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Proceso Productivo Metalúrgica

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Cristián Vivanco

on 25 November 2015

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Proceso Productivo Metalúrgica

Metalurgia Extractiva
Primero se mostrará la extracción de la  materia  prima  y  luego  lo  que  ocurre  realmente  en  la  industria  posteriormente  al  ser  procesada.
 

Preparación del Mineral 
Recapitulando lo expresado hasta ahora, vemos: 
Tanto los pellets como los sin-ters se cargan directamente en elalto horno y téngase en cuenta  que estos contienen los mismos elementos de la carga de alto  horno, en las proporciones ade-cuadas. Estos temas de forma-ción de piezas con polvos, serán tratados con mayor detalle al ver Metalurgia de Polvos. 
Yacimientos Metalíferos de Hierro 
A pesar de la gran variación en la composición y en la forma física de las menas, éstasse tratan según un corto número de sencillos principios.
Una mena de baja ley es un  agregado  de  distintas  especies  o  clases  de  minerales  que  se  presentan  en  forma  de  partículas o granos de tamaño variable. 
 En la mayoría de los casos, estas partículas están  cementadas  en  una  roca  que  puede estar en su origen parcial o completamente descompuesta. En otros casos,  puede ser una sencilla mezcla de partículas libres de los minerales constituyentes. 
Cuando las partículas están cementadas, es necesario realizar la  liberación  antes  de  la concentración, y esto ordinariamente se consigue mediante el quebrantado, tritura-do o molido.
Las quebrantadoras sirven para triturar menas de tamaño grande. 
Pueden ser: de mandíbulas, que consisten en una mandíbula fija y otra móvil en el sentido de avance y retroceso del extremo más estrecho; y giratorias, que trituran por compresión entre la pared de una cuba tron-cocónica fija y un rodillo cónico, impulsado por un eje, animado de 
movimiento de rotación.
Con 4,5 Tn de carga total obtengo 1 Tn de Arrabio. Si la producción por día es de 10.000 Tn de Arrabio entonces necesito 45.000 tn de carga.
Metalurgia  es  la  ciencia  que  estudia  la  obtención  de  los  metales  a  partir  de  sus  minerales y su posterior transformación. 
Mena
La  naturaleza  ha  sometido  a  la  Tierra  a  una  serie  de  procesos  de  condensación,  solidificación  y  disolución. En estas transformacionesse han cumplido los principios fisico químicos y ha habido concentración de elementos químicos en determina-das zonas de  la  corteza terrestre. 
En las menas, el mineral y la ganga se encuentran, en general, íntima-mente mezclados y es muy difícil 
separarlos. Es muy frecuente que 
las menas contengan varios minerales, algunos de ellos elementos no  deseados, y es misión de la meta-lurgia extractiva el separarlos, bien 
antes de la primera operación de 
fusión o en algún otro momento pos-terior  antes  de  que  el  metal  salga  al  mercado.
Cada operación de trituración  suele ir precedida por un criba-do.La trituración y la molienda  son dos operaciones que se em-plean con frecuencia de un modosucesivo; la primera, con el fin  de obtener el material en porciones algo gruesas, y  la  última  en  partículas  finas  y  hasta  en  polvo.  Estas  operaciones  se  basan, casi exclusivamente, en  la experiencia. 
Identify the problem
Explain what success will bring
Las trituradoras intermedias pueden constar de rodillos, discos o ruedas, o ser pisones, desintegradoras o moli-nos de martillo. Los molinos finos, quedan un material impalpable, actúan por la acción de la fuerza centrifuga,  siendo el más conocido el molino de  bolas o tubos. El molino de bolas  consta de un cilindro de acero, que  contiene bolas de acero o de fundición especial, y que gira alrededor de un  eje horizontal. En la superficie tiene un tamiz que permite la salida del mineral suficiente-mente triturado
Los materiales que se han de transportar en una instalación metalúr-gica pueden ser líquidos o sólidos.El  equipo  mecánico  que  se  utilizará depende  exclusivamente  de la cantidad de materiales que  se han de transportar, pero tam-bién de muchos otros factores.  Los métodos de transporte se pue-den clasificar en los siguientes 
grupos:
Tamizado 
La  separación  de  los  sólidos,  por  su  tamaño,  mediante  tamices,  tiene  particular  importancia en la metalurgia extractiva.   La separación de las partículas sólidas de cinco a diez centímetros de diámetro de los polvos  finos se hace, según el tamaño, en enrejados,  tambores o tamices vibratorios; los dos últimos  para los tamaños pequeños. 
