El hierro de símbolo Fe, es un elemento metálico, magnético, maleable y de color blanco plateado. Tiene de número atómico 26 y es uno de los elementos de transición del sistema periódico.
El hierro fue descubierto en la prehistoria era utilizado como adorno y para fabricar armas; el objeto más antiguo, aún existente, es un grupo de cuentas oxidadas encontrado en Egipto, y data del 4 000 a.n.e. El término arqueológico edad del hierro se aplica sólo al periodo en el que se extiende la utilización y el
Procesos de manufactura y su clasificación 5 trabajo del hierro. El procesado moderno del hierro no comenzó en Europa central hasta la mitad del siglo xiv.
El hierro puro tiene una dureza que oscila entre 4 y 5. Es blando, maleable y dúctil. Se magnetiza fácilmente a temperatura ordinaria; es difícil magnetizarlo en caliente, y a unos 790 °C desaparecen las propiedades magnéticas. Tiene un punto de fusión de unos 1 535 °C, un punto de ebullición de 2 750 °C y una densidad relativa de 7.86. Su masa atómica es 55.847.
El metal existe en tres formas alotrópicas distintas: hierro ordinario o hierro-a (hierro-alfa), hierro-g (hierro-gamma) y hierro-d (hierro-delta). La disposición interna de los átomos en la red del cristal varía en la transición de una forma a otra. La transición de hierro-a a hierro-g se produce a unos 910 °C, y la tran- sición de hierro-g a hierro-d se produce a unos 1.400 °C. Las distintas propie- dades físicas de las formas alotrópicas y la diferencia en la cantidad de carbono admitida por cada una de las formas desempeñan un papel importante en la formación, dureza y temple del acero.
Químicamente el hierro es un metal activo. Se combina con los halógenos (flúor, cloro, bromo, yodo y astato) y con el azufre, fósforo, carbono y silicio. Desplaza al hidrógeno de la mayoría de los ácidos débiles. Arde con oxígeno formando tetróxido triférrico (óxido ferrosoférrico), Fe3O4. Expuesto al aire húmedo, se corroe formando óxido de hierro hidratado, una sustancia pardo- rojiza, escamosa, conocida comúnmente como orín. La formación de orín es un fenómeno electroquímico en el cual las impurezas presentes en el hierro interactúan eléctricamente con el hierro metal. Se establece una pequeña co- rriente en la que el agua de la atmósfera proporciona una disolución electrolí- tica. El agua y los electrólitos solubles aceleran la reacción. En este proceso, el hierro metálico se descompone y reacciona con el oxígeno del aire para formar el orín. La reacción es más rápida en aquellos lugares donde se acumula el orín, y la superficie del metal acaba agujereándose.
Al sumergir hierro en ácido nítrico concentrado, se forma una capa de óxido que lo hace pasivo, es decir, no reactivo químicamente con ácidos u otras sustancias.
La capa de óxido protectora se rompe fácilmente golpeando o sacudiendo el metal, que vuelve así a ser activo.
El hierro sólo existe en estado libre en unas pocas localidades, en concreto al oeste de Groenlandia. También se encuentra en los meteoritos, normalmente aleado con níquel. En forma de compuestos químicos, está distribuido por todo el mundo, y ocupa el cuarto lugar en abundancia entre los elementos de la corteza terrestre; después del aluminio, es el más abundante de todos los metales. Los principales minerales de hierro son las hematites. Otros minera- les importantes son la goetita, la magnetita, la siderita y el hierro del pantano (limonita). La pirita, que es un sulfuro de hierro, no se procesa como mineral de hierro porque el azufre es muy difícil de eliminar. Para más detalles sobre el procesado de los minerales de hierro, véase Siderurgia. También existen pe- queñas cantidades de hierro combinadas con aguas naturales y en las plantas; además, es un componente de la sangre.
El hierro puro, preparado por la electrólisis de una disolución de sulfato de hierro (ii), tiene un uso limitado. El hierro comercial contiene invariablemente pequeñas cantidades de carbono y otras impurezas que alteran sus propiedades físicas, pero éstas pueden mejorarse considerablemente añadiendo más carbo- no y otros elementos de aleación.
