ETAPAS DEL PROCESO.

El proceso de reducción del mineral de Hierro cuyo objetivo es la obtención de arrabio, se inicia desde la explotación y tratamiento de las materias primas, posteriormente éstas se someten a procesos de adecuación como la coquización y sinterización. Finalmente, el equipo característico del proceso es el Alto Horno, en el cual mediante la sucesión de reacciones químicas a altas temperaturas ocurre la reducción de los óxidos del mineral.

El Diagrama General de las etapas del proceso se observa en la siguiente gráfica.

Diagrama General del Proceso.

Etapa de Coquización. Cuando un carbón es pirolizado térmicamente o destilado destructivamente (a altas temperaturas) sin entrar en contacto con el aire, se convierte en una gran variedad de productos sólidos, líquidos y gaseosos. La eliminación de la fase gaseosa hace que el proceso se denomine desgasificación de carbones, mientras que la obtención final del coque da origen al término carbonización o coquización.

La planta de Coquería tiene por objeto producir el coque metalúrgico mediante una destilación a altas temperaturas de la hulla o carbón mineral en hornos, sin presencia del aire.

La planta de Coquería está compuesta básicamente por :

Diagrama del Proceso de Coquización.

Etapa de Coquización. Cuando un carbón es pirolizado térmicamente o destilado destructivamente (a altas temperaturas) sin entrar en contacto con el aire, se convierte en una gran variedad de productos sólidos, líquidos y gaseosos. La eliminación de la fase gaseosa hace que el proceso se denomine desgasificación de carbones, mientras que la obtención final del coque da origen al término carbonización o coquización.

La planta de Coquería tiene por objeto producir el coque metalúrgico mediante una destilación a altas temperaturas de la hulla o carbón mineral en hornos, sin presencia del aire.

La planta de Coquería está compuesta básicamente por :

Batería de Hornos. El objetivo de la Batería es producir el coque para el alto horno denominado "Coque Metalúrgico" y de los gases obtener algunos subproductos.

El carbón optimo para coquizar tiene aproximadamente 31% de materias volátiles y se obtiene de una mezcla de carbones.

Los carbones se reciben de tres clases con el fin de obtener un carbón apropiado:

40% de Carbón Alto Volátil (38-41% materia volátil)

20% de Carbón Medio volátil (30-33% materia volátil)

40% de Carbón Bajo Volátil (23-27% materia volátil).

La coquización se practica en hornos verticales tipo Koppers - Becker , en un proceso de calentamiento de dos tiempos. Esta batería posee dos partes denominadas lado coque y lado máquina, construidos en alto sílice y ladrillo silico - aluminoso en su mampostería refractaria ; ladrillo común y material aislante en su mampostería estructural y soportados por una estructura metálica.

Sistema de Calentamiento de la Batería. La batería se calienta con gas de coque que es el mismo que ha sido depurado o limpiado en la planta de subproductos y que se recircula para ser utilizado como combustible y dador de la carga térmica que necesita la batería.

El gas entra por un sistema de tuberías hasta unos inyectores colocados en las cámaras de combustión para que se mezcle con aire que ha sido previamente precalentado en unos ductos con empaquetados de anillos llamado regenerador.

Luego de que se ha producido la mezcla gas - aire se produce una combustión formándose humos que tienen la función de calentar los hornos de manera uniforme.

En este calentamiento los gases circulan de un lado hacia el otro del horno por medio de una máquina llamada Torno de Inversión el cual se encarga de abrir y cerrar las boquillas de entrada del aire en un ciclo que dura 40 minutos ( 20 minutos en cada sentido ) . Este torno de inversión trabaja con un reloj temporizado que cada 20 minutos hace un cambio en el sentido de la combustión, permitiendo que los hornos de la batería estén calentados uniformemente de lado y lado ofreciendo un buen aprovechamiento de la temperatura o capacidad calorífica del gas y el humo por eficiencia térmica.

La reacción de destilación destructiva que ocurre en el proceso de coquización es la siguiente :

C357H281O39 C280H26O8 + C27H22O2 + 5C10H41O3 + 14 H2O

( hulla ) ( coque) ( alquitrán ) ( gases)

Descripción del Proceso de Coquización. Los carbones son traídos a la planta de coque en camiones de donde se descarga a una tolva. El carbón es conducido en transportadores de banda a un triturador de rodillos de donde sale con un tamaño inferior a 1 Pulg. El carbón de tamaño inferior de 1 pulg es conducido por una banda transportadora al silo de mezclas. Este, está dividido en cuatro silos y acondicionados individualmente en su parte inferior con un dosificador de carbón automático, que suministra en forma constante la misma cantidad en peso, sin importar las condiciones en que vengan (humedad, granulometría, etc).