1º)Extracción del mineral: 
Del yacimiento metálico se extraen grandes 
bloques de mena, que hay que reducir para in-troducirlo en el proceso. Se realiza por dinamita-do, martillos o máquinas excavadoras especiales.
2º)Trituración del mineral: 
Debe reducir esos bloques a tamaños adecuados al proceso. Las máquinas a emplear según el  caso son:
-Trituradora de mandíbula
-Molino de bolas: se obtiene mineral muy fino.
-Giratorio cónico dos conos macho hembra 
(chancador) 
-De cilindro (Rodillo giratorio
5º)Aglomeración: es necesario por 
la gran cantidad de polvo que se produce durante la extracción, la prepa-ración, transporte y la recuperación de polvos de la carga  del proceso  de obtención del metal (arrabio en elalto horno). 
PRODUCCIÓN DEL HIERRO Y ACERO
Una  vez  analizado  el  proceso  de  extracción  en  si  mismo,  pasamos  a  ver  el  procedimiento necesario para elaborar el ma-yor producto, fruto de estos procesos: El HierroInicialmente analizaremos el metal de Hierro  en si, con sus propiedades y luego los recur-sos que se emplean en la industria para con-formarlo como metal útil. Posteriormente, el  análisis proseguirá con su transformación en 
acero. 
Minerales de Hierro
El Hierro rara vez se encuentra en estado nativo, por lo general en meteoritos. Lo más frecuente es que forme parte de óxidos y sulfuros. La ventaja es su bajo costo, con muy buenas propiedades mecánicas y su facilidad de cambiar dichas propiedades por tratamientos térmicos relativamente fáciles de hacer.
DETALLE DEL ESQUEMA DE PROCESO METALURGICO
Aire
El aire es necesario para que ardan los combustibles, tales como el carbón, gas natural, petróleo, etc., y mediante su reacción proporcionan las calorías necesarias para iniciar las reacciones químicas o para que estas continúen.
Graficamos...
Definición de las partes del Alto Horno
Based on Jim Harvey's speech structures
Siderurgia es la especialidad de la Metalurgia dedicada solo al estudio del acero, por ser este el metal más abundante, de mayor uso y menor 
precio. 
La obtención de los metalesy los tratamientos necesa-rios para hacerlos útiles a la  humanidad, dependen de 
cinco materiales principales:menas, fundentes, combustibles, aire  y agua. 
Entendemos por menas los productos 
geológicos susceptibles de aprovecha-miento por el hombre, enriquecidos en  algún elemento químico. De manera que,en general, una mena se define como unmineral o mezcla de minerales, de los 
que se puede extraer con provecho  uno o más elementos. Cuando este ele-mento químico es un metal, la mena en 
cuestión es  una mena metálica
La mena esta formada de dos partes: El mineral, porción relativamente rica en el metal o elemento que se  desea  obtener,  con  composición  química  definida, que aparece naturalmente enestado sólido , y la ganga, que es el  estéril o desperdicio de la mena. 
De todo esto se desprende queconviene tratar las menas para extraerle las impurezas lo  más  que se pueda antes de ingresarlas  al  horno,  reduciendo  así  el consumo de combustible y  facilitando el proceso debido a la mayor limpieza.
Así  el  tratamiento  de las menas  comprende procedimientos físicosy procesos químicos, y la máxima simplificación se consigue cuandosolo con agua se puede separar  el mineral o el metal de la ganga, aprovechando su distinta densi-dad (decantación).  
El tratamiento de las menas comien-za con la transformación de los grandes trozos de rocas en partícu-las  de  tamaño  medio  o  muy  finas,  según  las  exigencias  del  método metalúrgico.
Después de la clasificación por tamaños, se someten las partículas a la  acción de varios tipos de fuerzas pa-ra conseguir la separación de la par-te que interesa.   
Existen muchos tipos de máquinas, que se pueden clasificar en los  siguientes grupos: trituradoras  groseras, que  son  realmente  quebrantadoras; trituradoras inter-medias  y  molinos.
1. Vagonetas (ferrocarril) o cucharones; 
2. Transportadores de correa;
3. Transportadores de cadena;
4. Transportadores de hélice;
5.Transportadores neumáticos o hidráuli- cos (mineraloducto). 
6. Camiones
3º) Clasificación:  Se  realiza  mediante  uno  o  más  tamices  por  tamaño  de  partículas. También puede hacerse con ciclones para suspensiones, que por lo general son acuosas. (Es el caso del mineral de oro contenido en la roca, que se libera después de la molienda). 
4º) Enriquecimiento o concentración: 
Se separa la ganga o parte de ella del 
mineral : 

