Metalurgia del Hierro

El hierro y el acero son términos muy relacionados con el desarrollo y progreso tecnológico y social de la humanidad. Los procesos fisicoquímicos y metalúrgicos de la producción de hierro, son conocidos bajo el término de “siderurgia”, que parte con la extracción/concentración de un mineral de hierro al que le sigue un proceso pirometalúrgico que se realiza en un alto horno.

La fundición es una forma de metalurgia extractiva para producir un metal a partir de su mineral. La fundición utiliza el calor y un agente químico reductor, expulsando otros elementos en forma de gases o escorias y dejando sólo el metal. En el caso de la industria del hierro, la facilidad con la que los compuestos de hierro de los minerales pueden ser reducidos por el carbono, masificó el uso de este reductor en formato coque y de carbón vegetal, como la fuente principal para descomponerlos. 

Al alto horno se ingresa mineral de hierro con impurezas, fundente y carbón, y de este salen gases, escoria y el arrabio (hierro elemental). La reacción global para la producción de hierro a partir de un mineral de hematita en un alto horno es la siguiente:

La conversión de arrabio en acero se realiza en un recipiente llamado convertidor, y se utiliza suministrando oxígeno al arrabio líquido, este proceso se llama afino.

Figura 1: Esquema de un alto horno para convertir óxidos de hierro en metal de hierro. Mecanismo de Boudouard. Fuente:https://chem.libretexts.org/Bookshelves/General_Chemistry/Map%3A_General_Chemistry_(Petrucci_et_al.)/23%3A_The_Transition_Elements/23.3%3A_Metallurgy_of_Iron_and_Steel

En cuanto a las importantes funciones de la fuente de carbono, como el coque, en el alto horno podemos mencionar tres:

  • Físico/mecánico: proporcionar resistencia a la carga y alta temperatura en un ambiente reductor. Así como también, una porosidad adecuada, para permitir la circulación de los gases.
  • Químico: el coque reacciona con el CO2 para producir CO, que reduce la carga, según el mecanismo de Boudouard; 
  • Térmico: el calor producido por la combustión del coque debe ser suficiente para favorecer las reacciones y mantener en estado fundido tanto del metal como de la escoria en la parte inferior del del horno.

En los convertidores ocurre un proceso de fusión, donde hay 3 materiales de entrada y hay 3 productos de salida:

Input:

1. Arrabio liquido proveniente del alto horno. 2. Chatarra y fundentes. 3. Oxígeno

Output:

1. Acero Líquido. 2. Escoria. 3. Gases.

Los procesos explotados comercialmente o en desarrollo son COREX® y HISMELT®, los cuales difieren en cantidad de etapas o reactores para lograr la reducción y la fusión y además difieren en forma de alimentación del mineral utilizado, sea pellets, mineral en trozos o finos.

Finalmente, cabe destacar que durante mucho tiempo y dada las facilidades de reducción de los minerales de hierro frente al carbono, el carbón vegetal fue la forma de carbono más utilizada en el proceso de reducción, mecanismo intrínsicamente ligado a problemas medioambientales. La industria siderúrgica es uno de los mayores emisores de CO2 (entre el 4% y el 7% del CO2 antropogénico procede de esta industria). En este contexto y para esta industria se busca incorporar nuevas fuentes de energía respetuosas con el medio ambiente, de esta manera el coque o la electricidad utilizados para producir calor podrían sustituirse por energía solar concentrada y, de este modo, conducir a la reducción de las emisiones de dióxido de carbono.

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