Tecnología Siderúrgica: Producción de Arrabio, Alto Horno y Afinación del Acero (Proceso Integrado)

Obtención del Arrabio

La producción de arrabio se realiza principalmente a través de dos rutas:

• Ruta Integrada (Alto Horno - Convertidor LD): Produce el 75-80% del arrabio mundial.
• Ruta de Refusión (Horno de Arco Eléctrico - HAE): Utiliza 100% chatarra.

El Alto Horno

El Alto Horno requiere las siguientes materias primas: minerales de hierro (mx), coque y caliza.

Objetivo

El objetivo principal es la obtención del arrabio, que posteriormente se utilizará para la fabricación de acero.

Principales Minerales de Hierro (Mx)

• Hematita: 70% Fe
• Magnetita: 72,4% Fe
• Siderita: 48,3% Fe
• Limonita: 60-65% Fe

Función del Coque y Reacciones

Para obtener el coque, el carbón debe pasar por destilación seca (coquificación), proceso que genera gas de alto poder calorífico.

El aire precalentado (hasta 1030 °C) es forzado dentro de la base del horno a través del anillo de toberas para quemar el coque.

La función del coque en el Alto Horno es provocar la combustión, liberando CO, el cual actúa como agente reductor, mezclándose con el óxido de hierro (Fe₂O₃) hasta obtener hierro puro (Fe°).

La reacción de reducción es:

$$\text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{CO} \rightarrow 3\text{CO}_2 + 2\text{Fe}$$

Partes y Zonas de Operación del Alto Horno

Las partes principales del Alto Horno son: Tragante, Cuba, Vientre, Etalaje y Crisol.

El proceso de reducción se divide en zonas térmicas:

1. Zona de Reducción Primaria: Se reduce el óxido de hierro a temperaturas entre 400 °C y 1000 °C.
2. Zona de Reserva Térmica: Se reduce el FeO a Fe a temperaturas entre 1000 °C y 1200 °C.
3. Zona Cohesiva: Se extiende desde la parte superior del etalaje hasta la mitad de la cuba. Alcanza los 1200 °C, momento en el que el material comienza a ablandarse. Es la zona de coque activo.

Formación de Escoria y Reducción Directa

La escoria se forma a partir del material de ganga de la carga, las cenizas del coque y otros reductores.

Pretratamiento del Arrabio

El pretratamiento tiene como objetivo eliminar las impurezas del arrabio antes de que este ingrese al Convertidor LD.

Un bajo contenido de silicio mejora la eficiencia de la producción y reduce el volumen de escoria. Si se cumplen estas condiciones, se puede proceder a la descarburación.

Procesos de Pretratamiento

• Desiliciación: Se agregan FeO y finos sinterizados.
• Desfosforación: Se utiliza un agente desfosforante (Cal) y un gas. Este proceso se realiza posteriormente, ya que actúa más rápido a bajos contenidos de silicio. Promueve el paso del fósforo (P) a la escoria.
• Desulfurización: Se realiza mediante una inyección separada de agentes desulfurizantes, tales como CaO, Na₂CO₃ o Mg, directamente en el arrabio.

Convertidor LD: Afinación del Acero

El Convertidor LD tiene por objeto afinar el metal caliente (arrabio) para convertirlo en acero líquido bruto.

Funciones Principales

Las funciones principales son la descarburación, la eliminación de fósforo del arrabio y la optimización de la temperatura del acero.

Geometría y Componentes

La geometría típica incluye: la nariz, la lanza de oxígeno, el anillo de muñones, el muñón, el mecanismo basculante y la piquera.

Materias Primas

• Metal caliente líquido (arrabio).
• Chatarra, utilizada para el balance térmico.
• Adiciones necesarias para formar una escoria de descomposición adecuada.
• Oxígeno puro, inyectado a través de una lanza o toberas.

Colada y Metalurgia Secundaria

Colada

Tipos de hornos utilizados en la colada:

• Hornos de colada excéntrica por el fondo.
• Hornos de piquera.

Metalurgia Secundaria

El acero líquido se somete a tratamientos posteriores como ajustes en la composición, agitación, desgasificación y recalentamiento.

Objetivos

• Realizar el ajuste de los elementos de aleación.
• Ajustar las especificaciones de las impurezas metálicas o gaseosas disueltas en el hierro líquido.
• Calibrar la temperatura.

Métodos de Tratamiento

Los tratamientos se pueden realizar mediante:

• Agitación: Lanza, tapón poroso en el fondo de la cuchara, o agitación electromagnética.
• Horno cuchara.
• Inyección en la cuchara.
• Desgasificación.

Apéndice: Tostación de Molibdeno

El tiempo de tostación del mineral de molibdeno depende de la cinética y la mineralogía.

Especificaciones y Reacciones

Especificaciones típicas del producto (MoO₃): Mo > 55%; S: 0,1%; Cu: 0,3-1,9%; Fe: 0,2-1,7%.

La reacción de tostación es exotérmica y ocurre a temperaturas entre 400 °C y 700 °C.

Criterios termodinámicos (Energía Libre de Gibbs, G°):

• Si G° es mayor que cero (> 0), la estabilidad del sulfuro es mayor que la del óxido.
• Si G° es menor que cero (< 0), la estabilidad del óxido es mayor que la del sulfuro.