METALURGÍA DEL HIERRO Metalurgia La metalurgia es la ciencia y la tecnología de la extracción de metales de sus fuentes naturales y de su preparación para usos prácticos. La metalurgia implica varios pasos: (1) explotación de las l as minas, (2) concentración de la mena o su preparación por algún otro medio para el tratamiento posterior, (3) reducción del mineral para obtener el metal libre, (4) refinación o purificación del metal, y (5) mezclado del metal con otros elementos para modificar sus propiedades. Este último proceso produce una aleación, es decir, un material metálico compuesto de dos o más elementos. Después de su extracción de la mina, por lo general la mena se tritura, se muele y luego se trata para concentrar el metal deseado. La etapa de concentración se apoya en las diferencias de propiedad propiedades es entre el mineral y el material indeseable que lo acompaña, que se conoce como ganga. Por ejemplo, los gambusin gambusinos os buscadores buscadores de oro usaban una batea para enjuagar la ganga y separarla de las pepitas de oro, más densas. Otro ejemplo es la magnetita, un mineral de hierro que se puede concentrar moviendo la mena finamente molida sobre una banda transportadora que pasa por una serie de imanes. El mineral de hierro es magnético (es atraído por un imán), no así la ganga q ue lo acompaña. Pirometalurgia del hierro La operación pirometalúrgica más importante es la reducción del hierro. Éste está presente en muchos minerales, pero las fuentes más importantes son l os minerales de óxidos de hierro: hematita, Fe203. y magnetita, Fe304. La reducción de estos óxidos se lleva a cabo en un alto horno como el que se ilustra en la figura. Un alto horno es un reactor químico muy grande capaz de operar de manera continua. Los hornos mayores tienen más de 60 m de altura y 14 m de ancho. Cuando operan a plena capacidad, producen hasta 10,000 toneladas de hierro al día. El alto horno se carga por la parte superior con una mezcla de mena de hierro, coque y piedra caliza. El coque es hulla que h a sido calentada en ausencia de aire para expulsar los componentes volátiles; contiene alrededor de 85 a 90 por ciento de carbono. El coque sirve como combustible que produce calor a medida que se quema en la parte baja del horno. Este material es también la fuente de lo s gases reductores CO y H2. La piedra caliza, CaC03, sirve como fuente del óxido básico en la formación de escoria. El aire, que entra en el alto horno por el fondo después de un precalentamiento, es también una materia prima importante, pues se requiere para la combustión del coque. La producción de 1 Kg. de hierro crudo, llamado hierro de arrabio, requiere aproximadamente aproximadamente 2 Kg. de mena, 1 Kg. de coque, 0.3 Kg. de piedra caliza y 1.5 Kg. K g. de aire. En el horno, el oxígeno o xígeno reacciona con el carbono del coque para formar monóxido de carbono: 2C(s) + 02 (g) 2CO(g) D H = -221 kJ El vapor de agua presente en el aire también reacciona con el carbono: C(s) + H2O(g) CO(g) + H2(g) D H = + 131 kJ Observe que la reacción del coque con el oxígeno es exotérmica y suministra calor para la operación del horno, pero su reacción con el vapor de agua es endotérmica. Por tanto, la adición de vapor de agua al aire proporciona un medio para controlar la temperatura del horno. En la parte superior del horno, la piedra caliza se calcina (Ec. 22.98). También en este caso el CO y el H2 reducen los óxidos de hierro. Por ejemplo, las reacciones importantes del Fe304 son:
Fe304(S) + 4CO(g) 3Fe(S) + 4CO2 (g) D H = -15 KJ Fe304(S) + 4H2(g) 3Fe(S) + 4H20(g) D H = + 150 KJ También se produce la reducción de otros elementos presentes en la mena en las partes más calientes del horno, donde el carbono es el agente reductor principal. El hierro fundido se recoge en la base del horno, como se muestra en la figura. Por arriba de él hay una capa de escoria fundida formada por la reacción del Ca0 con el silice presente en la mena, La capa de escoria sobre el hierro fundido ayuda a protegerlo de la reacción con el aire que entra. Periódicamente, el horno se vacía para drenar la escoria y el hierro fundido. El hierro producido en el horno se puede moldear en lingotes sólidos; sin embargo, casi todo se usa directamente para fabricar acero. Para este propósito, el hierro se transporta, todavía líquido, al taller siderúrgico.
