ALTO HORNO

El alto horno es un reactor para la reducción de minerales de hierro, importante dentro de la siderurgia

1. UNIVERSIDAD NACIONAL DANIEL ALCIDES CARRION CATEDRA: ING. Ramiro SIUCE BONIFACIO FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE FORMACION PROFESIONAL DE METALURGIA ALTO HORNO

2. PROCESOS SIDERURGICO DEL ACERO

3. ALTO HORNO Es un reactor vertical continuo en contra corriente, que se utiliza para la producción del hierro de primera fusión ó arrabio, a partir de mineral de hierro.

4. PARTES DEL ALTO HORNO ETALAJE . Esta parte ubicada encima del crisol; de forma cónica troncada. 5 4 3 2 1 TRAGANTE . Extremo superior del alto horno donde se carga la carga VIENTRE . Esta parte forma la zona entre los etalajes y la cuba. CUBA . Forma cónica truncada es la unidad más alta del horno. CRISOL . Esta parte sirve como depósito de los materiales fundidos, el arrabio y la escoria; tienen una forma cilíndrica.

5. MATERIALES UTILIZADOS PELLETS FUNDENTE COKE

6. 3.1. PELLETS Fe 2 O 3 .HEMATITES , contiene 70% de Fe y 30% de 0 2 , poco P y S. Fe 2 O 3 .nH 2 O LIMONITAS , (o hematita pardo) contiene 60% de Fe y 14% de aguas de cristalización, el contenido en P varía grandemente. Fe 3 O 4 MAGNETITA ; contiene 72.4% de Fe y 27.6% de 0 2 , contenido en P varia grandemente. FeCO 3 SIDEROSA ; contiene 40.2% en Fe y 37.4 en C0 2 bajo contenido en Mn, Mg y Ca. FeS 2 PIRITAS; contiene 46.6 % de Fe y alto contenido de azufre (mayor de 45% en S) no utilizado como menas de hierro Pelotillas de 15mm a 25 mm de diámetro, de color negro y posen buena resistencia mecánica, con 65 % de Fe

7. Es un combustible artificial sólido poroso formado por carbono , que se obtiene después de someter carbones a elevadas Tº en ausencia de O 2 , provocando la liberación de gases. Debe tener una resistencia mecánica del orden de 160 Kg/cm 2 para resistir sin pulverizarse grandes cargas. Su poder calorífico es de 7000 Kcal/Kg. Conteniendo 15% de cenizas, siendo su tamaño mínimo 2mm. 3.2. COQUE.

8. 3.3. EL FUNDENTE. Es el mineral de CaCO 3 que tiene como función principal la combinación con las impurezas (P, S, Si, etc.) existentes en el material de hierro o en proporciones reducidas de los pellets formándose así la ESCORIA.

9. MATERIALES POR TONELADA DE ARRABIO Pellets (Fe 2 O 3 ) 1 480 kg. Coque 528 kg. Caliza (CaCO 3 ) 225 kg. Cuarcita 5 kg.

10. PROCESO DEL ALTO HORNO

11. PROCESO Colada del arrabio

12. 3Fe 2 O 3 + CO 2Fe 3 O 4 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO 3FeO + CO 2 FeO + CO Fe + CO 2 Reducción Indirecta 3Fe 2 O 3 + C 2Fe 3 O 4 + CO Fe 3 O 4 + C 3FeO + CO FeO + C Fe + CO Reducción directa REACCIONES DE FORMACION DEL ARRABIO Carburización 3Fe + C Fe 3 C 2C (s) + O 2 (g) 2 CO (g) C (s) + CO 2 (g) 2CO (g)

13. I. ZONA: 150° A 400° C DE TEMPERATURA eliminación del agua higroscópica II. ZONA: 400° A 700°C a) Reducción indirecta de los óxidos de hierro: 3Fe 2 O 3 + CO 2Fe 3 O 4 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO 3FeO + CO 2 FeO + CO Fe + CO 2 b) Solución del carbono por reacción de CO2: CO 2 + C = 2CO c) Descomposición de los Óxidos de manganeso: Mn 3 O 4 + CO 3MnO + CO 2 MnO 2 + CO MnO + CO 2 6. ZONA DE REACCIÓN

14. III ZONA: 700° A 1,350° C (absorción de calor) Reducción directa del óxido ferrico: FeO + C Fe + CO Fe 2 O 3 + 3C 2Fe + 3CO 2 Disociación de los carbonatos : CaCO 3 CaO + CO 2 Reducción de los óxidos de manganeso: MnO + C Mn + CO Formación de la escoria primaria, silicatos: El silicio existente en el mineral forma de sílice (SiO 2 ), MnO + SiO 2 Mn SiO 2 FeO + SiO 2 FeO SiO 2 CaO + SiO 2 CaO SiO 2

