Defina la combustión.

Denominamos hacia a toda reacción química que va acompañada de producción de calor. La combustión es el producto de la una oxidación en que hay liberación de calor.   En toda combustión interviene:

• El carburante: Es el cuerpo que produce la combustión.

• El combustible: Es el cuerpo que se quema o arde.

• Energía calórica: Es la que se libera, la cual se encuentra latente en el combustible.

Clasifique las combustiones.

1. Perfecta: Se obtiene cuando existe un exceso de oxigeno y la sustancia reacciona completamente.

2. Imperfecta: Cuando el oxigeno no es suficiente por lo cual la sustancia reacciona parcialmente.

3. Completa: Es aquella en la cual se quema todo el combustible.

4. Incompleta: Es aquélla en la cual  parte del combustible no se quema.

5. Oxidante: Es aquella en la cual los gases contienen oxigeno.

6. Reductora: Es aquella en la que hay un exceso de combustible y  los gases de combustión contienen hollín.

7. Neutra: Es aquélla en la cual las cantidades de combustible y de aire  son estequiométricas (indicadas en las formulas químicas).

Defina a los combustibles e indique los combustibles argentinos.

Definimos como combustibles a toda sustancia que al reaccionar con el oxigeno libera una cierta cantidad de calor técnicamente aprovechable.

La Republica Argentina cuenta con yacimientos de petróleo y carbón fósil cuya explotación cubre un 80% aproximadamente del consumo interno.

A que llamamos poder calorífico, poder calorífico inferior y poder calorífico superior.

Poder calorífico: Es la cantidad de calor que libera la combustión correcta y completa de 1kg de combustible y lo designamos con la letra N [kcal/ k comb].

Cuando el combustible contiene hidrógeno se distinguen dos poderes caloríficos:

Poder calorífico superior: Es aquel que toma en cuenta el calor de condensación del vapor de agua formando Ns [kcal/ kg com].

Poder calorífico inferior: Es aquel que prescinde del calor de condensación del vapor de agua formado ni [kcal/ kg comb].

Defina el mineral.

Denominamos así a toda sustancia natural que posee en su composición una cantidad tal de metal al que se refiere que haga posible su extracción en forma económica.

Se define como ley del mineral al contenido de metal al que se refiere.

Que son los materiales refractarios.

Son aquellos capaces de resistir elevadas temperaturas y el ataque de aquellos materiales que se encuentran en contacto con ellos y también de sus gases y vapores.

Características de los materiales refractarios.

Las mas importante es que deben resistir altas temperaturas para lo cual deben poseer un elevado punto de fusión, otra característica es la porosidad la cual al ser menor lo hace mas compacto al ladrillo resultando mas resistente a las cargas y al ataque químico dado que no penetran los gases y materiales fundidos, por ultimo tenemos la resistencia la resquebrajamiento provocado por las contracciones y dilataciones para lo cual se deben tener en cuenta la composición química y la forma de la pieza refractaria.

Síntesis de las características:

a) Son aquellos capaces de resistir el calor como el grafito, y carburo de silicio en presencia del aire.

b) Deben tener alto punto de fusión.

c) Al ser de menor porosidad es mas compacto resultando mas resistente a las cargas.

d)Tiene resistencia al resquebrajamiento provocado por las contracciones y dilataciones debiendo tener en cuenta la composición química.

Clasifique los materiales refractarios e Indique sus componentes elementales.

         a) Que resisten el calor en presencia del aire: Por ejemplo el grafito que es capas de resistir elevadas temperaturas el igual que el carbono de silicio no pueden ser calentadas  durante mucho tiempo en atmósferas oxidantes.

b) Que resisten el calor y las acciones químicas de los productos con los cuales entran en contacto: Por ejemplo los ladrillos de silicios que pueden llegar a resistir 1850ºC  en contacto con sustancias alcalinas se destruyen por debajo de los 100ºC.

         Teniendo en cuenta la composición química ( normas I.R.A.M.):

a) De carácter ácido o silicosos:1_silícicos. 2_aluminos-silícicos.

b)Básicos o alcalinos:1_ magnesita.2_ cal.3_ cromo-magnesita.4_ dolomita.

c)De carácter neutros: De elevado contenido en alumina (bauxita-cianita-silimanita-corindón-diasporo): Cromo, carbón, zirconio, carburo de silicio.