CONCLUSIÓN
La clasificación más fundamental de los elementos químicos es en metales y no metales. La mayoria de los elementos se clasifican como metales. Los metales se encuentran del lado izquierdo y al centro de la tabla periodica. Los no metales, que son relativamente pocos, se encuentran el extremo superior derecho de dicha tabla. Los metales se caracterizan por ser buenos conductores del calor y la electricidad, mientras los no metales carecen de esa propiedad. Los no metales forman enlacen covalentes, con excepción del hidrógeno que puede formar enlace covalente e iónico. Una parte importante de la metalurgia es la producción de metales a partir de sus memas, y consta de tres etapas tratamiento preliminar, reducción y refinado.
Los elementos químicos metálicos y no metálicos son son los constituyentes básicos de la vida del humano. Los cuatro elementos químicos más abundantes en el cuerpo humano son el oxígeno, el carbono, el hidrógeno y el nitrógeno, que constituyen el 96% de la masa corporal. Además del calcio (2%), elementos como el fósforo, el potasio, el azufre y el sodio, entre otros, forman también parte del cuerpo humano, aunque en un porcentaje mucho menor. La corteza terrestre está compuesta en su mayor parte por oxígeno y silicio. Estos elementos químicos, junto con el aluminio, el hierro, el calcio, el sodio, el potasio y el magnesio, constituyen el 98,5% de la corteza terrestre. El hierro: Además del cobre, el hierro es otro valioso metal que se produce en nuestro país en gran cantidad. Los principales yacimientos se encuentran en la III región, en la IV región, y en la II región, que es el de mayor reserva. La C ompañía minera del Pacífico explota todo estos yacimientos y produce casi la totalidad de este metal en el país, en la planta de Huachipato, ubicada en la VIII región. La obtención del hierro se inicia con la extracción en la mina pasando luego a una etapa de molienda y clasificación. El alto horno es un reactor de varias decenas de metros de altura, en el que se producen una serie de reacciones hasta lograr hierro metálico. El mineral de hierro , carbón de coque y piedra caliza se cargan por la parte superior del alto horno. Por la parte inferior, se inyecta aire caliente para facilitar los procesos químicos. Las principales reacciones químicas que ocurren en el alto horno son: la generación de gases reductores, la reducción de los óxidos de hierro y la formación de escorias. La fuente de gases reductores (CO y H2) es la combustión del coque. El carbón se quema en la parte inferior del horno, donde la temperatura es muy alta, originando monóxido de carbono a medida que asciende, como se puede ver en la ecuación siguiente: 2C(s) + O2(g) 2CO(g) A estas altas temperaturas, cualquier formación de CO2 es reducida por las capas superiores de coque, según: C(s) + CO2(g) 2CO(g) El vapor de agua presente en los gases inytectados reacciona también con el coke, de acuerdo a la siguiente ecuación: C(s) + H2O(g) CO(g) + H2(g) Los óxidos de hierro son reducidos por el H2(g) y el CO(g) obteniéndose hierro fundido, según: Fe2O3(s) + 3 CO(g) 2Fe(l) + 3CO2(g) Fe2O3(s) + 3H2(g) 2Fe(l) + 3H2O(g) La piedra caliza agregada al alto horno participa en la formación de escorias. Con las altas temperaturas, esta se descompone en óxido de calcio y dióxido de carbono, de acuerdo a la siguiente ecuación: CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)
El óxido de calcio reacciona con las impurezas que acompañan al mineral. Por ejemplo, con el óxido de sicilio para formar la escoria, principalmente silicato de calcio (CaSiO3), según vemos en la ecuación que sigue: CaO(s) + SiO2(s) CaSiO3 El silicato de hierro es menos denso que el hierro fundido, por lo que se acumula en la base del horno formando una capa sobre el metal que lo protege de reacciones con el aire. Cada cierto tiempo, se remueve para ser aprovechado en otros procesos. Las escorias son usadas para fabricar cemento y para hacer carreteras. El hierro fundido se extrae por las salidas laterales situadas en la base del horno. El metal obtenido se contiene alrededor de un 95% de hierro y el 5% restante se compone de impurezas como C,P,Mn y Si. La principal utilidad del hierro es la fabricación del acero, una aleación de hierro y carbono. Ejemplos de usos prácticos de los procesos redox 1.- Obtención de metales (cobre, hierro, etc) 2.- La protección de metales contra la corrosión y 3.- Los diferentes tipos de pilas, como por ejemplo las alcalinas. BIBLIOGRAFÍA y
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química raymondchang
