Informe de Metalurgia Alto Horno(1)

INTRODUCCION A LA METALURGIA

Alto Horno en Chile.

Integrantes: -SEBASTIÁN BERRIOS HERNÁNDEZ. -ELIAS OPAZO CERDA. -RODRIGO GILLES CHAVEZ. Profesor Sección: 406

MAURICIO MORALES G.

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Resumen

Un alto horno es una parte muy importante de la industria del hierro y del acero. La roca llamada MINERAL DE HIERRO, rica en óxidos de hierro, se carga en un alto horno junto con determinadas proporciones de coque ( un tipo de carbón procesado) y de piedra caliza que ayuda a remover parte de las impurezas del hierro fundido .Se inyecta aire seco caliente y a alta presión por la parte de abajo del alto horno , lo cual hace arder el coque . Esto eleva la temperatura del fondo del horno a un punto en que el oxígeno del óxido de hierro reacciona con monóxido de carbono proveniente del coque y el hierro funde .Cada tres o cuatro horas se deja escapar el hierro fundido .Las impurezas (llamada escoria ) que flotan en la superficie de la colada de hierro y el hierro fundido fluye en los moldes para formar largos lingotes de hierro que puede procesarse para fabricar acero .Los altos hornos están revestidos de ladrillos refractarios que pueden soportar temperaturas sumamente elevadas .Cuando los ladrillos se desgastan , se debe cerrar el alto horno con el fin de reemplazar el revestimiento .Este puede durar hasta tres años mientras se obtiene una producción diaria de acero y hierro que alcanza las 7 mil toneladas. El objeto del alto horno es la reducción del mineral de hierro. Reducción: es la separación de todas las substancias extrañas que acompañan al metal especialmente del oxígeno. Esta operación es indispensable, pues los minerales, tales como se encuentran en las minas, no podrían ser trabajados y no tendrían directas aplicación.

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ÍNDICE Introducción…………………………………………………………………………..…..5 Historia y Desarrollo………………………………………………………………….…6 Evolución del alto Horno…………………………………………………………….…8 Mejoras económicas………………………………………………………………8 Mejoras en la duración del alto horno…………………………………………...8 Mejoras ambientales………………………………………………………………9 Los altos hornos de corral (1906 - 1908)…………………………………….……..10 Tipos de hornos………………………………………………………………………...11 Hornos Bessemer………………………………………………………………..11 Horno básico de oxígeno (BOF)………………………………………………..11 Horno de hogar abierto……………………………………………………..…...11 horno de arco eléctrico…………………………………………………………..12 Horno de refinación……………………………………………………………...13 Horno de inducción……………………………………………………………...13 Horno de aire o crisol…………………………………………………………....13 Horno de cubilote………………………………………………………………...14 Variables de operación………………………………………………………………..15 Capacidad del horno…………………………………………………………….15 La presión del soplo y su caudal……………………………………………….15 El número de toberas……………………………………………………………15 La granulometría del coque…………………………………………………….15 La superficie expuesta del coque………………………………………………16

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La porosidad y reactividad………………………………………………………16 La temperatura…………………………………………………………………...16 Faenas en que se utilizan este tipo de equipos……………………………..……17 Conclusión………………………………………………………………………………..18

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Introducción El presente informe se tratara sobre la historia, su evolución, las variables de operación y las faenas en las cuales se utilizan los altos hornos. Dando a conocer como fue utilizado en el transcurso de la historia y luego como este mismo se fue perfeccionando para obtener el mineral con menos riesgos y en mayor cantidad de una manera más limpia. También de cómo son sus variables operativas que varían según su temperatura, presión del aire inyectado, la temperatura de este aire, etc. Se dará a conocer las faenas que utilizan en la actualidad este método mediante distintos ejemplos y casos. Para dar una pequeña explicación sobre el tema se incluye una breve definición sobre lo que es un alto horno: Un alto horno es un horno especial en el que tienen lugar la fusión de los minerales de hierro y la transformación química en un metal rico en hierro llamado arrabio. Está constituido por dos troncos en forma de cono unidos por sus bases mayores. Mide de 20 a 30 metros de alto y de 4 a 9 metros de diámetro; su capacidad de producción puede variar entre 500 y 1500 toneladas diarias.

