Cómo fundir hierro a partir de mineral. Cómo se extrae el mineral de hierro y se funde el acero. De un alfiler a un avión

El hombre comenzó a extraer mineral de hierro hace muchos siglos. Incluso entonces, los beneficios del uso del hierro se hicieron evidentes.

Encontrar formaciones minerales que contengan hierro es bastante fácil, ya que este elemento constituye aproximadamente el cinco por ciento de la corteza terrestre. En general, el hierro es el cuarto elemento más abundante en la naturaleza.

Es imposible encontrarlo en forma pura; el hierro se encuentra en determinadas cantidades en muchos tipos de rocas. El mineral de hierro tiene el mayor contenido de hierro, cuya extracción de metal es la más rentable económicamente. La cantidad de hierro que contiene depende de su origen, cuya proporción normal ronda el 15%.

Composición química

Las propiedades del mineral de hierro, su valor y características dependen directamente de su composición química. El mineral de hierro puede contener cantidades variables de hierro y otras impurezas. Dependiendo de esto, existen varios tipos:

muy rico, cuando el contenido de hierro en los minerales supera el 65%;
rico, cuyo porcentaje de hierro varía del 60% al 65%;
promedio, del 45% y más;
pobre, en el que el porcentaje de elementos útiles no supera el 45%.

Cuantos más subproductos haya en el mineral de hierro, más energía se necesitará para procesarlo y menos eficiente será la producción de productos terminados.

La composición de una roca puede ser una combinación de varios minerales, roca estéril y otros subproductos, cuya proporción depende de su depósito.

Los minerales magnéticos se distinguen por el hecho de que se basan en un óxido que tiene propiedades magnéticas, pero cuando se calientan fuertemente se pierden. La cantidad de este tipo de roca en la naturaleza es limitada, pero su contenido de hierro puede ser tan bueno como el del mineral de hierro rojo. Externamente, parece cristales sólidos de color negro azulado.

El mineral de hierro Spar es una roca mineral a base de siderita. Muy a menudo contiene una cantidad importante de arcilla. Este tipo de roca es relativamente difícil de encontrar en la naturaleza, lo que, sumado a su bajo contenido en hierro, hace que sea poco utilizado. Por tanto, es imposible clasificarlos como tipos de minerales industriales.

Además de los óxidos, la naturaleza contiene otros minerales a base de silicatos y carbonatos. La cantidad de contenido de hierro en una roca es muy importante para su uso industrial, pero también es importante la presencia de subelementos beneficiosos como el níquel, el magnesio y el molibdeno.

Aplicaciones

El ámbito de aplicación del mineral de hierro se limita casi por completo a la metalurgia. Se utiliza principalmente para fundir hierro fundido, que se extrae mediante hornos de hogar abierto o convertidores. Hoy en día, el hierro fundido se utiliza en diversas esferas de la actividad humana, incluida la mayoría de los tipos de producción industrial.

No se utilizan menos varias aleaciones a base de hierro: el acero es el más utilizado debido a su resistencia y propiedades anticorrosión.

El hierro fundido, el acero y otras aleaciones de hierro se utilizan en:

Ingeniería mecánica, para la producción de diversas máquinas y dispositivos.
Industria automotriz, para la fabricación de motores, carcasas, bastidores, así como otros componentes y piezas.
Industria militar y de misiles, en la producción de equipos especiales, armas y misiles.
Construcción, como elemento de refuerzo o construcción de estructuras portantes.
Industrias ligera y alimentaria, como contenedores, líneas de producción, unidades y dispositivos diversos.
Industria minera, como maquinaria y equipos especiales.

Depósitos de mineral de hierro

Las reservas mundiales de mineral de hierro son limitadas en cantidad y ubicación. Los territorios de acumulación de reservas de mineral se denominan depósitos. Hoy en día, los depósitos de mineral de hierro se dividen en:

Endógeno. Se caracterizan por una ubicación especial en la corteza terrestre, generalmente en forma de minerales de titanomagnetita. Las formas y ubicaciones de tales inclusiones son variadas, pueden tener forma de lentes, capas ubicadas en la corteza terrestre en forma de depósitos, depósitos volcánicos, en forma de varias vetas y otras formas irregulares.
Exógeno. Este tipo incluye depósitos de minerales de hierro marrón y otras rocas sedimentarias.
Metamorfogénico. Que incluyen depósitos de cuarcita.

Se pueden encontrar depósitos de estos minerales en todo nuestro planeta. El mayor número de depósitos se concentra en el territorio de las repúblicas postsoviéticas. Especialmente Ucrania, Rusia y Kazajstán.

Países como Brasil, Canadá, Australia, Estados Unidos, India y Sudáfrica tienen grandes reservas de hierro. Al mismo tiempo, casi todos los países del mundo tienen sus propios depósitos desarrollados, en caso de escasez, la raza se importa de otros países.

Beneficio de mineral de hierro

Como se dijo, existen varios tipos de minerales. Los ricos pueden procesarse directamente después de su extracción de la corteza terrestre, otros necesitan ser enriquecidos. Además del proceso de beneficio, el procesamiento del mineral incluye varias etapas, como clasificación, trituración, separación y aglomeración.

Hoy en día existen varios métodos principales de enriquecimiento:

Enrojecimiento.

Se utiliza para limpiar minerales de subproductos en forma de arcilla o arena, que se lavan mediante chorros de agua a alta presión. Esta operación permite aumentar la cantidad de contenido de hierro en el mineral de baja ley en aproximadamente un 5%. Por lo tanto, se utiliza únicamente en combinación con otros tipos de enriquecimiento.

Limpieza por gravedad.

Se lleva a cabo utilizando tipos especiales de suspensiones, cuya densidad excede la densidad de la roca estéril, pero es inferior a la densidad del hierro. Bajo la influencia de las fuerzas gravitacionales, los subproductos suben a la superficie y el hierro cae al fondo de la suspensión.

Separación magnética.

El método de beneficio más común, que se basa en diferentes niveles de percepción por parte de los componentes del mineral de la influencia de las fuerzas magnéticas. Dicha separación puede realizarse con roca seca, roca húmeda o en una combinación alterna de sus dos estados.

Para procesar mezclas secas y húmedas se utilizan tambores especiales con electroimanes.

Flotación.

Para este método, el mineral triturado en forma de polvo se sumerge en agua con la adición de una sustancia especial (reactivo de flotación) y aire. Bajo la influencia del reactivo, el hierro se une a las burbujas de aire y sube a la superficie del agua, mientras que la roca estéril se hunde hasta el fondo. Los componentes que contienen hierro se recogen de la superficie en forma de espuma.

La producción de hierro en Rusia se conoce desde tiempos inmemoriales. Como resultado de las excavaciones arqueológicas en áreas adyacentes a Novgorod, Vladimir, Yaroslavl, Pskov, Smolensk, Ryazan, Murom, Tula, Kiev, Vyshgorod, Pereyaslavl, Vzhishch, así como en el área del lago Ladoga y otros lugares, cientos Se descubrieron numerosos lugares con restos de crisoles, hornos de queso, los llamados “pozos de lobo” y correspondientes herramientas de producción de la metalurgia antigua. En uno de los pozos de los lobos excavados para fundir hierro, cerca del pueblo de Podmokloye, en la parte sur de la cuenca carbonífera de la región de Moscú, se encontró una moneda fechada en 189 de la era musulmana, que corresponde a principios del siglo IX de la era moderna. cronología. Esto significa que sabían cómo fundir hierro en la espalda de Rusia en aquellos tiempos lejanos y profundamente precristianos.

Los nombres del pueblo ruso literalmente nos gritan sobre la prevalencia de la metalurgia en todo el territorio de la antigua Rus: Kuznetsov, Kovalev, Koval, Kovalenko, Kovalchuk. En términos de prevalencia, los apellidos “metalúrgicos” rusos quizás rivalicen incluso con el arquetípico inglés John Smith (quien, de hecho, herrero, es decir, el mismo herrero).