Que son los fundentes.

Son sustancias que se agregan en cualquier horno metalúrgico para producir la separación de la ganga y en general para facilitar la formación de las escorias que arrastran las impurezas. Al combinarse con la ganga a altas temperaturas da lugar a la formación de compuestos de fácil fusión y bajo peso especifico que sobrenada el metal fundido debido a su diferencia de densidad.

Clasifique y enumere los fundentes y sus componentes elementales.

         Se clasifican según el tipo de ganga o impureza que determina que fundente se debe utilizar teniéndose que para gangas ácidas conviene fundentes básicos, mientras que si son básicas convienen fundentes ácidos.

Los fundentes y componentes elementales son:

a) Básicos: El mas común es la piedra de cal o castina que es un carbonato de calcio con algunas impurezas. Otro carbonato de calcio  muy utilizado es la piedra caliza (muy abundante en nuestro país), pues supera los 800ºC se descompone formando oxido de calcio (cal) y anhídrido carbónico      (dióxido de carbono). La dolomita (carbonato doble de calcio y magnesio) es muy utilizada en la fusión especialmente de aceros en convertidores

b) Ácidos: son compuestos contienen oxido de silicio no se utiliza en altos hornos pero si en procesos de obtención de acero.

Estados alotrópicos del hierro.

Existen 4 formas cristalinas diferentes:

1) Entre la temperatura ambiente y los 768ºC la agrupación es cúbica de 9 átomos, dispuestos uno en cada vértice y uno en la parte central del cubo (llamándose esto agrupación cúbica de cara centrada) y lo denominamos hierro a.

2) Entre los 768ºC y 906ºC la agrupación es cúbica de cara centrada con 9 átomos y lo denominamos hierro b.        

3) Entre los 906ºC y 1401ºC la agrupación es mayor tiene 14 átomos, colocados uno en cada vértice y uno en el centro de cada cara y lo denominamos hierro γ.

4) Pasando los 1401ºC hasta los 1528ºC vuelve a agruparse en la forma cúbica centrada de 9 átomos y se denomina hierro d.

Curva enfriamiento – calentamiento.

1528ºC

1401ºC

906ºC

768ºC

FEb     FEa

FE γ

FE d SOL

FE d LIQ.

Por sobre los 1528ºC nos encontramos en la  fase liquida. A los 1528ºC tenemos una etapa isotérmica donde encontramos al principio cristales sólidos mezclados con líquidos hasta que al finalizar en que la masa es todo sólida. Si seguimos disminuyendo la temperatura hasta los 1400ºC encontramos hierro delta en estado sólido.

A los 1401ºC tenemos otra etapa isotérmica en la cual se produce el cambio de estructura cristalográfica obteniéndose un punto característico desde esa temperatura y hasta los 906ºC encontramos hierro con estructura cúbica de cara centrada ( hierro γ) en estado sólido a los 906ºC tenemos una etapa isotérmica donde el hierro modifica nuevamente su estructura cristalográfica pasando  de 14 a 9 átomos lo que constituye un nuevo punto característico, esta estructura se mantiene hasta la temperatura ambiente dando lugar hasta los 769ºC al hierro b y a partir de esta temperatura el hierro a.

         Denominamos punto característico aquellos en donde el hierro pasa de un estado alotrópico al otro, es decir cambia su estructura cristalográfica

Para el caso particular del hierro la curva de calentamiento resulta igual que la de enfriamiento.

Características del diagrama hierro carbono.

Este  diagrama representa como límites el hierro puro y la cementita por lo que también se lo denomina hierro-cementita y presenta las siguientes características:

a) Curva  ABCD, denominada curva de los líquidos.

b) Curva  AHJECF denominada curva de los sólidos.

c) El punto común a ambas curvas (C) que se da para el 4,3 % de carbono, constituye el eutéctico y la aleación eutéctica se denomina ledeburita.

d) Una zona delimitada por la curva  GOSEJ que delimita la aleación hierro-carbono denominada austenita cuya estructura cristalográfica es de 14 átomos.

e) El punto S que es otro punto característico denominado eutectoide en el cual obtenemos la aleación del eutectoide denominada perlita.

