Este mineral cuya fórmula es CO3Fe,
contiene teóricamente 48.2% de hierro y 37.9% de
anhídrido carbónico. En la práctica, sin
embargo, su porcentaje de hierro suele variar de 30 a 45% por ir
acompañado con una cierta cantidad de agua. El carbonato
constituye una parte muy pequeña del mineral de hierro
explotable, pero en ciertos países como en Canadá,
Inglaterra, Australia y Alemania, la explotación de los
carbonatos tiene gran importancia.
Sulfuros de hierro
Estos minerales, prácticamente no se
emplean en siderurgia o se utilizan solo en ocasiones muy
especiales. A pesar de su riqueza relativamente elevada, del
orden de 45% y sobre todo de la que tienen después de la
tostación (60% aprox.), solamente en casos muy
excepcionales se emplean los residuos de piritas tostadas para
enriquecer en hierro los lechos de fusión. Esto es debido
a que es muy difícil eliminar la importante cantidad de
azufre que contienen (del orden del 2%) y que para los aceros es
muy pernicioso.
(Barreiro)
Beneficio de los
minerales de hierro
La extracción de los minerales se realiza
de maneras muy diversas según las circunstancias que
concurren en cada caso. En general, como el mineral se suele
presentar formando grandes masas, siempre suele ser necesario
emplear importantes cantidades de explosivos para romperlas y
facilitar su extracción. Para arrancar el mineral se
emplean potentes máquinas excavadoras y luego se machacan,
trituran y criban los trozos de mineral hasta obtener
tamaños apropiados para su transporte o
utilización. Las explotaciones se hacen a cielo abierto o
en galerías subterráneas.
Los minerales después de ser
extraídos deben sufrir, según sea su calidad,
tratamientos diversos. A veces es necesario lavarlos para
eliminar las materias terrosas o arcillas con las que suelen
estar mezclados. Otras veces los carbonatos son calcinados para
transformarlos en óxidos y también, a veces, se
calcinan ciertas magnetitas muy duras y compactas para
transformarlas en óxido férrico de más
fácil reducción y aumentar su porosidad o para
eliminar algo del azufre que contienen.
Los minerales después de ser machacados,
triturados y molidos, se clasifican por cribado o por
procedimientos magnéticos. Posteriormente, los
tamaños finos de riqueza aceptable se suelen aglomerar o
sinterizar antes de su carga en los hornos altos. Cuando la
humedad que contienen es muy elevada, se secan en hornos
rotatorios para reducir el porcentaje de agua que les
acompaña.
Machaqueo trituración y molienda.
El machaqueo de los minerales de hierro sirve
para reducir el tamaño de los grandes trozos obtenidos en
las minas, por voladuras, y conseguir que queden en trozos con
dimensiones más pequeñas y más adecuadas
para el transporte y para los tratamientos y transformaciones que
han de sufrir posteriormente.
Generalmente, se suele separar en las minas los
trozos de mineral inferiores a 1,5 m de diámetro, que son
los mayores tamaños que suelen pasar a las grandes
máquinas machacadoras que las reducen a trozos inferiores
a 300 mm. La elección de la maquinaria depende de la
naturaleza de los minerales a tratar, de las dimensiones de los
trozos que se desea obtener y del destino final del producto.
En las fábricas suelen montarse
instalaciones llamadas de trituración primaria, secundaria
y terciaria, que, en ocasiones, se instalan también en las
minas. En las maquinas primarias, los grandes trozos que llegan a
las fabricas se reducen a tamaños o trozos menores de 150
mm y en las secundarias a tamaños inferiores a 50 mm
aproximadamente. Finalmente, en la trituración terciaria
se llega a tamaños menores de 10 mm.
El molino sirve para disminuir todavía
más el tamaño de los minerales. Se cargan,
generalmente, trozos de 3 a 8 mm y se obtiene polvo muy fino de
0.05 a 0.5 mm. Antiguamente los minerales relativamente porosos
se cargaban en los hornos altos en tamaños variables de 25
a 75 mm. Los minerales compactos y densos como las magnetitas,
por ejemplo, se cargaban en tamaños más
pequeños, del orden de 25 a 50 mm. En los hornos de poca
altura siempre se empleaban trozos más pequeños que
en los grandes. (Barreiro)
Principios teóricos del secado y equipo
industrial.
