ARRABIO

   

            La producción  del arrabio, del hierro y del acero comienza con la extracción del mineral de hierro y el procesamiento de aquellas sustancias y compuestos químicos utilizados en su manufactura.  

Este mineral es procesado como se muestra en el diagrama representado hasta convertirlo en arrabio (materia prima para la manufactura del acero).

ALTO HORNO.

                    Desarrollado en el siglo XIV, es esencialmente un gran tubo de acero de aproximadamente 30 m de diámetro revestido interiormente de ladrillos de material refractario que se reemplazan cada vez que se desgastan. Es virtualmente una planta química que reduce continuamente el  mineral de hierro que químicamente desprende el oxígeno y absorbe el carbono obteniendo así hierro en estado líquido  con un alto contenido de carbono e impurezas.

 CARGA DEL ALTO HORNO.

La carga del alto horno está compuesta de cuatro elementos principales, los cuales son:                                     Mineral de Hierro (Mena)                               Coque                               Caliza (Fundente)                                Aire

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 Mineral de Hierro: Los minerales de hierro son compuestos que contienen óxido de hierro y la denominada Ganga, esta consta fundamentalmente de Sílice (SiO₂), Alúmina (Al₂O₃), óxido de calcio (CaO) y óxido de magnesio (MnO). Entre ellos se encuentran:

Hematite: también conocida como Oligisto (Fe₂O₃),  de color rojizo, una cantidad efectiva de hierro entre un 50% ~ 60%. Es más fácil de reducir que la Magnetita.

Limonita: es el óxido de hierro hidratado (2 Fe₂O₃ × 3 H₂O), es de color pardo y posee una cantidad efectiva de hierro entre un 20% ~ 60%.

Magnetita: también conocida como imán natural, (FeO; Fe₃O₄), posee gran densidad, color negro, propiedades magnéticas y una cantidad efectiva de hierro ente un 45% ~ 70%.

Siderita: es el hierro espático que es la combinación del hierro con ácido carbónico (FeCO₃), es de color gris con matices de amarillo y posee una cantidad efectiva de hierro que oscila entre un 30% ~ 42%.

                                             

                Minas de explotación de mena.                Traslado de la materia prima

·           Coque: Es el combustible fundamental en la fusión de los Altos Hornos, se obtiene por la destilación seca del carbón de piedra a partir de una batería conformada por  58 hornos de coquización en un solo bloque. En Venezuela el coque se obtiene como subproducto en la producción del petróleo, actualmente en la planta de Jose, ubicada en el estado Anzoátegui se obtienen 25 kg por barril.

                                                 Destilación del carbón

                          

·                    Fundente: Los fundentes son sustancias minerales que se introducen en el horno con el fin de reaccionar con las impurezas de los minerales y las cenizas del combustible  generando una escoria fusible, de fácil remisión y manejo. Piedra caliza, cuarzo, piedra calcárea, cuarcitas, etc. son los fundentes más utilizados.

Caliza (Dolomita): Es carbonato de calcio de alta pureza existente en gran cantidad formando cadenas enteras de montañas y por lo tanto es económica.

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      Aire:  El aire empleado en el alto horno proviene  de compresores previamente calentado a través de las Estufas de Cowper, que son las encargadas de calentar el aire a inyectar al alto horno y a su vez recuperarlo realizando un proceso cíclico.

 Cantidades Aproximadas para la producción de 1 tonelada (ton)  de Arrabio.

Cant. (Ton)	Sustancia		Cant. (Ton)	Sustancia
1.73	Mena (Hematite)		1,6	Mena (Magnetita)
0,93	Coque		0,65	Coque
0,41	Caliza, Chatarra		0,2	Caliza, Chatarra
4,5	Aire		4	Aire

 

FUNCIONAMIENTO DEL ALTO HORNO. 
 

          Funcionamiento del Alto Horno (Malisev, Nikolaiev, Shuvalov.)

        El alto horno tiene la función específica de producir hierro fundido denominado corrientemente fundición.  Pero la producción del alto horno se conoce como  Arrabio. Un alto horno permite producir 2.000 ton de arrabio diarios de distintos tipos, y este depende de la calidad de los minerales y de la temperatura en la zona de fusión. Un alto horno opera en periodo continuo de 5 a 7 años y luego se reconstruye.

