OBTENCIÓN DEL HIERRO Y EL ACERO
Obtención de hierro: el horno alto
El objetivo de un horno alto es la obtención de arrabio (hierro con un contenido de carbono entre 2,6% y 6,7%) a partir de hierro mineral con impurezas.
El horno se divide en carias partes:
En la cuba se produce el primer calentamiento. En esta zona se elimina la humedad al mineral y se calcina la caliza, formándose dióxido de carbono y cal. A continuación tiene lugar el proceso de fusión del hierro y de la escoria en el vientre.
Bajo el vientre están las toberas,que inyectan el aire necesario para la combustión. Este aire procede de los recuperadores de calor, que aprovechan el calor de los gases de salida del horno para precalentar el aire, lo que permite ahorrar carbón de coque.
La forma del etalaje compensa la reducción del volumen de material como consecuencia de su reducción y de la pérdida de materiales volátiles. En esta zona se depositan el hierro y la escoria fundidos. La escoria, al tener menor densidad que el hierro, queda flotando sobre éste, evitando que se oxide.
La extracción de la escoria y del hierro se hace por dos orificios en la parte inferior llamados bigotera (salida de la escoria) y piquera (salida de arrabio)
Una vez iniciado el proceso, los hornos altos solo se apagan para ser reparados.
El horno se divide en carias partes:
- El cuerpo central del horno alto está formado por dos troncos de cono unidos por su base más ancha, que se denomina vientre. La altura del horno puede estar entre los 30 y los 80 metros y y el diámetro máximo entre los 10 m y los 14 m.
- La parte interior (denominada etalaje)está hecha de material refractario, y la exterior de acero. Entre ambas pasan los canales de refrigeración.
- La parte superior del horno alto se denomina tragante, y está formado por dos tolvas con un sistema de apertura y cierre que permite que no se escapen los gases durante la carga del material.
- Una capa formada por mineral de hierro, que ha sido sometido previamente a varios procesos como el lavado y el desmenuzado.
- Una capa de carbón de coque, combustible usado para la fusión y reducción del mineral.
- Una capa de material fundente, formado básicamente por caliza, que arrastra la ganga del mineral y las cenizas para formar la escoria.
En la cuba se produce el primer calentamiento. En esta zona se elimina la humedad al mineral y se calcina la caliza, formándose dióxido de carbono y cal. A continuación tiene lugar el proceso de fusión del hierro y de la escoria en el vientre.
Bajo el vientre están las toberas,que inyectan el aire necesario para la combustión. Este aire procede de los recuperadores de calor, que aprovechan el calor de los gases de salida del horno para precalentar el aire, lo que permite ahorrar carbón de coque.
La forma del etalaje compensa la reducción del volumen de material como consecuencia de su reducción y de la pérdida de materiales volátiles. En esta zona se depositan el hierro y la escoria fundidos. La escoria, al tener menor densidad que el hierro, queda flotando sobre éste, evitando que se oxide.
La extracción de la escoria y del hierro se hace por dos orificios en la parte inferior llamados bigotera (salida de la escoria) y piquera (salida de arrabio)
Una vez iniciado el proceso, los hornos altos solo se apagan para ser reparados.
Procesos de obtención del acero
Convertidor Bessemer-Thomas
Se trata de un recipiente metálico basculante de gran tamaño cuyo interior está recubierto de material refractario, y tenía tres fases:
La modificación aportada por Thomas fue la de añadir un fundente, la cal, que permitía eliminar el exceso de fósforo. Al finalizar el proceso se vertía primero el acero y posteriormente la escoria. El principal inconveniente de añadir el fundente era que no se podía detener el proceso.
- Llenado: Se inclina el convertidor para un llenado más fácil del arrabio, procedente del horno alto.
- Soplado: El horno se pone en posición vertical. Se inyecta aire a presión al arrabio por unos orificios realizados en la parte el fondo. El aire pasa por la masa fundida y óxida el carbono, manganeso y silicio desprendiendo calor y manteniendo la temperatura de fusión del arrabio.
- Vaciado: Se realizaba una vez quemadas las impurezas. Se inclinaba el convertidor y se vertía el acero en las lingoteras.
La modificación aportada por Thomas fue la de añadir un fundente, la cal, que permitía eliminar el exceso de fósforo. Al finalizar el proceso se vertía primero el acero y posteriormente la escoria. El principal inconveniente de añadir el fundente era que no se podía detener el proceso.
Convertidor LD
Dispositivo que permite obtener acero mediante soplado de oxígeno, por lo que también se le conoce como horno de oxígeno básico. El aire se inyecta en la superficie de material fundido por medio de una lanza refrigerada por agua.
El convertidor está construido en acero revestido interiormente con ladrillo refractario, y está montado de forma que pueda bascular por uno de sus costados para facilitar su carga y descarga.
Tiene tres fases:
El convertidor está construido en acero revestido interiormente con ladrillo refractario, y está montado de forma que pueda bascular por uno de sus costados para facilitar su carga y descarga.