En la concentración de minerales se
obtienen, en ocasiones, fangos con partículas muy finas
que contienen una gran cantidad de agua, que interesa
eliminar.
El secado es una operación que consiste en
calentar los minerales y concentrados a una temperatura que
permita eliminar el agua que acompaña a los materiales en
forma de humedad o sea el agua atrapada entre las
partículas por efecto de capilaridad o por
absorción.
Considerando el secado teóricamente se
analiza la reacción.
H2O(l) = H2O (g) ?H°= 10.5 Kcal
Kp = PH2O
Para esta reacción se puede calcular, a
una temperatura determinada, el valor de su constante de
equilibrio KP, y de esta manera obtenemos la presión de
vapor de equilibrio del agua, PH2O sobre el material.
Se debe tomar en cuenta que la atmósfera
del horno tiene su humedad expresada con P´H2O.
Para que el proceso de secado se lleve acabo es
necesario que exista la relación
PH2O > P´H2O.
(Jordens, 1984)
Horno rotativo de secado. (Jordens, 1984)
Otro sistema muy utilizado para eliminar el agua
es la filtración continua por el vacío.
Los filtros usados en metalurgia se componen de
un tambor filtrante, dividido en varias células
independientes, que gira en un gran depósito a donde se
envía el líquido con las partículas a secar.
Una parte de la superficie cilíndrica exterior
metálica de este tambor esta perforada muy finamente y
recubierta de una tela que deja pasar a través de ella el
agua y no al mineral. En una parte al interior del tambor se hace
una fuerte aspiración que arrastra al agua hacia la zona
central.
Durante la operación, el tambor gira y en
cada célula queda adheridas a la tela solo las
partículas sólidas. Luego en su giro al Salir del
líquido llegan los concentrados en forma del fango
adheridos a la tela a una zona donde son rociados con agua y se
separan ciertas sustancias arcillosas, que se separan sin
dificultad.
En la última parte del giro el material
depositado sobre la tela deja los sectores donde actúa el
vacío y entra en otro sector donde, en el interior del
tambor, se produce una ligera presión de aire que
desprende las materias minerales que hay sobre la tela, que se
depositan desprovistas ya de gran parte de su humedad en una
cinta transportadora. (Barreiro)
Proceso de
coquización
Coquización es un proceso de
destilación seca destructiva de carbón para
convertirlo de un material denso y frágil a uno fuerte y
poroso; los subproductos valiosos se recuperan en el proceso.
No todas las clases de carbón son
útiles para fabricar coque. Entre los que no son
útiles se encuentran los porosos pero con baja resistencia
a la compresión o con residuos de polvo. Fuera de las tres
clases de carbón reconocidas en la industria alta, media o
baja volatilidad, solo una subclase entre los de alta volatilidad
y algunos pero no todos los de media volatilidad son producidos
para el alto horno. Por lo tanto la mezcla es de mayor
importancia. Grandes cantidades de carbón de alta
volatilidad son mezcladas con carbón de media o baja
volatilidad. Otra razón para mezclarlos es su
química no la estructura del carbón. Muchos
carbones contienen grandes cantidades de cenizas de: arena de
sílice, arcillas aluminosas, sulfuros de hierro y otros.
Por lo tanto casi todos los carbones son lavados.
Como ya se menciono anteriormente la
coquización es un proceso de destilación
destructiva usando calor externo. El coque es ampliamente
clasificado de acuerdo a su temperatura final del proceso de
coquización – coque de alta, media y baja
temperatura. Solo el último terminado entre 1700 y
2000° F (930 y 1100° C) se unas para el alto horno.
Aunque algunos de los de bajas temperaturas se utilizan para
mezclarlos.