            El mineral de Hierro, el coque  y la piedra caliza se agregan en cantidades exactas en la campana grande ubicada en el tragante del horno que es la encargada de almacenarla para luego pasar a la campana pequeña, encargada de dosificar la carga y dejarla caer en el horno por lo que a medida que la carga avanza hacia abajo se calienta y se expande, hasta obtener hierro fundido o arrabio. 

Etapa de Combustión.    

            Esta etapa se produce al estar en contacto el coque con el aire caliente proveniente de las estufas los que generan la combustión aumentando la temperatura bruscamente a 1750ºC.

                        1era  Reacción Química:               C+O₂ = CO₂ + 97.600 CAL

             

                         2da  Reacción Química:                C+ CO₂ = CO + 37.700 CAL

           

            La mezcla gaseosa compuesta por el dióxido de carbón (CO₂), monóxido de carbono (CO)  y  el nitrógeno del aire (N) asciende por el horno entrando en contacto con los materiales de la carga que van descendiendo y los calientan ininterrumpidamente creando diversas zonas de temperaturas en la estructura del Horno.

Etapa de Reducción

            Esta etapa se encuentra en la zona superior de la Cuba a una temperatura de 120 ºC a 140 ºC, cuya función es precalentar la carga para que el proceso sea continuo en la cual el mineral se seca y se agrieta.

Etapa  Absorción.

            Esta etapa se encuentra en la zona del Vientre con unas Temperaturas entre 400ºC - 900 ºC, también precalienta la carga pero su función principal consiste en quemar el oxígeno, generando las siguientes reacciones químicas:

·        Parte Media  e Inferior:

            Monóxido de carbono actúa sobre el mineral contribuyendo a la reducción gradual  del hierro, así como el monóxido se transforma en dióxido de carbono, según las siguientes reacciones:

3 Fe₂O₃  +  CO   =   2  Fe₃O₄  +   CO₂   +   8870 cal

2 Fe3O₄  +  2CO   =   6  FeO   +  2 CO₂   –  9980 cal

6 FeO   +   6CO   =   6  Fe   +  6 CO₂   +   19500 cal

            Como resultado de la descomposición de CO se produce carbono sólido, que luego se mezclara con el óxido ferroso, según la reacción:

2 CO  =  C + CO₂

·        Parte Baja:

            Se comienzan  a formar pequeños trozos de hierro esponjoso. Debido a la reducción del hierro  por el carbono se realiza según la siguiente reacción:

FeO  +   C   =  Fe  +  CO   - 34,460 cal

Etapa de Fusión.

            Esta etapa se encuentra en la zona del  Etalaje, con una Temperaturas aproximadas 1.100 ºC a 1.200º C. aquí se produce la quema de las impurezas con la reducción del manganeso, silicio y fósforo disolviéndose en el hierro y paralelamente se satura el hierro con el carbono formándose  carburo de hierro según la reacción:

3     Fe + 2 CO = Fe₃C + CO₂

            El carburo de hierro, el carbono sólido y las combinaciones sulfúricas del mineral y el coque se disuelven en el hierro esponjoso, que  a medida que se satura se convierte en hierro fundido. Las gotas de hierro fundido que aparecen en el etalaje caen gradualmente en el crisol.

ELIMINACIÓN DE IMPUREZAS.

            Las ganga del mineral funden a muy altas temperaturas (refractaria) y para rebajar su temperatura de fusión es que se agrega la caliza (fundente) en la carga del alto horno. La caliza al fundirse interactúa con la ganga del mineral formando la escoria disolviendo gran parte de las impurezas perjudiciales (sulfúricas, fosfóricas) y la ceniza.

            La escoria fundida cae en gotas en la parte inferior del alto horno, pero flota sobre el hierro fundido debido a su baja  densidad específica por lo que puede ser removida abriendo el escoriadero y de allí fluye hacia los carros de escoria la cual se extrae del horno aproximadamente cada hora.

VACIADO DEL HIERRO FUNDIDO.

            Para vaciar el hierro fundido se suspende el suministro de aire al alto horno y posteriormente  se abre la piquera de colada, esta operación se realiza aproximadamente 6 veces al día para hornos con capacidad de 2.000 ton de hierro fundido en 24 horas.