La curva de trazo determina el diagrama de equilibrio estable que corresponden a un enfriamiento lento y la curva llena corresponde al diagrama de equilibrio metaestable, pues su enfriamiento resulta rápido. Si analizamos una aleación con 1 % de carbono tendremos que por sobre los 1485ºC la aleación se encuentran estado líquido. Entre esta temperatura y los 1260ºC encontramos austenita + líquido. Entre los 1260ºC y los 810ºC encontramos austenita sólida. Entre esta temperatura y los 721ºC encontramos austenita + cementita secundaria y por debajo de 721ºC encontramos perlita + cementita secundaria. Si analizamos una aleación con 6% de carbono tenemos que por sobre los 1500ºC se encuentra en estado líquido. Entre esta temperatura y los 1145ºC tenemos cementita primaria + liquido, y por debajo de esta temperatura tenemos cementita primaria + ledeburita.

Briquetado. Método weiss.

Este procedimiento utiliza la acción del anhídrido carbónico sobre el oxido de calcio o cal viva común.

Hecha la mezcla del mineral y ligante, se da forma a las briquetas y se carga en vagonetas que se introducen colgadas de un riel, en el interior  de una caldera de endurecimiento 1. Esta caldera un  diámetro  de 1,50m y un largo de 15m.

El anhídrido carbónico (co2) se inyecta a la caldera a 20 atmósferas. Cuando es suficiente la acción del gas frío, se someten las briquetas a la acción  del ácido carbónico caliente.

Durante estas fases, la cal se convierte en carbonato y, por lo tanto, ligan las partículas de mineral, dándoles consistencia.

Si  con este procedimiento se aprovecha el polvo proveniente de la depuración seca del gas de alto horno, las briquetas contienen mineral, fundente y coque, por lo cual su aprovechamiento como carga es directo. 

Briquetado. Método DL ( de Dwight Lloyd).

Es un procedimiento mecánico continuo, que permite obtener automáticamente gran cantidad de sinter.

         El polvo mineral, y coque que puede producirse artificialmente, o bien el polvo proveniente de la depuración del gas de alto horno, viene descargado paulatinamente sobre una cinta metálica sin fin formada por eslabones de rodillos que engranan con las ruedas dentadas que le comunican un movimiento de traslación lento de 1 a 1,70 metros por minuto.

         El mineral es expuesto a la acción de quemadores que actúan sobre dicho polvo, provocando la combustión indispensable. La acción del calor provoca el “fritado”, obteniéndose una masa ferrosa semigranulada, con una gran riqueza en hierro (60 % fe) y (4 % c) aproximadamente.

         Este mineral se carga en el alto horno, enriqueciendo de este modo las cargas correspondientes, si el mineral utilizado en éste es mineral pobre.

         La figura representa una de estas instalaciones: 1 y 2 son tolvas en las cuales se cargan mineral y coque pulverizados. Un tornillo de Arquímedes transporta estos materiales, en cada caso, haciéndolos caer gradualmente sobre la cinta sin fin; 3 es un quemador de gas. Debajo de la cadena se ha dispuesto una serie de trampas conectadas a un tubo común 4, por el cual se produce la aspiración de los gases de combustión.

         Este sistema de aglomeración del mineral reemplaza muy ventajosamente a cualquier sistema de fabricación de briquetas, por la simplicidad de la instalación y por su rendimiento económico.          

Briquetado. Método Grondal.

En este procedimiento, la conformación de las briquetas se hace sin ligante alguno. Una vez amasada utilizando polvo del mineral y agua, se la seca al aire y luego se disponen en vagonetas que se introducen en un horno de galería.

         La unión de las partículas sólidas se hace por “fritado”, elevando a temperatura conveniente el horno donde dichas vagonetas se introducen.

         Estos hornos son muy simples. Comprenden casi siempre dos compartimientos gemelos paralelos, convenientemente abovedados. El calor lo produce el gas que se emplea para producir llamas largas que recorren el horno longitudinalmente. El humo sale por un conducto dispuesto en la otra extremidad.

         En la zona anterior, se produce el secado de las probetas. Mas adelante, por la acción de las llamas y a una temperatura de 1300º a 1400ºC, se produce el “fritado” o aglomeración de la masa que forma las briquetas.