Sin embargo, el camino de cualquier espada o cañón de cañón siempre comenzó mucho antes que la fragua metalúrgica y, especialmente, la fragua. Cualquier metal es, en primer lugar, combustible (carbón o coque para su fundición) y, en segundo lugar, materia prima para su producción.

Aquí debo poner inmediatamente énfasis. ¿Por qué el combustible es la condición principal y el propio mineral de hierro queda tan audazmente relegado a un segundo plano? Se trata de la logística del transporte de minerales y combustible necesarios para producir hierro en la Edad Media.

Después de todo, el combustible principal y de mayor calidad para la fundición del hierro medieval de alta calidad era carbón.
Incluso ahora, en la era ilustrada moderna, la tarea de obtener carbón vegetal de alta calidad no es tan sencilla como parece a primera vista.
El carbón vegetal de mayor calidad sólo se obtiene de un número muy limitado de especies de madera: de todas las especies de madera dura, bastante raras y de crecimiento lento (roble, carpe, haya) y de las arquetípicas abedul ruso.
Ya de las coníferas (pino o abeto), el carbón vegetal resulta mucho más frágil y con un gran rendimiento de finos y polvo de carbón, y tratar de obtener un buen carbón vegetal de un álamo o aliso de hojas blandas es casi imposible: el rendimiento es de buena calidad. cae casi a la mitad en comparación con el roble.

Si no había suficientes bosques en el área donde se encontraron depósitos de hierro, o si los bosques en el área fueron destruidos por generaciones anteriores de metalúrgicos, fue necesario inventar varios sustitutos.
Por ejemplo, en Asia Central, a pesar de los yacimientos de mineral de hierro de alta calidad, la oferta de madera era escasa, por lo que en lugar de carbón vegetal fue necesario utilizar el siguiente combustible innovador:

Si alguien no lo entiende, esto es estiércol de vaca. Puede ser un caballo, un cordero, una cabra o un burro; no juega un papel especial. El estiércol se amasaba a mano hasta formar tortas (algo así) y luego se dejaba secar al sol.
Está claro que en tal situación no era necesario hablar de la "constancia de la composición" del combustible, y la temperatura de la llama de la combustión de dicho "combustible compuesto" era mucho menor que la del carbón vegetal de alta calidad.

Otro sustituto del carbón vegetal, mucho más avanzado tecnológicamente, apareció en el mundo mucho más tarde. Por supuesto, estamos hablando de Coca, en el que se basa actualmente toda la metalurgia ferrosa moderna.
La historia de la “invención” de la coca se remonta sólo a doscientos años. Después de todo, fue la batería del horno de coque en la que “el carbón se quemó solo” la primera y más poderosa salva de la revolución industrial. Fue ella, la batería del horno de coque, y no la plataforma petrolera, la que creó ese “mundo de carbón y vapor” que ahora nos encanta recordar en libros, películas y anime sobre steampunk.

Mucho antes de la Revolución Industrial, Inglaterra ya había desarrollado ricos depósitos de carbón, que, sin embargo, se utilizaba casi exclusivamente para calentar las casas. La fundición de minerales en Inglaterra se realizaba, como en muchos lugares del mundo, únicamente con carbón vegetal. Esto se debió a un hecho desagradable, característico de la mayoría de las brasas: contienen cantidades considerables de fósforo y azufre, que son muy perjudiciales para el hierro producido en la fragua.

Sin embargo, Gran Bretaña es una isla. Y, en definitiva, las crecientes necesidades de la metalurgia inglesa basada en el carbón vegetal, superó todas las capacidades de los bosques ingleses. Los Robin Hood ingleses simplemente no tenían dónde esconderse— un aumento en la fundición de hierro redujo a casi todos los bosques de Foggy Albion a la nada. Al final, esto se convirtió en un freno a la producción de hierro, ya que la fundición requería una gran cantidad de leña: para procesar una tonelada de mineral, casi 40 metros cúbicos de madera en bruto.
Debido a la creciente producción de hierro, existía la amenaza de destrucción total de los bosques. El país se vio obligado a importar metal del extranjero, principalmente de Rusia y Suecia. Los intentos de utilizar carbón fósil para fundir hierro durante mucho tiempo fracasaron por las razones antes expuestas.
Recién en 1735, el fabricante Abraham Derby, después de muchos años de experiencia, encontró una manera de fundir hierro fundido utilizando carbón coquizable. Fue una victoria. Pero antes de esta victoria a principios del siglo IX d.C. todavía faltaban más de 900 años.

Entonces, transporte leña (o incluso carbón preparado) a la plancha. No funciona simplemente por la logística del proceso: el combustible necesario es de 4 a 5 veces la masa del mineral, e incluso más en volumen, al menos diez veces. Es más fácil convertir el hierro en combustible.

En la antigua Rusia hay combustible, y en abundancia. ¿Qué pasa con el hardware de la plataforma rusa?
Pero hay dudas con el hardware.
Mineral de hierro de alta calidad no en la llanura rusa.

Inmediatamente escucho gritos: “¿Qué pasa con la anomalía magnética de Kursk? ¡Los minerales de hierro magnéticos de mayor calidad del mundo!
Sí, algunas de las de mayor calidad del mundo. Inaugurado en 1931. Profundidad de ocurrencia: de 200 a 600 metros. Claramente, la tarea no corresponde a las tecnologías que estaban a disposición de los antiguos eslavos en el siglo IX d.C. Ahora todo parece hermoso, pero en aquella época la imagen de una mina de hierro moderna era como un viaje a Alfa Centauri para la humanidad moderna. En teoría es posible, pero en la práctica no lo es:

Como resultado, en el siglo IX en Rusia era necesario elegir entre algo incluido en esta lista de todos los minerales de hierro utilizados actualmente por la humanidad:

Mineral de hierro magnético: más del 70% de Fe en forma magnetita Fe3O4 (ejemplo: la anomalía magnética de Kursk que describimos)
- mineral de hierro rojo: 55-60% Fe en forma hematites Fe2O3 (ejemplo: nuevamente la anomalía magnética de Kursk o la cuenca de Krivoy Rog)
- mineral de hierro marrón (limonita) - 35-55% Fe en la forma mezclas de hidróxido hierro férrico Fe2O3-3H2O y Fe2O3-H2O (ejemplo: depósito de Kerch arruinado por Ucrania).
- mineral de hierro - hasta 40% Fe en la forma carbonato FeCO3 (ejemplo: depósito de Bakal)

La magnetita y la hematita se encuentran en lo profundo de la plataforma rusa; no hay ningún mineral de hierro en ella.
Lo que queda es mineral de hierro marrón (limonita).
La materia prima, por decirlo suavemente, es pésima; basta con mirar la concentración de hierro que contiene, pero lo curioso es que está disponible en el territorio de lo que entonces era Rusia. Casi en cualquier parte. Además, este "casi en todas partes" milagrosamente resulta estar muy cerca de la entonces fuente de combustible de carbón de alta calidad: los poderosos bosques de la llanura rusa.

Estamos hablando, por supuesto, de turberas y limonita, que a menudo también se llama hierro de pantano.
Además del hierro pantanoso, tienen una génesis similar. prado y lago de hierro. Sin embargo, como veremos más adelante, excavar en busca de ese hierro era más rentable en un pantano.

Para comprender la amplitud de la prevalencia de la extracción actual de este recurso local en Rusia, basta, como en el caso de los "apellidos metalúrgicos", abrir cualquier mapa geográfico y mirar los nombres de los rusos, ucranianos, bielorrusos o Pueblos lituanos.
E inmediatamente llamará su atención una gran cantidad de topónimos con las palabras Guta, Buda, Ruda. Aquí están sus significados:

Guta: planta de fundición de vidrio
Mineral: minería de hierro de pantano
Buda: extracción de potasa a partir de cenizas vegetales.

