Minerales de Hierro: Hematita y Magnetita

El hierro se extrae principalmente de dos minerales:

• Hematita (Fe₂O₃):
  • Color: Castaño-rojo
  • Densidad: 5,26 g/cm³
  • Cristalización: Hexagonal
  • No magnética
  • Composición: 70% Fe, 30% O
• Magnetita (Fe₃O₄):
  • Color: Negro
  • Densidad: 5,18 g/cm³
  • Cristalización: Cúbica
  • Magnética
  • Composición: 72,4% Fe, 27,2% O

Yacimientos de Hierro Activos en Chile

• El Algarrobo (Vallenar): 2,6 MTM (Millones de Toneladas Métricas)
• El Romeral (IV Región): 38,9 MTM
• Los Colorados: 24,5 MTM

Yacimientos sin explotar:

• El Laco (II Región)
• Cerro Negro Norte (III Región)
• Distrito Pleito Cristales

Las impurezas más comunes en la extracción del hierro son el fósforo (P) y el azufre (S). A nivel mundial, el consumo promedio de hierro es de 1192 MTM.

Producto del Alto Horno (Arrabio)

El arrabio, producto del alto horno, contiene:

• Carbono (C): 4-5%
• Silicio (Si): Hasta 3%
• Manganeso (Mn): Hasta 6%
• Azufre (S) y Fósforo (P): Menos del 1%

Tipos de Fundición:

• Si el arrabio tiene un alto contenido de Si, el carbono se incorpora en forma de escamas, dando origen a la fundición gris (ideal para cuerpos de maquinaria).
• Si predomina el Mn, el carbono forma carburos de Fe, dando origen a la fundición blanca (usada en aceros para herrería y construcción).

Microestructuras del Hierro

• Hierro alfa (Ferrita): Dúctil, maleable y blando. Tensión normal: 2800 kg/cm².
• Hierro gamma (Austenita): Tensión normal entre 8000 y 10000 kg/cm².
• Fe₃C (Cementita): Componente más duro y magnético.
• Perlita: Laminado intercalado de ferrita y cementita (0,8% de carbono).

Clasificación de los Aceros

A) Aceros de Construcción (0,3-0,7% C):

• Fabricación de vehículos y estructuras.

B) Aceros de Herramientas (0,6-1,4% C):

Aceros Aleados:

• Mejoran la resistencia a la tracción y al desgaste.
• Disminuyen la corrosión.
• Facilitan la forja.
• Mejoran la resistencia al calor.
• Facilitan el mecanizado.

A) Aceros de Calidad:

• Fácilmente soldables.
• Conformables en frío y en caliente.

B) Aceros Finos:

• Acero cementado.
• Acero bonificado.
• Acero rápido.

Influencia de los Componentes en el Acero

• Cromo: Aumenta la resistencia y la dureza.
• Molibdeno: Aumenta la resistencia al calor y disminuye la corrosión.
• Silicio: Proporciona elasticidad, permite la penetración del temple y mejora la resistencia al ataque ácido.

Identificación del Acero (Normas)

Norma SAE:

• Los dos primeros dígitos indican el tipo o clasificación de la aleación (1: Carbono, 2: Níquel, 3: Níquel-Cromo, 4: Molibdeno).
• Los dos últimos dígitos indican el porcentaje de carbono.

Norma ICHA:

• Los dos primeros dígitos indican el límite de ruptura.
• Los dos últimos dígitos indican el límite de fluencia (paso al estado plástico).

Propiedades del Acero

• Ductilidad: Capacidad del metal para deformarse por laminación sin fisuras (alargamiento por tracción > 5%).
• Fragilidad: Inversa a la ductilidad.
• Resiliencia: Capacidad de absorber energía en la zona elástica.
• Tenacidad: Capacidad de absorber energía en la zona plástica.
• Maleabilidad: Similar a la ductilidad, pero favorece la obtención de láminas delgadas.

Proceso Siderúrgico del Hierro

El mineral de hierro (mena), principalmente en forma de óxido, se encuentra en la naturaleza raramente en estado puro. Los minerales de hierro más comunes son óxidos, anhídridos y carbonatos. El hierro se encuentra unido a la «ganga», componentes que no intervienen en el proceso.

