1. Proceso Tecnológico del Hierro de Primera Fusión: Obtención del Arrabio
1.1. Materias Primas
- El Mineral de Hierro: Generalmente óxidos de hierro como la hematita (Fe₂O₃) o la magnetita (Fe₃O₄). La calidad del mineral es crucial, ya que afecta la eficiencia del proceso.
- El Coque: Carbón procesado a altas temperaturas para eliminar impurezas. Actúa como reductor (es decir, elimina el oxígeno de los óxidos de hierro) y como combustible (generando el calor necesario).
- El Fundente: Generalmente piedra caliza (CaCO₃). Reacciona con las impurezas del mineral de hierro (sílice y alúmina) para formar escoria, que es más fácil de separar del hierro fundido.
- El Aire Caliente: Se inyecta aire precalentado en la base del horno para intensificar la combustión del coque y aumentar la eficiencia del proceso.
1.2. Obtención del Arrabio en Alto Horno
El proceso se realiza en un alto horno.
Reacciones Clave en el Horno:
- C + O₂ → CO₂
- CO₂ + C → 2CO
- El CO reduce los óxidos de hierro.
- CaCO₃ → CaO + CO₂; el CaO reacciona con las impurezas para formar Escoria.
Productos Obtenidos:
- Arrabio (Fe + 4% C).
- Escoria (silicatos).
- Gases (CO, CO₂).
2. Obtención del Acero (Afino del Arrabio)
2.1. Proceso BOF (Basic Oxygen Furnace)
Es el proceso más utilizado a nivel mundial. Se basa en inyectar oxígeno puro a alta presión en el arrabio fundido.
Funcionamiento:
- El horno BOF es un recipiente en forma de pera revestido con ladrillos refractarios.
- Se carga el horno con arrabio fundido, chatarra de acero y fundentes (cal viva, CaO, y dolomita).
- Se introduce una lanza de agua refrigerada por la parte superior del horno y se inyecta oxígeno puro a alta presión.
- El oxígeno reacciona con el carbono, el silicio, el manganeso, el fósforo y el hierro del arrabio, generando calor y formando óxidos.
- El calor generado funde la chatarra y mantiene el arrabio fundido.
- Los óxidos de impurezas reaccionan con la cal (CaO) para formar escoria, que flota sobre el acero fundido.
- El contenido de carbono se reduce mediante la reacción: C + O₂ → CO₂ (gas).
Ventajas:
- Proceso rápido (alrededor de 40-60 minutos por ciclo).
- Alta productividad (grandes cantidades de acero).
- Bajo costo de inversión y operación.
Desventajas:
- Menor flexibilidad en la selección de la materia prima (principalmente arrabio).
- Menor control de la composición química del acero.
- Limitada capacidad para eliminar azufre.
2.2. Proceso de Horno de Arco Eléctrico (EAF – Electric Arc Furnace)
Descripción y Funcionamiento:
- Utiliza electrodos de grafito para generar un arco eléctrico que funde la chatarra de acero (y el arrabio, si se utiliza).
- El horno EAF es un recipiente cilíndrico revestido con ladrillos refractarios.
- Se carga el horno con chatarra de acero, arrabio (opcional) y fundentes (cal viva, CaO, y sílice, SiO₂).
- Se bajan los electrodos de grafito sobre la carga y se aplica una corriente eléctrica. El arco eléctrico produce un calor intenso que funde los materiales.
- Se inyecta oxígeno y/o se utilizan quemadores para acelerar la fusión y oxidar las impurezas.
- Se añaden fundentes para formar escoria, que se retira periódicamente.
- Se ajusta la composición química del acero añadiendo elementos de aleación.
Reacciones Clave:
- Oxidación del C, Si, Mn, P.
- Formación de escoria.
Ventajas:
- Flexibilidad en la selección de la materia prima (puede utilizar 100% chatarra).
- Mayor control de la composición química del acero.
- Mayor capacidad para eliminar azufre.
- Menor impacto ambiental (si se utiliza energía renovable).
Desventajas:
- Mayor costo energético que el proceso BOF.
- Menor productividad que el proceso BOF.
3. Obtención de Metales No Ferrosos
3.1. Cobre (Cu)
- Minerales: Sulfuros (Calcopirita), Óxidos (Cuprita).
- Procesos: Flotación, Fundición/Lixiviación, Refinación Electrolítica.
- Aleaciones: Latón (Cu+Zn), Bronce (Cu+Sn), Cuproaluminio.
Refinación Electrolítica:
Los ánodos de cobre blíster (o de electroobtención) y los cátodos de cobre puro se sumergen en una solución electrolítica de sulfato de cobre y ácido sulfúrico. Al aplicar una corriente eléctrica, el cobre se disuelve del ánodo y se deposita en el cátodo con una pureza del 99.99%. Las impurezas se acumulan en el fondo de la celda como lodos anódicos.
3.2. Aluminio (Al)
- Mineral: Bauxita (óxidos de aluminio hidratados).
- Procesos: Bayer (obtención de Alúmina), Hall-Héroult (Electrólisis).
- Aleaciones: Serie 2000 (Al-Cu), Serie 3000 (Al-Mn), etc.
3.3. Titanio (Ti)
- Minerales: Ilmenita (FeTiO₃), Rutilo (TiO₂).
- Extracción: El principal mineral de titanio es la ilmenita y el rutilo.
- Aleación Común: Ti-6Al-4V.
Proceso Kroll:
El mineral se hace reaccionar con cloro y coque a altas temperaturas para producir tetracloruro de titanio (TiCl₄). El tetracloruro de titanio se reduce con magnesio fundido en una atmósfera de argón para producir titanio esponja. El titanio esponja se funde en un horno de arco al vacío (VAR) para obtener lingotes de titanio.
4. Subproductos y Consideraciones Ambientales
Subproductos
- Ácido Sulfúrico (en la producción de Cu).
- Escoria (en la producción de Al, Fe y Acero).
Impacto Ambiental
- Generación de Gases de efecto invernadero (CO₂).
- Gestión de residuos (escorias).