Tiene tres fases:
- Llenado: Se inclina el convertidor y se introduce el arrabio fundido, chatarra de acero y el fundente que formará y arrastrará la escoria. Una vez cargado se coloca en posición vertical.
- Afino: Se inyecta oxígeno a 12 atmósferas a través de la lanza refrigerada, lo que provoca la oxidación del carbono, hasta dejarlo en una proporción del 1%. Esta reacción del oxígeno con el carbono es rápida que produce altas temperaturas, lo que hace mantener el material en estado líquido. Asimismo, se elimina el exceso de azufre, fósforo y silicio. Al final del proceso se añaden los aleantes al interior del horno en la proporción adecuada para conseguir el tipo de acero deseado.
- Vaciado: Se inclina el convertidor parcialmente hasta que salga toda la escoria que sobrenada, y después se bascula totalmente para obtener el acero.
Horno Siemens-Martin
Fue el primer dispositivo que permitió la obtención de acero a través de chatarra.
Consiste en un gran horno de reverbero de forma rectangular y techo abovedado capaz de albergar 400 toneladas de material. El revestimiento interior es de carácter básico y dispone de cámaras para el precalentamiento del combustible empleado, que suele ser gas.
La carga del material se realiza por la parte superior del horno mediante dispositivos especiales. La carga puede ser arrabio líquido o sólido o arrabio junto a chatarra (hasta un máximo del 70%) y mineral de hierro. En todos los casos se añade cal para la formación y arrastre de la escoria.
El proceso de afino consiste en quemar el combustible precalentado en el interior del horno, hasta alcanzar temperaturas de 1800 ºC, temperatura a la cual las impurezas se oxidan y se eliminan, como el monóxido de carbono. Los óxidos de silicio y fósforo son arrastrados por la cal y forman la escoria.
Cuando se estima que el contenido de carbono es el adecuado, se añaden los aleantes apropiados y se extrae la colada de acero.
Los aceros obtenidos por este procedimiento admiten forja, temple y soldadura.
Su principal inconveniente es su elevado consumo energético y en la baja calidad del producto.
Consiste en un gran horno de reverbero de forma rectangular y techo abovedado capaz de albergar 400 toneladas de material. El revestimiento interior es de carácter básico y dispone de cámaras para el precalentamiento del combustible empleado, que suele ser gas.
La carga del material se realiza por la parte superior del horno mediante dispositivos especiales. La carga puede ser arrabio líquido o sólido o arrabio junto a chatarra (hasta un máximo del 70%) y mineral de hierro. En todos los casos se añade cal para la formación y arrastre de la escoria.
El proceso de afino consiste en quemar el combustible precalentado en el interior del horno, hasta alcanzar temperaturas de 1800 ºC, temperatura a la cual las impurezas se oxidan y se eliminan, como el monóxido de carbono. Los óxidos de silicio y fósforo son arrastrados por la cal y forman la escoria.
Cuando se estima que el contenido de carbono es el adecuado, se añaden los aleantes apropiados y se extrae la colada de acero.
Los aceros obtenidos por este procedimiento admiten forja, temple y soldadura.
Su principal inconveniente es su elevado consumo energético y en la baja calidad del producto.
Hornos electricos
Se utilizan para porcedimientos de afino.
Entre sus ventajas están el rápido calentamiento que permiten, el buen control de la temperatura y la inexistencia de gases combustibles que puedan dar origen a impurezas.
El mayor inconveniente es el elevado coste de la energía eléctrica.
Mediante estos hornos, aceros especiales muy puros y de alta aleación como los inoxidables. Los hornos eléctricos son:
Entre sus ventajas están el rápido calentamiento que permiten, el buen control de la temperatura y la inexistencia de gases combustibles que puedan dar origen a impurezas.
El mayor inconveniente es el elevado coste de la energía eléctrica.
Mediante estos hornos, aceros especiales muy puros y de alta aleación como los inoxidables. Los hornos eléctricos son:
- Horno eléctrico de arco: recipiente de acero de forma cilíndrica, recubierto en su interior de material refractario y provisto de circuito de refrigeración. La cubierta superior puede separarse para facilitar la carga, y está atravesada por 2 o 3 electrodos de carbón. El horno, una vez cargado con el acero a afinar, se cierra y se hacen saltar potentes altos voltaicos entre el material y los electrodos , alcanzando temperaturas de hasta unos 3800ºC, que permiten fundir materiales de elevado punto de fusión.
- Horno de inducción: consiste en un recipiente cilíndrico de altura superior a 4 metros y de diámetro superior a los 7 m. y en su parte exterior lleva una bobina. El interior está recubierto de material refractario. Una vez cargado el material se hace circular una corriente eléctrica de alta frecuencia por la bobina. Esta corriente induce en el interior del material del horno las corrientes de Foucault, que produce un enorme aumento de temperatura capaz de fundirlo.