Materias Primas

Pellets o Pellas

Aglomerados esféricos de partículas finas de mineral de hierro, aglomerantes y aditivos (caliza, dolomita, combustibles sólidos), consolidados a altas temperaturas para alimentar altos hornos y hornos de reducción directa.

Carbón de Coque

La hulla es un carbón mineral (45-85% de carbono), formado por la descomposición vegetal durante millones de años. Al calentarse, desprende gases útiles, dejando el carbón de coque, liviano y poroso. El coque metalúrgico se obtiene en plantas de coquización, a partir de carbones seleccionados. El proceso consiste en calentar el carbón en hornos de batería durante 10-24 horas.

Coquería

La coquización es la destilación del carbón en ausencia de oxígeno. El carbón se muele, se mezcla y se introduce en hornos. El calentamiento indirecto (1300°C) a través de quemadores permite que el carbón se reblandezca (350°C), se solidifique y pierda volátiles, aumentando la concentración de carbono fijo (coque). El coque se descarga, se enfría con agua (33.300 l/min) y se clasifica por tamaño en una planta de cribado.

Sinterización

El sinter es un aglomerado en caliente de finos de mineral de hierro, coque, fundente y material reciclado. Los finos se mezclan con agua y se sinterizan en una cadena. El calor del coque fino transforma la mezcla en un producto poroso, resistente y con alta concentración de hierro. Se clasifica por tamaño, reciclando los finos y enviando el resto al alto horno.

Reducción: Proceso del Alto Horno

La reducción es el proceso de extraer el exceso de oxígeno del mineral. Se obtiene hierro metálico por reducción de minerales de hierro a temperaturas superiores a la fusión de los componentes.

Alto Horno

El alto horno es un horno vertical que produce arrabio líquido. Los elementos que salen del alto horno son: gas de alto horno, polvo, escoria líquida y arrabio líquido. El arrabio contiene hierro (4-4,6% de carbono) e impurezas (azufre, fósforo, silicio y manganeso).

La escoria protege al hierro de la oxidación. Se utiliza en la industria del cemento y como abono. El proceso comienza con la carga del alto horno con carros skip. Se inyecta aire a 1150°C que, en contacto con el coque, forma monóxido de carbono (CO). El CO asciende, quita el oxígeno al mineral (reducción) y forma dióxido de carbono (CO₂). El oxígeno y el coque funden el mineral de hierro. La carga y la colada son intermitentes. Los componentes fundidos se drenan: la escoria por el escoriero y el arrabio por la piquera. El arrabio se traslada a la acería en vagones termo.

Aceración: Convertidor LD

En la acería, el arrabio se convierte en acero. La aceración en el proceso LD se basa en la inyección de oxígeno sobre el arrabio líquido a alta temperatura. Al reducirse el porcentaje de silicio, carbono, etc., el arrabio se convierte en acero.

Proceso en el Convertidor LD

El arrabio líquido se descarga en una cuchara de colada y se desulfura. La cuchara vuelca el arrabio en el convertidor basculante, previamente cargado con chatarra (protege los refractarios y evita reacciones violentas). Se añaden fundentes (cales) para formar una escoria que capte impurezas.

Se introduce una lanza de oxígeno (21 metros de largo, 30 cm de diámetro). El oxígeno oxida los constituyentes no deseados (carbono, silicio, fósforo). Las oxidaciones elevan la temperatura. Se carga chatarra sólida (20%) para regular el calor. El carbono baja del 4-4,6% a menos del 1%. El proceso dura 40-45 minutos (soplado: 18 minutos). Se vuelca la escoria y luego el acero a una cuchara, que se envía a la estación de afino.

Afinado del Acero

El acero líquido del convertidor se acondiciona químicamente («afinado»). Se reduce el carbono (C) con oxígeno (O), evacuando CO y CO₂. Se pueden añadir cromo (Cr) y níquel (Ni) para modificar propiedades.

Colada Continua

El acero de la cuchara se vierte en lingoteras (moldes sin fondo) de cobre refrigeradas con agua. El acero solidifica, tomando la forma del molde (tochos o desbastes planos). Las barras se enderezan con rodillos, se pulverizan con agua para solidificar el núcleo y se cortan con sopletes. Rodillos motorizados conducen las barras a playas de enfriamiento.