose a monóxido de carbono según la reacción CO2+C=2CO—37 710

cal. La mezcla gaseosa calentada, compuesta del monóxido de carbono, bióxido

de carbono y el nitrógeno del aire sube, y entrando en contacto con los materiales

de carga que descienden los calienta ininterrumpidamente creando en diferentes

partes del horno las zonas de temperatura correspondientes. En la zona del

tragante y en la parte superior de la cuba el mineral introducido se seca,

apareciendo en él grietas. En la parte media e inferior, a las temperaturas de

400°a 900° C, el monóxido de carbono, actuando sobre el mineral, contribuye a la

reducción gradual del hierro según las reacciones: 3Fe2O3+CO = 2Fe3O4+CO2 +

8870 cal; 2Fe3O4 + 2CO = 6FeO+2CO2-9 980 cal; 6FeO+6CO = 6Fe + 6CO2 +19

500 cal. Como reductor del hierro actúa también el carbono sólido que se forma

como resultado de la descomposición del CO según la reacción: 2CO=C+CO2. La

reducción del hierro por el carbono se realiza según la siguiente reacción:

FeO+C=Fe+CO-34 460 cal. Los granos reducidos de hierro empiezan a soldarse,

creando pedacitos de hierro esponjoso. En la zona del etalaje con temperaturas

aproximadas de 1100 a 1200° C se reducen el manganeso, silicio y fósforo que se

disuelven en el hierro. Paralelamente se verifica la saturación del hierro con el

carbono formándose carburo de hierro según la reacción: 3Fe + 2CO=Fe3C+CO2.

El carburo de hierro formado, así como el carbono sólido se disuelven en el hierro

esponjoso, el cual, a medida que se satura, se convierte en el hierro fundido. En el

hierro también se disuelven las combinaciones sulfúricas del mineral y el coque.

La disolución de carbono, silicio, manganeso, fósforo y azufre en el hierro se llama

hierro fundido. En la zona del etalaje aparecen gotas de hierro fundido que caen

gradualmente en el crisol. Como ya se ha indicado más arriba el mineral contiene

ganga. Esta es bastante refractaria, es decir, funde a una temperatura muy alta.

Para rebajar la temperatura de fusión de la ganga se introduce caliza en la carga.

La caliza, poniéndose en interacción (fundiéndose), forma escorias con la ganga.

En las escorias se disuelve una parte de las impurezas perjudiciales (sulfúricas,

fosfóricas) y la ceniza. Las escorias con un gran contenido de SiO2 se llaman

acidas, y con un contenido elevado de CaO, básicas. Las escorias más básicas

contribuyen a una eliminación considerable del azufre en el hierro fundido. Las

escorias, lo mismo que el hierro fundido, caen en forma de gotas en la parte

inferior del alto horno. Pero, las escorias tienen un peso específico menor en

comparación con el hierro fundido, y, por eso, suben en estado líquido a la

superficie del hierro fundido líquido. El hierro fundido sale del alto horno a través

de la piquera y las escorias, por la bigotera. Las escorias se descargan

aproximadamente cada hora. Las escorias descargadas se transportan en

vagonetas especiales al lugar en donde se transformarán posteriormente. El hierro

fundido se sangra unas 6 veces al día. Para sangrar el hierro fundido se

interrumpe el suministro del aire y se abre la piquera. Este sale del horno por

canales y se vierte en grandes cucharas revestidas (recipientes del metal) que se

llaman también mixer, por medio de las cuales el hierro fundido se transporta al

lugar de su empleo. Una parte considerable del hierro fundido se suministra en

estado líquido a los talleres de fundición de acero y el resto se vierte en máquinas

especiales para obtener bloques.

Es muy importante que conozcamos el proceso para obtener el hierro colado ya

que la industria de la producción de hierro fundido es una de las principales a nivel

internacional, según datos obtenidos en diferentes fuentes de información;

anualmente son producidas piezas que son ensambladas y empleadas como

componentes de equipos y maquinarias, la producción de hierro fundido es el triple

al resto de las producciones de metales ferrosos y no ferrosos juntos, superado

solo por la producción de acero laminado.