Estos pueblos se encuentran en todas partes, en una amplia zona de los pantanos de Polonia, desde Brest hasta Sumy. Había muchas fuentes de "mineral de pantano" en Rusia. El “hierro de pantano” se forma generalmente en casi todas partes donde hay una transición de suelos que contienen oxígeno a una capa libre de oxígeno (exactamente en la unión de estas dos capas).
En los pantanos, esta frontera se ubica simplemente, a diferencia de otros tipos de terreno, muy cerca de la superficie Por lo tanto, los nódulos de hierro se pueden cavar allí literalmente con una pala, eliminando solo una fina capa de vegetación pantanosa.

Así es como se ve el hierro de pantano: .
Pero fue precisamente esto lo que salvó a Rusia.

Los propios depósitos de hierro de los pantanos son clásicos. colocadores.
Los placeres suelen ser depósitos mucho más pequeños que los yacimientos, su volumen total rara vez supera las decenas de miles de toneladas (mientras que los depósitos de mineral pueden contener millones y miles de millones de toneladas de mineral), pero la extracción de placeres suele ser mucho más sencilla que la extracción de un yacimiento.
Los placeres generalmente se pueden desarrollar casi con las manos desnudas y con una mínima trituración de la roca, ya que los placeres generalmente se encuentran en rocas sedimentarias ya destruidas.
Esta es generalmente una práctica común: primero se extraen los placeres y luego los minerales.
Además, para todos los metales, minerales o compuestos.

Por cierto, la "lata de madera" (sobre la que escribí en la serie sobre la catástrofe de la Edad del Bronce) también es un placer.

Sin embargo, no se puede decir que la extracción de depósitos de hierro en pantanos fuera una tarea sencilla.

El hierro de los pantanos se extraía de tres formas principales.

El primero: en el verano, el limo del fondo se extraía de balsas en lagos pantanosos y ríos que fluían de los pantanos. La balsa se mantuvo en un lugar mediante un poste (una persona) y otra persona usó un achicador para quitar el limo del fondo. Las ventajas de este método son la simplicidad y el bajo estrés físico para los trabajadores.
Desventajas: una gran cantidad de trabajo inútil, ya que no sólo se extraía la roca estéril con hierro de pantano, sino que además había que levantar grandes cantidades de agua y limo. Además, es difícil utilizar una pala para retirar la tierra a grandes profundidades.

Segunda vía. En invierno, en los lugares donde los canales se congelaron hasta el fondo, primero se cortó el hielo y luego también se cortó el sedimento del fondo que contenía hierro de pantano. Las ventajas de este método: la posibilidad de seleccionar una capa grande que contenga hierro de pantano. Desventajas: es físicamente difícil cincelar hielo y suelo helado. La extracción sólo es posible hasta la profundidad de congelación.

El tercer método fue el más común. En la orilla cerca de arroyos o lagos pantanosos, se montó un marco, como para un pozo, solo en tamaños más grandes, por ejemplo, 4 por 4 metros. Luego comenzaron a excavar la capa de roca que los cubría dentro de la casa de troncos, profundizando gradualmente la casa de troncos. Luego también se seleccionó la roca que contenía hierro de pantano. Los rollos de troncos se fueron añadiendo a medida que la casa de troncos se hacía más profunda.
El agua que fluía constantemente era rescatada periódicamente. Por supuesto, era posible simplemente cavar sin reforzar las paredes con troncos, pero en el caso de un colapso muy probable de la tierra arrastrada y de que los trabajadores se quedaran dormidos en el hoyo (era poco probable que alguien pudiera salvarse), la gente rápidamente ahogado y ahogado. Las ventajas de este método: la posibilidad de seleccionar toda la capa que contiene hierro de pantano y menores costos de mano de obra en comparación con el segundo método. Además, incluso antes del inicio de la extracción era posible determinar aproximadamente la calidad de las materias primas extraídas ("los residentes locales también juzgan la bondad del mineral por el tipo de árboles que crecen en él; por ejemplo, el que se encuentra debajo del los abedules y los álamos se consideran los mejores, porque su hierro es más blando y, en los lugares donde crece el bosque de abetos, es más duro y fuerte").
Desventajas: hay que trabajar en agua todo el tiempo.

En general, los antiguos mineros rusos lo pasaron mal. Ahora, por supuesto, recreadores de todo el mundo están haciendo excursiones e incluso cavando hoyos en lugares más secos y accesibles, donde pueden extraer fácilmente algo de mineral de pantano:

Los hijos de los recreadores están felices. En el siglo IX creo que todo era diferente.

Sin embargo, para comprender la situación en Rusia en los siglos IX-XII, es necesario comprender escala la pesca que organizaban nuestros antepasados sobre un recurso tan derrochador como los placeres pantanosos.

Después de todo, si el proceso de excavación del limo en los pantanos no dejó ninguna huella que pudiera rastrearse a lo largo de los siglos, entonces el procesamiento posterior del hierro de los pantanos dejó huellas en la capa cultural, ¡y qué tipo de huellas también!

De hecho, para el proceso de soplado de queso, que en aquella época se utilizaba en la metalurgia rusa antigua y producía escorias altamente ferrosas, era necesario muy rico mineral de hierro. Y la limonita, como recordamos, es un mineral pobre.
Para obtener un buen concentrado de limonita, era necesario enriquecer previamente los minerales extraídos, tanto de pantano como de pradera. Por lo tanto, los antiguos metalúrgicos rusos necesariamente enriquecían los minerales de hierro de los pantanos que iban a ser fundidos.

La operación de enriquecimiento fue una condición tecnológica muy importante para la producción de hierro en hornos de queso.
Estudios posteriores, mediante análisis de monumentos históricos, revelaron los siguientes métodos de enriquecimiento de minerales:

1) secado (meteorización, dentro de un mes);
2) despido;
3) molienda;
4) lavado;
5) tamizar.

La producción de mineral altamente concentrado no podía limitarse a una o dos operaciones, sino que requería un procesamiento sistemático mediante todos los métodos anteriores. Una operación arqueológicamente muy conocida es la tostación de minerales.
Como comprenderéis, para asar también se necesitaba combustible de alta calidad (carbón vegetal), y además en cantidades considerables.

Durante una exploración arqueológica cerca del pueblo de Lasuna, en la costa del golfo de Finlandia, se descubrió en uno de los pozos un montón de mineral quemado. Para todas las operaciones de enriquecimiento de mineral, se requiere un equipo muy simple: para triturar el mineral, un bloque de madera y un mortero, y para tamizar y lavar, un tamiz de madera (malla de varillas).
La desventaja de quemar mineral de pantano en hogueras y pozos era la eliminación incompleta del agua al quemar piezas grandes y las grandes pérdidas al quemar piezas pequeñas.

En la producción moderna, por supuesto, el enriquecimiento es mucho más simple: el mineral finamente triturado se mezcla con el mismo coque molido y se introduce en un dispositivo similar a una picadora de carne grande. El sinfín alimenta la mezcla de mineral y coque sobre una rejilla con orificios no mayores a 8 mm. Al salir a través de los agujeros, una mezcla tan homogénea entra en la llama, mientras que el coque se quema, derritiendo el mineral y, además, se quema el azufre del mineral, por lo que simultáneamente se produce la desulfuración de las materias primas.

Después de todo, el hierro pantanoso, como el carbón, contiene impurezas nocivas: azufre y fósforo. Por supuesto, fue posible encontrar materias primas que contengan poco fósforo (bueno, relativamente poco; siempre hay menos en el mineral de hierro que en el hierro de pantano). Pero era casi imposible encontrar hierro de pantano que contuviera poco fósforo y azufre. Por lo tanto, además de toda la industria de extracción de hierro de pantano, surgió una industria igualmente a gran escala de enriquecimiento.