15. IV ZONA: 1,360° A 1,550° C En esta zona, el hierro conserva un estado semisólido pastoso y esponjoso, mezclado aún con parte de la ganga aún no disuelta totalmente: Carburación de la fundición: 3Fe + C Fe 3 C Reducción de óxidos y formación de escorias: Reducción directa del manganeso: MnO + C Mn + CO Reducción directa del silicio: SiO 2 + 2C 2CO + Si Reducción del fósforo: (CaO)3P 2 O 5 + 3SiO 2 3CaO SiO 2 + P 2 O 5 P 2 O 5 + 5C P 2 + 5CO

16. V ZONA: 1,550° A 1,800° C (ZONA DE COMBUSTION) Las reacciones que en esta zona se producen son: Reacción de combustible, exotérmica: C + O 2 CO 2 C + ½O 2 CO Desulfuración de la fundición: MnS + CaO + C Mn + CO + CaS FeS + CaO CaS + FeO La alta temperatura reinante favorece la desulfuración del Mn Y del hierro. Los sulfuros de calcio y manganeso se incorporan a la escoria final

17. VI ZONA: 1,500° A 1,560 ºC (SEPARACION METAL-ESCORIA) En esta zona se produce un descenso de temperatura, como consecuencia de la absorción de calor exigida por las reacciones endotérmicas anteriores, por estar por debajo de la zona de activación de la combustión, la cual es más intensa en el plano de las toberas que introducen aire y además por las perdidas por irradiación, así como también por la refrigeración de las paredes del crisol y etalaje.

18. FeO + C Fe + CO MnO + C Mn + CO SiO 2 + C Si + 2CO REACCIONES DE FORMACION DEL LA ESCORIA Impurezas que no se funden: (CaO, MgO, Al 2 O 3 ) Impurezas que parcialmente se reducen: (SiO 2 , MnO, S, FeO)

19. FeO + SiO 2 FeO. SiO 2 MnO + SiO 2 MnO. SiO 2 CaO + SiO 2 CaO.SiO 2 P 2 O 5 (CaO) 3 + SiO 2 3CaO. SiO 2 + P 2 O 5 P 2 O 5 + 5C 2P + 5CO Impurezas que forman silicatos Desulfuración MnS + CaO + C Mn + CaS + CO FeS + CaO + C Fe + CaS + CO CaCO 3 CaO + CO 2 Descomposición del fundente (Caliza)

20. COLADA (ARRABIO) Se realiza en un recipiente o en unos coches llamados torpedos, siendo la composición del arrabio: ANALISIS C Mn Si S P STANDART 3.8/4.4 - 0.3/0.8 Max. 0.05 Max. 0.05 PROMEDIO 4.10 0.042 0.50 0.035 0.045

21. Se producen generalmente tres clases de arrabio, según la composición que se da a la carga: el gris, el blanco y el atruchado.

22. El lingote gris contiene 3 a 4 %C, en forma de escamas grafíticas. Tiene aspecto cristalino o granular y es de color gris oscuro. Su T° fusión es mas alta que la del lingote blanco, pero es mas fluido cuando esta fundido. En el lingote blanco , todo el C esta combinado con el Fe en forma (Fe 3 C). Su aspecto es blanco, y algunas veces cristalino. Es más duro y frágil, que el lingote gris. Funde a < T° pero es menos fluido; no se utiliza para fundición. El lingote atruchado es un tipo intermedio entre el gris y el blanco y contiene carburo combinado y en forma de grafito. Su aspecto es de una matriz de hierro blanco con manchas grises.

23. IMPUREZAS DEL ARRABIO manganeso, silicio, fósforo y azufre. En su mayor parte, proceden de la ganga de los minerales, excepto el azufre que puede ser aportado por el coke . (P O 4 ) 2 Ca 3 + 3 SiO 2 P 2 O 5 + 3 SiO 3 Ca El anhídrido fosfórico es reducido por el carbono P 2 O 5 + 5C 2P + 5 CO Y el fósforo pasa en su mayor parte al hierro en forma de fosfuro férrico, según la reacción: 3 Fe + P Fe 3 P

24. El azufre, es introducido en el alto horno sobre todo por el cok en forma de sulfuro o de sulfato . FeS + CaO CaS + FeO La desulfuración por el manganeso se realiza con arreglo a la siguiente reacción FeS + MnO MnS + FeO también el manganeso (Mn) procedente de la reducción del oxido de manganeso ( MnO ) reacciona con el FeS . Mn + FeS MnS + Fe En resumen: La desulfuración por la cal exige un gran consumo de combustible, y la desulfuración por el manganeso una importante aportación, de mineral de manganeso.

