pirometalurgia del hierro

PIROMETALURGIA DEL HIERRO
La operación pirometalúrgica más importante es la reducción del hierro.
Éste está presente en muchos minerales, pero las fuentes más importantes son los minerales de óxidos de hierro: hematita, Fe203. y magnetita, Fe304. Algunos metales se encuentran en la naturaleza como elementos libres, sin embargo, la mayoría de ellos se encuentra como óxidos, sulfuros, haluros,carbonatos u otros compuestos iónicos. En el caso del hierro, éste se encuentra como óxido. Existen depósitos minerales escasos de donde se pueden obtener los elementos de manera provechosa, los cuales son llamados menas. El proceso para obtener metales a partir de las menas recibe el nombre de metalurgia.
Pocas menas son sustancias químicamente puras, ya que por lo general el metal deseadosuele estar mezclado con grandes cantidades de impurezas (como arena y barro) llamadas ganga. Generalmente el primer paso de un proceso metalúrgico es separar al metal de la ganga. Luego, la mena se transforma en el metal por un proceso de reducción. La pirometalurgia es uno de los métodos para recuperar metales de sus menas, incluye el uso de altas temperaturas tal como su nombre lo indica. El hierroilustra este método de producción de metales.
La producción de hierro a partir de sus menas se efectúa en los altos hornos, como el que se observa en la figura 1. El horno se carga con una mezcla de mena (generalmente hematita, Fe2O3), coque (el cual es principalmente carbón) y piedra caliza (CaCO3). Se introduce una corriente formada de aire caliente en la parte inferior ocasionando que elcoque experimente combustión con un calor tan intenso, que la temperatura del fondo alcanza aproximadamente 1,500°C. Se controla la cantidad de aire, de modo que el monóxido de carbono sea el producto primario. Tanto el carbono como el monóxido de carbono participan en la reducción de óxido de hierro (III) para dar el metal impuro:
Fe203(s) + 3 C(s) ------> 2 Fe (l) + 3 CO(g)
Fe 203(s) + 3 CO(g)-------> 2 Fe (l) + 3CO2(g)
Gran parte del dióxido de carbono que esa forma en el proceso de reducción y por calentamiento de la piedra caliza, se reduce en contacto con el coque no quemado y produce más agente reductor:
CO2(g) + C(s) -------> 2CO(g)
El hierro fundido fluye por el horno y se recolecta en la parte inferior, de donde se recupera a través de una apretura latera.
Este hierroimpuro se llama hierro fundido. Generalmente, el metal impuro es quebradizo o blando (propiedades indeseables para la mayoría de aplicaciones), a causa de la presencia de pequeñas cantidades de impurezas como carbono elemental, fósforo y azufre.

Figura 1. Un alto horno.

Los hornos modernos de mayor tamaño tienen capacidad de 14 m de diámetro, y producen hasta 10,000 toneladas de hierro aldía.
Los minerales de hierro generalmente contienen silicatos y dióxido de silicio. El óxido de cal (CaO), que se forma al calentar la piedra caliza, reacción con estos materiales formando silicato de calcio.
SiO2(s) + CaO(s) -------> CaSiO3(l)
Ésta es una reacción ácido-base, porque CaO es un óxido básico y SiO2 es un óxido ácido. El silicato de calcio, fundido a la temperatura de los altoshornos y menos denso que el hierro fundido, flota sobre él. Otros óxidos no metálicos se disuelven en esta capa y la mezcla llamada escoria puede removerse con facilidad. El hierro fundido de los altos hornos puede contener hasta 4.5% de carbono, 0.3% de fósforo, 0.04% de azufre y hasta 15% de silicio y, en ocasiones, otros elementos. El hierro impuro debe purificarse para eliminar las impurezas nometálicas. Para ello se dispone de varios procesos, pero el más importante es el horno básico de oxígeno.
Este proceso retira gran parte del carbono y todo el fósforo, azufre y silicio.
Se hace parsar oxígeno puro sobre el hierro fundido, el cual oxida el fósforo a P4O10, el azufre a SO2 y el carbono a CO2. Estos óxidos no metálicos escapan como gases o reaccionan con óxidos básicos como...