Instituto Tecnologico de Saliana Cruz David Sanchez Martinez Materia: Ing.metales metalicos Maestro: Juan Manuel Cruz Martinez Trabajo: Definir, con sus palabras el concepto de matalurgia, investigar el proceso de produccion de arrabio. Unidad: 3 Grupo:2b1
Introducción Al presentar esta investigación algo muy importante que se debe destacar es que la metalurgia es un termia que se dividen ,Metalurgia extractiva o de procesamiento Estudia la optimización de procesos de concentración de minerales y cuidados del medio ambiente, Metalurgia física estudia la estructura interna de los metales que determinan sus propiedades, aplicaciones en la industria metalmecánica, según 3 variables:, Composición química,tratamiento mecánico ,tratamientos térmicos , después de haber definido estos términos en la investigación se explicara detalladamente la producción de arrabio como el procesos que lleva acabo para obtener este material.
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Definición de metalurgia Es el arte o la ciencia que tiene por objeto la obtención económica de los minerales a partir de sus menas en que están contenidos, la producción y tratamiento de las aleaciones que forman los metales La metalurgia es la ciencia o el arte de extraer y trabajar los metales la metalurgia también abarca los procesos de concentración de los minerales y cuidados del ambiente abarcado la extracción y refinación de los metales a esto sele reconoce como metalurgia extractiva. Cuando hablamos de la estructura interna de los metales nos referimos a la metalurgia física que es la que abarca las composiciones químicas, tratamiento mecánico y térmico
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Producción de arrabio Se denominan propiamente arrabios o hierros de primera fusión los que se obtienen directamente del horno alto en forma de panes o lingotes que, refundidos, dan las fundiciones o hierros de segunda fusión, empleados en coladas, en los que, en general, se introducen correctivos convenientes. Además de carbono, las fundiciones corrientes contienen: silicio, fósforo, manganeso y azufre. La adición de fósforo en pequeños porcentajes mejoran las características mecánicas, mientras que porcentajes mayores del 0,8% le dan gran resistencia al desgaste (fundiciones fosforosas). El fósforo favorece la colabilidad de la fundición, mejorando su fluidez. El azufre confiere fragilidad y, por tanto, su contenido ha de ser muy limitado. Se llama fundición especial a la que contiene otros elementos además de los antes mencionados, particularmente níquel, cromo, molibdeno y vanadio. Se denomina fundición hematites a la de primera fusión que tiene menos del 0, 1 % de fósforo, un 4% de carbono y carece casi de azufre; por su pureza se emplea para o Para la producción de hierro y acero son necesarios cuatro elementos fundamentales: Mineral de hierro. Coque. Piedra caliza. Aire obtener fundiciones especiales
a) Materias primas utilizadas para la obtención del arrabio Las materias primas que intervienen en la producción del arrabio en los altos hornos son:
El mineral El combustible Los fundentes
Cada uno de ellos debe presentar determinadas características para ser usados. 1. Mineral Aunque se llama mineral en realidad lo que se carga en el alto horno es un concentrado, es decir, la mena. Los minerales de hierro de mayor importancia son 4
la hematita, la limonita, la siderita y la magnetita. La importancia industrial de un mineral viene dada por su contenido de hierro y la facilidad de recuperación de este. Hematita Este mineral de hierro, es uno de los minerales de hierro de más fácil recuperación, de coloración rojiza y su contenido de hierro está entre 45 y 65 %. Contiene poco fósforo y azufre. Magnetita Presenta propiedades magnéticas elevadas. Su coloración es oscura, casi negra su contenido teórico de hierro es alto, entre el 40 y 70 %. 2. Combustible A pesar de que algunas reacciones de las que se producen en el alto horno son exotérmicas, el balance total del calor producido y consumido en el horno muestra que es necesario suministrar energía al mismo para su operación. Por lo tanto es necesario cargar de combustible en el horno. Comúnmente el combustible usado es el coque, aunque puede ser usado carbón vegetal. Ambos son obtenidos por destilación seca; en el caso del coque, a partir del carbón bituminoso, y en el carbón vegetal, a partir de la leña. Con este proceso se obtiene una materia libre de humedad y materias volátiles, con un elevado porcentaje de carbono fijo. Característica de los combustibles Resistencia Porosidad Poca producción de cenizas Pequeño contenido de impurezas Alto poder calórico Bajo costo 3. Fundentes La fusión como proceso metalúrgico, persigue dividir la masa metálica en dos fases, en una de las cuales se concentra el metal y en la otra las materias no aprovechables. Esta última fase es la escoria. La escoria es una fase líquida, formada por las cenizas del coque, la ganga del mineral y otras materias y compuestos. 5
El papel fundamental del fundente consiste en disminuir el punto de fusión de la escoria, con el objetivo de garantizar que se conserve siempre fluida. Además algunas escorias también ayudarán a eliminar las impurezas nocivas del metal. La piedra caliza es el fundente de usado más común en los altos hornos. Su componente básico es el carbonato de calcio (CaCO3). La escoria es un elemento importante en los procesos metalúrgicos Existen otros materiales que se emplean en la producción del arrabio como son el mineral de hierro, coque y caliza. El coque se quema como combustible para calentar el horno, y al arder libera monóxido de carbono, que se combina con los óxidos de hierro del mineral y los reduce a hierro metálico. La ecuación de la reacción química fundamental de un alto horno es: Fe2O3 + 3CO → 3CO2 + 2Fe La caliza de la carga del horno se emplea como fuente adicional de monóxido de carbono y como sustancia fundente. Este material se combina con la sílice presente en el mineral (que no se funde a las temperaturas del horno) para formar silicato de calcio, de menor punto de fusión. Sin la caliza se formaría silicato de hierro, con lo que se perdería hierro metálico. El silicato de calcio y otras impurezas forman una escoria que flota sobre el metal fundido en la parte inferior del horno. El arrabio producido en los altos hornos tiene la siguiente composición: un 92% de hierro, un 3 o 4% de carbono, entre 0,5 y 3% de silicio, del 0,25% al 2,5% de manganeso, del 0,04 al 2% de fósforo y algunas partículas de azufre.