Se hacen las mezclas de los diferentes carbones y después se les adiciona agua de acuerdo al estado de humedad en que se encuentre ya que un carbón demasiado seco produce polvo que afecta las partes eléctricas y mecánicas así como también hay mayor propensión a incendios en los cargues y producción de grafito. También a la mezcla de carbones se le adiciona ACPM con el fin de aumentar la densidad del carbón y por consiguiente la calidad de producción del coque en la Batería.

El carbón en estas condiciones pasa a una criba vibratoria con mallas de 3mm, donde pasa a un molino de martillos que pulveriza y mezcla el carbón dando un producto cuya granulometría no debe pasar del 10 % por encima de 3mm, que es el tamaño mas adecuado y apropiado para cargar en los hornos y obtener un coque de buena calidad.

Los carbones que salen de la criba y del molino de martillos caen a un transportador y pasan a los silos de la Batería. Los silos de batería son cuatro con capacidad de 400 Ton cada uno. Esos silos en su parte inferior tienen compuertas movibles que son a condicionadas con el fin de cargar el carbón al horno.

Los Hornos tienen cuatro aberturas de cargue y una para evacuación del gas producido por la destilación del carbón al igual que dos compuertas para facilitar el deshorne y descarga del coque.

La maquina Deshornadora es la que se encarga de retirar el coque de los hornos. Esta máquina tiene translación propia y fundamentalmente: quita las puertas, deshorna y nivela los hornos. La máquina Guía de Coque que sirve de puente entre el horno a deshornar y el vagón de apagado; tiene translación propia y sus funciones son: quitar las puertas y guiar el coque durante el deshorne.

Luego de 20 horas, el coque se encuentra listo para deshornarlo y trasladarlo a un vagón de apagado el cual lo transporta inmediatamente a la torre de apagado, para evitar que el coque entre en combustión con el aire , en donde se le vierte una cantidad de agua durante 90 segundos desprendiéndose una gran nube de vapor de agua (templado del coque ) . Luego el coque apagado se descarga en una rampa para su reposo con el fin de que el agua se evapore completamente y apagar los que estén encendidos. Esta rampa está revestido en ladrillo prensado.

A continuación viene un proceso de estabilización en el cual el coque se tritura para reducirlo de tamaño y se criba para separar la fracción menor de 1 pulgada y la fracción mayor de 3 pulgadas y dejarlo del tamaño de 1- 3 pulgadas para que sea utilizado en el Alto Horno. El diagrama de flujo de este proceso se muestra en la gráfica.

Etapa de Sinterización. Durante los procesos de extracción de minerales, transporte y manipulación de las materias primas, se producen grandes cantidades de material, de una granulometria excesivamente fina que no permite el adecuado flujo de gases calientes a través de la carga, impidiendo llevar a cabo la fundición de la misma, por lo que se aglomera a un tamaño que permita su utilización.

Las materias primas de esta etapa son: Caliza, mineral de Hierro, Coquesillo, y finos del mismo Sinter.

Caliza: Llega entre 6-120 mm de grosor; se le hace un cribado para una granulometria inferior de 3.36 mm.

Mineral de hierro. Debe tener una granulometria menor de 9.5 mm.

Coquesillo: Son los finos de la planta de Coqueria y se debe obtener a una granulometría menor a 3,36 mm.

Diagrama del proceso de Sinterización.

Para mezclar estas materias primas se encuentran dos mesas de aglomeración del material llamadas pilas. Las materias primas llegan por bandas a un apilador que empieza a exparsirlas en la pila en una relación de 550 Ton de Caliza, 1000 Ton de mineral de Hierro y 60 Ton de Sinter.

El coquesillo llega húmedo pasa por molinos y va a una tolva de almacenamiento donde debe presentar alrededor del 8 al 9% de humedad. En otras dos tolvas se almacena la mezcla de la pila, en otra los finos de Sinter fríos de granulometría a inferior de 6 mm y en una última tolva se encuentran los finos de Sinter Caliente.

Todos los compuestos que se encuentran en estas cinco tolvas de almacenamiento pasan a un mezclador que homogeneiza la mezcla y también se les adiciona agua permitiendo la micropeletización (hacer grumos para que las partículas finas se adhieran permitiendo una mejor permeabilidad en el proceso).

Esta mezcla entra en una tolva que sirve como ducto y pasa a un rodillo que coloca la mezcla en unas cajas de acero herméticas unidas entre si para formar una pasta uniforme, luego pasa por un horno con una temperatura de 1000ºC alimentado con gas de Coqueria, el coquesillo entra en combustión y el calor desprendido convierte la mezcla en una torta porosa.

