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Producción de arrabio o como funciona un alto horno

Alto horno
En la actualidad, los productos ferrosos se obtienen  casi en su totalidad, de dos maneras diferentes dependiendo de la materia prima empleada. Estos dos procedimientos son a través del alto horno (usando mineral de hierro) y a través del horno eléctrico (empleando chatarra). Nosotros únicamente estudiaremos el primero de ellos, pero si estáis interesados en como se obtiene el acero en un horno eléctrico os recomiendo que veáis el vídeo Así se hace el acero.

Materia prima para la fabricación de arrabio


Aunque el horno eléctrico emplea otras materias de partida, las materias primas para la producción de arrabio en un alto horno son son básicamente 3:
hematite

  • Mineral de hierro: El hierro es el metal más abundante de la corteza terrestre tras el aluminio (bauxita). Se encuentra. En la naturaleza se encuentra combinado en formando diferentes minerales siendo de interés industrial únicamente 3 de ellos: la magnetita, los hematítes y la siderita. En yacimientos, el mineral útil (mena) está acompañado de impurezas y minerales que no son útiles (ganga) para la siderurgia, por lo que antes de comenzar el proceso siderúrgico hay que someterlo a una serie de tratamientos:
    • Tratamientos mecánicos (cribado, triturado y molienda): para facilitar tratamientos posteriores.
    • Tratamientos de separación (hidrodinámicos, por flotación y/o por arrastre): para concentrar la mena separándola de la ganga.
    • Tratamientos térmicos (calcinación y tostación): para facilitar reducciones (reacciones químicas) posteriores y eliminar impurezas volátiles.
    • Tratamientos de aglomeración (briqueteado, nodulación, siterización y pelletización): para aglomerar los finos y evitar el bloqueo de los intersticios o huecos en el interior de los altos hornos.
    Esquema de Obtención de coque
  • Coque siderúrgico: es el residuo sólido obtenido de la destilación o combustión en ausencia de aire (pirólisis) de mezclas de hasta 12 carbones. De esta forma se obtiene un combustible sólido compuesto en un 90-95% de carbono Sus funciones son:
    • Combustible: al reaccionar con el oxígeno del aire que entra en el alto horno a través de las toberas aporta el calor necesario para fundir la mena.
    • Reductor: aporta el monóxido de carbono responsable de la reducción del hierro. Una pequeña parte reacciona con el hierro fundido.
    • Soporte: de la carga en el interior del alto horno facilitando la combustión y el tránsito del hierro y escoria en sentido descendente y de los gases en sentido ascendente.
  • Fundente:
    • Su función es combinarse con la ganga y con las impurezas impidiendo la formación de compuestos de hierro indeseados de alto punto de fusión. La cantidad de fundente y su naturaleza debe establecerse con mucho cuidado, dependiendo de la naturaleza y composición de la ganga y la proporción de impurezas. Generamente se emplea piedra caliza (cal) que evita la formación de silicatos de hierro (de alto punto de fusión), formando silicato cálcico que tras fundirse flota sobre el arrabio líquido y se elimina a través de la bigotera junto con otras impurezas formando la escoria.  La escoria formada sirve para la fabricación de cementos, lana de escoria, fertilizantes...

Obtención del arrabio: alto horno


Partes de un alto horno
Aunque existen otros métodos, el método más empleado para su obtención es por reducción química de los óxidos de hierro en un alto horno (su nombre correcto es horno alto), debido a su bajo costo, alta productividad y alto rendimiento térmico.

Un alto horno es un horno especial recubierto de material refractario (capaz de soportar altas temperaturas) en el que tienen lugar la fusión de los minerales de hierro y la transformación química de éstos en el llamado fundición de primera fusión o, en la terminología siderurgica, arrabio, con un contenido en carbono del 2.6-4.3% en carbono. Un alto horno es una planta química en forma de columna de una altura entorno los 20-30 m, en el que el diámetro aumenta desde su parte superior (tragante) hasta alcanzar el máximo (vientre) conformando la cuba. Desde el vientre su diámetro disminuye en la zona llamada etalaje hasta hacerse cilíndrico en la obra, cuya parte inferior se llama crisol. El crisol dispone de dos orificios de salida, uno (bigotera) por encima del otro (piquera) para la evacuación de la escoria y el arrabio, respectivamente. Los gases calientes que salen por la parte superior del horno, contienen dióxido y monóxido de carbono y óxidos de azufre que arden con facilidad, por lo que se queman en otros hornos especiales (estufas Cowper) para calentar el aire que se introduce en el alto horno a través de una serie de conducciones (toberas) por encima de la bigotera.

Esquema de un alto horno
Lámina elmundo: Funcionamiento alto hornoLas cargas (mena de hierro, coque y fundente) se introducen a intervalos regulares a través de los tragantes, con dispositivos de doble campana para no dejar escapar los gases del interior del horno. A medida que las cargas comienzan su camino descendente, se producen diferentes reacciones entre éstas y los gases ascendentes. Primero se produce la deshidratación en la parte superior de la cuba; y después la reducción  en la parte inferior de la cuba. En el etalaje, el hierro comienza a fundirse (zona de fusión)  y a combinarse en cierto grado con el carbón de coque (zona de carburación). Tras alcanzar el crisol, el arrabio se sangra (sangrado de alto horno o colada) a través de la piquera hacia las lingoteras (para obtener los lingotes de primera fusión, al enfriarse) o hacia las cucharas (recipientes de acero recubiertos interiormente de material refractario) manteniéndose el arrabio en estado líquido.

Os dejo dos magníficos vídeos donde podéis ver un resumen con las diferentes partes del alto horno y su funcionamiento.





Aquí tenéis una animación de Absorb Chemistry con explicaciones (lo siento, pero están en inglés) de como funciona un alto horno para la producción de arrabio.

Animación como funciona un alto horno



Otra vistosa animación es la publicada desde ulcos

Animation of how steel is being produced. Blast Furnace

Si queréis investigar cómo sigue el proceso para la obtención de acero y fundiciones, consultar la entrada: Obtención de aceros y fundiciones.


Ampliar información:



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