b) Alto horno 1. Funcionamiento Elemental. El alto horno consiste en una especie de deposito troncocónico, en el cual se cargan desde arriba capas alternadas de mineral de hierro carbón y fundente. Un fuerte calentamiento del carbón de las capas inferiores (obteniendo mediante corrientes de aire caliente) provoca una absorción del oxigeno del mineral de hierro por parte del carbono. La alta temperatura así obtenida da lugar a la fusión del hierro, que es recogido, mezclado con grandes cantidades de carbono (arrabio), por un orificio situado en la parte baja del horno. El aire se insufla por medio de una decena de toberas de bronce situadas radialmente en la parte baja del horno y alimentadas por una batería de sopletes accionados por motores de explosión. La escoria, más ligera que el arrabio, se recoge encima de este y sale por orificios practicados en las paredes del crisol. Cada 3 horas, aproximadamente, se extrae el arrabio por unos orificios situados debajo de los anteriores. El aire insuflado en el horno se precalienta haciéndolo pasar por recuperadores Cowper, los cuales están constituidos por cilindros verticales de plancha de 7 mm de diámetro y más de 30 metros de altura llenos de material refractario. Existen 4 Cowper al servicio de cada horno alto; dos de ellos están 6
atravesados por gases muy calientes, obtenidos de la combustión y que proviene de la boca del propio horno, hasta que el instante que el material refractario alcanza una temperatura muy elevada; Un tercero, que ya se halla caliente, cede el calor almacenado al aire que los sopletes envían al alto horno; el cuarto es de reserva. La fase de calentamiento dura de una a dos horas. En el horno alto tienen lugar fenómenos fisicoquímicos complicados, que no han sido aún aclarados en todos sus detalles. El coque no posee tan sólo la misión de quemar los materiales cargados y ponerlos a elevada temperatura, sino que el óxido de carbono CO, producido por su combustión, reacciona con el óxido de hierro transformándose en anhídrido carbónico, CO, y liberando el hierro. La temperatura, que en la boca del horno tan sólo es de 200°C, aumenta cuando se desciende y alcanza los 1 200°C en el vientre y los 1800°C en el crisol. La reacción entre el CO y el mineral tiene lugar a 400°C. A 900°C se inicia la fusión del mineral y el carbono comienza a disolverse en el hierro, hasta que su proporción alcanza el 3,5 o 4% en la parte inferior del horno. En esta parte se completa la reducción del óxido de hierro en contacto con el coque incandescente, y la ganga reacciona con el fundente para formar la escoria, la cual, al trotar sobre el arrabio, lo protege de la acción oxidante del aire insuflado a poca distancia por encima del baño. Un horno alto funciona ininterrumpidamente, día y noche, hasta que, al cabo de un tiempo, que oscila entre 7 y 15 años, debe retirarse del servicio para reconstruir las instalaciones corroídas. El arrabio que sale por la boca de colada del horno alto (arrabio de primera fusión) se recoge en un gran recipiente (caldero de colada), que es de acero y se halla revestido interiormente de refractario, el cual lo aísla térmicamente y permite su transporte hasta la acerería, en la que será trasformado en acero. Si su empleo no ha de ser inmediato, el arrabio se cuela en moldes rectangulares formados en un lecho de arena con una longitud aproximada de 1 m. Los lingotes solidificados en dichos moldes se separan a golpes de maza, se elevan mediante una grúa y se cargan en vagones para ser expedidos a los consumidores. El calor necesario para la fusión puede ser suministrado así mismo par energía eléctrica; es el caso de los hornos eléctricos. Estos presentan la ventaja de que no introducen impurezas en el baño y permiten un desarrollo aún más controlado de las diferentes operaciones. Pueden tener una potencia de mas de 3000 Kw.