•Enriquecimiento magnético usado con la  magnetita (Fe3O4), las partículas de mineral de hierro son extraídas por magnetismo,  mientras que la ganga no es atraída.
•Enriquecimiento por densidad: la ganga  flota en un líquido especial (por lo general  soluciones acuosas), el mineral se va al fon-do donde es extraído por medios mecánicos o neumáticos. 
•Enriquecimiento por flotación: Se hacen flotar en un medio líquido las  finas  partículas  de  la  mena,  adhiriéndoles  una  burbuja  de  aire,  mientras que la ganga  precipita al fondo de la  celda de flotación. 
•Enriquecimiento por centrifugado: Se hacen 
pasar por un ciclón (en un medio líquido por lo gral.) las finas partículas de la mena,  retirándo-se hacia la pared las partículas de mayor densi-dad(separación del oro en proceso del cobre) 
• Sinterizado:  Se  emplea  para  producir  “piezas”  de  gran  resistencia  y  dureza  por  prensado  y  calentado,  a  una  temperatura  próxima  a  la  de  fusión  (soldadura por contacto, para el hierro esta alcanza los 1.538 °C).   
•Pelletizado: En este caso, la mo-lienda fina de mineral se hume-dece, se le agrega polvo de cal,  también polvo de coque y se lle-va a un tambor giratorio donde  se forman grumos, bolitas de 1 cm de diámetro. Luego se coci-nan en un horno a 1000 ºC para  endurecerlas. 
En el campo siderúrgico los minerales de Hierro más importantes son los  siguientes:
•Fe3O4  Magnetita (mena negra). Óxido Ferroso Férrico 
•Fe2O3  Hematita roja. Óxido Ferroso Férrico. 
•Fe2O3  nH2O Limonita, Hematita Parda. Óxido Férrico hidratado (contiene  por lo general mucha cantidad de ganga) 
•FeCO3  Siderita (Hierro Carbonado) Es carbonosa, contiene azufre pero po-co fósforo. Se debe calcinar previamente, donde elimina CO2 , y expulsa el  azufre y la humedad. Después de la calcinación puede quedar Fe2O3 o 
Fe3O4
•FeS2  Pirita (Bisulfuro de Hierro) color dorado. Estas menas se usan para la obtención de ácido sulfúrico, y el óxido férrico resultante de la tostación de la pirita se emplea para la obtención del hierro. Estas dos últimas no se emplean,ya que, son muy caras. 
Casi siempre se encuentran en el continente, es-pecialmente en las montañas donde la sedimenta-ción casi nula permite acceder a ellos con más fa-cilidad, pero también pueden estar en el fondo del mar presentándose como lodos y sedimentos. 
•Superficiales: llamadas también a cielo abierto. Deexplotación preferible, más segura y económica y  es de destape fácil. Se le quita el manto superior  de tierra con máquinas. 
•Profundos: la explotación se hace en “galerías”, esmás costoso. Se lleva a cabo si no es posible a cie-lo abierto. Primero se hace un pozo para encontrar el manto del mineral, luego se hacen excavaciones horizontales.
Combustible
Su función principal es proporcionar la cantidad de calor para alcanzar la temperatura que permite las reacciones químicas necesarias en el proceso, principalmente la reducción en el caso del hierro.
Puede ser carbón vegetal, gas natural, energía eléctrica (arco voltaico), y la misma carga del proceso (según que sus reacciones químicas sean exotérmicas).
Hulla: es un combustible fósil que proviene de la descomposición de la celulosa de los vegetales o de la madera a través de los millones de años. Es Brillante y negra. Arde con
mayor facilidad que la antracita.
Coque: proviene de la destilación destructiva de la hulla en ausencia de oxígeno. Consiste en calentar en un recipiente cerrado (horno de coquización) productos sólidos del carbón mineral. El objetivo de la coquización es producir un combustible libre de materias volátiles, rico en carbono fijo y que posea cualidades, tales como tamaño, friabilidad y dureza, convenientes para su utilización en los hornos. Este es en teoría carbono puro. También se usa coque de petróleo
Alto Horno: dispositivo donde se reduce el mineral de hierro aproximadamente a
2000 ºC obteniéndose el metal como principal producto. Examinaremos con mayor detalle este artefacto más adelante
Fundente
El fundente en general es una sustancia que agregamos a los procesos de reducción y/o de fusión de metales para obtener condiciones físicas y químicas favorables.
Estas condiciones químicas son por ejemplo eliminar las impurezas del metal fundido, formando el fundente un compuesto químico con las mismas, separándolas de la masa líquida  por menor densidad flotando sobre su superficie.
Escoria
La escoria es el resultado de la reacción química del fundente con la ganga y demás impurezas del proceso de extracción de metales o del fundente con impurezas en el caso del afino de metales.
Alto Horno
El alto horno es básicamente un reactor vertical que trabaja a contracorriente entre
la carga descendente de MENA + Fundente + Coque y una carga ascendente de reactivo
formada por una columna de gases carburantes.
Es el método más económico de producción de arrabio, por reducción de la mena de hierro se realiza en el Alto Horno. El pequeño coste de la operación es consecuencia de la gran eficacia térmica del proceso y la gran producción de las unidades normalmente empleadas.
Introducimos en este horno los óxidos de Fe (ingresa acompañada de una ganga silícea o caliza y otras impurezas, principalmente fosfatos), junto con el coque, el fundente y aire precalentado y obtenemos gases, escoria y el producto intermedio buscado, que es el   arrabio.  
Campaña: 4 a 6 años (funcionamiento continuo)
Todas las instalaciones auxiliares hacen que la altura total del Alto Horno llegue de 80 100 mts.