La mayor parte del hierro se utiliza en formas sometidas a un tratamiento especial, como el hierro forjado, el hierro colado y el acero. Comercialmente, el hierro puro se utiliza para obtener láminas metálicas galvanizadas y electro- imanes. Los compuestos de hierro se usan en medicina para el tratamiento de la anemia, es decir, cuando desciende la cantidad de hemoglobina o el número de glóbulos rojos en la sangre.
En la actualidad se producen alrededor de 1 000 millones de toneladas anuales siendo éste el de más utilización industrial.
El hierro forma compuestos en los que tiene valencia +2 (antiguamente com- puestos ferrosos) y compuestos en los que tiene valencia +3 (antiguamente
Procesos de manufactura y su clasificación 5 compuestos férricos). Los compuestos de hierro (II) se oxidan fácilmente a compuestos de hierro (III). El compuesto más importante de hierro (II) es el sulfato de hierro (II), FeSO4, denominado caparrosa verde; normalmente existe en forma de cristales verde pálido que contienen siete moléculas de agua de hidratación. Se obtiene en grandes cantidades como subproducto al limpiar el hierro con baño químico, y se utiliza como mordiente en el teñido, para ob- tener tónicos medicinales y para fabricar tinta y pigmentos.
El óxido de hierro (iii), un polvo rojo amorfo, se obtiene tratando sales de hierro (iii) con una base y también oxidando pirita. Se utiliza como pigmento, y se denomina rojo de hierro o rojo veneciano. También se usa como abra- sivo para pulir y como medio magnetizable de cintas y discos magnéticos. El cloruro de hierro (iii), que se obtiene en forma de cristales brillantes de color verde oscuro al calentar hierro con cloro, se utiliza en medicina y como una disolución alcohólica llamada tintura de hierro.
Los iones de hierro (II) y hierro (III) se combinan con los cianuros para for- mar compuestos de coordinación. El hexacianoferrato (II) de hierro (III) o ferrocianuro férrico, Fe4 [Fe (CN)6]3, es un sólido amorfo azul oscuro formado por la reacción de hexacianoferrato (II) de potasio con una sal de hierro (III) y se conoce como azul de Prusia. Se usa como pigmento en pintura y como añil en el lavado de ropa para corregir el tinte amarillento dejado por las sales de hierro (II) en el agua. El hexacianoferrato (III) de potasio, K3Fe (CN)6, llamado prusiato rojo, se obtiene del hexacianoferrato (III) de hierro (II), Fe3 [Fe (CN)6]2. A éste se le llama también azul de Turnbull y se usa para procesar el papel de calco. El hierro experimenta también ciertas reacciones fisicoquí- micas con el carbono, que son esenciales para fabricar el acero.
El hierro es el elemento químico de número atómico 26 y peso atómico Fe =55.85. Es un sólido grisáceo de densidad 7.85 que funde hacia 1 530 ºC y hierve más allá de 3 200 ºC. Antes de fundir se ablanda y se vuelve pastoso, lo cual permite labrarlo. Es dúctil, maleable, duro, y el más tenaz de los metales corrientes. Es también el principal de los metales magnéticos. Sin embargo, el aire húmedo ataca lentamente, formando herrumbre, óxido férrico hidratado.
Como esta herrumbre es porosa, la corrosión profundiza y prosigue hasta la des- trucción total del metal; por lo tanto, es indispensable protegerlo para su uso. El hierro es extraído de varios minerales entre ellos la pirita, la magnetita, la hematita y la siderita.
La pirita: es un agregado granular o fibroso radiado, informe y en masas compactas. Tiene un brillo metálico y una raya de color negro verdoso. Es frágil y opaca. Además es muy poco magnética. Es del grupo de los sulfuros. En España hay yacimientos en Riotinto, Huelva, en Almadén, Ciudad Real y en la Rioja. También sirve para la obtención del ácido sulfúrico y sus sales.
