Introducción a la Producción de Hierro y Acero
El Alto Horno: Producción Primaria de Arrabio
En general, los altos hornos tienen un diámetro mayor a 8 m y llegan a tener una altura superior a 60 m. Están revestidos de refractario de alta calidad.
Los altos hornos pueden producir entre 800 y 1600 toneladas de arrabio cada 24 horas.
Preparación de la Carga
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. Estos materiales se preparan antes de introducirse al alto horno para que tengan la calidad, el tamaño y la temperatura adecuada. Esto se logra por medio del lavado, triturado y cribado de los tres materiales.
Para producir 1000 toneladas de arrabio, se necesitan:
- 2000 toneladas de mineral de hierro.
- 800 toneladas de coque.
- 500 toneladas de piedra caliza.
- 4000 toneladas de aire caliente.
Características y Composición del Arrabio
El arrabio es un hierro de poca calidad. Su contenido de carbono 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 comerciales proceden.
Métodos Alternativos de Obtención de Hierro
Reducción Directa del Mineral de Hierro (Hierro Esponja)
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 el mineral de hierro y pasarlo 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 pellets de mineral de hierro que pueden ser utilizados directamente para la producción de hierro con características controladas.
Refinación y Obtención de Hierro Especializado
Proceso de Pudelado para Hierro Dulce
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, el que consiste en fundir arrabio y chatarra en un horno de reverbero de 230 kg. Este horno es calentado con carbón, aceite o gas.
Se eleva la temperatura lo suficiente para eliminar por oxidación el carbono, 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 Clave en la Fabricación de Acero
Convertidor 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, el que a continuación se describe.
Descripción Histórica del Proceso Bessemer
El proceso más antiguo para fabricar acero en grandes cantidades es el proceso Bessemer, que empleaba un horno de gran altura en forma de pera, denominado convertidor Bessemer, que podía inclinarse en sentido lateral para la carga y el vertido. Al hacer pasar grandes cantidades de aire a través del metal fundido, el oxígeno del aire se combinaba químicamente con las impurezas y las eliminaba.
Horno Básico de Oxígeno (BOF)
Es un horno muy parecido al Bessemer, con la gran diferencia de 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.
Horno de Hogar Abierto (Regenerativo)
Es uno de los hornos más populares en los procesos de producción del acero. Un horno de este tipo puede contener entre 10 y 540 toneladas de metal en su interior. Tiene un fondo poco profundo y la llama da directamente sobre la carga, por lo que es considerado como un horno de reverbero.
Su combustible puede ser gas, brea o petróleo. Por lo regular, estos hornos tienen chimeneas laterales que, además de expulsar los gases, sirven para calentar el aire y el combustible, por lo que se consideran como hornos regenerativos.
Horno de Arco Eléctrico
Por lo regular, son hornos que solo se cargan con chatarra de acero de alta calidad. Son utilizados para la fusión de aceros para herramientas, de alta calidad, de resistencia a la temperatura o inoxidables. Considerando que estos hornos son para la producción de aceros de alta calidad, siempre están recubiertos con ladrillos de la línea básica.
Hornos de Refinación y Especialización
Estos hornos pueden ser de varios tipos. En realidad, puede ser cualquier horno al que por medio de aire u oxígeno se obtenga hierro con carbono controlado. Sin embargo, se pueden mencionar dos de los hornos más conocidos para este fin:
Horno de Inducción
Utilizan una corriente inducida que circula por una bobina que rodea a un crisol en el cual se funde la carga. La corriente es de alta frecuencia y la bobina es enfriada por agua. La corriente es de aproximadamente 1000 Hz, la cual es suministrada por un sistema de motogenerador.
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 minutos, fundiendo cargas de hasta 3.6 toneladas. Los productos son aceros de alta calidad o con aleaciones especiales.
Horno de Aire o Crisol
Es el proceso más antiguo que existe en la fundición, también se le conoce como horno de aire. Este equipo se integra por un crisol de arcilla y grafito, el cual es extremadamente frágil. Los crisoles se colocan dentro de un confinamiento que puede contener algún combustible sólido como carbón o los productos de la combustión.
Los crisoles son muy poco utilizados en la actualidad, excepto para la fusión de metales no ferrosos. Su capacidad fluctúa entre los 50 y 100 kg.
Hornos para Fundición de Hierros Colados
Horno de Cubilote
Son equipos muy económicos y de poco mantenimiento, se utilizan para hacer fundición de hierros colados. Consisten en un tubo de más de 4 metros de longitud y pueden tener desde 0.8 a 1.4 m de diámetro. Se cargan por la parte superior con camas de chatarra de hierro, coque y piedra caliza.
Para la combustión del coque se inyecta aire con unos ventiladores de alta presión. Este accede al interior por unas toberas ubicadas en la parte inferior del horno. También estos hornos se pueden cargar con pellets de mineral de hierro o pedacería de arrabio sólido.