Luego se pasa por un triturador de aspas y un cribado donde las partículas que tengan una granulometría inferior a 6 mm se recirculan a la tolva de finos de Sinter Calientes y los mayores pasan a unos ventiladores y un cribado donde los menores de 6.4 mm pasan a la tolva de finos de "Sinter Fríos" y los otros pasan por bandas transportadoras a las tolvas de almacenamiento del alto horno. En la Figura se ilustra el proceso de sinterización.

Reduccion de Mineral de Hierro en Alto Horno.

Descripción del Alto Horno. Un horno alto está formado por dos troncos de cono unidos por su base mayor. El cono superior que es el de mayor altura y se denomina cuba, tiene forma cónica para facilitar el descenso de la carga en el curso de la operación. El cono inferior se denomina etalaje. La unión tiene lugar por medio de una sección redondeada o cilíndrica que se denomina vientre.

El horno termina en su parte inferior en un cuerpo de sección cilíndrica cuya parte superior se denomina obra y la parte inferior crisol. En la obra están situadas las toberas para inyectar el aire que activa la combustión del horno. En el crisol, que es donde se recoge el arrabio fundido y las escorias que flotan sobre él, hay uno o dos orificios denominados bigoteras o escoriales por donde sale la escoria fundida y otro más abajo denominado piquera, por donde sale el arrabio fundido. Los grandes hornos están provistos de un cañón de arcilla, para tapar la piquera al terminar la colada.

Todo el alto horno está recubierto interiormente por ladrillos refractarios con un revestimiento de espesor variable según la sección y la capacidad del horno. Las paredes de los etalajes, obra y crisol, están refrigerados por medio de agua para prolongar la vida del refractario.

Una envolvente de chapa de acero con aros de refuerzo constituyen la estructura del horno.

La carga se realiza por la parte superior, que se denomina tragante, y que está provista de un dispositivo de cierre formado por dos campanadas para evitar la salida a la atmósfera de los gases. La campana pequeña se abre cada vez que sube la cubeta del Skip descargando encima de la campana grande. Un distribuidor reparte la carga automáticamente. Cuando el nivel de la carga de los hornos ha bajado una altura determinada (2 ó 3 metros en los grandes hornos) se para el suministro de aire, lo que ayuda al descenso de la carga, y con la campana pequeña en posición de cerrado se abre la campana grande cayendo la carga completa.

En el tragante están también situadas las tuberías de salida de los gases que los conducen a los depuradores y después a las estufas de caldeo del aire, a los motores de gas, etc.

La gran altura de los hornos que supera los 30 metros, tiene por objeto facilitar a los gases ascendentes la cesión de su calor sensible y facilitar también al óxido de Carbono (CO) la reducción indirecta del mineral.

Carga del Alto Horno. Los altos hornos se cargan con capas alternadas de mineral, coque y fundente. A veces estos fundentes van mezclados con el mineral. Si se dispone de instalaciones de sinterizado, como es normal en las grandes factorías, se carga también sinterizado.

La carga del horno va descendiendo a medida que transcurre la operación y se hacen coladas de arrabio y escorias, tardando de 8 a 10 horas en obtenerse el metal, desde que se carga el mineral. En cuanto el nivel desciende de una altura determinada (de 2 a 3 m), se introduce una carga de relleno, que se había ido situando sobre la campana grande de cierre del tragante.

El mineral debe ser de tamaño comprendido entre 8 y 50 milímetros para que su superficie sea lo mayor posible y facilitar así su reducción indirecta con el óxido de carbono (C O).

El sinterizado se compone de polvo de mineral y de coke y de cenizas procedente de la tostación de piritas y carbonatos de hierro si los hay.

El combustible empleado es el coke metalúrgico. Dada la altura de los hornos altos, el coke debe tener buena resistencia mecánica del orden de los 160 Kg. por cm2 para resistir grandes cargas sin pulverizarse. No debe contener materias volátiles que podrían aglomerar los materiales en el horno. Debe ser poroso para facilitar su combustión. El poder calorífico del coke metalúrgico es del orden de 7000 Kcal. por kg. Conteniendo alrededor de 15% de cenizas generalmente siliciosas. Su densidad es de 0,5 aproximadamente. El tamaño mas empleado es de 25 a 80 mm.

Los fundentes tienen por objeto dar a la escoria fluidez necesaria. Una escoria viscosa cuela difícilmente y en cambio una escoria demasiado fluida corroe las paredes del horno. Las fluidez depende de la fusibilidad, y ésta de la proporción en que se encuentren los principales elementos que componen la escoria: la sílice, la alúmina y la cal.

