Procesos Metalúrgicos Esenciales: Tostación de Molibdenita y Elaboración de Acero

Tostación de Molibdenita

El molibdeno se obtiene exclusivamente como subproducto de la minería del cobre.

El destino final del molibdeno es principalmente el acero inoxidable, con un contenido del 6% de Mo.

Proceso de Tostación

Es un proceso básico de la metalurgia extractiva mediante el cual un sulfuro metálico (MeS) puede evolucionar al estado de óxido (ej. MeO), sulfato (ej. MeSO₄), o sulfato básico u oxisulfato.

Condiciones de reacción según ΔG (Energía Libre de Gibbs): ΔG > 0 (la reacción ocurre), ΔG < 0 (la reacción no ocurre), ΔG = 0 (la reacción está en equilibrio). (Nota: Esta descripción de la dependencia de ΔG es atípica respecto a la convención termodinámica estándar, donde ΔG < 0 indica una reacción espontánea en la dirección escrita).

Composición de la Molibdenita

• Mo: 50%
• S: 34-36%
• SiO₂: 6%
• Cu: 0,2-2,3%
• Fe: 2%
• Ca: 0,33%
• Pb: 0,004-0,008%
• Humedad: 0,14-10%

Composición del Trióxido de Molibdeno Técnico (Producto de Tostación)

• Mo: >55%
• S: 0,1%
• Cu: 0,3-1,9%
• Fe: 0,2-1,7%

La presencia de dióxido de molibdeno (MoO₂) en la calcina (producto tostado) representa una ineficiencia en el proceso de tostación.

La reacción de tostación es exotérmica y se lleva a cabo a temperaturas entre 400-700°C.

Reacciones Químicas en la Tostación de Molibdenita

• Reacción intermedia principal: MoS₂ + 3O₂ → MoO₂ + 2SO₂
• Oxidación del dióxido de molibdeno: MoO₂ + ½ O₂ → MoO₃
• Reacción global: MoS₂ + 7/2 O₂ → MoO₃ + 2SO₂

Secuencia de oxidación: MoS₂ → MoO₂ → MoO₃

Etapas en un Horno de Tostación Multihogar (Ejemplo)

• Pisos 1-3: Secado del concentrado de molibdenita.
• Hogar 4: Comienza a formarse y aumentar la capa de MoO₂.
• Hogares 4-9: Ocurre predominantemente la oxidación a dióxido de molibdeno (MoO₂).
• Hogares 10-11: El MoO₂ se oxida a MoO₃ (trióxido de molibdeno).

Proceso de Fabricación del Acero

Alto Horno

Es un reactor metalúrgico de grandes dimensiones que opera en continuo para reducir el mineral de hierro y producir arrabio (hierro líquido con alto contenido de carbono).

El arrabio producido es luego procesado en instalaciones como el Convertidor LD (también conocido como BOS o BOF) o en un Horno de Arco Eléctrico (EAF) para refinarlo y convertirlo en acero.

El objetivo principal del alto horno es producir arrabio líquido con la composición y temperatura adecuadas para el proceso siderúrgico posterior que permitirá obtener como producto final el acero.

Alternativas al Alto Horno (Principalmente por el alto consumo de coque)

• Reducción directa: Por ejemplo, el proceso Midrex.
• Reducción por fusión: Por ejemplo, el proceso Corex.

Principales Minerales de Hierro

• Hematita (Fe₂O₃): Contenido de Fe ~70%
• Magnetita (Fe₃O₄): Contenido de Fe ~72,4%
• Siderita (FeCO₃): Contenido de Fe ~48,3%

Forma de Carga del Mineral en el Alto Horno

• Carga directa: Para minerales con bajo contenido de impurezas como fósforo (P) y azufre (S).
• Por peletización o sinterización: Para minerales finos o con alto contenido de impurezas, que se aglomeran previamente.

Rol del Coque Metalúrgico

La mezcla de carbones metalúrgicos se somete a un proceso de destilación seca (coquización) que lo transforma en coque. La coquización del carbón genera también, como subproducto, un gas de alto poder calorífico, utilizado como combustible en diversos procesos de la planta siderúrgica. En el alto horno, el coque cumple varias funciones: se quema como combustible para generar el calor necesario; al arder, libera monóxido de carbono (CO), que es el principal agente reductor de los óxidos de hierro del mineral a hierro metálico; y proporciona permeabilidad a la carga.

Inyección de Aire Caliente

Se inyecta aire, precalentado a temperaturas alrededor de 1030°C (pudiendo ser mayores), a través de toberas situadas en la parte inferior del horno (etalaje) para la combustión del coque. El calentamiento del aire se realiza en estufas regenerativas (cowpers).

