química en la industria y tecnologia


Opción C: química en la industria
y la tecnología
Hierro, acero y aluminio
El hierro y el aluminio son metales muy reactivos, más reactivos incluso
que el hidrógeno. Ninguno de ellos se encuentra sin combinar en la
naturaleza. Los minerales de hierro más comunes son los óxidos y los
sulfuros; y pueden ser reducidos a metal de hierro en un alto horno usando
agentes reductoresquímicos como: el carbono, el monóxido de carbono y
el hidrógeno. El aluminio se encuentra principalmente como su hidróxido,
Al(OH)3 y óxido, A12O3. El aluminio es más reactivo que el hierro y sus
minerales son reducidos por electrólisis.
El alto horno
Un alto horno moderno (Figura 1), que utiliza monóxido de carbono,
carbono e hidrógeno como agentes reductores, es capaz de producir10,000 toneladas de hierro fundido por día. La mayoría del arrabio
producido se convierte directamente en acero, pero parte es enfriado para
hacer piezas de hierro fundido como bloques de motor.
Materias primas
La carga sólida se alimenta a través de la tolva por medio de una cinta transportadora
y se compone de:
• mineral de hierro: principalmente hematita (Fe2O3), magnetita (Fe3O4) uóxidos
hidratados (p. ej. goetita, FeOH.OH, y limonita, Fe2O3. H2O), y óxidos de hierro
obtenidos por tostación de sulfuros de hierro (p. ej. piritas de hierro, FeS2) o
chatarra de hierro reciclado.
• coque, obtenido por calentamiento de carbón en ausencia de aire.
• caliza (CaCO3) para disolver y eliminar químicamente impurezas con alto punto
de fusión mediante la formación de escoria.
•aire precalentado soplado al interior del horno a través de boquillas conocidas
como toberas en la parte inferior del horno. Este aire se enriquece con oxígeno y
puede incluir hidrocarburos como petróleo o gas natural para sustituir hasta un
40% del coque.
Reacciones
El coque se quema para formar monóxido de carbono:
2C(s) + O2(g)→2CO(g)
En condiciones de reducción, se produce lacombustión incompleta de los
hidrocarburos añadidos. Por ejemplo:
CH4(g) +½O2→CO(g)+2H2(g)
Los gases reductores pasan horno arriba, donde reducen los óxidos de hierro en una
serie de fases, dependiendo de la temperatura y la composición del gas. Ejemplos de
reacciones globales que tienen lugar son:
Fe2O3(s) + 3CO(g)→2Fe(l) + 3CO2(g)


gas del horno
mineral de
hierro, coque
ycaliza
tolva
chorro
arrabio
escoria
Figura 1. El alto horno.
escoria
hierro 16 • Opción C: química en la industria y la tecnología
Fe3O4(s) + 4H2(g)→3Fe(l) + 4H2O(g)
FeO(s) + CO(g)→Fe(l) + CO2(g)
Además, el coque puede reducir el mineral de hierro en las regiones más
calientes. Por ejemplo:
Fe2O3(s) + 3C(s)→2Fe(l) + 3CO(g)
Los gases parcialmente oxidados (gases del horno)que salen desde la parte
superior del horno se utilizan como combustible para precalentar el aire
introducido en forma de chorro a través de las toberas.
A altas temperaturas la caliza se descompone.
CaCO3(s)→CaO(s) + CO2(g)
El dióxido de carbono reacciona con el coque para producir monóxido de
carbono. A su vez, el coque puede reaccionar con el agua de los
hidrocarburos para darmás monóxido de carbono e hidrógeno:
CO2(g) + C(s)→2CO(g) y H2O(g) + C(s)→H2(g) + CO(g)
El óxido de calcio reacciona con impurezas de alto punto de fusión para
formar una escoria compleja de aluminosilicatos que contiene la mayoría
de las impurezas de silicio. Por ejemplo:
CaO(s) + SiO2(s)→CaSiO3(l)
Productos
A las altas temperaturas de la parte inferior del horno, el hierro fundido yla escoria líquida se separan en dos capas, con la escoria menos densa en
la parte superior. Ambas van siendo extraídas a medida que se añade más
materia prima al horno, en un proceso continuo. El hierro fundido
(conocido como arrabio) contiene fósforo y azufre, junto con pequeñas
cantidades de otros elementos como manganeso y silicio, y alrededor de
un 4-5% de carbono. La escoria...