Si en la ganga predomina la sílice, como generalmente ocurre, se dice que es ácida, y entonces el fundente empleado es la caliza o castina (Ca CO3), y la dolomíta (CaCO3, MgCO3).

La caliza (CaCO3) contiene teóricamente 56% de cal (CaO) y teniendo en cuenta la impurezas, la cantidad de caliza que se cargará aproximadamente será doble peso del de la cal necesaria. Una composición típica de caliza es la siguiente:

CaO = 53,74%,, P= 0,010%,, S= 0,096%,, H2O= 0,20%

Residuo insoluble = 1,40%

La dolomíta se emplea menos como fundente que como revestimiento refractario de carácter básico. A veces se añade, sin embargo, a la carga del horno alto para dar más fluidez a la escoria.

Si la ganga de fusión es básica y por tanto el lecho de fusión resulta demasiado básico se agrega anhídrido silicico, de ser posible en forma de escorias ácidas de horno de acero, lo que permite recuperar el metal que contenga. También puede añadirse la sílice en forma de cuarzo o arena.

Funcionamiento del Alto Horno. El oxígeno del aire que sale por las toberas atraviesa la masa de coque incandescente y dada su gran velocidad al principio se forma sólo anhídrido carbónico, como se expresa en lasiguiente ecuación.

C + O2 ® C O2

Aproximadamente a un metro de distancia de la boca de las toberas se habrá acabado el oxígeno y el gas estará formado íntegramente por CO2 que al contacto con el carbón incandescente, queda reducido con arreglo a la siguiente reacción:

C O2 + C ® 2 C O

En su marcha ascendente a través del horno, el CO, reacciona con los óxidos de hierro:

3 Fe2O3 + CO ® 2 Fe3O4 + CO2

Fe3O4 + CO ® 3 FeO + CO2

FeO + CO ® Fe + CO2

Estas reacciones constituyen la denominada reducción indirecta y tiene lugar entre los 400º y 700º aproximadamente. La reducción indirecta reduce aproximadamente del 85 al 90% del oxígeno del mineral en una marcha de fundición básica.

Además, los óxidos de hierro son también reducidos al contacto con el carbón sólido incandescente, entre las temperaturas de 700º a 1.350º con arreglo a las siguientes reacciones, que constituyen la denominada reducción directa:

3 Fe2O3 + C ® 2 Fe3O4 + CO

Fe3O4 + C ® 3 FeO + CO

FeO + C ® Fe + CO

La reducción directa constituye aproximadamente el 10 al 15% del proceso total de reducción del mineral. En esta misma zona de reducción directa, tiene lugar también la descomposición del carbonato de cal, que empieza a unos 800ºC, según la reacción siguiente:

CO3Ca ® CaO + CO2

El anhídrido carbónico (CO2) formado es reducido por el carbón:

CO2 +C ® 2 CO

Y el monóxido de carbono (CO) asciende a las capas superiores para contribuir a la reducción indirecta del mineral. Parte del hierro formado se carbura desde temperaturas de 800ºC, según la reacción:

3 Fe + 2 CO ® Fe3C + CO2

El carburo de hierro se diluye en el resto del metal.

La formación de carburo es muy útil para bajar la temperatura de fusión del hierro , que puro es de 1.539º, hasta la de fundición de hierro, que es de unos 1.200º.

Sin embargo, la temperatura en la zona de fusión es de unos 1.500ºC en marcha básica, debido a que las escorias necesitan esta temperatura como mínimo para que cuelen libremente.

Además de las reacciones anteriores, que son las principales, tienen lugar otras secundarias como las de desulfuración del arrabio, del azufre aportado principalmente por el coke, por medio de la cal, con arreglo a las siguientes reacciones:

SFe + CaO + C ® CaS + Fe + CO

SFe + CaO + CO ® CaS + Fe + CO2

Como el sulfuro de calcio (SCa) es insoluble en la fundición, pasa a la escoria.

También tiene lugar la desfosforación del arrabio con arreglo a un proceso similar.

En resumen, teóricamente puede dividirse verticalmente, de arriba a abajo, un horno alto en funcionamiento en 7 zonas:

1. Zona de deshidratación, cuyas temperaturas están comprendidos entre los 200º y 400º aproximadamente, donde tiene lugar la desecación de la carga.

2. Zona de reducción indirecta, desde 400º a 700º, donde tiene lugar a reducción de oxígeno del mineral, por medio de monóxido de carbono (CO).