Las producciones de carbón por tonelada
son:
De 65 a 73% de coque y de 5 a 10 % de residuos,
para una producción de coque del 75%. Puesto que cerca del
75% de sulfuro contenido en el carbón, permanece en el
coque, lo cual es que el contenido de sulfuro es alrededor de la
misma cantidad carbón en el coque, a menos que se empleen
las técnicas adecuadas para remover los sulfuros. (Peters,
1982)
Calcinación
El concepto calcinación es la
eliminación de agua y gases atrapados químicamente
en el concentrado, de los cuales se pueden considerar los
hidróxidos, carbonato, sulfatos y compuestos
hidratados.
1.5.1 Termodinámica de la
calcinación.
Un estudio termodinámico de la
calcinación nos va a mostrar el sentido hacia donde se
desplaza la reacción en las condiciones estándar
(25° C y 1 atm de presión) ya sea hacia los productos
o reactivos y el tipo de la reacción a desarrollar, si es
exotérmica o endotérmica.
Analizando la calcinación de un carbonato:
como queremos la
descomposición del carbonato el sentido de la
reacción ya se ha definido y es de izquierda a derecha,
pero es necesario saber si la reacción genera o absorbe
calor para desplazarse en el sentido deseado; y es necesario
calcular el cambio de entalpia, obteniendo los valores de
entalpia a 298 °K para productos y reactivos, de las tablas
termodinámicas.
Cambio de entalpía.
Sustituyendo los valores obtenidos queda:
El resultado positivo nos indica que la
reacción es endotérmica y que requiere calor para
desplazarse de izquierda a derecha.
1.5.2 Cinética de la
calcinación.
El sueco, Jacobus Herlcus Van´t Hoff, (1852
– 1911) sentó las bases para el estudio de la
cinética química, al mostrar la influencia de la
concentración y la temperatura en el equilibrio
fisicoquímico de las reacciones. La cinética
pretende determinar la rapidez con que se desarrolla una
reacción, y a su vez, poder acelerarla o retardarla,
mediante la modificación de los parámetros
originales como son: La temperatura, radiación de luz que
absorben los átomos, y los catalizadores en la
reacción.
La cinética se basa en el modelo del
núcleo sin reaccionar que se encoge, en el cual considera
a una partícula esférica con un diámetro
(d0), que reacciona bajo la acción del calor.
Pasado un tiempo "t" en que se dio la
reacción de calcinación, se corta la
partícula esférica por la mitad, para observar el
avance de dicha reacción, apreciándose lo
siguiente:
a.- La reacción de la calcinación
MCO3 = MO + CO2 se presentó en la superficie donde la
temperatura es igual a la de calcinación.
b.- La reacción continua hacia el centro
de la partícula, pero la temperatura en esta zona no fue
suficiente para la calcinación.
c.- Un núcleo de reactivo de
diámetro "d1" menor al diámetro original "d0"
(d1< d0), queda sin reaccionar, disminuyendo de esta manera,
la eficiencia de la reacción.
El mecanismo sugerido por la cinética
(para que reaccione dicho núcleo de diámetro "d1"),
es el siguiente:
1.- Como la reacción de calcinación
es endotérmica, es necesario difundir la temperatura de
calcinación al frente de reacción "interface"
(limite de contacto entre d1 y d0).
2.- Con el valor de Td (temperatura adecuada para
la calcinación), la reacción MCO3 = MO + CO2 es
rápida en sí misma.
3.- La reacción de calcinación
genera dióxido de carbono como producto, es necesario
difundirlo hacia el exterior de la partícula a
través de la capa producto, porque al aumentar la
concentración frenaría la reacción hasta
alcanzar el equilibrio.
La cinética identifica que el paso
más lento que controla una reacción, es la
difusión del calor, hacia la interface o núcleo sin
reaccionar, y para activar la reacción y aumentar la
eficiencia de la misma, es necesario conocer los
parámetros que afectan la difusión térmica o
transferencia de calor; dichos factores son: tamaño de
partícula, conductividad térmica de la capa
producto (naturaleza del material) y el gradiente de temperatura
existente. (Rodriguez Baiz)
Principios de los
procesos de Aglomeración
Son los procesos en los cuales el mineral o
concentrado fino, se transforma en terrones o partículas
de mayor tamaño, con el propósito de evitar los
embanques y el arrastre de polvos metálicos.