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HISTORIA Y DESARROLLO No se conoce con exactitud la fecha en que se descubrió la técnica de fundir mineral de hierro para producir un metal susceptible de ser utilizado. Los primeros utensilios de hierro descubiertos por los arqueólogos en Egipto datan del año 3000 a.C., y se sabe que antes de esa época se empleaban adornos de hierro. Los griegos ya conocían hacia el 1000 a.C. la técnica, de cierta complejidad, para endurecer armas de hierro mediante tratamiento térmico. Las aleaciones producidas por los primeros artesanos del hierro (y, de hecho, todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV d.C.) se clasificarían en la actualidad como hierro forjado. Para producir esas aleaciones se calentaba una masa de mineral de hierro y carbón vegetal en un horno o forja con tiro forzado. Ese tratamiento reducía el mineral a una masa esponjosa de hierro metálico llena de una escoria formada por impurezas metálicas y cenizas de carbón vegetal. Esta esponja de hierro se retiraba mientras permanecía incandescente y se golpeaba con pesados martillos para expulsar la escoria y soldar y consolidar el hierro. Los artesanos del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro forjado y carbón vegetal en recipientes de arcilla durante varios días, con lo que el hierro absorbía suficiente carbono para convertirse en acero auténtico. Después del siglo XIV se aumentó el tamaño de los hornos utilizados para la fundición y se incrementó el tiro para forzar el paso de los gases de combustión por la carga o mezcla de materias primas. En estos hornos de mayor tamaño el mineral de hierro de la parte superior del horno se reducía a hierro metálico y a continuación absorbía más carbono como resultado de los gases que lo atravesaban. El producto de estos hornos era el llamado arrabio, una aleación que funde a una temperatura menor que el acero o el hierro forjado. El arrabio se refinaba después para fabricar acero. La producción moderna de acero emplea altos hornos que son modelos perfeccionados de los usados antiguamente. El proceso de refinado del arrabio

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mediante chorros de aire se debe al inventor británico Henry Bessemer, que en 1855 desarrolló el horno o convertidor que lleva su nombre. Desde la década de 1960 funcionan varios mini hornos que emplean electricidad para producir acero a partir de material de chatarra. Sin embargo, las grandes instalaciones de altos hornos continúan siendo esenciales para producir acero a partir de mineral de hierro.

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EVOLUCIÓN DEL ALTO HORNO. La investigación y la modernización actuales se centran en mejorar la rentabilidad y la duración de la instalación. También se tiene muy en cuenta el limitar el impacto ambiental del alto horno. Mejoras económicas: Circuito de preparación y carga de materias primas polivalente y configurable. La época en que la carga de un alto horno estaba formada sólo por el mineral y el coque ya ha pasado. Algunos hornos pueden reemplazar el mineral por desechos ferrosos y realizar mezclas con minerales de diferentes calidades. Es esencial controlar con precisión la disposición de las cargas de mineral en la boca de carga del horno. La adaptación a combustibles más baratos, sustituyendo el coque por una inyección de carbón, gas natural o fueloil en los inyectores. La evolución de los precios de cada uno de estos combustibles ha justificado la sustitución del fueloil por

carbón

triturado

a

partir

de

la

segunda

crisis

del

petróleo.1

Aumento de la presión en la cuba para mejorar el rendimiento de la reducción por carbono. Una presión superior a 2 bar es un objetivo normal de un alto horno moderno.

Mejoras en la duración del alto horno: Crisol de material refractario a base de carbono con muy alta conductividad térmica (el enfriamiento del crisol crea una capa de fundición solidificada que protege los ladrillos). La vida del crisol se ha duplicado en 30 años: era de 10 años en 1980, la duración actual es de 20 años. Este factor es esencial, dado que la reparación de un alto horno viene dictada por el estado de su crisol y que esta reparación

puede

costar,

en

2010,

unos

100

millones

de

euros.

Mejora del enfriamiento de la cuba. El objetivo es crear una capa protectora que proteja las paredes de la abrasión producida por el mineral.