Para comprender el alcance de esta acción, daré un ejemplo: durante las excavaciones en el Viejo Riazán en 16 de 19 viviendas de ciudadanos Se descubrieron rastros de cocción “casera” de hierro en ollas en un horno común.
El viajero de Europa occidental Jacob Reitenfels, que visitó Moscovia en 1670, escribió que “el país de los moscovitas es una fuente viva de pan y metal”.

Entonces, en un lugar desnudo, sin nada debajo excepto suelos forestales pobres con abedules raquíticos y turberas, nuestros antepasados descubrieron de repente una "mina de oro" literalmente bajo sus pies. E incluso si no fuera una veta, sino un placer, y no oro, sino hierro, la situación no cambió.

El país aún emergente ha recibido su lugar en el mundo y un camino de civilización que lo llevará a los cañones Balaklava, al tanque T-Z4 y al misil balístico intercontinental Topol-M.
Recursos. Trabajo. Producción. Arma.

Porque al tener recursos, inevitablemente se llega a las armas. O bien, alguien más viene por sus recursos.
La Edad del Hierro comenzó en Rusia.
Un siglo –o mejor dicho, un milenio– de armas rusas.

Un milenio en el que la espada se levantará y volverá a caer, después de que el próximo enemigo sea derrotado y arrojado de los bosques de abedules y las turberas.

Y los enemigos no tardaron en llegar.
De hecho, en el siglo X la carrera armamentista de la Edad del Hierro ya estaba ganando impulso.

El mineral de hierro se obtiene de la forma habitual: minería a cielo abierto o subterránea y posterior transporte hasta la preparación inicial, donde el material es triturado, lavado y procesado.

El mineral se vierte en un alto horno y se le aplica aire caliente y calor, lo que lo convierte en hierro fundido. Luego se retira del fondo del horno a moldes conocidos como cerdos, donde se enfría para producir hierro fundido. Se transforma en hierro forjado o se procesa en acero de varias maneras.

¿Qué es el acero?

Al principio había hierro. Es uno de los que se puede encontrar en casi todas partes, combinado con muchos otros elementos, en forma de mineral. En Europa, el inicio del trabajo con hierro se remonta al año 1700 a.C.

En 1786, los científicos franceses Berthollet, Monge y Vandermonde determinaron con precisión que la diferencia entre hierro, hierro fundido y acero se debía a un diferente contenido de carbono. Sin embargo, el acero, elaborado a partir del hierro, rápidamente se convirtió en el metal más importante de la Revolución Industrial. A principios del siglo XX, la producción mundial de acero era de 28 millones de toneladas, seis veces más que en 1880. Al comienzo de la Primera Guerra Mundial, su producción era de 85 millones de toneladas. En unas pocas décadas, prácticamente reemplazó al hierro.

Actualmente existen más de 3.000 marcas (de compuestos químicos) catalogadas, sin contar las creadas para satisfacer necesidades individuales. Todos ellos contribuyen a hacer del acero el material más adecuado para resolver los retos del futuro.

Materias primas para la siderurgia: primarias y secundarias

Fundir este metal utilizando muchos componentes es el método de minería más común. Los materiales de carga pueden ser primarios o secundarios. La composición principal de la carga suele ser 55% de arrabio y 45% de chatarra restante. Como elemento principal de la aleación se utilizan ferroaleaciones, hierro fundido transformado y metales técnicamente puros; los elementos secundarios, por regla general, incluyen todos los tipos de metales ferrosos.

El mineral de hierro es la materia prima más importante y básica en la industria siderúrgica. Para producir una tonelada de hierro fundido se necesitan alrededor de 1,5 toneladas de este material. Para producir una tonelada de arrabio se utilizan unas 450 toneladas de coque. Muchas plantas metalúrgicas incluso utilizan

El agua es una materia prima importante para la industria siderúrgica. Se utiliza principalmente para el enfriamiento de coque, el enfriamiento de altos hornos, la generación de vapor para la operación de equipos hidráulicos y la eliminación de aguas residuales. Se necesitan unas 4 toneladas de aire para producir una tonelada de acero. El fundente se utiliza en un alto horno para eliminar las impurezas del mineral de fundición. La piedra caliza y la dolomita se combinan con las impurezas extraídas para formar escoria.

Tanto los altos hornos como los de acero están revestidos con refractarios. Se utilizan para hornos lineales diseñados para fundir mineral de hierro. Se utiliza sílice o arena para moldear. Para producir diversos grados de acero se utilizan aluminio, cromo, cobalto, cobre, plomo, manganeso, molibdeno, níquel, estaño, tungsteno, zinc, vanadio, etc. Entre todas estas ferroaleaciones, el manganeso se utiliza ampliamente en la fundición de acero.

Los residuos de hierro obtenidos de estructuras de plantas desmanteladas, maquinaria, vehículos viejos, etc. se reciclan y se utilizan ampliamente en esta industria.

Hierro fundido para acero

La fundición de acero con hierro fundido se realiza con mucha más frecuencia que con otros materiales. El hierro fundido es un término que suele referirse al hierro gris, sin embargo también se identifica con un gran grupo de ferroaleaciones. El carbono constituye aproximadamente del 2,1 al 4% en peso, mientras que el silicio normalmente representa del 1 al 3% en peso en la aleación.

El hierro y el acero se funden a un punto de fusión entre 1150 y 1200 grados, que es aproximadamente 300 grados más bajo que el punto de fusión del hierro puro. El hierro fundido también presenta buena fluidez, excelente maquinabilidad y resistencia a la deformación, oxidación y fundición.

El acero es también una aleación de hierro con contenido variable de carbono. El contenido de carbono del acero oscila entre el 0,2 y el 2,1% en masa y es el material de aleación más económico para el hierro. Fundir acero a partir de hierro fundido es útil para diversos fines estructurales y de ingeniería.

Mineral de hierro para acero

El proceso de fundición del acero comienza con el procesamiento del mineral de hierro. La roca que contiene el mineral de hierro se tritura. El mineral se extrae mediante rodillos magnéticos. El mineral de hierro de grano fino se procesa en trozos de grano grueso para su uso en el alto horno. El carbón se purifica de impurezas dando como resultado una forma casi pura de carbono. Luego, la mezcla de mineral de hierro y carbón se calienta para producir hierro fundido o hierro fundido, que se utiliza para fabricar acero.

En el horno de oxígeno principal, el mineral de hierro fundido es la principal materia prima y se mezcla con cantidades variables de chatarra de acero y aleaciones para producir diferentes grados de acero. Un horno de arco eléctrico funde chatarra de acero reciclado directamente para obtener acero nuevo. Aproximadamente el 12% del acero se fabrica a partir de material reciclado.

tecnología de fundición

La fusión es el proceso mediante el cual se obtiene un metal como elemento o como compuesto simple a partir de su mineral calentándolo por encima de su punto de fusión, generalmente en presencia de agentes oxidantes como el aire o agentes reductores como el coque.

En la tecnología de fabricación de acero, un metal que se combina con oxígeno, como el óxido de hierro, se calienta a una temperatura alta y el óxido se forma en combinación con el carbono del combustible, que sale como monóxido de carbono o dióxido de carbono.
Otras impurezas, denominadas colectivamente vetas, se eliminan añadiendo una corriente con la que se combinan para formar escoria.

La fundición moderna de acero utiliza un horno de reverbero. El mineral concentrado y la corriente (generalmente piedra caliza) se cargan en la parte superior y la mata fundida (un compuesto de cobre, hierro, azufre y escoria) se extrae de la parte inferior. Es necesario un segundo tratamiento térmico en un horno convertidor para eliminar el hierro de la superficie mate.