El producto final de la aglomeración debe
cumplir con:
Resistencia a la compresión.
Resistencia a la abrasión.
Porosidad ó reactividad.
Tamaño adecuado de
partícula.
1.6.1- Sinterización.
Es un proceso de aglomeración para
partículas con un diámetro mayor o igual a 200
mallas, su objetivo es permitir la unión entre
partículas en las zonas de contacto para formar cuellos en
dichas aras de contacto,, utilizando un calentamiento a
temperaturas menores al punto de fusión del mineral. Al
calentar las partículas se ablandan en la superficie ya
que se producen pequeñas fases fundidas y al estar en
contacto unas con otras se unen a través de un crecimiento
de cristales o por medio de una difusión en estado
sólido.
La capacidad de sinterización depende de
la velocidad de succión del aire a través de la
carga a sinterizar, y depende del vacío aplicado
generalmente 0.1 a 0.2 atmósferas, de la permeabilidad de
la carga, de tamaños de partículas mayores a 100
mallas, de la humedad 10% máximo, y del tipo de coque
empleado.
Mecanismos de sinterización.
En la sinterización se permite la
difusión de la materia en estado sólido
presentándose los siguientes pasos:
1- Difusión de átomos de
la superficie hacia el cuello o área de contacto entre
dos o más partículas.2- Difusión atómica del
interior de las partículas hacia el cuello de
contacto.3- Vaporización y
condensación de la materia en la región del
cuello de contacto.4- Recristalización de la materia
cuando fueron sometidas a deformaciones ya que se libera de
esfuerzos e incrementa la región de contacto.
Procesamiento general para sinterizar una carga
oxidada.
1- Se tienen 4 tolvas de almacenaje con
diferentes contenidos en cada una, como es mineral, coque,
fundente y material de retorta; de las cuales a través
de bandas dosificadoras de velocidad variable se extrae la
cantidad necesaria de cada una, para formar un composito y
enviarlo a los patios de homogenización.2- Carga homogénea previamente
sinterizada llamada sinter de retorno, se carga en el fondo
del equipo para absorber calor y evitar la fusión de
la parrilla y encima se carga una altura de 300 a 40 cm, del
composito mineral a sinterizar.
3- Se enciende la mufla y alcanza los 1
700°K que es la temperatura de ignición para
calentar los gases existentes en la parte superior de la
carga a sinterizar.4- Se hace succión en forma
descendente de los gases calientes para encender la carga e
iniciar la sinterización.5- Si la carga a sinterizar contiene un
9% de pirita o un 5% de azufre se puede ahorrar el consumo de
combustible.
1.6.2- Peletización.
Es una operación de aglomeración
para concentrados o minerales de tamaños de 200 mallas
(0.1 mm) que no es posible sinterizar, con el propósito de
aumentar el tamaño de partícula y obtenerlas en
forma esférica o de pelotillas, particularmente se usa
para menas de hierro.
Rolado o boleo del mineral formación del
pelet.- Se basa en el principio de la bola de nieve en la
pendiente de un cerro, como aglutinante se utiliza en esta etapa
la humedad, aunque puede ser bentonita, CaCl2, NaCl, FeSO4,
CuSO4, CaSO4, cuyas funciones son regular la basicidad, hacer las
partículas esféricas, aumentar la tensión
superficial, la resistencia a los choques térmicos y
evitar la fragilidad del pelet.
Otros factores que aumentan la
aglomeración son las fuerzas de atracción
(magnéticas y electrostáticas) entre las
partículas y las propiedades físicas
(humectabilidad, capilaridad o porosidad del material, superficie
de la partícula, forma, aspereza) y la estructura
cristalina.
El equipo puede ser un tambor rotatorio o un
disco con cierta inclinación como se muestra en la
figura:
El tamaño de partícula a obtener
varía de 10 a 30mm, aunque se pueden fabricar de 3mm.
Estas son llamadas micropelotitas, dicho tamaño depende
de:
1- El ángulo de
inclinación del equipo: Mayor inclinación menor
tamaño de partícula.2- La velocidad de rotación del
equipo: Mayor velocidad menor tamaño de
partícula.3- Humedad varia de 5 a 10% dependiendo
de los huecos entre las partículas, el exceso de
humedad produce una mezcla pastosa que no permite la
formación del pelet.
