Fundentes
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FUNDENTES Los fundentes es un material que recoge o arrastra la ganga y las impurezas. Los fundentes se emplean en la metalurgia extractiva y los flujos fluj os en otras operaciones metalúrgicas que comprenden desde la soldadura hasta la aplicación de los metales para formar capas protectoras. El objetivo es semejante en un caso y en otro: eliminar o evitar la incorporación de impurezas que impedirían la obtención de productos de buena calidad. A veces el fundente sólo tiene por misión proteger el baño, tal como ocurre en el proceso Siemens-Martín, en que las escorias liberan al metal fundido, que se encuentra debajo, de la acción de los gases calientes, y por ser malos conductores impiden el sobrecalentamiento del metal, y en otras ocasiones conservan su calor; pero es más general que la finalidad principal sea la eliminación de las impurezas del metal fundido. Parece que, al menos para los productos siderúrgicos, no existe duda en la elección del fundente en cuanto a sus acciones protectoras. En cuanto el fundente esté fundido, la mayoría de las mezclas son un barrera eficaz. El propósito primario del fundente es, pues, mantener el metal principal en estado de pureza, bien librándose de la acción del ambiente o garantizando por su acción la pureza del metal, o bien para poder realizar adecuadamente alguna otra operación. El uso de fundentes se ha de estudiar en cada caso para conseguir las mayores ventajas. La selección de un fundente adecuado para un proceso dado, es principalmente un problema químico que requiere un conocimiento de la composición y propiedades de todos los materiales que entran en el proceso. Con este conocimiento, la selección será rígida por las leyes físicas y químicas bien establecidas que se aplican a la temperatura de fundición. Estas leyes no son distintas de las que rigen los procesos a temperaturas normales. De la mayor importancia son las leyes que hacen referencia a la formación de las sales a partir de la reacción de los ácidos y las bases. Los fundentes, que pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos, se clasifican en la metalurgia extractiva del modo siguiente: 1. Sílice, que se encuentra libre, como tal, en las menas y como mineral en las arenas y cuarzo. Se usa principalmente en la fundición de menas de cobre y piritosas, en la conversión de la mata de cobre y en la fundición de las menas de plomo con gangas ferruginosas y calcáreas.
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2. Alúmina, que en general no se añade intencionalmente, pero que con frecuencia se encuentra en las menas. 3. Óxidos de hierro que actúan de agentes oxidantes y se convierten en óxido ferroso que pasa a la escoria. 4. Óxidos de manganeso, que realizan principalmente un papel análogo al de los óxidos de hierro. 5. Piedra caliza, que se usa en la fundición de las menas de hierro, cobre y plomo. Generalmente se añade sin calcinar, pero a elevada temperatura se descompone en dióxido de carbono que se desprende y óxido cálcico que es un material básico. 6. Dolomita y magnesita, que se asemejan a la piedra caliza y se usan más corrientemente en la fundición de menas de hierro. 7. Fundentes que se utilizan más en la industria metalúrgica y en el refino de los metales que en la fundición de menas metálicas: a). Espato-flúor, que se utiliza mucho para toda clase de flujos, hace la escoria más fluida y aumenta la solubilidad de los óxidos metálicos. El espato-flúor en grandes cantidades hace a la escoria neutra. b). Bauxita, que se emplea como fundente y como flujo.
c). Yeso d). Sulfuros metálicos e). Litargirio f). Nitrato y carbono sódico, que tienen varias aplicaciones en metalurgia y principalmente como flujos. El empleo de los fundentes se ha de vigilar cuidadosamente. La principal limitación radica en el carácter químico del recubrimiento del horno, pues si éste es básico, un fundente ácido pronto destruiría el horno.