La magnetita: es una masa compacta de grano grueso o fino, granos sueltos, agregados hojosos y también en cristales aislados o agrupados. En España hay bastantes yacimientos, como los de Cabo de Gata y Sierra Almagrera en Almería, el Pedroso en Sevilla, o el Figueró en Barcelona.
La hematina: es normalmente terrosa. Se puede presentar en forma de cristales implantados, incluidos o agrupados en rosetas (rosas de hie- rro). Es del grupo de los óxidos. En España lo podemos encontrar en: Somorrostro, Vizcaya, en Hiendelaencina, Guadalajara y El Pedroso, en Sevilla. También podemos encontrar yacimientos en Sierra Alma- grera, Almería, Jumilla, Murcia o Vall de Ribes, en Girona.
La siderita: es una masa compacta espática de grano grueso o fino. Es del grupo de los carbonatos. En Cataluña la encontramos en Sant Llo- renç de la Muga, Costabona y Bossot.
SECTOR PRIMARIO O DE EXTRACCIÓN
En el diagrama 1 la fusión primaria del hierro integra las actividades que se desarrollan en el proceso productivo de la obtención del arrabio.
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Procesos de manufactura y su clasificación 61 Diagrama1.Obtención del arrabio
Noventa por ciento de todos los bienes de consumo fabricados a escala mun- dial son de hierro y acero.
Los procesos para la obtención de hierro fueron conocidos desde el año 1 200 antes de nuestra era.
Tabla. 1. Principales minerales de los que se extrae el hierro
Hematita (mena roja) 70% de hierro
Magnetita
(mena negra) 72.4% de hierro
Siderita
(mena café pobre) 48.3% de hierro
Limonita
(mena café) 60-65% de hierro
Extracción del mineral de hierro Explotación de coque Explotación de la piedra caliza Transporte del mineral de hierro Transporte del mineral de coque Transporte de la piedra caliza Preparación del mineral Preparación del mineral de coque Preparación del mineral Aire Alto horno Escoria Arrabio •Lavado •Quebrado •Cribado •Lavado •Quebrado •Cribado •Refinado •Calentado
La mena café es la mejor para la producción de hierro, existen grandes yaci- mientos de este mineral en Estados Unidos y en Suecia. En todo el mundo se pueden encontrar grandes cantidades de pirita, pero no es utilizable por su gran contenido de azufre.
Para la producción de hierro y acero son necesarios cuatro elementos funda- mentales:
Mineral de hierro. Coque.
Piedra caliza. Aire.
Los tres primeros se extraen de minas y son transportados y prepararlos antes de que se introduzcan al sistema en el que se producirá el arrabio.
El arrabio es un hierro de poca calidad, su contenido de carbón no está con- trolado y la cantidad de azufre rebasa los mínimos permitidos en los hierros comerciales. Sin embargo es el producto de un proceso conocido como la fusión primaria del hierro y del cual todos los hierros y aceros comerciales proceden. A la caliza, el coque y el mineral de hierro se les prepara antes de introducirse al alto horno para que tengan la calidad, el tamaño y la temperatura adecuada, esto se logra por medio del lavado, triturado y cribado de los tres materiales.
REDUCCIÓN DIRECTA DEL ACERO
De forma general, el Hierro de Reducción Directa (hrd) es el producto obte-
nido en cualquiera de los procesos de Reducción Directa (rd). Hecha esa afir-
mación es necesario definir algunos conceptos tales como rd, hrd, y muchos
otros relacionados con esta área de la siderurgia.
Aparte del hierro nativo o el proveniente de las estrellas (meteoros), el hierro de reducción directa era la única fuente de hierro hecho y utilizado por el hombre
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Procesos de manufactura y su clasificación 63 antes del desarrollo del alto horno alrededor del siglo xiv. Los procesos de re-
ducción directa eran en tiempos antiguos y aún hoy día, procesos en los cuales la reducción de materiales que contienen hierro, se realizaba a temperaturas menores que la de la fusión del hierro. La diferencia estriba en los equipos, materia prima y combustibles utilizados a través del tiempo.