         El horno tiene una longitud de 30 a 60 metros. Las vagonetas son retiradas una a una, a intervalos regulares, introduciéndose otras por el extremo opuesto.

         La producción de briquetas puede alcanzar cifras entre 30 a 100 toneladas cada 24 horas, según las dimensiones del horno.

         Este procedimiento tiene, además, la ventaja de disminuir el contenido de azufre a proporciones casi insignificantes.

Trituradora de cilindros.

Es una instalación formada por varios cilindros metálicos pesados cuya superficie externa esta formada por estrías longitudinales o dientes que toman al mineral y lo obligan a pasar por el espacio existente entre los cilindros.

         La figura muestra una de estas máquinas formada por cuatro cilindros; dos en la parte superior y otros dos en la parte inferior. Los dos superiores, 1 y 2, están colocados ha mayor distancia entre si que los dos inferiores, 3 y 4. Un sistema de palancas permite acercar los cilindros.

         Uno de cada par es fijo, el otro es móvil, lo que hace a la separación entre los cilindros graduables entre cierto límites. Esta separación puede limitarse mediante los tornillos 5 y 6.

         Los contrapesos 7 y 8 mantienen esta separación en una forma relativamente elástica, como para evitar roturas cuando el mineral es excesivamente duro.    

Trituradora de mandíbula.

Es una máquina de mayor producción que la de cilindros. El mineral sale de una tolva 1 y cae entre las mandíbulas 2 y 3, una de las cuales, la 3, es fija y la otra es móvil. El movimiento es producido por un árbol provisto de una excéntrica que lo comunica a su vez a una biela y ésta a un brazo a un que acciona la mandíbula 2. Un sistema de cuñas regula la amplitud del movimiento. Un resorte 4 absorbe los golpes bruscos. El volante 5 almacena la energía sobrante y la devuelve en los instantes de trabajo. Como consecuencia del movimiento recibido por el árbol y transmitido a la mandíbula, ésta ejecuta un movimiento de vaivén triturando el material que cae desde la tolva.

         La velocidad de trabajo es de 200 golpes por minuto. La producción depende del tamaño de la máquina.

Trituradora excéntrica.

En esta máquina el mineral cae en una tolva 1 de formas muy robustas, dentro de la cual se mueve una nuez 2 en forma de tronco de cono. Ella está colocada libre sobre un árbol móvil 3 fijado en el extremo superior y colocado excéntrica en una cavidad que presenta una rueda dentada cónica de grandes dimensiones 4, cuyo movimiento de rotación es provocado por el piñón 5 y el eje de este piñón por medio de un juego de poleas 6 y 7, loca y fija, respectivamente, las que reciben el movimiento mediante correa desde el motor.

         Al producirse el movimiento pendular cónico, la nuez tritura al mineral que cae desde la tolva aplastándolo contra las paredes del mismo. Para ello, la superficie de la nuez presenta estrías o acanaladuras según generatrices de su conicidad.

         La figura muestra una trituradora de este tipo en funcionamiento, con una capacidad de trituración de 450 toneladas hora.

Principales minerales de hierro, enunciar minerales argentinos.

Los principales minerales del hierro son:

Magnetita: (oxido de hierro magnético Fe3O4) es el mineral mas rico en hierro. Esta compuesto de FeO y  O3, asociados.

De su nombre las propiedades magnéticas que posee. Su color es el negro o gris acero, que se convierte en pardo en presencia del manganeso.

Su riqueza de hierro ,cuando es puro, es de 72,4%.

Hematita: (Fe2O3),oxido férrico, contiene hasta el 70% de hierro. Su color es el rojo.

Limonita (Fe3O4 3H2O), oxido férrico hidratado con un 60% de hierro: Se presenta en masas terrosas de color variable del pardo al amarillo.

Siderita: (CO3Fe),carbonato ferroso, con un contenido de hierro del48%,de color blanco.

Minerales argentinos:

Filo de la Cortadera (La Rioja):Es un yacimiento de cierta importancia .el mineral contiene un 50 % de hierro. Su extracción es solo por alambre carril.