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http://www.alihuen.org.ar/informacion/pilas-informacion.htm
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En el método electrolitico se emplea un baño con sales alcalinas se hace circular entre los electrodos una corriente muy intensa el metal se deposita sobre el cátodo formando una estructurada ramificada. Se retira del cátodo a intervalos regulares, para evitar que la superficie sea tan grande que resulte normal la densidad de corriente. El metal depositado es pulverizado por trituración. Para reducir él oxido de hierro a metal, por medio de hidrogeno, se pulveriza finamente él oxido y se calienta en atmósfera de hidrogeno. Se emplea mineral de hierro puro en algunos casos oxido que se separa de las planchas durante la laminación de los lingotes. En algunas instalaciones se emplea un largo tubo de hierro con una espiral interior que gira en un horno calentado. El material, introducido por la parte alta del tubo, circula a lo largo de la espiral, él hidrogeno entra por la parte inferior. El hierro en polvo, una vez enfriado, se echa en agua ligeramente alcalina, para separar las sales solubles, luego se purifica en seco por separación magnética. Para la pulverización mecánica del hierro se parte de este metal en forma de hilo en un molino rotativo, en el cual se hacen girar las partículas a gran velocidad, golpeándose entre sí y pulverizándose. Una corriente de gas inerte hace salir a las partículas que han adquirido unas dimensiones suficientemente pequeñas. Para las partículas obtenidas por cualquiera de los tres procedimientos son tamizadas y oreadas. El hierro en polvo se emplea en la producción de núcleos, en los que es más importante obtener un valor elevado de la permeabilidad que del coeficiente de merito de la bobina. El polvo de hierro se mezcla con una resina sintética disuelta en un disolvente, que luego se hace evaporar, la masa es triturada y pulverizada y luego se pasa al prensado de los núcleos. El hierro en polvo producido es poco empleado, se sustituye, especialmente para las bobinas. Para las bobinas RF se emplea exclusivamente el hierro en polvo obtenido de la descomposición del hierro carbonilo. Mediante la reducción del oxido de hierro con hidrogeno, se obtiene polvo de hierro esponjoso. Este liquido es atomizado en un recipiente calentado al rojo, al que se hace pasar en forma de gotas, bajo una fuerte presión; en contacto con las paredes del recipiente y en atmósfera inerte, las gotitas se transforman en esferas microscópicas de hierro.
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Las perdidas por histeresis de los núcleos son muy reducidas, a pesar del contenido en carbono y nitrógeno. Se procede a una purificación y recocido, la permeabilidad y las perdidas aumentan. La permeabilidad de los núcleos es relativamente baja. Aumentando la presión y disminuyendo la proporción de material aislante, se obtiene una mayor permeabilidad, pero aumentan las perdidas por corrientes parásitas. La permeabilidad efectiva es menor que la permeabilidad del aglomerado y depende de la relación entre la longitud y el diámetro del núcleo cilíndrico, para bobinas que tengan la misma longitud del núcleo y se hayan arrollado formando una sola capa. La cantidad de resina empleada en el estampado de los núcleos es pequeña, del 3 al 6% en peso. La cantidad de un núcleo es mas elevada cuanto mayor es el grado de subdivisión de las partículas y cuanto más fluido es el barniz, cuanto mayor es la cantidad de la resina empleada para la mezcla, cuanto menor ha sido la temperatura y mayor el tiempo de la pulverización y cuanto menor es la presión. La permeabilidad de un núcleo es mas elevada cuanto mayor es la proporción de hierro y mayor la presión. La resistividad superficial del núcleo tiene también importancia es directamente proporcional a la proporción de barniz y resina, depende del acabado de las superficies del moldeo y del modo como este ha sido fabricado. La dureza de un núcleo depende de la proporción de resina y de la presión durante el estampado. La dureza tiene gran importancia para regular un núcleo fileteado con ranura para el destornillador en el propio material, sin que se resquebraje, aunque se deslice en el soporte con cierto rozamiento, a causa de un freno de goma, o por la presencia de trazas de cera o barniz. Con el tiempo los núcleos experimentan un envejecimiento que, mejora su calidad; es decir, el aislamiento entre las partículas de hierro. La permeabilidad del núcleo es, por otra parte, variable con la temperatura y el coeficiente puede ser positivo o negativo.