3. Zona de reducción directa, de 750º a 1.350º, en la que tiene lugar la reducción del oxígeno del mineral directamente por el carbón incandescente.

4. Zona de fusión y carburación, donde tiene lugar la fusión y carburación de hierro formado.

5. Zona de combustión y desulfuración, en la que se alcanzan temperaturas cercanas a los 2.000º y es la zona donde se encuentran las toberas.

6. Zona de colado de escorias, donde se encuentran éstas flotando sobre el metal.

7. Zona de colada de arrabio, por donde sale el material de forma líquida.

Las reacciones expuestas dan una idea bastante aproximada de la marcha del horno alto. Sin embargo, se ha de advertir que la marcha real no se ajusta exactamente a ningún esquema determinado. En primer lugar no puede dividirse realmente el horno en zonas como se ha hecho, ya que en un mismo plano horizontal existen distintas fases, entre otras razones porque las temperaturas son más elevadas en el centro del horno que en la periferia.

Además, las reacciones de reducción, tanto directa como indirecta, son todas reversibles y se verifican en un sentido o en otro, según la temperatura y concentración de los diversos elementos.

Equipos Auxiliares del Alto Horno. A continuación se describe el funcionamiento de los principales equipos accesorios del alto horno.

Estufas para Precalentamiento del Aire .El calentamiento del aire soplado al Alto Horno presenta las siguientes ventajas:

- Aumento de la temperatura de combustión en la nariz de la tobera, por lo cual se mejora la marcha.

- Disminución del consumo de coque y de los combustibles en general.

Se estima que, por un aumento de la temperatura de soplo de 100ºC, la disminución del consumo de combustibles es del 1.5 al 2% para una marcha con 60% de sinter.

- Aumento de la producción del Alto Horno.

Se ha constatado un aumento de la producción de arrabio cuando se diminuye el consumo de combustible por tonelada de arrabio.

- Posibilidad de inyectar combustibles auxiliares:

El calentamiento del aire permite la inyección de combustibles auxiliares líquidos, sólidos o gaseosos, manteniendo una temperatura suficientemente alta en la zona de combustión. La inyección de estos combustibles provoca un efecto refrigerante en la zona adyacente a la tobera.

Hay tres estufas para precalentar el aire de soplo. Cada estufa es un intercambiador de calor revestido con ladrillo refractario y envuelto por una lámina de acero. La base es plana y la parte superior tiene forma de domo. Las estufas calientan el aire para el soplo antes de que este entre en el Alto Horno.

La estufa típica tiene dos partes: (1) la cámara de combustión donde se quema el gas del Alto Horno, y (2) un amplio sistema de intercambio de calor constituido por pilares de ladrillos huecos (Checkers) los cuales se colocan unos encima de otros, formando un gran enrejado refractario. La eficiencia de la estufa se mide por la temperatura de los gases que salen de ella, la cual debe encontrarse cercana a los 1200°C.

El gas del Alto Horno es lavado para remover la mayor parte del material sólido en suspención, antes de ser quemado en las estufas. El gas pasa hacia arriba a través de la cámara de combustión en donde se quema; los gases calientes producidos por la combustión del gas pasan entonces hacia abajo a través de los ladrillos recuperadores (Checker bricks), transmitiéndoles su calor sensible y luego salen a la atmósfera. El aire frío de soplo que entra, pasa hacia arriba a través de los recuperadores en donde se calienta, luego voltea hacia abajo por la cámara de combustión y sale al ducto principal de aire caliente, habiendo alcanzado una temperatura aproximadamente 900ºC, gracias al calor extraído de los ladrillos (Checkers) recuperadores de calor. Con tres estufas disponibles para el Alto Horno, dos pueden estar en calentamiento con gas y una podrá estar soplando en cualquier momento.

Las estufas utilizan aproximadamente del 25 al 30% del gas producido por el Alto Horno, para calentar el aire de soplo y tener así una eficiencia térmica de aproximadamente 25%.

Montacargas. El montacargas en los hornos es del tipo skip de plano inclinado, dotado de vagonetas volcables, o cubos desfondables, que abren automáticamente sobre el tragante. En los hornos modernos no es necesario personal en la plataforma de carga, lugar muy peligroso por los gases que se desprenden, pues la totalidad de la maniobra de carga se dirige desde abajo y se realiza casi automáticamente cuando desciende el nivel de la carga en el horno a una altura determinada.

Maquinas soplantes. El aire de soplo que se introduce por la toberas después de ser precalentado a mas o menos 800ºC en las estufas, es suministrado por una máquina denominada "soplador", la cual es accionada por una turbina de vapor y un ventilador centrífugo de tipo axial o radial..