Todos esos métodos para producir hierro mediante la reducción de materiales que lo contienen a temperaturas inferiores a la de fusión de éste o de las impu- rezas en el mineral, se conocen como procesos de reducción directa.
Antiguamente ésta era la única manera de obtener hierro debido a la falta de recursos. En esa época, el hombre tenía a su disposición mineral con alto con- tenido de hiero, madera para ser utilizada como combustible que se combina- ban para obtener hierro, en hornos con soleras bajas o de cuba baja, con una contextura esponjosa mezclado con escoria. A este material se le llamó hierro esponja, nombre que posteriormente se aplicó, inicialmente, al producto de los procesos modernos de reducción directa.
El hierro esponja, en tiempos antiguos, era llevado a la forma deseada gol- peándolo con una especie de martillo y al mismo tiempo eliminando parte de la escoria y obteniendo propiedades similares al acero.
Muchos nombres se han utilizado para referirse al producto de los procesos de reducción directa: hiero esponja, hrd, Prerreducido, Hierro reducido, etcétera.
Aparentemente, de todos ellos el que ha ganado más aceptación ha sido es
hrd. A continuación, algunos comentarios acerca de esos nombres.
Hierro esponja: aplicado al producto de los procesos iniciales el cual era de baja metalización. El nombre se adoptó de la naturaleza espon- josa del material. Este término también se aplicó al producto de los productos de los procesos modernos iniciales, hacia fines del siglo xix
y mediados del siglo xx. Aparentemente ha sido descartado de la litera-
tura técnica especializada aunque existe una asociación de productores de hierro esponja en la India, que agrupa a los operadores de plantas de rd en esa área.
Hierro de Reducción Directa (hrd): nombre adoptado por la industria
hacia finales de la década de 1970 y principios de la década de 1980, para referirse a un material de alta metalización. El término reivindica el hecho de que este material se produce en procesos que se han defini- do como procesos de reducción directa. Tiene sentido entonces utilizar este término.
Prerreducido y hierro reducido: a diferencias con hrd y hierro esponja,
los cuales se refieren, al método de fabricación y a su apariencia respec- tivamente, no hay un soporte aparente para su utilización, excepto el que se deriva del uso común.
La producción de hierro esponja era la única manera disponible que tenía el hombre en la antigüedad para fabricar artefactos de hierro y de materiales similares al acero, se basaba en la relativa abundancia de materiales tales como mineral de hierro de alto tenor y carbón vegetal aunado a una baja temperatura de reducción.
Aún después de la adopción del alto horno, los métodos de rd no fueron
totalmente olvidados y durante los dos últimos siglos del último milenio, su utilización estuvo dirigida a encontrar maneras para utilizar minerales de bajo tenor y combustibles de baja calidad. Algún éxito se ha logrado en este sentido y algunos métodos han sido desarrollados que utilizan esos recursos, pero la mayoría de los procesos de rd comercialmente exitosos, requieren de materias
primas e insumos adecuados.
El propósito fundamental de la rd es el de fabricar unidades metálicas para ser
utilizados en los hornos de fabricación de acero, pero también se utiliza para producir hierro en polvo que se utiliza en la pulvimetalurgia y como agente reductor en la industria química (véase figura 1).
La rd ha alcanzado un estado de desarrollo reconocido y en sí misma cons-
tituye una rama establecida dentro de la industria siderúrgica. Actualmente la producción anual se ubica alrededor de las 45 MM t/a, que se obtienen en dos tipos de instalaciones, cautivas y comerciales. En las primeras donde las
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Procesos de manufactura y su clasificación 65 unidades que producen hrd están dentro de las instalaciones de una planta si-
derúrgica y cuyo producto se carga en los propios hornos para fabricar acero; y en las segundas constituidas por unidades aisladas cuya producción se vende a otras plantas y/o usualmente se exporta.