Tinogasta y Andalgala (Catamarca):Existen yacimientos de Hematita de 0.40 m de espesor, no muy extendidos. Se encuentra mezclado con sílice y otra cosas.

Manzanito-Nonogasta (La Rioja): existen yacimientos de Hematita y magnesita con un porcentaje variable de hierro entre 40 y 60%.

La Quiaca (Jujuy): existen yacimientos a 3500 m de altura. El mineral es pobre .en su ganga se encuentra el manganeso que podría desempeñar el papel de reductor.

Componentes de la carga del alto horno estado físico y químico y función de cada uno.

Las cargas del alto horno son:

Mineral-fundente-carbón o coque, aire caliente.

Mineral: estado sólido.(Fe2O3 – (H2O=>agua hidroscopica) –S-Mn).

La función que tiene es que mediante la acción de los gases  reductores, se reduzca y como producto final obtener arrabio.

Fundente: estado sólido.(CaO, carbonato de calcio).

La función es hacer que sea mas fluida la ganga que contiene el mineral, y como tiene menor peso específico sobrenada el metal y así se hace mas fácil su eliminación.

Carbón o coque: estado sólido.(----).                       

La función que tiene es la de un combustible, ayuda en la reducción del mineral.

Principio de funcionamiento del alto horno.

Por el tragante se introduce mineral, fundente y carbón de coque, estableciéndose una corriente descendente primero sólida, luego pastosa y finalmente liquida.

Esta carga posee (químicamente) mineral: oxido de hierro, combustible: carbón ,mineral y fundente: carbonatos, óxidos, fosfato de silicio, calcio, manganeso y aluminio.

En la parte superior del crisol (por toberas) se insufla  aire caliente, cuyo oxigeno quema el carbón transformándolo en  CO.

Y produce una corriente ascendente.

Ambas corrientes generan reacciones que producen:

• Arrabio: hierro + carbono con impurezas (P, S, Mn, Si).

• Escorias: silicio-aluminosas + sulfuros.

• Gases: monóxido de carbono (CO) – anhídrido carbónico y nitrógeno.

Procesos entre 150 a 400º c (zona 1).

         Se produce solo el secado o sea la eliminación del agua higroscópica y probablemente la transformación de los óxidos hidratados en anhidros.

Procesos entre 400 y 700º c (zona 2).

Reducción indirecta de los óxidos de Fe; solución del C por reacción CO2; descomposición de los óxidos de Mn.

Procesos entre 700 y 1350º c (zona 3).

Reducción directa del óxido férrico; disociación de los carbonatos; reducción de los óxidos de manganeso; formación de la escoria primaria, silicatos.

         El silicio existente en el mineral y contenido en la ganga en forma de sílice (SiO2), forma con los distintos óxidos presentes, silicatos.

         A 700º c de temperatura comienza la formación de silicatos ferrosos, el cual a 1100º c se vuelve sumamente fluido. El óxido de calcio se une a la sílice a temperaturas superiores a 900º c, esto es , después de la disociación de los carbonatos, producida en la misma zona, pero mas alto y a menor temperatura.

Procesos entre los 1350 y 1550º c (zona 4).

Carburación de la fundición; reducción de los óxidos y formación de las escorias del Mn, Si, P.

Procesos entre 1550 a 1800º c. Zona de combustión (zona 5).

         La combustión del coque se realiza por consecuencia de la insuflación de aire caliente a presión. La temperatura que se alcanzaría en esta zona, si no se verificara la reducción del CO2 (dióxido de carbono) formado  y la disociación del agua de combustión, seria de 2000º c , aproximadamente. Por esta razón solo se alcanza temperaturas entre 1550 y 1800º c.

         La temperatura reinante es superior a la temperatura de la fundición mas carburada y aun de la aleación hierro-carbono, mas descarburada.

         Se producen:

a) Reacción de combustible, exotérmica.

b) Desulfuración de la fundición. La alta temperatura reinante favorece la desulfuración del manganeso (Mn) y de hierro. Los sulfuros de calcio y manganeso se incorporan a la escoria final.

c) La escoria elimina azufre.

Procesos entre 1300 a 1550º c. Separación metal-escoria (zona 6).