Método de convección de oxígeno

El proceso BOF es el proceso de fabricación de acero líder en el mundo. La producción mundial de acero convertidor en 2003 ascendió a 964,8 millones de toneladas o el 63,3% de la producción total. La producción de convertidores es una fuente de contaminación ambiental. Los principales retos de ello son la reducción de emisiones, vertidos y reducción de residuos. Su esencia radica en el uso de energía secundaria y recursos materiales.

El calor exotérmico se genera por reacciones de oxidación durante la purga.

El principal proceso de fabricación de acero utilizando nuestras propias reservas:

El arrabio fundido (a veces llamado metal caliente) de un alto horno se vierte en un recipiente grande con revestimiento ignífugo llamado cucharón.
El metal de la cuchara se envía directamente a la etapa principal de producción de acero o de preprocesamiento.
Se inyecta oxígeno de alta pureza, a una presión de 700 a 1000 kilopascales, a velocidades supersónicas sobre la superficie del baño de hierro a través de una lanza enfriada por agua que está suspendida en un recipiente y sostenida a varios pies por encima del baño.

La decisión de pretratar depende de la calidad del metal caliente y de la calidad final requerida del acero. Todavía se utilizan los primeros convertidores con fondo desmontable, que podían desmontarse y repararse. Se han cambiado las lanzas utilizadas para soplar. Para evitar que la tobera se atasque durante la purga, se utilizaron manguitos ranurados con una punta de cobre larga y ahusada. Las puntas, después de la combustión, queman el CO producido al soplar CO 2 y proporcionan calor adicional. Para eliminar la escoria se utilizan dardos, bolas refractarias y detectores de escoria.

Método de convección de oxígeno: ventajas y desventajas.

No requiere costes de equipos de purificación de gases, ya que la formación de polvo, es decir, la evaporación del hierro, se reduce 3 veces. Debido a una disminución en el rendimiento del hierro, se observa un aumento en el rendimiento del acero líquido entre un 1,5 y un 2,5%. Otra ventaja es que aumenta la intensidad de purga con este método, lo que permite aumentar la productividad del convertidor en un 18%. La calidad del acero es mayor porque se reduce la temperatura en la zona de soplado, lo que conduce a una disminución en la formación de nitrógeno.

Las desventajas de este método de fundición de acero han provocado una disminución de la demanda de consumo, ya que el nivel de consumo de oxígeno aumenta un 7% debido al alto consumo de combustible quemado. Hay un mayor contenido de hidrógeno en el metal procesado, por lo que es necesario realizar una purga con oxígeno durante algún tiempo después del final del proceso. Entre todos los métodos, el método del convertidor de oxígeno tiene la mayor formación de escoria; la razón es la imposibilidad de controlar el proceso de oxidación dentro del equipo.

Método de hogar abierto

El proceso de hogar abierto comprendió la mayor parte del procesamiento de todo el acero producido en el mundo durante la mayor parte del siglo XX. En la década de 1860, William Siemens buscó una manera de aumentar la temperatura en un horno metalúrgico, resucitando una antigua propuesta de utilizar el calor residual generado por el horno. Calentó el ladrillo a una temperatura alta y luego utilizó el mismo camino para introducir aire en el horno. El aire precalentado aumentó significativamente la temperatura de la llama.

Como combustible se utiliza gas natural o aceites pesados atomizados; El aire y el combustible se calientan antes de la combustión. El horno se carga con chatarra líquida de hierro y acero junto con mineral de hierro, piedra caliza, dolomita y fundentes.

La propia estufa está hecha de materiales altamente refractarios, como ladrillos de magnesita para los hogares. Los hornos de hogar abierto pesan hasta 600 toneladas y normalmente se instalan en grupos para que el enorme equipo auxiliar necesario para cargar los hornos y procesar el acero líquido pueda utilizarse de manera eficiente.

Aunque el proceso de hogar abierto ha sido reemplazado casi por completo en la mayoría de los países industrializados por el proceso básico de oxígeno y el horno de arco eléctrico, produce aproximadamente 1/6 de todo el acero producido en el mundo.

Ventajas y desventajas de este método.

Las ventajas incluyen la facilidad de uso y la facilidad de producción de acero aleado con diversos aditivos que confieren al material diversas propiedades especializadas. Los aditivos y aleaciones necesarios se añaden inmediatamente antes del final de la fundición.

Las desventajas incluyen una eficiencia reducida en comparación con el método del convertidor de oxígeno. Además, la calidad del acero es inferior en comparación con otros métodos de fundición de metales.

Método de fabricación de acero eléctrica.

El método moderno de fundición de acero con sus propias reservas es un horno que calienta el material cargado mediante un arco eléctrico. Los hornos de arco industriales varían en tamaño, desde unidades pequeñas con una capacidad de carga de aproximadamente una tonelada (utilizadas en fundiciones para producir productos de hierro fundido) hasta unidades de 400 toneladas utilizadas en metalurgia secundaria.

Los hornos de arco utilizados en los laboratorios de investigación pueden tener una capacidad de sólo unas pocas decenas de gramos. Las temperaturas de los hornos de arco eléctrico industriales pueden alcanzar los 1800 °C (3272 °F), mientras que las instalaciones de laboratorio pueden superar los 3000 °C (5432 °F).

Los hornos de arco se diferencian de los hornos de inducción en que el material de carga está directamente expuesto al arco eléctrico y la corriente en los terminales pasa a través del material cargado. El horno de arco eléctrico se utiliza para la producción de acero, consta de un revestimiento refractario, generalmente refrigerado por agua, es de gran tamaño y está cubierto con un techo retráctil.

El horno se divide principalmente en tres secciones:

Carcasa compuesta por paredes laterales y cuenco inferior de acero.
El hogar consta de un refractario que prolonga el cuenco inferior.
El tejado cortafuegos o refrigerado por agua puede estar realizado como sección esférica o como tronco de cono (sección cónica).

Ventajas y desventajas del método.

Este método ocupa una posición de liderazgo en el campo de la producción de acero. El método de fundición de acero se utiliza para crear un metal de alta calidad que está completamente desprovisto o contiene pequeñas cantidades de impurezas no deseadas como azufre, fósforo y oxígeno.

La principal ventaja del método es el calentamiento, gracias al cual se puede controlar fácilmente la temperatura de fusión y lograr velocidades de calentamiento increíbles del metal. El trabajo automatizado será una agradable adición a la excelente oportunidad para el procesamiento de alta calidad de diversos tipos de chatarra.

Las desventajas incluyen un alto consumo de energía.

El hierro constituye más del 5% de la corteza terrestre. Los principales minerales utilizados para extraer hierro son la hematita y la magnetita. Estos minerales contienen del 20 al 70% de hierro. Las impurezas de hierro más importantes de estos minerales son la arena y la alúmina (óxido de aluminio).

El núcleo de la Tierra

Basándonos en pruebas indirectas, podemos concluir que el núcleo de la Tierra es principalmente una aleación de hierro. Su radio es de aproximadamente 3470 km, mientras que el radio de la Tierra es de 6370 km. El núcleo interno de la Tierra parece sólido y tiene un radio de unos 1.200 km. Está rodeado por un núcleo exterior líquido. El flujo turbulento de fluido en esta parte del núcleo crea el campo magnético de la Tierra. La presión dentro del núcleo oscila entre 1,3 y 3,5 millones de atmósferas, y la temperatura oscila entre

Aunque está establecido que el núcleo de la Tierra está compuesto en su mayor parte por hierro, se desconoce su composición exacta. Se estima que entre el 8 y el 10% de la masa del núcleo terrestre está compuesta por elementos como el níquel, el azufre (en forma de sulfuro de hierro), el oxígeno (en forma de óxido de hierro) y el silicio (en forma de siliciuro de hierro).