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Mejoras ambientales: Construcción en circuito cerrado de los circuitos de agua de refrigeración y granulación de la escoria. Recuperación del calor, sobre todo de los gases de los hornos de recalentamiento de aire (estufas). La recuperación de energía de los gases captados en las entradas de aire por un generador de turbina. La condensación de los vapores, especialmente los producidos durante la granulación de la escoria para evitar la emisión de dióxido de azufre o ácido sulfhídrico. El reciclaje del carbono para evitar la emisión de gases de efecto invernadero. El objetivo de la investigación actual es la inyección en las toberas de los gases capturados en la boca del horno, en lugar de quemarlos para producir electricidad

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LOS ALTOS HORNOS DE CORRAL (1906 - 1908) Con aporte de capitales galos de la firma francesa Schneider y Co. Creuset, se instala en Corral, en 1906, la primera industria siderúrgica del país. Un estudioso de los bosques, Federico Gedtzen, haría un informe sobre la tala del alerce en la zona de construcción de los Altos Hornos. Recomendaba que no se talara ninguno ya que estos tardarían mucho en desarrollarse. Aun así, los Altos Hornos se construyeron y los árboles desaparecieron. Es en 1908 cuando se inicia la construcción de la primera planta siderúrgica en Corral cuyo alto horno comenzó a funcionar en 1910 pero por problemas técnicos debió paralizar actividades al año siguiente. En 1908, la Sociedad “El Triunfo Ilustrado Femenino” fundaba una serie de Escuelas Nocturnas para obreras ubicadas en los barrios El Crucero, Canelos, García Reyes y Yerbas Buenas. “Ocurrid obreras a nuestras Escuelas. La Educación y la civilización, es la que marca el progreso y el adelanto de los pueblos, ella combate el vicio y la ignorancia, da paso a la virtud y a la ciencia”, rezaban los panfletos fundacionales.

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TIPOS DE HORNOS

HORNOS 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 substituido por el BOF, el que a continuación se describe.

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, el que ya fue descrito.

HORNO DE HOGAR ABIERTO 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 flama 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

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laterales las que además de expulsar los gases sirven para calentar al aire y al combustible,

por

lo

que

se

consideran

como

hornos

regenerativos.

Los recubrimientos de los hornos de hogar abierto por lo regular son de línea básica sin embargo existen también los de línea ácida ((ladrillos con sílice y paredes de arcilla). Las ventajas de una línea básica de refractario, sobre una ácida son que con la primera se pueden controlar o eliminar el fósforo, el azufre, el silicio, el magnesio y el carbono y con la línea ácida sólo se puede controlar al carbono. El costo de la línea básica es mayor que el de la ácida. Los hornos de hogar abierto son cargados con arrabio en su totalidad o con la combinación de arrabio y chatarra de acero. El arrabio puede estar fundido o en estado sólido. La primera carga del horno tarda 10 h en ser fundida y estar lista para la colada, pero si se agrega oxígeno se logra tener resultados en menos de 7 h, además de que se ahorra el 25% de combustible.

HORNO DE ARCO ELÉCTRICO Por lo regular son hornos que sólo 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. Existen hornos de arco eléctrico que pueden contener hasta 270 toneladas de material fundido. Para fundir 115 toneladas se requieren aproximadamente tres horas y 50,000 kwh de potencia. También en estos hornos se inyecta oxígeno puro por medio de una lanza. Los hornos de arco eléctrico funcionan con tres electrodos de grafito los que pueden llegar a tener 760mm de diámetro y longitud de hasta 12m. La mayoría de los

hornos

operan

a

40v y

la

corriente

eléctrica

es de

12,000

A.

Estos equipos tienen un crisol o cuerpo de placa de acero forrado con refractario y

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su bóveda es de refractario también sostenida por un cincho de acero, por lo regular enfriado con agua. Para la carga del horno los electrodos y la bóveda se mueven dejando descubierto al crisol, en el que se deposita la carga por medio de una grúa viajera. Estos equipos son los más utilizados en industrias de tamaño mediano y pequeño, en donde la producción del acero es para un fin determinado, como varilla corrugada, aleaciones especiales, etc.

HORNO DE REFINACIÓN 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 carbón 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 bovina que rodea a un crisol en el cual se funde la carga. La corriente es de alta frecuencia y la bovina es enfriada por agua, la corriente es de aproximadamente 1000Hz, la cual es suministrada por un sistema de moto generador. 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 min, 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, los que son extremadamente frágiles, los crisoles se colocan dentro de un confinamiento que puede contener algún combustible sólido como carbón o los productos de la combustión.

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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 de crisol para metales no ferroso.

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 pelets de mineral de hierro o padecería de arrabio sólido. Por cada kilogramo de coque que se consume en el horno, se procesan de 8 a 10 kilogramos de hierro y por cada tonelada de hierro fundido se requieren 40kg de piedra caliza y 5.78 metros cúbicos de aire a 100 kPa a 15.5°C. Los hornos de cubilote pueden producir colados de hasta 20 toneladas cada tres horas. Este tipo de equipo es muy parecido al alto horno, sólo sus dimensiones disminuyen notablemente. El mayor problema de estos hornos es que sus equipos para el control de emisiones contaminantes es más costoso que el propio horno, por ello no se controlan sus emisiones de polvo y por lo tanto no se autoriza su operación.