25. ESCORIA Sílice (SiO 2 ) 18 a 38 % Alumina (Al 2 O 3 ) 8 a 27 % Cal ( CaO ) 30 a 50 % En general, la suma de la alumina y de la sílice suele variar de 45 a 55 %. Es el sub producto de la fabricación del arrabio en el alto horno se suele decir “No se hace hierro en el alto horno, se hace escoria”.’ Es decir, que si el horno produce “buena escoria», el funcionamiento del horno y el arrabio obtenido serán también buenos.

26. Las escorias empiezan a formarse hacia los 700° a 800° SiO 2 FeO „ SiO 2 2FeO „ SiO 2 MnO Estos tres silicatos, al descender con la carga por el horno, reaccionan al llegar a los 1.100°, con la cal ( CaO ), formada de 800° a 900°, teniendo lugar las siguientes reacciones SiO 2 FeO + CaO SiO 2 CaO + FeO SiO 2 2FeO + 2CaO SiO 2 2CaO + 2FeO SiO 2 MnO + CaO SiO 2 CaO + MnO

27. Diagrama ternario SiO 2 – Al 2 O 3 .-CaO

28. GASES DE HORNO ALTO Se obtiene 6.000 kg. (4.500 Nm 3 ) de gases por Tn de arrabio, a T°s de 800° a 900° con una potencia calorífica media de 900 Kcal./Nm 3 . Una vez depurados en los separadores de polvo se aprovechan los gases para: Caldear el aire que se inyecta por las toberas de los altos hornos, en las estufas Cowper . Como combustible para caldeo de los hornos de cok, hornos de fosa para laminación, etc. Para producción de fuerza en motores adecuados. Para producción de energía eléctrica.

29. Composición aproximada en volumen de estos gases

30. Calculo de la altura total del alto horno: H = 6.44.V 0.22 m Siendo V el volumen útil en m. La altura útil del horno: Hu = 0.88 H m. Altura del crisol: hc = 0.115 Hu m. Diámetro del crisol: dc = 0.32 V 0.45 m. Altura del vientre: hv = 0.08 Hu m. Diámetro del vientre: D = 0.5 V 0.4 m. Altura do la cuba: h cuba = 0.69Hu - 3.0 m. Altura del tragante: ht = 0.105Hu m. Diámetro del tragante: dt = 0.30 V 0.36 m. Altura del etalaje: he = 3.0 a 3.5 m. El ángulo de la cuba  = 83 - 86° y el ángulo del etalaje B = 79 a 82º DISEÑO DEL ALTO HORNO

31. PROBLEMA: Que cantidad de mineral necesario, se necesita para obtener 1 ton. De arrabio Datos: Composición del mineral: Fe 2 O 3 ---------- 79 % SiO 2 --------------- 12 % MnO ------------ 2.5 % Al 2 O 3 -------------- 3 % P 2 O 5 ----------- 2.5 % H 2 O---------------- 1 % Composición de las escorias: En las escorias se encuentran 0.5 % de Fe utilizado. Composición del Arrabio obtenido Fe------------ 92.6 % Mn ----------------0.9 % Si ------------ 2.0 % P ------------------ 0.7 % C ------------ 3.6 % S ------------------ 0.2 %

32. Determinando la cantidad de hierro que contiene una tonelada de mineral. Base: 1000 Kg. Peso del Fe 2 O 3 = 1000Kg X 0.79 =790 Kg Peso atómico del Fe = 56, y del O 2 = 48 Fe 2 = X Fe 2 O 3 790 por lo tanto: X = 790 x 112 = 553kg 160 Contenido de hierro: 553 Kg/t de mineral

33. Calculo del contenido de hierro que pasa a la escoria 553 x 0.005 = 2.765 Contenido de hierro útil: 553 – 2.765 = 550.235 Peso del mineral para obtener una tonelada de arrabio. Del análisis se tiene: 92.6 % Fe 1000 kg x 0.926 = 926 t/ ton de arrabio Entonces: 1000 Kg 550.235 t/ton de arrabio X 926 t/ton de arrabio X = 1000 x 926 X = 1682.91 kg/ton de arrabio 550.235 Rta: Para 1 ton de arrabio se necesita 1682.91 kg de mineral/t de arrabio

34. 790 kg Fe 2 O 3 112 kg Fe 1Ton Mineral 160 kg Fe 2 O 3 = 594,21 kg Fe 1 Tn de Mineral 1000 kg Fe X Tn de mineral x 553 kg Fe/ Tn Mineral 553 x 0.005 = 2,765 kg Fe 553 x 2.765 = 550,235kg Fe 550,235kg Fe 92.6 % X kg Fe 100 % X = 594,21kg Fe X = 1,683kg Mineral Calculo del peso del arrabio Calculo del peso Útil del Fe Calculo del peso del Fe que pasa a la escoria Calculo del peso Real del Fe (arrabio) Calculo del peso del mineral para 1 Tn Fe (arrabio)

35. G r a c i a s