         En esta zona se produce un descenso de la temperatura, como consecuencia de la absorción de calor exigida por las reacciones endotérmicas anteriores, por estar por debajo de la zona de activación de la combustión. La escoria elimina el azufre.

Marcha fría.

Se obtiene cuando se mantiene en el etalaje u obra una tempera baja. La fundición obtenida será blanca. Contiene azufre porque el silicio no se incorpora al hierro metálico, para eso seria necesario una alta temperatura. El silicio queda incluido en la escoria y sale con esta.

         El azufre no se puede eliminar porque necesita gran cantidad de castina (co3ca) y esta exige altas temperaturas para fundir y formar sulfuro de calcio.

Marcha caliente.

Se obtiene la fundición gris (arrabio) para moldeo y para el afino. No contendrá azufre. Será fundición silicosa, por cuanto el silicio se incorpora al metal fundido.

Marcha intermedia.

Con esta marcha se obtiene una fundición atruchada (arrabio), con características mezcla de las dos variedades anteriores.

Marcha seca.

Es un régimen de marcha muy caliente. Da una fundición (arrabio) muy impuro, exento de azufre pero que incluye si, Mn, Cr, etc. Se emplea para la obtención de fundiciones especiales: ferro-silicio, ferro-manganeso, ferro-cromo, que luego se usa como elementos adicionales en la fabricación de aceros.

Marcha rápida.

Es un régimen muy empleado en América del norte. Las características del arrabio obtenido depende de la composición de los elementos que componen la carga o lecho de fusión.

Justificación de la forma del alto horno.

         Dicha forma se justifica por el régimen de funcionamiento. En efecto, en la cuba se realizan las reacciones que producen la reducción del mineral, por lo tanto su forma tiende a facilitar el descenso paulatino de las cargas.

         En el etalaje los materiales ya se han transformado en gran parte, pasando del estado sólido al líquido; los trozos de coque disminuyen de tamaño, mientras la escoria fluye y con ella el metal licuado, por lo tanto el angostamiento progresivo constituye una disminución de la velocidad de descenso, aumentando el tiempo de permanencia y favoreciendo así las distintas reacciones que se producen.

         El nivel de entrada de aire corresponde al borde del crisol; el de salida de las escorias, algo más bajo y algo por encima de la solera del crisol; el agujero de colada, justamente sobre el fondo para evitar la acción hidrodinámica del arrabio líquido.

Influencia del silicio en el arrabio.

Su acción se manifiesta de varios modos:

1) Baja el grado de saturación del hierro por el carbono, obligándolo a este ultimo a separarse en partes.

2) Baja el punto de fusión, la hace más fluida, disminuye la sopladuras y la porosidad.

3) Aumenta la trabajabilidad de la fundición, cuando aumenta su porcentaje de Si. Se estima que el máximo de trabajabilidad se obtiene con el 2% de silicio aproximadamente.

Influencia del carbono en el arrabio.

Endurece el acero recibido, aumenta la resistencia y disminuye la ductibilidad, y al templarla se obtiene martensita.

Influencia del azufre en el arrabio.

Es un elemento perjudicial que produce los siguientes efectos:

1) baja la temperatura de fusión de las fundiciones.

2) entorpece la precipitación del grafito.

3) provoca sopladuras en la masa fundida.

4) hace quebradizas las fundiciones.

Para neutralizar el azufre se recurre al silicio; la proporción tolerable de azufre es de 0,1 para fundiciones comunes y de 0,04 para fundiciones especiales.

Influencia del manganeso en el arrabio.

El manganeso favorece la combinación del carbono con el hierro, aumenta la resistencia de la fundición, la hace más compacta, más fluida, y evita en gran parte las sopladuras. El porcentaje conveniente es de 0,6 a 0,8%, un menor porcentaje es perjudicial, pues permite la incorporación del azufre. El manganeso elimina este elemento en forma de sulfuro de manganeso. Si el porcentaje de manganeso es mayor en la fundición, la única forma de contrarrestar la influencia, es aumentar la proporción de silicio (ya que este actúa en sentido inverso).

Influencia del fósforo en el arrabio.

El fósforo baja el grado de saturación del hierro con el carbono, desciende el punto de fusión, endurece las fundiciones, aumenta la fluidez de las fundiciones.