Piedra caliza
Dolomita
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ESCORIAS Tanto el fundente como la escoria son de mayor importancia en la metalurgia extractiva. El comportamiento químico de las escorias es del mayor interés en todas las etapas de la fabricación de los metales, y especialmente del hierro y del acero, y así, para mejorar la calidad del acero o para implantar nuevas clases de los mismos, es necesaria una compresión clara y a fondo de las escorias. A pesar de la variedad de cosas a que se da el nombre de escoria, en general, todas las escorias reúnen un conjunto de atributos y aspectos que las caracterizan. 1). Corrientemente las escorias son productos líquidos originados en los procesos metalúrgicos de obtención y refino e los metales: al fundir completamente los materiales de partida se obtienen dos o más productos líquidos que se separan en capas, quedando en la parte superior, junto con la escoria, el líquido de menor densidad, que es la capa que se elimina en forma de espuma. 2). La escoria en cualquier operación es casi siempre el producto de desecho o de menos valor, pues en ella se acumulan casi la totalidad de las sustancias no deseables del producto utilizado, por consiguiente, la escoria debe tener un contenido mínimo del metal que se desea extraer y así se recupera la mayoría del metal útil como tal o en forma de mata. 3). Los constituyentes principales de la escoria son compuestos, tales como óxidos, fluoruros, silicatos, fosfatos, boratos, etc., aunque estos compuestos no mantienen su individualidad en la escoria. Esto distingue las escorias de los metales líquidos, que son principalmente un metal elemental, de las matas, que son sulfuros líquidos y de los speisses, que son principalmente arseniuros líquidos. 4). Las escorias a las temperaturas a que se producen en los procesos metalúrgicos son soluciones complejas de una sola fase, aunque pueden llevar en suspensión partículas y glóbulos de otras fases. Las escorias solidificadas tienden a cristalizar en un número de fases sólidas diferentes. La escoria ideal para los baños de metal fundido debe ser: a) b) c) d) e)
Barata Tener una temperatura baja de formación Tener un punto de fusión bajo Ser fluida a la temperatura de la operación Tener poca densidad para que flote sobre el baño
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Escoria sólida y líquida El metalúrgico debe de conocer bien la escoria y los medios para regularla, si se han de alcanzar los resultados deseados. De hecho, la escoria en su conjunto se le puede considerar como un reactivo de reafino. Así, la oxidación con frecuencia origina la formación de una escoria oxidante, en la que el agente oxidante es un óxido disuelto, tal como el monóxido de plomo en el refino del plomo, o el óxido férrico en otros varios casos. Estos agentes oxidan las impurezas en el metal líquido, y los óxidos resultantes bien escapan en forma gaseosa o se disuelven en la escoria. Las principales sustancias de las escorias metalúrgicas son los óxidos más abundantes en las rocas de la corteza terrestre: Dióxido de silicio, pentóxido de fósforo, óxido cálcico, óxido magnésico, óxido ferroso, óxido férrico, óxido alumínico y óxido manganoso. Se comprende, pues, fácilmente que los fundentes más corrientes sean las rocas ricas en dióxido de silicio, piedra caliza y mena de hierro. Es difícil hacer una escoria apropiada que se forme y se elimine del horno con facilidad y cumpla a satisfacción las funciones esenciales que demanda el correspondiente proceso metalúrgico, y así muchas veces el metalúrgico se encuentra con dificultades que ha de resolver con sus conocimientos fisicoquímicos y su buen criterio. Cada proceso metalúrgico tiene exigencias propias en cuanto a la composición de la escoria, y así usualmente corresponde a un patrón determinado de análisis, pero de un proceso a otro se aprecian variaciones muy grandes. En las escorias, a diferencia de las soluciones acuosas, el carácter básico y ácido se refiere solamente a los óxidos metálicos y no metálicos y no al OH +3 y OH- , respectivamente, el oxígeno del óxido pueda ofrecer para la competición un par el oxígeno del óxido pueda ofrecer para la comparación un par de electrones, o el otro elemento del mismo, sobre todo el no metal, permita alojar un par de electrones; es decir, la base es un dador de electrones y el ácido un aceptor de