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VARIABLES DE OPERACIÓN Capacidad del horno La capacidad de un alto horno entre mayor cantidad de mineral, se obtiene una mayor cantidad de elemento de interés, pero esto a su vez afecta al aire que sopla internamente, ya que es mas difícil su desplazamiento interno en el horno, por la mayor cantidad de peso y volumen mineral.

La presión del soplo y su caudal La presión ejercida por el soplo de aire dentro del horno ayuda en la separación del esteril del elemento de interés produciendo una oxidación de este, el caudal junto a la presión deben ser directamente proporcional a la capacidad del horno ya que entre mayor aire entre en el horno mas fácil será la extracción.

El número de toberas El número de toberas dependerá de la capacidad del horno, ya que entre más grande y con mayor cantidad de mineral este sufre de lugares sin oxigenación y por este mismo motivo se coloca una tobera a la altura requerida del horno.

La granulometría del coque La granulometría del coque es importante ya que con este mineral se facilita el proceso de extracción liberando dióxido de carbono y luego monóxido de carbono, por eso la granulometría debe coincidir con la del mineral de interés ya que asi aumenta el área de contacto del coque con el mineral y facilita la contancia de la temperatura y aumento de esta.

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La superficie expuesta del coque Entre mayor sea el área de contacto del coque con el mineral de interés, mayor será la capacidad de extracción del elemento de interés y de fundirlo, además de oxidarlo y separarlo del estéril.

La porosidad y reactividad Entre mayor sea la porosidad del mineral mayor será la fluidas del aire y reducción del elemento de interés produciendo una mayor reactividad.

La temperatura La temperatura depende mucho del tipo de elemento de interés a extraer ya que así se evaluara los niveles máximo a tener, ya que para extraer el

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FAENAS EN QUE SE UTILIZAN ESTE TIPO DE EQUIPOS CapAcero Compañía Siderúrgica Huachipato S.A. Antecedentes: En Chile existe una sola Planta Siderúrgica integrada y es Compañía Siderúrgica Huachipato. Se ubica en la Bahía de San Vicente, 14 kms al Noroeste de Concepción. Comenzó sus actividades el año 1950. Es una Planta que fabrica acero laminado a partir de minerales de Hierro, para su utilización directa o transformaciones posteriores.

http://www.capacero.cl/empresa/empresa.htm

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Conclusión Las principales conclusiones que se pueden extraer del trabajo realizado son: De los procesos de activación de la escoria con las distintas disoluciones activantes utilizadas y tomando como referencia la escoria activada con agua, se deduce que las reacciones de activación de la escoria dependen de la naturaleza del catión que forman la disolución activante. Después del desarrollo de este informe con fines didácticos podemos concluir que el torno es una de las máquina herramienta más usada en las empresas metalmecánicas por la gran cantidad de aplicaciones mecánicas que se pueden aplicar en él. El torno, es la máquina giratoria más común y más antigua, sujeta una pieza de metal o de madera y la hace girar mientras un útil de corte da forma al objeto. El útil puede moverse paralela o perpendicularmente a la dirección de giro, para obtener piezas con partes cilíndricas o cónicas, o para cortar acanaladuras. Empleando útiles especiales, un torno se puede utilizar también para obtener superficies lisas, como las producidas por una fresadora, o para taladrar orificios en la pieza. Este gel presenta una mayor ordenación estructural que el que se encuentra en una pasta de cemento portland, ya que es claramente detectado por DRX. Las relaciones C/S en el gel formado varían en función de la naturaleza del activador. Al reaccionar la escoria con la disolución de Na2C03 se forma, además del gel C-S-H, una gran cantidad de CaC03. El carbonato calcico es un compuesto termodinámicamente muy estable e insoluble, que al coexistir con el gel dan lugar a un material con muy buenas características resistentes. Teniendo en cuenta todos los parámetros estudiado al activar la escoria de alto horno con las disoluciones activantes (calor desprendido, velocidad de evolución de calor y grado de reacción así, como la naturaleza de los productos de

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reacción y las resistencias desarrolladas en morteros de escoria), se puede establecer un orden, de mayor a menor capacidad activadora, de las disoluciones empleadas en este estudio.

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