Al menos 12 países en el mundo tienen reservas probadas de mineral de hierro que superan los mil millones de toneladas. Estos países incluyen Australia, Canadá, Estados Unidos, Sudáfrica, India, URSS y Francia. El nivel mundial de producción de acero alcanza actualmente los 700 millones de toneladas. Los principales productores de acero son la URSS, los Estados Unidos y el Japón, cada uno de estos países produce más de 100 millones de toneladas de acero al año. En Gran Bretaña, el nivel de producción de acero es de 20 millones de toneladas al año.

producción de hierro

La extracción de hierro del mineral de hierro se realiza en dos etapas. Comienza con la preparación del mineral: molienda y calentamiento. El mineral se tritura en trozos con un diámetro no superior a 10 cm y luego se calcina para eliminar el agua y las impurezas volátiles.

En la segunda etapa, el mineral de hierro se reduce a hierro mediante monóxido de carbono en un alto horno (figura 14.12). La reducción se lleva a cabo a temperaturas de aproximadamente 700°C:

Para aumentar el rendimiento de hierro, este proceso se lleva a cabo en condiciones de exceso de dióxido de carbono.

El monóxido de carbono CO se forma en un alto horno a partir de coque y aire. Primero se calienta el aire a unos 600 °C y se introduce en el horno a través de un tubo especial, una tobera. El coque se quema en aire comprimido caliente para formar dióxido de carbono. Esta reacción es exotérmica y provoca un aumento de temperatura por encima de 1700 °C:

El dióxido de carbono sube en el horno y reacciona con más coque para formar monóxido de carbono. Esta reacción es endotérmica:

Arroz. 14.12. Alto horno, 1 - mineral de hierro, piedra caliza, coque, 2 cono de carga (superior), 3 - gas superior, 4 - mampostería del horno, 5 - zona de reducción de óxido de hierro, 6 - zona de formación de escoria, 7 - zona de combustión de coque, 8 - inyección de aire caliente a través de toberas, 9 - hierro fundido, 10 - escoria fundida.

El hierro formado durante la reducción del mineral está contaminado con impurezas de arena y alúmina (ver arriba). Para eliminarlos se añade piedra caliza al horno. A las temperaturas existentes en el horno, la piedra caliza sufre descomposición térmica con formación de óxido de calcio y dióxido de carbono:

El óxido de calcio se combina con impurezas para formar escoria. La escoria contiene silicato de calcio y aluminato de calcio:

El hierro se funde a 1540°C (ver Tabla 14.2). El hierro fundido junto con la escoria fundida fluyen hacia la parte inferior del horno. La escoria fundida flota sobre la superficie del hierro fundido. Cada una de estas capas se libera periódicamente del horno al nivel apropiado.

El alto horno funciona las 24 horas del día, en modo continuo. Las materias primas para el proceso de alto horno son mineral de hierro, coque y piedra caliza. Se introducen constantemente en el horno por la parte superior. El hierro sale del horno cuatro veces al día, a intervalos regulares. Sale del horno en forma de chorro ardiente a una temperatura de aproximadamente 1500 °C. Los altos hornos vienen en diferentes tamaños y productividades (1000-3000 toneladas por día). En EE.UU. hay algunos diseños de hornos nuevos con

cuatro salidas y liberación continua de hierro fundido. Estos hornos tienen una capacidad de hasta 10.000 toneladas por día.

El hierro fundido en un alto horno se vierte en moldes de arena. Este tipo de hierro se llama hierro fundido. El contenido de hierro en el hierro fundido es aproximadamente del 95%. El hierro fundido es una sustancia dura pero quebradiza con un punto de fusión de unos 1200 °C.

El hierro fundido se fabrica fusionando una mezcla de arrabio, chatarra y acero con coque. El hierro fundido se vierte en moldes y se enfría.

El hierro forjado es la forma más pura de hierro industrial. Se produce calentando hierro bruto con hematita y piedra caliza en un horno de fundición. Esto aumenta la pureza del hierro a aproximadamente el 99,5%. Su punto de fusión se eleva a 1400 °C. El hierro forjado tiene gran resistencia, maleabilidad y ductilidad. Sin embargo, para muchas aplicaciones se reemplaza por acero dulce (ver más abajo).

Producción de acero

Los aceros se dividen en dos tipos. Los aceros al carbono contienen hasta un 1,5% de carbono. Los aceros aleados contienen no solo pequeñas cantidades de carbono, sino también impurezas (aditivos) especialmente introducidas de otros metales. A continuación se analizan en detalle los diferentes tipos de aceros, sus propiedades y aplicaciones.

Proceso de conversión de oxígeno. En las últimas décadas, la producción de acero se ha visto revolucionada por el desarrollo del proceso básico de oxígeno (también conocido como proceso Linz-Donawitz). Este proceso comenzó a utilizarse en 1953 en las acerías de dos centros metalúrgicos austriacos: Linz y Donawitz.

El proceso de conversión de oxígeno utiliza un convertidor de oxígeno con un revestimiento principal (mampostería) (Fig. 14.13). El convertidor se carga en posición inclinada.

Arroz. 14.13. Convertidor para fundición de acero, 1 - oxígeno y 2 - tubo refrigerado por agua para explosión de oxígeno, 3 - escoria. 4 ejes, 5 acero fundido, cuerpo de 6 acero.

arrabio fundido del horno de fundición y chatarra, luego regresado a una posición vertical. Después de esto, se inserta un tubo de cobre enfriado por agua desde arriba en el convertidor y, a través de él, se dirige una corriente de oxígeno mezclada con cal en polvo hacia la superficie del hierro fundido. Esta “purga de oxígeno”, que dura 20 minutos, provoca una intensa oxidación de las impurezas de hierro y el contenido del convertidor permanece líquido debido a la liberación de energía durante la reacción de oxidación. Los óxidos resultantes se combinan con la cal y se convierten en escoria. Luego se retira el tubo de cobre y se inclina el convertidor para drenar la escoria. Después de repetidos soplados, el acero fundido se vierte desde el convertidor (en posición inclinada) a una cuchara.

El proceso de conversión de oxígeno se utiliza principalmente para producir aceros al carbono. Se caracteriza por una alta productividad. En 40-45 minutos se pueden producir entre 300 y 350 toneladas de acero en un convertidor.

Actualmente, todo el acero del Reino Unido y la mayor parte del acero del mundo se produce mediante este proceso.

Proceso de fabricación de acero eléctrico. Los hornos eléctricos se utilizan principalmente para convertir chatarra de acero y hierro fundido en aceros aleados de alta calidad, como el acero inoxidable. El horno eléctrico es un tanque redondo y profundo revestido con ladrillos refractarios. El horno se carga con chatarra a través de la tapa abierta, luego se cierra la tapa y los electrodos se bajan al horno a través de los orificios hasta que entran en contacto con la chatarra. Después de esto, se enciende la corriente. Entre los electrodos se forma un arco, en el que se desarrolla una temperatura superior a 3000 °C. A esta temperatura, el metal se funde y se forma acero nuevo. Cada carga del horno permite producir entre 25 y 50 toneladas de acero.

Tecnología de producción de hierro en la antigüedad.

Para obtener hierro del mineral, primero debes obtener kritsa. Para ello, en primer lugar se utilizó mineral de hierro oxidado, que se encuentra con mayor frecuencia cerca de la superficie. Tras el descubrimiento de sus propiedades, estos depósitos se agotaron rápidamente como resultado de su intenso desarrollo.

Los minerales de pantano están mucho más extendidos. Se formaron en el período subatlántico, cuando, durante el proceso de inundación, el mineral de hierro se depositaba en el fondo de los embalses. A lo largo de la Edad Media, la metalurgia ferrosa utilizó minerales de turbera. Incluso pagaban derechos con ellos. La producción de hierro a partir de minerales en cantidades relativamente grandes fue posible después de la invención del horno para queso. Este nombre apareció después de la invención del soplo de aire caliente en los altos hornos. En la antigüedad, los metalúrgicos alimentaban la fragua con aire puro (frío). A una temperatura de 900 o, con la ayuda de dióxido de carbono, que elimina el oxígeno del óxido de hierro, se reduce el hierro del mineral y se obtiene una masa o una pieza porosa informe empapada en escoria: kritsa. Para llevar a cabo este proceso se necesitaba carbón vegetal como fuente de dióxido de carbono. Luego se forjó la kritsa para eliminarle la escoria. El método de elaboración del queso, a veces llamado fundición de hierro, no es económico, pero durante mucho tiempo siguió siendo el único método inalterado para obtener metales ferrosos.