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electrones. La alúmina es un constituyente corriente de la escoria, que no se puede clasificar con seguridad como ácido o como base, pues su carácter es anfótero. Según la teoría iónica o la electrónica, que en realidad coinciden en este aspecto de la escoria, la propiedad básica de la escoria parece estar íntimamente relacionada con la concentración de los iones oxígeno O = en la escoria líquida, y así la fuerza relativa básica o ácida de los óxidos parece estar directamente relacionada con sus capacidades relativa para proporcionar O = cuando están disueltos en la escoria. La base fuerte CaO se puede disociar completamente en los cationes metálicos y los iones oxígeno. Por el contrario, el SiO 2, ácido fuerte, virtualmente no tiene tendencia a disociarse en los iones silicio y oxígeno, sino que, por el contrario, en realidad consume iones oxígeno cuando está disuelto en la masa fundida. Hasta ahora no se dispone de medios directos para medir la concentración de los iones O =. Se han propuesto distintas medidas empíricas de la basicidad o acidez de la escoria, que se utilizan como guía para ajustar las composiciones de la escoria o las exigencias del proceso metalúrgico. Los números correspondientes se calculan a partir del análisis de la escoria, por lo que no proporcionan una medida real de la propiedad química. Sin embargo, frecuentemente estos datos empíricos permiten establecer reacciones sencillas y útiles cuando se examina el comportamiento de un grupo de escorias pertenecientes al mismo tipo. Para calcular la basicidad de la escoria, se emplea generalmente la relación cal: sílice. Si esta relación es mayor que 2.0, la escoria es básica; de 1.0 a 2.0 es semi-básica, y si es menor de 1.0 se considera ácida. Para este cálculo se siguen varios métodos. Por ejemplo: % de CaO Relación cal: sílice = % de SiO2
CaO – 1.6 P2O5 Relación corregida = SiO2
CaO Relación corregida = SiO2 + 0.634P2O5
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También se utiliza bastante el grado de silicato definido así: Moles de oxígeno en SiO2 Grado silicato = Moles de oxígeno en los óxidos básicos
La basicidad de la escoria es un factor importante en la mayoría de las reacciones de refino en la fabricación del acero. Asimismo, el comportamiento de la escoria en las reacciones de oxidación-reducción, en la metalurgia férrea y no férrea, no es de menor importancia que la basicidad y la acidez. Las reacciones de oxidaciónreducción constituyen la base de muchos procesos metalúrgicos, en los que la escoria es la fase principal, que puede llevar disuelto uno o más de los reactivos y de los productos de reacción.
COMBUSTIBLES METALÚRGICOS Se dice de una sustancia que es combustible cuando arde rápidamente en el aire y el calor producido se puede emplear en operaciones industriales. Los combustibles metalúrgicos han de suministrar el calor a los niveles de temperatura utilizados en las operaciones metalúrgicas industriales. El calor se puede producir también por una reacción química distinta de las de combustión, y así algunos procesos elementales de la metalurgia química son autógenos. Sin embargo, la mayoría de esos procesos consumen grandes cantidades de calor, que se ha de suministrar por medio de combustibles o por calefacción eléctrica. En conjunto, la industria metalúrgica, por ahora, está íntimamente ligada con los combustibles y consume grandes cantidades de estos, que se pueden calcular, aproximadamente, por las cantidades de los metales producidos. Por ejemplo, el consumo de coque en el alto horno se aproxima a tonelada por tonelada de fundición, al que hay que añadir el combustible necesario para la fabricación del acero a partir de la fundición. Las reacciones metalúrgicas requieren elevadas temperaturas, y el alcanzar estas temperaturas es un problema de combustible y de horno. Además, el combustible en algunos procesos, tales como los del alto horno, actúa también como agente reductor. La temperatura a la cual arde un combustible depende de su condición física y de la presión del gas comburente, y se denomina temperatura de ignición. La combustión siempre va acompañada de un desprendimiento de energía en forma
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de calor y de luz. El residuo de la combustión del carbón puede ser un material inorgánico incombustible que forma las cenizas. Las sustancias combustibles más importantes en los procesos metalúrgicos son el carbono y el hidrógeno, que son los componentes principales de aquellos en estado gaseoso, tanto naturales como artificiales. Otro elemento importante en la combustión es el azufre, que proporciona el calor en la tostación de menas sulfuradas; el azufre también arde en el convertidor. En algunas operaciones metalúrgicas, tal como las del convertidor, son manantiales importantes de calor el silicio, manganeso, aluminio y fósforo. La tabla 1 se da las reacciones típicas y el calor desprendido en la combustión.
TABLA 1. REACCIONES DE COMBUSTIÓN IMPORTANTES EN METALURGIA C
+
O2
2C
+
O2
2H2 S Si
+ +
CO2 (g) 2CO (g) O2
O2
+
O2
2Fe +
O2
Mn
+
O2
4Al 4P
2H2O (l) SO2 (g) SiO2 (s) 2FeO (s)
∆H = 94.390 cal/mol ∆H = 52.800 cal/mol ∆H = 68.380 cal/mol ∆H = 69.260 cal/mol ∆H = 201.400 cal/mol ∆H = 128.000 cal/mol
MnO2 (s)
∆H = 126.000 cal/mol
+ O2
2Al2O3 (s)
∆H = 399.000 cal/mol
+
2P2O5 (s)
∆H = 365.200 cal/mol
O2
La tabla 2, se presenta en forma general la clasificación de los combustibles, y para algunos de ellos se da su poder calorífico.