Reacción Química General Simplificada en el Alto Horno

Fe₂O₃ (s) + 3CO (g) → 2Fe (l) + 3CO₂ (g)

Reducción Directa del Hierro

Este proceso reduce los óxidos de hierro en estado sólido, sin pasar por la fase líquida del arrabio.

Agentes Reductores Utilizados

• Gas natural (principalmente metano, CH₄)
• Gases reformados (mezclas de hidrógeno H₂ y monóxido de carbono CO)

El producto obtenido es el “hierro esponja” o HBI (Hierro Briqueteado en Caliente) / DRI (Hierro de Reducción Directa), denominado así porque al extraer el oxígeno del mineral se obtiene un producto metálico poroso y liviano.

Procesos Comunes de Reducción Directa

• Proceso Midrex
• Proceso HYL-III (actualmente Tenova HYL)

Proceso Midrex

Características Principales:

• Permite tratar diferentes tipos de cargas de mineral de hierro (pellas, mineral grueso).
• Permite utilizar diferentes fuentes para generar los gases reductores.
• El proceso Midrex es la tecnología comercialmente más importante para la producción de hierro por reducción directa a nivel mundial.
• Produce hierro esponja con bajo contenido de contaminantes.
• Ofrece flexibilidad en el uso de una variedad de fuentes de reductores.

Debilidades o Desafíos:

• Costo del gas natural o del combustible empleado para generar el gas reductor.
• Disponibilidad y logística del agente reductor.

Formación de Escoria en Procesos Siderúrgicos

La escoria se forma a partir de la ganga (componentes no útiles) del mineral de hierro, las cenizas del coque (en el caso del alto horno) y los fundentes añadidos (como la caliza o dolomita). Típicamente, alrededor del 96% de la escoria está compuesta por óxidos como: SiO₂ (dióxido de silicio), CaO (óxido de calcio), MgO (óxido de magnesio) y Al₂O₃ (óxido de aluminio).

Convertidor LD (Proceso de Oxígeno Básico - BOS)

El convertidor LD (Linz-Donawitz), también conocido como Proceso de Oxígeno Básico (BOS o BOF por sus siglas en inglés), tiene por objeto principal afinar el metal caliente (arrabio líquido) producido en el alto horno, transformándolo en acero líquido bruto. Este acero podrá ser posteriormente afinado y ajustado en su composición mediante procesos de metalurgia secundaria.

Principales Funciones del Convertidor LD

• Descarburación: Oxidación y eliminación del exceso de carbono del arrabio.
• Eliminación de impurezas: Oxidación y remoción de elementos como el fósforo, silicio y manganeso del arrabio, transfiriéndolos a la escoria.
• Optimización de la temperatura: Control y ajuste de la temperatura del acero para las etapas subsiguientes de colada.

El calor adicional generado por las reacciones exotérmicas de oxidación durante el proceso LD se utiliza para fundir chatarra de acero y/o adiciones de mineral de hierro, que se incorporan a la carga.

Materias Primas Cargadas en el Convertidor LD

• “Metal caliente” líquido (arrabio proveniente del alto horno).
• Adiciones que contienen hierro, principalmente chatarra de acero y, en menor medida, mineral de hierro.
• Fundentes como cal (CaO) y cal dolomítica (CaO·MgO) para formar la escoria.
• Oxígeno gaseoso de alta pureza (generalmente >99.5%).

Descripción del Convertidor LD

El recipiente del convertidor está compuesto por una robusta carcasa de acero, revestida internamente con ladrillos refractarios (generalmente de magnesita-carbono). Este recipiente está sostenido por un robusto anillo de acero equipado con muñones, cuyo eje permite que el convertidor sea inclinado mediante un sistema basculante o de volcado para las operaciones de carga y descarga. El volumen interno del recipiente es considerablemente mayor (típicamente entre 7 a 12 veces el volumen del acero a procesar) para alojar la escoria espumosa y contener las proyecciones de metal y escoria generadas por la intensa inyección de oxígeno.

Geometría Típica y Operación del Convertidor LD

Algunos componentes clave de su geometría incluyen:

• La "nariz" o boca superior del convertidor, por donde se carga y se evacuan los gases.
• La lanza de oxígeno, refrigerada por agua, que se introduce verticalmente para inyectar oxígeno a velocidades supersónicas sobre la superficie del baño metálico.
• El anillo de muñones que soporta el recipiente.
• El muñón, que forma el eje de rotación.
• El mecanismo basculante.
• La piquera (o agujero de colada) para el vaciado del acero líquido una vez afinado.

La capacidad de los convertidores LD modernos suele variar entre 200 y 350 toneladas de acero por colada.

El ciclo completo entre una colada y la siguiente (tap-to-tap time) es de aproximadamente 30 a 40 minutos, con un periodo de soplado de oxígeno de unos 15 a 20 minutos.