Cocimiento o endurecimiento. Está
operación se realiza con el propósito de eliminar
la humedad y algunas sustancias volátiles a una
temperatura de operación entre los 1200 y 1300°C, al
evaporarse el agua los pelets, se volverían polvo
nuevamente ya que la tensión superficial del agua
mantenía unidas las partículas, pero por la
adición del aglutinante permanece su forma aún
después de la cocción.
Las características generales del pelet
deben ser resistencia a la abrasión para soportar los
medios de transporte que los conduce hacia la cocción, a
la compresión para soportar el peso de la carga sobre
ellos en la cocción y en los hornos para obtener el metal,
la porosidad ya que aumenta la permeabilidad y la transferencia
de calor hacia el núcleo, el tamaño y forma
homogéneos para permitir un mayor flujo de gases entre las
partículas y hacia el núcleo del pelet, y la
composición química homogénea para aumentar
la capacidad de reducción del mineral. (Rodriguez
Baiz)
1.7- Chatarra y su preparación.
Una materia prima muy importante para la
fabricación de metales ferrosos es la chatarra; esta
representa cerca del 50% de carga en el alto horno, 30% en el
proceso básico de oxigeno, y usualmente el 100% de la
carga en la fabricación de acero en el horno de arco
eléctrico.
La chatarra debe de ser limpia, no tener
contaminación por no metales que tienen que ser removidos
en las operaciones tales como pedazos de concreto adheridos a la
chatarra estructural, caucho y plástico presentes en la
chatarra de automóviles.
El término "limpia" también incluye
elementos no deseados como sulfuros de la acerería, y zinc
el cual se volatiliza y se oxida de nuevo con la
deposición subsecuente en los conductos del gas que
dañan gravemente sus materiales refractarios. El plomo se
filtra a trabes del fondo del alto horno y
dañándolo de esta manera. El estaño afecta
de forma marcada incluso en pequeñas cantidades. El cobre
actúa de forma similar, pero es menos dañino.
La anterior consideración hace dos clases
diferentes muy importantes de chatarra no deseada en los molinos
de acero. Chatarra del incinerador de la ciudad y cuerpos
automotrices. La chatarra de la incineración de la ciudad
es muy rica en estaño de las latas. Completas cargas de
acero han tenido que ser desechadas cuando la cantidad de
estaño se muestra por encima del 0.06%. A de mas esta
chatarra usualmente trae muchos sulfuros, generalmente por
aceites usados en la incineración y a menos que este bien
preparado por la separación magnética,
también tendrá mucha ceniza inútil.
Las carrocerías de los cuerpos
automotrices traen generalmente mucho cableado de cobre, zinc
para la impermeabilización del moho. Plomo y estaño
de la soldadura y sulfuros de los plásticos.
Unas típicas instalaciones consisten
en:
Retiro manual y fácil de piezas de
chatarra, recuperables y rentables. (Cobre y plomo)
Un martillo pesado u otro molino empleado para
desintegrar los cuerpos.
Destripador o desfibradora.
Tamiz vibrador: Este remueve muchos no metales,
pues soportan el impacto de las operaciones precedentes.
Horno de ignición: Este remueve la
mayoría de los no metales que resisten el impacto.
Separador magnético: Los valores no
ferrosos se pueden recuperar de la fracción no
metálica por la costosa clasificación manual en las
correas. (Peters, 1982)
Bibliografía
Baiz, i. A. Apuntes de Pirometalurgia.
Chihuahua Chi.
Barreiro, J. A. Fabricacion de hierro, aceros
y fundiciones. Bilbao España: Urmo S. A. de Ediciones
.
Jordens, Z. S. (1984). Metalurgia no
ferrosa. México: Limusa.
Peters, A. T. (1982). Ferrous Production
Metallurgy. New York: John Wiley and sons.
Autor:
Erik Olivos Flores
Catedrático: Ing. Pedro Zambrano
Bojorquez
Ing. Materiales.
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