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Naturales
Madera (Dura y blanda) Turba (Nueva y vieja) Lignito (Nuevo y viejo) Carbón bituminoso, hulla No coquificable Antracita
Poder calorífico en Kcal 2,500 a 3,800 2,000 a 4,200 6,000 a 7,400 5,000 a 8,100 7,300 a 8,000
Sólidos Preparados
Conglomerados (carbón vegetal) Coque pulverizado, subproducto Carbonizados (Semicoque y carbón de madera)
Natural (Petróleo-aceite crudo)
Combustibles Líquidos de carbono e hidrógeno
Preparados
Aceites destilados (gas-oil y fuel-oil) 158,000 kcal/m 3 Alquitrán de hulla 8,750 kcal/kg Combustibles coloidales
Naturales (Gas natural)
Gaseosos Preparados
9,100 kcal/m3
Gas de gasógeno Gas de alto horno Gas de horno de coque Gas de carbón graso Gas de agua Mezcla de gas, agua y aire
1,370 kcal/m3 820 kcal/m3 4,570 kcal/m3 2,700 a 7,100 kcal/m3 2,330 kcal/m3 4,550 kcal/m3
Acetileno Gases embotellados Butano Hidrógeno
12,800 kcal/m3 26,500 kcal/m3 2,450 kcal/m3
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El coque, es el residuo celular coherente de la destilación destructiva del carbón en ausencia d aire, se obtiene ahora en hornos de recuperación de subproductos. El objetivo de la coquización es producir un combustible libre de materias volátiles, rico en carbono fijo y que posea cualidades tales como tamaño y dureza convenientes para su utilización en los hornos. El gran uso metalúrgico que se hace del coque como combustible y como agente reductor no se debe sólo a ser económico como manantial de carbono, sino también a su especial asociación de propiedades físicas y químicas, que no las posee ninguna otra forma de carbón. En realidad, bastantes procesos importantes están virtualmente basados en las propiedades especiales del coque. Las características requeridas para el coque metalúrgico son: Dureza y consistencia para resistir el peso de la carga de los hornos sin deshacerse para resistir el peso de la carga de los hornos sin deshacerse ni desmenuzarse; gran densidad, puesto que el coque de estructura celular uniformemente compacta permite, con soplado intenso, la producción de una gran cantidad de calor en un área concentrada. Por el contrario, el coque blando generalmente da una combustión más difusa y, como consecuencia, la intensidad calorífica es menor que la del coque más duro y más denso. Una estructura grande y porosa tiende a la producción de monóxido de carbono en la combustión del combustible, aspecto de la mayor importancia en metalurgia. El exceso de ceniza, además de disminuir el poder calorífico del coque, exige una mayor cantidad de fundente. Para fines generales, el contenido de carbono en el coque no debe ser inferior al 85% y las cenizas no superiores a un 10%. El coque en los altos hornos debe tener de 80 a 120 mm, el contenido de cenizas de 9.8 a 10.2% y el de azufre, de 0.9 a 1.2%. El coque con 1.3% de constituyentes volátiles y 85% de carbono tiene un poder calorífico de 6,900 cal/kg. La cantidad de carbón es el factor predominante en la calidad del coque metalúrgico producido. Los combustibles líquidos han demostrado su ventaja en muchas aplicaciones metalúrgicas. La mayoría de los utilizados industrialmente derivan del petróleo bruto. Los principales son los aceites ligeros y pesados, tales como petróleo bruto, aceite de alquitrán y creosota. Los combustibles gaseosos tienen un número de ventajas sobre los otros combustibles: limpieza y ausencia de cenizas, lo que es muy conveniente particularmente para la fusión de los metales no- férreos, facilidades de manipulación y de regulación, flexibilidad, buenas características de combustión y
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menos pérdidas, ya que la combustión cesa cuando se desee. Estas ventajas conducen a exceder el uso de los combustibles gaseosos siempre que se disponga de ellos y lo permita su costo. La mayoría de los gases combustibles son mezclas de distintas sustancias en proporciones variadas. Las más corrientes de éstas, agrupadas en combustibles y diluyentes son: combustibles, hidrógeno, monóxido de carbono, metano, etano, etileno y otros hidrocarburos; diluyentes; nitrógeno, dióxido de carbono y agua. El gas natural, consiste principalmente en metano y etano, es el mejor combustible gaseoso y tiene el mayor poder calorífico. El gas de hulla de los hornos de coque, que contiene principalmente metano e hidrógeno, también es un buen combustible gaseoso.
Mineral de carbón mineral
Aglomeración de carbón mineral