Figura 1. Aspecto del hierro esponja, mineral de hierro después de ser sometido al tratamiento de reducción directa (cortesía del doctor Gabriel
Gojon, uanl).
PRODUCCIÓN DE hIERRO ESPONJA
Tal vez la tecnología mexicana más conocida en el extranjero sea la que de- sarrolló la compañía Hojalata y Lámina de Monterrey (hylsa). Respecto al
llamado hierro esponja. Fue el Ing. Juan Celada Salmón, quien inventó a me- diados de los años cincuenta el proceso hyl de reducción directa del mineral
del hierro, mediante el cual se obtiene el hierro esponja, materia prima para producir acero.
En 1957, un efecto de la guerra de Corea fue la elevación de los precios de la chatarra. hylsa, que producía aeroplanos a partir de chatarra, tuvo que iniciar
un programa de investigación cuyo resultado fue el proceso de reducción di- recta del mineral de hierro. Una tecnología tercermundista de primera línea.
Treinta años más tarde, cuando la producción mundial de hierro alcanza los mil millones de toneladas, la tecnología de hylsasigue siendo líder en el campo de
obtención de hierro por reducción directa, como lo muestra el diagrama dos. Diagrama 2. Producción de hierro esponja
El proceso de producción de hierro esponja se lleva a cabo en un horno tu- bular rotatorio inclinado (veáse figura 2) tipo “kiln” en donde las materias primas como el hierro, carbón y caliza dolomítica son alimentadas bajo una dosificación predeterminada y una vez mezcladas son cargadas por un tubo directamente al horno. Después de secada y precalentada, la mezcla alcanza la temperatura de reducción la cual se efectúa por medio del monóxido de carbo- no suministrado a partir de la reacción del carbón bituminoso con el oxígeno del aire que se insufla con un control estequeométrico muy riguroso.
La temperatura requerida por el proceso se alcanza y controla, por una veloci- dad predeterminada de la reacción de la combustión del carbón y la inyección del aire a través de los ventiladores dispuestos a lo largo del horno rotatorio, por este motivo se debe garantizar también una alta hermeticidad del horno respecto al ambiente exterior, para conocer en todo momento cual es el nivel de ingreso de oxígeno al ambiente reductor interno del horno.
Procesos de manufactura y su clasificación 6 En un rango de temperatura entre 800 a 1 100 °C el mineral de hierro en esta- do sólido es reducido a hierro esponja. Al término del proceso el hierro esponja es descargado hacia el horno enfriador, junto con los materiales remanentes del carbón y caliza dolomítica, cargados inicialmente; el enfriamiento provoca la estabilización del producto para que no reoxide en el manipuleo a que será sometido posteriormente.
La separación entre hierro esponja y materiales no magnéticos es efectuado por sistemas de zaranda y separadores electromagnéticos, para obtener un pro- ducto listo para su carguío a los hornos eléctricos. En algunos casos también es posible cargar directamente a los hornos eléctricos el hierro esponja caliente acompañado de los materiales remanentes, esta es una manera de aprovechar la energía térmica que lo acompaña acelerando su proceso de fusión.
Figura 2. Hornos para la producción de hierro esponja.
El hierro esponja permite su utilización en el horno eléctrico como carga me- tálica en la fabricación del acero, con las ventajas consiguientes de ser un pro- ducto libre de residuales y un producto nacional que evita la importación. Este proyecto convertido hoy en una realidad permitirá al país un menor egreso de divisas calculadas en 10 millones de dólares anuales y el producto obtenido conjuntamente con el reciclado de metálicos optimizará la calidad. En el mé- todo de reducción directa para procesar 1 000 toneladas de mineral de hierro, se requieren 491 000 metros cúbicos de metano y con ello se obtienen 630 toneladas de hierro esponja.
EL ALTO hORNO
En general los altos hornos tienen un diámetro mayor a 8 m y llegan a tener una altura superior a los 60 m representados en la figura 3. Están revestidos de refractario de alta calidad.
Los altos hornos pueden producir entre 800 y 1 600 toneladas de arrabio cada