Tragante: Donde entra toda la carga (mineral, combustible y fundente). Tiene un dispositivo para evitar que se escapen los gases a la atmósfera: cuando cae la carga sobre la campana superior, sobrepasada un valor del peso, se abre cayendo la carga sobre en la campana inferior que se abre, luego de cerrarse la superior. Nunca se abren las dos campanas simultáneamente. La carga llega mediante cintas trasportadoras o vagonteas llamadas "SKIP"
Cuba: de forma tronco-cónica invertido. Es aquí donde se efectúan las primeras reacciones químicas. El aumento de sección se da porque la carga aumenta de volumen, el
mineral al reducirse se transforma en una “esponja” de hierro.
Vientre: Entre los 700 y 1200 °, produce reacciones quimicas.
Etalaje: Es la zona mas caliente del alto horno. El hierro del mineral termina de fundrise y la ganga de escorificarse. Toda la columna de carga está sostenida por el coque incandescente. El fundente y el mineral ya no existen como tales y la escoria, como el metal está en estado líquido, cae hacia el crisol por los espacios que deja libre la carga del coque incandescente. El calor es recibido por convección de los gases, pero mas que nada, por radiación, debido a las altas temperaturas. (sobre los 1500°)
Crisol: recipiente del fondo revestido con grafito (carbono amorfo). En el mismo se deposita al fondo el metal fundido (arrabio) que sobrenada la escoria. Mediante separación por diferencias de densidad.
Revestimiento
Es de ladrillo refractario y su composición quimica cambia según la zona en que se encuentre:
Zona de carga: por estar sometido a choques, se cubren los ladrillos con una chapa acero evitando así su fractura.
Tener en cuenta que el ladrillo refractario no es estructural, no llega a tener la resistencia a la compresión de materiales estructurales como el ladrillo común, el hormigón o el acero. La estructura resistente del alto horno es de acero (exterior al mismo).
La condición necesaria para la buena marcha operatoria del A.H. es mantener la mayor uniformidad posible en la composición de la carga sólida y de los gases ascendentes y en la temperatura, ya que cada reacción química se ha de realizar al mismo nivel en el horno, y los gases han de pasar, uniformemente, a través de toda la columna de la carga descendente.
Elaboración del Acero
El arrabio, producto del A. H. no tiene aplicación directa como material para la producción de piezas. Este es duro y frágil, no sirve para construir nada. Es una materia prima intermedia en el proceso de obtención del acero.
El acero resulta de un proceso de oxidación del arrabio al estado líquido (el más usado en los convertidores). Es una aleación de Fe y C con un porcentaje de éste último de hasta 2,1% (2 %). El carbono no se encuentra libre, sino combinado como Fe3C Cementita. 
oxidar
Transformar un cuerpo o un compuesto por la acción del oxígeno u otro oxidante.
El acero es una solución (sólida a temperatura ambiente) , lo cual lo hace muy apto para aplicaciones estructurales, edificios, piezas de máquinas, etc. La ductilidad que posee, es decir, su cualidad de ser deformado plásticamente, permite conformarlo en productos semielaborados en forma de láminas (chapas) y barras (perfiles). La materia prima del acero es el arrabio y la chatarra
Fundición de Hierro
Se conoce así a la aleación ferrosa que se lleva al estado líquido para ser moldeada.
Esta forma de trabajarla se ve favorecida por su relativa baja viscosidad con lo cual se facilita el llenado del molde.
Las fundiciones pueden ser:
Con Carbono libre
-Gris
-Nodular
-Maleable