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2. Proceso El horno se carga con capas alternadas de capas alternadas de coque, piedra caliza y mineral; desde el fondo se inyecta por toberas aire precalentado a 900 °C a través de la carga efectuándose la combustión completa del coque que adquiere temperaturas máximas entre 1700 a 1800 °C. El hierro fundido, arrabio o fundición de primera fusión se acumula en el cristal y sobre su superficie flota la escoria durante el sangrado del horno el hierro (Fe) se deja correr por el canal para colectarse en ollas grandes, con las cuales se llenan lingoteras o bien se conducen a mezcladoras calientes donde se almacenan y se mezclan con otras fundiciones para curarse posteriormente en algún proceso de obtención del acero (refinación de arrabio.)Los lingotes se someten a una operación de enfriamiento ara convertirse mediante procesos metalúrgicos posteriores, en hierro colado de segunda fusión, hierro dulce, hierro maleable o bien acero. El arrabio no se puede utilizar directamente en la industria por ser más quebradizo debido a sus impurezas y poco resistente contiene excesivo carbón 2.2 a 4.5 % mas cantidades de silicio, magnesio, fósforo los cuales son variantes. Altos hornos de México (AHMSA) tiene dos hornos uno de 400 y otro de 1000 toneladas. Con una carga de 1612 Kg de mineral, 980Kg. de coque, 300 Kg de caliza, 100 Kg de mineral de manganeso e inyectando 3500m3 de aire, se obtiene aproximadamente 1000Kg. de hierro fundido, 600 Kg de escoria, 6310 Kg de gas de alto horno y 80 Kg de polvo.
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Por tanto, las piezas se producen llenando con la fundición líquida, el vacío de unos moldes de arena donde se dejan enfriar. Un modelo de madera con igual forma que la pieza sirve para preparar el molde de arena partido en dos. Ambas partes están sostenidas por sendos marcos o cajas de moldeo. La partición se hace con el fin de poder extraer el modelo una vez confeccionado el molde. Se deben dejar los correspondientes agujeros para colar el hierro líquido, así como otros para la eventual descarga de residuos de escoria y para la salida de burbujas. Como consecuencia, la pieza solidificada tiene una forma vasta con apéndices sobrantes, llamados macelotas, que saltan con un simple golpe. En las modernas instalaciones las operaciones de colado, moldeo y des moldeo están automatizadas. El procedimiento del moldeo también se aplica al acero, sin embargo, éste exige temperaturas muy elevadas que sólo puede proporcionar el horno eléctrico.
c) Refinación Del Arrabio En el alto horno, el oxígeno fue removido del mineral por la acción del CO (monóxido de carbono) gaseoso, el cual se combinó con los átomos de oxígeno en el mineral para terminar como CO2 gaseoso (dióxido de carbono). Ahora, el oxígeno se empleará para remover el exceso de carbono del arrabio. A alta temperatura, los átomos de carbono (C) disueltos en el hierro fundido se combinan con el oxígeno para producir monóxido de carbono gaseoso y de este modo remover el carbono mediante el proceso de oxidación. El arrabio puede ser refinado para producir: •
Hierro Dulce
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Acero
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Hierro Fundido
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Hierro Maleable o Nodular
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Conclusión Al concluir esta investigación podemos decir que la metalurgia es el arte o la ciencia que tiene por objeto la obtención económica de los minerales a partir de sus menas en que están contenidos, la producción y tratamiento de las aleaciones que forman los metales y que el arrabio o hierro de primera fusión son los que se obtienen directamente del horno alto en forma de panes o lingotes que, refundidos, dan las fundiciones o hierros de segunda fusión cuando hablamos de alto horno que es una horno que lleva un proceso de varios componentes como Las materias primas que intervienen en la producción del arrabio ,el mineral, el combustibles, los fundentes, en si podrimos de decir que el alto horno es el proceso que mas se utiliza para obtener el arrabio dándole seguimiento el horno eléctrico que su principal funcionamiento es que al aplicarse la corriente eléctrica, la formación del arco entre los electrodos gigantes produce un calor intenso. Cuando el arrabio se ha derretido completamente, se agregan dentro del horno los elementos de aleación que se necesiten. La masa fundida resultante se calienta, permitiendo que se quemen las impurezas y que los elementos de aleación se mezclen completamente. Al igual que el alto horno y horno eléctrico existen otros hornos que también ejercen la obtención del arrabio y del proceso de aceración utilizando otros tipos de procedimiento.
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