Al principio, el hierro se fundía en fosas ordinarias, cerradas en la parte superior; más tarde se empezaron a construir hornos de arcilla. Se cargaron mineral triturado y carbón en capas en el espacio de trabajo de la fragua, se prendió fuego a todo esto y se forzó aire a través de los orificios de las boquillas con fuelles especiales (de cuero). La roca se deposita en escoria a una temperatura de 1300-1400 o, a la que se obtiene acero, que contiene hierro entre 0,3 y 1,2%. carbón. Al enfriarse se vuelve muy duro. Para obtener hierro fundido (hierro fusible con un contenido de carbono del 1,5 al 5%) se necesita una estructura de forja más compleja con un gran espacio de trabajo. En este caso, el punto de fusión del hierro era más bajo y salió parcialmente del horno junto con la escoria. Cuando se enfrió se volvió frágil y al principio lo tiraron, pero luego aprendieron a usarlo. Para fabricar hierro maleable a partir de hierro fundido, es necesario eliminarle el carbono.

Tecnología para crear aleaciones de hierro.

El primer dispositivo para obtener hierro a partir del mineral fue un horno de queso desechable. Con una gran cantidad de desventajas, durante mucho tiempo esta fue la única forma de obtener metal a partir del mineral.

Los antiguos vivieron rica y felizmente durante mucho tiempo: se hacían hachas de piedra con jaspe y se quemaba malaquita para obtener cobre, pero todo lo bueno tiende a llegar a su fin. Una de las razones del colapso de la antigua civilización del Mediterráneo fue el agotamiento de los recursos minerales. El oro no se acabó en el tesoro, sino en las profundidades; el estaño se acabó incluso en las “islas del estaño”. Aunque todavía se extrae cobre en el Sinaí y Chipre, los depósitos que se están explotando ahora no estaban disponibles para los romanos. Entre otras cosas, también se ha acabado el mineral apto para la elaboración del queso. Aún quedaba mucho plomo.

Sin embargo, las tribus bárbaras que se asentaron en Europa, que se había quedado sin dueño, no supieron durante mucho tiempo que sus predecesores habían agotado sus recursos minerales. Dada la enorme caída de la producción de metales, los recursos que los romanos desdeñaban fueron suficientes durante mucho tiempo. Más tarde, la metalurgia comenzó a resurgir principalmente en Alemania y la República Checa, es decir, allí donde los romanos no llegaban con picos y carretillas.

Una etapa superior en el desarrollo de la metalurgia ferrosa estuvo representada por los altos hornos permanentes, llamados en Europa hornos de estuco. Realmente era una estufa alta, con un tubo de cuatro metros para mejorar la tracción. Los fuelles de la máquina de estuco ya eran balanceados por varias personas y, a veces, por un motor de agua. El Stukofen tenía puertas por las que se retiraba la kritsa una vez al día.

Los estukofens se inventaron en la India a principios del primer milenio antes de Cristo. Al comienzo de nuestra era llegaron a China, y en el siglo VII, junto con los números "árabes", los árabes tomaron prestada esta tecnología de la India. A finales del siglo XIII, los Stuktofens comenzaron a aparecer en Alemania y la República Checa (y antes incluso en el sur de España) y durante el siglo siguiente se extendieron por toda Europa.

La productividad del stuktofen era incomparablemente mayor que la de un horno de soplado de queso: producía hasta 250 kg de hierro por día y la temperatura de fusión era suficiente para carburizar parte del hierro al estado de hierro fundido. Sin embargo, cuando se detuvo el horno, el hierro fundido de estuco se congeló en su fondo, mezclándose con la escoria, y en ese momento solo podían limpiar el metal de la escoria mediante la forja, pero el hierro fundido no se prestaba a ello. Tuvo que ser desechado.

A veces, sin embargo, intentaron encontrar algún uso para el hierro fundido. Por ejemplo, los antiguos hindúes fabricaban ataúdes con hierro fundido sucio y los turcos, a principios del siglo XIX, fabricaban balas de cañón. Es difícil juzgar cómo son los ataúdes, pero las balas de cañón que salieron de ellos fueron regulares.

Las balas de cañón se fabricaban con escoria ferrosa en Europa a finales del siglo XVI. Las carreteras se construyeron con adoquines fundidos. En Nizhny Tagil aún se conservan edificios con cimientos de bloques de hormigón fundido.

Los metalúrgicos han observado desde hace mucho tiempo una relación entre la temperatura de fusión y el rendimiento del producto: cuanto mayor era, mayor era el hierro contenido en el mineral que se podía recuperar. Por eso, tarde o temprano se les ocurrió la idea de acelerar el stukofen precalentando el aire y aumentando la altura de la tubería. A mediados del siglo XV apareció en Europa un nuevo tipo de horno: el blauofen, que inmediatamente dio a los fabricantes de acero una sorpresa desagradable.

De hecho, la temperatura de fusión más alta aumentó significativamente el rendimiento de hierro del mineral, pero también aumentó la proporción de hierro que se carburó al estado de hierro fundido. Ahora, no el 10%, como en la máquina de estuco, sino el 30% de la producción fue hierro fundido, "hierro de cerdo", que no sirve para ningún propósito. Como resultado, las ganancias a menudo no compensaron la modernización.

El hierro fundido Blauofen, como el hierro fundido de estuco, se solidificaba en el fondo del horno y se mezclaba con la escoria. Resultó algo mejor, ya que había más, por lo que el contenido relativo de escoria era menor, pero seguía siendo inadecuado para la fundición. El hierro fundido obtenido del blauofen resultó ser bastante fuerte, pero aún así permaneció muy heterogéneo: de él solo salieron objetos simples y toscos: mazos, yunques. Ya salían bastantes balas de cañón.

Además, si en los hornos de soplado de queso solo se podía obtener hierro, que luego se carburaba, en stukofen y blauofen las capas exteriores de kritsa resultaban estar hechas de acero. Había incluso más acero en los krits blauofen que hierro. Por un lado, esto parecía bueno, pero resultó muy difícil separar el acero y el hierro. El contenido de carbono se volvió difícil de controlar. Sólo una larga forja podría lograr la uniformidad de su distribución.

En un momento, ante estas dificultades, los indios no avanzaron más, sino que comenzaron a perfeccionar la tecnología y llegaron a la producción de acero de damasco. Pero a los indios de aquella época no les interesaba la cantidad, sino la calidad del producto. Los europeos, al experimentar con el hierro fundido, pronto descubrieron un proceso de conversión que elevó la metalurgia del hierro a un nivel cualitativamente nuevo.

La siguiente etapa en el desarrollo de la metalurgia fue la aparición de los altos hornos. Al aumentar el tamaño, precalentar el aire y realizar explosiones mecánicas, en dicho horno todo el hierro del mineral se convertía en hierro fundido, que se fundía y periódicamente se liberaba al exterior. La producción se volvió continua: el horno funcionó las 24 horas del día y no se enfrió. Producía hasta una tonelada y media de hierro fundido al día. Destilar hierro fundido para convertirlo en hierro en las forjas era mucho más fácil que sacarlo de la kritsa, aunque todavía era necesario forjar, pero ahora estaban sacando escoria del hierro y no hierro de la escoria.