En la fundición gris, el Carbono se encuentra libre en forma de láminas de grafito, tiene aproximadamente un 4% C pero a partir de un 2% ya se consideran fundiciones. En la práctica estas se logran con un enfriamiento lento y un % de silicio del orden del 4% lo que favorece la segregación del carbono en forma de grafito durante la solidificación y que no se combine formando cementita o carburo de hierro.
Por ser “porosa” amortigua muy bien las vibraciones, además el grafito le confiere propiedades autolubricantes. Es el material por excelencia para construir las estructuras de las “máquinas herramientas”. Su fractura da un aspecto gris por el Carbono libre, de ahí su nombre.
En la fundición nodular, el grafito se encuentra en forma libre, pero de aspecto
esférico, tiene mejores    propiedades a la flexión que la fundición gris. Se obtiene por el agregado de productos químicos.
La fundición maleable se logra por tratamientos térmicos, entre 600 a 700ºC durante 4 horas, y tiene la propiedad de poder doblarse hasta 90º. Piezas de forma compleja que conviene moldear y que deban resistir choques.
Las fundiciones blancas tienen entre 2% a 6,6% C. Son muy duras, pero también muy frágiles. Estas se forman con un enfriamiento rápido y en presencia de elementos químicos que favorecen la formación de carburo de hierro. Prácticamente no tienen uso industrial por lo frágiles que son.Se usan en la industria minera para revestimientos resistentes al desgaste (aleadas con Mn), como ser interior de molinos SAC y de bolas, trépanos, pozos de petróleo, zapatas de freno de ferrocarril, etc.
Proceso para fabricación de Acero
a) Horno de oxígeno básico (BOF)
b) Hornos eléctricos:
-De arco
-De inducción
El horno de oxígeno básico es el proceso más reciente y más rápido para la fabricación del acero. Típicamente se carga un recipiente hasta 200Tn de arrabio, con un 30% de chatarra.
Se sopla oxígeno en el baño líquido, durante unos 20 minutos a través de una lanza refrigerada por agua. La vigorosa agitación del oxígeno “refina” el metal fundido, mediante un proceso de oxidación. Se usa para producir el 70% de acero en los EEUU.
1) Carga de chatarra.
2) Carga del Arrabio
3) Adición del fundente Cal (CaO)
4) Soplado con oxígeno
5) Vaciado del Acero
6) Vaciado de la escoria.
Tiempo de todo el ciclo: 35 a 55 minutos. Este procedimiento da un acero económico
de mejor calidad que los viejos convertidores soplados con aire.
Dúctil: es cualquier material que sin desunirse puede alargarse, ensancharse, engrosarse o adelgazarse, conservando su nueva forma.

Maleable: es la propiedad que tienen algunos materiales por la cual pueden extenderse en láminas, por golpes o presión.

Tenacidad: un material es tenaz cuando tiene buena resistencia a la tracción y un alto límite elástico (valor de tensión donde aparecen las deformaciones plásticas).
Tipos de Acero
Aceros al Carbono: . Son de uso estructural y se construyen con él: barcos, estructuras de edificios, máquinas agrícolas, carrocerías de
automóvil, carpintería de obra (puertas, ventanas), etc.
Aceros Inoxidables
Son aceros altamente aleados no menos del 10 al 12% de cromo (con porcentajes menores a estos el Acero se oxida). Son diseñados para tener una alta resistencia a agentes corrosivos, como lo son el agua de mar, el aire atmosférico, soluciones salinas o ácidas, etc.  
El cromo forma una delgada película muy dura y adherente de óxido de cromo que es
lo que protege el metal contra la corrosión.
Se emplean para utensilios de cocina, tuberías, accesorios, tornillos, en general industrias química y alimenticia, etc.
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