Los altos hornos se utilizaron por primera vez a finales de los siglos XV y XVI en Europa. En Oriente Medio y la India, esta tecnología no apareció hasta el siglo XIX (en gran medida, probablemente porque el motor hidráulico no se utilizó debido a la característica escasez de agua en Oriente Medio). La presencia de altos hornos en Europa le permitió superar a Turquía en el siglo XVI, si no en la calidad del metal, sí en el pozo. Esto indudablemente influyó en el resultado de la lucha, especialmente cuando resultó que los cañones se podían fabricar con hierro fundido.

Desde principios del siglo XVII, Suecia se convirtió en la ferrería europea, produciendo la mitad del hierro de Europa. A mediados del siglo XVIII, su papel en este sentido comenzó a declinar rápidamente debido a otro invento: el uso del carbón en la metalurgia.

En primer lugar, hay que decir que hasta el siglo XVIII inclusive, el carbón prácticamente no se utilizaba en metalurgia, debido al alto contenido de impurezas nocivas para la calidad del producto, principalmente azufre. Desde el siglo XVII en Inglaterra, el carbón comenzó a usarse en hornos de charco para recocer hierro fundido, pero esto permitió lograr solo pequeños ahorros en carbón: la mayor parte del combustible se gastó en la fundición, donde era imposible excluir el contacto de carbón con mineral.

Entre las muchas profesiones metalúrgicas de esa época, quizás la profesión más difícil fuera la de charlista. El pudín fue el principal método de obtención del hierro durante casi todo el siglo XIX. Fue un proceso muy difícil y que llevó mucho tiempo. El trabajo bajo su mando era el siguiente: se cargaba arrabio en el fondo del horno de fuego; estaban derretidos. A medida que el carbono y otras impurezas se quemaban en el metal, la temperatura de fusión del metal aumentaba y cristales de hierro bastante puro comenzaron a “congelarse” del líquido fundido. Un trozo de masa pegajosa que se acumula en el fondo del horno. Los charlistas iniciaron la operación de enrollar la masa utilizando una chatarra de hierro. Mezclando la masa de metal con una palanca, intentaron juntar un trozo, o kritsa, de hierro alrededor de la palanca. Un bulto de este tipo pesaba entre 50 y 80 kg o más. La kritsa se sacaba del horno y se alimentaba directamente debajo del martillo, para forjarla, eliminar las partículas de escoria y compactar el metal.

Aprendieron a eliminar el azufre mediante coque en Inglaterra en 1735, después de lo cual fue posible utilizar grandes reservas de carbón para fundir hierro. Pero fuera de Inglaterra, esta tecnología no se difundió hasta el siglo XIX.

El consumo de combustible en la metalurgia ya entonces era enorme: el alto horno consumía un vagón de carbón por hora. El carbón vegetal se ha convertido en un recurso estratégico. Fue la abundancia de madera en la propia Suecia y Finlandia lo que permitió a los suecos desarrollar la producción a tal escala. Los ingleses, que tenían menos bosques (e incluso aquellos estaban reservados para las necesidades de la flota), se vieron obligados a comprar hierro en Suecia hasta que aprendieron a utilizar el carbón.

Métodos eléctricos y de inducción de fundición de hierro.

La variedad de composiciones de los aceros dificulta mucho su fundición. Después de todo, en un horno de hogar abierto y en un convertidor la atmósfera se oxida y elementos como el cromo se oxidan fácilmente y se convierten en escoria, es decir, Esta perdido. Esto significa que para obtener acero con un contenido de cromo del 18%, es necesario introducir en el horno mucho más cromo que 180 kg por tonelada de acero. Y el cromo es un metal caro. ¿Cómo encontrar una salida a esta situación?

A principios del siglo XX se encontró una solución. Se propuso utilizar el calor de un arco eléctrico para fundir metal. Se cargó chatarra en un horno circular, se vertió hierro fundido y se bajaron electrodos de carbono o grafito. Entre ellos y el metal en el horno (“baño”) se formó un arco eléctrico con una temperatura de aproximadamente 4000°C. El metal se derritió fácil y rápidamente. Y en un horno eléctrico tan cerrado se puede crear cualquier atmósfera: oxidante, reductora o completamente neutra. En otras palabras, se puede evitar que se quemen elementos valiosos. Así nació la metalurgia de los aceros de alta calidad.

Más tarde, se propuso otro método de fusión eléctrica: la inducción. Se sabe por la física que si se coloca un conductor metálico en una bobina a través de la cual pasa una corriente de alta frecuencia, se induce una corriente en él y el conductor se calienta. Este calor es suficiente para fundir el metal en un tiempo determinado. Un horno de inducción consta de un crisol con una espiral incrustada en su revestimiento. Una corriente de alta frecuencia pasa a través de la espiral y el metal del crisol se funde. En una estufa de este tipo también puedes crear cualquier atmósfera.

En los hornos de arco eléctrico, el proceso de fundición suele realizarse en varias etapas. Primero, las impurezas innecesarias se queman del metal, oxidándolos (período de oxidación). Luego, la escoria que contiene los óxidos de estos elementos se retira (descarga) del horno y se cargan ferroaleaciones: aleaciones de hierro con elementos que deben introducirse en el metal. El horno se cierra y la fusión continúa sin acceso de aire (período de recuperación). Como resultado, el acero queda saturado con los elementos necesarios en una cantidad determinada. El metal terminado se vierte en un cucharón y se vierte.

Reacciones químicas en la producción de hierro.

En la industria moderna, el hierro se obtiene a partir del mineral de hierro, principalmente de hematita (Fe 2 O 3) y magnetita (Fe 3 O 4).

Hay varias formas de extraer hierro de los minerales. El más común es el proceso de dominio.

La primera etapa de producción es la reducción del hierro con carbón en un alto horno a una temperatura de 2000 °C. En un alto horno, el carbono en forma de coque, el mineral de hierro en forma de aglomerado o gránulos y el fundente (como la piedra caliza) se alimentan desde arriba y se encuentran con una corriente de aire caliente forzado desde abajo.

En el horno, el carbono del coque se oxida a monóxido de carbono (monóxido de carbono) por el oxígeno atmosférico:

2C + O 2 → 2CO.

A su vez, el monóxido de carbono reduce el hierro del mineral:

3CO + Fe 2 O 3 → 2Fe + 3CO 2.

Se agrega fundente para extraer impurezas no deseadas del mineral, principalmente silicatos como el cuarzo (dióxido de silicio). Un fundente típico contiene piedra caliza (carbonato de calcio) y dolomita (carbonato de magnesio). Otros fundentes se utilizan contra otras impurezas.

Efecto del fundente: el carbonato de calcio se descompone bajo la influencia del calor en óxido de calcio (cal viva):

CaCO3 → CaO + CO2.

El óxido de calcio se combina con el dióxido de silicio para formar escoria:

CaO + SiO 2 → CaSiO 3.

La escoria, a diferencia del dióxido de silicio, se funde en un horno. La escoria, más ligera que el hierro, flota en la superficie y puede drenarse por separado del metal. La escoria se utiliza luego en la construcción y la agricultura. El hierro fundido producido en un alto horno contiene bastante carbono (hierro fundido). Excepto en los casos en que se utiliza directamente el hierro fundido, requiere un procesamiento posterior.

El exceso de carbono y otras impurezas (azufre, fósforo) se eliminan del hierro fundido mediante oxidación en hornos o convertidores de hogar abierto. Los hornos eléctricos también se utilizan para fundir aceros aleados.

Además del proceso de alto horno, es común el proceso de producción directa de hierro. En este caso, el mineral previamente triturado se mezcla con arcilla especial, formando gránulos. Los pellets se cuecen y se tratan en un horno de cuba con productos calientes de conversión de metano que contienen hidrógeno. El hidrógeno reduce fácilmente el hierro sin contaminarlo con impurezas como azufre y fósforo, impurezas comunes en el carbón. El hierro se obtiene en forma sólida y posteriormente se funde en hornos eléctricos.

El hierro químicamente puro se obtiene por electrólisis de soluciones de sus sales.